一種星敏感器外場校準二維轉臺設計

何碩 彭軍

摘? 要：星敏感器是一種高精度航向姿態測量裝置，因其特點逐漸被應用于各種航天器上。星敏感器外場校準的設備的核心是高精度二維轉臺[1]。本文以星敏感器外場校準需求為出發點，對高精度二維轉臺進行了結構設計、零部件選型，重點講述了電機的選型計算過程和軸承部件的校核分析。

關鍵詞：二維轉軸;結構設計;軸承校核

引言

星敏感器外場測試通過夜間觀星實現，所用設備為二維轉臺。二維轉臺和星敏感器的坐標統一后，以轉臺的輸出值作為真值，以星敏感器的輸出值作為測量值，對比真值與測量值并進行誤差的辨識，完成對星敏感器在外場環境下的測試實驗，本文的研究內容是星敏感器外場校準轉臺的結構設計。

二維轉臺主要由機械結構、驅動系統、測量系統、控制系統和殼體構成[2]。電機、馬達類驅動部件是轉臺常用于轉臺的驅動系統中，測量系統主要由角度傳感器組成，控制系統主要由控制板卡和相應的控制軟件組成[3]。本文設計的二維轉臺需安裝三只星敏感器及配套工裝，設計最大負載為20kg。

1 框架設計

二維轉臺從結構上看，分為立式和臥式[4]。臥式轉臺具有封閉的框架結構可以很好的提升轉臺的動態性能，臥式轉臺很少出現因共振而產生的破壞。而其主要缺點為平方向尺寸一般遠大于豎直方向的尺寸，整體結構的抗彎能力降低從而導致靜態性能較差[5]。

立式轉臺使用便利，具備更好的靜態性能，且重量較輕，自重產生的應力小。但立式轉臺兩軸軸線不相交時，會產生偏心載荷，影響整體性能[6]。

本文所設計轉臺對靜態測試要求更高，因此，立式轉臺更符合本文的設計要求。

2. 俯仰軸設計

2.1 俯仰軸測量元件選擇

轉臺常用傳感器為角度傳感器和角速度傳感器，本文主要對星敏感器的位置校準，因此選用角度傳感器作為轉臺的測量元件。測量元件的選用原則為：傳感器自身精度小于總的系統精度。經分析，選用海德漢生產的角度編碼器符合星敏感器測量需求，具體參數見表1。

2..3 俯仰軸軸承設計

轉臺的軸系性能和測量精度會受到軸承支承剛度的直接影響，軸承的選擇要根據軸向和徑向的受力、軸承剛度和制造精度等進行選取。機械軸承分為滾動軸承和滑動軸承，轉臺運動為回轉運動，選擇滾動軸承可滿足使用。

球軸承的振動和噪聲與滾子軸承相比更大，但滾子軸承具有更好的剛度，二維轉臺設計更偏重靜態性能，同時應減小其他部件帶來的噪聲，因此選用一對角接觸球軸承和一只深溝球軸承作為俯仰軸的支承部件。外場環境下會產生溫度的變化，軸系的熱脹冷縮可能會對轉臺正常工作造成影響，因此本文采用一端固定一端浮動的方式安裝軸承，減弱溫度變化對結構的影響。

根據電機和編碼器的安裝尺寸，設計了俯仰軸系，選擇合適尺寸的軸承作為俯仰軸的支承部件，其具體型號參數如見3。

式中：C0為額定靜載荷;P0為當量靜載荷;fs為允許載荷系數。

當轉速較低時，一些對精度和摩擦等要求不高的設備可選取fs=1～1.5，當精度要求較高，可選取fs>1.5，通過查表，允許載荷系數取2。根據公式4得額定靜載荷為288N，所選軸承承載能力遠大于額定靜載荷，符合設計要求。

3 轉臺的方位軸設計

3.1 方位軸元件選擇

轉臺的方位軸元件選擇方法可參照上文，角度測量元件選擇RON886型號編碼器，線數為36000，系統精度±1″。方位軸編碼器重量為2.5kg，啟動扭矩為0.5N·m，自身的轉動慣量為1.20×10-3kg·m2。編碼器的測量精度已經滿足使用要求。

根據上文公式，計算得到回轉軸總的驅動力矩為7.175N·m，根據驅動力矩選擇方位軸電機型號為KBM45X01。

方位支撐部件同樣選擇滾動軸承，和俯仰軸不同的是，方位軸主要承受軸向力，本文選擇一對深溝球軸承和一個推力軸承配合的方式完成方位軸的支撐。根據電機轉軸的尺寸和方位軸整體的承載能力，對深溝球軸承和推力軸承進行了選型，深溝球軸承型號為6020，推力軸承型號為51122。

轉臺的方位軸承載部位主要為推力軸承，針對方位軸的推力軸承進行強度的校核。推力軸承承載狀態下的靜軸向系數可直接取1，推力軸承的承載包括整個俯仰軸系和整個方位軸的質量。總承載為472N，允許載荷系數取2，根據公式4得額定靜載荷為944N，所選推力軸承承載能力遠大于額定載荷，軸承設計滿足要求。

4 結論

本文從星敏感器的測試需求出發，展開轉臺的結構設計工作。通過負載的結構形式和質量特性的分析，計算俯仰軸的驅動力矩，設計俯仰軸的驅動元件、測量元件和回轉軸結構。根據計算結果選擇軸承，并校核所選軸承。由俯仰軸系的整體結構，計算方位軸的驅動力矩，完成了方位軸的設計。

參考文獻

[1]鐘紅軍， 楊孟飛， 盧欣. 星敏感器標定方法研究[J]. 光學學報， 2010， 30（5）：1343-1348.

[2]張蘭蘭. 二軸轉臺結構設計及動力學特性分析[D]. 長春理工大學， 2013.

[3]石金彥， 李旻辰. 某光電跟蹤引導系統轉臺結構設計[J]. 華電技術， 2005， 27（5）：45-47.

[4]葉艷， 王德奎. 精密雙軸光電轉臺結構設計[J]. 機械， 2014（12）： 43-45.

[5]張建新. 天線測試轉臺的結構設計及對準誤差分析[D]. 哈爾濱工業大學， 2015.

[6]石冬. 轉臺結構設計及測角技術研究[D]. 2015.

作者簡介：

何碩，男，1995.07.16，河南永城，漢，碩士，助理工程師，研究方向：機械設計。