专利名称：一种空间用多冗余备份stewart平台支撑杆的制作方法
技术领域：
本发明涉及空间飞行器平台，特别涉及一种空间用多冗余备份stewart平台支撑杆。
背景技术：
Stewart平台(又称hexapod平台)是一种六自由度空间井联机构，自从其诞生至今40多年来已被广泛应用于姿态产生器、空间飞行器对接机构、外科手术和数控加工等领域。Stewart平台是一种并联机构，其产生可以追溯到十九世纪初。1813年，法国学者Canchy曾研究过并联机构。1931年,Gwinnett提出了一种基于球面并联机构的娱乐装置。1940年，Pollard提出了一种用于汽车喷漆的工业空间并联装置。1947年英国人Gough采用并联机构设计了一种6自由度的轮胎测试机，这种机构被称为六足结构(Hexapod)。这类的轮胎测试机器从1954年被投入使用，直到2000年才退出历史舞台，并被送入英国国家科学和工业博物馆。1965年，Stewart设计了一种含有3个支链的6自由度运动平台，并提出将其应用于飞行模拟器并通过研究论文的方式第一次向世界展示了并联机构，在当时引起了学术界的广泛关注和兴趣。但是，第一个真正利用并联机构建造飞行模拟器的是一位同时代的美国工程师Klaus Cappel0 Cappel于1964年提出了一个称为八面体的六腿机构(Octahedral Hexapod)的专利，并于1967年获得批准。在此期间,他利用该机构建造了世界上第一个飞行模拟器。Stewart平台用于航天器的研究升始于20世纪60年代初期。1963年3月，美国"双子星座"载人飞船的"阿金娜"火箭在宇航员的参与下实现了人类历史上首次空间对接作。实现对接和捕获功能的最著名的机构是由美国和前苏联专家共同研制成功的异体同构周边式对接机构，型号是APAS-75。APAS-75对接机构实现了苏联“联盟号”飞船和美国“阿波罗”飞船的对接。stewart平台是APAS-75上碰撞缓冲的重要装置，是对接成功的关键。在APAS-75基础上研制了用于国际空间站的APAS-89式对接机构，是国际空间站的组装和维持运行的标准配置。2009年4月，欧洲最大的空间天文望远镜赫歇尔的副镜也采用了一个stewart平台作为微调机构。从结构上看，Stewart机构的动平台通过六个相同的独立支撑杆与安装平台相联接，每个分支中含有一个联接动平台的球面副、一个移动副和一个联接定平台的球面副，通过对运动副的重组形成了一系列6自由度并联机构。空间环境非常恶劣，存在真空、高低温交变冲击和粒子辐射。空间用stewart平台支撑杆中的丝杆润滑困难，在高真空环境下，丝杠容易因冷焊卡死。在高低温环境的冲击下，由于热膨胀系数不一致，丝杠也很容易卡死，并有可能引起电机堵转烧毁。同时，由于空间粒子辐射，电机容易因粒子冲击造成损坏。航天器发射后一般是无法维修的，而空间stewart平台的六个并联支撑杆又是单点失效的。因此，研制具有多冗余备份的空间stewart平台支撑杆结构是具有非常大的现实意义的。
目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
发明内容
为了解决空间stewart平台支撑杆单点失效的问题，本发明的目的在于提供一种空间用多冗余备份stewart平台支撑杆，利用本发明的多冗余备份支撑杆，可以在保留stewart平台高精度和高刚度优点的同时,还具有多种冗余备份的优点,提高了 stewart平台的稳定性。为了达到上述发明目的，本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种空间用多冗余备份stewart平台支撑杆，该装置包括:外安装桶内安装有内安装桶，内安装桶的中心位置安装有丝杠；在内安装桶外侧的上部，安装有直线电机转子线圈和备份直线电机转子线圈。在外安装桶内侧的上部，安装有直线电机定子和备份直线电机定子。在内安装桶与外安装桶之间安装有直线轴承，实现移动副的功能。在内安装桶外侧的下部，依次安装有主电机定子线圈和备份电机定子线圈，它们的内侧安装有电机转子线圈，在主电机定子线圈的上方安装有轴承，由轴承挡圈固定；在备份电机定子线圈的下方安装有轴承，由轴承挡圈固定；在内安装桶的下端与外安装桶之间安装有爆炸螺栓。本发明一种空间用多冗余备份stewart平台支撑杆，由于采取上述的技术方案，支撑杆不仅具有两组互为备份的驱动电机，而且每组驱动电机又分别具有一组备份；在支撑杆的底部，安装有爆炸螺栓和滑动轴承。当发生丝杠被卡死的情况时，爆炸螺栓起爆，丝杠可以通过直线电机驱动进行滑动，进而实现丝杠伸缩功能的备份。通过该机构，可以实现stewart平台每个支撑杆的四个电机互为备份；支撑杆的丝杆具有旋转和平动两种运动形式，实现伸缩功能的互为备份。因此，本发明能够实现空间stewart平台的多种冗余备份，解决了空间stewart平台支撑杆单点失效的问题,取得了提高空间stewart平台可靠性的有益效果。
图1是stewart平台的机械原理图；图2是本发明stewart平台的三维图；图3是本发明一种空间用多冗余备份stewart平台支撑杆的结构示意图；图4是本发明的爆炸螺栓起爆后，直线电机驱动到任意位置的情况；图5是内安装桶的结构图。
