CN106992352B - 一种射电望远镜fast用左旋式开合机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种射电望远镜FAST用左旋式开合机构，其包括顶部连接装置、传动装置和基座；传动装置包括内立柱、外立柱、丝杠、螺母以及驱动装置；顶部连接装置固定设置在内立柱的顶部，用于连接中心反射面单元；内立柱的底部中心设置有所述螺母，丝杠通过所述螺母与内立柱连接，驱动装置与所述丝杠的底部连接，用于驱动所述丝杠旋转；所述内立柱的底部外侧设置有导向滑块，配合所述导向滑块在所述外立柱的上设置有导向槽，所述导向槽包括下部竖直导向槽及上部螺旋导向槽；所述基座位于所述开合机构的底部，用于连接外部基础。本申请的机械式左旋开合机构，实现了回转运动转变成直线和旋转运动同步进行的运动方式，实现了中心反射面单元的展开和闭合。

Description

一种射电望远镜FAST用左旋式开合机构
技术领域
本发明涉及一种射电望远镜FAST用左旋式开合机构。
背景技术
500米口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical RadioTelescope，FAST)是国家重大科技基础设施项目，世界上最大的单口径射电望远镜。FAST主要由主动反射面、接收机与终端、馈源支撑、测量与控制等系统组成，其中主动反射面系统包括圈梁、反射面单元、主索网、下拉索、促动器和地锚等。
主索网中心为正五边形，面积约为256m2，在其中安装五个等腰的中心反射面单元。望远镜观测时，中心反射面单元参与主动反射面的整体变形，馈源舱和接收机位于空中；在馈源舱和接收机检修和维护前，须将各中心反射面单元移开，馈源舱才能穿过正五边形的主索网，降落在舱停靠平台上；馈源舱升起后，再将各中心反射面单元旋移回中心五边形索网中。
中心反射面单元重约500公斤，底边长11.9m,腰长10.12m，厚度0.55m，距地面高约4.83m，其下方存在馈源舱停靠平台，故难以将反射面单元从下方拆卸。基于以上问题，必须研发一种新型的机械式开合机构以实现中心反射面单元的向上旋移展开。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种射电望远镜FAST用左旋式开合机构，其实现了中心反射面单元的展开和恢复，且实现了回转运动转变成直线和旋转运动同步进行的运动方式。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种射电望远镜FAST用左旋式开合机构，所述开合机构包括顶部连接装置、传动装置和基座；其中，所述传动装置包括内立柱、外立柱、丝杠、螺母以及驱动装置；所述顶部连接装置固定设置在所述内立柱的顶部，用于连接中心反射面单元；所述内立柱的底部中心设置有所述螺母，所述丝杠通过所述螺母与内立柱连接，所述驱动装置与所述丝杠的底部连接，用于驱动所述丝杠旋转；所述内立柱的底部外侧设置有导向滑块，配合所述导向滑块在所述外立柱的上设置有导向槽，所述导向槽包括下部竖直导向槽及上部螺旋导向槽；所述基座位于所述开合机构的底部，用于连接外部基础。
进一步，所述外立柱的上法兰安装有上尼龙滑套，所述上尼龙滑套与所述内立柱构成上滑动副；所述内立柱的底端安装有轴承，所述轴承与外立柱上的导向槽形成下滚动副，所述螺母外侧安装有下尼龙滑套，与所述外立柱内侧相配合形成下滑动副，通过所述上、下滑动副实现内立柱轴向双点定位。
进一步，所述丝杠为右旋丝杠。
进一步，所述上部螺旋导向槽的导向方式为左旋。
进一步，所述丝杠的螺纹升角为3.56°；所述上部螺旋导向槽的导槽螺纹升角为17.22°。
进一步，所述丝杠的顶部设置有滑套，所述滑套的外径与所述内立柱的内径相适配。
进一步，所述驱动装置包括伺服电机、行星减速器和蜗杆减速器。
进一步，所述螺母的外侧设置有尼龙滑套，与所述外立柱内径相适配。
进一步，所述外立柱顶部内侧设置有尼龙滑套，与所述内立柱外径相适配。
进一步，所述导向滑块的外表面嵌套设置有轴承，所述螺母升降运动时，所述轴承沿所述导向槽滑动。
进一步，所述外立柱的外侧设置有接近开关，所述接近开关用于感应所述螺母的位置。
本发明具有以下有益技术效果：
本申请的开合机构实现了射电望远镜FAST中心反射面单元的展开和恢复，且实现了回转运动转变成直线和旋转运动同步进行的运动方式。此外，外立柱上设置有竖直和左旋导向槽，与右旋方式比较，滑块和导槽受力和力矩以及电机输出转矩较小，滑块和导槽之间的磨损较慢。
