CN104460723A - 挠性空间结构振动控制用绳索作动器系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种挠性空间结构振动控制用绳索作动器系统，由绳索作动器、非接触图像测振传感器、直流电桥、信号调理器、控制器和驱动器组成，绳索作动器的输出信号通过直流电桥进入信号调理器中，信号调理器和非接触图像测振传感器的输出分别接入到控制器中，控制器的输出通过驱动器接到绳索作动器的电机，绳索作动器包括万向节、拉力测量器、绳索和步进电机。本发明结构简单、设计合理，安装方便、体积小、质量轻，能够有效降低运输成本。

Description

挠性空间结构振动控制用绳索作动器系统

技术领域

本发明涉及一种作动器系统，特别涉及一种用于挠性空间结构主动振动控制的绳索作动器系统，属于挠性航天器主动振动控制的技术领域。

背景技术

人们所使用的挠性空间结构主要为梁式，板式和圆盘式结构，如衍架、太阳能板和太空天线等，并且随着空间技术的发展，这些挠性空间结构的尺寸越来越大，在各种空间扰动的作用下，不可避免的激起挠性空间结构的振动，从而影响航天器的正常运行，甚至造成毁灭性的灾难，因此采用适当的作动器有效抑制这些挠性空间结构的振动具有重要的理论价值及工程意义。

目前，用于挠性结构振动控制的作动器主要分为两类：1.机电式、液压式作动器，如公开号为CN202735857U的专利，公开号为CN202124956U的专利；2.基于压电陶瓷、磁致伸缩材料、形状记忆合金等功能材料的作动器，如公开号为CN100541820C的专利，公开号为US6404108B1的专利。从工作原理、结构设计和自身材料属性等方面考虑，这些现有的作动器用于大型挠性空间结构的振动控制都会存在一定的缺陷：1.对于传统的机电式或液压式作动器，一方面由于此类作动器自身结构设计制造的复杂性，使得空间组装和维护非常困难，而且对于液压作动器，需要液压伺服系统，在太空这种极端环境下很难保证其长期正常工作，另一方面此类作动器普遍重量、体积较大，增加了空间运输成本，从而限制了其在空间结构振动控制领域的应用。2.对于电、磁和光激励的功能材料作动器，一方面由于此类作动器普遍存在结构性能问题，如形变小，受温度、电磁干扰影响大，工作稳定性差等，使其只能对较小幅度的结构振动进行抑制，而不能抑制大幅度的结构振动，另一方面，随着新材料的不断涌现，挠性空间结构将主要以薄膜形式为主，这给各种功能材料的安装带来极大困难，并且随着挠性空间结构尺寸朝着超大规模方向发展，大面积安装功能材料并不现实。

现有挠性空间结构中普遍采用绳索单元进行挠性结构的展开，因此将这些绳索单元进行改造，则可将其作为主动振动控制系统对展开挠性结构的振动进行抑制。虽然公开号为CN202735857U的专利提出了一种绳索作动器的设计方案，但此方案仍然采用传统的直线轨道运动系统作为执行机构，并且绳索的长度是不可变的，从而使其所能控制的挠性结构振动幅度受轨道长度的制约，无法进行大幅度的结构振动控制，此外，该作动器不具有力变向机构，无法改变控制力的方向。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术中存在的不足之处，提供一种结构简单、设计合理，体积小、质量轻、安装方便，不受挠性结构材料及尺寸制约的挠性空间结构振动控制用绳索作动器系统。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：由绳索作动器、非接触图像测振传感器、直流电桥、信号调理器、控制器和驱动器组成，绳索作动器的输出信号通过直流电桥进入信号调理器中，信号调理器和非接触图像测振传感器的输出分别接入到控制器中，控制器的输出通过驱动器接到绳索作动器的电机，所述的绳索作动器包括万向节、拉力测量器、绳索和步进电机，所述的万向节为球形，由球头和球碗组成，球头上端固定在拉力测量器的底部中心位置，球碗通过刚性金属杆固定在挠性空间结构上，所述的拉力测量器包括绝缘筒、U型轨道、金属膜电阻、拉伸弹簧、中心拉杆、连接环、定位筒、预紧弹簧和金属球，绝缘筒为圆柱形，在绝缘筒的内壁对称位置设有一对U型轨道，在U型轨道的底部设有金属膜电阻，拉伸弹簧一端固定在绝缘筒的底部中心位置，另一端连接到中心拉杆的下端，中心拉杆为圆柱形绝缘杆，在中心拉杆的上端设有连接环，定位筒为圆柱形，两个定位筒对称固定在中心拉杆上，预紧弹簧一端固定在定位筒的底部中心位置，另一端连接到金属球上，两个金属球分别置于对称的U型轨道内。

