一种自锁式曲柄、凸轮黑体在轨定标机构

1.本发明设计一种在轨黑体辐定标机构，特别是涉及一种低温光学载荷极限安装空间内的微小型往复行程自锁式曲柄-凸轮黑体在轨定标机构。


背景技术：

2.红外波段探测器是实现深空科学探测获取地外目标天体的表面温度、物质成分的重要手段，但是红外探测器受环境影响较大。深空探测载荷由于寿命长、可靠性要求高等特点对于红外探测器也提出了更高的要求，深空探测过程中的地外天体轨道环境、科学仪器电子器件固有漂移等问题也使得仅采用地面试验定标参数往往不能获得长寿命的高精度观测数据。星载黑体定标是一种红外探测常用的技术手段。
3.黑体定标机构常需要能够抵抗在探测器发射冲击及在轨运行时由探测器(卫星)活动部件引起的力矩或者振动，因此常需要实现自锁；同时由于载荷光谱仪机构设计的空间布局影响，要求黑体安装位置与机构安装空间不同面，安装空间异构化，这也使得黑体定标机构也需要有较大的安装空间适应性。随着载荷的要求，黑体定标机构的设计难点也逐渐凸显。


技术实现要素：

4.为了克服极限安装空间内高可靠性自锁黑体定标机构的设计难点，本本发明公开了一种自锁式曲柄-凸轮黑体在轨定标机构。该专利解决了在兼顾在光学载荷内部极限安装空间情况下高可靠性的辐射黑体与自锁驱动机构不同安装界面且设计的问题。
5.所述的一种自锁式曲柄-凸轮黑体在轨定标机构，包括：步进电机1、曲轴2、电机及弹簧转接板3、曲轴锁紧压块4、弹簧限位组件5、行程开关6、导轨7、机构安装座8、凸轮槽黑体传动杆9、导向封盖10、黑体安装壳11。
6.所述黑体安装壳11位于凸轮槽黑体传动杆9的悬臂端，黑体安装在黑体安装壳11内，壳体由聚酰亚胺进行隔热连接，凸轮槽黑体传动杆9底部安装在导轨7上用于限制直线运动方向；
7.所述凸轮槽黑体传动杆9的凸轮槽槽口与曲轴2构成凸轮机构，曲轴2通过步进电机1带动旋转进而经由凸轮机构转化为凸轮槽黑体传动杆9的直线运动；
8.所述曲轴2、曲轴锁紧压块4、行程开关5、凸轮槽黑体传动杆9、导轨7、弹簧限位组件5、安装在由电机及弹簧转接板3、导向封盖10、机构安装座8构成的封闭空间内，步进电机1、黑体安装壳11安装在由电机及弹簧转接板3、导向封盖10、机构安装座8构成的封闭空间外，其中黑体安装壳11通过凸轮槽黑体传动杆9悬吊在机构下侧，进一步的安装在箱体通光孔内部，形成层次结构；
9.所述弹簧限位组件5倒装于电机及弹簧转接板3上，弹簧限位组件5与凸轮槽黑体传动杆9上表面的凸台共同构成弹簧限位。在机构正向运动将黑体安装壳11推出至定标位置过程中，先由曲轴2将弹簧限位组件5的顶杆推开，使得凸轮槽黑体传动杆9上表面的凸台
与弹簧限位组件5的顶杆分离从而释放限位，在机构逆向运动将黑体安装壳11拉回原始位置过程中，凸轮槽黑体传动杆9上表面的凸台与弹簧限位组件5的顶杆恢复为限位状态。
10.所述行程开关5仅有一个，位于凸轮槽黑体传动杆9的上表面，曲轴锁紧压块4位于步进电机1轴端，将曲轴2通过螺钉压紧在步进电机1上，在曲轴2在凸轮槽黑体传动杆9的凸轮凹槽内运动时，在往复运动均达到最大行程时曲轴2与行程开关5的触点接触从而控制步进电机的旋转进而限制凸轮槽黑体传动杆9往复直线运动的范围。
11.进一步的，所述步进电机1要求电机输出轴采用的轴承须采用固体润滑方式，电机轴端全跳动小于0.005，同时电机需适应-65℃低温环境。
12.进一步的，所述曲轴2采用轴承钢材料，曲轴表面镀mos2固体润滑膜，曲轴两圆柱面轴线平行度不高于0.005，曲轴轴线与安装平面垂直度不高于0.005；
13.进一步的，所述凸轮槽黑体传动杆9凸轮凹槽内表面沿槽口中心线对称度不高于0.002，槽口内表面于安装面垂直度不高于0.005，且槽口表面镀mos2固体润滑膜。
14.进一步的，所述直线导轨7安装后，沿导轨长度方向两导轨安装平行度实测不高于0.01，两导轨关于安装座对称安装对称度不高于0.005。
15.进一步的，在装配完成后，所述曲轴2的轴线旋转空间面与凸轮槽黑体传动杆9的凸轮槽槽口中心线所在面偏心不高于0.01；曲轴2在步进电机1驱动下，从起始位置至凸轮槽黑体传动杆9运动起始位置的90
