一种二维跟踪转台

技术领域

本发明涉及空间光学载荷应用的二维跟踪转台技术领域，尤其涉及一种二维跟踪转台。

背景技术

二维跟踪转台系统是一种典型的具有两个方向转动自由度的机械系统，其指向特性仅取决于两个方向的转动角度，与空间坐标系中的球坐标系十分相似，因此广泛应用于激光通信、天基目标(对日、对月等)跟踪指向、对地大范围扫描观测等航天/航空技术领域。

目前国内外的研究机构及学者二维跟踪转台机构已进行了深入的研究，研究内容主要包括材料、结构形式、静/动力学特性、控制算法等。针对材料及力学特性这一方面，传统的二维跟踪转台都是采用金属材料如铝合金、钛合金等制造转台中的各主支撑结构，这种用料方案主要存在两方面的问题，一方面会导致系统重量较大。铝合金的密度约为2.7×103kg/m3,钛合金的密度约为4.4×103kg/m3,该方案影响整机质量的同时，还会影响整机的动力学性能；另一方面线胀系数较大，铝合金的线胀系数约为23.6×10-6/℃,钛合金的线胀系数约为8.9×10-6/℃，当空间温度发生大幅度变化时，转台的轴系有发生卡滞的风险，因此针对空间温度环境的适应能力较差。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种二维跟踪转台，由碳纤维复合材料结合钛合金镶嵌件或其他金属镶嵌件组合构成，能够保证航天力学振动的条件要求，并且：

(1)采用了碳纤维材料作为转台结构的主材料，碳纤维密度1.8×103kg/m3，比刚度约为5.3，是钛合金的2倍，因此在设计阶段即可保证二维转台较高的特征频率和优异的动力学性能。

(2)碳纤维线胀系数1.2×10

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种二维跟踪转台，包括底座、第一框架和第二框架，

所述第一框架沿竖直轴旋转设置在所述底座上，所述第二框架沿水平轴旋转设置在所述第一框架上，或者，所述第一框架沿水平轴旋转设置在所述底座上，所述第二框架沿竖直轴旋转设置在所述第一框架上，

所述底座、所述第一框架和所述第二框架均为碳纤维材质，

所述底座、所述第一框架和所述第二框架上设置轴承处均预埋有金属套筒，所述金属套筒内固定有轴承。

优选的，上述第一框架为U型架，所述第二框架为内框架，所述U型架沿竖直轴旋转设置在所述底座上，所述内框架沿水平轴旋转设置在所述U型架上，其中，

所述底座上开设有第一通孔，所述第一通孔内预埋有外层金属套筒，所述外层金属套筒内固定有内层金属套筒，所述内层金属套筒内通过第一轴承压紧件固定有第一轴承，所述第一轴承内设置有方位转轴；

