空間環(huán)形可展開天線展開機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

空間環(huán)形可展開天線展開機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

星載的大型可展開結(jié)構(gòu)根據(jù)其基本組成單元的結(jié)構(gòu)，可分為板塊、膨脹充氣式、徑向肋型、框架型和周圍架型（環(huán)形結(jié)構(gòu)式）。其中,環(huán)形可展開結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、熱穩(wěn)定性好、收納比大等特點(diǎn),是目前大型可展開天線的理想結(jié)構(gòu)形式。環(huán)形可展開反射器為圓環(huán)形桁架結(jié)構(gòu),其展開和收攏原理是依據(jù)平行四邊形對(duì)角線長(zhǎng)度的可伸縮性完成的。環(huán)形可展開天線的展開是平行四邊形結(jié)構(gòu)斜伸縮桿的縮短過程,即通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力展開機(jī)構(gòu),收卷穿在斜伸縮桿中的繩索,進(jìn)而帶動(dòng)斜伸縮桿縮短。在環(huán)形桁架展開過程中,展開控制器檢測(cè)展開到位指示信號(hào),展開到位后發(fā)出控制指令使動(dòng)力展開機(jī)構(gòu)停止運(yùn)行,同時(shí)對(duì)反射器的展開狀態(tài)進(jìn)行固化,使其保持長(zhǎng)期穩(wěn)定狀態(tài)。反射器由收攏狀態(tài)到展開鎖定狀態(tài)是一個(gè)連續(xù)的變換過程,最終的鎖定指令是指示反射器是否完成展開的一個(gè)重要參數(shù)。此參數(shù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性則是關(guān)注的重點(diǎn),因?yàn)榈谝?如果到位指示信號(hào)不夠準(zhǔn)確,發(fā)生誤判斷,則展開控制器指示動(dòng)力展開機(jī)構(gòu)停止工作,環(huán)形桁架處于半展開狀態(tài),反射面無(wú)法形成預(yù)定的工作型面。第二,如果到位指示信號(hào)不及時(shí),則環(huán)形桁架已展開到位,而動(dòng)力展開機(jī)構(gòu)因展開控制器未接收到到位指示信號(hào)而繼續(xù)工作,不停的收卷繩索,將會(huì)產(chǎn)生兩種后果,當(dāng)動(dòng)力繩索的強(qiáng)度小于桁架的強(qiáng)度時(shí),動(dòng)力繩索被拉斷;當(dāng)環(huán)形桁架的強(qiáng)度小于動(dòng)力繩索的強(qiáng)度時(shí),桁架被破壞,兩種結(jié)果都將對(duì)環(huán)形桁架造成不同程度的破壞。因此反射器的展開到位指示信號(hào)必須準(zhǔn)確和及時(shí)。采用“間接”法,測(cè)量動(dòng)力展開機(jī)構(gòu)收卷的動(dòng)力繩索的長(zhǎng)度,能反映反射器的展開狀態(tài),可作為一種輔助的天線展開到位遙測(cè)手段,來(lái)判斷天線是否展開到位。動(dòng)力展開機(jī)構(gòu)收卷的動(dòng)力繩索的長(zhǎng)度可以通過統(tǒng)計(jì)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)來(lái)間接計(jì)算得到,因此要求繩索在卷繩輪上排布整齊,從而才能精確測(cè)算出已收卷的繩索長(zhǎng)度。國(guó)內(nèi)目前的環(huán)形可展開天線反射器的動(dòng)力展開機(jī)構(gòu)的形式為,機(jī)構(gòu)底座裝有電機(jī)和卷繩輪,電機(jī)輸出軸通過減速器帶動(dòng)卷繩輪直接收卷動(dòng)力繩索。美國(guó)AstroSpace公司的環(huán)形可展開天線也采用同樣的原理來(lái)完成天線展開功能。兩者的動(dòng)力展開機(jī)構(gòu)功能只是收卷動(dòng)力繩索,繩索在卷繩輪上的收卷過程并無(wú)規(guī)律可循,也并未將已收卷的繩長(zhǎng)作為天線展開狀況的判據(jù)。設(shè)計(jì)了一種具有繩索排布管理功能的動(dòng)力展開機(jī)構(gòu),保證動(dòng)力繩索能夠按照一定規(guī)律被收卷并且在卷繩輪上排布整齊。這樣可以使已收卷的繩索長(zhǎng)度能夠被精確測(cè)算,從而將其作為一種輔助的天線展開到位遙測(cè)手段。通過反射器上微動(dòng)開關(guān)的觸發(fā)和展開機(jī)構(gòu)纏繞繩索的長(zhǎng)度共同判斷天線是否展開到位,也可以提高到位控制指令參數(shù)的可靠性。1索排布管理機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原有的環(huán)形天線動(dòng)力展開裝置(如圖1所示)是由展開電機(jī)帶動(dòng)卷繩輪收卷繩索,通過計(jì)數(shù)器計(jì)算卷繩輪轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)間接計(jì)算已收卷的繩長(zhǎng),從而判斷天線的實(shí)時(shí)展開狀態(tài)。由于收卷時(shí)沒有裝置來(lái)引導(dǎo)繩索在卷繩輪上的纏繞路徑,所以繩索在卷繩輪上是隨機(jī)纏繞的,這樣就無(wú)法通過計(jì)算得到較為準(zhǔn)確的已收卷繩長(zhǎng),因此只能大致判斷天線的展開狀態(tài)。