真空低溫環境下熱試驗用傾角自動調節平臺的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種真空低溫環境下熱試驗用傾角自動調節平臺，該平臺包括航天器對接機構、L型機架(即底部固定支撐框架)、試件平臺、兩個螺旋升降機、兩組機箱軸承組件、兩個轉軸軸承組件、兩個絲杠軸承組件等組成。該平臺針對真空低溫使用環境，采用螺旋升降機作為動力部件，并且對驅動電機以及螺旋升降機機箱，采用薄膜加熱器與多層隔熱組件相結合的方式進行溫控，采用極壓真空潤滑脂對電機及機箱進行潤滑，因此能夠在環境溫度100K,真空度優于10-3Pa的情況下使用，克服了現有的調節平臺不能在極端條件下使用的技術問題并且顯著提高了調節精度。
【專利說明】真空低溫環境下熱試驗用傾角自動調節平臺
【技術領域】
[0001]本發明屬于真空熱試驗【技術領域】，具體涉及了一種真空低溫環境下機構運動裝置，其功能是大型航天器熱試驗進行中，對航天器的傾斜角度進行實時調整。
【背景技術】
[0002]熱試驗用傾角自動調節平臺作為一種調節運動平面相對于水平面傾角的機構，屬于曲柄搖塊機構。常用的此種曲柄搖塊機構是往復油(汽)缸機構①或者稱之為氣液動連桿機構，包括從動搖桿I ;活塞桿2 ;動作缸3以及機架4 ;其機械原理如圖1所示。一般為液壓驅動的起重機起重臂的抬升機構。
[0003]該機構的特點是含有移動副，其由活塞桿2與動作缸3組合而成，該機構總是以活塞桿2為主動件，通過活塞桿2在動作缸3內的上下移動，從而改變從動搖桿I相對于水平面的傾角。
[0004]在真空熱試驗中，由于處于真空(<10_3Pa)低溫((100K)環境下，氣液驅動的動連桿機構已經無法使用。因此，為了滿足大型航天器真空熱試驗等需求，此外，可調傾角的機構為常溫常壓狀態下工作的機構，在真空低溫下要面臨一系列問題。主要有①常規電機、液壓缸由于真空揮發效應，無法在真空低溫下使用；②真空狀態下，運動機構的配合表面摩擦力要大幅度的增高，無潤滑情況下，摩擦力增大在5?10倍之間；③低溫狀態下，運動機構的由于不同材料的線膨脹系數不同，而使配合間隙發生變化，極易引起機構的卡死；④控制精度的要求，普通的三相異步電機無法使用，必須使用控制電機；⑤由于負載質量超重，而控制電機的輸出轉矩一般偏小，存在電機輸出轉矩不足的問題。
[0005]因此，設計和發明一種具有結構簡單，實施方便可靠，精度高，適應性好的真空低溫環境下使用的傾角調節機構有著積極而現實的意義。

【發明內容】

[0006]為了解決上述問題，本發明人經過長期研究，從而提供了一種適合真空低溫環境下使用的傾角調節機構，旨在滿足航天器在真空熱試驗時，航天器的對接平面(機構運動平面)相對于水平面的傾角在一定范圍內可調，其精度在0.01°。
[0007]本發明的真空低溫環境下熱試驗用傾角自動調節平臺，該平臺包括航天器對接機構、L型機架、試件平臺、兩個螺旋升降機、兩組機箱軸承組件、兩個轉軸軸承組件、兩個絲杠軸承組件，試件平臺為內設十字加強筋的方形框架結構，方形框架的四個側面外接兩肋條形成三角形，三角形頂點設置在十字加強筋延長部分上，四個三角形頂點位置分別設置有航天器對接機構，方形框架一側的相對兩端上包括有旋轉長軸，旋轉長軸通過兩個轉軸軸承組件分別安裝在L型機架的高端一側，兩個螺旋升降機通過兩組機箱軸承組件分別安裝在L型機架的低端一側，螺旋升降機的絲杠的頂端分別通過絲杠軸承組件與試件平臺方形框架的另一側相連接，其中，兩個螺旋升降機分別包括有驅動電機(圖中未顯示)、升降機機箱、升降機絲杠等組成。工作時，控制系統發出角度位移以及轉動速度等相關指令，驅動電機旋轉，轉換為絲杠的往復上下直線運動，推動試件平臺繞旋轉長軸轉動，從而為航天器提供不同的傾角。
[0008]所述的真空低溫環境下熱試驗用傾角自動調節平臺，其中，采用螺旋升降機作為動力部件，并通過兩個螺旋升降機同步推動的方式，使試件平臺繞旋轉長軸轉動，實現傾角調節。
