專利名稱：模塊姿態(tài)控制機構的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種模塊姿態(tài)控制機構，特別是一種對射電望遠鏡主動反射面模塊的姿態(tài)進行自動控制的機構。
天文學的研究方向需要發(fā)展巨型射電天文望遠鏡，由于巨型球面射電望遠鏡的反射面直徑達到數(shù)百米，人類目前的技術水平還無法建造如此巨大的全動式反射面，所以現(xiàn)有的巨型望遠鏡為固定式反射面。但是固定式球面反射面只能完成線聚焦，要達到饋源所要求的點聚焦，必須在饋源前加設二次聚焦裝置。而巨型望遠鏡的饋源是架設在上百米的高空，這種方案的技術難度和工程費用都非常高。解決這一難題的技術路線是建造具有主動式反射面的巨型射電望遠鏡，在跟蹤目標的過程中，反射面上被饋源照明的部分可以按需要擬合成拋物面，直接完成點聚焦，將技術難題從高空移到地面上解決。主動式反射面是由若干單元球面模塊組合而成，每塊單元模塊的下部設有支撐機構，若干模塊共同擬合拋物面的動作由支撐機構完成。其技術難點是由于新構成的拋物面上兩點之間的弧長比球形反射面上的弧長要短，所以兩個支撐在與模塊背架之間的長度和角度均要作改變；在以拋物面變回球面時又需作相反的改變，這就是模塊的姿態(tài)控制。支撐機構對模塊的支撐與姿態(tài)控制是一種六個自由度的動態(tài)空間定位?，F(xiàn)有技術中對一個剛體的動態(tài)空間定位常采用六桿支撐機構，但其結構十分復雜，造價很高，對控制系統(tǒng)的要求也很高。在建造主動式反射面工程中實際使用的，是較簡化的三桿支撐機構。三桿支撐機構是每個單元模塊下部設有三個升降促動器，例如三根可伸縮的支撐桿，每根支撐桿均由控制系統(tǒng)控制。這類支撐機構雖然能夠解決剛體模塊的支撐與運動，但在數(shù)千塊模塊組成的反射面上采用，仍嫌其結構復雜，驅動部件過多，并進而造成背架系統(tǒng)自重較大、自振頻率較低；對支撐的剛度要求高，支撐懸臂的幾何截面較大；承受額外載荷的能力比較差；這類機構對控制系統(tǒng)的要求也比較高。同時，由于機構復雜，工作的可靠性就難以提高。
為了克服現(xiàn)有技術的上述不足，本申請將提供一種新結構的支撐機構和模塊姿態(tài)控制機構，新結構應在完成對被控剛體(如模塊)姿態(tài)控制的同時，能大幅度地簡化支撐機構與補償機構的結構，減少驅動部件的數(shù)量，減輕背架系統(tǒng)的自重，提高其自振頻率，并進而減小支撐懸臂的幾何截面；提高整個背架承受額外載荷的能力；同時本發(fā)明的補償機構具有自動補償功能，可不依賴控制系統(tǒng)的指揮，在支撐機構將球面改為拋物面，或將拋物面改回球面時，對模塊的位置與角度自動進行補償。新設計將降低該機構對控制系統(tǒng)的依賴及對控制系統(tǒng)的技術要求，同時還可進一步降低該機構的自重及造價。
完成上述任務的技術方案是每塊被控剛體設有三個支撐，結構是在被控剛體下設有升降促動器，特征是在每個升降促動器的頂端設置II級運動副作為補償機構。這里所說的“頂端”可以是促動器的上端或下端。本方案對單獨的一塊剛體或組成主動反射面的各個剛體，都是適用的，它對剛體的控制是完全限定運動，使用比六桿支撐機構簡單的支撐機構，完成對剛體空間位置的控制，可使剛體停留在水平、傾斜、垂直，甚至倒置等任意位置。本申請有兩個優(yōu)化設計，其一是為了減少II級運動副中的運動副元素的摩擦，將原有的高副替換為低副，例如II級運動副由移動副和球面副構成。第二個優(yōu)化設計適用于多個剛體的姿態(tài)控制(例如主動反射面)，方案是將每個被控剛體設置三個升降促動器，改為由相鄰剛體共用升降促動器，其特征是升降促動器由相鄰的被控剛體共用，每個升降促動器的頂端設置兩個或兩個以上的II級運動副作為補償機構，各補償機構分別與被控剛體聯(lián)結，各聯(lián)結點設置在各被控剛體相鄰的邊、角處。這里所說的被控剛體，在主動反射面中是單元球面模塊；所說的升降促動器，可以是螺桿，液壓桿，直線電機等各種線性運動構件；所說的“邊、角處”，是相對“中心支撐”方式而言的，即聯(lián)結點比較靠近被控剛體的邊緣，以利于“共用”促動器。本方案保證每個被控剛體獲得三個支撐，又可減少將近三分之二的支撐數(shù)，同時，也為補償機構改為自動補償創(chuàng)造了條件。優(yōu)化方案中的補償機構即為補償接頭，即每根支撐桿的頂端設置兩個或兩個以上的補償接頭，各補償接頭分別與各模塊聯(lián)結。本設計的補償接頭，不需控制系統(tǒng)的指揮，可自動完成補償動作。
