一种高精度的有限转角式轴系装置的制作方法

本发明涉及一种航天遥感仪器扫摆机构领域，特别是一种高精度的有限转角式轴系装置。

背景技术：

随着航天技术的快速发展和应用需求的不断提高，对空间遥感监测仪器跟踪(扫描)精度的要求越来越高，而提高精度的基本途径是提高轴系结构制造精度和提高控制系统驱动细分精度。结构机加和装配主要为了保证轴系支撑部件的位置精度，如轴系跨距为200mm～300mm时，机加的同轴精度最优可保证至误差0.005mm，按目前的机加水平和，已很难再提升；控制系统驱动细分精度可以提高，但代价是大运算量和高功耗，与宇航产品轻量紧凑低耗的设计准则相悖。

传统的转动轴系设计一般采用滚动轴承支撑，用步进电机或直流力矩电机实现轴系驱动；但滚动轴承一般适用于轴系整周旋转，或轴承中滚动体整周旋转均匀受力的工况，当轴系摆动转速较低且轴系工作范围很小时，如采用滚动轴承容易产生爬行现象，其滚动体在长期非整周受力工况下，寿命也会受到严重影响。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种高精度的有限转角式轴系装置，选取挠性枢轴支撑配合音圈电机驱动的轴系设计方法，在有限的制造精度和控制细分精度的前提下，进一步提高了扫摆机构中轴系跟踪(扫描)精度。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

一种高精度的有限转角式轴系装置，包括高精度旋转变压器、旋变定位顶 丝、旋变安装套筒、轴系反馈转轴、基座、枢轴安装座、耳片压块、挠性枢轴、负载装置、轴系传动转轴、转轴限位顶丝和音圈电机；其中，负载装置水平位于中心位置；负载装置的两端与挠性枢轴固定连接，两端的挠性枢轴轴向侧壁与枢轴安装座固定连接；枢轴安装座固定安装在基座的轴向中心位置；两端挠性枢轴与负载装置接触位置设置有耳片压块；高精度旋转变压器、旋变定位顶丝、旋变安装套筒、轴系反馈转轴分别安装在基座的轴向外侧；其中，轴系反馈转轴同轴安装在基座中心位置，且轴系反馈转轴轴向一端与枢轴安装座固定连接；高精度旋转变压器同轴安装在基座的轴端外侧；旋变安装套筒固定套装在基座轴向一端的轴向侧壁；旋变定位顶丝环绕安装在旋变安装套筒轴向中部位置；

负载装置的另一端，轴系传动转轴同轴固定安装在枢轴安装座的外侧壁；音圈电机固定安装在轴系传动转轴的外侧壁上；转轴限位顶丝沿径向伸入音圈电机和轴系传动转轴的外壁。

在上述的一种高精度的有限转角式轴系装置，所述耳片压块轴向平行安装在挠性枢轴的外壁，且耳片压块轴向的一端与负载装置的一端固定连接。

在上述的一种高精度的有限转角式轴系装置，所述音圈电机为分体式结构，包括电机动子和电机定子；电机动子固定安装在轴系传动转轴的外侧；电机定子固定安装在电机动子的外侧壁。

在上述的一种高精度的有限转角式轴系装置，沿电机动子径向设置有转轴限位顶丝，且转轴限位顶丝沿径向依次穿过电机动子、并伸入轴系传动转轴。

在上述的一种高精度的有限转角式轴系装置，所述轴系传动转轴截面为T字型结构；电机动子固定套装在轴系传动转轴水平伸出轴上。

在上述的一种高精度的有限转角式轴系装置，电机动子通过轴孔过渡配安装在轴系驱动转轴水平伸出轴上；过渡配合尺寸为0.002mm～0.005mm。

在上述的一种高精度的有限转角式轴系装置，所述的负载装置为指向镜、扫描镜或定标板；负载装置转动范围为-6°～+6°；负载装置的运动形式为稳 定扫描、定点指向或快速切换。

在上述的一种高精度的有限转角式轴系装置，所述枢轴安装座中心位置设置有圆柱孔，负载装置两端的枢轴安装座圆柱孔的同轴误差不大于0.005mm。

在上述的一种高精度的有限转角式轴系装置，耳片压块对挠性枢轴径向设置有预压量，预压量为0.01-0.03mm。

在上述的一种高精度的有限转角式轴系装置，转轴限位顶丝伸入距离为0.4-0.6mm。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明采用了音圈电机作为轴系装置的驱动部件，提高了电机利用效率，减低了轴系结构的尺寸和质量，同时实现了较高的控制精度；

(2)本发明采用了挠性枢轴作为轴系装置的支撑部件，使轴系装置无摩擦阻力，其结构简单易于实现，并实现了较高的运动精度；

(3)本发明中音圈电机结构形式为分体式结构，其运动形式为有限转角旋转式，其驱动范围应覆盖轴系装配所需的运动范围。音圈电机的突出特点是将电能直接转换成机械能，无中间转换机构，具有体积小、质量轻、响应快等一系列优点。

