CN111779938A - 一种金字塔构型的单框架变速控制力矩陀螺群装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及航天航空技术领域，且公开了一种金字塔构型的单框架变速控制力矩陀螺群装置，包括：外壳组合***、四台单框架变速控制力矩陀螺单机；其中外壳组合***包括：外壳（下）、外壳（中）、外壳（上）；一种金字塔构型的单框架变速控制力矩陀螺单机包括：陀螺外框架***、陀螺内框架***和定位方块；陀螺外框架***包括：曲杆框架、外框架侧板A、外框架侧板B、霍尔角度传感器、轴套、云台电机；陀螺内框架***包括：动量飞轮电机、驱动电机底座外框、驱动端侧板、从动端侧板、顶框；所述陀螺外框架***与所述外壳组合***固定连接；所述陀螺内框架***与所述陀螺外框架***固定连接；所述定位方块与所述陀螺外框架固定连接。本发明可有效完成对变速力矩陀螺群力矩输出特性进行测试。

Description

一种金字塔构型的单框架变速控制力矩陀螺群装置
技术领域
本发明涉及航天航空技术领域，具体涉及一种金字塔构型的单框架变速控制力矩陀螺群装置。
背景技术
基于陀螺进动原理输出力矩、用于航天器姿态控制应用的执行机构-单框架控制力矩陀螺(Single Gimbal Control Momentum Gyroscope，SGCMG)具有以下特性：一是具有力矩放大能力，能够达到大力矩输出的目的；二是线性度优良，易于获得良好的姿态控制性能；三是不损耗工质，无羽流污染。
在构型不变以及不增加额外硬件条件下，只增加飞轮调速自由度，使 SGCMG 成为变速控制力矩陀螺(Variable Speed Control Momentum Gyroscope，VSCMG)。相对于SGCMG，增加飞轮变速自由度的 VSCMG 具有更加丰富的零运动，在满足姿态控制任务的力矩要求条件下能够有效规避奇异。
通过阅读文献可知，变速控制力矩陀螺群构型沿袭了已有的单框架控制力矩陀螺群的研究成果，所以需先介绍单框架控制力矩陀螺群的构型特点。
单框架控制力矩陀螺群构型按照安装形式可分为两大类：成对安装和非成对对称安装。成对安装是指在同一轴上安装两个SGCMG，这样安装可以减轻奇异面的复杂程度。代表构型有双平行构型、三平行构型。非成对对称安装，是指在每一轴上只安装一个SGCMG，而框架轴在空间成对称分布，由于其对称分布的特点，每个SGCMG在***中处于相同的位置，作用也相同，这样具有最高的失效效率，代表构型有金字塔构型、五棱锥构型等。
评价SGCMG构型优劣的指标有静态指标和动态指标，其中静态指标依赖于构型的安装矩阵，一旦构型确定就不再改变，是选择合适SGCMG构型的依据。常见的SGCMG构型的静态指标有构型效益，失效效益，可控效益，奇点损失率等。
本发明采用金字塔构型作为研究基础对变速控制力矩陀螺群进行研究。
发明内容
本发明提出了一种金字塔构型的单框架变速控制力矩陀螺群装置；通过十字成对对称放置的四台单框架变速力矩陀螺单机的动量飞轮旋转来产生转动惯量，后通过云台电机驱动陀螺内框架***旋转迫使动量飞轮转动惯量（旋转轴）方向发生改变产生进动力矩。
一种金字塔构型的单框架变速控制力矩陀螺群装置，包括：外壳组合***、单框架控制力矩陀螺单机；所述单框架控制力矩陀螺单机包括：陀螺外框架***、陀螺内框架***、定位方块；所述陀螺外壳组合***包括：外壳（下）、外壳（中）、外壳（上）；所述陀螺外框架***包括：曲杆框架、外框架侧板A、外框架侧板B、霍尔角度传感器、轴套、云台电机；所述陀螺内框架***包括：动量飞轮电机、驱动电机底座外框、驱动端侧板、从动端侧板、顶框。所述陀螺外框架***与所述外壳组合***固定连接；所述陀螺内框架***与所述陀螺外框架***固定连接；所述定位方块与所述陀螺外框架固定连接。
