大射電望遠(yuǎn)鏡饋源艙系統(tǒng)Stewart平臺(tái)的技術(shù)研究_圖文

1、大射電望遠(yuǎn)鏡饋源艙系統(tǒng)Stewart平臺(tái)的技術(shù)研究*李建軍,王宇哲,賈彥輝,段艷賓(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊050081摘要:FAST大射電望遠(yuǎn)鏡以中科院國家天文臺(tái)為研制總體,其Stewart平臺(tái)作為饋源艙內(nèi)部接收機(jī)平臺(tái)的精調(diào)機(jī)構(gòu),用于減少和抑制整個(gè)饋源艙的風(fēng)激擾動(dòng)影響,并對(duì)饋源運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行精調(diào)定位?；谀壳梆佋磁撓到y(tǒng)的設(shè)計(jì)輸入,完成了Stewart平臺(tái)的構(gòu)型選擇和參數(shù)確定,進(jìn)而分別從下平臺(tái)、上平臺(tái)和伸縮支桿三方面進(jìn)行Stewart平臺(tái)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,利用有限元分析軟件ANSYS 分別對(duì)下平臺(tái)、上平臺(tái)和伸縮支桿進(jìn)行了力學(xué)分析。結(jié)果表明,該Stewart

2、平臺(tái)滿足設(shè)計(jì)需求。關(guān)鍵詞:大射電望遠(yuǎn)鏡;Stewart平臺(tái);饋源艙;力學(xué)分析中圖分類號(hào):TN16文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):10085300(201404001905Technologyesearch of Stewart Platform inLargeadio Telescope Feed CabinLI Jian-jun,WANG Yu-zhe,JIA Yan-hui,DUAN Yan-bin(The54thesearch Institute of CETC,Shijiazhuang050081,ChinaAbstract:Large radio telescope FAST has Nat

3、ional Astronomical Observatory of Chinese Academy of Sciences as overall development,its Stewart platform is the fine level adjusting mechanism of interior receiver platform in feed cabin,and is used to reduce the wind excitation disturbance of the feed cabin and to adjust precisely the position of

4、the motion trajectory of the feed cabinBased on the design input of current feed cabin system, the structure configuration selection and the parameter determination of the Stewart platform are completedThen,the detailed structure design of the Stewart platform is carried out from the three aspects o

5、f bottom plat-form,top platform and telescopic strutBased on the detailed structure design,the mechanical analysis for the bottom platform,the top platform and the telescopic strut are performed using finite element analysis software ANSYSAnalysis results indicate that the Stewart platform meets the

6、 design requirementsKey words:large radio telescope;Stewart platform;feed cabin;mechanical analysis引言為滿足射電天文研究的需求,我國將在貴州省平塘縣大窩凼洼地建設(shè)500m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(Five hundred meter Aperture Spherical radio Tele-scope,簡(jiǎn)稱FAST1。FAST望遠(yuǎn)鏡采用了獨(dú)特的柔索拖動(dòng)約30t重的饋源艙在反射面上方饋源焦面內(nèi)緩慢運(yùn)動(dòng),以便饋源艙內(nèi)饋源接收機(jī)主動(dòng)跟蹤反射面焦點(diǎn)的位置變化,使得艙內(nèi)承載的饋源接收機(jī)能夠在焦點(diǎn)位置接收來自遙

7、遠(yuǎn)太空的天體電波信號(hào),該跟蹤方式突破了傳統(tǒng)射電望遠(yuǎn)鏡中饋源接收機(jī)與反射面相對(duì)固定的簡(jiǎn)單剛性支撐模式24。FAST望遠(yuǎn)鏡的饋源系統(tǒng),采用了懸索驅(qū)動(dòng)的無平臺(tái)支撐方案,其內(nèi)部由三級(jí)調(diào)整機(jī)構(gòu)串聯(lián)組成。1第一級(jí):通過懸索牽引系統(tǒng),完成饋源艙在直徑200m區(qū)域內(nèi)的軌跡控制,星型框架的傾斜角度可達(dá)25。2第二級(jí):通過AB軸機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)15轉(zhuǎn)角功能,補(bǔ)償一級(jí)索驅(qū)動(dòng)無法達(dá)到的饋源姿態(tài)角度。3第三級(jí):通過Stewart平臺(tái)精調(diào)機(jī)構(gòu),減少和抑第30卷第4期2014年8月電子機(jī)械工程ElectroMechanical EngineeringVol30No4Aug2014*收稿日期:20140306基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基