為了通過繩索的收卷長(zhǎng)度對(duì)天線的展開狀態(tài)做出精準(zhǔn)的判斷,需要為上述動(dòng)力展開裝置設(shè)計(jì)一種繩索排布管理機(jī)構(gòu),通過該機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向作用使繩索在卷繩輪上按照一定規(guī)律整齊排布,以便于更準(zhǔn)確的測(cè)算已收卷繩索的長(zhǎng)度。基于產(chǎn)品研制的要求和空間環(huán)境的特殊性,對(duì)繩索排布管理機(jī)構(gòu)提出了如下要求:1)由于安裝空間有限,繩索排布管理機(jī)構(gòu)的外包絡(luò)尺寸要盡可能小,并且加裝了該機(jī)構(gòu)的動(dòng)力展開裝置尺寸不能有明顯增加,不能與其它部件發(fā)生干涉。2)嚴(yán)格控制該機(jī)構(gòu)的自身重量。3)盡量不引入或少引入額外的動(dòng)力源與控制系統(tǒng)。4)環(huán)形天線展開末期,繩索有較大的張力,因此該機(jī)構(gòu)必須具備承擔(dān)一定負(fù)載的能力。5)該機(jī)構(gòu)在空間環(huán)境工作要具有高的可靠性,盡量做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔,減少失效環(huán)節(jié)。2環(huán)境法上環(huán)節(jié)段,排列緊密,使罪犯解決矛盾繩索排布管理機(jī)構(gòu)的基本設(shè)計(jì)思路是:沿卷繩輪的轉(zhuǎn)軸方向牽引繩索進(jìn)行勻速往復(fù)直線運(yùn)動(dòng),使繩索收卷在卷繩輪上時(shí),每層繩索均可排列緊密、方向一致,且其速度與卷繩輪轉(zhuǎn)速相關(guān)聯(lián)。由于繩索收卷的層數(shù)較多,該機(jī)構(gòu)最好設(shè)置在卷繩輪外緣的切平面位置,以免與收卷后堆疊的繩索發(fā)生干涉。2.1動(dòng)轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源為展開電機(jī),因此需要將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為往復(fù)運(yùn)動(dòng),通常實(shí)現(xiàn)由回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化的機(jī)構(gòu)有曲柄連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠機(jī)構(gòu)等,其中凸輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔,可將單向回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為往復(fù)直線運(yùn)動(dòng),在無(wú)需電機(jī)換向轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下,選取凸輪機(jī)構(gòu)可與動(dòng)力展開裝置共用同一動(dòng)力源,符合設(shè)計(jì)要求,因此將繩索排布管理機(jī)構(gòu)中起導(dǎo)向作用的功能主體確定為凸輪機(jī)構(gòu)。2.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的互聯(lián)互通功能主體確認(rèn)之后,需要考慮如何引入動(dòng)力源,即需要設(shè)計(jì)凸輪導(dǎo)向機(jī)構(gòu)與動(dòng)力展開裝置電機(jī)之間的動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的要求有:1)將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞到凸輪機(jī)構(gòu)。2)使凸輪與卷繩輪之間按照功能要求具有一定速比。3)凸輪轉(zhuǎn)軸與卷繩輪轉(zhuǎn)軸之間有一定距離,傳動(dòng)機(jī)構(gòu)要能實(shí)現(xiàn)這一跨距。要求凸輪機(jī)構(gòu)的功能是,凸輪旋轉(zhuǎn)一周,帶動(dòng)附加機(jī)構(gòu)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次,在此過程中,帶動(dòng)繩索在卷繩輪上來(lái)回緊密排布兩層。若卷繩輪的卷繞部位寬度為B,繩索截面直徑為d,則凸輪機(jī)構(gòu)與卷繩輪的速比為按照設(shè)計(jì)值,B=18mm,d=1.8mm,則凸輪機(jī)構(gòu)與卷繩輪的速比為1∶20。由于安裝空間非常有限,希望機(jī)構(gòu)的外包絡(luò)尺寸盡可能小,而此處從卷繩輪到凸輪轉(zhuǎn)軸的減速比較大,考慮到齒輪傳動(dòng)具有傳動(dòng)效率高,傳動(dòng)速比精確的優(yōu)點(diǎn),選用三級(jí)齒輪減速構(gòu)成傳動(dòng)機(jī)構(gòu),可以使得速比分布較均勻。3索排布管理機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)以上方案設(shè)計(jì)出的繩索排布管理機(jī)構(gòu)主體由三級(jí)齒輪減速器、圓柱凸輪、導(dǎo)桿和過線滑塊4部分組成,安裝在動(dòng)力展開機(jī)構(gòu)底座上,結(jié)構(gòu)如圖2所示(兩套機(jī)構(gòu)左右對(duì)稱安裝)。工作時(shí)由電機(jī)通過傳動(dòng)齒輪軸帶動(dòng)卷繩輪轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)收卷繩索,同時(shí)傳動(dòng)軸上的齒輪將電機(jī)動(dòng)力引出,經(jīng)過三級(jí)齒輪減速器,使圓柱凸輪以一定的減速比與卷繩輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)。