1前言
    當(dāng)前全世界都在關(guān)注小型衛(wèi)星，而當(dāng)衛(wèi)星和地面之間進(jìn)行通信時，人們對高度的大容量的通信需求有了更高的要求，所以很多衛(wèi)星都搭載了可以驅(qū)動通信天線的指向裝置。

    地球觀測衛(wèi)星ASNARO的天線指向裝置雖然采用了X-Y萬向架機(jī)構(gòu)，但是在指揮搭載機(jī)器的配線時，必須要與線纜托盤及聯(lián)軸等部品一起才能發(fā)揮作用，這樣產(chǎn)品的重量增加了外形也變大了，所以尋求更小型更輕型的裝置就成了一個重要的課題。

    本研究采用了斜交關(guān)節(jié)機(jī)器，與以前的X-Y萬向架機(jī)構(gòu)進(jìn)行比較，探討天線指向裝置的小型，輕型化。

2 X-Y萬向架的特征
2.1X-Y萬向架機(jī)構(gòu)概要
    研究討論斜交關(guān)節(jié)機(jī)的同時，也展示了ASNARO搭載用的X-Y平衡機(jī)的概要。表1所示的是X-Y萬向架的主要機(jī)能與性能，圖1所示的是它的基本構(gòu)造。

圖1 X-Y萬向架機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖例

2.2X-Y萬向架機(jī)構(gòu)特征
    由于X-Y萬向架機(jī)構(gòu)在±90°的驅(qū)動范圍內(nèi)沒有異常點(diǎn)所以人們期待它能取代AZ/EL方式的指向裝置。一方面，形狀上的不平衡會使慣性變大，另一方面電機(jī)、減速機(jī)等往復(fù)運(yùn)動部的尺寸、容量也會變大、那么天線指向裝置的尺寸也會有變大的傾向。還有一點(diǎn)就是天線傳送線纜會隨著彎曲半徑變小而使得傳送特性發(fā)生變化，因此根據(jù)聯(lián)軸及其他構(gòu)造有必要控制讓線纜不讓其過度彎曲。

3 斜交關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)
3.1斜交關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的概要
    圖2是斜交關(guān)節(jié)的概略圖。

圖2 斜交關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)概略圖

    斜交關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)是由旋轉(zhuǎn)軸與它的轉(zhuǎn)子側(cè)斜向安裝的斜交軸2軸構(gòu)成的，是驅(qū)動萬向架構(gòu)造。針對X-Y萬向架，通過直交2軸萬向架直接控制方位角、仰角的方式，斜交關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)利用同時確定旋轉(zhuǎn)軸與斜交軸的2個旋轉(zhuǎn)角度控制方位角和仰角。

3.2斜交關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的特征
斜交關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的特征如下：
    將各個旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)做成中空構(gòu)造，然后將配管及配線內(nèi)置，從而實(shí)現(xiàn)小型化。

    畫出半球軌跡，沒有異常點(diǎn)根據(jù)以上特征我們認(rèn)為斜交關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)適合天線指向裝置，所以開始實(shí)施此設(shè)計(jì)。

4 天線指向裝置的應(yīng)用
    將X-Y萬向架機(jī)構(gòu)變更為斜交關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的天線指向裝置的構(gòu)造如圖3所示。

圖3 斜交關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)構(gòu)造圖

    驅(qū)動用的往復(fù)運(yùn)動氣缸，采用的是通過X-Y萬向架設(shè)計(jì)的往復(fù)運(yùn)動氣缸，并介由斜交關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)探討天線指向裝置的小型化、輕型化。

    關(guān)于X-Y萬向架，通過本構(gòu)造是有可能實(shí)現(xiàn)約25%的小型化和45%的輕型化。

    但是在此沒有考慮圖3所探討的天線指向裝置中天線傳送用的線纜及往復(fù)運(yùn)動氣缸驅(qū)動用的線纜導(dǎo)線。特別是考慮到天線傳送線纜根據(jù)彎曲半徑及扭卷特性會發(fā)生變化，所以有必要在設(shè)計(jì)的時候考慮配線。