°
旋转过程中，曲轴2与凸轮槽黑体传动杆9的凸轮槽存在小间隙，不直接接触以减少功率和摩擦。在曲轴2运动至凸轮槽黑体传动杆9运动起始位置后，推动凸轮槽黑体传动杆9运动。
16.本发明可靠性高、体积小、结构紧凑、重量轻、可在多种极限空间内重复使用。
附图说明
17.图1为自锁式曲柄-凸轮黑体定标机构示意图；
18.图2为自锁式曲柄-凸轮黑体定标机构未定标时黑体位置示意图；
19.图3为自锁式曲柄-凸轮黑体定标机构未定标时内部机构位置状态示意图；
20.图4为自锁式曲柄-凸轮黑体定标机构定标时黑体被推出至定标位置示意图；
21.图5为自锁式曲柄-凸轮黑体定标机构定标时黑体被推出至定标位置示意图。
具体实施方式
22.下面结合附图对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
23.如图1所示，本发明所述的一种自锁式曲柄-凸轮黑体在轨定标机构，包括：步进电机1、电机及弹簧转接板3、曲轴2、曲轴锁紧压块4、行程开关5、凸轮槽黑体传动杆9、导向封盖10、黑体安装壳11、导轨7、弹簧限位组件5、机构安装座8。
24.在使用时，将黑体放置在黑体安装壳11内，由凸轮槽黑体传动杆9一端固定。在探测器(卫星)发射及在轨运行阶段，未定标时，黑体在黑体安装壳11初始位于初始位置(自锁限位)，在需要定标时，由步进电机驱动推动黑体及黑体安装壳11运动至辐射定标位置，从而完成定标。
25.进一步的，如图2、图3所示，在发射状态或者在轨运行且未定标状态时，所述的黑体定标机构中曲轴2位于凸轮槽黑体传动杆9的凸轮凹槽底部，即凸轮槽黑体传动杆9的凸
轮凹槽位置与步进电机带动曲轴2的空间旋转圆弧重合时，由于凸轮槽黑体传动杆9的直线运动传递的力与“从动件”共线，无法由轮槽黑体传动杆推动曲轴2运动从而实现机械自锁，此时即使电机不上电也能实现自锁。同时弹簧限位组件5与凸轮槽黑体传动杆9上表面的凸台在弹簧作用下构成限位。
26.进一步的，如图4，图5所式，在轨定标时，在步进电机1正向旋转时通过凸轮槽黑体传动杆9的运动转换将黑体安装壳11推至在轨定标位置，在达到定标位置时，安装在凸轮槽黑体传动杆9上的行程开关5也随动运动至定标限位2，使得在往复运动均达到最大行程时曲轴2与行程开关5的触点接触；在达到定标位置时，行程开关被触发从而使得步进电机停转。所述机构在运动至定标极限位置时，同样由于凸轮槽黑体传动杆9的凸轮凹槽位置与步进电机带动曲轴2的空间旋转圆弧重合，从而定标自锁。
27.进一步的，黑体随黑体安装壳11推至定标位置后，光学构件可通过黑体辐射进行在轨定标，完成黑体定标后，再由步进电机驱动将黑体恢复至初始位置。在轨定标在整个在轨定标过程中，仅使用一个行程开关5实现往复换向控制。
28.进一步的，整个机构在装配完成后，先后进行了如下表1所示的正弦振动、随机振动力学试验，试验前后机构组件功能正常。
29.表1试验条件
30.
技术特征：
1.一种自锁式曲柄、凸轮黑体在轨定标机构，包括：步进电机(1)、曲轴(2)、电机及弹簧转接板(3)、曲轴锁紧压块(4)、弹簧限位组件(5)、行程开关(6)、导轨(7)、机构安装座(8)、凸轮槽黑体传动杆(9)、导向封盖(10)、黑体安装壳(11)；其特征在于：所述黑体安装壳(11)位于凸轮槽黑体传动杆(9)的悬臂端，黑体安装在黑体安装壳(11)内，壳体由聚酰亚胺进行隔热连接，凸轮槽黑体传动杆(9)底部安装在导轨(7)上用于限制直线运动方向；所述凸轮槽黑体传动杆(9)的凸轮槽槽口与曲轴(2)构成凸轮机构，曲轴(2)通过步进电机(1)带动旋转进而经由凸轮机构转化为凸轮槽黑体传动杆(9)的直线运动；所述曲轴(2)、曲轴锁紧压块(4)、行程开关(6)、凸轮槽黑体传动杆(9)、导轨(7)、弹簧限位组件(5)、安装在由电机及弹簧转接板(3)、导向封盖(10)、机构安装座(8)构成的封闭空间内，步进电机(1)、黑体安装壳(11)安装在由电机及弹簧转接板(3)、导向封盖(10)、机构安装座(8)构成的封闭空间外，其中黑体安装壳(11)通过凸轮槽黑体传动杆(9)悬吊在机构下侧，进一步的安装在箱体通光孔内部，形成层次结构；所述弹簧限位组件(5)倒装于电机及弹簧转接板(3)上，弹簧限位组件(5)与凸轮槽黑体传动杆(9)上表面的凸台共同构成弹簧限位。