本申請?zhí)峁┝诵碌闹螜C構和模塊姿態(tài)控制機構，它對剛體的控制是完全限定運動，使用比六桿支撐機構簡單的支撐機構，完成了對剛體空間位置的控制。其優(yōu)化方案能滿足主動反射面工程中，對模塊進行動態(tài)空間姿態(tài)控制的要求，能對新構成拋物面時引起的支撐與球面塊背架連接點之間的長度和角度的變化給以補償。同時，本設計大幅度地簡化了支撐機構與補償機構的結構，減少驅動部件的數(shù)量將近三分之二，所以明顯減輕了背架系統(tǒng)的自重，提高了其自振頻率，并進而提高了整個背架系統(tǒng)承受額外載荷的能力，減小了支撐懸臂的幾何截面；同時本發(fā)明的補償機構具有自動補償功能，可不依賴控制系統(tǒng)的指揮。例如在巨型射電望遠鏡主動反射面上，支撐機構將反射面由球面改為拋物面，或將拋物面改回球面時，對模塊的位置與角度自動進行補償。這進一步降低了該機構對控制系統(tǒng)的依賴及對控制系統(tǒng)的技術要求，以及整個背架系統(tǒng)的成本。設置補償機構還能消除運動中的死點。除射電望遠鏡外，本設計還可用于其他需要姿態(tài)控制的裝置上，例如用于大型太陽灶(或太陽能鍋爐)的反射面。
現(xiàn)在結合附圖與實施例作進一步說明。


圖1為邊角支撐方案(局部)結構示意圖；圖2為自動補償機構原理圖；圖3為補償接頭結構示意圖。
實施例1，以采用等腰梯形面板單元(即模塊)拼接球形反射面為例，參照圖1相鄰兩塊或三塊或四塊單元模塊，共享一個支撐。這樣，總支撐數(shù)略大于總的單元模塊數(shù)。所有支撐對整個球面是有序排列的。對于每個模塊其三點支撐的位置各不相同，對于支撐和接頭來說是允許的。參照圖2升降促動器1，由被控剛體4與其相鄰的其他剛體共用，每個升降促動器的頂端設置多個由構件2和構件3組成的II級運動副作為補償機構，各補償機構分別與被控剛體4聯(lián)結，各聯(lián)結點設置在各被控剛體相鄰的邊、角處。具體結構參照圖3升降促動器為支撐桿1，其頂端設置有三個(部分支撐桿設兩個；部分支撐桿設四個)補償接頭，補償接頭由球面副(即球形關節(jié))5與移動副(即直線導軌)6組成。各補償接頭分別與被控剛體(即球面模塊)4聯(lián)結，各聯(lián)結點設置在模塊的邊、角處。
實施例2，與上例基本相同，但模塊采用三角形。升降促動器為滾珠螺桿。
實施例3，與上例基本相同，但模塊采用六邊形。
實施例4，與上例基本相同，但采用五邊形與六邊形交替組合式的模塊。
實施例5，單獨一個被控剛體設三個支撐桿，各桿頂端設一個II級運動副。
權利要求1.一種模塊姿態(tài)控制機構，每塊被控剛體設有三個支撐，結構是在被控剛體下設有升降促動器，其特征是在每個升降促動器的頂端設置II級運動副作為補償機構。
2.按照權利要求1所述的模塊姿態(tài)控制機構，其特征是升降促動器由相鄰的被控剛體共用，每個升降促動器的頂端設置兩個或兩個以上的II級運動副作為補償機構，各補償機構分別與被控剛體聯(lián)結，各聯(lián)結點設置在各被控剛體相鄰的邊、角處。
3.按照權利要求1或2所述的模塊姿態(tài)控制機構，其特征是所說的II級運動副是由移動副和球面副構成的補償接頭。
4.按照權利要求1或2所述的模塊姿態(tài)控制機構，其特征是所說的升降促動器是在模塊與模決相鄰的邊、角處設置的支撐桿，所說的補償接頭由移動副與球面副組成。
專利摘要模塊姿態(tài)控制機構是對射電望遠鏡天線主動反射面的模塊姿態(tài)進行自動控制的機構,特征是在升降促動器頂端設有Ⅱ級運動副作為補償機構,它可由移動副和球面副構成。優(yōu)化設計是升降促動器由相鄰的模塊共用,其頂端設置多個補償機構,分別與模塊聯(lián)結。本設計在保證每個模塊獲得三個支撐的同時,大幅度簡化結構,減少驅動部件近三分之二,減輕了背架系統(tǒng)的自重,并提高了承受額外載荷的能力。補償接頭有自動補償功能。
文檔編號G05B13/00GK2371581SQ9922829
公開日2000年3月29日 申請日期1999年5月10日 優(yōu)先權日1999年5月10日
發(fā)明者屈元根, 陳憶 申請人:中國科學院南京天文儀器研制中心, 中國科學院國家天文觀測中心