本發(fā)明屬于空間環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于空間環(huán)境試驗(yàn)的高精度五自由度位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。

背景技術(shù)：

航天器的光學(xué)載荷在發(fā)射之前需要進(jìn)行充分的空間環(huán)境試驗(yàn)來驗(yàn)證其可靠性。通常，需要采用空間環(huán)境模擬設(shè)備來在地面模擬航天器在軌的真空、冷黑環(huán)境，光學(xué)載荷的空間環(huán)境試驗(yàn)需要在空間環(huán)境模擬器中進(jìn)行。試驗(yàn)過程中的不同工況需要對載荷的位置和姿態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證其與入射光束的相對關(guān)系與在軌飛行條件相同。

目前，國內(nèi)在進(jìn)行類似空間環(huán)境試驗(yàn)時，通常在試驗(yàn)前將載荷調(diào)節(jié)到固定位姿，在完成該工況試驗(yàn)后將空間環(huán)境模擬設(shè)備的內(nèi)部環(huán)境恢復(fù)到常溫、常壓狀態(tài)，再人工調(diào)節(jié)載荷的位姿進(jìn)行下一工況的試驗(yàn)，不但試驗(yàn)效率低而且試驗(yàn)成本較高?，F(xiàn)有的調(diào)姿機(jī)構(gòu)大多為三自由度調(diào)姿機(jī)構(gòu)，只具有三個回轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)能力，不具備位置調(diào)節(jié)能力，且現(xiàn)有調(diào)姿機(jī)構(gòu)不具備直接在真空低溫環(huán)境下的工作能力。為了實(shí)現(xiàn)在真空低溫環(huán)境下，對試驗(yàn)載荷的位置和姿態(tài)進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，需研制一種用于空間環(huán)境試驗(yàn)的多自由度位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種適用于真空、低溫等空間環(huán)境下的高精度五自由度位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)在真空、低溫等空間環(huán)境下，為試驗(yàn)載荷提供高精度位置及姿態(tài)調(diào)節(jié)的功能，且其中的三個回轉(zhuǎn)軸交于一點(diǎn)，在運(yùn)動過程中，交點(diǎn)空間高度不變，對試驗(yàn)件尺寸具有較大的適應(yīng)性。

本發(fā)明目的是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明的應(yīng)用于空間環(huán)境試驗(yàn)的高精度五自由度位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，包括試件安裝平臺、升降機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)、滾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、偏航機(jī)構(gòu)、平移機(jī)構(gòu),用于放置試件的試件安裝平臺兩端固定掛設(shè)在升降機(jī)構(gòu)上并隨升降機(jī)構(gòu)上下移動，升降機(jī)構(gòu)的底部固定設(shè)置在俯仰機(jī)構(gòu)上，俯仰機(jī)構(gòu)與滾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)具有相同的結(jié)構(gòu)并且前者承載固定在后者上，滾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及其負(fù)載固定設(shè)置在偏航機(jī)構(gòu)上，偏航機(jī)構(gòu)接著固定設(shè)置在平移機(jī)構(gòu)的平移運(yùn)動臺面上，平移運(yùn)動臺面設(shè)置在導(dǎo)軌滑塊上并隨導(dǎo)軌滑塊滑動設(shè)置在直線導(dǎo)軌上，其中，升降機(jī)構(gòu)和平移機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)2個移動自由度，俯仰機(jī)構(gòu)、滾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、偏航機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)3個轉(zhuǎn)動自由度，

其中，俯仰機(jī)構(gòu)與滾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)分別包括驅(qū)動電機(jī)、固定臺體、運(yùn)動臺面、渦輪、蝸桿和弧形導(dǎo)軌，驅(qū)動電機(jī)及蝸桿設(shè)置在固定臺體上，渦輪設(shè)置在運(yùn)動臺面內(nèi)部，驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動蝸桿將動力傳遞給渦輪，從而使渦輪轉(zhuǎn)動帶動運(yùn)動臺面沿弧形導(dǎo)軌運(yùn)動。

其中，俯仰機(jī)構(gòu)及滾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用相同的結(jié)構(gòu)，僅渦輪的回轉(zhuǎn)半徑不同。

其中，俯仰機(jī)構(gòu)的固定臺體設(shè)置在滾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動臺面上，且兩者的渦輪轉(zhuǎn)動方向十字相交，使得俯仰機(jī)構(gòu)和滾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動其上負(fù)載實(shí)現(xiàn)兩個轉(zhuǎn)動自由度(繞X軸向或Y軸向)。

其中，俯仰機(jī)構(gòu)利用渦輪蝸桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)繞Y軸-5°～+5°的轉(zhuǎn)動，驅(qū)動 電機(jī)選取真空低溫電機(jī)。滾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)利用渦輪蝸桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)繞X軸-10°～+10°的轉(zhuǎn)動。