附图说明
图1为本发明的开合机构传动装置原理图；
图2为本发明的开合机构的剖面结构示意图；
图3为本发明的外立柱的立体结构示意图；
图4为本发明的开合机构与中心反射面单元的连接结构示意图；
图5为本发明的上部螺旋导向槽左旋时滑块受力图；
图6为本发明的导向滑块与导向槽之间作用力和力矩的仿真结构示意图。
具体实施方式
下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。
如图1-4所示，本发明提供了一种射电望远镜用开合机构，该开合机构主要包括顶部连接装置、传动装置24和基座10；其中，顶部对接板19固定设置在内立柱6的顶部，用于连接中心反射面单元23，在中心反射面单元23上设置有对接座架25；内立柱6的底部中心设置有螺母7，丝杠5穿过螺母7与内立柱6连接，驱动装置通过减速器13与丝杠5的底部连接，用于驱动丝杠5旋转；螺母7的外侧设置有导向滑块16，配合导向滑块16在外立柱的外表面设置有导向槽4，导向槽4包括下部竖直导向槽21及上部螺旋导向槽22；基座10位于传动装置24的底部，用于连接外部基础11，外部基础11内设置有预埋螺栓12，基座10上设置有与预埋螺栓12配套的安装板。
外立柱3的上法兰安装有上尼龙滑套1，上尼龙滑套1与内立柱6行成上滑动副，上尼龙滑套1通过螺钉18与外立柱3连接；内立柱6的底端安装有轴承17，轴承17与外立柱3上的导向槽形成滚动副，内立柱6底部安装有下尼龙滑套8，下尼龙滑套8与外立柱形成下滑动副，通过上、下滑动副实现内立柱轴向双点定位。
本申请的丝杠5为右旋丝杠。上部螺旋导向槽22为左旋导向槽。丝杠5的螺纹升角为3.56°；上部螺旋导向槽22的导槽螺纹升角为17.22°。丝杠5的顶部设置有滑套2，滑套2的外径与内立柱6的内径相适配。驱动装置包括伺服电机9和减速器13。驱动装置所在的结构段与通过螺栓14与外立柱3连接。
螺母7的外侧设置有尼龙滑套8。导向滑块16的外表面嵌套设置有轴承17，导向滑块16升降运动时，轴承17沿导向槽4滑动。
外立柱3的外侧设置有接近开关15，接近开关15用于感应螺母7的位置。顶部对接板19与中心反射面单元23背架上的对接座架25采用螺栓连接。内立柱6在导向槽4的约束下垂直上升到一定高度后旋转指定角度。螺母7靠近接近开关15时丝杠5停止转动，避免发生碰撞。
本发明的工作过程为：
开合机构的展开和恢复过程经历收藏、升起、旋转定位和恢复四个阶段。
收藏：馈源舱升起后，中心反射面单元在正五边形结构中参与反射面整体变形，促动器与背架脱离，处于收藏状态。
升起：馈源舱降落时，首先拆卸中心反射面单元中1号(中心反射面单元由1-5号，共五块反射面单元构成，如图4所示)反射面单元的连接轴承和连接销栓，之后启动1号电机，通过减速器带动丝杠旋转，导向滑块在外立柱竖直导槽的约束下上升进而带动螺母、内立柱和对接板上升，对接板上升到与背架上的对接座架接触后，将对接板和座架螺栓连接。之后内立柱带动1号反射面单元上升一定行程。
旋转定位：1号反射面单元上升到指定高度后，外立柱上的竖直槽变为螺旋槽，导向滑块在螺旋槽的约束下绕外立柱旋转进而带动反射面单元旋转，旋转至一定角度后丝杠停转，1号反射面单元完成展开。之后2、3、4和5号反射面单元依次进行上升和旋转运动，打开索网中心的正五边形孔。中心反射面单元依次上升旋转后的状态。
恢复：在馈源舱离开停靠平台后，各中心反射面单元依次旋转下降回到初始正五边形中，再安装连接轴承和连接销栓，之后促动器与背架分离。
螺纹升角计算：
依据机构三维模型和元件参数绘制螺母和导向滑块的受力图，如图5所示，建立平衡方程，计算导向滑块和导槽之间力和力矩。
螺纹副中螺纹升角ψ与其他参数的关系如式(1)所示。
tanψ＝nP/πd2 (1)
式中，丝杠螺纹和导槽螺纹各参数及取值如下表所示。
表1螺纹副主要参数
由式(1)和表1分别得到丝杠螺纹升角和导槽螺纹升角：ψ1＝3.56°，ψ2＝17.22°。
力和力矩计算：
螺母旋转上升阶段，螺母在竖直方向上匀速上升，合力为0；在水平方向上匀速转动，所受合力矩为0。螺母和滑块受力情况如图5所示。
竖直方向上，滑块受合力向上，螺母受合力向下，建立平衡方程：
Fcosψ2-f'sinψ2＝mg+fsinψ1-Ncosψ1 (2)
水平方向上，滑块受合力矩为逆时针方向(俯视)，螺母受合力矩为顺时针方向，建立平衡方程：
D2/2(Fsinψ2+f'cosψ2)＝d2/2(Nsinψ1+fcosψ1) (3)
式中：F—滑块所受法向力；