5 天線指向裝置的設(shè)計(jì)
5.1根據(jù)斜交關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
    因?yàn)橐捎眯苯魂P(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，所以必須要考慮天線傳送用的線纜的彎度及扭卷。針對圖3所示的斜交關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)天線指向裝置，檢討往復(fù)運(yùn)動氣缸的修正和天線保持構(gòu)造。

    本次設(shè)計(jì)的天線指向裝置的系統(tǒng)構(gòu)成與現(xiàn)行的X-Y萬向架一樣，優(yōu)先考慮機(jī)構(gòu)全體的輕型化，在控制方面，使用步進(jìn)電機(jī)，其不需要能檢測出旋變及電位絕對角度的角度傳感器。

    減速機(jī)方面，在諧波驅(qū)動齒輪、原點(diǎn)傳感及極性傳感上使用霍爾器件。

    斜交關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)天線指向裝置的系統(tǒng)框架圖如圖4所示。

圖4 斜交關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)框架圖

5.2往復(fù)運(yùn)動氣缸設(shè)計(jì)
    為了在軸中心通過天線傳送用的線纜，將大口徑的扁平的步進(jìn)電機(jī)和諧波驅(qū)動齒輪組合使用。

    另，因?yàn)橐圆竭M(jìn)電機(jī)的步進(jìn)數(shù)為基準(zhǔn)，進(jìn)行開環(huán)控制，所以就必須決定作為基準(zhǔn)的原點(diǎn)位置且它的精度必須要在±0.1°。

圖5 往復(fù)運(yùn)動氣缸截面圖

    現(xiàn)行的X-Y萬向架的霍爾器件單體角度檢出位置分布是0.66°，因往復(fù)運(yùn)動氣缸輸出軸單體不能達(dá)到目標(biāo)位置精度，因此在輸入軸處也要裝上霍爾器件，通過輸出信號和AND檢測出高精度的絕對值位置。

    本次天線指向裝置通過在輸出軸與輸入軸側(cè)都使用霍爾器件而檢測出高精度的原點(diǎn)。

5.3天線保持構(gòu)造
    X-Y萬向架采用了線纜托盤及最小彎曲半徑的天線傳送線纜構(gòu)造，且本次斜交關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)在驅(qū)動部分采用的是大口徑、扁平中空往復(fù)運(yùn)動氣缸，所以使得天線傳送用的線纜可以通過裝置內(nèi)部。

    但是，基于斜交關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的動作性質(zhì)，天線本體在做滾動運(yùn)動時，天線傳送用的線纜就會發(fā)生扭卷。線纜的扭卷是關(guān)系到傳送性能的一個主要因素，因此必須要設(shè)計(jì)一個不讓天線發(fā)生滾動運(yùn)動的構(gòu)造。

    徑向方向、推力方向可共同保持的傾斜背面與軸承相碰，構(gòu)成天線可自由旋轉(zhuǎn)的構(gòu)造。此時，通過地面追尾等天線指向裝置產(chǎn)生動作，這樣即使天線進(jìn)行滾動運(yùn)動天線傳送線纜產(chǎn)生扭卷，也可通過其自身的反作用力恢復(fù)原狀，由此使得天線自由運(yùn)動成為可能。（參照圖6）

圖6 天線結(jié)構(gòu)圖

5.4詳細(xì)設(shè)計(jì)
    就先前討論的往復(fù)運(yùn)動氣缸及軸承保持構(gòu)造的組裝展開構(gòu)造部品的討論。

    構(gòu)造部品的材料主要使用了鋁合金。對強(qiáng)度有要求的部品則選擇了【A7000系】鋁合金與鈦合金，機(jī)罩等對強(qiáng)度沒有什么要求的部品選擇【A5000系】鋁合金，其他構(gòu)造部品選擇【A6000系】鋁合金。