其中，偏航機(jī)構(gòu)包括偏航驅(qū)動電機(jī)、偏航固定臺體、偏航蝸桿、偏航渦輪、偏航運(yùn)動臺面，偏航驅(qū)動電機(jī)及偏航蝸桿安裝的偏航固定臺體上，偏航渦輪安裝在圓盤形的偏航運(yùn)動臺面內(nèi)部，偏航驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動偏航蝸桿將動力傳遞給偏航渦輪，從而使偏航運(yùn)動臺面轉(zhuǎn)動，帶動其上的負(fù)載繞渦輪中心軸轉(zhuǎn)動。

其中，滾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的固定臺體連同其上的負(fù)載固定設(shè)置在偏航機(jī)構(gòu)的偏航運(yùn)動臺面上。

其中，試件安裝平臺用于安裝試件，試件安裝平臺由不銹鋼板制成。

其中，升降機(jī)構(gòu)用于試件安裝平臺，利用滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)垂直的升降運(yùn)動，其運(yùn)動范圍0～－400mm，驅(qū)動電機(jī)選取真空低溫電機(jī)。

其中，偏航機(jī)構(gòu)用于承載試驗(yàn)載荷、試件安裝平臺、升降機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)、滾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，并利用渦輪蝸桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)繞Z軸-10°～+10°的轉(zhuǎn)動，偏航機(jī)構(gòu)與平移機(jī)構(gòu)通過螺栓連接，將負(fù)載及自身重量傳遞到平移機(jī)構(gòu)上。

本發(fā)明的應(yīng)用于空間環(huán)境試驗(yàn)的高精度五自由度位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，具有以下改進(jìn)效果：

(1)通過對材料的深冷處理，并選用適應(yīng)真空低溫環(huán)境的電機(jī)及編碼器，不需進(jìn)行溫控，整個機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)在真空度高達(dá)1×10^-5Pa、溫度最低達(dá)到約-190℃環(huán)境下的高精度位姿調(diào)節(jié)；

(2)通過對三個回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)渦輪半徑的設(shè)計，使三個回轉(zhuǎn)軸交于一點(diǎn)，且在運(yùn)動過程中該交點(diǎn)的空間高度不變；

(3)通過調(diào)節(jié)升降機(jī)構(gòu)，可適用于不同尺寸的試驗(yàn)載荷。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的五自由度位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

其中，1-試件安裝平臺；2-升降機(jī)構(gòu)；3-俯仰機(jī)構(gòu)；4-滾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；5-偏航機(jī)構(gòu)；6-平移機(jī)構(gòu)。

圖2為本發(fā)明的五自由度位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中升降機(jī)構(gòu)部分的結(jié)構(gòu)示意圖；

其中，21-升降驅(qū)動電機(jī)；22-聯(lián)軸器；23-導(dǎo)軌滑塊；24-滾珠絲杠；25-直線導(dǎo)軌；26-連接架。

圖3為本發(fā)明的五自由度位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中俯仰/滾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

其中，31-驅(qū)動電機(jī)；32-固定臺體；33-運(yùn)動臺面；34-渦輪；35-蝸桿；36-弧形導(dǎo)軌。

圖4為本發(fā)明的五自由度位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中偏航機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

其中，41-偏航驅(qū)動電機(jī)；42-偏航固定臺體；43-偏航蝸桿；44-偏航渦輪；45-偏航運(yùn)動臺面。

圖5為本發(fā)明的五自由度位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中平移機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖，

其中，51-平移驅(qū)動電機(jī)；52-聯(lián)軸器；53-滾珠絲杠；54-導(dǎo)軌滑塊；55-平移運(yùn)動臺面；56-直線導(dǎo)軌；57-固定臺面。

具體實(shí)施方式

以下介紹的是作為本發(fā)明內(nèi)容的具體實(shí)施方式，下面通過具體實(shí)施方式對本發(fā)明內(nèi)容作進(jìn)一步的闡明。當(dāng)然，描述下列具體實(shí)施方式只為示例本發(fā) 明的不同方面的內(nèi)容，而不應(yīng)理解為限制本發(fā)明范圍。

圖1是本發(fā)明的應(yīng)用于空間環(huán)境試驗(yàn)的高精度五自由度位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖，包括：試件安裝平臺1；升降機(jī)構(gòu)2；俯仰機(jī)構(gòu)3；滾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)4；偏航機(jī)構(gòu)5；平移機(jī)構(gòu)6。各個機(jī)構(gòu)依次連接，實(shí)現(xiàn)3個轉(zhuǎn)動和2個移動共5個自由度的運(yùn)動。三個轉(zhuǎn)動分別由繞Y軸-5°～+5°的俯仰機(jī)構(gòu)、繞X軸-10°～+10°的滾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、繞Z軸-5°～+5°的偏航機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，均采用精密研配的蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)驅(qū)動，通過設(shè)計渦輪的回轉(zhuǎn)半徑使得三個轉(zhuǎn)動軸線相交于一點(diǎn)，且在位姿調(diào)整過程中該交點(diǎn)距機(jī)構(gòu)底面距離始終保持1000mm。兩個移動分別由沿Z軸0～－400mm的升降機(jī)構(gòu)、沿X軸－200mm～+200mm的平移機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，均采用精密滾珠絲杠運(yùn)動副驅(qū)動。

