CN113540746B - 一种大中型射电望远镜面板低应力保型装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大中型射电望远镜面板低应力保型装置及其工作方法。该保型装置用于由多块天线面板组成的射电望远镜抛物面板。每块天线面板均通过调整驱动机构进行位置调节。任意一组呈矩形排列在一起的四块天线面板的中心位置均形成一个连接位。每个连接位上均设置有安装有连接四块天线面板的板弹簧。所述的板弹簧包括一体成型的中心连接部和四块弹性板。各弹性板的内端均与中心连接部连接。四块弹性板沿着中心连接部的周向依次排列。弹性板的外端与对应天线面板的角部固定。发明通过板弹簧连接各天线面板，从而在调整天线面板时，大大减小天线面板的内部应力，避免天线面板的连接处在调节时受力过大导致天线面板的破损。

Description

一种大中型射电望远镜面板低应力保型装置及其工作方法

技术领域

本发明属于拼接薄板保型领域，主要应用于提高大中型射电望远镜面型精度，探讨其保型装置和实现方法。

背景技术

随着射电天文和深空探测的发展，中小型射电望远镜已无法满足需求，需要依靠口径更大、精度更高的大中型探测设备。射电望远镜精度的提高主要取决于更高精度的主反射面，然而随着天线体积的增大，重量、温度以及其他外载荷带来的天线面变形也在增大。如何有效地减小或者消除天线面变形并保证面型精度，对于大型射电望远镜的发展至关重要。

目前国内外提高天线面型精度的外部设备主要是促动器，利用促动器主动面调节系统实现天线面的保型，每台促动器连接相邻的四块面板，四块面板进行同步调整成一个抛物曲面。比如新疆QTT110m超大型射电望远镜和上海TM65m射电望远镜的电驱促动器、FAST500m液压驱动促动器。此类保型装置虽然能够实现较高的精度，但是也带来一些问题，一是数以千计的促动器极大地增加了天线体的重量；二是调整之后的面板处于变形状态，内部应力较大，随着时间的推移面板发生塑性变形乃至疲劳破坏，降低了天线面板的使用寿命。本专利提出的大中型天线面型精度调整驱动机构有望解决现有调整方法存在的面板高应力问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大中型射电望远镜面板低应力保型装置与方法。

本发明一种大中型射电望远镜面板低应力保型装置，用于由多块天线面板组成的射电望远镜抛物面板。每块天线面板均通过调整驱动机构进行位置调节。任意一组呈矩形排列在一起的四块天线面板的中心位置均形成一个连接位。每个连接位上均设置有安装有连接四块天线面板的板弹簧。所述的板弹簧包括一体成型的中心连接部和四块弹性板。各弹性板的内端均与中心连接部连接。四块弹性板沿着中心连接部的周向依次排列。弹性板的外端与对应天线面板的角部固定。

所述的弹性板呈矩形，且尺寸满足下述条件：

其中，P表示弹性板上的工作载荷；b表示弹性板的宽度；L表示弹性板的长度；h表示弹性板的厚度；σ^p表示弹性板的许用应力；F表示天线面板的单次调整量；E表示弹性板的弹性模量。

作为优选，所述的连接位由四块天线面板的角部上开设的安装凹槽拼接形成。

作为优选，所述板弹簧的中心连接部朝向天线面板的侧面上开设有呈圆形的让位凹槽。

作为优选，板弹簧的材质为磷青铜、硅锰钢或碳纤维。

作为优选，所述板弹簧的弹性模量E满足下述条件：S₁E₁≤E≤S₂E₂。其中，E₁表示弹性板在单次调整中不发生塑性变形的最小弹性模量；E₂表示天线面板的弹性模量；S₁、 S₂分别为预先设定的两个安全系数。

