小型太陽模擬器設(shè)計(jì)研究

摘 ?要 ?太陽模擬器是一種模擬太陽輻射特性的測量儀器，其在航空航天領(lǐng)域中用來檢測衛(wèi)星熱設(shè)計(jì)的熱平衡試驗(yàn)和用來檢測衛(wèi)星姿態(tài)測量，并完成地面標(biāo)定與測試試驗(yàn)。本文在突出太陽模擬器小型化的特點(diǎn)下，詳細(xì)論述了太陽模擬器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，給出了詳細(xì)設(shè)計(jì)方案。本文設(shè)計(jì)的太陽模擬器設(shè)計(jì)方法簡單可靠，具有很大的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞 ?結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);太陽模擬器;方位俯仰機(jī)構(gòu)

中圖分類號：V524 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ?文章編號：1671-7597（2014）21-0014-02

太陽模擬器是一種模擬太陽輻射特性的測量實(shí)驗(yàn)儀器，其可以在地面環(huán)境下，模擬空間環(huán)境，提供具有真實(shí)太陽光譜分布、穩(wěn)定、均勻的太陽輻射源。目前空間技術(shù)呈現(xiàn)出跳躍式發(fā)展，對太陽模擬器提出了新的挑戰(zhàn)，本文設(shè)計(jì)出了一種小型太陽模擬器，利用方位與俯仰的伺服控制，實(shí)現(xiàn)了對太陽輻射源的全面模擬。

1 ?組成

1）組成。太陽模擬器組成圖如圖1所示。

圖1 ?太陽模擬器組成圖

太陽模擬器主要由氙燈電源、光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、方位與俯仰回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、控制柜、升降車八部分組成。機(jī)械系統(tǒng)用于支撐及固定整個(gè)結(jié)構(gòu);控制系統(tǒng)采用工控機(jī)結(jié)構(gòu);太陽模擬系統(tǒng)的方位方向和俯仰方向的轉(zhuǎn)動由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動減速器實(shí)現(xiàn)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動由工控機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器控制。

太陽模擬系統(tǒng)的方位方向和俯仰方向的角度值由絕對式軸角編碼器直接反饋給工控機(jī)。通過工控機(jī)控制軟件實(shí)現(xiàn)對角度的設(shè)置和運(yùn)動機(jī)構(gòu)的控制。同時(shí)將方位角和俯仰角的角度值實(shí)時(shí)的顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動速度也可通過控制軟件任意設(shè)置。

通過工控機(jī)鍵盤和鼠標(biāo)，工控機(jī)發(fā)出各種控制命令和數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)接收到命令和數(shù)據(jù)后，執(zhí)行相應(yīng)的操作，并將模擬器的位置角度值傳回控制工控機(jī)進(jìn)行顯示。

2）工控機(jī)。

工控機(jī)采用凌華M-302主板，主板技術(shù)指標(biāo)如下。

①采用Intel四核處理器;

②采用Intel Q965+1CH8DO 芯片組 supports up to 1066MHz FSB;

③支持雙通道 DDR2 800MHz;

④集成顯卡;

⑤一個(gè)PCI-E x16 插槽;

⑥一個(gè)PCI-E x4插槽;

⑦五個(gè)PCI插槽;

⑧1TB高速串口硬盤。

工控機(jī)圖片見圖2。

圖2 ?工控機(jī)外形圖

3）光機(jī)結(jié)構(gòu)。光機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示。方位與俯仰回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要由方位與俯仰回轉(zhuǎn)軸系、傳動機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)、驅(qū)動電機(jī)（步進(jìn)電機(jī)）及其控制器等組成。

圖3 ?外形結(jié)構(gòu)示意圖

4）方位轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)。太陽模擬器能夠作大于±60°的方位轉(zhuǎn)動。該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成由步進(jìn)電機(jī)、齒輪減速機(jī)構(gòu)、蝸輪蝸桿分度機(jī)構(gòu)、下箱體組件和方位轉(zhuǎn)動軸系組成。

