EGSE für einen Hexapod : Entwicklung und Bau eines EGSE für eine sechs-Achsen-Parallelkinematik zur Anwendung in der Raumfahrt

Abstract

Hexapoden, oder auch Stewart-Gough-Plattformen, bieten die Möglichkeit sich in allen sechs Freiheitsgraden im Raum, mit einer leichten und steifen Struktur, zu bewegen. Sie eignen sich daher für viele Anwendungen bei denen geringe Masse und Präzision entscheidend sind. Das Unternehmen RUAG Space Austria entwickelt zurzeit eine derartige sechs-Achsen-Parallelkinematik, für den Betrieb in einem orbital operierenden Spiegelteleskop. Der Mechanismus muss dabei den Belastungen beim Start und extremen Temperaturen im Einsatz widerstehen. Trotzdem muss es möglich sein, ihn auf 200 nm genau zu positionieren um Bilder, aus entfernten Galaxien, in der gewünschten Qualität zu erhalten. Die Arbeit behandelt die Entwicklung, den Bau und die Funktionstests eines EGSE (Electronical Ground Support Equipment) zur Steuerung dieser sechs-Achsen-Parallelkinematik. Das EGSE muss alle elektrischen und elektronischen Komponenten dieses Mechanismus bedienen. Es wird dazu eingesetzt, alle nötigen Funktionstests vor der Auslieferung an den Kunden durchzuführen. Die Parallelkinematik wird mit sechs Schrittmotoren angetrieben. Kernelement des EGSE ist die Schrittmotortreiberstufe Nanotec SMCI 36. Diese Treiberstufe bildet den Ausgangspunkt der Entwicklung. Die sechs Treiberstufen werden zusammen mit anderen Komponenten zu einem einsatzfähigen System verbaut. Das Gesamtsystem ist am Schluss in der Lage, die Plattform, durch die Eingabe von fünf Lagekoordinaten, in eine beliebige Endposition zu bewegen. Das EGSE bietet außerdem alle Interfaces, die notwendig sind, um die Motoren im Betrieb messtechnisch zu überwachen. Eine besondere Herausforderung war es, das EGSE modular aufzubauen. Zu diesem Zweck sind alle sechs Treiberstufen auf eigens dafür designten Platinen verbaut, die die äußere Beschaltung der Steuerung, die Filterung der Ausgangsströme und deren Messung ermöglichen. Zusätzlich zu den sechs SMCI 36 Steuerungen ist eine siebte Steuerung mit der Bezeichnung Starting Current verbaut. Diese Steuerung ermöglicht es, das Losbrechmoment jedes einzelnen Motors zu bestimmen. Die Starting Current wurde mit einem Mikrocontroller realisiert. Um den Mechanismus im Testbetrieb nicht zu gefährden, sind gewisse Sicherheitsvorkehrungen eingebaut. Diese Sicherheitsvorkehrungen sollen in erster Linie eine Fehlbedienung verhindern und sind ebenfalls durch einen Mikrocontroller realisiert worden. Die Betriebstauglichkeit des EGSE musste, vor dem Einsatz mit der sensiblen Flughardware, nachgewiesen werden. Zu diesem Zweck wurde ein Testhexapod gebaut. Diese Testplattform ist ein grobes Modell des späteren Mechanismus und bildet alle seine Funktionen ab. Als Abschluss der Arbeit wurde das fertige EGSE zusammen mit dieser Testplattform erfolgreich auf Betriebstauglichkeit hin überprüft.

Hexapods, alternatively known as Stewart-Gough platforms, allow for the possibility to move in all six degrees of freedom, with a light structure of high rigidity. Therefore they are ideal for a number of applications in which low mass and precision are of high importance. The company RUAG Space Austria is developing such a six-axis-parallel-kinematics, for use in a reflecting telescope in earth orbit. The machinery has to be able to withstand the forces of a rocket launch and the extreme temperatures of space. Despite these conditions it has to be possible to position the mechanism with a precision of 200 nm to take pictures of distant galaxies in the desired accuracy. This paper examines the development, building and functional checks of an EGSE (Electronical Ground Support Equipment) for the control of said six-axis-parallel-kinematic. The EGSE has to control all of the systems electric and electronical components. It is used to do all necessary functional checks before delivery to the customer. The parallel-geometry is powered by six stepper motors. At the core of the EGSE is the Nanotec SMCI 36 controller which is the initial point of development. The six controllers are combined with other components to an operational system which will, in the end, be able to move the platform to any desired end position by entering five coordinates. The EGSE also offers all interfaces that are necessary to monitor the stepper motors behaviour while in use. It was especially challenging to build the EGSE in a modular fashion. To this end all six controllers are mounted on printed circuit boards specifically designed and built for this purpose. These circuit boards enable the external switching of the control system as well as the filtering and measuring of output currents. In addition to the six SMCI 36 controllers a seventh controller is built in with the designation ¿starting current¿ which was carried out using a microcontroller. To protect the system in testing conditions, certain safety precautions are built in, which mainly protect the system from user error. These safety precautions were accomplished using a microcontroller. Serviceability of the EGSE had to be established before using it with the sensible flight hardware that is ment for space applications. For this purpose a test-hexapod was built. This test hexapod is a rough model of the later machinery and displays all its functions. As conclusion for the paper the finished EGSE and the test platform were successfully tested for its serviceability.