CN105181373B - 一种多维构架式卫星天线展开机构重力平衡机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及卫星天线展开机构地面测试失重模拟装置，具体地说是一种多维构架式卫星天线展开机构重力平衡机械臂，包括安装座、天线展开跟随臂、指向跟随组件、编码器、虎克铰、展开驱动电机、恒力调节装置、X轴吊挂工装、吊点三维调节装置和天线吊挂工装，虎克铰安装在天线展开跟随臂和指向跟随组件下方，编码器安装在虎克铰的铰链处，恒力调节装置通过挂轴安装虎克铰下方并通过钢丝绳分别与X轴吊挂工装和天线吊挂工装连接，X吊挂工装和天线吊挂工装分别用以连接天线展开机构X轴和天线。本发明具有自由度多、结构可靠、位姿跟随精确、力控制精确、操作安全等特点，满足多维构架式天线展开机构在地面进行测试时的失重模拟。

Description

一种多维构架式卫星天线展开机构重力平衡机械臂

技术领域

本发明涉及卫星天线展开机构地面测试失重模拟装置，具体地说是一种多维构架式卫星天线展开机构重力平衡机械臂。

背景技术

为了保证卫星天线在轨可靠展开，卫星发射前必须在地面对其天线展开机构进行测试，这就要求在地面模拟天线展开机构在太空中的失重状态。目前国内对多维构架式天线展开机构的研究处于数学模型仿真和三维分析阶段，没有满足在地面模拟其失重状态的装置，迫切需要与多维构架式天线展开机构对应的重力平衡机构，满足对展开机构实时的重力平衡并不引入附加力矩，进而提供失重环境进行地面展开测试。针对这一现状，研发一种多维构架式卫星天线展开机构重力平衡机械臂，对天线展开机构的地面测试和保证其在轨可靠展开具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多维构架式卫星天线展开机构重力平衡机械臂。该重力平衡机械臂能够在地面对多维构架式天线展开机构在展开和指向测试过程中进行实时重力平衡。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括展开驱动电机、安装座、天线展开跟随臂、指向跟随组件、吊点三维调节装置、恒力调节装置、天线吊挂工装、X轴吊挂工装及展开臂吊挂工装，其中展开驱动电机安装在所述安装座上，输出端通过所述天线展开跟随臂连接有指向跟随组件；所述天线吊挂工装及X轴吊挂工装分别通过钢丝绳与各自的恒力调节装置连接，各所述恒力调节装置分别与安装在所述指向跟随组件上的虎克铰相连，所述展开臂吊挂工装通过钢丝绳与安装在所述天线展开跟随臂上的虎克铰相连；

所述指向跟随组件包括X轴安装座、X轴转座、Y轴转座、X轴驱动电机及Y轴驱动电机，该X轴安装座安装在所述天线展开跟随臂上，所述X轴转座转动安装在该X轴安装座上，并由安装在所述X轴安装座上的X轴驱动电机驱动转动，所述Y轴驱动电机安装在X轴转座上，输出端连接有由其驱动转动的所述Y轴转座，该Y轴转座通过Y轴跟随臂与所述吊点三维调节装置相连接；

所述吊点三维调节装置包括Z轴调整楔块、Z轴螺杆、Z轴调整座、Y轴调整楔块、Y轴螺杆、Y轴调整座、X轴调整楔块、X轴螺杆及X轴调整座，该Z轴螺杆、Y轴螺杆及X轴螺杆分别转动安装在Z轴调整楔块、Y轴调整楔块及X轴调整楔块上，所述Z轴调整座、Y轴调整座及X轴调整座内均设有与各自螺杆螺纹连接的调整螺母，并通过拧紧各自螺杆实现与Z轴调整楔块、Y轴调整楔块及X轴调整楔块相对移动；所述Z轴调整楔块安装在所述Y轴跟随臂上，所述Y轴调整座通过垂向安装座安装在Z轴调整座上，所述X轴调整楔块安装在Y轴调整楔块上，连接所述X轴吊挂工装的虎克铰安装在所述X轴调整座上。

