高精度机载两轴扫描稳定机构的制作方法

本发明属于航空遥感技术领域，具体涉及一种高精度机载两轴扫描稳定机构。

背景技术：

稳定平台是以陀螺为敏感元件、力矩电机为执行元件，用以隔离载体扰动，实现成像器视轴惯性稳定的一种陀螺稳定装置，扫描稳定平台除上述功能外，更兼有在滚动、俯仰方向的扫描成像功能。

目前通用的机载稳定平台有Leica公司的PAV80陀螺稳定平台，可以实现滚动、俯仰、航向三个方向的稳定，不具备扫描成像的功能。

机载吊舱稳定平台技术发展迅速，以两轴两框架、两轴四框架结构形式为代表的两轴、三轴的光电吊舱应用广泛，但轴系回转精度多为角分级，精度较低。

达到角秒级回转精度的稳定平台多为应用于试验室环境下的各类测试转台，对适用于机载平台，工作环境有大范围温度变化，具备滚动、俯仰方向扫描成像功能，轴系回转精度达到角秒级的稳定平台，目前尚未见相关产品和报道。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种高精度机载两轴扫描稳定机构，要求该机构可作为稳定平台的执行机构，搭载通用航空公司的飞行平台，隔离载体扰动，实现滚动、俯仰方向扫描成像，轴系回转精度达到角秒级。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种高精度机载两轴扫描稳定机构，该扫描稳定机构具体结构如下：

整体布局及减振器设置：

以扫描稳定机构中心为坐标系原点，建立X-Y-Z三轴坐标系；定义X轴正方向为前向，X轴负方向为后向；

在扫描稳定机构整体结构的最外端四角上分布有四个减振器支座3，沿前述的前向、后向方向，将该四个减振器支座3分成前向减振器支座组Ⅰ和后向减振器支座组Ⅱ，所述前向减振器支座组Ⅰ和后向减振器支座组Ⅱ关于Y轴对称，所述前向减振器支座组Ⅰ和后向减振器支座组Ⅱ各自的两个减振器支座3均关于Z轴对称；

其中，前向减振器支座组Ⅰ所在端处以及后向减振器支座组Ⅱ中的每个减振器支座3沿Z轴方向的上下两端各自设置有一个矩形块，每个矩形块下端各自设置一个减振器33，由此，整个扫描稳定机构上下各设有四个减振器33，一共八个减振器33；

每个减振器33外形设置为阶梯轴，阶梯轴中较小直径的小轴位于下方，小轴端面上设有螺纹孔，即为扫描稳定机构的对外机械接口，随动稳定机构通过该处螺纹孔以螺钉与外部设备实现连接；

所述前向减振器支座组Ⅰ和后向减振器支座组Ⅱ每个减振器支座3上下两端的矩形块之间以位于Z方向中部的局部圆柱面连接，局部圆柱面柱面上开有若干螺钉孔；

所述前向减振器支座组Ⅰ和后向减振器支座组Ⅱ各自两个减振器支座3的局部圆柱面之间分别设置有滚动电机座2，从而，X轴前后方向端面上各有一个滚动电机座2；每个所述滚动电机座2为圆柱形，其外圆直径与减振器支座3内圆柱面直径相同，两者通过所述局部圆柱面柱面上的螺钉孔配合螺钉连接；

所述前向减振器支座组Ⅰ和后向减振器支座组Ⅱ的两组减振器支座3与各自对应的滚动电机座2连接后，通过调整，使减振器33的小轴端面形成与X轴平行的上下两个平面；

所述扫描稳定机构上部还安装有U形连接支架1，其与X轴前后方向端面上的两个滚动电机座2相互固定；

高精度滚动轴系的设置：

轴系支撑方式为两端各采用一对角接触轴承，背靠背安装；沿X轴方向分布有两个滚动电机座2，滚动电机座2内有安装有滚动电机4、滚动电机轴5，两个滚动电机轴5之间通过滚动框架8连接，构成滚动轴系；所述X轴前后方向端面上的两个滚动电机座2的内部安装形式相同；

其中，X轴正向一端的所述滚动电机座2为圆柱形，内有阶梯两个孔，外端的大孔中安装滚动电机4，小孔内安装滚动轴承座12；滚动电机4定子固定在大孔中，滚动电机4转子与滚动电机轴5连接固定；所述滚动电机轴5呈碗状，沿径向有内外两组连接孔，外部的连接孔与滚动电机4转子连接，内部的连接孔与前向滚动轴6前端连接；所述前向滚动轴6为圆柱形阶梯轴，其后端面与滚动框架8实现连接；