本发明的优点是：

采用机电系统作为绳索作动器的激励，不采用电磁信号及光信号，从激励源上避免了空间电磁场及光源对系统的干扰，作动器采用绳索长度可变的缠绕方式驱动，非直线轨道驱动方式，避免了对挠性结构振动控制幅度的限制，作动器只需简单与挠性空间结构端点相连接，无需大面积粘接及精密安装，不受挠性结构材料及尺寸的制约，作动器结构简单、设计合理，安装方便、体积小、质量轻，能够有效降低运输成本。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明拉力测量器的俯视截面图；

图3是本发明绳索作动器系统的另一种形式的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

由图1-图3可知，本发明由绳索作动器1、非接触图像测振传感器2、直流电桥3、信号调理器4、控制器5和驱动器6组成，绳索作动器1的输出信号通过直流电桥3进入信号调理器4中，信号调理器4和非接触图像测振传感器2的输出分别接入到控制器5中，控制器5的输出通过驱动器6接到绳索作动器1的电机10，所述的绳索作动器1包括万向节7、拉力测量器8、绳索9和步进电机10，所述的万向节7为球形，由球头11和球碗12组成，球头11上端固定在拉力测量器8的底部中心位置，球碗12通过刚性金属杆13固定在挠性空间结构14上，所述的拉力测量器8包括绝缘筒15、U型轨道16、金属膜电阻17、拉伸弹簧18、中心拉杆19、连接环20、定位筒21、预紧弹簧22和金属球23，绝缘筒15为圆柱形，在绝缘筒15的内壁对称位置设有一对U型轨道16，在U型轨道16的底部设有金属膜电阻17，拉伸弹簧18一端固定在绝缘筒15的底部中心位置，另一端连接到中心拉杆19的下端，中心拉杆19为圆柱形绝缘杆，在中心拉杆19的上端设有连接环20，定位筒21为圆柱形，两个定位筒21对称固定在中心拉杆19上，预紧弹簧22一端固定在定位筒21的底部中心位置，另一端连接到金属球23上，两个金属球23分别置于对称的U型轨道16内。

所述的绳索9一端与连接环20连接，另一端缠绕在步进电机10的转轴上。

所述的步进电机10包括电机主体24和导引盘25，在电机主体24的转轴上设有导引盘25，导引盘25为喇叭口型。

本发明由绳索作动器1、非接触图像测振传感器2、直流电桥3、信号调理器4、控制器5和驱动器6组成，绳索作动器1的输出信号通过直流电桥3进入信号调理器4中，信号调理器4和非接触图像测振传感器2的输出分别接入到控制器5中，控制器5的输出通过驱动器6接到绳索作动器1的电机10。绳索作动器1安装于梁式挠性空间结构14的前端，非接触图像测振传感器2采集挠性空间结构14的振动信息，信号调理器4用来对信号进行预处理，如滤波和放大，直流电桥3的一个桥臂是由金属膜电阻17和金属球23构成的滑动变阻器，其余桥臂为定值电阻，本实施方式中直流电桥3的输出信号与绳索作动器1中绳的拉力成线性关系。

所述的绳索作动器1包括万向节7、拉力测量器8、绳索9和步进电机10，所述的万向节7为球形，由球头11和球碗12组成，球头11上端固定在拉力测量器8的底部中心位置，球碗12通过刚性金属杆13固定在挠性空间结构14上，球头11通过在球碗12内的滚动来改变控制力的方向。所述的拉力测量器8包括绝缘筒15、U型轨道16、金属膜电阻17、拉伸弹簧18、中心拉杆19、连接环20、定位筒21、预紧弹簧22和金属球23，绝缘筒15为圆柱形，由轻质、绝缘的碳纤维材料制成，在绝缘筒15的内壁对称设置有一对U型轨道16，轨道底部通过真空镀膜或溅射技术均匀附着金属膜电阻17，拉伸弹簧18一端固定在绝缘筒15的底部中心位置，另一端连接到中心拉杆19的下端，中心拉杆19为圆柱形绝缘杆，在中心拉杆19的上端设置有连接环20，定位筒21为圆柱形，由碳纤维材料制成，两个定位筒21对称固定在中心拉杆19上；预紧弹簧22一端固定在定位筒21的底部中心位置，另一端连接到金属球23上，两个金属球23分别置于对称的U型轨道16内，金属球23为铜质，预紧弹簧22要始终保持压缩状态，从而保证金属球23与U型轨道16底部的金属膜电阻17保持良好的点接触。当中心拉杆19在绳索9的拉力作用下轴向运动时，带动两个金属球23分别在各自的轨道内滑动，从而构成冗余滑动变阻器结构，两个金属球23为滑动端，当一组滑动变阻器失效时，另一组仍能够完成机电转换功能。所述的绳索9一端与连接环20连接，另一端缠绕在步进电机10转轴上；所述的步进电机10包括电机主体24和导引盘25，导引盘25为喇叭口型，固定于电机主体24的转轴上并与转轴同步旋转，用来引导绳索9安全缠绕在电机转轴上。