其中：所述虎克铰的铰链处安装有检测钢丝绳在拉力作用下与铅垂线之间形成倾角的编码器；所述Z轴调整座与Z轴调整楔块之间、Y轴调整座与Y轴调整楔块之间以及X轴调整座与X轴调整楔块之间均留有楔形槽，各所述楔形槽内均容置有挤紧楔块，每个所述挤紧楔块均通过安装在各调整座上的拧紧螺母挤紧；所述Z轴调整楔块、Y轴调整楔块及X轴调整楔块的两端均安装有端板，所述Z轴螺杆、Y轴螺杆及X轴螺杆分别通过轴承转动安装在各自调整楔块两端的端板上；

所述恒力调节装置包括伺服电动缸及力传感器，该力传感器的上端通过吊轴与所述虎克铰连接，下端与所述伺服电动缸相连，该伺服电动缸的推杆通过吊挂接头与所述钢丝绳连接，该钢丝绳通过所述伺服电动缸的推杆运动调节张紧或放松，进而实现对吊挂力的大小调节；

所述天线吊挂工装包括碳纤维吊杆、碳纤维杆、天线连接腿及吊挂转接架，该碳纤维杆的两端分别通过关节球铰耳环轴承连接有碳纤维吊杆，两端的所述碳纤维吊杆的另一端通过关节球铰耳环轴承与所述吊挂转接架的两侧相连，所述碳纤维杆上安装有与所述钢丝绳连接的吊点球铰耳环轴承，所述吊挂转接架两侧的上、下两端均安装有所述天线连接腿；

所述X轴吊挂工装包括球铰耳环轴承、轴承座、X轴吊挂吊杆、X轴吊挂转轴及X轴吊挂连接板，该X轴吊挂吊杆呈“L”形，一端通过轴承座转动安装有与所述钢丝绳连接的球铰耳环轴承，另一端设有所述X轴吊挂转轴，所述X轴吊挂连接板转动安装在该X轴吊挂转轴上；

所述钢丝绳上安装有调整钢丝绳拉力大小的吊挂调整套，该吊挂调整套包括吊挂接头、吊挂调整杆及调整套，所述调整套的两端分别螺纹连接有吊挂调整杆，并通过吊挂调整杆连接有吊挂接头，所述吊挂接头包括接块A及接块B，该接块B与所述吊挂调整杆相连，所述接块A安装在接块B上，所述钢丝绳夹在接块A与接块B之间，并由所述接块A穿出；

所述安装座与X轴转座之间连接有拉杆，该拉杆的两端分别与安装座及X轴转座相铰接；所述天线展开跟随臂、Y轴跟随臂及X轴转座的材料均为碳纤维。

本发明的优点与积极效果为：

本发明的重量力平衡机械臂具有自由度多、结构可靠、位姿跟随精确、力控制精确、操作安全等特点，可在地面对多维构架式天线展开机构进行随动重力平衡，解决了多维构架式天线展开机构在地面进行展开测试时难以实时高精度重力平衡的技术难题。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的整体结构主视图；