进一步的，所述外壳组合***中外壳（下）为基座，整体呈碗状，四台单框架控制力矩陀螺成对对称安装在外壳（下）上；所述外壳（中）呈空心圆柱状；所述外壳（上）呈碗状，高度与所述外壳（下）相同。所述外壳（中）与所述外壳（下）固定连接；所述外壳（上）与所述外壳（中）固定连接；
进一步的，所述陀螺外框架***中曲杆框架类似梯形，由长边、中边、短边构成，以短边平行于所述外壳（下）底平面为基准，长边与短边呈54.74°，中边与短边垂直；所述曲杆框架中边和短边两端有可供所述外框架侧板A和外框架侧板B安装的凸台；所述外框架侧板A呈水滴形，“水滴”直径与所述霍尔角度传感器直径相同，板上有可供所述霍尔角度传感器固定的通孔；所述外框架侧板B一侧有凹槽，另一侧有供安装云台电机的通孔；
进一步的，所述曲杆框架短边与所述外壳（下）固定连接；所述外框架侧板A与所述曲杆框架中边端凸台固定连接；所述外框架侧板B与所述曲杆框架短边端凸台固定连接；所述霍尔角度传感器与所述外框架侧板A固定连接；所述轴套与所述霍尔角度传感器转子轴同轴连接；所述云台电机定子与所述外框架侧板B固定连接；
进一步的，所述陀螺内框架***中动量飞轮电机为用户定制版电机，电机转子质量大，产生的转动惯量大；所述电机底座外框左右两端有矩形定位槽；所述驱动端侧板一侧有用于走线的凹槽，另一侧有可与云台电机转子固定的通孔，上下两端有定位耳；所述从动端侧板呈“工”字型，该板中心位置有供所述霍尔角度传感器转子轴安装的通孔，上下两端有定位耳；所述顶框形状与所述电机底座外框大致相同，且左右两端有矩形定位槽；
进一步的，所述动量飞轮电机底座与所述电机底座外框平面端固定连接；所述驱动端侧板和从动端侧板通过定位槽和定位耳配合，之后固定连接；所述顶框与所述驱动端侧板和从动端侧板通过定位槽和定位耳配合，之后固定连接；
进一步的，所述陀螺内框架***中驱动端侧板与所述云台电机转子固定连接，所述从动端侧板中心通孔与所述霍尔角度传感器转子轴同轴固定连接，即此完成陀螺内框架***与所述陀螺外框架***的连接；
上述为所述金字塔构型的单框架变速控制力矩陀螺群装置三大子***的连接方式，为了便于方便拆卸与安装，装配时可按照以下为步骤：
所述陀螺外框架***按上述说明固定连接，所述陀螺内框架***中驱动端侧板与所述云台电机转子固定连接；所述从动端侧板通过中心通孔与所述霍尔角度传感器同轴连接；在此之后依次安装所述电机底座外框和顶框。
进一步的，所述四台单框架控制力矩陀螺安装完成后分别固定在所述外壳（下）的指定位置；所述定位方块与所述四台单框架控制力矩陀螺固定连接。
本发明的优点在于，
本发明结构简易，零件个数少且安装方便，没有使用轴承的情况下保证了转轴的同心效果，增加了使用寿命；通过定位方块并联四台陀螺装置保证了装置的刚度。
本发明使用的云台电机中心轴空心，可配合多个零件上的凹槽通道对动量飞轮电机底座处的电线进行引导处理；达到隐藏电路，使装置简洁的效果。
本发明采用无接触磁性14mm霍尔角度传感器，此传感器转子轴可360°无死角旋转，分辨率为4096位（12位），线性精度为0.3%，可有效测量陀螺内框架***的转动角度参数。
附图说明
图1是本发明实施例提供的外壳与陀螺连接方式示意图；
图2是本发明实施例提供的外壳组合***的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的陀螺外框架***的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的陀螺内框架的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的单框架控制力矩陀螺的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的定位方块的结构示意图；