工作原理：

方位轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)的工作原理是由固定在下箱體上端面的步進(jìn)電機(jī)作為動力源，齒輪減速機(jī)構(gòu)和蝸輪蝸桿分度機(jī)構(gòu)作為傳動機(jī)構(gòu)，將蝸輪、傳動軸固定在調(diào)平底座上，則轉(zhuǎn)動軸套、下箱體以及固定在下箱體上的所有零部件繞固定的垂直主軸轉(zhuǎn)動，并利用絕對式軸角編碼器測量監(jiān)控、機(jī)械逼近式閉環(huán)工作模式控制、測量轉(zhuǎn)動角度。

5）步進(jìn)電機(jī)選擇。

①方位步進(jìn)電機(jī)選擇：

由于方位轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度較慢且為更好的消除累計(jì)誤差，設(shè)計(jì)時(shí)選用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)。

根據(jù)整個(gè)太陽模擬的各項(xiàng)配置，計(jì)算出方位所需要的輸入的總力矩：

采用北京斯達(dá)微步控制技術(shù)有限公司生產(chǎn)的86BYG350B型步進(jìn)電機(jī)可以滿足此要求。它的輸出力矩為：當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為30 r/min時(shí)，輸出力矩3.4Nm;當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為60 r/min時(shí)，輸出力矩3.4Nm，完全滿足轉(zhuǎn)動部件所需要的輸入力矩。

②俯仰步進(jìn)電機(jī)選擇：

為了使俯仰軸轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，設(shè)計(jì)了配重組件。根據(jù)整個(gè)太陽模擬的各項(xiàng)配置，計(jì)算出所需要的輸入的總力矩：

考慮到統(tǒng)一性設(shè)計(jì)原理，俯仰步進(jìn)電機(jī)也采用北京斯達(dá)微步控制技術(shù)有限公司生產(chǎn)的86BYG350B型步進(jìn)電機(jī)。

6）主鏡筒設(shè)計(jì)。由過渡鏡筒、冷卻鏡筒、積分器投影鏡筒、積分器場鏡筒和匯聚疊加透鏡等組成，圖4為主鏡筒組件的三維模型圖。

圖4 ?主鏡筒的三維圖

2 ?結(jié)論

本文詳細(xì)論述了太陽模擬器的組成及工作原理，對設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析，該設(shè)計(jì)方法已成功應(yīng)用在工程實(shí)踐中。

參考文獻(xiàn)

[1]陳文志，蔣綠林，姜黎，等.太陽模擬器的光譜設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31（2）：1-6.

[2]盂嘉譯，付秀華，王迪.太陽模擬器中光譜修正濾光片的研制[J].光電工程，2010，37（2）：50-53.

[3]張以謨.用光學(xué)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

作者簡介

付東輝，男，高級實(shí)驗(yàn)師。endprint

摘 ?要 ?太陽模擬器是一種模擬太陽輻射特性的測量儀器，其在航空航天領(lǐng)域中用來檢測衛(wèi)星熱設(shè)計(jì)的熱平衡試驗(yàn)和用來檢測衛(wèi)星姿態(tài)測量，并完成地面標(biāo)定與測試試驗(yàn)。本文在突出太陽模擬器小型化的特點(diǎn)下，詳細(xì)論述了太陽模擬器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，給出了詳細(xì)設(shè)計(jì)方案。本文設(shè)計(jì)的太陽模擬器設(shè)計(jì)方法簡單可靠，具有很大的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞 ?結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);太陽模擬器;方位俯仰機(jī)構(gòu)

中圖分類號：V524 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ?文章編號：1671-7597（2014）21-0014-02

太陽模擬器是一種模擬太陽輻射特性的測量實(shí)驗(yàn)儀器，其可以在地面環(huán)境下，模擬空間環(huán)境，提供具有真實(shí)太陽光譜分布、穩(wěn)定、均勻的太陽輻射源。目前空間技術(shù)呈現(xiàn)出跳躍式發(fā)展，對太陽模擬器提出了新的挑戰(zhàn)，本文設(shè)計(jì)出了一種小型太陽模擬器，利用方位與俯仰的伺服控制，實(shí)現(xiàn)了對太陽輻射源的全面模擬。