繩索排布管理機(jī)構(gòu)具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。三級(jí)齒輪減速箱的尺寸設(shè)計(jì)原則有兩點(diǎn),一是外包絡(luò)尺寸要盡可能小,二是各級(jí)齒輪中心矩之和必須大于卷繩輪的半徑,否則會(huì)引起干涉。繩索與其排布管理機(jī)構(gòu)的位置關(guān)系如圖4所示。為防止過線滑塊發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)脫離凸輪凹槽,該機(jī)構(gòu)采用了平行雙導(dǎo)桿的結(jié)構(gòu)形式,如圖5所示?；瑝K與導(dǎo)桿之間需要加滑動(dòng)軸承或低摩擦材料導(dǎo)套來(lái)保證滑塊往返運(yùn)動(dòng)順暢。繩索排布管理機(jī)構(gòu)的工作原理如圖6所示。繩索在被卷繩輪收卷之前,先要穿過過線滑塊,過線滑塊的末端潛入凸輪凹槽,隨著凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng),過線滑塊帶動(dòng)繩索沿導(dǎo)桿做勻速往復(fù)運(yùn)動(dòng),凸輪轉(zhuǎn)一圈,滑塊往返一次,帶動(dòng)繩索排布兩層,從而達(dá)到使繩索在卷繩輪上排列整齊的目的。采用張力傳感器進(jìn)行多次測(cè)試,測(cè)得環(huán)形可展開天線達(dá)到完全展開的全過程中,動(dòng)力繩上的張力最大不超過500N。因此將最大張力作為輸入條件,通過有限元分析對(duì)繩索排布管理機(jī)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核,結(jié)果表明機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。4仿真結(jié)果見表1建立繩索排布管理機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型進(jìn)行其繩索排布過程仿真,其中,三級(jí)齒輪減速通過齒輪副來(lái)實(shí)現(xiàn),各個(gè)齒輪副之間的傳動(dòng)比按照設(shè)計(jì)參數(shù)輸入,過線滑塊和凸輪的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系由點(diǎn)線副來(lái)定義。圖7給出了仿真中凸輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)輪與卷繩輪的輸出轉(zhuǎn)速對(duì)比,其轉(zhuǎn)速比為1∶20,與設(shè)計(jì)要求是一致的,凸輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)輪輸出轉(zhuǎn)速平穩(wěn)無(wú)波動(dòng),說(shuō)明三級(jí)齒輪減速方法可行可靠。圖8給出了仿真中過線滑塊的位移與速度曲線。由圖8可知,過線滑塊沿導(dǎo)軌作周期往返運(yùn)動(dòng),滑塊速度在往返過程中保持一致,在轉(zhuǎn)向時(shí)過渡平穩(wěn),通過與卷繩輪的配合,可以實(shí)現(xiàn)繩索的緊密規(guī)則排布。5收卷繩的上升和移動(dòng)根據(jù)以上設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)生產(chǎn)加工了一臺(tái)帶繩索排布管理的展開機(jī)構(gòu),并設(shè)計(jì)試驗(yàn)對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行功能驗(yàn)證。試驗(yàn)情況如圖9所示,展開機(jī)構(gòu)按照在衛(wèi)星上的安裝狀態(tài)被固定在距離地面1.8m的支架上,繩索一端與機(jī)構(gòu)的卷繩輪固接,另一端懸掛50kg的負(fù)載?？刂破靼l(fā)出收卷繩索的指令后,電機(jī)帶動(dòng)卷繩輪在有負(fù)載的情況下開始工作。試驗(yàn)過程中負(fù)載的上升運(yùn)動(dòng)始終保持平穩(wěn),證明該結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)靈活無(wú)卡滯現(xiàn)象。繩索排布效果如圖10所示,每圈繩索都依次排列整齊。本試驗(yàn)重復(fù)三次結(jié)果均比較理想。6卷繩展開機(jī)構(gòu)的選擇繩索排布管理機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊,易于裝配調(diào)試,應(yīng)用于環(huán)形可展開天線的動(dòng)力展開裝置上,可解決繩索收緊過程中在卷繩輪上無(wú)序排列的問題。包含繩索排布管理功能的環(huán)形天線動(dòng)力展開機(jī)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn):1)能夠精確測(cè)算已收卷繩索的長(zhǎng)度,從而準(zhǔn)確判斷環(huán)形天線的實(shí)時(shí)展開狀態(tài)及是否完全展開到位。2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔,零件數(shù)量少,因此具有體積小,重量輕,安裝方便的優(yōu)點(diǎn),適用于航天工業(yè)。3)展開機(jī)構(gòu)上對(duì)稱安裝的兩套動(dòng)力