空间等离子体环境地面模拟实验系统传动与定位装置设计措施

空间等离子体环境地面模拟实验系统传动与定位装置设计方案

西安科宇工贸有限责任公司

目录

1任务概述及功能1

1.1使用条件1

1.2主要功能2

2主要技术指标2

3设计方案3

3.1系统组成及工作原理3

3.2结构设计方案4

3.2.1五维电控运动机构5

3.2.1.1X轴平移台和Y轴平移台5

3.2.1.2A轴旋转台7

3.2.1.3Z轴平移台和B轴旋转台9

3.2.1.4零件材料选择10

3.2.1.5关重件选型设计11

3.2.1.5.1直线导轨11

3.2.1.5.2滚珠丝杠15

3.2.1.5.3光栅尺19

3.2.2三维电控运动机构21

3.2.3底座22

3.2.4载荷安装杆23

3.3电控系统25

3.3.1控制系统原理25

3.3.2电机和驱动器27

3.3.3运动控制器29

3.3.4电控箱30

3.3.5限位保护和复位装置30

3.3.6控制软件31

3.3.6.1软件开发平台31

3.3.6.2功能设计31

3.3.6.3界面设计32

3.4精度测试方法32

3.4.1定位精度测试32

3.4.2重复定位精度测试34

3.5设计结果35

3.6关键技术35

4研制周期及进度安排36

1任务概述及功能

空间等离子体环境地面模拟实验系统传动与定位装置是在空间等离子体环境地面模拟实验中，为测试载荷提供一组六维和一组三维机械运动和伺服控制的装置。任务要求该装置能够安装测试载荷按照用户指令或预先规定程序模式进行机械运动，并实时显示测试载荷的运动状态和位置信息。

该模拟实验是在地面实验舱内进行，要求整个实验过程完全实现自动控制。图11为该装置的整体使用示意图，六维电控运动机构和三维电控运动机构分别装载测试载荷相向安装在底座的两端，并可以正反向安装。通过电缆与实验舱外的控制系统连接，操作人员通过人机接口控制并获取测试载荷的运动状态和位置信息。

图 11 传动与定位装置整体使用示意图

1.1使用条件

该装置要求安装在地面实验舱内使用，实验舱的具体应用条件参数如下：

⏹实验舱尺寸：φ3000mm⨯5000mm；

⏹真空度：5⨯10-5Pa<极限），5⨯104Pa<工作）；

⏹温度：-20︒C~+50︒C；

⏹等离子体环境：密度109~1012/m3，电子温度0.1~1eV，离子温度0.0

5~0.5 eV；

⏹磁场：0~1G；

⏹电场：0~1V/m；

⏹太阳常数：0.3~1。

1.2主要功能

根据任务要求，该装置需要具备以下功能：

(1)能在真空、等离子体、电场和磁场等环境下工作。

(2)六维电控运动机构装载测试载荷实现三维直线平移运动和三维旋转运动

，并准确定位。三维直线平移分别为X向、Y向和Z向，三维旋转分别为A向、B向和C向<其中A向旋转轴与Z轴平行，B向旋转轴与X轴平行，C 向旋转轴与Z轴垂直）。

(3)两组装置可以在基准底座平台上正反向安装、初始位置在中间。

(4)用户可以通过人机接口输入所需的运动参数控制该装置动作。

(5)三维直线平移距离及三个旋转台旋转角度可以连续测量，并能在计算机

软件界面上实时显示。

(6)配备载荷安装杆，可安装在B轴旋转台上。安装杆上可安装两个测试载

荷，用户可通过控制软件实现两测试载荷之间的相向运动，运动范围最大为3000mm。<当使用安装杆时，整个装置只启用X向直线平移功能）2主要技术指标

（1）直线平移机构

承载：5Kg

X轴行程：2000mm<两组相向安装总有效行程为4000mm）

Y轴行程：2000mm

Z轴行程：1000mm

定位精度：±0.05mm<每300mm范围内）

重复定位精度：±0.01mm

线性分辨率：0.01mm

速度调节范围：在1mm/s~100 mm/s范围内连续可调（2）旋转运动机构

A轴旋转范围：360︒

B轴旋转范围：360︒

C轴旋转范围：360︒

定位精度：±0.0125︒

重复定位精度：±0.005︒

闭环分辨率：±1.5″

载物台具有多接口安装面

3设计方案

3.1系统组成及工作原理

系统组成如图31所示，由底座、一组六维和一组三维电控运动机构、载荷安装杆、电控箱和专用系统控制软件等组成。

底座为整个装置提供良好的安装平台，主要由平台和平台支架组成。

六维电控运动机构装载测试载荷实现六个轴的运动，分别由X轴平移台、Y 轴平移台、Z轴平移台、A轴旋转台、B轴旋转台和C轴旋转台等组成，

图 31系统组成

载荷安装杆安装在六维电控运动机构的B向旋转台上，装载两个测试载荷实现相对位置平移，主要由驱动装置、传动机构、导向机构和距离测量装置等

组成。

电控箱用来集成整个装置的硬件控制电路，由模块电源、电机驱动器、多轴控制卡、光栅细分盒等组成。

控制软件为用户提供良好的人机界面，用户通过控制软件实现对整个装置的操作控制和数据获取。

系统工作原理：测试载荷分别安装在两个载荷安装杆上，启动电控箱上的电源开关，测试人员就可通过配套控制软件控制六维电控运动机构各轴电机动作<包括位移或角度，速度及加速度），实时显示各轴的运动状态。其中X轴、Y轴、Z轴和载荷安装杆的机械工作原理相同，都是采用交流伺服电机直接驱动滚珠丝杠螺母副传动机构，实现各轴的直线运动，距离测量装置为直线光栅尺，对工作台的移动位置进行实时测量并进行反馈，实现各轴工作台的准确定位。A轴、B轴和C轴的机械传动原理相同，均采用交流伺服电机直接驱动蜗轮蜗杆传动机构，实现工作台的360°旋转，角度测量装置为圆光栅，对工作台的转动角度进行实时测量并进行反馈，实现旋转工作台的准确定位。配套控制软件根据各轴光栅尺的位置测量反馈数据进行后台计算处理，可实现两被测载荷相对距离位置输出。

3.2结构设计方案

系统机械结构示意图如图32所示，主要由底座、六维电控运动机构、三维电控运动机构及和两组载荷安装杆等组成。