本發(fā)明涉及一種航天遙感儀器掃擺機(jī)構(gòu)領(lǐng)域，特別是一種高精度的有限轉(zhuǎn)角式軸系裝置。

背景技術(shù)：

隨著航天技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用需求的不斷提高，對空間遙感監(jiān)測儀器跟蹤(掃描)精度的要求越來越高，而提高精度的基本途徑是提高軸系結(jié)構(gòu)制造精度和提高控制系統(tǒng)驅(qū)動細(xì)分精度。結(jié)構(gòu)機(jī)加和裝配主要為了保證軸系支撐部件的位置精度，如軸系跨距為200mm～300mm時(shí)，機(jī)加的同軸精度最優(yōu)可保證至誤差0.005mm，按目前的機(jī)加水平和，已很難再提升；控制系統(tǒng)驅(qū)動細(xì)分精度可以提高，但代價(jià)是大運(yùn)算量和高功耗，與宇航產(chǎn)品輕量緊湊低耗的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則相悖。

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)動軸系設(shè)計(jì)一般采用滾動軸承支撐，用步進(jìn)電機(jī)或直流力矩電機(jī)實(shí)現(xiàn)軸系驅(qū)動；但滾動軸承一般適用于軸系整周旋轉(zhuǎn)，或軸承中滾動體整周旋轉(zhuǎn)均勻受力的工況，當(dāng)軸系擺動轉(zhuǎn)速較低且軸系工作范圍很小時(shí)，如采用滾動軸承容易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，其滾動體在長期非整周受力工況下，壽命也會受到嚴(yán)重影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種高精度的有限轉(zhuǎn)角式軸系裝置，選取撓性樞軸支撐配合音圈電機(jī)驅(qū)動的軸系設(shè)計(jì)方法，在有限的制造精度和控制細(xì)分精度的前提下，進(jìn)一步提高了掃擺機(jī)構(gòu)中軸系跟蹤(掃描)精度。

本發(fā)明的上述目的是通過如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的：

一種高精度的有限轉(zhuǎn)角式軸系裝置，包括高精度旋轉(zhuǎn)變壓器、旋變定位頂 絲、旋變安裝套筒、軸系反饋轉(zhuǎn)軸、基座、樞軸安裝座、耳片壓塊、撓性樞軸、負(fù)載裝置、軸系傳動轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)軸限位頂絲和音圈電機(jī)；其中，負(fù)載裝置水平位于中心位置；負(fù)載裝置的兩端與撓性樞軸固定連接，兩端的撓性樞軸軸向側(cè)壁與樞軸安裝座固定連接；樞軸安裝座固定安裝在基座的軸向中心位置；兩端撓性樞軸與負(fù)載裝置接觸位置設(shè)置有耳片壓塊；高精度旋轉(zhuǎn)變壓器、旋變定位頂絲、旋變安裝套筒、軸系反饋轉(zhuǎn)軸分別安裝在基座的軸向外側(cè)；其中，軸系反饋轉(zhuǎn)軸同軸安裝在基座中心位置，且軸系反饋轉(zhuǎn)軸軸向一端與樞軸安裝座固定連接；高精度旋轉(zhuǎn)變壓器同軸安裝在基座的軸端外側(cè)；旋變安裝套筒固定套裝在基座軸向一端的軸向側(cè)壁；旋變定位頂絲環(huán)繞安裝在旋變安裝套筒軸向中部位置；

負(fù)載裝置的另一端，軸系傳動轉(zhuǎn)軸同軸固定安裝在樞軸安裝座的外側(cè)壁；音圈電機(jī)固定安裝在軸系傳動轉(zhuǎn)軸的外側(cè)壁上；轉(zhuǎn)軸限位頂絲沿徑向伸入音圈電機(jī)和軸系傳動轉(zhuǎn)軸的外壁。

在上述的一種高精度的有限轉(zhuǎn)角式軸系裝置，所述耳片壓塊軸向平行安裝在撓性樞軸的外壁，且耳片壓塊軸向的一端與負(fù)載裝置的一端固定連接。

在上述的一種高精度的有限轉(zhuǎn)角式軸系裝置，所述音圈電機(jī)為分體式結(jié)構(gòu)，包括電機(jī)動子和電機(jī)定子；電機(jī)動子固定安裝在軸系傳動轉(zhuǎn)軸的外側(cè)；電機(jī)定子固定安裝在電機(jī)動子的外側(cè)壁。

在上述的一種高精度的有限轉(zhuǎn)角式軸系裝置，沿電機(jī)動子徑向設(shè)置有轉(zhuǎn)軸限位頂絲，且轉(zhuǎn)軸限位頂絲沿徑向依次穿過電機(jī)動子、并伸入軸系傳動轉(zhuǎn)軸。

在上述的一種高精度的有限轉(zhuǎn)角式軸系裝置，所述軸系傳動轉(zhuǎn)軸截面為T字型結(jié)構(gòu)；電機(jī)動子固定套裝在軸系傳動轉(zhuǎn)軸水平伸出軸上。