所述滚动轴承座12内安装一对角接触轴承，滚动轴承内压圈15、滚动轴承外压圈14为圆环状，安装在滚动轴承座12及前向滚动轴6上，实现轴承的轴向固定；轴承的内径支撑在前向滚动轴6的圆柱面上；

由于所述X轴前后方向端面上的两个滚动电机座2的内部安装形式相同，因此X轴前后方向的两个滚动电机座2各自设有一个滚动电机轴5，两个滚动电机轴5通过滚动框架8串联在一起，构成滚动轴系；滚动框架8为圆筒状中空结构，在圆筒的内圆柱表面分布有圆环状加强筋和X向加强筋，前后端面上分布有辐条状加强筋；

圆筒状中空结构在Z向上下两处切除一部分圆柱面，形成开孔，滚动框架上盖10、滚动框架下盖11形状与滚动框架8切除的圆柱面相同，装配时，最后安装滚动框架上盖10、滚动框架下盖11后形成完整圆柱面；

滚动框架8圆筒内为成像器的安装空间，沿Y轴在圆筒两端有阶梯圆孔，为俯仰轴系的安装位置；

高精度俯仰轴系的设置：

俯仰轴系支撑方式为两端各采用一对角接触轴承，背靠背安装；俯仰方向驱动安装方式与滚动方向相同；

所述俯仰轴系由俯仰电机19、俯仰轴系零件、成像器9组成；

沿Y向从俯仰电机19一端开始说明如下：

俯仰电机19安装在滚动框架8电机端阶梯孔的大孔中，俯仰电机19定子与滚动框架8固定，转子与俯仰电机轴20连接；

俯仰电机轴20径向分布两组安装孔，同时与俯仰电机19转子和第一俯仰轴21实现连接；

俯仰轴承座27安装于滚动框架8电机端的阶梯孔的小孔中，俯仰轴承座27内安装一对角接触轴承，轴承内径支撑在第一俯仰轴21的圆柱面上；俯仰轴承内压圈30、俯仰轴承外压圈29为圆环状，安装在俯仰轴承座27及第一俯仰轴21上，实现轴承的轴向固定；

扫描稳定机构与成像器的安装：

所述扫描稳定机构的负载为成像器9，成像器9安装在滚动框架8内部；第一俯仰轴21和第二俯仰轴23位于俯仰轴系两端，与滚动框架8连接；第一俯仰轴21和第二俯仰轴23的轴端设置为半圆孔形状，与成像器9两端的接口轴配合安装，连接螺钉位置位于接口部分的圆柱面上。同时接口处设置有半圆形压盖，压盖与第一俯仰轴21、第二俯仰轴23固定，与第一俯仰轴21和第二俯仰轴23的半圆形孔合二为一，形成一个完整的圆柱面。

(三)有益效果

与现有技术相比较，本发明具备如下有益效果：

1、滚动、俯仰两个高精度轴系零件采用国内制备、加工工艺成熟的SiC/Al复合材料，该种材料密度约为2.9g/cm3，比刚度较铝合金高两倍，低膨胀系数与配合的轴承钢结构相当，同时具有变化温度场下的优良的尺寸稳定性。复合材料轴系零件的选用，不仅有效地降低了扫描稳定机构的质量，还大大减少了高低温下材料热胀冷缩引起的轴系变形，最大限度地提高了稳定机构的回转精度，保证了系统稳定性；

2、滚动轴系在两个滚动电机座2之间增加了连接支架1，使轴向跨距较大的两个电机座连为一体，有效提高了轴向的连接刚度，保证了轴系回转精度；

3、增加了轴系的轴向补偿环节。滚动、俯仰轴系由于中间环节较多，轴向的尺寸误差累计将对轴系装配带来影响。滚动方向在连接支架1的一端留有长孔，俯仰方向在成像器9与第二俯仰轴23之间设计有俯仰调整垫片31，这两处的轴向补偿环节在保证了轴系刚度的前提下有效地降低了相关零件的轴向加工精度，提高了方案的经济性。

4、机构与成像器的安装方式的优点在于：突破了传统的法兰配合安装，满足了复杂成像器的外形设计要求，保证了成像器9与机构的装拆方便；上下两个压盖26与第一俯仰轴21、第二俯仰轴23合二为一的圆孔既保证了连接可靠，也提高了俯仰轴系的连接刚度；

