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1前言
    當前全世界都在關注小型衛星，而當衛星和地面之間進行通信時，人們對高度的大容量的通信需求有了更高的要求，所以很多衛星都搭載了可以驅動通信天線的指向裝置。

    地球觀測衛星ASNARO的天線指向裝置雖然采用了X-Y萬向架機構，但是在指揮搭載機器的配線時，必須要與線纜托盤及聯軸等部品一起才能發揮作用，這樣產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節機器，與以前的X-Y萬向架機構進行比較，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萬向架機構概要
    研究討論斜交關節機的同時，也展示了ASNARO搭載用的X-Y平衡機的概要。表1所示的是X-Y萬向架的主要機能與性能，圖1所示的是它的基本構造。

圖1 X-Y萬向架機構設計圖例

2.2X-Y萬向架機構特征
    由于X-Y萬向架機構在±90°的驅動范圍內沒有異常點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、減速機等往復運動部的尺寸、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生變化，因此根據聯軸及其他構造有必要控制讓線纜不讓其過度彎曲。

3 斜交關節機構
3.1斜交關節機構的概要
    圖2是斜交關節的概略圖。

圖2 斜交關節機構概略圖

    斜交關節機構是由旋轉軸與它的轉子側斜向安裝的斜交軸2軸構成的，是驅動萬向架構造。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，斜交關節機構利用同時確定旋轉軸與斜交軸的2個旋轉角度控制方位角和仰角。

3.2斜交關節機構的特征
斜交關節機構的特征如下：
    將各個旋轉機構做成中空構造，然后將配管及配線內置，從而實現小型化。

    畫出半球軌跡，沒有異常點根據以上特征我們認為斜交關節機構適合天線指向裝置，所以開始實施此設計。

4 天線指向裝置的應用
    將X-Y萬向架機構變更為斜交關節機構的天線指向裝置的構造如圖3所示。

圖3 斜交關節機構構造圖

    驅動用的往復運動氣缸，采用的是通過X-Y萬向架設計的往復運動氣缸，并介由斜交關節機構探討天線指向裝置的小型化、輕型化。

    關于X-Y萬向架，通過本構造是有可能實現約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運動氣缸驅動用的線纜導線。特別是考慮到天線傳送線纜根據彎曲半徑及扭卷特性會發生變化，所以有必要在設計的時候考慮配線。

5 天線指向裝置的設計
5.1根據斜交關節機構設計
    因為要采用斜交關節機構，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所示的斜交關節機構天線指向裝置，檢討往復運動氣缸的修正和天線保持構造。

    本次設計的天線指向裝置的系統構成與現行的X-Y萬向架一樣，優先考慮機構全體的輕型化，在控制方面，使用步進電機，其不需要能檢測出旋變及電位絕對角度的角度傳感器。

    減速機方面，在諧波驅動齒輪、原點傳感及極性傳感上使用霍爾器件。

    斜交關節機構天線指向裝置的系統框架圖如圖4所示。

圖4 斜交關節機構系統框架圖

5.2往復運動氣缸設計
    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電機和諧波驅動齒輪組合使用。

    另，因為要以步進電機的步進數為基準，進行開環控制，所以就必須決定作為基準的原點位置且它的精度必須要在±0.1°。

圖5 往復運動氣缸截面圖

    現行的X-Y萬向架的霍爾器件單體角度檢出位置分布是0.66°，因往復運動氣缸輸出軸單體不能達到目標位置精度，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都使用霍爾器件而檢測出高精度的原點。

5.3天線保持構造
    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造，且本次斜交關節機構在驅動部分采用的是大口徑、扁平中空往復運動氣缸，所以使得天線傳送用的線纜可以通過裝置內部。

    但是，基于斜交關節機構的動作性質，天線本體在做滾動運動時，天線傳送用的線纜就會發生扭卷。線纜的扭卷是關系到傳送性能的一個主要因素，因此必須要設計一個不讓天線發生滾動運動的構造。

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

圖6 天線結構圖

5.4詳細設計
    就先前討論的往復運動氣缸及軸承保持構造的組裝展開構造部品的討論。

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

    針對構造部品，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詳細設計里有顯示組裝圖。

圖7 組裝圖

6 天線指向裝置的評價
6.1外形.質量
    斜交關節天線指向裝置的最大外形：天線外徑∮320mm，高度380mm

    斜交關節機構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斜交旋轉軸的動作角度是180°時，距離旋轉軸中心200mm。這個值即使是和X-Y萬向架的Y軸旋轉角度旋轉90°時，距離Y軸中心245mm的數值相比較也是比較小的，從小型衛星姿勢控制來看，動作后，保持緊密外形的斜交關節機構是具有優勢地位的。

    本裝置的質量約在4kg內，往復運動氣缸單體的質量約占25%。接下來為了達到更進一步的輕型化有必要采取往復運動氣缸的輕量化。

6.2比較評價
    以開發的斜交關節機構天線指向裝置和ASNARO向的X-Y萬向架的性能進行評價比較，結果如圖2所示。

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

    關于原點精度，因為使用了和X-Y萬向架一樣的原點檢測機，所以可以取得同樣的精度。

    質量方面，X-Y萬向架是4.4kg，斜交關節機構是3.9kg，實現了開發ASNARO向的天線指向裝置的最初目標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行實機驗證，但是根據防止天線傳送線纜扭卷的保持構造，可以推測出能取得與目標值同等的性能。

7 小結
    在本研究中，為了將X-Y萬向架構造采用的ASNARO向的天線指向裝置小型輕量化，用斜交關節機構進行探討。

    使用扁平步進電機和諧波驅動齒輪的驅動速度和原點精度等與X-Y萬向架的往復運動氣缸幾乎相同，為了通過天線傳送線纜探討中控往復運動氣缸。

    另，天線通過軸承保持構造，天線傳送線纜在斜交關節機構動作時會產生扭卷，我們檢討了可以消除這種扭卷的構造。對天線指向裝置的構造進行了檢討，做成3DCAD數據，確認可做成比X-Y萬向架更小型更輕量的裝置。

    作為今后的課題，有必要進行面向下記實用化的解析及實驗。

    各種解析的實施

    針對靜解析、固有值解析、熱解析等3DCAD數據的各種解析都是很有必要的。

    （2）實機實驗

    X-Y萬向架方面，進行震動實驗、熱真空實驗等實機驗證，為了采用本研究所取得的天線指向裝置，有必要進行與X-Y萬向架相同的實驗。