在上述的一種高精度的有限轉(zhuǎn)角式軸系裝置，電機(jī)動子通過軸孔過渡配安裝在軸系驅(qū)動轉(zhuǎn)軸水平伸出軸上；過渡配合尺寸為0.002mm～0.005mm。

在上述的一種高精度的有限轉(zhuǎn)角式軸系裝置，所述的負(fù)載裝置為指向鏡、掃描鏡或定標(biāo)板；負(fù)載裝置轉(zhuǎn)動范圍為-6°～+6°；負(fù)載裝置的運(yùn)動形式為穩(wěn) 定掃描、定點(diǎn)指向或快速切換。

在上述的一種高精度的有限轉(zhuǎn)角式軸系裝置，所述樞軸安裝座中心位置設(shè)置有圓柱孔，負(fù)載裝置兩端的樞軸安裝座圓柱孔的同軸誤差不大于0.005mm。

在上述的一種高精度的有限轉(zhuǎn)角式軸系裝置，耳片壓塊對撓性樞軸徑向設(shè)置有預(yù)壓量，預(yù)壓量為0.01-0.03mm。

在上述的一種高精度的有限轉(zhuǎn)角式軸系裝置，轉(zhuǎn)軸限位頂絲伸入距離為0.4-0.6mm。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明采用了音圈電機(jī)作為軸系裝置的驅(qū)動部件，提高了電機(jī)利用效率，減低了軸系結(jié)構(gòu)的尺寸和質(zhì)量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了較高的控制精度；

(2)本發(fā)明采用了撓性樞軸作為軸系裝置的支撐部件，使軸系裝置無摩擦阻力，其結(jié)構(gòu)簡單易于實(shí)現(xiàn)，并實(shí)現(xiàn)了較高的運(yùn)動精度；

(3)本發(fā)明中音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)形式為分體式結(jié)構(gòu)，其運(yùn)動形式為有限轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)式，其驅(qū)動范圍應(yīng)覆蓋軸系裝配所需的運(yùn)動范圍。音圈電機(jī)的突出特點(diǎn)是將電能直接轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，無中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，具有體積小、質(zhì)量輕、響應(yīng)快等一系列優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明高精度的有限轉(zhuǎn)角式軸系裝置示意圖；

圖2為本發(fā)明高精度的有限轉(zhuǎn)角式軸系裝置側(cè)視圖；

圖3為本發(fā)明電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述：

本專利在一定的制造精度和控制精度的條件下，預(yù)達(dá)到更高的軸系跟蹤(掃描)精度，途徑只能是根據(jù)負(fù)載特性和使用工況，選取更適合的軸系支撐部件和與之相匹配的驅(qū)動元件。撓性樞軸支撐，音圈電機(jī)驅(qū)動的軸系設(shè)計(jì)方法即為實(shí)現(xiàn)有限轉(zhuǎn)角軸系應(yīng)用中提高精度的關(guān)鍵技術(shù)之一。

本發(fā)明通過嚴(yán)格適應(yīng)負(fù)載特性和使用工況，選取撓性樞軸支撐配合音圈電機(jī)驅(qū)動的軸系設(shè)計(jì)方法，在有限的制造精度和控制細(xì)分精度的前提下，進(jìn)一步提高了掃擺機(jī)構(gòu)中軸系跟蹤(掃描)精度。

根據(jù)負(fù)載質(zhì)量和工作角度范圍和使用壽命要求，選取樞軸型號；根據(jù)樞軸扭轉(zhuǎn)剛度特性和最大工作角度確定軸系基本負(fù)載扭矩，再對軸系中電機(jī)引線、角位置傳感器引線及其他元器件引線對軸系運(yùn)動所附加的額外負(fù)載進(jìn)行預(yù)估，以上兩項(xiàng)合計(jì)為軸系負(fù)載扭矩；根據(jù)軸系工作范圍并適當(dāng)給出系統(tǒng)安裝誤差和必要的安全裕度，確定音圈電機(jī)的工作角度范圍要求；根據(jù)軸系負(fù)載扭矩并給出必要的驅(qū)動力矩裕度，確定音圈電機(jī)的最大輸出扭矩，即確定電機(jī)的電流力矩系數(shù)的取值。

