本發(fā)明涉及一種基于圓弧導(dǎo)軌的三自由度氣浮模擬器末端指向裝置，屬于航天器空間活動(dòng)模擬領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

早期衛(wèi)星等航天器的地面仿真試驗(yàn)基本是在一個(gè)靜止的氣浮仿真試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，指向裝置的旋轉(zhuǎn)圍繞旋轉(zhuǎn)中心，驅(qū)動(dòng)裝置在旋轉(zhuǎn)中心。但現(xiàn)代小衛(wèi)星在太空中需要有很好的軌道穩(wěn)定性和精確性，很多時(shí)候需要變軌飛行，所以對(duì)其測(cè)試就需要一個(gè)動(dòng)態(tài)的多自由度氣浮仿真試驗(yàn)臺(tái)以提供更多的空間自由度，包括姿態(tài)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及軌道平移運(yùn)動(dòng)。

國內(nèi)對(duì)于氣浮仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的研究起步較晚，我國第一代三自由度衛(wèi)星氣浮仿真試驗(yàn)系統(tǒng)是20世紀(jì)60年代末由國內(nèi)某研究所研制，現(xiàn)已退役。目前國內(nèi)所用氣浮仿真試驗(yàn)系統(tǒng)多是進(jìn)口。近年來，在引進(jìn)國外先進(jìn)氣浮仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，國內(nèi)一些重點(diǎn)院校及研究機(jī)構(gòu)對(duì)氣浮仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的一些性能和用途進(jìn)行過研究，并用于實(shí)際的衛(wèi)星仿真試驗(yàn)。但是從現(xiàn)有資料看來，我國自主研制的高精度三自由度氣浮模擬器末端指向裝置仍然是空白。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問題：為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于圓弧導(dǎo)軌的三自由度氣浮模擬器末端指向裝置，通過采用圓弧導(dǎo)軌和驅(qū)動(dòng)裝置偏置安裝，增強(qiáng)指向桿剛度同時(shí)，提高指向桿指向定位精度。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案：

一種基于圓弧導(dǎo)軌的三自由度氣浮模擬器末端指向裝置，包括上層平臺(tái)、指向桿、圓弧導(dǎo)軌、導(dǎo)向滑輪、慣性導(dǎo)航元件、驅(qū)動(dòng)裝置、旋轉(zhuǎn)軸承和定位元件，

其中，指向桿通過旋轉(zhuǎn)軸承連接在上層平臺(tái)中心位置，指向桿可繞旋轉(zhuǎn)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)，圓弧導(dǎo)軌、定位元件均設(shè)置在上層平臺(tái)上，在指向桿上與的圓弧導(dǎo)軌配合處設(shè)置有前翼板和后翼板，前翼板和后翼板上均設(shè)置有導(dǎo)向滑輪，慣性導(dǎo)航元件和驅(qū)動(dòng)裝置置于后翼板上，使指向桿的重心與旋轉(zhuǎn)軸承的中心重合，

上層平臺(tái)與三自由度氣浮模擬器的下層平臺(tái)連接，圓弧導(dǎo)軌采用雙層結(jié)構(gòu)，圓弧導(dǎo)軌上層為V型突起，與導(dǎo)向滑輪上的V型槽配合，圓弧導(dǎo)軌下層為齒圈結(jié)構(gòu)，與驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)齒輪嚙合實(shí)現(xiàn)對(duì)指向桿沿圓周方向的驅(qū)動(dòng)；

定位元件和慣性導(dǎo)航元件實(shí)時(shí)檢測(cè)指向桿的位置信息和姿態(tài)信息，驅(qū)動(dòng)裝置和下層平臺(tái)實(shí)時(shí)調(diào)整指向桿的位置信息和姿態(tài)信息，直至與外界控制系統(tǒng)預(yù)設(shè)的信息一致為止。

定位元件和慣性導(dǎo)航元件將實(shí)時(shí)檢測(cè)的指向桿位置信息和姿態(tài)信息實(shí)時(shí)傳遞給外界控制系統(tǒng)，外界控制系統(tǒng)將得到的信息與預(yù)設(shè)的位置信息和姿態(tài)信息進(jìn)行比對(duì)運(yùn)算，得出指向桿需要調(diào)整的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)裝置和下層平臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，至定位元件和慣性導(dǎo)航元件實(shí)時(shí)檢測(cè)的信息與外界控制系統(tǒng)預(yù)設(shè)的信息一致為止。

指向桿前端位姿精度小于1mm。

定位元件和慣性導(dǎo)航元件實(shí)時(shí)檢測(cè)頻率為40Hz。

還包括潤滑塊，其固定在前翼板和后翼板上，與圓弧導(dǎo)軌的V型突起配合潤滑。

指向桿伸出圓弧導(dǎo)軌的部分至少為圓弧導(dǎo)軌半徑的1.5倍。

圓弧導(dǎo)軌的外齒圈嚙合的回差精度小于1mm。

指向桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不大于5kg·m²。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益效果：

