文摘

为了实现低轨道卫星激光通信,L -和u大型机结构设计,分别为单反相机(SLR)激光通信的负载跟踪和指向系统。根据每个负载结构的特点,进行详细的系统设计,进行了模态分析的关键结构部件L -和U-frames确保每个负载结构的可靠性。指向精度两个负载结构的计算和分析。最后,结论是,两个负载结构可以满足低轨道通信的技术和精度要求,但很明显,u大型机结构具有更高的精度,更大的俯仰角,和更好的可靠性;最后,采用u大型机结构设计。然后,我们已经完成了原理样机的制造和装配,并进行了振动测试实验的原理样机。结果表明,u形加载结构单反激光通信跟踪和指向系统达到了预期的设计目的,可以满足技术要求的低轨道微卫星激光通信。

1。介绍

微卫星激光通信跟踪和指向系统的特点,体积小,重量轻,低成本,短周期,和良好的性能1- - - - - -3),因此快速发展(4- - - - - -6]。因为激光束宽度比在射频或微波范围窄,发射光功率可能显著降低。这导致发展小型通信系统与极低的功耗7,8]。

近年来,国际空间技术领域高度重视小卫星的发展,和结构设计技术的激光通信系统安装在卫星也取得新进展[9- - - - - -11]。SLR跟踪和指向系统转动惯量小,可靠性高的优点与其他形式相比,有很大的优势在空间卫星激光通信网络的应用程序(12]。

2。设计原理样机APT子系统的主要光学终端机器

通用APT(采集、显示和跟踪)子系统由粗跟踪控制子系统和精确跟踪控制子系统(13,14]。粗跟踪子系统可以分为视轴稳定环,打开指向环,根据其功能和动态跟踪环(15]。这三个控制环共享相同的致动器。根据空间微卫星激光通信的技术要求和工程设计任务,APT子系统设计粗跟踪单元的主要指标如下:(我)粗糙的跟踪精度:150μrad(2)最大角速度: (34 mrad / s)(3)最大角加速度: (34 mrad / s²)(iv)单镜方位角旋转范围:±60°(v)单镜升降旋转范围:±8°

2.1。u大型机的有效载荷结构设计粗跟踪单位

光接收机采用单反相机伺服转台。单反的优点伺服转台是核心元素如望远镜单元,随后光路单元,探测器,和激光是固定的,不需要由于视轴的调整,这有利于提高系统的可靠性和减少干扰的平台。运动负荷只有平面镜,转动惯量小,有利于提高带宽和提高伺服系统的跟踪精度。u大型机粗略跟踪单元的总体结构如图1。根据转台的三维建模分析,单反伺服转台的总重量是4.5公斤,有效的光学孔径φ86毫米,外部信封大小 。

2.1.1。反射镜组件的设计

u大型机的海拔轴的运动范围粗跟踪单元是-10 - + 8°,有效孔径直径φ86毫米。为了确保最大的能源利用镜子反射器的有效孔径应该大于有效孔径。镜子是由微晶玻璃和镜子的软关节不胀钢合金制成的。通过调整的比率不胀钢合金材料,线可以保证膨胀系数与微晶相匹配。

2.1.2。海拔轴设计

高程设计的轴,左右半轴主要是用于支持镜像部分,和轴承是固定的一端,另一端移动,以提高高程轴旋转精度和温度变形进行补偿。电动机和扇形光栅分别安装在两个半轴。结构如图2。

(1)发动机轴系的设计。为了压缩轴向尺寸尽可能的高度使用电动机和轴承衬板轴安装,也就是说,轴承安装在电动机的中心孔和连接到电动机定子通过u型套筒,电动机转子与主轴,主轴是连接到背板与法兰的镜子。衬板轴安装大大降低了轴向尺寸。使用一对p4-grade角接触轴承,轴承间隙是通过面对面的消除安装。轴向方向的轴承和轴不限制,可以自由滑动,从而解决轴向位移问题由温度变化引起的。轴系安装一块限制,限制的工作范围提升角。其结构如图3。