所述U型架包括水平架和设置在所述水平架的两端的第一立架和第二立架，所述水平架的底部与所述方位转轴的顶端固定连接，

所述第一立架和所述第二立架为对称结构，

所述第一立架上开设有第三通孔，所述第三通孔内预埋有第一金属套筒，所述第一金属套筒内通过第二轴承压紧件固定有第二轴承，所述第二轴承内设置有第一俯仰转轴，

所述第二立架上开设有第二通孔，所述第二通孔内预埋有第二金属套筒，所述第二金属套筒内通过第三轴承压紧件固定有第三轴承，所述第三轴承内设置有第二俯仰转轴；

所述内框架的一端设置有第四通孔，所述第四通孔内预埋有第三金属套筒，所述第三金属套筒与所述第一俯仰转轴固定连接，

所述内框架的另一端设置有第五通孔，所述第五通孔内预埋有第四金属套筒，所述第四金属套筒与所述第二俯仰转轴固定连接。

优选的，上述外层金属套筒、所述内层金属套筒、所述第一金属套筒、所述第二金属套筒、所述第三金属套筒、所述第四金属套筒均为钛合金材质。

优选的，上述内层金属套筒、所述第一金属套筒、所述第二金属套筒、所述第三金属套筒、所述第四金属套筒上均设置有环形筋和圆法兰。

优选的，上述底座的基频为80.5Hz，所述U型架的基频为52.8Hz，所述内框架的基频为94.7Hz。

优选的，上述底座、所述U型架和所述内框架均为采用高弹性模量氰酸脂基碳纤维复合材料，以45°交错排列碳纤维铺层制造而成。

优选的，上述外层金属套筒与所述内层金属套筒为螺纹连接。

优选的，上述底座上设置有多个第一固定架，所述U型架上设置有多个第二固定架，

当二维跟踪转台不工作时，一个所述第一固定架与一个所述第二固定架对正并通过销轴连接，当所述二维跟踪转台工作时，所述销轴连接断开，所述第一固定架与所述第二固定架断开连接，

所述底座上预埋有多个第一镶嵌件，每个所述第一镶嵌件上通过螺钉与具有第六通孔的第一基准安装板的内缘连接，所述第一基准安装板的外缘与所述底座连接，所述第一固定架与所述第一镶嵌件固定连接且位于所述第六通孔中。

优选的，上述底座的侧壁上固定有具有第七通孔的第二基准安装板。

优选的，上述底座上开设有多个第八通孔，所述第八通孔中内置有用于固定连接件的第三金属套筒，所述第三金属套筒的底部设置有安装垫。

优选的，上述第二轴承为俯仰角接触球轴承，

所述第一金属套筒处还设置有轴承端盖、编码器码盘基座、第一编码器码盘、编码器读数头基座、编码器读数头和俯仰轴保护端盖，其中，

所述第二轴承内置在所述第一金属套筒中且通过第二轴承压紧件固定，所述第一轴承端盖固定在所述第一金属套筒上，

所述编码器基座安装在所述第一轴承端盖上，所述编码器码盘固定在所述编码器基座，

所述编码器读数头基座通过所述第一金属套筒固定到所述U型架上，所述编码器读数头安装至所述编码器读数头基座，

所述俯仰轴保护端盖通过所述第一金属套筒安装至U型架上。

优选的，上述第一轴承包括两个角接触球轴承以及一个深沟球轴承，

所述内层金属套筒处设置有转接件、方位转轴、第二轴承端盖、编码器码盘保护盖、第二编码器码盘、编码器转换单元基座和方位轴保护端盖，其中，

所述第一轴承内置在所述内层金属套筒中且通过轴承压紧件固定，

所述转接件与所述内层金属套筒固定连接，所述第二轴承端盖与所述转接件固定连接，

所述第二编码器码盘和所述编码器码盘保护盖固定在所述第二轴承端盖上，

所述编码器转换单元基座与所述第二编码器码盘固定连接，

所述方位轴保护端盖与所述转接件固定连接。

优选的，当二维跟踪转台为极坐标式二维转台时，

其俯仰轴系采用两对角接触球轴承面对面或背对背安装，方位轴系采用一对角接触球轴承和一个深沟球轴承；

当所述二维跟踪转台为直角坐标式二维转台时，

其俯仰轴系和方位轴系均采用两对角接触球轴承面对面或背对背安装。

本发明提供的二维跟踪转台，由碳纤维复合材料结合钛合金镶嵌件或其他金属镶嵌件组合构成，能够保证航天力学振动的条件要求，并且：

(1)采用了碳纤维材料作为转台结构的主材料，碳纤维密度1.8×103kg/m3，比刚度约为5.3，是钛合金的2倍，因此在设计阶段即可保证二维转台较高的特征频率和优异的动力学性能。

(2)碳纤维线胀系数1.2×10

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的二维跟踪转台的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的底座的爆炸结构示意图；