    針對構(gòu)造部品，做出各個部品的圖面，并將這些圖紙通過3DCAD匯編起來。在圖7詳細(xì)設(shè)計(jì)里有顯示組裝圖。

圖7 組裝圖

6 天線指向裝置的評價
6.1外形.質(zhì)量
    斜交關(guān)節(jié)天線指向裝置的最大外形：天線外徑∮320mm，高度380mm

    斜交關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)天線指向裝置的外觀如圖8所示。

圖8 外觀圖

    另，動作的最大外形是當(dāng)斜交旋轉(zhuǎn)軸的動作角度是180°時，距離旋轉(zhuǎn)軸中心200mm。這個值即使是和X-Y萬向架的Y軸旋轉(zhuǎn)角度旋轉(zhuǎn)90°時，距離Y軸中心245mm的數(shù)值相比較也是比較小的，從小型衛(wèi)星姿勢控制來看，動作后，保持緊密外形的斜交關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)是具有優(yōu)勢地位的。

    本裝置的質(zhì)量約在4kg內(nèi)，往復(fù)運(yùn)動氣缸單體的質(zhì)量約占25%。接下來為了達(dá)到更進(jìn)一步的輕型化有必要采取往復(fù)運(yùn)動氣缸的輕量化。

6.2比較評價
    以開發(fā)的斜交關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)天線指向裝置和ASNARO向的X-Y萬向架的性能進(jìn)行評價比較，結(jié)果如圖2所示。

    在驅(qū)動速度方面。能取得與X-Y萬向架同等的性能，但是在驅(qū)動范圍上由于機(jī)器剎車的原因在半球上全范圍動作是比較困難的。

    關(guān)于原點(diǎn)精度，因?yàn)槭褂昧撕蚗-Y萬向架一樣的原點(diǎn)檢測機(jī)，所以可以取得同樣的精度。

    質(zhì)量方面，X-Y萬向架是4.4kg，斜交關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)是3.9kg，實(shí)現(xiàn)了開發(fā)ASNARO向的天線指向裝置的最初目標(biāo)4kg以下。外形上取得了約10%的小型裝置。在天線得利方面雖然還沒法進(jìn)行實(shí)機(jī)驗(yàn)證，但是根據(jù)防止天線傳送線纜扭卷的保持構(gòu)造，可以推測出能取得與目標(biāo)值同等的性能。

7 小結(jié)
    在本研究中，為了將X-Y萬向架構(gòu)造采用的ASNARO向的天線指向裝置小型輕量化，用斜交關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行探討。

    使用扁平步進(jìn)電機(jī)和諧波驅(qū)動齒輪的驅(qū)動速度和原點(diǎn)精度等與X-Y萬向架的往復(fù)運(yùn)動氣缸幾乎相同，為了通過天線傳送線纜探討中控往復(fù)運(yùn)動氣缸。

    另，天線通過軸承保持構(gòu)造，天線傳送線纜在斜交關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)動作時會產(chǎn)生扭卷，我們檢討了可以消除這種扭卷的構(gòu)造。對天線指向裝置的構(gòu)造進(jìn)行了檢討，做成3DCAD數(shù)據(jù)，確認(rèn)可做成比X-Y萬向架更小型更輕量的裝置。

    作為今后的課題，有必要進(jìn)行面向下記實(shí)用化的解析及實(shí)驗(yàn)。

    各種解析的實(shí)施

    針對靜解析、固有值解析、熱解析等3DCAD數(shù)據(jù)的各種解析都是很有必要的。

    （2）實(shí)機(jī)實(shí)驗(yàn)

    X-Y萬向架方面，進(jìn)行震動實(shí)驗(yàn)、熱真空實(shí)驗(yàn)等實(shí)機(jī)驗(yàn)證，為了采用本研究所取得的天線指向裝置，有必要進(jìn)行與X-Y萬向架相同的實(shí)驗(yàn)。