8、金資助項(xiàng)目(51205339制整個(gè)饋源艙的風(fēng)激擾動(dòng)影響,并對(duì)饋源運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行精調(diào)定位,保證其小于10mm 的位置精度57。FAST 饋源艙作為饋源接收機(jī)等有效載荷的安裝平臺(tái)8,如何實(shí)現(xiàn)饋源接收機(jī)較高精度的定位和位姿控制要求是目前饋源艙方案研究和設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)緊迫任務(wù)。1Stewart 平臺(tái)的構(gòu)型選擇饋源艙作為FAST 天文觀測(cè)設(shè)備(饋源接收機(jī)支撐機(jī)構(gòu),內(nèi)部由星型框架、AB 軸機(jī)構(gòu)、Stewart 平臺(tái)自上而下串聯(lián)而成,外加防護(hù)罩,以滿足饋源艙各種設(shè)備的防雨、防塵等要求。Stewart 平臺(tái)作為饋源接收機(jī)的精調(diào)機(jī)構(gòu),是FAST 望遠(yuǎn)鏡的核心部件910,如圖1所示 。圖1饋源艙結(jié)構(gòu)組成Stewart

9、 平臺(tái)性能指標(biāo)如下:1一級(jí)索驅(qū)動(dòng)控制精度(中心點(diǎn)為A 、B 軸交點(diǎn)為空間位置誤差72mm ,空間姿態(tài)誤差1;2對(duì)Stewart 下平臺(tái)的任意點(diǎn)均可實(shí)現(xiàn)矢量控制,空間位置誤差10mm ,空間姿態(tài)誤差05;3下平臺(tái)有效載荷為2500kg ;4Stewart 平臺(tái)的伺服譜帶寬應(yīng)小于索驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的一階固有頻率018Hz 。Stewart 平臺(tái)是并聯(lián)機(jī)構(gòu)中的經(jīng)典構(gòu)型,自由度性質(zhì)明確,理論分析透徹,應(yīng)用廣泛,技術(shù)成熟。Stewart 平臺(tái)通過6個(gè)獨(dú)立的開環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈連接上、下平臺(tái)組成閉環(huán),以并聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)下平臺(tái)的驅(qū)動(dòng),具有6個(gè)自由度。Stewart 平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)包括:1機(jī)械零部件主要由滾珠絲杠、虎克鉸、球鉸、伺服

10、電機(jī)等通用組件組成,數(shù)目較串聯(lián)機(jī)構(gòu)大幅減少,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可靠性高;2采用封閉性結(jié)構(gòu),負(fù)荷流線短,且負(fù)荷分解的拉、壓力由多個(gè)二力結(jié)構(gòu)連桿同時(shí)承受,應(yīng)力與變形較小,故其結(jié)構(gòu)剛度大,承載能力強(qiáng),靜態(tài)誤差小,剛度重量比遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)構(gòu);3各可伸縮桿桿長均能單獨(dú)對(duì)動(dòng)平臺(tái)的位置和姿態(tài)起作用,不存在誤差累積和放大的現(xiàn)象,加之結(jié)構(gòu)對(duì)稱,故運(yùn)動(dòng)精度高。Stewart 平臺(tái)的劣勢(shì)在于其工作空間較小,在工作空間上有奇異點(diǎn)的限制,而且控制較為復(fù)雜。FAST 望遠(yuǎn)鏡的饋源接收機(jī)重量大、饋源艙空間有限、調(diào)整范圍相對(duì)較小,因此要求精調(diào)機(jī)構(gòu)剛度高、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)快速、定位精度高、可靠性高。饋源艙懸索控制系統(tǒng)具有多變

