1前言
    当前全世界都在关注小型卫星，而当卫星和地面之间进行通信时，人们对高度的大容量的通信需求有了更高的要求，所以很多卫星都搭载了可以驱动通信天线的指向装置。

    地球观测卫星ASNARO的天线指向装置虽然采用了X-Y万向架机构，但是在指挥搭载机器的配线时，必须要与线缆托盘及联轴等部品一起才能发挥作用，这样产品的重量增加了外形也变大了，所以寻求更小型更轻型的装置就成了一个重要的课题。

    本研究采用了斜交关节机器，与以前的X-Y万向架机构进行比较，探讨天线指向装置的小型，轻型化。

2 X-Y万向架的特征
2.1X-Y万向架机构概要
    研究讨论斜交关节机的同时，也展示了ASNARO搭载用的X-Y平衡机的概要。表1所示的是X-Y万向架的主要机能与性能，图1所示的是它的基本构造。

图1 X-Y万向架机构设计图例

2.2X-Y万向架机构特征
    由于X-Y万向架机构在±90°的驱动范围内没有异常点所以人们期待它能取代AZ/EL方式的指向装置。一方面，形状上的不平衡会使惯性变大，另一方面电机、减速机等往复运动部的尺寸、容量也会变大、那么天线指向装置的尺寸也会有变大的倾向。还有一点就是天线传送线缆会随着弯曲半径变小而使得传送特性发生变化，因此根据联轴及其他构造有必要控制让线缆不让其过度弯曲。

3 斜交关节机构
3.1斜交关节机构的概要
    图2是斜交关节的概略图。

图2 斜交关节机构概略图

    斜交关节机构是由旋转轴与它的转子侧斜向安装的斜交轴2轴构成的，是驱动万向架构造。针对X-Y万向架，通过直交2轴万向架直接控制方位角、仰角的方式，斜交关节机构利用同时确定旋转轴与斜交轴的2个旋转角度控制方位角和仰角。

3.2斜交关节机构的特征
斜交关节机构的特征如下：
    将各个旋转机构做成中空构造，然后将配管及配线内置，从而实现小型化。

    画出半球轨迹，没有异常点根据以上特征我们认为斜交关节机构适合天线指向装置，所以开始实施此设计。

4 天线指向装置的应用
    将X-Y万向架机构变更为斜交关节机构的天线指向装置的构造如图3所示。

图3 斜交关节机构构造图

    驱动用的往复运动气缸，采用的是通过X-Y万向架设计的往复运动气缸，并介由斜交关节机构探讨天线指向装置的小型化、轻型化。

    关于X-Y万向架，通过本构造是有可能实现约25%的小型化和45%的轻型化。

    但是在此没有考虑图3所探讨的天线指向装置中天线传送用的线缆及往复运动气缸驱动用的线缆导线。特别是考虑到天线传送线缆根据弯曲半径及扭卷特性会发生变化，所以有必要在设计的时候考虑配线。

5 天线指向装置的设计
5.1根据斜交关节机构设计
    因为要采用斜交关节机构，所以必须要考虑天线传送用的线缆的弯度及扭卷。针对图3所示的斜交关节机构天线指向装置，检讨往复运动气缸的修正和天线保持构造。

    本次设计的天线指向装置的系统构成与现行的X-Y万向架一样，优先考虑机构全体的轻型化，在控制方面，使用步进电机，其不需要能检测出旋变及电位绝对角度的角度传感器。

    减速机方面，在谐波驱动齿轮、原点传感及极性传感上使用霍尔器件。

    斜交关节机构天线指向装置的系统框架图如图4所示。

图4 斜交关节机构系统框架图

5.2往复运动气缸设计
    为了在轴中心通过天线传送用的线缆，将大口径的扁平的步进电机和谐波驱动齿轮组合使用。

    另，因为要以步进电机的步进数为基准，进行开环控制，所以就必须决定作为基准的原点位置且它的精度必须要在±0.1°。

图5 往复运动气缸截面图

    现行的X-Y万向架的霍尔器件单体角度检出位置分布是0.66°，因往复运动气缸输出轴单体不能达到目标位置精度，因此在输入轴处也要装上霍尔器件，通过输出信号和AND检测出高精度的绝对值位置。