[0009]其中，試件平臺為內部設置十字中間加強筋的方形框架結構。
[0010]其中，L型機架為平臺運動部分的機架部分。L型機架是框架結構，一端為高端，一端為低端，呈L型。
[0011]其中，L型機架的拐角處傾斜設置有加強肋。
[0012]其中，所有軸承組件內部選用不銹鋼調心軸承。
[0013]其中，試件平臺為從動搖桿，螺旋升降機的機箱為動作缸，螺旋升降機的絲杠為活塞桿，軸承組件為支撐的鉸接點。
[0014]其中，驅動電機采用薄膜加熱器與多層隔熱組件相結合的進行溫控，采用極壓真空潤滑脂對電機進行潤滑。
[0015]其中，螺旋升降機的機箱部分也采用薄膜加熱器與多層隔熱組件相結合的進行溫控，采用極壓真空潤滑脂對電機進行潤滑。
[0016]其中，調心軸承為固定-游動支撐結構，為調心滾子不銹鋼軸承，并采用大于C5的游隙組。此結構型式更好的適應了低溫變形、尺寸過大以及負載過重而引起的變形及裝配誤差，降低了加工裝配精度
[0017]與現有技術相比，本發明的自動調節平臺已經在CE-3著陸器熱試驗得到使用與驗證，該平臺針對真空低溫使用環境，采用螺旋升降機作為動力部件，并且對驅動電機以及螺旋升降機機箱，采用薄膜加熱器與多層隔熱組件相結合的方式進行溫控，采用極壓真空潤滑脂對電機以及升降機機箱進行潤滑，因此能夠在環境溫度100K，真空度優于IO-3Pa的情況下使用，克服了現有的調節平臺不能在極端條件下使用的技術問題并且顯著提高了調節精度。該平臺針對負載過重，尺寸過大等因素，采用了兩個螺旋升降機同步推動的方式實現平臺的傾角調節。使用結果表明，采用該技術方案的熱試驗傾角自動調節平臺，不僅完全滿足CE-3著陸器的熱試驗傾斜傾角調節要求(-5°?+5° )，而且其調節精度也達到
0.01°，達到了預期的各項指標。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為現有技術中傾角調節機構的原理示意圖。
[0019]其中，I從動搖桿；2活塞桿；3動作缸；4機架；
[0020]圖2為本發明的熱試驗傾角自動調節平臺結構示意圖；
[0021]圖中，11為航天器對接機構；12轉軸軸承組件；13為L型機架；14為試件平臺；15為螺旋升降機機箱；16為機箱軸承組件；17為升降機絲杠；18為絲杠軸承組件；
[0022]圖3為本發明的熱試驗傾角自動調節平臺的正視圖；
[0023]圖中，11為航天器對接機構；12轉軸軸承組件；13為L型機架；14為試件平臺；15為螺旋升降機機箱；16為機箱軸承組件；17為升降機絲杠；18為絲杠軸承組件；【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖對本發明的熱試驗傾角自動調節平臺作進一步的說明。這些實施方式都是示例性的，并不旨在限制本發明的保護范圍。
[0025]為了滿足航天器熱試驗中傾斜調節的要求并滿足在真空低溫環境下應用要求，本發明提出了一種在真空低溫環境下能夠使用的熱試驗傾角自動調節平臺。具體針對CE-3著陸器熱試驗要求，【具體實施方式】結合附圖2說明如下:
[0026]如圖2所示，本發明的熱試驗傾角自動調節平臺該平臺包括航天器對接機構11、L型機架13、試件平臺14、兩個螺旋升降機(15、17)、兩組機箱軸承組件16、兩個轉軸軸承組件12、兩個絲杠軸承組件18，試件平臺14為內設十字加強筋的方形框架結構，方形框架的四個側面外接兩肋條形成三角形，三角形頂點設置在十字加強筋延長部分上，四個三角形頂點位置分別設置有航天器對接機構11，方形框架一側的相對兩端上包括有旋轉長軸(即圖3中顯示的L型框架上方一端的黑色旋轉軸)，旋轉長軸通過兩個轉軸軸承組件12分別安裝在L型機架13的高端一側，兩個螺旋升降機的機箱15通過兩組機箱軸承組件16分別安裝在L型機架13的低端一側，螺旋升降機的絲杠17的頂端分別通過絲杠軸承組件18與試件平臺14方形框架的另一側相連接，其中，兩個螺旋升降機分別包括有驅動電機(未標示)、升降機機箱15、升降機絲杠17。