图3为本发明的整体结构左视图；

图4A为本发明连接天线吊挂工装的立体结构示意图；

图4B为图4A中吊挂调整套的结构示意图；

图5A为本发明天线吊挂工装的结构主视图；

图5B为图5A的右视图；

图6为本发明吊点三维调节装置的结构示意图；

图7A为图4A中X轴吊挂工装的结构主视图；

图7B为图7A的左视图；

图8A为本发明指向跟随组件的立体结构示意图；

图8B为本发明指向跟随组件的结构主视图；

图8C为图8B的左视图；

其中：1为伺服电动缸，2为力传感器，3为虎克铰，4为编码器，5为X轴调整楔块，6为Y轴调整座，7为Y轴调整楔块，8为Z轴调整楔块，9为减速器，10为Y轴驱动电机，11为X轴驱动电机，12为指向跟随组件，13为拉杆，14为安装座，15为展开驱动电机，16为天线展开跟随臂，17为钢丝绳，18为Y轴跟随臂，19为吊点三维调节装置，20为恒力调节装置，21为天线吊挂工装，22为吊挂调整套，23为X轴吊挂工装，24为展开臂吊挂工装，25为关节球铰耳环轴承，26为碳纤维吊杆，27为碳纤维杆，28为吊点球铰耳环轴承，29为天线连接腿，30为吊挂转接架，31为Z轴螺杆，32为垂向安装座，33为挤紧楔块，34为调整螺母，35为球铰耳环轴承，36为轴承座，37为X轴吊挂吊杆，38为深沟球轴承，39为X轴吊挂转轴，40为X轴吊挂连接板，41为Y轴转座，42为X轴转座，43为X轴安装座，44为Z轴调整座，45为端板，46为Y轴螺杆，47为X轴调整楔块，48为X轴螺杆，49为X轴调整座，50为拧紧螺母，51为调整套，52为吊挂调整杆，53为吊挂接头，54为接块A，55为接块B。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1～3及图4A所示，本发明包括展开驱动电机15、安装座14、天线展开跟随臂16、指向跟随组件12、吊点三维调节装置19、恒力调节装置20、天线吊挂工装21、X轴吊挂工装23及展开臂吊挂工装24，其中展开驱动电机15固接在安装座14上，该展开驱动电机15的输出端与天线展开跟随臂16的一端相连，天线展开跟随臂16的另一端连接有指向跟随组件12。天线吊挂工装21及X轴吊挂工装23分别通过钢丝绳17与各自的恒力调节装置20连接，两个恒力调节装置20分别与安装在指向跟随组件12下方的虎克铰3相连，展开臂吊挂工装24通过钢丝绳17与安装在天线展开跟随臂16下方的虎克铰3相连，X轴吊挂工装23和天线吊挂工装21分别用以连接天线展开机构的X轴和天线。虎克铰3的铰链处安装有编码器4，用以检测钢丝绳17在拉力作用下与铅垂线之间形成的倾角大小。

如图8A～8C所示，指向跟随组件12包括X轴安装座43、X轴转座42、Y轴转座41、Y轴跟随臂18、X轴驱动电机11及Y轴驱动电机10，该X轴安装座43与天线展开跟随臂16的另一端固接，X轴转座42一端的两侧分别通过轴承转动安装在X轴安装座43上，X轴驱动电机11及减速器9分别固接在X轴安装座43，并与X轴转座42的任一端相连接，X轴驱动电机11通过减速器9驱动X轴转座42绕X轴驱动电机11输出轴转动；X轴转座42的另一端安装有Y轴驱动电机10及减速器9，输出端连接有由其驱动绕Y轴驱动电机10转动的Y轴转座41，且Y轴转座41还随X轴转座42转动。在Y轴转座41通过Y轴跟随臂18与吊点三维调节装置19相连接。安装座14与X轴转座42之间连接有拉杆13，该拉杆13的两端分别与安装座14及X轴转座42相铰接，以保证X轴转座42在X轴驱动电机11驱动转动时的安全稳定性。

如图6所示，吊点三维调节装置19包括Z轴调整楔块8、Z轴螺杆31、Z轴调整座44、Y轴调整楔块7、Y轴螺杆46、Y轴调整座6、X轴调整楔块47、X轴螺杆48及X轴调整座49，Z轴调整楔块8固接在Y轴跟随臂18的末端，Z轴调整楔块8的两端均设有端板45，Z轴螺杆31的两端通过轴承转动安装在两端的端板45上，Z轴调整座44内安装有与Z轴螺杆31螺纹连接的调整螺母34，通过拧动Z轴螺杆31可实现Z轴调整座44在Z轴调整楔块8上的移动；Z轴调整座44与Z轴调整楔块8之间留有楔形槽，楔形槽内均容置有挤紧楔块33，每个挤紧楔块33均通过安装在Z轴调整座44上的拧紧螺母50挤紧，进而使Z轴调整座44的位置固定。Y轴调整座6通过垂向安装座32固接在Z轴调整座44上，Y轴调整座6内安装有调整螺母34；Y轴调整楔块7的两端均设有端板45，Y轴螺杆46的两端通过轴承转动安装在两端的端板45上，并与Y轴调整座6内的调整螺母34螺纹连接，通过拧动Y轴螺杆46可实施Y轴调整楔块7相对于Y轴调整座6移动；Y轴调整座6与Y轴调整楔块7之间留有楔形槽，楔形槽内均容置有挤紧楔块33，每个挤紧楔块33均通过安装在Y轴调整座6上的拧紧螺母50挤紧，进而使Y轴调整座6的位置固定。X轴调整楔块47固接在Y轴调整楔块7上，X轴调整楔块47的两端均设有端板45，X轴螺杆48的两端通过轴承转动安装在两端的端板45上，X轴调整座49内安装有与X轴螺杆48螺纹连接的调整螺母34，通过拧动X轴螺杆48可实现X轴调整座49在X轴调整楔块47上的移动；X轴调整座49与X轴调整楔块47之间留有楔形槽，楔形槽内均容置有挤紧楔块33，每个挤紧楔块33均通过安装在X轴调整座49上的拧紧螺母50挤紧，进而使X轴调整座49的位置固定。连接X轴吊挂工装23的虎克铰3安装在X轴调整座49上。