圖2是本發(fā)明的五自由度位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中升降機(jī)構(gòu)部分的結(jié)構(gòu)示意圖，采用滾珠絲杠運(yùn)動臺的基本型式，包括：升降驅(qū)動電機(jī)21；聯(lián)軸器22；導(dǎo)軌滑塊23；滾珠絲杠24；直線導(dǎo)軌25；連接架26。為了增大提升力并使運(yùn)行更穩(wěn)定采用兩個滾珠絲杠運(yùn)動臺平行放置的設(shè)計。其中，升降驅(qū)動電機(jī)21選用適應(yīng)真空低溫環(huán)境的產(chǎn)品，聯(lián)軸器22可將電機(jī)輸出軸與滾珠絲杠24連接。連接架26用于固定和連接兩個平行放置的滾珠絲杠運(yùn)動臺，導(dǎo)軌滑塊23與試件安裝平臺連接。升降機(jī)構(gòu)由電機(jī)通過滾珠絲杠驅(qū)動試件安裝平臺沿直線導(dǎo)軌進(jìn)行0～－400mm的升降運(yùn)動。

圖3是本發(fā)明的五自由度位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中俯仰/滾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖，采用渦輪蝸桿驅(qū)動的基本型式，包括：驅(qū)動電機(jī)31；固定臺體32；運(yùn)動臺面33；渦輪34；蝸桿35；弧形導(dǎo)軌36。俯仰及滾珠機(jī)構(gòu)采用相同的結(jié)構(gòu)，僅渦輪的回轉(zhuǎn)半徑不同。其中，驅(qū)動電機(jī)選用適應(yīng)真空低溫環(huán)境的產(chǎn)品，驅(qū)動電機(jī)31及蝸桿35安裝的固定臺體32上，渦輪34安裝在運(yùn)動臺面33內(nèi)部，電機(jī)驅(qū)動蝸桿35將動力傳遞給渦輪，從而使運(yùn)動臺面沿弧形導(dǎo)軌運(yùn)動。

圖4是本發(fā)明的本發(fā)明的五自由度位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中偏航機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖，采用渦輪蝸桿驅(qū)動的基本型式，包括：偏航驅(qū)動電機(jī)51；偏航固定臺體52；偏航蝸桿53；偏航渦輪54；偏航運(yùn)動臺面55。其中，偏航驅(qū)動電機(jī)51選用適應(yīng)真空低溫環(huán)境的產(chǎn)品，偏航驅(qū)動電機(jī)51及偏航蝸桿53安裝在偏航固定臺體52上，偏航渦輪54安裝在偏航運(yùn)動臺面55內(nèi)部，偏航驅(qū)動電機(jī)51驅(qū)動偏航蝸桿53將動力傳遞給偏航渦輪54，從而使偏航運(yùn)動臺面55轉(zhuǎn)動。

圖5是本發(fā)明的平移機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖，采用與升降機(jī)構(gòu)相同的滾珠絲杠運(yùn)動臺的基本型式，包括：平移驅(qū)動電機(jī)1；聯(lián)軸器2；滾珠絲杠3；導(dǎo)軌滑塊4；平移運(yùn)動臺面5；直線導(dǎo)軌6；固定臺面7。由平移驅(qū)動電機(jī)通過滾珠絲杠帶動平移運(yùn)動臺面沿直線導(dǎo)軌進(jìn)行－200mm～+200mm的平移運(yùn)動。

為了保證俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航機(jī)構(gòu)的運(yùn)動精度，三個轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)均采用精密研配的蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)，電機(jī)和蝸桿通過高精度聯(lián)軸器連接，保證同步性。角度反饋采用高精度機(jī)械式旋轉(zhuǎn)編碼器，定位精度可達(dá)18″。三個轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動軸線相交于一點(diǎn)，且在位姿調(diào)整過程中該交點(diǎn)距機(jī)構(gòu)底面距離始終保持1000mm。

平移機(jī)構(gòu)承載試驗(yàn)載荷、試件安裝平臺、升降機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)、滾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、偏航機(jī)構(gòu)，并利用精密研磨絲杠實(shí)現(xiàn)－200mm～+200mm的平移運(yùn)動，驅(qū)動電機(jī)選用真空低溫電機(jī)，位置反饋采用真空高精度直線光柵尺，定位精度可達(dá)0.01mm。

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)在真空、低溫環(huán)境下的可靠工作，所有結(jié)構(gòu)件材料均采用0Cr18Ni9不銹鋼，驅(qū)動部件材料采用9Cr18不銹鋼，并進(jìn)行深冷處理。電機(jī)及編碼器均選用適應(yīng)真空低溫環(huán)境的產(chǎn)品。不需要進(jìn)行溫控，整個機(jī)構(gòu)即可工作在真空低溫環(huán)境下。

盡管上文對本發(fā)明專利的具體實(shí)施方式給予了詳細(xì)描述和說明，但是應(yīng) 該指明的是，我們可以依據(jù)本發(fā)明專利的構(gòu)想對上述實(shí)施方式進(jìn)行各種等效改變和修改，其所產(chǎn)生的功能作用仍未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時，均應(yīng)在本發(fā)明專利的保護(hù)范圍之內(nèi)。