一種星敏感器外場校準(zhǔn)二維轉(zhuǎn)臺設(shè)計(jì)

何碩 彭軍

摘? 要：星敏感器是一種高精度航向姿態(tài)測量裝置，因其特點(diǎn)逐漸被應(yīng)用于各種航天器上。星敏感器外場校準(zhǔn)的設(shè)備的核心是高精度二維轉(zhuǎn)臺[1]。本文以星敏感器外場校準(zhǔn)需求為出發(fā)點(diǎn)，對高精度二維轉(zhuǎn)臺進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、零部件選型，重點(diǎn)講述了電機(jī)的選型計(jì)算過程和軸承部件的校核分析。

關(guān)鍵詞：二維轉(zhuǎn)軸;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);軸承校核

引言

星敏感器外場測試通過夜間觀星實(shí)現(xiàn)，所用設(shè)備為二維轉(zhuǎn)臺。二維轉(zhuǎn)臺和星敏感器的坐標(biāo)統(tǒng)一后，以轉(zhuǎn)臺的輸出值作為真值，以星敏感器的輸出值作為測量值，對比真值與測量值并進(jìn)行誤差的辨識，完成對星敏感器在外場環(huán)境下的測試實(shí)驗(yàn)，本文的研究內(nèi)容是星敏感器外場校準(zhǔn)轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

二維轉(zhuǎn)臺主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和殼體構(gòu)成[2]。電機(jī)、馬達(dá)類驅(qū)動部件是轉(zhuǎn)臺常用于轉(zhuǎn)臺的驅(qū)動系統(tǒng)中，測量系統(tǒng)主要由角度傳感器組成，控制系統(tǒng)主要由控制板卡和相應(yīng)的控制軟件組成[3]。本文設(shè)計(jì)的二維轉(zhuǎn)臺需安裝三只星敏感器及配套工裝，設(shè)計(jì)最大負(fù)載為20kg。

1 框架設(shè)計(jì)

二維轉(zhuǎn)臺從結(jié)構(gòu)上看，分為立式和臥式[4]。臥式轉(zhuǎn)臺具有封閉的框架結(jié)構(gòu)可以很好的提升轉(zhuǎn)臺的動態(tài)性能，臥式轉(zhuǎn)臺很少出現(xiàn)因共振而產(chǎn)生的破壞。而其主要缺點(diǎn)為平方向尺寸一般遠(yuǎn)大于豎直方向的尺寸，整體結(jié)構(gòu)的抗彎能力降低從而導(dǎo)致靜態(tài)性能較差[5]。

立式轉(zhuǎn)臺使用便利，具備更好的靜態(tài)性能，且重量較輕，自重產(chǎn)生的應(yīng)力小。但立式轉(zhuǎn)臺兩軸軸線不相交時(shí)，會產(chǎn)生偏心載荷，影響整體性能[6]。

本文所設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)臺對靜態(tài)測試要求更高，因此，立式轉(zhuǎn)臺更符合本文的設(shè)計(jì)要求。

2. 俯仰軸設(shè)計(jì)

2.1 俯仰軸測量元件選擇

轉(zhuǎn)臺常用傳感器為角度傳感器和角速度傳感器，本文主要對星敏感器的位置校準(zhǔn)，因此選用角度傳感器作為轉(zhuǎn)臺的測量元件。測量元件的選用原則為：傳感器自身精度小于總的系統(tǒng)精度。經(jīng)分析，選用海德漢生產(chǎn)的角度編碼器符合星敏感器測量需求，具體參數(shù)見表1。

2..3 俯仰軸軸承設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)臺的軸系性能和測量精度會受到軸承支承剛度的直接影響，軸承的選擇要根據(jù)軸向和徑向的受力、軸承剛度和制造精度等進(jìn)行選取。機(jī)械軸承分為滾動軸承和滑動軸承，轉(zhuǎn)臺運(yùn)動為回轉(zhuǎn)運(yùn)動，選擇滾動軸承可滿足使用。

球軸承的振動和噪聲與滾子軸承相比更大，但滾子軸承具有更好的剛度，二維轉(zhuǎn)臺設(shè)計(jì)更偏重靜態(tài)性能，同時(shí)應(yīng)減小其他部件帶來的噪聲，因此選用一對角接觸球軸承和一只深溝球軸承作為俯仰軸的支承部件。外場環(huán)境下會產(chǎn)生溫度的變化，軸系的熱脹冷縮可能會對轉(zhuǎn)臺正常工作造成影響，因此本文采用一端固定一端浮動的方式安裝軸承，減弱溫度變化對結(jié)構(gòu)的影響。

根據(jù)電機(jī)和編碼器的安裝尺寸，設(shè)計(jì)了俯仰軸系，選擇合適尺寸的軸承作為俯仰軸的支承部件，其具體型號參數(shù)如見3。

式中：C0為額定靜載荷;P0為當(dāng)量靜載荷;fs為允許載荷系數(shù)。

當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，一些對精度和摩擦等要求不高的設(shè)備可選取fs=1～1.5，當(dāng)精度要求較高，可選取fs>1.5，通過查表，允許載荷系數(shù)取2。根據(jù)公式4得額定靜載荷為288N，所選軸承承載能力遠(yuǎn)大于額定靜載荷，符合設(shè)計(jì)要求。

3 轉(zhuǎn)臺的方位軸設(shè)計(jì)

3.1 方位軸元件選擇

轉(zhuǎn)臺的方位軸元件選擇方法可參照上文，角度測量元件選擇RON886型號編碼器，線數(shù)為36000，系統(tǒng)精度±1″。方位軸編碼器重量為2.5kg，啟動扭矩為0.5N·m，自身的轉(zhuǎn)動慣量為1.20×10-3kg·m2。編碼器的測量精度已經(jīng)滿足使用要求。

根據(jù)上文公式，計(jì)算得到回轉(zhuǎn)軸總的驅(qū)動力矩為7.175N·m，根據(jù)驅(qū)動力矩選擇方位軸電機(jī)型號為KBM45X01。

方位支撐部件同樣選擇滾動軸承，和俯仰軸不同的是，方位軸主要承受軸向力，本文選擇一對深溝球軸承和一個(gè)推力軸承配合的方式完成方位軸的支撐。根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的尺寸和方位軸整體的承載能力，對深溝球軸承和推力軸承進(jìn)行了選型，深溝球軸承型號為6020，推力軸承型號為51122。

轉(zhuǎn)臺的方位軸承載部位主要為推力軸承，針對方位軸的推力軸承進(jìn)行強(qiáng)度的校核。推力軸承承載狀態(tài)下的靜軸向系數(shù)可直接取1，推力軸承的承載包括整個(gè)俯仰軸系和整個(gè)方位軸的質(zhì)量?？偝休d為472N，允許載荷系數(shù)取2，根據(jù)公式4得額定靜載荷為944N，所選推力軸承承載能力遠(yuǎn)大于額定載荷，軸承設(shè)計(jì)滿足要求。

4 結(jié)論

本文從星敏感器的測試需求出發(fā)，展開轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。通過負(fù)載的結(jié)構(gòu)形式和質(zhì)量特性的分析，計(jì)算俯仰軸的驅(qū)動力矩，設(shè)計(jì)俯仰軸的驅(qū)動元件、測量元件和回轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇軸承，并校核所選軸承。由俯仰軸系的整體結(jié)構(gòu)，計(jì)算方位軸的驅(qū)動力矩，完成了方位軸的設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：

何碩，男，1995.07.16，河南永城，漢，碩士，助理工程師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。