11、量、非線性、多體動(dòng)力學(xué)耦合等特點(diǎn),為了達(dá)到理想的控制效果,必須盡量減少各機(jī)構(gòu)之間的耦合程度。Stewart 平臺(tái)作為一種小質(zhì)量、大剛度、高精度的并聯(lián)機(jī)構(gòu),其負(fù)載(下平臺(tái)+接收機(jī)重量與饋源艙總重量之比接近110,有利于降低耦合影響。Stewart 平臺(tái)的6個(gè)驅(qū)動(dòng)腿都是沿著長度方向做伸縮運(yùn)動(dòng),軸向力的測(cè)量和計(jì)算比較容易,可以準(zhǔn)確計(jì)算耦合影響。因此,采用Stewart 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)饋源艙的二級(jí)精調(diào),能夠充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)而避免其不足。2Stewart 平臺(tái)的工作原理Stewart 平臺(tái)采用關(guān)節(jié)控制策略,其輸入為下平臺(tái)當(dāng)前位姿、下平臺(tái)期望位姿,輸出為6條伸縮支腿的長度?？刂葡到y(tǒng)以工控機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制器為基礎(chǔ),面向

12、用戶需求開發(fā)應(yīng)用軟件;采用工控機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)程序,負(fù)責(zé)人機(jī)界面和其他管理工作;以運(yùn)動(dòng)控制卡為伺服系統(tǒng)發(fā)送指令,實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)細(xì)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制;通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)各分支的移動(dòng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)饋源接收機(jī)的位姿調(diào)整;在伸縮支桿上安裝位移傳感器,采集桿件行程信息并反饋給工控機(jī)以實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán),如圖2所示 。圖2Stewart 平臺(tái)控制原理Stewart 平臺(tái)工作流程如下:1定義上平臺(tái)坐標(biāo)系、下平臺(tái)坐標(biāo)系、大地坐標(biāo)系以及三者之間的相互關(guān)系;2通過外部測(cè)量確定初始時(shí)刻下平臺(tái)坐標(biāo)系在大地坐標(biāo)系中的位姿;3根據(jù)虎克鉸在上平臺(tái)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值、球鉸在下平臺(tái)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值以及初始桿長,求出上平臺(tái)坐標(biāo)系在大地坐標(biāo)系中的位姿

13、;4控制系統(tǒng)輸入下一時(shí)刻下平臺(tái)坐標(biāo)系在大地坐標(biāo)系中的位姿;5根據(jù)上一步求出的上平臺(tái)坐標(biāo)系在大地坐標(biāo)系中位姿、下一時(shí)刻下平臺(tái)坐標(biāo)系在大地坐標(biāo)系中位·產(chǎn)品設(shè)計(jì)·電子機(jī)械工程2014年8月姿以及當(dāng)前桿長,計(jì)算6條伸縮支腿的桿長變化量,控制系統(tǒng)將下平臺(tái)驅(qū)動(dòng)到下一時(shí)刻的理論位姿;6通過外部測(cè)量確定該時(shí)刻下平臺(tái)坐標(biāo)系在大地坐標(biāo)系中的實(shí)際位姿,與理論位姿比較,并反饋到控制系統(tǒng),進(jìn)行誤差修正。3Stewart平臺(tái)的詳細(xì)設(shè)計(jì)31Stewart平臺(tái)的參數(shù)定義Stewart平臺(tái)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖3,上、下平臺(tái)各鉸點(diǎn)1、3、5和2、4、6分別以120間隔均勻分布。Stewart平臺(tái)機(jī)構(gòu)參數(shù)包括:上、下平