1 ?組成

1）組成。太陽模擬器組成圖如圖1所示。

圖1 ?太陽模擬器組成圖

太陽模擬器主要由氙燈電源、光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、方位與俯仰回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、控制柜、升降車八部分組成。機(jī)械系統(tǒng)用于支撐及固定整個(gè)結(jié)構(gòu);控制系統(tǒng)采用工控機(jī)結(jié)構(gòu);太陽模擬系統(tǒng)的方位方向和俯仰方向的轉(zhuǎn)動由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動減速器實(shí)現(xiàn)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動由工控機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器控制。

太陽模擬系統(tǒng)的方位方向和俯仰方向的角度值由絕對式軸角編碼器直接反饋給工控機(jī)。通過工控機(jī)控制軟件實(shí)現(xiàn)對角度的設(shè)置和運(yùn)動機(jī)構(gòu)的控制。同時(shí)將方位角和俯仰角的角度值實(shí)時(shí)的顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動速度也可通過控制軟件任意設(shè)置。

通過工控機(jī)鍵盤和鼠標(biāo)，工控機(jī)發(fā)出各種控制命令和數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)接收到命令和數(shù)據(jù)后，執(zhí)行相應(yīng)的操作，并將模擬器的位置角度值傳回控制工控機(jī)進(jìn)行顯示。

2）工控機(jī)。

工控機(jī)采用凌華M-302主板，主板技術(shù)指標(biāo)如下。

①采用Intel四核處理器;

②采用Intel Q965+1CH8DO 芯片組 supports up to 1066MHz FSB;

③支持雙通道 DDR2 800MHz;

④集成顯卡;

⑤一個(gè)PCI-E x16 插槽;

⑥一個(gè)PCI-E x4插槽;

⑦五個(gè)PCI插槽;

⑧1TB高速串口硬盤。

工控機(jī)圖片見圖2。

圖2 ?工控機(jī)外形圖

3）光機(jī)結(jié)構(gòu)。光機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示。方位與俯仰回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要由方位與俯仰回轉(zhuǎn)軸系、傳動機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)、驅(qū)動電機(jī)（步進(jìn)電機(jī)）及其控制器等組成。

圖3 ?外形結(jié)構(gòu)示意圖

4）方位轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)。太陽模擬器能夠作大于±60°的方位轉(zhuǎn)動。該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成由步進(jìn)電機(jī)、齒輪減速機(jī)構(gòu)、蝸輪蝸桿分度機(jī)構(gòu)、下箱體組件和方位轉(zhuǎn)動軸系組成。

工作原理：

方位轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)的工作原理是由固定在下箱體上端面的步進(jìn)電機(jī)作為動力源，齒輪減速機(jī)構(gòu)和蝸輪蝸桿分度機(jī)構(gòu)作為傳動機(jī)構(gòu)，將蝸輪、傳動軸固定在調(diào)平底座上，則轉(zhuǎn)動軸套、下箱體以及固定在下箱體上的所有零部件繞固定的垂直主軸轉(zhuǎn)動，并利用絕對式軸角編碼器測量監(jiān)控、機(jī)械逼近式閉環(huán)工作模式控制、測量轉(zhuǎn)動角度。

5）步進(jìn)電機(jī)選擇。

①方位步進(jìn)電機(jī)選擇：

由于方位轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度較慢且為更好的消除累計(jì)誤差，設(shè)計(jì)時(shí)選用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)。

根據(jù)整個(gè)太陽模擬的各項(xiàng)配置，計(jì)算出方位所需要的輸入的總力矩：

采用北京斯達(dá)微步控制技術(shù)有限公司生產(chǎn)的86BYG350B型步進(jìn)電機(jī)可以滿足此要求。它的輸出力矩為：當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為30 r/min時(shí)，輸出力矩3.4Nm;當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為60 r/min時(shí)，輸出力矩3.4Nm，完全滿足轉(zhuǎn)動部件所需要的輸入力矩。