f'—滑块所受摩擦力，f'＝F·μ；
μ—动摩擦系数，0.1；
N—螺母所受法向力；
f—螺母所受摩擦力，
f＝N·μ/cosβ；
m—反射面单元、连接装置、内立柱
以及螺母质量，630㎏；
g—重力加速度，9.8m/s2；
β—丝杠螺纹牙侧角，15°；
D2—导槽螺纹中径，380mm；
d2—丝杠螺纹中径，82mm。
导向滑块所受力矩如式(4)所示：
T＝F·D2/2 (4)
由式(2)—式(4)可得F＝524N，N＝5734N，T＝99560N。由结果可知，此设计中滑块和螺母所受力和力矩均较小。上述理论分析所抽象出的物理模型比较简化，忽略了滑块重力、静摩擦力以及外立柱上法兰处尼龙滑套与内立柱之间的力和力矩等因素。为了更精细化的分析螺母和滑块的受力和力矩情况，因此，利用ADAMS对机构进行运动学仿真。
仿真分析：
利用ADAMS软件生成虚拟样机，仿真其运动过程，得到滑块和导槽之间力和力矩的数值。将机构三维模型导入ADAMS中，进行单位设置，添加相应的工况载荷、连接和碰撞，设置驱动，最后设置持续时间和步数，仿真分析设置项目和对应参数如下表所示：
表2仿真分析参数设置
进行仿真，测量滑块和导槽之间的力和力矩，测量结果如图6所示；其中a)为滑块和滑槽之间作用力仿真结果，b)为滑块和滑槽之间力矩仿真结果；在中心反射面单元旋转上升阶段，由于导槽左旋，导槽下侧与滑块接触，上侧对滑块没有约束，故螺母在旋转的同时有向上运动的趋势，所以图6中力和力矩曲线在旋转上升阶段存在轻微波动。
导向槽左旋，滑块在导槽的约束下顺时针(俯视)转动，由丝杠提供转动动力，反射面单元“顺流而下”，所以滑块受到的力和力矩较小。
理论计算与仿真分析一致表明：在促动器外立柱上设计竖直和左旋导向槽。与右旋方式比较，滑块和导槽受力和力矩以及电机输出转矩较小，滑块和导槽之间的磨损较慢。
上面所述只是为了说明本发明，应该理解为本发明并不局限于以上实施例，符合本发明思想的各种变通形式均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种射电望远镜FAST用左旋式开合机构，其特征在于，所述开合机构包括顶部连接装置、传动装置和基座；其中，所述传动装置包括内立柱、外立柱、丝杠、螺母以及驱动装置；所述顶部连接装置固定设置在所述内立柱的顶部，用于连接中心反射面单元；所述内立柱的底部中心设置有所述螺母，所述丝杠通过所述螺母与内立柱连接，所述驱动装置与所述丝杠的底部连接，用于驱动所述丝杠旋转；所述螺母的外侧设置有导向滑块，配合所述导向滑块在所述外立柱的上设置有导向槽，所述导向槽包括下部竖直导向槽及上部螺旋导向槽；所述基座位于所述开合机构的底部，用于连接外部基础。
2.根据权利要求1所述的射电望远镜FAST用左旋式开合机构，其特征在于，所述外立柱的上法兰安装有上尼龙滑套，所述上尼龙滑套与所述内立柱构成上滑动副；所述内立柱的底端安装有轴承，所述轴承与外立柱上的导向槽形成下滚动副，所述螺母外侧安装有下尼龙滑套，与所述外立柱内侧相配合形成下滑动副，通过所述上、下滑动副实现内立柱轴向双点定位。
3.根据权利要求1所述的射电望远镜FAST用左旋式开合机构，其特征在于，所述丝杠为右旋丝杠。
4.根据权利要求1所述的射电望远镜FAST用左旋式开合机构，其特征在于，所述上部螺旋导向槽的导向方式为左旋。
5.根据权利要求1所述的射电望远镜FAST用左旋式开合机构，其特征在于，所述丝杠的螺纹升角为3.56°；所述上部螺旋导向槽的导槽螺纹升角为17.22°。
6.根据权利要求1所述的射电望远镜FAST用左旋式开合机构，其特征在于，所述丝杠的顶部设置有滑套，所述滑套的外径与所述内立柱的内径相适配。
7.根据权利要求1所述的射电望远镜FAST用左旋式开合机构，其特征在于，所述驱动装置包括伺服电机、行星减速器和蜗杆减速器。
8.根据权利要求1所述的射电望远镜FAST用左旋式开合机构，其特征在于，所述螺母的外侧设置有尼龙滑套，与所述外立柱内径相适配。
9.根据权利要求1所述的射电望远镜FAST用左旋式开合机构，其特征在于，所述外立柱顶部内侧设置有尼龙滑套，与所述内立柱外径相适配。
10.根据权利要求1所述的射电望远镜FAST用左旋式开合机构，其特征在于，所述导向滑块的外表面嵌套设置有轴承，所述螺母升降运动时，所述轴承沿所述导向槽滑动；所述外立柱的外侧设置有接近开关，所述接近开关用于感应所述螺母的位置。
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