图7是本发明实施例提供的四棱锥构型的单框架控制力矩陀螺群测试装置结构示意图；
图8是本发明实施例提供的外壳（下）、外壳（中）的示意图；
图9是本发明实施例提供的驱动端侧板和外框架侧板B示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行进一步的详细阐述。
如图1所示，本发明实施例提供的金字塔构型的单框架变速控制力矩陀螺群装置的结构示意图。
如图2为所述外壳组合***，其中包含：外壳（下）1、外壳（中）2、外壳（上）3；
所述外壳（下）1为基座，整体呈碗状，底部有十字加强筋，加强筋上有可供陀螺安装的M3公制粗牙螺纹孔；外壳（下）1碗口处有4个用于螺钉固定的Ф3mm通孔，且碗口处外圆有圆环形凸台；所述外壳（中）2呈空心圆柱状，侧壁上有上下两端各四个M3公制粗牙螺纹孔，外壳（中）2上下端平面上内圆有圆环形凸台；所述外壳（上）3呈碗状，高度与所述外壳（下）1相同，外壳（上）3碗口处外圆有圆环形凸台，碗口处有4个用于螺钉固定的Ф3mm通孔；
所述外壳（中）2一端圆环形凸台与所述外壳（下）1碗口处圆环形凸台配合后通过螺钉固定连接；所述外壳（上）3碗口处圆环形凸台与所述外壳（中）2另一端圆环形凸台配合后通过螺钉固定连接；
如图3为所述陀螺外框架***，其中包含：曲杆框架4、外框架侧板A5、外框架侧板B6、霍尔角度传感器7、轴套8、云台电机9；
所述曲杆框架4类似梯形，由长边、中边、短边构成，以短边平行于所述外壳（下）1碗底平面为参考，长边与短边呈54.74°，中边与短边垂直，短边和中边上各有两个Ф3mm通孔用于螺钉固定；所述曲杆框架4中边和短边两端有可供所述外架侧板A5和外框架侧板B6安装的宽凸台；所述外框架侧板A5呈水滴形，该板上“水滴”为圆形，圆心处和圆心上下两侧有固定所述霍尔角度传感器的通孔；所述外框架侧板B6一侧有与圆角矩形凹槽，可用于走线，另一侧有可用于固定螺钉的通孔；所述霍尔角度传感器7直径为14mm，转子轴直径为3mm；所述轴套8外径为6mm，内径为3mm；所述云台电机9中心轴为空心，用于电路线路走线。
所述外框架侧板A5和外壳加侧板B6分别安装在所述曲杆框架3中边端凸台、短边端凸台上；所述霍尔角度传感器7与所述外框架侧板A5通过螺钉固定连接；所述轴套8与所述霍尔角度传感器7转子轴同轴连接，同时轴套8与所述外框架侧板A5“水滴”中心通孔同轴连接；所述云台电机9定子与所述外框架侧板B6通过螺钉固定连接；
如图4为所述陀螺内框架***，其中包含：动量飞轮电机10、电机底座外框11、驱动端侧板12、从动端侧板13、顶框14；
所述动量飞轮电机10为用户定制版电机，此电机的转子为大质量的动量飞轮转子，免去了现有动量飞轮与电机转子连接的步骤；所述电机底座外框11一侧有定位槽，中心有用于固定所述动量飞轮电机10的通孔，左右两侧有固定所述驱动端侧板12和从动端侧板13的通孔；所述驱动端侧板12一侧有圆角矩形凹槽，用于走线，另一侧有用于螺钉固定的通孔；所述从动端侧板13为工字形，板中心位置有供所述霍尔角度传感器转子轴安装的通孔，通孔侧壁上用用于紧定螺钉安装的M3公制粗牙螺纹孔；所述驱动端侧板12和从动端侧板13上下两端有定位耳；所述顶框13形状与所述电机底座外框11大致相同，左右两侧有定位槽和固定所述驱动端侧板12和从动端侧板13的通孔；
所述动量飞轮电机底座10螺纹孔与所述电机底座外框11中心的通孔相合，并用螺钉固定连接；所述驱动端侧板12一侧圆角矩形凹槽开口方向朝所述电机底座外框11，板下端定位耳与电机底座外框11定位槽配合并用螺钉固定连接；所述从动端侧板13下端定位耳与所述电机底座外框11定位槽配合后通过螺钉固定连接，板中心通孔与所述霍尔角度传感器7转子轴同轴固定连接；所述顶框14左右两侧定位槽与所述驱动端侧板12和从动端侧板13定位耳配合，并通过螺钉固定连接；