②俯仰步進(jìn)電機(jī)選擇：

為了使俯仰軸轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，設(shè)計(jì)了配重組件。根據(jù)整個(gè)太陽模擬的各項(xiàng)配置，計(jì)算出所需要的輸入的總力矩：

考慮到統(tǒng)一性設(shè)計(jì)原理，俯仰步進(jìn)電機(jī)也采用北京斯達(dá)微步控制技術(shù)有限公司生產(chǎn)的86BYG350B型步進(jìn)電機(jī)。

6）主鏡筒設(shè)計(jì)。由過渡鏡筒、冷卻鏡筒、積分器投影鏡筒、積分器場鏡筒和匯聚疊加透鏡等組成，圖4為主鏡筒組件的三維模型圖。

圖4 ?主鏡筒的三維圖

2 ?結(jié)論

本文詳細(xì)論述了太陽模擬器的組成及工作原理，對設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析，該設(shè)計(jì)方法已成功應(yīng)用在工程實(shí)踐中。

參考文獻(xiàn)

[1]陳文志，蔣綠林，姜黎，等.太陽模擬器的光譜設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31（2）：1-6.

[2]盂嘉譯，付秀華，王迪.太陽模擬器中光譜修正濾光片的研制[J].光電工程，2010，37（2）：50-53.

[3]張以謨.用光學(xué)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

作者簡介

付東輝，男，高級實(shí)驗(yàn)師。endprint

摘 ?要 ?太陽模擬器是一種模擬太陽輻射特性的測量儀器，其在航空航天領(lǐng)域中用來檢測衛(wèi)星熱設(shè)計(jì)的熱平衡試驗(yàn)和用來檢測衛(wèi)星姿態(tài)測量，并完成地面標(biāo)定與測試試驗(yàn)。本文在突出太陽模擬器小型化的特點(diǎn)下，詳細(xì)論述了太陽模擬器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，給出了詳細(xì)設(shè)計(jì)方案。本文設(shè)計(jì)的太陽模擬器設(shè)計(jì)方法簡單可靠，具有很大的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞 ?結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);太陽模擬器;方位俯仰機(jī)構(gòu)

中圖分類號：V524 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ?文章編號：1671-7597（2014）21-0014-02

太陽模擬器是一種模擬太陽輻射特性的測量實(shí)驗(yàn)儀器，其可以在地面環(huán)境下，模擬空間環(huán)境，提供具有真實(shí)太陽光譜分布、穩(wěn)定、均勻的太陽輻射源。目前空間技術(shù)呈現(xiàn)出跳躍式發(fā)展，對太陽模擬器提出了新的挑戰(zhàn)，本文設(shè)計(jì)出了一種小型太陽模擬器，利用方位與俯仰的伺服控制，實(shí)現(xiàn)了對太陽輻射源的全面模擬。

1 ?組成

1）組成。太陽模擬器組成圖如圖1所示。

圖1 ?太陽模擬器組成圖

太陽模擬器主要由氙燈電源、光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、方位與俯仰回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、控制柜、升降車八部分組成。機(jī)械系統(tǒng)用于支撐及固定整個(gè)結(jié)構(gòu);控制系統(tǒng)采用工控機(jī)結(jié)構(gòu);太陽模擬系統(tǒng)的方位方向和俯仰方向的轉(zhuǎn)動由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動減速器實(shí)現(xiàn)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動由工控機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器控制。

太陽模擬系統(tǒng)的方位方向和俯仰方向的角度值由絕對式軸角編碼器直接反饋給工控機(jī)。通過工控機(jī)控制軟件實(shí)現(xiàn)對角度的設(shè)置和運(yùn)動機(jī)構(gòu)的控制。同時(shí)將方位角和俯仰角的角度值實(shí)時(shí)的顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動速度也可通過控制軟件任意設(shè)置。

通過工控機(jī)鍵盤和鼠標(biāo)，工控機(jī)發(fā)出各種控制命令和數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)接收到命令和數(shù)據(jù)后，執(zhí)行相應(yīng)的操作，并將模擬器的位置角度值傳回控制工控機(jī)進(jìn)行顯示。