作为优选，所述的调整驱动机构包括连接板、调整丝杠、箱体、驱动电机、连接法兰和传动组件。箱体安装在连接法兰上。连接法兰用于与支撑桁架连接；驱动电机安装在箱体上。调整丝杠支承在箱体上。调整丝杠的轴线沿着对应的天线面板的法向设置。调整丝杠与驱动电机通过传动组件连接。所述调整丝杠的外端与连接板连接。连接板与天线面板的背面中心位置固定。

作为优选，所述的传动组件包括圆锥滚子轴承、丝杆滚珠密封件、蜗轮、蜗杆、深沟球轴承、轴承密封件以及联轴器；调整丝杠通过两个圆锥滚子轴承支承在丝杠箱体上。蜗轮同轴固定在调整丝杠上。蜗杆的一端通过深沟球轴承支承在蜗轮蜗杆箱体上，另一端与驱动电机的输出轴通过联轴器固定。蜗杆与蜗轮啮合。深沟球轴承的外侧设置有轴承密封件。

作为优选，所述的调整丝杠与连接板之间设置有连接组件。连接组件包括连接套，以及均采用弹性材料的上球座、调整垫片和下球座；所述调整丝杠的外端设置有球头。连接套上开设有阶梯通孔。下球座安装在阶梯通孔的内侧。上球座安装在阶梯通孔的外侧。调整垫片设置在上球座与下球座之间。调整丝杠外端的球头卡在上球座与下球座相对侧面的球窝之间。连接板的内侧面设置有安装卡环。该安装卡环卡接在上球座与阶梯通孔的内壁之间。

作为优选，除通过板弹簧连接外，不同天线面板之间不存在其他直接连接。

该大中型射电望远镜面型精度保型装置的工作方法如下：

步骤一、测量各个天线面板的中心点变形值。测量方式采用摄影测量法或全息测量法；将所得的变形值在天线面板中心点按法向和切向分解。

步骤二、根据步骤一中分解得到的法向变形分量，调整驱动机构带动天线面板的中心点进行法向移动。各板弹簧随着天线面板的移动而发生变形，减小天线面板的内部应力。各天线面板的位置调节顺序按照射电望远镜抛物面板内圈向外圈的方向依次进行。

步骤三、静置预设时长，使得射电望远镜抛物面板在板弹簧的弹性力作用下逐步变形到目标形状。

步骤四、每隔预设时长，重新测量各天线面板的中心点变形值，判断射电望远镜抛物面板的变形是否超过预设的允许范围；若超过允许范围，则重新执行步骤二和三，调整射电望远镜抛物面板的形状。

本发明具有的有益效果是：

1.本发明通过板弹簧连接各天线面板，从而在调整天线面板时，大大减小天线面板的内部应力，避免天线面板的连接处在调节时受力过大导致天线面板的破损；此外，本发明中调整驱动机构与天线面板的连接处设置有具有弹性的上球座和下球座，进一步形成柔性调整结构，有效延长了天线面板的使用寿命。

2.本发明通过预调整的方式进行找形并将重力变形外的其他因素引起的变形考虑在调整过程，极大地保证了面型的精度。本发明通过实时监测、不断调整的方式形成闭环保型方法，极大地提高了调整的效率和可靠性。

3.本发明中同圈天线面板中心位置同时调整，并从内圈逐渐延伸至外圈，相对于传统从抛物线延伸至抛物面的调整方式来讲，这样在调整外圈面板时不会对内圈面板造成变形，以达到自适应调整的目的。

4.本发明以理论抛物面为调整标准，相对于传统通过最佳吻合抛物面调整的方式来讲，提高了天线的面型精度。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中板弹簧的示意图；

图3为本发明中调整驱动机构的外部结构示意图；

图4为本发明中连接组件的剖面示意图；

图5为本发明中调整驱动机构的内部结构示意图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种大中型射电望远镜面板低应力保型装置，应用在大中型射电望远镜抛物面板和支撑桁架之间。大中型射电望远镜抛物面板由多块天线面板1拼接形成。每块天线面板1的背面中心位置均通过一个调整驱动机构2连接在支承桁架上。各调整驱动机构2分别驱动对应的天线面板1移动，从而实现整个大中型射电望远镜抛物面板的形状调节，形成更为标准的抛物面。