如圖1所示為本發(fā)明高精度的有限轉(zhuǎn)角式軸系裝置示意圖，由圖可知，一種高精度的有限轉(zhuǎn)角式軸系裝置，包括高精度旋轉(zhuǎn)變壓器1、旋變定位頂絲2、旋變安裝套筒3、軸系反饋轉(zhuǎn)軸4、基座5、樞軸安裝座6、耳片壓塊7、撓性樞軸8、負(fù)載裝置9、軸系傳動轉(zhuǎn)軸10、轉(zhuǎn)軸限位頂絲11和音圈電機(jī)；其中，負(fù)載裝置9水平位于中心位置；負(fù)載裝置9的兩端與撓性樞軸8固定連接，兩端的撓性樞軸8軸向側(cè)壁與樞軸安裝座6固定連接；樞軸安裝座6固定安裝在基座5的軸向中心位置；兩端撓性樞軸8與負(fù)載裝置9接觸位置設(shè)置有耳片壓塊7，耳片壓塊7對撓性樞軸8徑向設(shè)置有預(yù)壓量，預(yù)壓量為0.01-0.03mm；高精度旋轉(zhuǎn)變壓器1、旋變定位頂絲2、旋變安裝套筒3、軸系反饋轉(zhuǎn)軸4分別安裝在基座5的軸向外側(cè)；其中，軸系反饋轉(zhuǎn)軸4同軸安裝在基座5中心位置，且軸系反饋轉(zhuǎn)軸4軸向一端與樞軸安裝座6固定連接，耳片壓塊7應(yīng)對樞軸徑8向進(jìn)行預(yù)壓，以防止其工作過程中松動，預(yù)壓量視樞軸大小而定，一般可控制在0.01mm～0.03mm；樞軸另一端則通過樞軸座6和定位頂絲安裝于固定框或基座5，同樣要求樞軸安裝孔兩孔同軸度誤差不大于0.005mm，定位頂絲錐窩深度應(yīng)控制在0.5mm左右；；高精度旋轉(zhuǎn)變壓器1同軸安裝在基座5的軸端外側(cè)；旋變安裝套筒3固定套裝在基座5軸向一端的軸向側(cè)壁；旋變定位頂絲 2環(huán)繞安裝在旋變安裝套筒3軸向中部位置；

負(fù)載裝置9的另一端，軸系傳動轉(zhuǎn)軸10同軸固定安裝在樞軸安裝座6的外側(cè)壁；音圈電機(jī)固定安裝在軸系傳動轉(zhuǎn)軸10的外側(cè)壁上；轉(zhuǎn)軸限位頂絲11沿徑向伸入音圈電機(jī)和軸系傳動轉(zhuǎn)軸10的外壁，轉(zhuǎn)軸限位頂絲11伸入距離為0.4-0.6mm。

負(fù)載裝置9為指向鏡、掃描鏡或定標(biāo)板；負(fù)載裝置9轉(zhuǎn)動范圍為-6°-+6°；其運(yùn)動形式為穩(wěn)定掃描、定點(diǎn)指向或快速切換。

樞軸安裝座6中心位置設(shè)置有圓柱孔，負(fù)載裝置9兩端的樞軸安裝座6圓柱孔的同軸誤差不大于0.005mm。

如圖2所示為本發(fā)明高精度的有限轉(zhuǎn)角式軸系裝置側(cè)視圖，由圖可知，耳片壓塊7軸向平行安裝在撓性樞軸8的外壁，且耳片壓塊7軸向的一端與負(fù)載裝置9的一端固定連接。

如圖3所示為本發(fā)明電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可知，所述音圈電機(jī)為分體式結(jié)構(gòu)，包括電機(jī)動子12和電機(jī)定子13；電機(jī)動子12固定安裝在軸系傳動轉(zhuǎn)軸10的外側(cè)；電機(jī)定子13固定安裝在電機(jī)動子12的外側(cè)壁；沿電機(jī)動子12徑向設(shè)置有轉(zhuǎn)軸限位頂絲11，且轉(zhuǎn)軸限位頂絲11沿徑向依次穿過電機(jī)動子12、并伸入軸系傳動轉(zhuǎn)軸10。音圈電機(jī)運(yùn)動形式為有限轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)式，其驅(qū)動范圍應(yīng)覆蓋軸系裝配所需的運(yùn)動范圍。音圈電機(jī)的突出特點(diǎn)是將電能直接轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，無中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，具有體積小、質(zhì)量輕、響應(yīng)快等一系列優(yōu)點(diǎn)。

軸系傳動轉(zhuǎn)軸10截面為水平橫放的T字型結(jié)構(gòu)；電機(jī)動子12固定套裝在軸系傳動轉(zhuǎn)軸10水平伸出軸上；電機(jī)動子12通過軸孔過渡配安裝在軸系驅(qū)動轉(zhuǎn)軸10水平伸出軸上；過渡配合尺寸為0.002mm～0.005mm。

本發(fā)明的工作原理是：

控制系統(tǒng)根據(jù)高精度旋轉(zhuǎn)變壓器的反饋值，實(shí)時(shí)解算角度誤差，然后根據(jù)設(shè)定的控制算法，通過調(diào)整PWM占空比的方式調(diào)軸系驅(qū)動元件軸音圈電機(jī)兩端的輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)軸系的高精度的閉環(huán)位置伺服。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

本發(fā)明的軸系設(shè)計(jì)方法，創(chuàng)新采用了撓性樞軸支撐配合音圈電機(jī)驅(qū)動，極大限度的減少了結(jié)構(gòu)體積和質(zhì)量；無需換向裝置，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，并且加速度大，響應(yīng)快，特別適用于高精度要求的短行程閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)。

本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。