专利名称：模块姿态控制机构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种模块姿态控制机构，特别是一种对射电望远镜主动反射面模块的姿态进行自动控制的机构。
天文学的研究方向需要发展巨型射电天文望远镜，由于巨型球面射电望远镜的反射面直径达到数百米，人类目前的技术水平还无法建造如此巨大的全动式反射面，所以现有的巨型望远镜为固定式反射面。但是固定式球面反射面只能完成线聚焦，要达到馈源所要求的点聚焦，必须在馈源前加设二次聚焦装置。而巨型望远镜的馈源是架设在上百米的高空，这种方案的技术难度和工程费用都非常高。解决这一难题的技术路线是建造具有主动式反射面的巨型射电望远镜，在跟踪目标的过程中，反射面上被馈源照明的部分可以按需要拟合成抛物面，直接完成点聚焦，将技术难题从高空移到地面上解决。主动式反射面是由若干单元球面模块组合而成，每块单元模块的下部设有支撑机构，若干模块共同拟合抛物面的动作由支撑机构完成。其技术难点是由于新构成的抛物面上两点之间的弧长比球形反射面上的弧长要短，所以两个支撑在与模块背架之间的长度和角度均要作改变；在以抛物面变回球面时又需作相反的改变，这就是模块的姿态控制。支撑机构对模块的支撑与姿态控制是一种六个自由度的动态空间定位。现有技术中对一个刚体的动态空间定位常采用六杆支撑机构，但其结构十分复杂，造价很高，对控制系统的要求也很高。在建造主动式反射面工程中实际使用的，是较简化的三杆支撑机构。三杆支撑机构是每个单元模块下部设有三个升降促动器，例如三根可伸缩的支撑杆，每根支撑杆均由控制系统控制。这类支撑机构虽然能够解决刚体模块的支撑与运动，但在数千块模块组成的反射面上采用，仍嫌其结构复杂，驱动部件过多，并进而造成背架系统自重较大、自振频率较低；对支撑的刚度要求高，支撑悬臂的几何截面较大；承受额外载荷的能力比较差；这类机构对控制系统的要求也比较高。同时，由于机构复杂，工作的可靠性就难以提高。
为了克服现有技术的上述不足，本申请将提供一种新结构的支撑机构和模块姿态控制机构，新结构应在完成对被控刚体(如模块)姿态控制的同时，能大幅度地简化支撑机构与补偿机构的结构，减少驱动部件的数量，减轻背架系统的自重，提高其自振频率，并进而减小支撑悬臂的几何截面；提高整个背架承受额外载荷的能力；同时本发明的补偿机构具有自动补偿功能，可不依赖控制系统的指挥，在支撑机构将球面改为抛物面，或将抛物面改回球面时，对模块的位置与角度自动进行补偿。新设计将降低该机构对控制系统的依赖及对控制系统的技术要求，同时还可进一步降低该机构的自重及造价。
完成上述任务的技术方案是每块被控刚体设有三个支撑，结构是在被控刚体下设有升降促动器，特征是在每个升降促动器的顶端设置II级运动副作为补偿机构。这里所说的“顶端”可以是促动器的上端或下端。本方案对单独的一块刚体或组成主动反射面的各个刚体，都是适用的，它对刚体的控制是完全限定运动，使用比六杆支撑机构简单的支撑机构，完成对刚体空间位置的控制，可使刚体停留在水平、倾斜、垂直，甚至倒置等任意位置。本申请有两个优化设计，其一是为了减少II级运动副中的运动副元素的摩擦，将原有的高副替换为低副，例如II级运动副由移动副和球面副构成。第二个优化设计适用于多个刚体的姿态控制(例如主动反射面)，方案是将每个被控刚体设置三个升降促动器，改为由相邻刚体共用升降促动器，其特征是升降促动器由相邻的被控刚体共用，每个升降促动器的顶端设置两个或两个以上的II级运动副作为补偿机构，各补偿机构分别与被控刚体联结，各联结点设置在各被控刚体相邻的边、角处。这里所说的被控刚体，在主动反射面中是单元球面模块；所说的升降促动器，可以是螺杆，液压杆，直线电机等各种线性运动构件；所说的“边、角处”，是相对“中心支撑”方式而言的，即联结点比较靠近被控刚体的边缘，以利于“共用”促动器。本方案保证每个被控刚体获得三个支撑，又可减少将近三分之二的支撑数，同时，也为补偿机构改为自动补偿创造了条件。优化方案中的补偿机构即为补偿接头，即每根支撑杆的顶端设置两个或两个以上的补偿接头，各补偿接头分别与各模块联结。本设计的补偿接头，不需控制系统的指挥，可自动完成补偿动作。