(1)本發(fā)明采用齒輪圓弧導(dǎo)軌安裝指向桿，對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置偏置安裝，使驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)不在指向桿的轉(zhuǎn)動(dòng)中心上而在轉(zhuǎn)動(dòng)周向上，在保證指向桿前端指向精度的同時(shí)，降低驅(qū)動(dòng)裝置控制精度，使得相同精度的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)反饋到指向桿前端的精度提高30％～50％，同時(shí)指向桿的剛度也相應(yīng)的提高了30％～50％；

(2)本發(fā)明通過對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置等的位置設(shè)置，確保指向桿的重心必須嚴(yán)格位于轉(zhuǎn)動(dòng)中心上，實(shí)現(xiàn)指向裝置質(zhì)心與旋轉(zhuǎn)中心重合，便于整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)控制，實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的靜態(tài)平衡，使指向桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小化；

(3)本發(fā)明采用V型凸起結(jié)合齒輪傳動(dòng)，圓弧導(dǎo)軌采用雙層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)單向傳動(dòng)高精度定位。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明圓弧導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的幾何抽象模型。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。

一種基于圓弧導(dǎo)軌的三自由度氣浮模擬器末端指向裝置，如圖1所示，包括上層平臺(tái)、指向桿1、圓弧導(dǎo)軌2、導(dǎo)向滑輪4、慣性導(dǎo)航元件5、驅(qū)動(dòng)裝置6、旋轉(zhuǎn)軸承7和定位元件8，

其中，指向桿1通過旋轉(zhuǎn)軸承7連接在上層平臺(tái)中心位置，指向桿1可繞旋轉(zhuǎn)軸承7轉(zhuǎn)動(dòng)，指向桿1的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不大于5kg·m²。指向桿1伸出圓弧導(dǎo)軌2的部分至少為圓弧導(dǎo)軌2半徑的1.5倍，指向桿1前端位姿精度小于1mm，圓弧導(dǎo)軌2、定位元件8均設(shè)置在上層平臺(tái)上，在指向桿1上與的圓弧導(dǎo)軌2配合處設(shè)置有前翼板和后翼板，前翼板和后翼板上均設(shè)置有導(dǎo)向滑輪4，慣性導(dǎo)航元件5和驅(qū)動(dòng)裝置6置于后翼板上，使指向桿1的重心與旋轉(zhuǎn)軸承7的中心重合，還包括潤滑塊3，其固定在前翼板和后翼板上，與圓弧導(dǎo)軌2的V型突起配合潤滑。

上層平臺(tái)與三自由度氣浮模擬器的下層平臺(tái)連接，圓弧導(dǎo)軌2采用雙層結(jié)構(gòu)，如圖2所示，圓弧導(dǎo)軌2上層為V型突起，與導(dǎo)向滑輪4上的V型槽配合，圓弧導(dǎo)軌2下層為齒圈結(jié)構(gòu)，與驅(qū)動(dòng)裝置6的驅(qū)動(dòng)齒輪嚙合實(shí)現(xiàn)對(duì)指向桿1沿圓周方向的驅(qū)動(dòng)，圓弧導(dǎo)軌2的外齒圈嚙合的回差小于1mm。

定位元件8和慣性導(dǎo)航元件5實(shí)時(shí)檢測(cè)指向桿1的位置信息和姿態(tài)信息，實(shí)時(shí)檢測(cè)頻率為40Hz，定位元件8和慣性導(dǎo)航元件5將實(shí)時(shí)檢測(cè)的指向桿1位置信息和姿態(tài)信息實(shí)時(shí)傳遞給外界控制系統(tǒng)，外界控制系統(tǒng)將得到的信息與預(yù)設(shè)的位置信息和姿態(tài)信息進(jìn)行比對(duì)運(yùn)算，得出指向桿1需要調(diào)整的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)裝置6和下層平臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，至定位元件8和慣性導(dǎo)航元件5實(shí)時(shí)檢測(cè)的信息與外界控制系統(tǒng)預(yù)設(shè)的信息一致為止。

如圖3所示，圖中圓形為圓弧導(dǎo)軌示意，導(dǎo)軌直徑所在直線為指向桿示意。指向桿1在驅(qū)動(dòng)裝置6驅(qū)動(dòng)下沿著圓弧導(dǎo)軌2轉(zhuǎn)動(dòng)。指向桿1長度為L＝1200mm，圓弧導(dǎo)軌外齒圈分度圓直徑為φ＝875mm。根據(jù)產(chǎn)品性能參數(shù)，圓弧導(dǎo)軌的外齒圈嚙合的回差精度為Δ₁＝0.1mm，假設(shè)指向桿的各個(gè)方向的剛度都可以保證，作為剛體，指向桿的前端指向的定位精度和圓弧導(dǎo)軌的定位精度滿足如下關(guān)系：

因此，計(jì)算得指向桿的前端理論定位精度Δ₂＝0.274mm，應(yīng)用中，為安全起見，選取2.5倍容差系數(shù)，確定最終指向桿的前端端精度Δ＝0.685mm，使得相同精度的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)反饋到指向桿前端的精度提高30％～50％。

本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。