一种变刚度可展机构及其测控方法与流程

本发明属于机械技术领域和自动控制领域，具体来说是一种变刚度可展机构及其测控方法，可以实现对机构的监测和控制。

背景技术：

豆荚杆支撑式可展机构是可展机构中的一种典型形式，在卫星通讯、深空探测等航天重大工程中有广泛的应用。豆荚杆与连接杆形成支撑框架，反射作用面与支撑框架相连支撑成形。豆荚展开机构驱动处于卷曲的豆荚杆展开，进而带动豆荚杆支撑的反射作用面展开成形。现有豆荚展开机构展开过程中无法保证两根豆荚杆展开长度一致，会发生展开卡死以及由于展开不同步导致的反射作用面损坏等现象。另外，现有展开机构完全展开到位后，无法对反射作用面形面平整度进行调整，也无法对机构整体进行刚度调整及刚度增强，极大的影响了可展机构的整体性能。

技术实现要素：

针对上述现有可展机构的不足之处，本发明提出一种变刚度可展机构及其测控方法，能够实现两根豆荚杆同步展开，并在机构完全展开时实现对反射作用面平整度的调整，同时还能对机构刚度进行调整，使其性能达到最优。

本发明一种变刚度可展机构，包括机架、豆荚展开机构、动平台与驱动装置。

所述豆荚展开机构为两套对称安装于机架左右两侧。两套豆荚展开机构中具有激光测距仪，用来测量豆荚杆的展开部分长度。豆荚杆展开部分前端端部安装有动平台，动平台具有在垂直于豆荚杆轴线平面内的转动副，且通过驱动装置实现转动；机架、豆荚杆的展开部分以及动平台间还安装有反射作用面，通过豆荚杆的展开与卷收，可实现反射作用面的展开与收拢。

上述驱动装置采用绳驱动方式，为四套，位于反射作用面两侧各两套，左右设置；通过绕线辊上缠绕的绳索对动平台的两端上下位置进行牵拉，实现动平台的转动控制，进而调整反射作用面的平整度。

本发明中驱动装置包括绕线辊、绳索、扭矩传感器、输出轴、箱体、编码器与蜗轮蜗杆机构；通过蜗轮蜗杆机构将蜗轮蜗杆电机的动力经扭矩传感器传递至绕线辊，控制绕线辊上缠绕的绳索的收放；扭矩传感器用来测量绕线辊上的扭矩；编码器用来测量蜗轮蜗杆驱动电机运动状态信息。

上述激光测距仪、扭矩传感器、编码器结合上位机、运动控制器、数据采集卡共同构成测控系统；

其中，数据采集卡接收激光测距仪测量的数据，传送给上位机，由上位机通过运动控制器控制两套豆荚展开机构中的滚筒电机同步运动；数据采集卡接收扭矩传感器测量的数据，传送给上位机，进而在绳索到达指定张力时，由上位机通过运动控制器控制滚筒电机与蜗轮蜗杆驱动电机运动停止。

针对上述变刚度可展机构的测控方法，通过如下步骤实现：

步骤1：操作开始，将上位机、数据采集卡与运动控制器初始化。

步骤2：控制两个滚筒电机以相同的速度同时开始运动。

步骤3：实时判断两个激光测距仪的测量值之差是否在设定的许可范围内；如果是，继续进行步骤4；如果否，则大测量值所对应的滚筒电机停止运动，小测量值所对应的滚筒电机继续运动，随后重复进行步骤3。

步骤4：根据两个激光测距仪的测量值，进一步判断是否均达到设定目标值；如果是，则继续进行步骤5；如果否，则控制达到设定目标值得激光测距仪所对应的滚筒电机停止运动，未达到设定目标值对应的滚筒电机继续运动，随后重复步骤4。

步骤5：两个滚筒电机停止运动，此时豆荚杆处于完全展开状态。

步骤6：控制四个蜗轮蜗杆电机开始运动。

步骤7：判断四个编码器监测的蜗轮蜗杆电机运动位移值是否达到设定值，以及四个扭矩传感器监测的扭矩值是否均达到设定值；如果是，则继续进行下一步；如果否，则扭矩值未达到设定值的蜗轮蜗杆电机继续运动；随后重复进行步骤7。