5、减振器33采用上下两层、对称分布的布局方式，形成框式结构，保证了减振器33的几何中心尽量与扫描稳定机构质心重合，避免了机构大质量、大体积在振动环境下角位移的产生，提高了成像质量。

附图说明

图1为本发明提供的高精度机载两轴稳定机构的总体结构示意图。

图2为机构滚动轴系结构示意图。

图3为X轴正向的机构滚动轴系局部放大图。

图4为机构俯仰轴系结构示意图。

图5为机构与成像器的接口示意图。

图中，1：连接支架、2：滚动电机座、3：减振器支座、4：滚动电机、5：滚动电机轴、6：前向滚动轴、7：后向滚动轴、8：滚动框架、9：成像器、10：滚动框架上盖、11：滚动框架下盖、12：滚动轴承座、13：滚动轴承、14：滚动轴承外压圈、15：滚动轴承内压圈、16：滚动测角元件座、17：测角元件、18：俯仰电机座、19：俯仰电机、20：俯仰电机轴、21：第一俯仰轴、22：第一成像器接口轴、23：第二俯仰轴、24：俯仰轴c、25：第二成像器接口轴、26：压盖、27：俯仰轴承座、28：俯仰轴承、29：俯仰轴承外压圈、30：俯仰轴承内压圈、31：俯仰调整垫片、32：俯仰测角元件座、33：减振器、34：安装螺钉。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

为解决上述技术问题，本发明提供一种高精度机载两轴扫描稳定机构，如图1所示，该扫描稳定机构具体结构如下：

整体布局及减振器设置：

以扫描稳定机构中心为坐标系原点，建立X-Y-Z三轴坐标系；定义X轴正方向为前向，X轴负方向为后向；

在扫描稳定机构整体结构的最外端四角上分布有四个减振器支座3，沿前述的前向、后向方向，将该四个减振器支座3分成前向减振器支座组Ⅰ和后向减振器支座组Ⅱ，所述前向减振器支座组Ⅰ和后向减振器支座组Ⅱ关于Y轴对称，所述前向减振器支座组Ⅰ和后向减振器支座组Ⅱ各自的两个减振器支座3均关于Z轴对称；

其中，前向减振器支座组Ⅰ所在端处以及后向减振器支座组Ⅱ中的每个减振器支座3沿Z轴方向的上下两端各自设置有一个矩形块，每个矩形块下端各自设置一个减振器33，由此，整个扫描稳定机构上下各设有四个减振器33，一共八个减振器33；

每个减振器33外形设置为阶梯轴，阶梯轴中较小直径的小轴位于下方，小轴端面上设有螺纹孔，即为扫描稳定机构的对外机械接口，随动稳定机构通过该处螺纹孔以螺钉与外部设备实现连接；

所述前向减振器支座组Ⅰ和后向减振器支座组Ⅱ每个减振器支座3上下两端的矩形块之间以位于Z方向中部的局部圆柱面连接，局部圆柱面柱面上开有若干螺钉孔；

所述前向减振器支座组Ⅰ和后向减振器支座组Ⅱ各自两个减振器支座3的局部圆柱面之间分别设置有滚动电机座2，从而，X轴前后方向端面上各有一个滚动电机座2；每个所述滚动电机座2为圆柱形，其外圆直径与减振器支座3内圆柱面直径相同，两者通过所述局部圆柱面柱面上的螺钉孔配合螺钉连接；

所述前向减振器支座组Ⅰ和后向减振器支座组Ⅱ的两组减振器支座3与各自对应的滚动电机座2连接后，通过调整，使减振器33的小轴端面形成与X轴平行的上下两个平面；

所述扫描稳定机构上部还安装有U形连接支架1，其与X轴前后方向端面上的两个滚动电机座2相互固定；

高精度滚动轴系的设置：

轴系支撑方式为两端各采用一对角接触轴承，背靠背安装；参见图2，沿X轴方向分布有两个滚动电机座2，滚动电机座2内有安装有滚动电机4、滚动电机轴5，两个滚动电机轴5之间通过滚动框架8连接，构成滚动轴系；所述X轴前后方向端面上的两个滚动电机座2的内部安装形式相同；

