本发明涉及航天器控制领域，特别涉及一种智能挠性作动器。
背景技术：
近年来，随着极高分辨率对地观测、空间运动目标高平稳跟踪与高分辨率成像等一系列未来任务需求的提出，对卫星控制系统的精度、稳定度提出了极高的要求。
受限于传统姿态敏感器(星敏、陀螺)等测量精度和测量带宽限制，传统意义上的低带宽姿态控制系统无法在宽频域内对各种扰动力矩的影响实现有效抑制，仅基于卫星姿态控制来实现有效载荷的精稳指向控制的技术方案在现有技术条件下已经难以满足甚高精度指向和稳定控制要求；因此，提出了在载荷和星体安装主动平台的设计方案，通过主动平台中作动器的的振动隔离、扰振抑制和精确指向实现载荷的高性能指标。
然而目前采用的作动器一般只安装振动传感器(如力传感器、加速度传感器)，因而只具有主动隔振功能，而不具备精确指向调节功能。并且在作动器连接处采用传统的普通铰链(如球铰和虎克铰)，由于摩擦和间隙的存在，限制了作动器的控制输出精度。并且随着卫星载荷的不断增大、敏捷机动与快速稳定性能的不断提高，目前的小行程主动隔振作动器已无法满足应用需求。
基于此，提出基于分布式柔性结构的智能挠性作动器方案，通过挠性(柔性)部件实现高频振动隔离，通过传感器和音圈电机的闭环智能主动控制实现扰振抑制和高精度指向。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于分布式柔性结构的智能挠性作动器，相比于现有的技术方法，采用双膜簧提供了智能挠性作动器轴向刚度，并严格保证了作动器的轴向运动，采用双柔性铰链，释放约束自由度，提供智能挠性作动器轴向运动到由多个智能挠性作动器组成平台六自由度运动的传递，并通过大行程快响应音圈电机作动器和大量程高精度涡流传感器，共同实现了智能挠性作动器的大行程高精度控制输出，同时实现了载荷的振动隔离、扰振抑制和精确指向，有效解决了卫星的超高精度、超高稳定度、超敏捷控制问题。
本发明所采用的技术方案是：一种基于分布式柔性结构的智能挠性作动器，包括：上柔性铰链、支杆、连接块、下柔性铰链、上膜簧、限位块、动子安装盖、音圈电机、外筒、定子安装盖、下膜簧、位移传感器被测件、位移传感器、底盖；音圈电机两端分别连接动子安装盖、定子安装盖，动子安装盖通过中心凸台与上膜簧内圈连接；动子安装盖中心凸台端部与下柔性铰链一端连接；下柔性铰链另一端通过连接块与支杆一端连接；支杆另一端与上柔性铰链一端连接，柔性铰链另一端与外部结构相连接；上膜簧外圈固定于外筒一端端口；定子安装盖安装在外筒内壁上；定子安装盖沿中轴线开孔，位移传感器被测件的中心柱依次穿过下膜簧内圈、定子安装盖中心孔、音圈电机中心孔，与动子安装盖连接，传感器被测面中部与下膜簧内圈固定连接；下膜簧外圈安装在外筒内壁上；位移传感器安装于底盖上；底盖安装在外筒另一端，并与外部结构连接。
所述音圈电机包括音圈电机动子和音圈电机定子，音圈电机定子中轴线上开通孔；音圈电机动子与动子安装盖相连，音圈电机定子固定于定子安装盖上。
还包括下柔性铰链限位筒，所述下柔性铰链外部安装下柔性铰链限位筒，限制下柔性铰链的最大转角；动子安装盖中心凸台端部穿过下柔性铰链限位筒的端面中心孔后与下柔性铰链一端连接，并压紧固定下柔性铰链限位筒。
还包括上柔性铰链限位筒，所述上柔性铰链外部安装上柔性铰链限位筒，限制上柔性铰链的最大转角；上柔性铰链与外部结构共同并压紧上柔性铰链限位筒。
所述上柔性铰链和下柔性铰链的结构形式和材料相同，上柔性铰链和下柔性铰链的材料为钛合金；
所述上膜簧和下膜簧结构形式和材料相同；上膜簧和下膜簧的材料为铍青铜。
所述的音圈电机的工作行程为±6mm，最大输出力为450n，力输出精度为0.02n。