如图2所示，恒力调节装置20包括伺服电动缸1及力传感器2，该力传感器2的上端通过吊轴与虎克铰3连接，下端与伺服电动缸1相连，该伺服电动缸1的推杆通过吊挂接头与钢丝绳17连接，该钢丝绳17通过伺服电动缸1的推杆运动调节张紧或放松，进而实现对吊挂力的大小调节。

如图5A、图5B所示，天线吊挂工装21包括关节球铰耳环轴承25、碳纤维吊杆26、碳纤维杆27、吊点球铰耳环轴承28、天线连接腿29及吊挂转接架30，该碳纤维杆27的两端分别通过关节球铰耳环轴承25连接有碳纤维吊杆26，两端的碳纤维吊杆26的另一端通过关节球铰耳环轴承25与吊挂转接架30的两侧相连，碳纤维杆27的中间安装有与钢丝绳17连接的吊点球铰耳环轴承28，吊挂转接架30两侧的上、下两端均安装有天线连接腿29。

如图7A、图7B所示，X轴吊挂工装23包括球铰耳环轴承35、轴承座36、X轴吊挂吊杆37、深沟球轴承38、X轴吊挂转轴39及X轴吊挂连接板40，该X轴吊挂吊杆37呈“L”形，一端通过轴承座36转动安装有与钢丝绳17连接的球铰耳环轴承35，另一端设有X轴吊挂转轴39，X轴吊挂连接板40通过深沟球轴承38转动安装在X轴吊挂转轴39上。X轴连接板40可绕X轴吊挂转轴39转动，球铰耳环轴承35可相对X轴吊挂吊杆37转动。

钢丝绳17上安装有调整钢丝绳17拉力大小的吊挂调整套22。如图4B所示，该吊挂调整套22包括吊挂接头53、吊挂调整杆52及调整套51，调整套51为中空的长方体，两端固接有螺母，并分别螺纹连接有一根吊挂调整杆52；每根吊挂调整杆52的一端位于调整套51内，另一端连接有吊挂接头53。吊挂接头53包括接块A54及接块B55，该接块B55的端面呈“L”形，一面与吊挂调整杆52的另一端固接，另一面上开有螺孔。挡块A54为方形，同样开有螺孔。钢丝绳17夹在接块A54与接块B55之间，并由接块A54穿出，接块A54固接在接块B55上，夹紧钢丝绳17。