本申请提供了新的支撑机构和模块姿态控制机构，它对刚体的控制是完全限定运动，使用比六杆支撑机构简单的支撑机构，完成了对刚体空间位置的控制。其优化方案能满足主动反射面工程中，对模块进行动态空间姿态控制的要求，能对新构成抛物面时引起的支撑与球面块背架连接点之间的长度和角度的变化给以补偿。同时，本设计大幅度地简化了支撑机构与补偿机构的结构，减少驱动部件的数量将近三分之二，所以明显减轻了背架系统的自重，提高了其自振频率，并进而提高了整个背架系统承受额外载荷的能力，减小了支撑悬臂的几何截面；同时本发明的补偿机构具有自动补偿功能，可不依赖控制系统的指挥。例如在巨型射电望远镜主动反射面上，支撑机构将反射面由球面改为抛物面，或将抛物面改回球面时，对模块的位置与角度自动进行补偿。这进一步降低了该机构对控制系统的依赖及对控制系统的技术要求，以及整个背架系统的成本。设置补偿机构还能消除运动中的死点。除射电望远镜外，本设计还可用于其他需要姿态控制的装置上，例如用于大型太阳灶(或太阳能锅炉)的反射面。
现在结合附图与实施例作进一步说明。
图1为边角支撑方案(局部)结构示意图；图2为自动补偿机构原理图；图3为补偿接头结构示意图。
实施例1，以采用等腰梯形面板单元(即模块)拼接球形反射面为例，参照图1相邻两块或三块或四块单元模块，共享一个支撑。这样，总支撑数略大于总的单元模块数。所有支撑对整个球面是有序排列的。对于每个模块其三点支撑的位置各不相同，对于支撑和接头来说是允许的。参照图2升降促动器1，由被控刚体4与其相邻的其他刚体共用，每个升降促动器的顶端设置多个由构件2和构件3组成的II级运动副作为补偿机构，各补偿机构分别与被控刚体4联结，各联结点设置在各被控刚体相邻的边、角处。具体结构参照图3升降促动器为支撑杆1，其顶端设置有三个(部分支撑杆设两个；部分支撑杆设四个)补偿接头，补偿接头由球面副(即球形关节)5与移动副(即直线导轨)6组成。各补偿接头分别与被控刚体(即球面模块)4联结，各联结点设置在模块的边、角处。
实施例2，与上例基本相同，但模块采用三角形。升降促动器为滚珠螺杆。
实施例3，与上例基本相同，但模块采用六边形。
实施例4，与上例基本相同，但采用五边形与六边形交替组合式的模块。
实施例5，单独一个被控刚体设三个支撑杆，各杆顶端设一个II级运动副。
权利要求1.一种模块姿态控制机构，每块被控刚体设有三个支撑，结构是在被控刚体下设有升降促动器，其特征是在每个升降促动器的顶端设置II级运动副作为补偿机构。
2.按照权利要求1所述的模块姿态控制机构，其特征是升降促动器由相邻的被控刚体共用，每个升降促动器的顶端设置两个或两个以上的II级运动副作为补偿机构，各补偿机构分别与被控刚体联结，各联结点设置在各被控刚体相邻的边、角处。
3.按照权利要求1或2所述的模块姿态控制机构，其特征是所说的II级运动副是由移动副和球面副构成的补偿接头。
4.按照权利要求1或2所述的模块姿态控制机构，其特征是所说的升降促动器是在模块与模决相邻的边、角处设置的支撑杆，所说的补偿接头由移动副与球面副组成。
专利摘要模块姿态控制机构是对射电望远镜天线主动反射面的模块姿态进行自动控制的机构,特征是在升降促动器顶端设有Ⅱ级运动副作为补偿机构,它可由移动副和球面副构成。优化设计是升降促动器由相邻的模块共用,其顶端设置多个补偿机构,分别与模块联结。本设计在保证每个模块获得三个支撑的同时,大幅度简化结构,减少驱动部件近三分之二,减轻了背架系统的自重,并提高了承受额外载荷的能力。补偿接头有自动补偿功能。
文档编号G05B13/00GK2371581SQ9922829
公开日2000年3月29日 申请日期1999年5月10日 优先权日1999年5月10日
发明者屈元根, 陈忆 申请人:中国科学院南京天文仪器研制中心, 中国科学院国家天文观测中心