通过比较多种电机,采用拼合式直流力矩电动机。拼合式直流力矩电动机的转矩输出稳定的特点,如良好的调速性能、过载能力强、响应速度快等。它非常适合要求较高的光电转台精度。为了使方位电机的输出转矩满足使用要求,方位估计电机的转矩。根据目前公式(16]

在这个公式,安全系数和价值范围是1.5 ~ 2,摩擦力矩( N·m),惯性矩( 公斤·米²),最大角加速度:

电动机的输出转矩计算应大于 。结盟运动的无刷直流力矩电动机选择的比较分析后,及其主要技术指标如表所示1。

(2)光栅轴系设计结束。光栅的轴系采用1 p4-grade匹配的角接触轴承,面对面和固定安装在u大型机和主轴,分别通过内在和外在压力环。光栅轴系结构如图4。

升降旋转角度很小,通过各种传感器的比较,产生的扇形光栅和读头MicroE公司最终采纳。扇形光栅结构简单,容易安装和更轻的重量,在角度测量精度高,不需要更多的维护。光栅参数如表所示2。

2.1.3。方位转动轴系设计

方位轴系统的旋转范围需要±60°,但这个设计的实际旋转范围±150°,这是比设计要求和满足精度要求。如图5,方位角的方位轴系统主要由电机、底座、轴承、u大型机,光栅,读头,防护罩,导电滑环。

通过比较各种各样的汽车,它是决定采用直流力矩电机。为了使方位电机的输出转矩满足使用的要求,估计方位电机的转矩。

安全系数为1.5 ~ 2,摩擦力矩 N·m,转动惯量 公斤·米²,最大角加速度 。

。根据这个计算,选择J150LST01B成都微型精密电机有限公司,有限公司;电机参数如表所示3。

RGSZ20-S灵活光栅乐队是由英国的英国公司,用于方位轴的角位移传感器,和相应的读头类型是T1600-10M。

自从方位中心在设计,采用光和方位轴系统采用大型空心轴系统,为了最大化的轴向尺寸压缩镜像驱动转盘轴承和光栅与套轴安装类型。电机轴(u大型机)需要能够承受更大的旋转过程中的冲击和振动。因此,该系统具有较高的方位轴的要求,选择和Si-Al合金作为方位轴的加工材料。为了获得更好的刚度和强度的轴承端盖、轴承的内外端盖是Si-Al合金做的。据分析,在旋转的过程中,方位轴轴向和径向载荷,所以选择了角接触球轴承使用。

2.1.4。u大型机机械结构的模态分析

转盘的u形框架是一个重要组成部分;它的结构直接影响到整个系统的动态和静态特性(17),因为占据很大比例的质量整体转盘u形框架,合理的轻量化对整个系统的重量非常重要在u形框架;它不仅可以减少静态变形,还极大地提高转台的准确性和优化u大型机的3 d模型(图6)。

模态分析的最终目标是识别系统的模态参数和振动特性分析提供依据18),振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计。为了防止机械结构产生共鸣或在一个固定的频率振动,我们应该进行模态分析的薄弱部分机械结构并确定机械结构是否稳定的结果显示。它的一般方程如下:

是nondamping系统的自由振动,然后呢是系统的谐波振动。根据实验的任务需求,订单6 u大型机的模式分析和支持。结果如图所示7和表4。它可以从u大型机的模态分析结果能满足刚度要求。

2.1.5节讨论。误差分析的单反镜子转盘

在轴系的工作,有许多因素影响轴系精度的,(19,20.),但有三个主要影响因素的指向精度,即轴系晃动误差,力矩马达控制,位置元素检测误差和随机误差。

(1)高度轴角晃动误差。(我)海拔轴晃动误差

匹配的轴承角晃动误差约为1.5”。同时,考虑到u大型机的加工误差,以及加工集中性等因素,配合间隙,测量和装配错误,相当于合成间隙的高度轴和径向方向如下:

角晃动误差 。

左和右端轴承寿命 ,所以 。(2)位置定位误差元素

采用扇形光栅实现精度 。

根据经验,随机误差可以控制在 。

因此,垂直方向的指向精度如下:

(2)方位轴系误差角晃动。(我)方位轴系晃动误差

轴系的计算是基于匹配的角晃动误差1.5”,和等效合成间隙引起的方位和轴向轴的加工误差和轴系块,装配间隙,组装测量误差,以及其他因素如下: 。

角晃动误差:

轴系海拔轴 ,所以 。(2)位置定位误差元素

英国采用光栅实现精度 。(3)根据经验,随机误差可以控制在 ;因此,方位指向精度u大型机结构如下:

u大型机的计算结果表明,该设计结构达到的精度要求的跟踪单元设计的APT子系统。

2.2。l型粗跟踪单元的结构设计

2.2.1。轴系设计的跟踪结构

根据功能指标,以满足技术参数的要求,使尽可能多的光线进入平行光管并联,平行光管光学天线和可以与支持,和一个光学天线也能够与三个模拟目标源在同一时间。主光接收机的整体结构如图8。

(1)升降轴设计。该系统采用航迹框架的设计方案;镜子从升降轴的轴线偏离前进,以摆脱限制支撑架的升降轴。为了避免方位轴轴承偏心引起的不平衡力矩的升降架,方位轴相交轴的升降轴,和镜子很小的平行移动旋转,不能影响镜面反射效率;通过结构设计的优化,我们可以避免相邻平行移动造成的镜头之间的干扰。一些组件的升降轴系主要包括升降支架、深沟球轴承,镜子,扇形光栅和扇形音圈直线电机。海拔轴结构如图9。

升降支架的设计在一个l型的空间。这种结构便于轴的安装和调试,和静态变形引起的机架旋转相对较小。尽管结构的刚度略弱,升降轴的运动属于摇摆周期和低刚度的要求。这样的音圈电机可以固定在升降支撑架,不仅利用升降轴的径向尺寸,而且还缩短了尺寸链。当音圈电机波动在一个有限的角,它使镜子提升。为了减少扇形光栅尺跟踪和升降轴对齐错误,光栅安装板,镜子的支持,和升降轴外壳设计成一个整体;这样,arc-graduated跟踪在光栅的中心规模可以保证在同一轴的升降轴升降运动期间,和传输错误的结构在一定程度上可以减少,这使得整个轴系统更紧凑。

(2)方位轴系设计。轴系结构如图10。方位轴系部件主要包括位置轴,轴承,方位电机、法兰的光栅,旋转光栅和外壳。根据负载的特点和系统需求,选择中空电机轴方位轴。电动机和圆光栅采用轴套模式由传统的转盘设计,以缩短整个轴系的轴向尺寸。

作为一个单端固定方位轴系设计,梯形磨空心轴,也就是从上到下的顺序安装电机线圈,直流力矩电机,匹配的轴承,轴承的内环和外环,光栅关节,和旋转光栅;电机定子连接和固定压力线圈和结构胶;圆光栅,光栅由环氧胶粘剂连接器连接和固定;轴承系统的外壳是固定的;和内部空心轴的轴承系统是当轴承旋转电机驱动旋转。通过这种方式,当电机转动时,圆光栅和提升可以一起旋转,驱动,实现方位运动。方位电机联合运动的无刷直流力矩电动机,其类型是一样的u大型机无刷直流力矩电机。

2.2.2。机械结构强度分析

如果一对多粗跟踪系统能正常运行,有必要对其进行静态分析薄弱部件和结构,而且必须确保每个部分满足实验的要求。作为一个系统中的薄弱环节,提高l型框架受力分析进行了分析。力作用在最外层的升降轴将导致L-frame的最大变形。我们从两种情况进行了分析,分析结果显示在数字11和12。

力方向的正方向 - - - - - -轴和行为上的最远的一端升降轴。

力方向的正方向 - - - - - -轴和作用于高端支持L-frame的骨架。

从分析结果可以看出,l型框架可以满足刚度要求。

2.2.3。关键部件的设计计算和选择

激光通信终端的L-frame轴系系统采用框架结构,主要包括轴承、电机、编码器等。电动机的参数确定结构在一定程度上的可行性。经过调查和研究,方位电机采用直流无刷力矩电动机一分为二,这是非常适合高精度转台。因此,方位电机选择无刷直流力矩电动机产生的联合运动,MF0060008-A00-z类型。由于轴向尺寸的限制,升降轴系统采用音圈电机,vars0008 - 026 - 00 -类型,及其主要技术指标如表所示5。