其中，参见图3，X轴正向一端的所述滚动电机座2为圆柱形，内有阶梯两个孔，外端的大孔中安装滚动电机4，小孔内安装滚动轴承座12；滚动电机4定子固定在大孔中，滚动电机4转子与滚动电机轴5连接固定；所述滚动电机轴5呈碗状，沿径向有内外两组连接孔，外部的连接孔与滚动电机4转子连接，内部的连接孔与前向滚动轴6前端连接；所述前向滚动轴6为圆柱形阶梯轴，其后端面与滚动框架8实现连接；

所述滚动轴承座12内安装一对角接触轴承，滚动轴承内压圈15、滚动轴承外压圈14为圆环状，安装在滚动轴承座12及前向滚动轴6上，实现轴承的轴向固定；轴承的内径支撑在前向滚动轴6的圆柱面上；

由于所述X轴前后方向端面上的两个滚动电机座2的内部安装形式相同，因此X轴前后方向的两个滚动电机座2各自设有一个滚动电机轴5，两个滚动电机轴5通过滚动框架8串联在一起，构成滚动轴系；滚动框架8为圆筒状中空结构，在圆筒的内圆柱表面分布有圆环状加强筋和X向加强筋，前后端面上分布有辐条状加强筋；

圆筒状中空结构在Z向上下两处切除一部分圆柱面，形成开孔，滚动框架上盖10、滚动框架下盖11形状与滚动框架8切除的圆柱面相同，装配时，最后安装滚动框架上盖10、滚动框架下盖11后形成完整圆柱面；

滚动框架8圆筒内为成像器的安装空间，沿Y轴在圆筒两端有阶梯圆孔，为俯仰轴系的安装位置；

高精度俯仰轴系的设置：

如图4所示，俯仰轴系支撑方式为两端各采用一对角接触轴承，背靠背安装；俯仰方向驱动安装方式与滚动方向相同；

所述俯仰轴系由俯仰电机19、俯仰轴系零件、成像器9组成；

沿Y向从俯仰电机19一端开始说明如下：

俯仰电机19安装在滚动框架8电机端阶梯孔的大孔中，俯仰电机19定子与滚动框架8固定，转子与俯仰电机轴20连接；

俯仰电机轴20径向分布两组安装孔，同时与俯仰电机19转子和第一俯仰轴21实现连接；

俯仰轴承座27安装于滚动框架8电机端的阶梯孔的小孔中，俯仰轴承座27内安装一对角接触轴承，轴承内径支撑在第一俯仰轴21的圆柱面上；俯仰轴承内压圈30、俯仰轴承外压圈29为圆环状，安装在俯仰轴承座27及第一俯仰轴21上，实现轴承的轴向固定；俯仰轴系另一端除安装俯仰电机的位置换成了测角元件感应同步器之外，轴承的安装方式完全相同；

扫描稳定机构与成像器的安装：

所述扫描稳定机构的负载为成像器9，成像器9安装在滚动框架8内部；参考图5，第一俯仰轴21和第二俯仰轴23位于俯仰轴系两端，与滚动框架8连接；第一俯仰轴21和第二俯仰轴23的轴端设置为半圆孔形状，与成像器9两端的接口轴配合安装，连接螺钉位置位于接口部分的圆柱面上。同时接口处设置有半圆形压盖，压盖与第一俯仰轴21、第二俯仰轴23固定，与第一俯仰轴21和第二俯仰轴23的半圆形孔合二为一，形成一个完整的圆柱面。

下面结合具体实施例来下面描述本发明。

实施例

如图1、图2、图3及图4所示，本实施例提供一种高精度机载两轴扫描稳定机构整体结构主要包括连接支架1、减振器支座3、减振器33、滚动轴系、俯仰轴系以及成像器9。

1、整体布局及减振器方案。

参见图1，建立X、Y、Z轴及坐标系原点

沿X轴正方向设为前。机构整体结构最外端四角分布有4个减振器支座3，将

其分成前后Ⅰ和Ⅱ两组，每组的两个减振器支座3关于Z轴对称，Ⅰ和Ⅱ两组的减振器支座3关于Y轴对称。两组的结构形式及与内部的安装关系相同。现以Ⅰ组减振器支座3这端为例进行说明。每个减振器支座3在Z轴上下设计有两个矩形块，减振器33就安装在矩形块的下端，上下各4个，一共8个减振器。减振器33外形为阶梯轴，小轴端面上有螺纹孔，即为随动稳定机构的对外机械接口，随动稳定机构通过该处与飞机平台实现连接。减振器支座3中间为局部圆柱面，柱面上开有若干螺钉孔。两个减振器支座3圆柱面中间为滚动电机座2，滚动电机座2为圆柱形，其外圆直径与减振器支座3内圆柱面直径相同，两者通过减振器支座3柱面上的螺钉连接。Ⅰ和Ⅱ两组减振器支座3与滚动电机座2连接后，通过调整，使减振器33的小轴端面形成与X轴平行的上下两个平面。随动稳定机构上方安装有U形连接支架1，与X轴前后的两个滚动电机座2固定。