2）工控機(jī)。

工控機(jī)采用凌華M-302主板，主板技術(shù)指標(biāo)如下。

①采用Intel四核處理器;

②采用Intel Q965+1CH8DO 芯片組 supports up to 1066MHz FSB;

③支持雙通道 DDR2 800MHz;

④集成顯卡;

⑤一個(gè)PCI-E x16 插槽;

⑥一個(gè)PCI-E x4插槽;

⑦五個(gè)PCI插槽;

⑧1TB高速串口硬盤。

工控機(jī)圖片見圖2。

圖2 ?工控機(jī)外形圖

3）光機(jī)結(jié)構(gòu)。光機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示。方位與俯仰回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要由方位與俯仰回轉(zhuǎn)軸系、傳動機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)、驅(qū)動電機(jī)（步進(jìn)電機(jī)）及其控制器等組成。

圖3 ?外形結(jié)構(gòu)示意圖

4）方位轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)。太陽模擬器能夠作大于±60°的方位轉(zhuǎn)動。該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成由步進(jìn)電機(jī)、齒輪減速機(jī)構(gòu)、蝸輪蝸桿分度機(jī)構(gòu)、下箱體組件和方位轉(zhuǎn)動軸系組成。

工作原理：

方位轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)的工作原理是由固定在下箱體上端面的步進(jìn)電機(jī)作為動力源，齒輪減速機(jī)構(gòu)和蝸輪蝸桿分度機(jī)構(gòu)作為傳動機(jī)構(gòu)，將蝸輪、傳動軸固定在調(diào)平底座上，則轉(zhuǎn)動軸套、下箱體以及固定在下箱體上的所有零部件繞固定的垂直主軸轉(zhuǎn)動，并利用絕對式軸角編碼器測量監(jiān)控、機(jī)械逼近式閉環(huán)工作模式控制、測量轉(zhuǎn)動角度。

5）步進(jìn)電機(jī)選擇。

①方位步進(jìn)電機(jī)選擇：

由于方位轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度較慢且為更好的消除累計(jì)誤差，設(shè)計(jì)時(shí)選用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)。

根據(jù)整個(gè)太陽模擬的各項(xiàng)配置，計(jì)算出方位所需要的輸入的總力矩：

采用北京斯達(dá)微步控制技術(shù)有限公司生產(chǎn)的86BYG350B型步進(jìn)電機(jī)可以滿足此要求。它的輸出力矩為：當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為30 r/min時(shí)，輸出力矩3.4Nm;當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為60 r/min時(shí)，輸出力矩3.4Nm，完全滿足轉(zhuǎn)動部件所需要的輸入力矩。

②俯仰步進(jìn)電機(jī)選擇：

為了使俯仰軸轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，設(shè)計(jì)了配重組件。根據(jù)整個(gè)太陽模擬的各項(xiàng)配置，計(jì)算出所需要的輸入的總力矩：

考慮到統(tǒng)一性設(shè)計(jì)原理，俯仰步進(jìn)電機(jī)也采用北京斯達(dá)微步控制技術(shù)有限公司生產(chǎn)的86BYG350B型步進(jìn)電機(jī)。

6）主鏡筒設(shè)計(jì)。由過渡鏡筒、冷卻鏡筒、積分器投影鏡筒、積分器場鏡筒和匯聚疊加透鏡等組成，圖4為主鏡筒組件的三維模型圖。

圖4 ?主鏡筒的三維圖

2 ?結(jié)論

本文詳細(xì)論述了太陽模擬器的組成及工作原理，對設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析，該設(shè)計(jì)方法已成功應(yīng)用在工程實(shí)踐中。

參考文獻(xiàn)

[1]陳文志，蔣綠林，姜黎，等.太陽模擬器的光譜設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31（2）：1-6.

[2]盂嘉譯，付秀華，王迪.太陽模擬器中光譜修正濾光片的研制[J].光電工程，2010，37（2）：50-53.

[3]張以謨.用光學(xué)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

作者簡介

付東輝，男，高級實(shí)驗(yàn)師。endprint