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11.1使用条件11.2主要功能22主要技术指标23设计方案33.1系统组成及工作原理33.2结构设计方案43.2.1五维电控运动机构53.2.1.1X轴平移台和Y轴平移台53.2.1.2A轴旋转台73.2.1.3Z轴平移台和B轴旋转台93.2.1.4零件材料选择103.2.1.5关重件选型设计113.2.1.5.1直线导轨113.2.1.5.2滚珠丝杠153.2.1.5.3光栅尺193.2.2三维电控运动机构213.2.3底座223.2.4载荷安装杆233.3电控系统253.3.1控制系统原理253.3.2电机和驱动器273.3.3运动控制器293.3.4电控箱303.3.5限位保护和复位装置303.3.6控制软件313.3.6.1软件开发平台313.3.6.2功能设计313.3.6.3界面设计323.4精度测试方法323.4.1定位精度测试323.4.2重复定位精度测试343.5设计结果353.6关键技术354研制周期及进度安排361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0.05~0.5 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：5KgX轴行程：2000mm<两组相向安装总有效行程为4000mm）Y轴行程：2000mmZ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。

1、底座2、六维运动机构3、三维电控运动机构4、载荷安装杆图 32系统机械结构示意图六维电控运动机构和三维电控运动机构采用对称分布的安装孔位，可根据功能需要进行正反向安装。

三维电控运动机构预留扩展接口，用支架替代Y轴和A轴空间位置，其他相关连接件预留安装Y轴和A轴的安装孔，方便以后三维机构到五维机构的扩展。

3.2.1六维电控运动机构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，结构示意如图 33所示。

1、X轴平移台2、Y轴平移台3、A轴旋转台4、Z轴平移台5、B轴旋转台6、C轴旋转台图 33六维电控运动机构结构示意图3.2.1.1X轴平移台和Y轴平移台X轴平移台和Y轴平移台结构示意如图34所示。

Y轴平移台通过螺钉连接可靠的安装在X轴平移台的移动载物台上，当X轴载物台移动时，Y轴平移台也会沿着X轴方向做整体移动。

1、X轴平移台2、Y轴平移台图 34X向平移台和Y向平移台结构示意图X轴平移台和Y轴平移台结构采用相同结构原理，各平移台均由电机、滚珠丝杠、直线导轨、光栅尺、联轴器、限位传感器等组成，结构原理示意如图35所示。

1、底板2、直线导轨3、光栅尺4、旋转电机5、联轴器6、滚珠丝杠图 35 平移台结构原理示意图电机固定在底座上，联轴器一端连接电机轴，另一端连接滚珠丝杠轴，当电机旋转时，联轴器就会将电机扭矩传递给丝杠，滚珠丝杠再将旋转运动传递给螺母，螺母和载物台固接在一起实现直线平移，直线导轨固定在丝杠两侧，对载物台平移起到导向作用。

滚珠丝杠两端采用一端固定，另一端支撑的安装方式，固定端采用两个面对面的角接触球轴承进行固定，支撑端采用深沟球轴承进行支撑。

光栅尺为位置测量元件，对载物台移动距离进行实时测量和反馈，主要由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。

光栅尺固定在底座上，读数头固定在移动部件上，当载物台移动时，读数头和光栅尺就会产生读数变化，反馈到计算机实现闭环控制。

平移台两端设置有限位机构，当载物台移动到极限位置时，限位传感器就会接通，此时电机停止旋转，阻止载物台继续前行。

3.2.1.2A轴旋转台A轴旋转台主要由电机、蜗轮蜗杆传动机构、圆光栅、连轴器、轴环等组成，如图36所示。

蜗杆两端通过轴承固定在基座上，蜗轮通过轴系与工作台连接。

旋转电机通过联轴器驱动蜗轮蜗杆机构传动，实现工作台转动。

1、电机2、圆光栅3、蜗轮蜗杆传动机构4、联轴器5、轴环图 36旋转台<A轴）结构简图电机水平安装在底座上，联轴器一端连接电机轴，另一端连接蜗杆轴，当电机旋转时，联轴器就会将电机扭矩传递给蜗杆，蜗杆再将旋转运动传递给蜗轮，蜗轮通过轴环与载物台连接，完成电机轴和载物台之间的扭矩传递和运动方向转换，实现载物台绕竖直轴的旋转运动。

圆光栅为角度测量元件，当工作台转动时光栅和读数头发生相对转动，实现角度的实时测量和数据反馈。

载物台与蜗轮之间的传动采用交叉滚柱轴环RU形结构，外形如图37所示。

图37交叉滚柱轴环RU形结构在交叉滚柱轴环中，因圆筒形滚柱在呈90°的V形沟槽滚动面上通过间隔保持器被相互垂直地排列，使得单个轴承就可承受径向负荷、轴向负荷及力矩负荷等所有方向的负荷。

由于已进行了安装孔的加工，就不需要固定法兰和支撑座。

另外，由于采用带座的一体化内外环结构，安装对性能几乎没有影响，因此能够获得稳定的旋转精度和扭矩，适用于外圈和内环旋转。

蜗杆两端通过轴承和轴承支座固定在基座上，安装方式如图38所示。

图38蜗杆安装方式根据轴承所受载荷的大小、方向和性质，选用接触角较大的角接触球轴承，轴承外形如图39所示。

轴承支承部件主要对轴系回转零件起支承作用，并承受径向和轴向作用力，保证轴系部件在工作中能正常地传递轴向力以防止轴系发生轴向窜动而改变工作位置。

图39角接触球轴承外形3.2.1.3Z轴平移台、B轴旋转台和C轴旋转台Z轴平移台和B轴旋转台结构示意如图 310所示。

1、Z轴平移台2、B轴旋转台3、C轴旋转台图 310Z轴平移台和B轴旋转台结构示意图B轴旋转台通过螺钉连接安装在Z轴平移台的移动载物台上，当Z轴载物台上下移动时，B轴旋转台也会随着Z轴做上下移动。

载荷安装在B轴旋转台的台面上，可实现Z轴方向直线平移和B轴方向的360°旋转。

Z轴平移台结构原理与X轴平移台结构原理相同，均由底座、电机、联轴器、滚珠丝杠螺母副、直线导轨、载物台、光栅尺和限位机构等几大部分组成，不同的是Z轴平移台需要将平移台底座竖直安装在固定支架上，实现Z轴方向的直线移动，电机采用带制动的伺服电机，防止因掉电或重力下掉。

C 轴旋转台安装在Z轴的竖直支撑板上。

B、C轴旋转台结构原理与A轴旋转台结构原理相同，此处不再重述。

3.2.1.4零件材料选择（1）真空材料选择原则对于真空环境中使用的零件，其制作材料有如下要求：⏹足够的机械强度和刚度；⏹气密性好。

要保持一个完好的真空环境，零件材料不应存在多孔结构、裂纹或形成渗漏的其他缺陷，有较低的渗透速率和出气速率；⏹在工作和烘烤温度下的饱和蒸气压要足够低；⏹化学稳定性好；⏹热稳定性好。