本发明涉及一种刚性机械锁定机构及锁定或解锁方法，针对相机扫描机构的具体需求，属于航天光学遥感器技术领域。
背景技术：
扫描机构是相机的核心部件，其要求测量精度高、寿命长、负载大，限制扫描机构寿命及测量精度的主要因素是轴系支撑元件的寿命和其承载能力，而卫星发射时过载对轴系支撑元件的破坏将导致在轨扫描机构测量精度及寿命下降，故亟需一种刚性机械锁定机构，在发射时对扫描机构轴系进行刚性锁定，即利用刚性机械锁定机构对扫描机构轴系进行刚性锁定，起到保护扫描机构轴系支撑元件的作用。
目前，扫描机构上常用的锁定机构方案主要有三种：插销限位锁定、电磁锁定、柔性抱轴锁定。插销限位锁定一般采用记忆合金或火工品作为解锁动力源，缺点在于无法重复使用，扫描机构在整星各个阶段均需解锁调试，而在整星中无法进行零件更换工作；电磁锁定原理为通过加电产生磁力，从而限制轴系转动，缺点在于无法起到对轴系刚性支撑作用；柔性抱轴锁定一般采用拉紧柔性带的方法抱紧转动轴，从而限制轴系转动，缺点也是无法起到对轴系刚性支撑作用。鉴于以上分析，可以看出：三种常用锁定方案均很难满足相机扫描机构的需求。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种新型刚性机械锁定机构及锁定或解锁方法，该锁定机构装配至相机扫描机构轴系两侧，可在任意时刻由控制器发送指令实现对扫描机构轴系锁定/解锁功能，在卫星发射前由控制其发送指令对扫描机构轴系进行刚性锁定，起到限制轴系转动和对轴系支撑元件提供刚性支撑的作用，在发射阶段轴系振动过载由刚性机械锁承受，从而起到保护轴系支撑元件作用。卫星入轨稳定工作后，由控制器发送指令对扫描机构解锁。本发明设计出的新型刚性机械锁定机构具有可重复使用、锁定刚度大、锁定精度及重复锁定精度高的优点，从而解决了高精度、长寿命、大负载扫描机构发射阶段轴系支撑元件过载保护问题。
本发明解决的技术方案为：一种新型刚性机械锁定机构，包括：直线运动组件、减速驱动组件、增速驱动组件、位置传感器组件和锁定支撑组件、基座；
直线运动组件、减速驱动组件、增速驱动组件和位置传感器组件安装在基座上，锁定支撑组件安装在直线运动组件上；通过减速驱动组件带动直线运动组件，直线运动组件推动锁定支撑组件在锁定解锁位置之间直线运动，由位置传感器组件判断直线运动组件是否到达锁定解锁位置，若到达，锁定支撑组件对锁定对象锁定或解锁，若未到达直线运动组件继续运行。
直线运动组件，包括：第一直线运动副(9)、第一直线支撑副(10)；减速驱动组件，包括：减速组件(1)、驱动电机(5)；
驱动电机(5)通过减速组件(1)和第一直线运动副(9)驱动活动板(14)沿第一直线支撑副(10)平移。
位置传感器组件没包括：增速组件(2)、解锁位置传感器(3)、锁定位置传感器(4)、第二直线支撑副(6)、位置信号触发器(7)、第二直线运动副(8)；
驱动电机(5)通过增速组件(2)和第二直线运动副(8)推动位置信号触发器(7)沿第二直线支撑副(6)在解锁位置传感器(3)和锁定位置传感器(4)之间进行直线运动，直至驱动位置信号触发器(7)动作至锁定位置传感器(4)或解锁位置信号器(3)触发；
锁定支撑组件：锁定动盘(12)、锁定盘(11)、锁定销(13)；
位置传感器(4)或解锁位置信号器(3)触发后，锁定动盘(12)带动锁定销(13)插入或脱离锁定盘(11)，完成锁定或解锁动作。
锁定对象为扫描机构，刚性机械锁定机构是通过基座装配在扫描机构轴系支撑座上。
扫描机构轴系两侧分别固定安装一个锁定盘(11)，锁定销(13)固定安装与锁定动盘(12)上，锁定动盘(12)安装在活动板(14)上，驱动电机(5)、第一直线支撑副(10)装在基座(14)上，第一直线支撑副(10)为两个，直线运动副(9)通过轴承支撑在基座上，并位于两个第一直线支撑副(10)之间.
第二直线支撑副(6)固定安装在基座上，第二直线运动副(8)通过轴承与第二直线支撑副(6)平行支撑在基座上；第二直线运动副(8)通过轴承支撑在基座上，第二直线支撑副(6)和第二直线运动副(8)通过驱动位置信号触发器(7)连接，解锁位置传感器(3)和锁定位置传感器(4)安装在基座上。
减速组件(1)，包括主动轮和从动轮，减速组件(1)的主动轮安装在驱动电机(5)上，减速组件(1)的从动轮安装在第一直线运动副(9)上；减速组件(1)的主动轮带动从动轮转动，从动轮带动第一直线运动副(9)推动活动板(14)沿第一直线支撑副(10)水平运动，动活动板(14)带动锁定动盘(12)运动，使得锁定销(13)插入或脱离锁定盘(11)，完成锁定或解锁动作.