本发明的工作原理为：通过直流电桥3采集绳索9中的实时拉力，并经信号调理器4滤波、放大后与非接触图像测振传感器2采集的挠性结构的振动信息一起送入控制器5，控制器5输出相应的控制信号，此信号经驱动器6放大后驱动绳索作动器1产生相应的控制拉力，此拉力作用于挠性空间结构14的振动端抑制其振动。

本发明的绳索作动器1工作原理为：步进电机10在控制指令的作用下转动，收紧或释放绳索9，从而带动拉力测量器8的中心拉杆19轴向运动，拉伸弹簧18在中心拉杆19的作用下产生张力并通过万向节7作用在挠性空间结构14上；中心拉杆19轴向运动的同时，带动金属球23在轨道内滑动，构成滑动变阻器结构，用于测量绳中实时拉力。

绳索作动器系统也有其他的结构形式，由图3可知，图中的绳索作动器系统中绳索作动器1、非接触图像测振传感器2、直流电桥3和信号调理器4的数量均为四个，控制器5有八个输入端，驱动器6有四个输出端，四个绳索作动器1分别安装于板式挠性空间结构14的四个端点上，四个非接触图像测振传感器2分别测量板式挠性空间结构14的四个端点的振动信息，四个非接触图像测振传感器2的输出和四个信号调理器4的输出分别与控制器5的八个输入端相连接，驱动器6的四个输出端分别与四个绳索作动器1的输入端相连接，其它组成和连接方式与本发明相同。

当挠性空间结构14为圆盘式时，绳索作动器系统还有另一种形式：在绳索作动器系统中绳索作动器1、非接触图像测振传感器2、直流电桥3和信号调理器4的数量均为n个，n为大于等于2的自然数，控制器5有2n个输入端，驱动器6有n个输出端，n个绳索作动器1分别间隔角θ(θ＝360/n)安装于圆盘式挠性空间结构的圆形边界上，n个非接触图像测振传感器2分别测量圆盘式挠性空间结构14与绳索作动器1连接点处的振动信息，n个非接触图像测振传感器2的输出和n个信号调理器4的输出分别与控制器5的2n个输入端相连接，驱动器6的n个输出端分别与n个绳索作动器1的输入端相连接，其它组成和连接方式与本发明相同。

Claims (3)

1.一种挠性空间结构振动控制用绳索作动器系统，由绳索作动器(1)、非接触图像测振传感器(2)、直流电桥(3)、信号调理器(4)、控制器(5)和驱动器(6)组成，其特征在于：绳索作动器(1)的输出信号通过直流电桥(3)进入信号调理器(4)中，信号调理器(4)和非接触图像测振传感器(2)的输出分别接入到控制器(5)中，控制器(5)的输出通过驱动器(6)接到绳索作动器(1)的电机(10)，所述的绳索作动器1包括万向节(7)、拉力测量器(8)、绳索(9)和步进电机(10)，所述的万向节(7)为球形，由球头(11)和球碗(12)组成，球头(11)上端固定在拉力测量器(8)的底部中心位置，球碗(12)通过刚性金属杆(13)固定在挠性空间结构(14)上，所述的拉力测量器(8)包括绝缘筒(15)、U型轨道(16)、金属膜电阻(17)、拉伸弹簧(18)、中心拉杆(19)、连接环(20)、定位筒(21)、预紧弹簧(22)和金属球(23)，绝缘筒(15)为圆柱形，在绝缘筒(15)的内壁对称位置设有一对U型轨道(16)，在U型轨道(16)的底部设有金属膜电阻(17)，拉伸弹簧(18)一端固定在绝缘筒(15)的底部中心位置，另一端连接到中心拉杆(19)的下端，中心拉杆(19)为圆柱形绝缘杆，在中心拉杆(19)的上端设有连接环(20)，定位筒(21)为圆柱形，两个定位筒(21)对称固定在中心拉杆(19)上，预紧弹簧(22)一端固定在定位筒(21)的底部中心位置，另一端连接到金属球(23)上，两个金属球(23)分别置于对称的U型轨道(16)内。

2.根据权利要求1所述的挠性空间结构振动控制用绳索作动器系统，其特征在于：所述的绳索(9)一端与连接环(20)连接，另一端缠绕在步进电机(10)的转轴上。

3.根据权利要求1所述的挠性空间结构振动控制用绳索作动器系统，其特征在于：所述的步进电机(10)包括电机主体(24)和导引盘(25)，在电机主体(24)的转轴上设有导引盘(25)，导引盘(25)为喇叭口型。