所有天线面板1的背面不处于大中型射电望远镜抛物面板边缘位置的角部均开设有安装凹槽。安装凹槽呈1/4圆形。呈矩形排列在一起的四块天线面板1相连的角上的安装凹槽拼成一个完整圆形，形成一个连接位。每个连接位均设置有一块板弹簧3。板弹簧3将对应的四块天线面板连接在一起。除通过板弹簧3连接外，不同天线面板1之间不存在其他直接连接。

如图2所示，板弹簧3包括一体成型的中心连接部和四块弹性板5。各弹性板5均呈矩形，且内端均与中心连接部连接。四块弹性板5沿着中心连接部的周向均布。各弹性板的外端均开设有四个铆钉孔4。弹性板外端的铆钉孔4与对应天线面板1上对应角落的安装凹槽通过开口型沉头抽芯铆钉连接在一起。

板弹簧3的中心连接部朝向天线面板1的侧面上开设有呈圆形的让位凹槽。让位凹槽用于为天线面板1让出变形空间，避免在天线面板1发生变形时与板弹簧3的中心连接部发生干涉。板弹簧是由弹性模量较小、高韧性的材料制成，可以是金属也可以是非金属，如：磷青铜、硅锰钢或碳纤维。

单块弹性板5的工作载荷P如下：

P＝P_静态+P_动态

其中，P_静态表示静态工作载荷，根据不同面板大小取其重量(目前天线所使用铝板：30Kg/m²)；P_动态表示动态工作载荷，为一变化值，由调整时天线的工作环境决定，主要包括风载和雪载。

调整时需要考虑单次调整量F和调整的距离大小

单次调整量F是指每次调整时板弹簧的最大变形量；调整的距离大小

是指变形面板中心和理论面板中心差值，也即调整部分丝杠的进给量；两者关系为：

单块弹性板5的尺寸要根据受力和单次调整量的大小进行设计，具体计算方法如下：

其中，P表示作用在每块弹性板5上的工作载荷；b表示弹性板5的宽度；L表示弹性板 5的长度；h表示弹性板5的厚度；σ^p表示弹性板5的许用应力；F表示单次调整量；E表示弹性板5的弹性模量。设定弹性板5的厚度h后，可计算出弹性板5的长度L和宽度b；

板弹簧的弹性模量E要保持在一个范围：

S₁E₁≤E≤S₂E₂

其中，E₁表示弹性板5在单次调整中不发生塑性变形的最小弹性模量；E₂表示天线面板的弹性模量；S₁、S₂分别为预先设定的两个安全系数，其值取0.5～1。

如图3、4和5所示，调整驱动机构2包括连接板6、调整丝杠7、丝杠箱体8、蜗轮蜗杆箱体9、驱动电机10、连接法兰11、轴承密封件12、连接套13、传动组件和连接组件。连接法兰11与支撑桁架通过螺栓连接；驱动电机10安装在蜗轮蜗杆箱体9的侧面。驱动电机10采用可编码的步进电机或伺服电机；蜗轮蜗杆箱体9和丝杠箱体8交叉放置，并固定在一起，通过箱体下方的连接法兰11固定在支撑桁架上。

传动组件包括圆锥滚子轴承17、丝杆滚珠密封件18、蜗轮19、蜗杆20、深沟球轴承21、轴承密封件22以及联轴器23；调整丝杠7通过两个圆锥滚子轴承17支承在丝杠箱体 8上。调整丝杠7的轴线沿着对应的天线面板1的法向设置。蜗轮19同轴固定在调整丝杠 7上。蜗杆20的一端通过深沟球轴承21支承在蜗轮蜗杆箱体9上，另一端与驱动电机10 的输出轴通过联轴器23固定。蜗杆20与蜗轮19啮合。深沟球轴承21的外侧设置有轴承密封件22。两个圆锥滚子轴承17分别位于蜗轮19的上下两侧，可以传递轴向力和径向力。