具体实施例方式图1是stewart平台的机械原理图；如图1所示，在安装平台上方由六个支撑杆支撑一个运动平台，六个支撑杆与安装平台和运动平台组成六自由度并联机构。图2是本发明stewart平台的三维图；如图2所示,该平台包括一个底板2,底板2上均匀分布六个支撑杆，支撑杆3的上端与目标顶板I连接，下端与底板2连接。每个支撑杆3含有联接目标顶板I的一个球面副和一个移动副，以及联接底板2的一个球面副。通过对运动副的重组形成了一系列6自由度并联机构。下面结合
本发明的优选实施例。图3是本发明一种空间用多冗余备份stewart平台支撑杆的结构示意图；如图3的实施例所示，该装置包括: 外安装桶6内安装有内安装桶5，内安装桶5的中心位置安装有丝杠4在内安装桶5外侧的上部，安装有直线电机转子线圈8和备份直线电机转子线圈17。在外安装桶6内侧的上部，安装有直线电机定子7和备份直线电机定子16。在内安装桶5与外安装桶6之间安装有直线轴承9，实现移动副的功能。在内安装桶5外侧的下部，依次安装有主电机定子线圈11和备份电机定子线圈12，它们的内侧安装有电机转子线圈13，在主电机定子线圈11的上方安装有轴承18，由轴承挡圈10固定；在备份电机定子线圈12的下方安装有轴承14，由轴承挡圈19固定；在内安装桶5的下端与外安装桶6之间安装有爆炸螺栓15。图4是本发明的爆炸螺栓起爆后，直线电机驱动到任意位置的情况。通过图4可以看出，内安装桶5通过轴承9，可以在电机的驱动下实现移动副的功能。图5是内安装桶的结构图。内安装桶5具有直线电机转子的安装槽，其他的零件的安装孔没有画出。下面进一步对本发明的工作过程进行描述。在本发明中，支撑杆的移动副是通过电机带动丝杠4回旋转动实现的。本发明为驱动丝杠4旋转的电机增加了主电机定子线圈的备份线圈。当主电机定子线圈11出现故障时，备份主电机定子线圈12启动，可以实现对丝杠4的旋转驱动，进而实现了一种冗余备份。当发生丝杠卡死的情况时,爆炸螺栓15起爆,使内安装桶5与外安装桶6分离。在内安装桶5与外安装桶6之间安装有直线轴承9，实现移动副的功能。此时，直线电机定子7和直线电机转子线圈8通电工作，带动内安装桶5移动。由于丝杠4卡死，此时丝杠4和内安装桶5是相对固定的，进而实现了丝杆4的移动副功能，完成了一种冗余备份。当直线电机定子7和直线电机转子线圈8发生故障不工作时，备份直线电机定子16和备份直线电机转子线圈17启动，继续驱动内安装桶5的移动，实现驱动的冗余备份。因此上述丝杆4具有旋转和平动两种运动形式，实现伸缩功能的互为备份。由上所述，在本发明的装置中，stewart平台支撑杆不仅具有两组互为备份的驱动电机，而且每组驱动电机又分别具有一组备份；在支撑杆的底部，安装有爆炸螺栓和滑动轴承。当发生丝杠被卡死的情况时，爆炸螺栓起爆，丝杠可以通过直线电机驱动进行滑动，进而实现丝杠伸缩功能的备份。通过该机构，可以实现stewart平台每个支撑杆的四个电机互为备份；支撑杆的丝杆具有旋转和平动两种运动形式，实现伸缩功能的互为备份。因此，本发明解决了空间stewart平台支撑杆的单点失效问题，提高了平台的稳定性。
权利要求
1.一种空间用多冗余备份Stewart平台支撑杆，其特征在于，该装置包括: 外安装桶[6]内安装有内安装桶[5]，内安装桶[5]的中心位置安装有丝杠[4];在内安装桶[5]外侧的上部，安装有直线电机转子线圈[8]和备份直线电机转子线圈[17];在外安装桶[6]内侧的上部，安装有直线电机定子[7]和备份直线电机定子[16];在内安装桶[5]与外安装桶[6]之间安装有直线轴承[9];在内安装桶[5]外侧的下部，依次安装有主电机定子线圈[11]和备份电机定子线圈[12]，它们的内侧安装有电机转子线圈[13]，在主电机定子线圈[11]的上方安装有轴承[18]，由轴承挡圈[10]固定；在备份电机定子线圈[12]的下方安装有轴承[14]，由轴承挡圈[19]固定；在内安装桶[5]的下端与外安装桶[6]之间安装有爆炸螺栓[15]。
2.如权利要求1所述的支撑杆，其特征在于:该支撑杆为六个，每个支撑杆含有联接目标顶板[I]的一个球面副和一个移动副，以及联接底板[2]的一个球面副。
3.如权利要求1所述的支撑杆，其特征在于:所述的内安装桶[5]具有直线电机转子的安装槽。
4.如权利要求1所述的支撑杆，其特征在于:当所述的丝杠[4]被卡死时，爆炸螺栓[15]起爆，内安装桶[5]通过直线轴承[9]，在电机的驱动下成为移动副。
全文摘要
本发明涉及空间飞行器平台，公开了一种空间用多冗余备份stewart平台支撑杆。包括丝杆[4]、内转桶[5]和外安装桶[6]内除了安装直线电机定子[7]、直线电机转子线圈[8]、主电机定子线圈[11]，还安装有备份电机定子线圈[12]、备份直线电机定子[16]、备份直线电机转子线圈[17]和爆炸螺栓[15]，从而实现空间stewart平台支撑杆的多种冗余备份。本发明解决了空间stewart平台支撑杆单点失效的问题，取得提高空间stewart平台可靠性的有益效果。
文档编号H02K7/10GK103115047SQ201110366058
公开日2013年5月22日 申请日期2011年11月17日 优先权日2011年11月17日
发明者赵艳涛, 史耀强, 吴晟 申请人:上海航天测控通信研究所