14、臺(tái)間初始高度h,上平臺(tái)鉸鏈中心點(diǎn)分布圓半徑,下平臺(tái)鉸鏈中心點(diǎn)分布圓半徑r,鉸鏈點(diǎn)間夾角1、2、1、2和初始桿長L 。圖3Stewart平臺(tái)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖根據(jù)饋源接收機(jī)的外形尺寸及分布需求,確定機(jī)構(gòu)初始高度及上、下平臺(tái)鉸點(diǎn)半徑的搜索范圍。以桿長為設(shè)計(jì)變量,以下平臺(tái)運(yùn)動(dòng)空間為限制條件,以各桿在全姿態(tài)工作空間內(nèi)受力最小為優(yōu)化條件,搜索最優(yōu)構(gòu)型,確定Stewart平臺(tái)機(jī)構(gòu)參數(shù):=3400mm,r=2150mm,h=2000mm,=20,=20。根據(jù)指標(biāo)要求,一級(jí)索驅(qū)動(dòng)控制精度空間位置誤差72mm,空間姿態(tài)誤差1。已知A、B軸交點(diǎn)與Stewart下平臺(tái)中心的距離,取Stewart下平臺(tái)六自由度的調(diào)整范圍為X、

15、Y、Z方向平移150mm;X、Y、Z方向旋轉(zhuǎn)5。以半徑為槡1502mm,高度為300mm的圓柱來描述所要求的工作空間,如圖4所示 。圖4下平臺(tái)工作空間32Stewart平臺(tái)的結(jié)構(gòu)組成Stewart平臺(tái)主要由上平臺(tái)、下平臺(tái)、伸縮支腿、球鉸、虎克鉸等部分組成,如圖5所示 。圖5Stewart平臺(tái)結(jié)構(gòu)組成(1上、下平臺(tái)上平臺(tái)作為Stewart平臺(tái)的支撐基礎(chǔ),向上通過B軸轉(zhuǎn)軸與AB軸轉(zhuǎn)環(huán)連接,向下通過虎克鉸連接6根相同的伸縮支腿。下平臺(tái)作為Stewart平臺(tái)的執(zhí)行部件,用以安裝饋源接收機(jī)、靶標(biāo)支座以及繞自身旋轉(zhuǎn)的多波束饋源轉(zhuǎn)盤。下平臺(tái)通過球鉸連接6根相同的伸縮支腿。為了減輕重量,結(jié)合鉸鏈分布、安裝空間

16、、結(jié)構(gòu)剛度等因素,上、下平臺(tái)均采用桁架結(jié)構(gòu)焊接而成。上平臺(tái)外形尺寸為6600mm700mm,重量約2500kg,下平臺(tái)外形尺寸為4200mm800mm,重量約1000kg。(2球鉸、虎克鉸虎克鉸(圖6是連接伸縮支腿和上平臺(tái)的構(gòu)件,具有2個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度,可以繞X、Y兩軸旋轉(zhuǎn)?；⒖算q以法蘭形式與連接箱體相連,主要由擺動(dòng)桿、擺動(dòng)塊和底座3部分組成。擺動(dòng)桿通過滾針軸承支承在擺動(dòng)塊上,擺動(dòng)塊再通過滾針軸承支撐在底座上,兩轉(zhuǎn)軸擺角分別可達(dá)90和45 。圖6虎克鉸球鉸(圖7是連接伸縮支腿和下平臺(tái)的構(gòu)件,具有3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。球鉸是在虎克鉸的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)完成,即在虎克鉸擺動(dòng)桿上端增加一個(gè)組件,使虎克鉸可繞中心軸線做

17、360旋轉(zhuǎn),從而實(shí)現(xiàn)第3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度 。圖7球鉸第30卷第4期李建軍,等:大射電望遠(yuǎn)鏡饋源艙系統(tǒng)Stewart平臺(tái)的技術(shù)研究·產(chǎn)品設(shè)計(jì)·(3伸縮支腿伸縮支腿是Stewart 平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)輸入構(gòu)件,由虎克鉸、驅(qū)動(dòng)單元、套筒、滾珠絲杠、滾珠花鍵、球鉸等部分組成,通過滾珠絲杠的伸縮實(shí)現(xiàn)下平臺(tái)位置和姿態(tài)的變化,如圖8所示 。圖8伸縮支腿結(jié)構(gòu)組成圖伸縮支腿的兩端分別連接虎克鉸與球鉸,中間安裝位移傳感器實(shí)時(shí)反饋支腿的行程信息,其長度的變化決定了下平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度、加速度、位置和姿態(tài)變化。電機(jī)通過減速器驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn),絲杠螺母滾珠花鍵連接。由套筒與滾珠花鍵共同組成直線導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)單元,確保旋轉(zhuǎn)