增速组件(2)，包括主动轮和从动轮，增速组件(2)的主动轮安装在驱动电机(5)上，增速组件(2)的从动轮安装在第二直线运动副(8)上；增速组件(2)的从动轮带动第二直线运动副(8)沿第二直线支撑副(6)运动；从而带动位置信号触发器(7)在位置传感器(4)和解锁位置信号器(3)之间运动，锁定位置传感器(4)和解锁位置信号器(3)触发后会反馈锁定或解锁信号
一种新型刚性机械锁定机构的锁定或解锁方法，步骤如下：
(1)减速组件(1)的主动轮带动从动轮转动；
(2)从动轮带动第一直线运动副(9)推动活动板(14)沿第一直线支撑副(10)水平运动，
(3)活动板(14)带动锁定动盘(12)运动，从而带动锁定销(13)插入或脱离锁定盘(11)，完成锁定或解锁动作。
(4)在步骤1的同时减速组件(1)主动轮带动增速组件(2)主动轮转动，增速组件(2)主动轮带动从动轮，增速组件(2)的从动轮带动第二直线运动副(8)沿第二直线支撑副(6)运动；
(5)第二直线支撑副(6)带动位置信号触发器(7)在位置传感器(4)和解锁位置信号器(3)之间运动，锁定位置传感器(4)和解锁位置信号器(3)触发后会反馈锁定或解锁信号。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明设计的新型刚性机械锁定机构装配到扫描机构轴系两侧轴系支撑座上，可在任意时刻由控制器发送指令实现对扫描机构轴系的锁定或解锁，在卫星发射前对扫描机构轴系进行刚性锁定，发射阶段轴系振动过载由刚性机械锁承受，通过刚性机械锁定机构高支撑刚度实现对轴系支撑元件的保护。
(2)本发明刚性机械锁定机构优化减速组件和第一直线运动副的减速比、增速组件增速比和第二直线运动副的增速比，实现锁定运行精度不超过0.005mm、锁定解锁位置反馈精度不超过0.01mm，确保锁定后不会对轴系支撑元件带来额外负载。
(3)本发明直线导轨的预紧量根据被锁定轴系组件的重量和发射振动量级计算确定，然后通过导轨刚度曲线选择合适的预紧力，保证了刚性机械锁定机构的支撑刚度及运行精度。
(4)本发明锁定销采用大锥角锥销，锁定盘和锁定动盘中的锥销孔组合加工，锥销和锥销孔配研，加工装配工艺性好，且锁定后锥销与销孔不会发生自锁。
(5)本发明具有适应各类相机扫描机构或二维指向机构等轴系刚性锁定，且适应于工业化生产。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的基座示意图；
图3为本发明的活动板示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
扫描机构主要由转动轴系、轴系支撑座、轴系支撑元件、驱动元件、反馈元件等组成，转动轴系通过轴系支撑元件支撑与轴系支撑座上，正常工作时由驱动元件驱动转动轴系绕轴系支撑元件转动，通过反馈元件反馈转动角度信息，其角度测量精度优于1角秒、负载10kg、寿命达108循环，要求卫星发射过程中的过载不会对其精度和寿命产生影响。因此设计一新型刚性机械锁定机构，通过刚性机械锁定机构基座装配在扫描机构轴系两侧的轴系支撑座上，在卫星发射阶段对扫描机构轴系进行锁定，确保发射过程中的过载不会影响到轴系支撑元件的回转精度和寿命。
如图1所示，刚性机械锁定机构由减速组件(1)、增速组件(2)、解锁位置传感器(3)、锁定位置传感器(4)、驱动电机(5)、第二直线支撑副(6)、驱动位置信号触发器(7)、第二直线运动副(8)、第一直线运动副(9)、第一直线支撑副(10)、锁定盘(11)、锁定动盘(12)、锁定销(13)、活动板(14)、基座(15)组成，锁定销(13)安装与锁定动盘(12)上；锁定盘(11)安装与扫描机构轴系两侧。
如图2所示，减速组件(1)、增速组件(2)、解锁位置传感器(3)、锁定位置传感器(4)、驱动电机(5)、第二直线支撑副(6)、驱动位置信号触发器(7)、第二直线运动副(8)、第一直线运动副(9)、第一直线支撑副(10)分别安装与基座(15)上。
如图3所示，第一直线支撑副(10)安装至活动板(14)上，第一直线运动副(9)通过两个销钉与活动板连接，实现第一直线运动副(9)推动活动板(14)沿第一直线支撑副(10)运动功能，从而使得活动板(14)带动锁定动盘(12)运动。