调整丝杠7的外端设置有球头。连接套13上开设有阶梯通孔。连接组件包括均采用弹性材料的上球座14、调整垫片15和下球座16；下球座16安装在阶梯通孔的内侧。上球座安装在阶梯通孔的外侧。调整垫片15设置在上球座14与下球座16之间。调整丝杠7外端的球头与上球座14、下球座16之间的球窝构成球面副。连接板6的内侧面设置有安装卡环。该安装卡环卡接在上球座14与阶梯通孔的内壁之间。连接板6与对应的天线面板1 背面的中心位置通过开口型沉头抽芯铆钉相连。

该大中型射电望远镜面型精度保型装置的工作方法具体如下：

步骤一、在建模软件中建立天线面模型，记录每块天线面板中心位置的笛卡尔坐标并沿着天线面板法向和切向进行坐标转换；

步骤二、将冲压成型的天线面板连接成抛物面型，在每个连接位上安装板弹簧3。具体为将板弹簧3上的四块弹性板与对应的四块天线面板1分别固定；将调整驱动机构2连接在天线面板和支撑桁架之间。

步骤三、监测首次安装时，因力和其他外载荷所引起的变形大小，并将变形值沿着法向和切向分解；

步骤四、根据变形大小进行首次预调整，调整方向为仅为法向；根据法向的变形大小推算出编码电机转动圈数，电机带动蜗轮蜗杆进而实现球头丝杠的进给运动，最终将天线面板的中点调整到理论位置；

步骤五、将每块天线面板的中心调整完成之后，四块相邻的天线面板中只有非对角线的两块调整到位，剩下两块通过板弹簧的恢复力自行修正到某一自由位置，等待调整。

步骤四和步骤五的调整过程为(以单口径碟形射电望远镜为例)：

先调整天线最内圈板的中心位置，且以圈为单位逐渐向天线外侧延伸，每圈的面板同时调整，调整完一圈后静置1分钟，使得调整面板上的板弹簧块在此时间之内自行恢复到自由位置；然后调整此圈面板的相邻外侧一圈的面板中心，静置1分钟，如此往复，最终调整完成天线的所有面板。

步骤六、预调整之后，实时监测天线面板在多种组合载荷下的变形情况并设置一个阈值，当天线最大变形超过该阈值时，可再按步骤五和六的方法调整。

Claims (10)

1.一种大中型射电望远镜面板低应力保型装置，用于由多块天线面板(1)组成的射电望远镜抛物面板；其特征在于：每块天线面板(1)均通过调整驱动机构(2)进行位置调节；任意一组呈矩形排列在一起的四块天线面板(1)的中心位置均形成一个连接位；每个连接位上均设置有安装有连接四块天线面板的板弹簧；所述的板弹簧(3)包括一体成型的中心连接部和四块弹性板(5)；各弹性板(5)的内端均与中心连接部连接；四块弹性板(5)沿着中心连接部的周向依次排列；弹性板的外端与对应天线面板(1)的角部固定；

所述的弹性板(5)呈矩形，且尺寸满足下述条件：

其中，P表示弹性板(5)上的工作载荷；b表示弹性板(5)的宽度；L表示弹性板(5)的长度；h表示弹性板(5)的厚度；σ^p表示弹性板(5)的许用应力；F表示天线面板的单次调整量；E表示弹性板(5)的弹性模量。

2.根据权利要求1所述的一种大中型射电望远镜面板低应力保型装置，其特征在于：所述的连接位由四块天线面板的角部上开设的安装凹槽拼接形成。

3.根据权利要求1所述的一种大中型射电望远镜面板低应力保型装置，其特征在于：所述板弹簧(3)的中心连接部朝向天线面板(1)的侧面上开设有呈圆形的让位凹槽。

4.根据权利要求1所述的一种大中型射电望远镜面板低应力保型装置，其特征在于：板弹簧的材质为磷青铜、硅锰钢或碳纤维。

5.根据权利要求1所述的一种大中型射电望远镜面板低应力保型装置，其特征在于：所述板弹簧的弹性模量E满足下述条件：S₁E₁≤E≤S₂E₂；其中，E₁表示弹性板(5)在单次调整中不发生塑性变形的最小弹性模量；E₂表示天线面板的弹性模量；S₁、S₂分别为预先设定的两个安全系数。