图3为本发明实施例提供的U型架的爆炸结构示意图；

图4为本发明实施例提供的内框架的爆炸结构示意图。

上图1-4中：

底座10、内层金属套筒101、第一镶嵌件102、第一基准安装板103、第二基准安装板104、第三金属套筒105、安装垫106、U型架20、第一金属套筒201、第二轴承202、第二轴承压紧件203、第一轴承端盖204、编码器码盘基座205、第一编码器码盘206、编码器读数头基座207、编码器读数头208、俯仰轴保护端盖209、第一轴承210、转接件211、方位转轴212、第二轴承端盖213、编码器码盘保护盖214、第二编码器码盘215、编码器转换单元基座216和方位轴保护端盖217、内框架30、第三金属套筒301、第一俯仰转轴302。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1至图4，图1为本发明实施例提供的二维跟踪转台的结构示意图；图2为本发明实施例提供的底座的爆炸结构示意图；图3为本发明实施例提供的U型架的爆炸结构示意图；图4为本发明实施例提供的内框架的爆炸结构示意图。

本发明实施例提供的二维跟踪转台，包括底座10、第一框架和第二框架，

第一框架沿竖直轴旋转设置在底座10上，第二框架沿水平轴旋转设置在第一框架上，或者，第一框架沿水平轴旋转设置在底座10上，第二框架沿竖直轴旋转设置在第一框架上，

底座10、第一框架和第二框架均为碳纤维材质，

底座10、第一框架和第二框架上设置轴承处均预埋有金属套筒，金属套筒内固定有轴承。

本发明实施例提供的二维跟踪转台，由碳纤维复合材料结合钛合金镶嵌件或其他金属镶嵌件组合构成，能够保证航天力学振动的条件要求，并且：

(1)采用了碳纤维材料作为转台结构的主材料，碳纤维密度1.8×103kg/m3，比刚度约为5.3，是钛合金的2倍，因此在设计阶段即可保证二维转台较高的特征频率和优异的动力学性能。

(2)碳纤维线胀系数1.2×10

具体的，第一框架为U型架20，第二框架为内框架30，U型架20沿竖直轴旋转设置在底座10上，内框架30沿水平轴旋转设置在U型架20上，即，底座10作为二维跟踪转台的整机底座，U型架20绕竖直轴转动，具有方位转动自由度，内框架30绕水平轴转动，具有俯仰转动自由度，其中，

底座10上开设有第一通孔，第一通孔内预埋有外层金属套筒，外层金属套筒内固定有内层金属套筒101，内层金属套筒101内通过第一轴承压紧件固定有第一轴承210，第一轴承210内设置有方位转轴212；

U型架20包括水平架和设置在水平架的两端的第一立架和第二立架，水平架的底部与方位转轴212的顶端固定连接，

第一立架和第二立架为对称结构，

第一立架上开设有第三通孔，第三通孔内预埋有第一金属套筒201，第一金属套筒201内通过第二轴承压紧件203固定有第二轴承202，第二轴承202内设置有第一俯仰转轴302，

第二立架上开设有第二通孔，第二通孔内预埋有第二金属套筒，第二金属套筒内通过第三轴承压紧件固定有第三轴承，第三轴承内设置有第二俯仰转轴；

内框架30的一端设置有第四通孔，第四通孔内预埋有第三金属套筒301，第三金属套筒301与第一俯仰转轴302固定连接，

内框架30的另一端设置有第五通孔，第五通孔内预埋有第四金属套筒，第四金属套筒与第二俯仰转轴固定连接。

其中，对于方位轴系的安装，即绕竖直轴转动的自由度，由于其为单轴支撑，因此对于轴承连接处的连接强度要求较高，故同时采用“双套筒螺纹连接”和“套筒镶嵌件与碳纤维架预埋胶粘”两种方式，具体为，第一通孔内预埋有外层金属套筒，外层金属套筒与内层金属套筒101为螺纹连接，内层金属套筒101中设置第一轴承210。