本发明的天线展开跟随臂16、Y轴跟随臂18及X轴转座42的材料可均为碳纤维。

本发明的工作原理为：

天线展开机构进行地面测试前，将本发明重力平衡机械臂的吊点与吊挂工装连接并将吊挂工装的接口及多维构架式天线展开机构连接，X轴吊挂工装23和天线吊挂工装21安装在过各组件质心的铅垂平面内。进行重力平衡时，调节吊点三维调节装置19(手动拧动Z轴螺杆31、Y轴螺杆46或X轴螺杆48)进而使各钢丝绳17处于铅垂状态；调节吊挂调整套22的长短(通过拧动吊挂调整杆52调整吊挂接头53与调整套51之间的距离)将钢丝绳17的拉力大小调节至实际需求值。天线展开机构带动天线在模拟墙上模拟太空中天线展开过程，重力平衡机械臂对展开机构和天线进行位姿跟随。当重力平衡机械臂与展开机构出现位置偏差时，由于钢丝绳17两端分别连接球铰耳环轴承35和虎克铰3有转动自由度，钢丝绳17在拉力作用下与铅垂线会形成一个倾角，倾角大小反映在虎克铰3上并通过正交安装在虎克铰3转轴处的编码器4测出，控制系统(本发明的控制系统为现有技术)根据测出的倾角信号控制展开驱动电机15、X轴驱动电机11和Y轴驱动电机10，各驱动电机分别驱动天线展开跟随臂16、X轴转座42和Y轴转座41对位置跟随误差进行修正；于此同时，安装在伺服电动缸1上的力传感器2测出钢丝绳17拉力的大小和变化，伺服电动缸1根据拉力的变化值伸长或回缩其推杆对钢丝绳17吊挂力的大小进行调节，减少吊挂力的波动来实现误差允许范围内的恒力吊挂。本发明的重力平衡机械臂具有三个串联转动自由度，即展开驱动电机15驱动天线展开跟随臂16转动、X轴驱动电机11驱动X轴转座42转动、Y轴驱动电机10驱动Y轴转座41转动，能很好地跟随天线展开机构的展开运动和指向运动，对位置跟随误差进行修正。X轴吊挂工装23和天线吊挂工装21可使钢丝绳17在铅垂状态下的延长线过展开机构X轴和天线质心，这样就实现了在对展开机构位置跟随的同时实时对展开机构进行恒力质心吊挂，进而在地面模拟展开机构的太空失重状态，对其进行力学性能测试。

Claims (10)

1.一种多维构架式卫星天线展开机构重力平衡机械臂，其特征在于：包括展开驱动电机(15)、安装座(14)、天线展开跟随臂(16)、指向跟随组件(12)、吊点三维调节装置(19)、恒力调节装置(20)、天线吊挂工装(21)、X轴吊挂工装(23)及展开臂吊挂工装(24)，其中展开驱动电机(15)安装在所述安装座(14)上，输出端通过所述天线展开跟随臂(16)连接有指向跟随组件(12)；所述天线吊挂工装(21)及X轴吊挂工装(23)分别通过钢丝绳(17)与各自的恒力调节装置(20)连接，各所述恒力调节装置(20)分别与安装在所述指向跟随组件(12)上的虎克铰(3)相连，所述展开臂吊挂工装(24)通过钢丝绳(17)与安装在所述天线展开跟随臂(16)上的虎克铰(3)相连；

所述指向跟随组件(12)包括X轴安装座(43)、X轴转座(42)、Y轴转座(41)、X轴驱动电机(11)及Y轴驱动电机(10)，该X轴安装座(43)安装在所述天线展开跟随臂(16)上，所述X轴转座(42)转动安装在该X轴安装座(43)上，并由安装在所述X轴安装座(43)上的X轴驱动电机(11)驱动转动，所述Y轴驱动电机(10)安装在X轴转座(42)上，输出端连接有由其驱动转动的所述Y轴转座(41)，该Y轴转座(41)通过Y轴跟随臂(18)与所述吊点三维调节装置(19)相连接；

所述吊点三维调节装置(19)包括Z轴调整楔块(8)、Z轴螺杆(31)、Z轴调整座(44)、Y轴调整楔块(7)、Y轴螺杆(46)、Y轴调整座(6)、X轴调整楔块(47)、X轴螺杆(48)及X轴调整座(49)，该Z轴螺杆(31)、Y轴螺杆(46)及X轴螺杆(48)分别转动安装在Z轴调整楔块(8)、Y轴调整楔块(7)及X轴调整楔块(47)上，所述Z轴调整座(44)、Y轴调整座(6)及X轴调整座(49)内均设有与各自螺杆螺纹连接的调整螺母(34)，并通过拧紧各自螺杆实现与Z轴调整楔块(8)、Y轴调整楔块(7)及X轴调整楔块(47)相对移动；所述Z轴调整楔块(8)安装在所述Y轴跟随臂(18)上，所述Y轴调整座(6)通过垂向安装座(32)安装在Z轴调整座(44)上，所述X轴调整楔块(47)安装在Y轴调整楔块(7)上，连接所述X轴吊挂工装(23)的虎克铰(3)安装在所述X轴调整座(49)上。