所述的位移传感器为电涡流位移传感器，测量范围为±5mm，分辨率为0.3μm；位移传感器探头中心线与所述智能挠性作动器中心线重合，且探头上端与位移传感器被测件之间存在距离。
所述的位移传感器被测件包括被测圆盘和位于被测圆盘中心的中心柱，被测圆盘的直径为位移传感器探头直径的三倍以上，位移传感器被测件的材料为铝合金。
还包括限位块，四个限位块穿过外筒的侧壁，沿周向均匀固定于外筒上，用于动子安装盖和音圈电机动子限位。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)本发明方法采用音圈电机中心开孔形式，并将传感器被测面通过中心孔穿过音圈电机，同时保证电涡流位移传感器及被测面位于智能挠性作动器中轴线，提高了智能挠性作动器的测量和控制精度。
(2)本发明方法采用分离式双膜簧结构形式，除提供智能挠性作动器轴向刚度外，还限制了音圈电机动子和定子之间的径向运动和相对转动，避免智能挠性作动器工作时由于音圈电机动子和定子间隙过小而发生碰撞。
(3)本发明方法采用双柔性铰链中间加支杆的结构形式，通过改变支杆的长度，进而改变智能挠性作动器与外部结构连接铰点的位置，便于调整多个智能挠性作动器组成主动平台的构型。
(4)本发明方法采用双柔性铰链的结构形式，增大了智能挠性作动器的径向刚度，极大提升了智能挠性作动器抗发射主动段力学性能。
附图说明
图1为本发明智能挠性作动器的剖面图；
图2为本发明音圈电机的组成图；
图3为本发明上膜簧的示意图；
图4为本发明下膜簧的示意图；
图5为本发明智能挠性作动器的轴向限位示意图；
图6为本发明智能挠性作动器的轴向限位俯视图；
图7为本发明上柔性铰链的转角限位示意图；
图8为本发明下柔性铰链的转角限位示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明的内容进一步说明。
如图1、图5、图6所示，一种基于分布式柔性结构的智能挠性作动器，包括：上柔性铰链限位筒1、上柔性铰链2、支杆3、连接块4、下柔性铰链限位筒5、下柔性铰链6、上膜簧7、限位块8、动子安装盖9、音圈电机10、外筒11、定子安装盖12、下膜簧13、位移传感器被测件14、位移传感器15、底盖16。
如图2所示，音圈电机10包括音圈电机动子17和音圈电机定子18，并在音圈电机定子18中轴线上开直径为10mm的通孔；音圈电机10的工作行程为±6mm，最大输出力为450n，力输出精度为0.02n。
如图7、图8所示，上柔性铰链2和下柔性铰链6外部安装上柔性铰链限位筒1和下柔性铰链限位筒5，限制柔性铰链的最大转角，以保护柔性铰链由于持续大变形而引起的疲劳破坏；所述的上柔性铰链2和下柔性铰链6的结构形式和材料相同；通过调整转角限位距离s，使其满足作动器正常工作转角的同时，限制柔性铰链的最大转角；在本设计中，s＝2mm。上柔性铰链2和下柔性铰链6要求具有高轴向刚度和剪切刚度以及小弯曲刚度和扭转刚度。通过对圆柱体的线切割使得圆柱体的弯曲刚度大幅下降，而其余方向的刚度下降较少，使其沿垂直轴向的旋转刚度远小于其余方向的刚度。通过线切割路径的设计可保证虚拟转轴与柔性铰链链设计转轴重合。上柔性铰链2和下柔性铰链6应尽量选用弹性模量较小而屈服极限较大的材料。本实施例中上柔性铰链2和下柔性铰链6的弯曲刚度为60nm/rad；上柔性铰链2和下柔性铰链6的材料为钛合金。