步骤9：四个蜗轮蜗杆电机停止运动；此时反射作用面3达到指定平整度，变刚度可展机构达到指定刚度；操作结束。

本发明的优点在于：

1、本发明变刚度可展机构，能够实现两根豆荚杆同步展开，并在机构完全展开时实现对反射作用面平整度的调整，同时还能对机构刚度进行调整，使其性能达到最优；

2、本发明变刚度可展机构，针对豆荚杆支撑式可展机构增加激光测距仪，用于实时监测两根豆荚杆展开长度，使得两根豆荚杆展开过程长度始终保持一致；

3、本发明变刚度可展机构，在豆荚杆连杆处增添动平台，可以对反射作用面平整度进行调整，防止了反射作用面褶皱现象的发生；

4、本发明变刚度可展机构，通过绳驱动装置中绳索的作用，可以实现对机构整体刚度的调整，实现机构刚度最优化；

5、本发明变刚度可展机构的测控方法，能够对可展机构的所有动作进行控制，并监测相关数据，且上位机能自动记录检测的数据，操作简单、数据处理方便。

附图说明

图1为本发明变刚度可展机构整体示意图；

图2为本发明变刚度可展机构中豆荚展开机构结构示意图；

图3为本发明变刚度可展机构中连接杆部分结构示意图；

图4为本发明变刚度可展机构中反射作用面结构示意图；

图5为本发明变刚度可展机构中绳驱动装置结构示意图；

图6为本发明变刚度可展机构中测控系统结构框图；

图7为本发明变刚度可展机构的测控方法流程图。

图中：

1-机架 2-豆荚展开机构 3-连接杆部分

4-反射作用面 5-绳驱动装置 6-上位机

7-运动控制器 8-数据采集卡 101-安装台

102-支撑梁 201-左侧支架 202-右侧支架

203-滚筒 204-激光测距仪 205-豆荚杆

206-豆荚杆连接件 207-侧向横杆 208-导向辊

209-支撑片 210-固定板 301-豆荚杆连杆

302-球铰 303-动平台 401-左侧连接点

402-右侧连接点 403-前侧连接点 404-后侧连接点

501-绕线辊 502-绳索 503-扭矩传感器

504-输出轴 505-箱体 506-编码器

具体实施方式

下面结合附图来对本发明做进一步说明。

本发明一种变刚度可展机构，包括机架1、豆荚展开机构2、连接杆部分3、反射作用面4、绳驱动装置5，如图1所示。

所述机架1为矩形框架结构竖直放置；机架1中部与底部横向设置有水平框架结构安装台101，中部与底部安装台101间通过一体设计的支撑梁102支撑。

所述豆荚展开机构2为两套，结构完全相同，包括左侧支架201、右侧支架202、滚筒203、激光测距仪204、豆荚杆205与豆荚杆连接件206，如图2所示。其中，左侧支架201与右侧支架202左右对称设置，均为末端圆形框架与前端矩形框架构成的一体框架结构。滚筒203设置于左侧支架201与右侧支架202中圆形框架之间，两端与左侧支架201和右侧支架202中圆形框架间通过轴承连接；滚筒203用于缠绕豆荚杆205压缩卷曲部分。左侧支架201与右侧支架202间不同位置通过相互平行设置的侧向横杆207相连，由侧向横杆207实现左侧支架201与右侧支架202间的稳固支撑。本实施例中侧向横杆207具有四根，其中两根侧向横杆207安装于左侧支架201和右侧支架202中圆形框架外缘，分别位于圆形框架末端上方与前端下方外缘处；另两根侧向横杆207安装于左侧支架201和右侧支架202中矩形框架外缘，分别位于矩形框架末端上部与下部外缘。

左侧支架201与右侧支架202间不同位置还通过相互平行设置的导向辊208相连。由于豆荚杆205具有弹性变形特性，因此通过导向辊208防止豆荚杆205传输过程中弹起展开，起到压紧约束的作用。本实施例中导向辊208具有三根，其中两根导向辊208安装于左侧支架201和右侧支架202中圆形框架外缘，分别位于圆形框架顶端外缘，以及前端上方外缘处；另一根安装于左侧支架201和右侧支架202中矩形框架末端中部。

左侧支架201与右侧支架202中矩形框架之间还安装有上下对称的两个支撑片209。两支撑片209中部设计为弧形面，进而在两支撑片209间形成筒状豆荚杆穿过通道，与豆荚杆205展开部分外壁周向配合。豆荚杆205展开部分由豆荚杆穿过通道穿过，实现对豆荚杆205展开部分的支撑以及约束成形。豆荚杆205展开部分末端固定安装有垂直于豆荚杆205展开部分设置的板状豆荚连接件206，豆荚杆连接件206用来实现豆荚杆205展开部分末端与连接杆部分3间的连接。