如图5为所述定位方块15，其中中心圆柱形通道可供装置走线使用，其次减轻质量；所述定位方块高所在的四个平面中间有用一对于固定陀螺的M3公制粗牙螺纹孔；
所述陀螺外框架***中曲杆框架4与所述外壳组合***中外壳（下）1固定连接；所述陀螺内框架中驱动端侧板12与所述云台电机9转子固定连接，从动端侧板13与所述霍尔角度传感器7转子轴固定连接；四台单框架力矩陀螺安装时重复以上说明操作即可完成。
综上所述，本发明提出了一种金字塔构型的单框架变速控制力矩陀螺群装置，解决了单框架变速控制力矩陀螺群的力矩输出特性检测；本发明结构简易，零件个数少且安装方便，没有使用轴承的情况下保证了转轴的同心效果，增加了使用寿命；通过定位方块并联四台陀螺装置保证了装置的刚度。
本发明虽然已以上述较佳实施例公开，但其说明并不是用来对发明进行限定的，本领域技术人员在阅读本发明内容后，在不脱离本发明的技术要求范围内可以利用上述说明对本发明的技术要求进行可能的改动和变化；因此，凡是未脱离本发明技术要求范围，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改等操作均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种金字塔构型的单框架变速控制力矩陀螺群装置，其特征在于，包括：外壳组合***、四台相同的单框架变速控制力矩陀螺单机；
所述单框架变速控制力矩陀螺单机包括：陀螺外框架***，陀螺内框架***、定位方块；
所述陀螺外框架***与所述外壳组合***固定连接；所述陀螺内框架***与所述陀螺外框架***固定连接；所述定位方块与所述陀螺外框架固定连接；
所述陀螺外壳组合***包括：外壳（下）、外壳（中）、外壳（上）；所述陀螺外框架***包括：曲杆框架、外框架侧板A、外框架侧板B、霍尔角度传感器、轴套、云台电机；所述陀螺内框架***包括：动量飞轮电机、驱动电机底座外框、驱动端侧板、从动端侧板、顶框。
2.如权利要求1所述的金字塔构型的单框架变速控制力矩陀螺群装置，其特征在于，
所述外壳组合***中外壳（下）为基座，所述外壳（中）与所述外壳（下）固定连接；所述外壳（上）与所述外壳（中）固定连接；所述外壳（上）和外壳（下）高度相同。
3.如权利要求1所述的金字塔构型的单框架变速控制力矩陀螺群装置，其特征在于，
所述陀螺外框架***中外框架侧板A与所述曲杆框架固定连接；所述外框架侧板B与所述曲杆框架固定连接；所述霍尔角度传感器与所述外框架侧板A固定连接；所述轴套与所述霍尔角度传感器转子轴同轴固定连接；所述云台电机与所述外框架侧板B固定连接。
4.如权利要求1所述的金字塔构型的单框架变速控制力矩陀螺群装置，其特征在于，
所述陀螺内框架***中动量飞轮电机与所述驱动电机底座外框固定连接；所述驱动端侧板与所述驱动电机底座外框固定连接；所述从动端侧板与所述驱动电机底座外框固定连接；所述顶框与所述驱动端侧板和从动端侧板固定连接，上述操作完成后即所述陀螺内框架***安装完成；所述驱动端侧板与所述云台电机固定连接，所述从动端侧板与所述霍尔角度传感器转子轴固定连接，即完成陀螺内框架***和陀螺外框架***的固定连接要求。
5.如权利要求1所述的金字塔构型的单框架变速控制力矩陀螺群装置，其特征在于，
所述金字塔构型的单框架变速控制力矩陀螺群装置中四台单框架变速力矩陀螺单机以十字对称摆放并通过定位方块并联后固定在外壳（下）底面；陀螺内框架***旋转轴与水平面角度为54.74°，此角度可以有效避免奇异带来的力矩输出影响。
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