6.根据权利要求1所述的一种大中型射电望远镜面板低应力保型装置，其特征在于：所述的调整驱动机构(2)包括连接板(6)、调整丝杠(7)、箱体、驱动电机(10)、连接法兰(11)和传动组件；箱体安装在连接法兰(11)上；连接法兰(11)用于与支撑桁架连接；驱动电机(10)安装在箱体上；调整丝杠(7)支承在箱体上；调整丝杠(7)的轴线沿着对应的天线面板(1)的法向设置；调整丝杠(7)与驱动电机(10)通过传动组件连接；所述调整丝杠(7)的外端与连接板连接；连接板与天线面板(1)的背面中心位置固定。

7.根据权利要求6所述的一种大中型射电望远镜面板低应力保型装置，其特征在于：所述的传动组件包括圆锥滚子轴承(17)、丝杆滚珠密封件(18)、蜗轮(19)、蜗杆(20)、深沟球轴承(21)、轴承密封件(22)以及联轴器(23)；调整丝杠(7)通过两个圆锥滚子轴承(17)支承在丝杠箱体(8)上；蜗轮(19)同轴固定在调整丝杠(7)上；蜗杆(20)的一端通过深沟球轴承(21)支承在蜗轮蜗杆箱体(9)上，另一端与驱动电机(10)的输出轴通过联轴器(23)固定；蜗杆(20)与蜗轮(19)啮合；深沟球轴承(21)的外侧设置有轴承密封件(22)。

8.根据权利要求6所述的一种大中型射电望远镜面板低应力保型装置，其特征在于：所述的调整丝杠(7)与连接板之间设置有连接组件；连接组件包括连接套(13)，以及均采用弹性材料的上球座(14)、调整垫片(15)和下球座(16)；所述调整丝杠(7)的外端设置有球头；连接套(13)上开设有阶梯通孔；下球座(16)安装在阶梯通孔的内侧；上球座安装在阶梯通孔的外侧；调整垫片(15)设置在上球座(14)与下球座(16)之间；调整丝杠(7)外端的球头卡在上球座(14)与下球座(16)相对侧面的球窝之间；连接板(6)的内侧面设置有安装卡环；该安装卡环卡接在上球座(14)与阶梯通孔的内壁之间。

9.根据权利要求1所述的一种大中型射电望远镜面板低应力保型装置，其特征在于：除通过板弹簧(3)连接外，不同天线面板(1)之间不存在其他直接连接。

10.如权利要求1所述的一种大中型射电望远镜面板低应力保型装置的工作方法，其特征在于：步骤一、测量各个天线面板(1)的中心点变形值；测量方式采用摄影测量法或全息测量法；将所得的变形值在天线面板(1)中心点按法向和切向分解；

步骤二、根据步骤一中分解得到的法向变形分量，调整驱动机构(2)带动天线面板(1)的中心点进行法向移动；各板弹簧(3)随着天线面板(1)的移动而发生变形，减小天线面板(1)的内部应力；各天线面板(1)的位置调节顺序按照射电望远镜抛物面板内圈向外圈的方向依次进行；

步骤三、静置预设时长，使得射电望远镜抛物面板在板弹簧(3)的弹性力作用下逐步变形到目标形状；

步骤四、每隔预设时长，重新测量各天线面板(1)的中心点变形值，判断射电望远镜抛物面板的变形是否超过预设的允许范围；若超过允许范围，则重新执行步骤二和三，调整射电望远镜抛物面板的形状。

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