上述豆荚展开机构2，通过滚筒电机驱动滚筒203转动，可使缠绕在滚筒上的豆荚杆205压缩卷曲部分沿豆荚杆205轴向向前运动并展开；通过滚筒电机驱动滚筒203反向转动，可使豆荚杆205展开部分沿豆荚杆205周向向后运动，并受到导向辊208作用压缩卷曲后缠绕到滚筒203上；进而实现对豆荚杆205展开部分长度的控制。所述豆荚杆205展开部分长度由激光测距仪204进行测量，激光测距仪204固定安装于左侧支架201或右侧支架202中矩形框架上，位于豆荚杆穿过通道靠近滚筒203一侧，且激光测距仪204发射的激光束平行于豆荚杆205轴向，由此激光测距仪204发射出的激光束会通过豆荚杆连接件206反射回来，进而测得豆荚杆205展开部分长度。

上述结构的两个豆荚展开机构2，安装于机架1的中部安装台101左右两端，安装方式相同，均通过在左侧支架201和右侧支架202中圆形框架底部安装的固定板210与机架1的中部安装台101间的固定，实现豆荚展开机构2与机架1间的固定；且需保证两套豆荚展开机构2的豆荚杆205展开过程中，豆荚杆205展开部分轴线平行。

所述连接杆部分3包括豆荚杆连杆301、球铰302与动平台303，如图3所示。其中，豆荚杆连杆301两端分别与两套豆荚展开机构2的豆荚杆205展开部分末端安装的豆荚连接件206固连。豆荚杆连杆301中部安装有球铰302，球铰302与动平台303中部通过球副相连；由此，在豆荚杆205展开过程中动平台303随之一同向前运动。

所述反射作用面4为塑料薄膜材质的反射平面，周向设计有多个连接点。如图4所示，本实施例中在左侧边等间隔设定有三个左侧连接点401，且三个左侧连接点401将左侧边等分为4份；同样在右侧边等间隔设定有三个右侧连接点402，三个右侧连接点402与三个左侧连接点401位置相对。前侧边设定有两个前侧连接点403，且两个前侧连接点403将前侧边等分为3份；同样在后侧边设定有两个后侧连接点404，两个后侧连接点404与两个前侧连接点403位置相对。在两套豆荚展开机构2的豆荚杆处于展开状态时，上述三个左侧连接点401分别与位于机架1左端豆荚展开机构2的豆荚杆205展开部分侧壁上，沿展开部分轴向设定的三个连接头相连。三个右侧连接点402分别与位于机架1右端豆荚展开机构2的豆荚杆205展开部分侧壁上，沿展开部分轴向设定的三个连接头连接。两个前侧连接点403分别与动平台303上的两个固定点连接固定；两个后侧连接点404分别与机架1的中部安装台101上设定的两个固定点固定；且上述连接头与豆荚杆205侧边间均采用滑动连接，可沿着豆荚杆205轴向滑动；由此完成反射作用面4的安装，且安装后使反射作用面4拉紧呈一平面；由此，在两套豆荚展开机构2的豆荚杆205压缩卷曲过程中，三个左侧连接点401与右侧连接点402会随着豆荚杆115的展开部分一同向后运动，两个前侧连接点403在豆荚杆115的展开过程中会随着动平台303向前运动；由于两个后侧连接点404在机架上的位置固定，由此反射作用面4会随豆荚杆205的压缩卷曲一同进行收拢运动。同理，在两套豆荚展开机构2的豆荚杆205展开过程中，反射作用面4会随豆荚杆205的展开曲一同展开。

所述绳驱动装置5为四套，分别安装于机架1顶梁与底梁两端对应位置。四套绳驱动装置5结构相同，均包括绕线辊501、绳索502、扭矩传感器503、输出轴504、箱体505、编码器506与蜗轮蜗杆机构，如图5所示。其中，绕线辊501两端通过轴承安装于机架1上固定的轴承座上，绕线辊501上缠绕绳索502，绳索502固定端与绕线辊501固定，牵引端用来连接连接杆部分3中的动平台303。扭矩传感器503固定于机架1上，扭矩传感器503一端轴与绕线辊501通过联轴器同轴相连，另一端轴通过联轴器同轴连接输出轴504。蜗轮蜗杆机构安装于由前箱体与后箱体两部分构成的整体箱体505内，包括蜗轮507与蜗杆508，蜗轮507与蜗杆508相互啮合。其中，蜗轮507与输出轴504间通过键连接；蜗杆508由固定于箱体505上的蜗轮蜗杆驱动电机驱动转动，蜗轮蜗杆驱动电机轴与蜗杆508间通过键连接；蜗轮蜗杆驱动电机的尾部还安装有编码器506，用于监测蜗轮蜗杆驱动电机的速度、时间、位移等运行参数。由此通过电机驱动蜗杆508转动，通过蜗轮507与蜗杆508传动，将动力通过输出轴504传递到绕线辊501上，带动绕线辊501转动，绕线辊501转动使得绳索502随之运动，进而能够使得绳索502对动平台303产生作用。绳驱动装置5中扭矩传感器503可用于测量绕线辊501上的扭矩，进而可以转换为绳索502上的张力。本发明中采用蜗轮蜗杆传动方式，可以实现机械自锁，即当电机处于断电状态时，仍能保证绕线辊501不转动，即可保证绳索502上的张力不改变。