    本次天线指向装置通过在输出轴与输入轴侧都使用霍尔器件而检测出高精度的原点。

5.3天线保持构造
    X-Y万向架采用了线缆托盘及最小弯曲半径的天线传送线缆构造，且本次斜交关节机构在驱动部分采用的是大口径、扁平中空往复运动气缸，所以使得天线传送用的线缆可以通过装置内部。

    但是，基于斜交关节机构的动作性质，天线本体在做滚动运动时，天线传送用的线缆就会发生扭卷。线缆的扭卷是关系到传送性能的一个主要因素，因此必须要设计一个不让天线发生滚动运动的构造。

    径向方向、推力方向可共同保持的倾斜背面与轴承相碰，构成天线可自由旋转的构造。此时，通过地面追尾等天线指向装置产生动作，这样即使天线进行滚动运动天线传送线缆产生扭卷，也可通过其自身的反作用力恢复原状，由此使得天线自由运动成为可能。（参照图6）

图6 天线结构图

5.4详细设计
    就先前讨论的往复运动气缸及轴承保持构造的组装展开构造部品的讨论。

    构造部品的材料主要使用了铝合金。对强度有要求的部品则选择了【A7000系】铝合金与钛合金，机罩等对强度没有什么要求的部品选择【A5000系】铝合金，其他构造部品选择【A6000系】铝合金。

    针对构造部品，做出各个部品的图面，并将这些图纸通过3DCAD汇编起来。在图7详细设计里有显示组装图。

图7 组装图

6 天线指向装置的评价
6.1外形.质量
    斜交关节天线指向装置的最大外形：天线外径∮320mm，高度380mm

    斜交关节机构天线指向装置的外观如图8所示。

图8 外观图

    另，动作的最大外形是当斜交旋转轴的动作角度是180°时，距离旋转轴中心200mm。这个值即使是和X-Y万向架的Y轴旋转角度旋转90°时，距离Y轴中心245mm的数值相比较也是比较小的，从小型卫星姿势控制来看，动作后，保持紧密外形的斜交关节机构是具有优势地位的。

    本装置的质量约在4kg内，往复运动气缸单体的质量约占25%。接下来为了达到更进一步的轻型化有必要采取往复运动气缸的轻量化。

6.2比较评价
    以开发的斜交关节机构天线指向装置和ASNARO向的X-Y万向架的性能进行评价比较，结果如图2所示。

    在驱动速度方面。能取得与X-Y万向架同等的性能，但是在驱动范围上由于机器刹车的原因在半球上全范围动作是比较困难的。

    关于原点精度，因为使用了和X-Y万向架一样的原点检测机，所以可以取得同样的精度。

    质量方面，X-Y万向架是4.4kg，斜交关节机构是3.9kg，实现了开发ASNARO向的天线指向装置的最初目标4kg以下。外形上取得了约10%的小型装置。在天线得利方面虽然还没法进行实机验证，但是根据防止天线传送线缆扭卷的保持构造，可以推测出能取得与目标值同等的性能。

7 小结
    在本研究中，为了将X-Y万向架构造采用的ASNARO向的天线指向装置小型轻量化，用斜交关节机构进行探讨。

    使用扁平步进电机和谐波驱动齿轮的驱动速度和原点精度等与X-Y万向架的往复运动气缸几乎相同，为了通过天线传送线缆探讨中控往复运动气缸。

    另，天线通过轴承保持构造，天线传送线缆在斜交关节机构动作时会产生扭卷，我们检讨了可以消除这种扭卷的构造。对天线指向装置的构造进行了检讨，做成3DCAD数据，确认可做成比X-Y万向架更小型更轻量的装置。

    作为今后的课题，有必要进行面向下记实用化的解析及实验。

    各种解析的实施

    针对静解析、固有值解析、热解析等3DCAD数据的各种解析都是很有必要的。

    （2）实机实验

    X-Y万向架方面，进行震动实验、热真空实验等实机验证，为了采用本研究所取得的天线指向装置，有必要进行与X-Y万向架相同的实验。