而对于俯仰轴系，即绕水平轴转动的自由度，由于其为通过第一立架和第二立架实现两端安装，从受力分析的角度更加稳定，因此对于金属套筒镶嵌件和碳纤维架，只采用预埋胶粘的方式就能够保证其连接强度满足使用要求，未使用“双套筒螺纹连接”的方式。

本文中的预埋指的是，碳纤维材料的初始形态为纤维丝，需要将纤维丝通过某个模具绕成既定的设计形状，从而得到一个完整的结构件，预埋的过程是在绕纤维丝的过程中，先将钛合金的预埋件，例如金属套筒放入模具中，让纤维丝将预埋件也包含在内，从而实现一个预埋的过程，并且，所有预埋入碳纤维内部的件都需要在预埋的时候涂胶固定。

同样，具体操作时，在内框架30成型过程中，第三金属套筒301已预埋至其中，和内框架30作为整体参与后续的装配过程。第一俯仰转轴302与第三金属套筒301连接固定，之后再次作为整体参与二维跟踪转台整机的装配过程。

具体的，外层金属套筒、内层金属套筒101、第一金属套筒201、第二金属套筒、第三金属套筒301、第四金属套筒均为钛合金材质。

具体的，内层金属套筒101、第一金属套筒201、第二金属套筒、第三金属套筒301、第四金属套筒上均设置有环形筋和圆法兰。

具体的，底座10的基频为80.5Hz，U型架20的基频为52.8Hz，内框架30的基频为94.7Hz。满足动力学特性的设计指标要求。

具体的，底座10、U型架20和内框架30均为采用高弹性模量氰酸脂基碳纤维复合材料，以45°交错排列碳纤维铺层制造而成。

具体的，底座10上设置有多个第一固定架，U型架上设置有多个第二固定架，

当二维跟踪转台不工作时，一个第一固定架与一个第二固定架对正并通过销轴连接，当二维跟踪转台工作时，销轴连接断开，第一固定架与第二固定架断开连接，

底座10上预埋有多个第一镶嵌件102，每个第一镶嵌件102上通过螺钉与具有第六通孔的第一基准安装板103的内缘连接，第一基准安装板103的外缘与底座10连接，例如胶粘连接，第一固定架与第一镶嵌件102固定连接且位于第六通孔中。

具体的，底座10的侧壁上固定有具有第七通孔的第二基准安装板104，例如胶粘连接。

具体的，底座10上开设有多个第八通孔，第八通孔中内置有用于固定连接件的第三金属套筒105，第三金属套筒105的底部设置有安装垫106。

以上的金属件，例如第二基准安装板104等在碳纤维结构件外部作为基准面使用的金属垫片以及第三金属套筒105，与碳纤维结构件连接时，由于金属件较小，基本不承受力的作用，则只采用胶粘即可。

具体的，第二轴承202为俯仰角接触球轴承，第一金属套筒201处还设置有轴承端盖204、编码器码盘基座205、第一编码器码盘206、编码器读数头基座207、编码器读数头208和俯仰轴保护端盖209，其中，

第二轴承内置在第一金属套筒201中且通过第二轴承压紧件203固定，第一轴承端盖204固定在第一金属套筒201上，例如为通过螺钉连接，

编码器基座205安装在第一轴承端盖204上，编码器码盘206固定在编码器基座205，

编码器读数头基座207通过第一金属套筒201固定到U型架20上，编码器读数头208安装至编码器读数头基座207，

俯仰轴保护端盖209通过第一金属套筒201安装至U型架20上。

在U型架20的装配过程中，以上为对于俯仰轴系的装配，具体的，首先第一金属套筒201在U形架20成型过程中已放入，通过环氧胶粘接固定并固化成一体；然后将第二轴承202，即一对俯仰角接触球轴承以“面对面”或“背靠背”的方式放入第一金属套筒201中，再将第二轴承压紧件203装入，并将第一轴承端盖204一并安装；其次，将编码器基座205安装至第一轴承端盖204上，再将第一编码器码盘206固定在编码器基座205；最后，将编码器读数头基座207通过钛合金镶嵌件固定到U形架20上，再将编码器读数头208安装至编码器读数头基座207，最后将俯仰轴保护端盖209通过钛合金镶嵌件安装至U形架20上，则俯仰轴系装配完成。

