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何硕 彭军
摘 要：星敏感器是一种高精度航向姿态测量装置，因其特点逐渐被应用于各种航天器上。星敏感器外场校准的设备的核心是高精度二维转台[1]。本文以星敏感器外场校准需求为出发点，对高精度二维转台进行了结构设计、零部件选型，重点讲述了电机的选型计算过程和轴承部件的校核分析。
关键词：二维转轴;结构设计;轴承校核
引言
星敏感器外场测试通过夜间观星实现，所用设备为二维转台。二维转台和星敏感器的坐标统一后，以转台的输出值作为真值，以星敏感器的输出值作为测量值，对比真值与测量值并进行误差的辨识，完成对星敏感器在外场环境下的测试实验，本文的研究内容是星敏感器外场校准转台的结构设计。
二维转台主要由机械结构、驱动系统、测量系统、控制系统和壳体构成[2]。电机、马达类驱动部件是转台常用于转台的驱动系统中，测量系统主要由角度传感器组成，控制系统主要由控制板卡和相应的控制软件组成[3]。本文设计的二维转台需安装三只星敏感器及配套工装，设计最大负载为20kg。
1 框架设计
二维转台从结构上看，分为立式和卧式[4]。卧式转台具有封闭的框架结构可以很好的提升转台的动态性能，卧式转台很少出现因共振而产生的破坏。而其主要缺点为平方向尺寸一般远大于竖直方向的尺寸，整体结构的抗弯能力降低从而导致静态性能较差[5]。
立式转台使用便利，具备更好的静态性能，且重量较轻，自重产生的应力小。但立式转台两轴轴线不相交时，会产生偏心载荷，影响整体性能[6]。
本文所设计转台对静态测试要求更高，因此，立式转台更符合本文的设计要求。
2. 俯仰轴设计
2.1 俯仰轴测量元件选择
转台常用传感器为角度传感器和角速度传感器，本文主要对星敏感器的位置校准，因此选用角度传感器作为转台的测量元件。测量元件的选用原则为：传感器自身精度小于总的系统精度。经分析，选用海德汉生产的角度编码器符合星敏感器测量需求，具体参数见表1。
2..3 俯仰轴轴承设计
转台的轴系性能和测量精度会受到轴承支承刚度的直接影响，轴承的选择要根据轴向和径向的受力、轴承刚度和制造精度等进行选取。机械轴承分为滚动轴承和滑动轴承，转台运动为回转运动，选择滚动轴承可满足使用。
球轴承的振动和噪声与滚子轴承相比更大，但滚子轴承具有更好的刚度，二维转台设计更偏重静态性能，同时应减小其他部件带来的噪声，因此选用一对角接触球轴承和一只深沟球轴承作为俯仰轴的支承部件。外场环境下会产生温度的变化，轴系的热胀冷缩可能会对转台正常工作造成影响，因此本文采用一端固定一端浮动的方式安装轴承，减弱温度变化对结构的影响。
根据电机和编码器的安装尺寸，设计了俯仰轴系，选择合适尺寸的轴承作为俯仰轴的支承部件，其具体型号参数如见3。
式中：C0为额定静载荷;P0为当量静载荷;fs为允许载荷系数。
当转速较低时，一些对精度和摩擦等要求不高的设备可选取fs=1～1.5，当精度要求较高，可选取fs>1.5，通过查表，允许载荷系数取2。根据公式4得额定静载荷为288N，所选轴承承载能力远大于额定静载荷，符合设计要求。
3 转台的方位轴设计
3.1 方位轴元件选择
转台的方位轴元件选择方法可参照上文，角度测量元件选择RON886型号编码器，线数为36000，系统精度±1″。方位轴编码器重量为2.5kg，启动扭矩为0.5N·m，自身的转动惯量为1.20×10-3kg·m2。编码器的测量精度已经满足使用要求。
根据上文公式，计算得到回转轴总的驱动力矩为7.175N·m，根据驱动力矩选择方位轴电机型号为KBM45X01。
方位支撐部件同样选择滚动轴承，和俯仰轴不同的是，方位轴主要承受轴向力，本文选择一对深沟球轴承和一个推力轴承配合的方式完成方位轴的支撑。根据电机转轴的尺寸和方位轴整体的承载能力，对深沟球轴承和推力轴承进行了选型，深沟球轴承型号为6020，推力轴承型号为51122。
转台的方位轴承载部位主要为推力轴承，针对方位轴的推力轴承进行强度的校核。推力轴承承载状态下的静轴向系数可直接取1，推力轴承的承载包括整个俯仰轴系和整个方位轴的质量。总承载为472N，允许载荷系数取2，根据公式4得额定静载荷为944N，所选推力轴承承载能力远大于额定载荷，轴承设计满足要求。
4 结论
本文从星敏感器的测试需求出发，展开转台的结构设计工作。通过负载的结构形式和质量特性的分析，计算俯仰轴的驱动力矩，设计俯仰轴的驱动元件、测量元件和回转轴结构。根据计算结果选择轴承，并校核所选轴承。由俯仰轴系的整体结构，计算方位轴的驱动力矩，完成了方位轴的设计。
参考文献
[1]钟红军， 杨孟飞， 卢欣. 星敏感器标定方法研究[J]. 光学学报， 2010， 30（5）：1343-1348.
[2]张兰兰. 二轴转台结构设计及动力学特性分析[D]. 长春理工大学， 2013.
[3]石金彦， 李旻辰. 某光电跟踪引导系统转台结构设计[J]. 华电技术， 2005， 27（5）：45-47.
[4]叶艳， 王德奎. 精密双轴光电转台结构设计[J]. 机械， 2014（12）：
43-45.
[5]张建新. 天线测试转台的结构设计及对准误差分析[D]. 哈尔滨工业大学， 2015.
[6]石冬. 转台结构设计及测角技术研究[D]. 2015.
作者简介：
何硕，男，1995.07.16，河南永城，汉，硕士，助理工程师，研究方向：机械设计。
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