上述结构的四套绳驱动装置5中，位于机架1顶梁两端的两套，绳索502的牵引端分别与动平台303两端上部连接定位；位于机架1底梁两端的两套，绳索502的牵引端分别与动平台303两端下部连接定位。由此，在各绳索502的拉力作用下，动平台303可绕球铰302转动，进而可以调整反射作用面的平整度。

上述激光测距仪204、扭矩传感器503、编码器506结合上位机、运动控制器、数据采集卡共同作为本发明变刚度可展机构的测控系统。

如图6所示，上位机与运动控制器、数据采集卡通过USB线相连，接收数据采集卡采集的数据，并根据采集的数据向运动控制器发送相应的控制信号、控制滚筒电机与驱动蜗轮蜗杆驱动电机的运动；上位机还可以用来显示滚筒电机与驱动蜗轮蜗杆驱动电机的运行状态以及所采集的各种数据。

上述数据采集卡还与激光测距仪204与扭矩传感器503相连；数据采集卡接收激光测距仪204测量的数据，并传送给上位机，进而由上位机控制滚筒电机同步运动，实现滚筒203的同步运动控制，从而使得两根豆荚杆205在展开过程中展开部分长度保持一致。数据采集卡接收扭矩传感器503测量的数据，并传送给上位机，上位机根据该数据，在绳索502到达指定张力时，控制滚筒电机与蜗轮蜗杆驱动电机运动停止。

上述运动控制器还与蜗轮蜗杆驱动电机与编码器506，通过运动控制器控制蜗轮蜗杆驱动电机转动，并接收编码器506读取的蜗轮蜗杆驱动电机运动状态信息。

基于上述测控系统的测控方法，如图7所示，具体通过如下步骤实现：

步骤1：操作开始，将上位机、数据采集卡与运动控制器初始化。

步骤2：控制两个滚筒电机以相同的速度同时开始运动。

步骤3：实时判断两个激光测距仪204的测量值之差是否在设定的许可范围内；如果是，继续进行步骤4；如果否，则大测量值所对应的滚筒电机停止运动，小测量值所对应的滚筒电机继续运动，随后重复进行步骤3。

步骤4：根据两个激光测距仪204的测量值，进一步判断是否均达到设定目标值；如果是，则继续进行步骤5；如果否，则控制达到设定目标值得激光测距仪204所对应的滚筒电机停止运动，未达到设定目标值对应的滚筒电机继续运动，随后重复步骤4。

步骤5：两个滚筒电机停止运动，此时豆荚杆205处于完全展开状态。

步骤6：控制四个蜗轮蜗杆电机开始运动。

步骤7：判断四个编码器506监测的蜗轮蜗杆电机运动位移值是否达到设定值，以及四个扭矩传感器503监测的扭矩值是否均达到设定值；如果是，则继续进行下一步；如果否，则扭矩值未达到设定值的蜗轮蜗杆电机继续运动；随后重复进行步骤7。

步骤9：四个蜗轮蜗杆电机停止运动；此时反射作用面3达到指定平整度，变刚度可展机构达到指定刚度；操作结束。

本发明通过驱动滚筒104使得豆荚杆205展开，并且通过激光测距仪114实时监测豆荚杆205展开部分的长度，使得两根豆荚杆205在展开过程中展开长度保持一致；在四套绳驱动装置5的作用下，使得动平台303姿态可变，进而可以调整与之相连的反射作用面3的平整度，除此之外还能将绳索404张紧到指定张力，对机构刚度进行调整，使得机构刚度最优。同时还能通过测控系统控制电机运动，并且将相应的测量数据进行存储，操作简单、数据处理方便。