(1)时刻检查方位角计算电动机。光接收机的最大角加速度方位旋转 。软件分析和建模后,可以知道,轴承架的重量是1.25公斤,转动轴承系统是0.00142公斤·m²。

计算表明,所选电动机满足系统的控制要求。

提高轴系的运动选择扇形音圈直线电机,类型vars0008 - 026 - 00 - a,和主要技术指标如表所示6。

(2)升降电动机的转矩验算。软件分析和计算后,支撑架的质量和镜子在升降旋转约0.461千克,惯性矩公斤·米²。根据惯性的平行轴定理21),

物体的惯性矩,平行z设在和经过质心轴;物体的惯性矩,平行于 - - - - - -轴和经过轴的中心对象;是物体的质量;和之间的距离吗 - - - - - -轴和中心。根据计算的公式,支架的转动惯量是328公斤·毫米²相对于升降轴的转动惯量,镜子是2864公斤·毫米²相对于升降轴,提高半轴的转动惯量相对于升降轴是5.22公斤·毫米²音圈电机转子的转动惯量相对于升降轴是453公斤·毫米²转子的转动惯量拟合相对于升降轴是32.2公斤·毫米²的转动惯量光栅安装板相对于升降轴是78.5公斤·毫米²,抗衡的惯量相对于升降轴是982公斤·毫米²。

系统的最大角加速度是0.52 rad / s²安全系数为1.5,所需的扭矩转盘 Nm。结合其他因素,这个选择升降电动机满足使用的要求。

2.2.4。轴系精度分析

在轴系的工作,影响轴系精度的因素有很多,其中影响指向精度的主要因素是轴系晃动误差,力矩马达控制、位置元素检测误差和随机误差(22,23]。

(1)提升角晃动误差。(我)提升晃动误差

匹配的轴承角晃动误差约1.5”;同时,考虑到l型框架的加工误差,以及加工集中性等因素,配合间隙,和组装测量误差,提高轴的等效合成间隙和径向方向如下:

角晃动误差

左和右端轴承寿命 ;因此, 。(2)位置定位误差元素

绝对采用感应同步器,绝对精确 。根据经验,随机误差可以控制在 。

因此,指向精度的提升方向如下:

(2)方位轴系误差角晃动。(我)方位轴系晃动误差

轴系的计算是基于匹配的角晃动误差1.5”;同时,考虑轴和轴系块的加工误差、装配间隙,组装测量误差,以及其他因素,azimuth-axial直径间隙等效合成如下:

角晃动误差

上、下轴系跨度 ;因此, 。(2)位置定位误差元素

采用相对感应同步器,绝对精度达到 。(3)随机误差

根据经验,随机误差可以控制在 (24]。

因此,方位指向精度如下: 。

因此,全面指出二维转台精度L-frame结构比6”,全面的指向精度可以达到设计要求。

3所示。结论

综上所述,可以看出设计的有效载荷的L -和u大型机粗略跟踪单元,结构能满足轨道微星激光通信的技术要求。然而,u大型机结构的强度和可靠性优于L-frame结构和综合指向精度优于L-frame结构。因此,我们选择u大型机结构SLR跟踪和指向系统的加工和组装,以进行实验验证的原理样机。一个样品机的u形框架如图13。

需要测试的技术参数和验证工作性能的光学指出,收购和跟踪(PAT)的卫星间激光通信终端在实验室25]。振动测试的u形框架如图14。

因此,在恒温实验室环境中,我们进行了随机振动环境试验的整个机器,测试12 g级,来模拟空间随机振动的影响在结构和计算来验证数据。测试结果表明,该u形SLR跟踪和指向系统是可靠的。同时,结构改善跟踪和瞄准系统的能力抵抗运输机械环境,及其结构不会影响精确跟踪和瞄准系统的部分;因此,确保了粗糙的跟踪精度达到要求的低轨道微星激光通信技术。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称他们没有竞争的经济利益或个人关系可能出现影响工作报告。