如图1所示，由驱动电机(5)通过减速组件(1)和第一直线运动副(9)推动活动板(14)沿第一直线支撑副(10)运动，活动板(14)带动锁定动盘(12)运动，使得锁定销(13)插入或脱离锁定盘(11)销孔中，同时驱动电机(5)通过增速组件(2)和第二直线运动副(8)推动驱动位置信号触发器(7)沿第二直线支撑副(6)运动，从而带动位置信号触发器(7)在锁定位置传感器(4)和解锁位置传感器(3)之间运动，当锁定动盘(12)带动锁定销(13)插入或脱离锁定盘(11)时，锁定位置传感器(4)或解锁位置传感器(3)反馈锁定或解锁到位信号，从而实现对扫描机构转动轴系的刚性锁定或解锁。
驱动电机(5)一般采用步进电机，电机步距角及步距角精度由锁定运行精度确定，锁定力由发射振动过载确定。
采用两个第一直线支撑副(10)为活动板(14)提供支撑，并通过活动板(14)将第一直线运动副(9)和第一直线支撑副(10)连接在一起，第一直线运动副(9)设置于两个第一直线支撑副(10)中间，从而提高锁定支撑刚度。
优化减速组件(1)和第一直线运动副(9)、增速组件(2)和第二直线运动副(8)的减速比，以提高锁定运行精度及反馈精度。
锁定位置传感器(4)和解锁位置传感器(3)一般采用开关元件，只反馈锁定或解锁位置信号，也可以采用线性元件实施反馈刚性机械锁运行位置信号。
锁定销采用锥销，锥度根据锥销和锥孔的摩擦系数确定，避免发射振动过载导致锁定销与锁定盘中的销孔发生自锁；锥销直径根据发射振动过载确定，防止发射振动过载导致锁定销断裂。
优选实施例如下：
(1)实施例中扫描机构负载10kg、发射阶段振动不超过30g、轴系支撑元件为挠性枢轴，挠性枢轴刚度为4728.6n/mm、承载能力不超过251.8n，锁定精度0.01mm，扫描机构扫描控制精度优于3角秒，刚性机械锁定机构外形包络要求。
(2)刚性机械锁定机构外形包络限制，第一直线支撑副采用单滑块滚珠导轨，第二直线支撑副采用直线轴承，第一直线运动副和第二直线运动副均采用滚珠丝杠，减速组件采用一级平行齿轮，根据控制系统要求驱动电机采用步进电机。
(3)驱动电机选用j55byg450步进电机，步进电机加电锁定力矩为0.4nm、步距角为0.9°。
(4)根据扫描机构负载、发射阶段振动和锁定精度要求，减速组件齿轮副减速比设计为4，第一直线运动副滚珠丝杠副导程设计为2，锁定精度可达0.00125mm。
(5)根据锁定精度要求，增速组件齿轮副增速比设计为4，第二直线运动副滚珠丝杠副导程设计为1，位置反馈精度可达0.02mm。
(6)根据扫描机构负载及发射阶段振动要求，分析可知刚性机械锁定机构锁定支撑刚度不低于56285.2n/mm。第一直线支撑副中的滚珠导轨支撑刚度设计为径向刚度为200000n/mm(反径向为105882.3n/mm)，侧向刚度为150000n/mm，两个滚珠导轨之间跨距设计为65mm，锁定支撑刚度可达282352.8n/mm，锁定刚度安全裕度可达4。
(7)位置传感组件中的位置传感器采用光电对，光电对由发光管和接收管组成，在发光管和接收管之间设计通光缝隙，锁定或解锁时驱动位置信号触发器挡光部分位移发光管和接受管之间。非锁定和解锁位置时反馈高电平信号，运行至锁定或解锁位置时反馈低电平，通过调整步进电机运行步数确保锁定精度。
(8)锁定销设计为锥销，根据负载要求设计锁定销直径为φ8mm；锁定销表面采用涂覆mos2固体润滑膜，固体润滑膜摩擦系数为0.12，根据固体润滑膜摩擦系数计算自锁最小锥角为6.843°，故设计锥销锥度为1：4，确保锁定后不会发生自锁。
(9)扫描机构完成x、y、z三个方向验收级力学试验，x、y、z三个方向两两正交，分别进行了低量级随机振动、验收级随机振动、验收级正弦扫描试验，测试了x、y、z三个方向的振动响应曲线，各项振动试验前后各进行一次特征级正弦扫描，检测试验前后一阶频率变化。对正弦振动和随机振动前后的正弦扫描一阶频率进行比较，x、y、z三个方向振动试验前扫描一阶频率变化如表1所示。
表1x、y、z三个方向的振动试验前后扫描频率表
本发明通过对特征级扫描数据分析，在x、y、z三个方向振动试验过程中，每个方向验收级试验前后特征级扫描曲线符合性较好，验收级试验前后特征级扫描振动在x、y、z三个方向的频漂分别为：0.41％、2.18％、0.81％，频漂都小于3％，表明试验过程中扫描机构转动轴系通过刚性机械锁定机构锁定后系统刚度没有发生明显变化；力学试验后通过控制器发送解锁指令对扫描机构进行解锁，并对解锁后的扫描机构进行机电联调测试，扫描控制精度仍满足3角秒需求，刚性机械锁定机构的锁定能力得到检验。