在机构正向运动将黑体安装壳(11)推出至定标位置过程中，先由曲轴(2)将弹簧限位组件(5)的顶杆推开，使得凸轮槽黑体传动杆(9)上表面的凸台与弹簧限位组件(5)的顶杆分离从而释放限位，在机构逆向运动将黑体安装壳(11)拉回原始位置过程中，凸轮槽黑体传动杆(9)上表面的凸台与弹簧限位组件(5)的顶杆恢复为限位状态；所述行程开关(6)位于凸轮槽黑体传动杆(9)的上表面，曲轴锁紧压块(4)位于步进电机(1)轴端，将曲轴(2)通过螺钉压紧在步进电机(1)上，在曲轴(2)在凸轮槽黑体传动杆(9)的凸轮凹槽内运动时，在往复运动均达到最大行程时曲轴(2)与行程开关(6)的触点接触从而控制步进电机的旋转进而限制凸轮槽黑体传动杆(9)往复直线运动的范围；在步进电机(1)正向旋转时通过凸轮槽黑体传动杆(9)的运动转换将黑体安装壳(11)推至在轨定标位置，在达到定标位置时，安装在凸轮槽黑体传动杆(9)上的行程开关(6)也随动运动至定标限位2，使得在往复运动均达到最大行程时曲轴(2)与行程开关(6)的触点接触；完成在轨定标后，步进电机(1)逆向旋转再将黑体安装壳(11)拉回初始位置；往复运动中，仅使用一个行程开关(6)实现往复控制；所述曲轴(2)位于凸轮槽黑体传动杆(9)的凸轮凹槽底部时，由于凸轮槽黑体传动杆(9)的直线运动传递的力与“从动件”共线，无法由凸凸轮槽黑体传动杆(9)推动曲轴(2)运动从而实现机械自锁，此时即使电机不上电也能实现自锁；同理在运动至定标极限位置时，也能实现自锁；在探测器发射及在轨运行阶段，未定标时，黑体在黑体安装壳(11)内，处位于自锁限位的初始位置，在需要定标时，由步进电机驱动推动黑体及黑体安装壳(11)运动至辐射定标位置，从而完成定标；所述曲轴(2)的轴线旋转空间面与凸轮槽黑体传动杆(9)的凸轮槽槽口中心线所在面偏心不高于0.01；曲轴表面于凸轮槽黑体传动杆(9)配合运动过程中，在凸轮槽黑体传动杆(9)处于起始位置时，曲轴2存在
±
90
°
的旋转空间不与凸轮槽黑体传动杆(9)内壁产生直接接触。2.根据权利要求1所述的一种自锁式曲柄、凸轮黑体在轨定标机构，其特征在于：所述
步进电机(1)能在-65℃低温环境下工作，其内部输出轴采用的轴承采用固体润滑方式，且电机轴端全跳动小于0.005。3.根据权利要求1所述的一种自锁式曲柄、凸轮黑体在轨定标机构，其特征在于：所述曲轴(2)采用轴承钢材料，曲轴表面镀mos2固体润滑膜，曲轴两圆柱面轴线平行度不高于0.003，曲轴轴线与安装平面垂直度不高于0.005。4.根据权利要求1所述的一种自锁式曲柄、凸轮黑体在轨定标机构，其特征在于：所述凸轮槽黑体传动杆(9)凸轮凹槽内表面沿槽口中心线对称度不高于0.002，槽口内表面于安装面垂直度不高于0.005，且槽口表面镀mos2固体润滑膜。

技术总结
本发明公开了一种自锁式曲柄、凸轮黑体在轨定标机构，机构两端分别连接辐射黑体和低温光学冷箱箱体，黑体在通光孔内部，机构其他部分在通光孔外安装。该机构包括，曲轴、辐射黑体外壳、凸轮槽黑体传动杆、滑动导轨、步进电机、曲轴锁紧压块、行程开关、电机及弹簧转接板、机构安装座。在探测器发射时，曲轴位于凸轮槽的自锁行程内，整个机构由于机械自锁而使黑体位置处于通光孔侧边；在探测器(卫星)进入轨道后，由步进电机驱动曲柄驶出自锁区，通过凸轮槽及导轨将黑体推入通光孔中心位置进行辐射定标。该专利解决了在光学载荷内部极限安装空间情况下高可靠性的辐射黑体与自锁驱动机构不同安装界面的问题。不同安装界面的问题。不同安装界面的问题。


技术研发人员：张润峰 吕刚 徐睿 金健 何志平
受保护的技术使用者：中国科学院上海技术物理研究所
技术研发日：2023.05.06
技术公布日：2023/8/23