具体的，第一轴承210包括两个角接触球轴承以及一个深沟球轴承，

内层金属套筒101处设置有转接件211、方位转轴212、第二轴承端盖213、编码器码盘保护盖214、第二编码器码盘215、编码器转换单元基座216和方位轴保护端盖217，其中，

第一轴承210内置在内层金属套筒101中且通过轴承压紧件固定，

转接件211与内层金属套筒101固定连接，第二轴承端盖213与转接件211固定连接，

第二编码器码盘215和编码器码盘保护盖214固定在第二轴承端盖213上，

编码器转换单元基座216与第二编码器码盘215固定连接，

方位轴保护端盖217与转接件211固定连接。

以上为对于方位轴系的装配。

具体的，当二维跟踪转台为极坐标式二维转台时，

其俯仰轴系采用2对角接触球轴承面对面或背对背安装，方位轴系采用1对角接触球轴承和一个深沟球轴承；

当二维跟踪转台为直角坐标式二维转台时，

其俯仰轴系和方位轴系均采用2对角接触球轴承面对面或背对背安装。

本发明实施例提供的二维跟踪转台，目的是为了满足航天/航空对二维跟踪转台应用的需求，针对现有技术的不足，提供一种由碳纤维复合材料结合钛合金镶嵌件构成的二维跟踪转台的设计方法。

本发明实施例提供的二维跟踪转台，可以采用直角坐标内外框架式(先水平俯仰旋转后竖直旋转)或极坐标经纬仪结构形式(先竖直旋转后水平俯仰旋转)。转台具有方位、俯仰两个方向的转动自由度，通过球坐标系可指向空间内任一方向。

本发明实施例提供的二维跟踪转台，在U形架、内框架及底座等关重件的内部预埋有钛合金镶嵌件，一部分作为和其它机械件的连接接口，在需要机械连接的部位设有钛合金或其他金属镶嵌件组件，另一部分作为转台关重件的加工、检测及装调的工艺基准。

本发明实施例提供的二维跟踪转台中的圆筒形的镶嵌件，设计有环形筋和圆法兰粘接，其它结构形式的镶嵌件则通过螺钉与碳纤维铺层连接，以增加镶嵌强度，保证航天力学振动的条件要求。

本发明实施例提供的二维跟踪转台，实物是，体积为1077mm×755mm×544mm，质量为50kg，带载能力为70kg，满足航天鉴定级的正弦振动、随机振动和冲击等力学试验环境，-20℃～+60℃温度范围内运转平稳顺畅，轴系晃动误差不大于10角秒。

本发明实施例提供的二维跟踪转台，具体为在转台结构件中的连接部位设有钛合金镶嵌件，钛合金镶嵌件通过背板或者螺钉与碳纤维铺层联结，同时用环氧结构胶粘接。各框架中与轴承联结的圆形轴套钛合金镶嵌件均设计有环形筋和法兰，并采用外螺纹的方式增加在碳纤维铺层中的镶嵌强度，保证航天力学振动的条件要求。

本发明实施例提供的二维跟踪转台，转台结构件中设有钛合金镶嵌件构成的加工和检测基准面，以保证碳纤维复合材料制造的框架能够满足形状和位置精度的指标要求。

本发明实施例提供的二维跟踪转台，能够适应对于航空、航天及一些军事应用等对系统轻量化要求苛刻的场合，满足卫星总体对载荷的重量指标要求。

本发明实施例提供的二维跟踪转台，由于是碳纤维与钛合金镶嵌件组合的结构件，因此在碳纤维成型过程中，所有镶嵌件需要一并放入并用环氧胶粘接固定，最后各个组件将作为一个独立的结构件参与后续的装配过程。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。