如图3、图4所示，上膜簧7通过上膜簧内圈19和上膜簧外圈20与智能挠性作动器运动部分和固定部分相连接；下膜簧13通过下膜簧内圈21和下膜簧外圈22与智能挠性作动器运动部分和固定部分相连接，并且上膜簧7和下膜簧13配合限制音圈电机动子17和音圈电机定子18之间的径向运动和相对转动；上膜簧7和下膜簧13的结构形式和材料相同，通过设计单片膜簧的轴向刚度实现作动器的轴向刚度，本设计中单片膜簧的轴向刚度为15n/mm；所用膜簧的材料为铍青铜。
所述的位移传感器15为电涡流位移传感器，测量范围为±5mm，分辨率为0.3μm；所述的位移传感器被测件14包括被测圆盘和位于被测圆盘中心的中心柱，被测圆盘的直径为位移传感器15探头直径的三倍以上，位移传感器被测件的材料为铝合金。
所述的限位块8、动子安装盖9、音圈电机动子17组合实现智能挠性作动器的轴向限位。如图所示，通过调整轴向限位距离d，使其满足作动器正常轴向行程的同时，限制作动器的最大轴向行程，以保护位移传感器探头、避免音圈电机动子与音圈电机定子相互碰撞；在本设计中d＝5mm。
所述智能挠性作动器的连接形式与工作原理为：音圈电机动子13与动子安装盖9相连，动子安装盖9通过螺钉与上膜簧内圈19连接；动子安装盖9上端螺纹穿过下柔性铰链限位筒5并通过上端外螺纹与下柔性铰链6下端内螺纹孔连接，并压紧固定下柔性铰链限位筒5；下柔性铰链6上端通过连接块4的外螺纹与支杆3下端连接；支杆3上端外螺纹与上柔性铰链2下端内螺纹孔连接，柔性铰链2上端通过内螺纹孔与外部结构相连接，并同时压紧上柔性铰链限位筒1；通过螺钉将上膜簧外圈20固定于外筒11上；四个限位块8穿过外筒11的侧壁，并通过螺钉固定于外筒11上；音圈电机定子18通过螺钉固定于定子安装盖12上，定子安装盖12通过周向的螺纹孔与穿过外筒11侧壁的螺钉固连，将定子安装盖12固定于外筒11侧壁上；定子安装盖12中轴线开孔，位移传感器被测件14穿过下膜簧内圈22、安装盖12中心孔、音圈电机10中心孔，通过上端外螺纹与动子安装盖12下端内螺纹孔固定连接，并且传感器被测面14下端与下膜簧内圈21通过螺钉固定连接；下膜簧外圈22通过螺钉固定于外筒11底端；位移传感器15通过螺钉安装于底盖上，并保证位移传感器15探头中心线与整个智能挠性作动器中心线重合，且探头上端距离传感器被测面14距离为6mm；外筒11和底盖16通过螺钉与外部结构连接；与音圈电机动子17连接的动子安装盖9、上膜簧内圈19、下柔性铰链6、下柔性铰链限位筒5、连接块4、支杆3、上柔性铰链2、上柔性铰链限位筒1以及位移传感器被测件14、下膜簧内圈21共同组成智能挠性作动器的运动部分，与音圈电机定子18连接的定子安装盖12、上膜簧外圈20、下膜簧外圈22、外筒11、底盖16、位移传感器15共同组成智能挠性作动器的固定部分。位于智能挠性作动器固定部分的位移传感器15能够精确测量位于智能挠性作动器运动部分的位移传感器被测件14的相对运动位移，当智能挠性作动器实现向目标位置运动时，可通过位移传感器15测量结果与目标位置的偏差，设计控制算法，如pid控制算法，进而通过控制器和音圈电机驱动器输出电流，驱动音圈电机产生控制力，使运动部分相对于固定部分做直线运动，到达目标位置。安装完成后，通过大量程高精度电涡流位移传感器15的测量和大行程快响应音圈电机10的控制输出，实现智能挠性作动器的大行程高精度输出，所述的位移传感器测量范围为±5mm，分辨率为0.3μm。所述的音圈电机工作行程为±6mm，最大输出力为450n，力输出精度为0.02n。
本发明智能挠性作动器以多个作动器并联的方式，安装于卫星本体和载荷之间，以此实现载荷的振动隔离、扰振抑制和精确指向调节。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。