工作時，控制系統發出角度位移以及轉動速度等相關指令，驅動電機旋轉，轉換為升降機絲杠17的往復上下直線運動，推動試件平臺14繞旋轉長軸轉動，從而為航天器提供不同的傾角。其中，機箱軸承組件內部設置有調心滾子軸承，L型機架13為平臺運動部分的機架部分，試件平臺為從動搖桿，螺旋升降機的機箱為動作缸，螺旋升降機的絲杠為活塞桿，軸承組件為支撐的鉸接點。
[0027]在一實施方式中，L型機架的拐角處傾斜設置有加強肋。
[0028]特別地，為了滿足在環境溫度100K，真空度優于10_3Pa的情況下使用，本發明的驅動電機采用薄膜加熱器與多層隔熱組件相結合的進行溫控，采用極壓真空潤滑脂對電機進行潤滑。
[0029]在另一實施方式中，螺旋升降機的機箱部分也采用薄膜加熱器與多層隔熱組件相結合的進行溫控，采用極壓真空潤滑脂對電機進行潤滑。
[0030]其中，調心軸承為固定-游動支撐結構，為調心滾子不銹鋼軸承，并采用大于C5的游隙組。
[0031]具體來說，對步進電機進行真空低溫適應性改造，去油，填充真空擠壓潤滑脂，然后組裝，在電機機箱(或者在電機機箱外加一溫控罩)外表面粘貼薄膜加熱器，以及包覆多層隔熱組件，粘貼控溫用熱電偶；
[0032]對螺旋升降機機箱內傳動組件需要潤滑的部位，去油，然后按照規定填充真空擠壓潤滑脂，然后組裝，在升降機機箱外表面(或者外加溫控罩)粘貼薄膜加熱器，以及包覆多層隔熱組件，粘貼控溫用熱電偶；
[0033]對運動機構中無法進行溫控的部位，如軸承組件(軸承及軸承座)計算低溫使用溫度下運動需要的間隙值，低溫使用溫度與常溫加工制造溫度之間的變化量，在設計時給予考慮，并按照相應的機械標準圓整取值；
[0034]按照設計圖紙進行加工組裝，對步進電機的同步控制方案進行實施；
[0035]熱試驗傾角自動調節平臺吊入試驗用真空容器，連接電機控制電纜，以及薄膜加熱器，控溫熱電偶進行焊接聯線，通過容器法蘭引出容器外；
[0036]航天器與水平對接機構進行對接，然后進行試驗準備后，關容器大門，抽真空，容器熱沉通液氮，使試驗容器進入真空低溫環境，開始熱試驗工況；
[0037]熱試驗進行中，按照已經設計好的電機、升降機機箱控溫算法對要控溫部位進行控溫，使之處于規定溫度；
[0038]根據試驗要求，通過控制計算機，發出指令，機構按照指令對航天器傾斜角度進行調節，通過控制計算機來控制驅動電機的旋轉是本領域公知的，驅動電機的旋轉通過渦輪蝸桿結構轉變為絲杠的直線運動在本領域中也是公知的，在此不再贅述。
[0039]熱試驗傾角自動調節平臺具有以下結構特點:
[0040]針對真空低溫使用環境(環境溫度<-20°C，真空度<10_2Pa)，采用薄膜加熱器與多層隔熱組件相結合的方法對電機進行溫控，采用極壓真空潤滑脂對電機進行潤滑。這兩種方法的組合，使普通控制電機在的真空低溫環境下可以正常使用；此種適應性改造方法，也可以用于減速器等機箱組件上。本發明中對螺旋升降機的機箱部分就采用了此種方法，以適應真空低溫環境；此種適應性改造方法，不僅制造生產周期短，而且相對比國外進口真空低溫電機，具有極大的成本優勢；
[0041]針對真空環境，選擇螺旋升降機作為動力部件，而非普通環境下的汽缸或者液壓缸。螺旋升降機的機構原理是蝸桿渦輪機構與螺旋機構的組合，由電機帶動渦輪蝸桿副，再傳遞給螺旋副，實現絲桿或者螺母的直線往復運動。螺旋升降機具有結構緊湊、自鎖特性、體積小、重量輕、無噪音、安裝方便、等優點，十分適合真空低溫環境下使用取代氣缸、液壓缸做動力驅動部件；
[0042]針對負載超重及真空下摩擦力急劇加大等因素，采用了雙電機驅動，降低了對驅動電機的輸出轉矩的要求，使電機可以選用控制電機，從而滿足運動精度的要求；