2、高精度滚动轴系设计方案。

轴系支撑方式为两端各采用一对角接触轴承，背靠背安装。驱动方式采用双电机驱动，沿X轴方向分布有两个滚动电机座2，滚动电机座2内有安装有滚动电机4、滚动电机轴5等轴类零件，滚动电机轴5之间通过滚动框架8连接，构成滚动轴系。参见图2。两个滚动电机座2的内部结构形式相同，以X正方向的一端为例进行说明。图3为该处滚动电机座2安装放大图。滚动电机座2为圆柱形，内有阶梯两个孔，外端大孔安装滚动电机4，小孔内安装滚动轴承座12。滚动电机4定子固定在大孔中，滚动方向的由滚动电机4至滚动框架8的连接关系是这样实现的：电机4转子与滚动电机轴5连接，滚动电机轴5呈碗状，沿径向有内外两组孔，外部连接孔与滚动电机4转子连接，内部连接孔与前向滚动轴6前端连接；前向滚动轴6为圆柱形阶梯轴，其后端面与滚动框架8实现连接。滚动轴承座12内安装一对角接触轴承，滚动轴承内压圈15、滚动轴承外压圈14为圆环状，安装在滚动轴承座12及前向滚动轴6上，实现轴承的轴向固定。轴承的内径支撑在前向滚动轴6的圆柱面上。X向的两个滚动电机轴5通过滚动框架8串联在一起，构成滚动轴系。滚动框架8为圆筒状中空结构，在圆筒的内圆柱表面分布有圆环状加强筋和X向加强筋，前后端面上分布有辐条状加强筋。圆筒在Z向上下两处切除一部分圆柱面，形成开孔，滚动框架上盖10、滚动框架下盖11形状与滚动框架8切除的圆柱面相同，装配时，最后安装滚动框架上盖10、滚动框架下盖11后形成完整圆柱面。滚动框架8圆筒内为成像器的安装空间，沿Y轴在圆筒两端有阶梯圆孔，为俯仰轴系的安装位置。

3、高精度俯仰轴系设计方案。

俯仰轴系如图4所示。支撑方式为两端各采用一对角接触轴承，背靠背安装。俯仰方向采用单电机驱动，驱动安装方式与滚动方向相同。俯仰轴系由俯仰电机19、俯仰轴系零件、成像器9等组成。沿Y向从俯仰电机19一端开始说明如下。俯仰电机19安装在滚动框架8电机端阶梯孔的大孔中，俯仰电机19定子与滚动框架8固定，转子与俯仰电机轴20连接。俯仰电机轴20径向分布两组安装孔，同时与俯仰电机19转子和第一俯仰轴21实现连接。俯仰轴承座27安装于滚动框架8电机端的阶梯孔的小孔中，俯仰轴承座27内安装一对角接触轴承，轴承内径支撑在第一俯仰轴21的圆柱面上。俯仰轴承内压圈30、俯仰轴承外压圈29为圆环状，安装在俯仰轴承座27及第一俯仰轴21上，实现轴承的轴向固定。俯仰轴系另一端轴承的安装方式完全相同，不再赘述。

4、机构与成像器的安装方案。

扫描稳定机构的负载为成像器9，成像器9安装在滚动框架的内部。参考图5，其安装方案介绍如下：第一俯仰轴21和第二俯仰轴23位于俯仰轴系两端，与滚动框架8连接。第一俯仰轴21和第二俯仰轴23的轴端设计为半圆孔形状，与成像器9两端的接口轴配合安装，连接螺钉位置位于接口部分的圆柱面上。同时接口处设计有半圆形压盖，压盖与第一俯仰轴21、第二俯仰轴23固定，与第一俯仰轴21和第二俯仰轴23的半圆形孔合二为一，形成一个完整的圆柱面。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。