18、與平移運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化的可靠、順暢、無遲滯。滾珠花鍵軸為空心形式,內(nèi)部容納絲杠,并以螺紋形式與球鉸相連。33Stewart 平臺(tái)的力學(xué)分析331上下平臺(tái)剛度分析采用有限元軟件對(duì)上、下平臺(tái)進(jìn)行剛度、尺寸、重量的分析和優(yōu)化設(shè)計(jì),實(shí)體選用梁?jiǎn)卧?。下平臺(tái)約束為六桿的6個(gè)約束點(diǎn),負(fù)載為饋源接收機(jī)重量共計(jì)2500kg ,均勻加載到內(nèi)環(huán)的6個(gè)節(jié)點(diǎn)上;上平臺(tái)約束為AB 軸轉(zhuǎn)環(huán)的兩端,負(fù)載為下平臺(tái)及六桿的重量共計(jì)5000kg ,均勻施加在上平臺(tái)的6個(gè)鉸鏈點(diǎn)上。對(duì)上、下平臺(tái)進(jìn)行各種工況下的剛度分析,可以看出:水平0時(shí)上、下平臺(tái)變形最大,其中下平臺(tái)變形量為11mm ,出現(xiàn)在六邊形框架上;上平臺(tái)變形量為23mm ,出現(xiàn)在遠(yuǎn)離

19、約束點(diǎn)的內(nèi)、外圈的輔助梁上,如圖9、圖10所示 。圖9 下平臺(tái)變形圖圖10上平臺(tái)變形圖332伸縮支桿剛度分析在星型框架25,A 、B 軸均為15位姿,下平臺(tái)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí),伸縮支桿受力最大為17600N 。建立伸縮支桿的有限元模型,并施加17600N 軸向力,伸縮支桿在最大伸長量情況下變形最大為013mm ,最大應(yīng)力為88823MPa ,如圖11、圖12所示,滿足Stewart 平臺(tái)控制精度對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的要求 。圖11 伸縮支桿變形圖圖12伸縮支桿應(yīng)力圖·產(chǎn)品設(shè)計(jì)·電子機(jī)械工程2014年8月4結(jié)束語本文在前期概念設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,針對(duì)饋源艙方案設(shè)計(jì)的工作原理、技術(shù)參數(shù)、功能要求

20、,結(jié)合饋源艙的性能指標(biāo)、使用環(huán)境、使用條件等,對(duì)Stewart平臺(tái)從機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)以及控制等方面進(jìn)行了全面的技術(shù)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)及論述,為下一步詳細(xì)設(shè)計(jì)提供了技術(shù)依據(jù)。參考文獻(xiàn)1NANDFive hundred meter aperture spherical radio tele-scope(FASTJScience in China Series G:Physics,MechanicsAstronomy,2006,49(2:1291482南仁東500m球反射面射電望遠(yuǎn)鏡FASTJ中國科學(xué)G輯,2005,35(5:4494663朱文白FAST望遠(yuǎn)鏡天文規(guī)劃和饋源支撐的相關(guān)研究D北京:中國科學(xué)院研究

21、生院,20064DUAN B YA new design project of the line feed structurefor large spherical radio telescope and its nonlinear dynamicanalysisJMechatronics,1999,9(1:53645QIU Y HA novel design for a giant Arecibo-type sphericalradio telescope with an active main reflectorJMonthlyNotices of theoyal Astronomical

22、 Society,1998,301(3:8278306K CHEH,LI H,SUN J H,et alProposed design con-cepts of the FAST focus cabin suspensionC/Proceedingsof SPIE,Ground-based and Airborne Telescopes,2008,7012:701239-1701239-97QIU Y YModel analysis and experimental research on thefeed tracking system of large radio telescopeDXi'an:Xidian University,20028董杰大射電望遠(yuǎn)鏡AB軸平臺(tái)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及開發(fā)D西安:西安電子科技大學(xué),1986