[0043]針對低溫下由于材料線膨脹系數不同而引起的運動間隙變化，根據使用溫度與常溫之間，材料線膨脹系數的差值，合理設計配合間隙，使配合間隙適應低溫環境下的使用；
[0044]針對試件尺寸超大，降低低溫環境下熱力耦合引起的內應力，采用了雙電機驅動方式與調心軸承相配合的方式，調心軸承采用固定-游動支撐結構，選用調心滾子不銹鋼軸承，并根據使用環境對軸承的游隙組做特別計算，采用大于C5的游隙組，適應了低溫變形、裝配尺寸過大以及負載質量過大而引起的變形及裝配誤差，降低了加工裝配精度。
[0045]上述技術方案，解決了真空低溫特殊環境下的低溫變形、運動易卡死，摩擦力大等難點，具有運動可靠性好，控制精度高、成本低等特點。
[0046]盡管上文對本發明的【具體實施方式】進行了詳細的描述和說明，但應該指明的是，我們可以對上述實施方式進行各種改變和修改，但這些都不脫離本發明的精神和所附的權利要求所記載的范圍。
【權利要求】
1.真空低溫環境下熱試驗用傾角自動調節平臺，該平臺包括航天器對接機構、L型機架、試件平臺、兩個螺旋升降機、兩組機箱軸承組件、兩個轉軸軸承組件、兩個絲杠軸承組件。試件平臺為內設十字加強筋的方形框架結構，方形框架的四個側面外接兩肋條形成三角形，三角形頂點設置在十字加強筋延長部分上，四個三角形頂點位置分別設置有航天器對接機構，方形框架一側的相對兩端上包括有旋轉長軸，旋轉長軸通過兩個轉軸軸承組件分別安裝在L型機架的高端一側，兩個螺旋升降機通過兩組機箱軸承組件分別安裝在L型機架的低端一側，螺旋升降機的絲杠的頂端分別通過絲杠軸承組件與試件平臺方形框架的另一側相連接，其中，兩個螺旋升降機分別包括有驅動電機、升降機機箱、升降機絲杠等組成。工作時，控制系統發出角度位移以及轉動速度等相關指令，驅動電機旋轉，轉換為絲杠的往復上下直線運動，推動試件平臺繞旋轉長軸轉動，從而為航天器提供不同的傾角。
2.如權利要求1所述的真空低溫環境下熱試驗用傾角自動調節平臺，其中，螺旋升降機作為動力部件。
3.如權利要求1所述的真空低溫環境下熱試驗用傾角自動調節平臺，其中，通過兩個螺旋升降機同步推動的方式，使試件平臺繞旋轉長軸轉動，實現傾角調節。
4.如權利要求1所述的真空低溫環境下熱試驗用傾角自動調節平臺，其中，試件平臺為內部設置十字中間加強筋的方形框架結構。
5.如權利要求1所述的真空低溫環境下熱試驗用傾角自動調節平臺，其中，L型機架為平臺運動部分的機架部分。
6.如權利要求1所述的真空低溫環境下熱試驗用傾角自動調節平臺，其中，L型機架是框架結構，一端為高端，一端為低端，呈L型，在L型機架拐角處傾斜設置有加強肋。
7.如權利要求1所述的真空低溫環境下熱試驗用傾角自動調節平臺，其中，所有軸承組件內部選用不銹鋼調心軸承，采用大于C5的游隙組，并且配對使用的軸承組件采用固定-游動支撐結構。
8.如權利要求1-6任一項所述的真空低溫環境下熱試驗用傾角自動調節平臺，其中，驅動電機采用薄膜加熱器與多層隔熱組件相結合的進行溫控，采用極壓真空潤滑脂對電機進行潤滑。
9.如權利要求1-6任一項所述的真空低溫環境下熱試驗用傾角自動調節平臺，其中，螺旋升降機的機箱部分也采用薄膜加熱器與多層隔熱組件相結合的進行溫控，采用極壓真空潤滑脂對電機進行潤滑。
10.如權利要求1-6任一項所述的真空低溫環境下熱試驗用傾角自動調節平臺，其中，旋轉長軸兩端的轉抽軸承組件選用調心滾子不銹鋼軸承，并采用大于C5的游隙組，采用固定-游動支撐結構。
【文檔編號】G05D3/00GK103605372SQ201310362033
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年8月19日 優先權日:2013年8月19日
【發明者】李日華, 袁偉峰, 高慶華, 裴一飛, 許忠旭, 陳家平, 張軍 申請人:北京衛星環境工程研究所