附图说明

图1为本发明高精度的有限转角式轴系装置示意图；

图2为本发明高精度的有限转角式轴系装置侧视图；

图3为本发明电机结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

本专利在一定的制造精度和控制精度的条件下，预达到更高的轴系跟踪(扫描)精度，途径只能是根据负载特性和使用工况，选取更适合的轴系支撑部件和与之相匹配的驱动元件。挠性枢轴支撑，音圈电机驱动的轴系设计方法即为实现有限转角轴系应用中提高精度的关键技术之一。

本发明通过严格适应负载特性和使用工况，选取挠性枢轴支撑配合音圈电机驱动的轴系设计方法，在有限的制造精度和控制细分精度的前提下，进一步提高了扫摆机构中轴系跟踪(扫描)精度。

根据负载质量和工作角度范围和使用寿命要求，选取枢轴型号；根据枢轴扭转刚度特性和最大工作角度确定轴系基本负载扭矩，再对轴系中电机引线、角位置传感器引线及其他元器件引线对轴系运动所附加的额外负载进行预估，以上两项合计为轴系负载扭矩；根据轴系工作范围并适当给出系统安装误差和必要的安全裕度，确定音圈电机的工作角度范围要求；根据轴系负载扭矩并给出必要的驱动力矩裕度，确定音圈电机的最大输出扭矩，即确定电机的电流力矩系数的取值。

如图1所示为本发明高精度的有限转角式轴系装置示意图，由图可知，一种高精度的有限转角式轴系装置，包括高精度旋转变压器1、旋变定位顶丝2、旋变安装套筒3、轴系反馈转轴4、基座5、枢轴安装座6、耳片压块7、挠性枢轴8、负载装置9、轴系传动转轴10、转轴限位顶丝11和音圈电机；其中，负载装置9水平位于中心位置；负载装置9的两端与挠性枢轴8固定连接，两端的挠性枢轴8轴向侧壁与枢轴安装座6固定连接；枢轴安装座6固定安装在基座5的轴向中心位置；两端挠性枢轴8与负载装置9接触位置设置有耳片压块7，耳片压块7对挠性枢轴8径向设置有预压量，预压量为0.01-0.03mm；高精度旋转变压器1、旋变定位顶丝2、旋变安装套筒3、轴系反馈转轴4分别安装在基座5的轴向外侧；其中，轴系反馈转轴4同轴安装在基座5中心位置，且轴系反馈转轴4轴向一端与枢轴安装座6固定连接，耳片压块7应对枢轴径8向进行预压，以防止其工作过程中松动，预压量视枢轴大小而定，一般可控制在0.01mm～0.03mm；枢轴另一端则通过枢轴座6和定位顶丝安装于固定框或基座5，同样要求枢轴安装孔两孔同轴度误差不大于0.005mm，定位顶丝锥窝深度应控制在0.5mm左右；；高精度旋转变压器1同轴安装在基座5的轴端外侧；旋变安装套筒3固定套装在基座5轴向一端的轴向侧壁；旋变定位顶丝 2环绕安装在旋变安装套筒3轴向中部位置；

负载装置9的另一端，轴系传动转轴10同轴固定安装在枢轴安装座6的外侧壁；音圈电机固定安装在轴系传动转轴10的外侧壁上；转轴限位顶丝11沿径向伸入音圈电机和轴系传动转轴10的外壁，转轴限位顶丝11伸入距离为0.4-0.6mm。

负载装置9为指向镜、扫描镜或定标板；负载装置9转动范围为-6°-+6°；其运动形式为稳定扫描、定点指向或快速切换。

枢轴安装座6中心位置设置有圆柱孔，负载装置9两端的枢轴安装座6圆柱孔的同轴误差不大于0.005mm。

如图2所示为本发明高精度的有限转角式轴系装置侧视图，由图可知，耳片压块7轴向平行安装在挠性枢轴8的外壁，且耳片压块7轴向的一端与负载装置9的一端固定连接。

如图3所示为本发明电机结构示意图，由图可知，所述音圈电机为分体式结构，包括电机动子12和电机定子13；电机动子12固定安装在轴系传动转轴10的外侧；电机定子13固定安装在电机动子12的外侧壁；沿电机动子12径向设置有转轴限位顶丝11，且转轴限位顶丝11沿径向依次穿过电机动子12、并伸入轴系传动转轴10。音圈电机运动形式为有限转角旋转式，其驱动范围应覆盖轴系装配所需的运动范围。音圈电机的突出特点是将电能直接转换成机械能，无中间转换机构，具有体积小、质量轻、响应快等一系列优点。

轴系传动转轴10截面为水平横放的T字型结构；电机动子12固定套装在轴系传动转轴10水平伸出轴上；电机动子12通过轴孔过渡配安装在轴系驱动转轴10水平伸出轴上；过渡配合尺寸为0.002mm～0.005mm。

本发明的工作原理是：

控制系统根据高精度旋转变压器的反馈值，实时解算角度误差，然后根据设定的控制算法，通过调整PWM占空比的方式调轴系驱动元件轴音圈电机两端的输出电压，从而实现轴系的高精度的闭环位置伺服。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明的轴系设计方法，创新采用了挠性枢轴支撑配合音圈电机驱动，极大限度的减少了结构体积和质量；无需换向装置，结构简单，可靠性高，并且加速度大，响应快，特别适用于高精度要求的短行程闭环伺服控制系统。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。