2.按权利要求1所述的多维构架式卫星天线展开机构重力平衡机械臂，其特征在于：所述虎克铰(3)的铰链处安装有检测钢丝绳(17)在拉力作用下与铅垂线之间形成倾角的编码器(4)。

3.按权利要求1所述的多维构架式卫星天线展开机构重力平衡机械臂，其特征在于：所述Z轴调整座(44)与Z轴调整楔块(8)之间、Y轴调整座(6)与Y轴调整楔块(7)之间以及X轴调整座(49)与X轴调整楔块(47)之间均留有楔形槽，各所述楔形槽内均容置有挤紧楔块(33)，每个所述挤紧楔块(33)均通过安装在各调整座上的拧紧螺母(50)挤紧。

4.按权利要求1或3所述的多维构架式卫星天线展开机构重力平衡机械臂，其特征在于：所述Z轴调整楔块(8)、Y轴调整楔块(7)及X轴调整楔块(47)的两端均安装有端板(45)，所述Z轴螺杆(31)、Y轴螺杆(46)及X轴螺杆(48)分别通过轴承转动安装在各自调整楔块两端的端板(45)上。

5.按权利要求1所述的多维构架式卫星天线展开机构重力平衡机械臂，其特征在于：所述恒力调节装置(20)包括伺服电动缸(1)及力传感器(2)，该力传感器(2)的上端通过吊轴与所述虎克铰(3)连接，下端与所述伺服电动缸(1)相连，该伺服电动缸(1)的推杆通过吊挂接头与所述钢丝绳(17)连接，该钢丝绳(17)通过所述伺服电动缸(1)的推杆运动调节张紧或放松，进而实现对吊挂力的大小调节。

6.按权利要求1所述的多维构架式卫星天线展开机构重力平衡机械臂，其特征在于：所述天线吊挂工装(21)包括碳纤维吊杆(26)、碳纤维杆(27)、天线连接腿(29)及吊挂转接架(30)，该碳纤维杆(27)的两端分别通过关节球铰耳环轴承(25)连接有碳纤维吊杆(26)，两端的所述碳纤维吊杆(26)的另一端通过关节球铰耳环轴承(25)与所述吊挂转接架(30)的两侧相连，所述碳纤维杆(27)上安装有与所述钢丝绳(17)连接的吊点球铰耳环轴承(28)，所述吊挂转接架(30)两侧的上、下两端均安装有所述天线连接腿(29)。

7.按权利要求1所述的多维构架式卫星天线展开机构重力平衡机械臂，其特征在于：所述X轴吊挂工装(23)包括球铰耳环轴承(35)、轴承座(36)、X轴吊挂吊杆(37)、X轴吊挂转轴(39)及X轴吊挂连接板(40)，该X轴吊挂吊杆(37)呈“L”形，一端通过轴承座(36)转动安装有与所述钢丝绳(17)连接的球铰耳环轴承(35)，另一端设有所述X轴吊挂转轴(39)，所述X轴吊挂连接板(40)转动安装在该X轴吊挂转轴(39)上。

8.按权利要求1所述的多维构架式卫星天线展开机构重力平衡机械臂，其特征在于：所述钢丝绳(17)上安装有调整钢丝绳(17)拉力大小的吊挂调整套(22)，该吊挂调整套(22)包括吊挂接头(53)、吊挂调整杆(52)及调整套(51)，所述调整套(51)的两端分别螺纹连接有吊挂调整杆(52)，并通过吊挂调整杆(52)连接有吊挂接头(53)，所述吊挂接头(53)包括接块A(54)及接块B(55)，该接块B(55)与所述吊挂调整杆(52)相连，所述接块A(54)安装在接块B(55)上，所述钢丝绳(17)夹在接块A(54)与接块B(55)之间，并由所述接块A(54)穿出。

9.按权利要求1所述的多维构架式卫星天线展开机构重力平衡机械臂，其特征在于：所述安装座(14)与X轴转座(42)之间连接有拉杆(13)，该拉杆(13)的两端分别与安装座(14)及X轴转座(42)相铰接。

10.按权利要求1所述的多维构架式卫星天线展开机构重力平衡机械臂，其特征在于：所述天线展开跟随臂(16)、Y轴跟随臂(18)及X轴转座(42)的材料均为碳纤维。