（机械制造及其自动化专业论文）大射电望远镜悬索馈源支撑系统的机械结构设计与分析.pdf

摘要 以大射电望远镜馈源支撑系统机电光一体化创新设计为指导，本文分析了机械结构 的特点与要求，提出了相应的设计方案。在应用数学、力学等方法对设计方案进行分 析、比较与论证的基础上，确定了最终的设计方案。进而详细给出了机械结构设计的 细节，分别完成了室内5 m 与室外5 0 m 实验模型的建造工作。两年多的大量实验验证 了设计与制造方法的正确性、有效性以及对将来5 0 0 m 工程的可推广性。 【关键词】大射电望远镜驱动装置悬索馈源舱防绳脱机构 a b s t r a c t b a s e do i lo p t o m e c h a t r o n i cd e s i g no f l a r g er a d i ot e l e s c o p e ，t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n ds p e c i a l r e q u i r e m e n t o ft h em e c h a n i c a ls t l a l c t u r e si sa n a l y z e da n dt h ec o r r e s p o n d i n g d e s i g np r o p o s a li s d e v e l o p e d a tt h ef i r s t t h e nt h ef i n a ld e s i g no fm e c h a n i c a ls t r u c t u r e si sp r o p o s e d b y m e a n so f a n a l y s i s ，c o m p a r i s o na n dp r o o fm e t h o d o l o g y n e x t , b o t hi n d o o r5 me x p e r i m e n tm o d e la n d o u t d o o r5 0 m e x p e r i m e n tm o d e l h a v eb e e nb u i l t f i n a l l y , al o to fs i t ee x p e r i m e n to nm o d e lh a s b e e nd o n et od e m o n s t r a t et h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o nm e t h o do ft h em o d e l k e yw o r d s l a r g e r a d i o t e l e s c o p es e r v o m e c h a n i s mc a b l ec a b i n s t r u c t u r eo f p r o t e c t i n gc a b l e f r o ml a p 豳g 声明 妒5 3 5 7 6 2 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究j ：作及取似的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢审所罗列的内容以外，沦文一1r f ； 包含其他人l 经发襄或撰写过的科研成粜：也4 ：奄! i 含为挟褂坩奠咀j 二科投j 、4 j ：! 蓝 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一嗣【：作的蚓忠埘4 , ：? i j i ：_ 明i = 仆2 的仟似贡献均存论文中_ | 艘 了孵确的浇明并表豕了溅懑。 本人铃私：叁叠， 荚予论文使f _ f j 授牧的说明 水人宠个了解两安电f 科技人学千f 天保留艉i 使用学他浍殳的姚定，州：学佼仃 权保斜送变论文的复印伟，党i ，i ：食阅和绗阅论艾；碧校口f 以公柏，沧殳| i j 个部j e i 邵 分内弈i i r 以允订：采川影印，j 缩印或1 0 0 筻积 蕾# 爨裸以硷奠。， 本人箍私： 导师镌名： i 瓤。j 塑：；照苎_ _ l 4 黪i 擘肇枣。 垂麟，盘琴 第一章绪论 第一章绪论 1 1 大射电望远镜的创新设计方案 1 9 9 3 年在日本京都第2 3 届国际无线电科学联会( u r s i ) 上，包括中国在内的 十国射电天文学家发起了建造新一代大射电望远镜( l t ) 阵的联合倡议”。 由于贵州具有世界上独有的喀斯特( k a r s t ) 洼地，作为建造新一代大射电望 远镜天线阵的第一步，我国拟先在那里建造一面口径达5 0 0 m 的先导天线，此即为 f a s t ( f i v eh u n d r e dm e t e r sa p e r t u r es p h e r i c a lt e l e s c o p e ) 项目。 f a s t 项目的技术指标【2 】 根据天文观测等的要求，对新一代大射电望远镜的技术参数与指标要求如下 1 位置：贵州南部，北纬2 5 。，东经1 1 5 。，海拔1 0 0 0 m 。 2 球反射面的曲率半径为r = 3 0 0 m ，球冠张角为1 2 0 。，开口直径为5 0 0 m ， 有效照明口径3 0 0 m 。 3 天空覆盖的最大观测天顶角v 。= 6 0 。 4 工作频率0 2 g h z - - 8 8 g h z ，共分为九个频段。分别是： 0 2 0 1 3 h z ，0 4 6 g h z ，0 4 6 g h z 一一0 9 2 g h z ，0 9 2 g h z - 一1 7 2 g h z ， 1 7 2 g h z - - 2 1 5 g h z ，2 1 5 g h z 一2 3 5 g h z ，2 8 0 g h z - 一3 3 0 g h z ， 4 5 0 g h z 2 5 1 0 g h z ，5 7 0 ( 讯z 一6 7 0 g h z ，8 姗z 一8 8 0 g h z 。 5 灵敏度；9 g b t ，5 4 v l a ，2 3 a r e c i b o 。 6 馈源的跟踪精度为4 ”( 4 r a m ) 。 7 馈源的快动速度为1 0 。m i n 。 1 9 9 9 年3 月，“大射电望远镜f a s t 预研究”作为中国科学院知识创新工程重 大项目正式立项。其总体目标是对世界上最大口径射电望远镜建造过程中可能遇 到的若干关键技术问题展开预研究，为工程实施扫清技术障碍2 】【3 1 4 1 。 由于f a s t 天线的技术指标要求甚高，采用何种方案实现自然成为首先需要解 决的问题。 现成的、可供借鉴的方案就是目前世界上最大的3 0 5 m 口径的美国a r e c i b o 天 线。 ! 大射电望远镜悬索馈源支撑系统的机械结构设计与分析 但是，胁c i b o 存在着纯机械式扫描运动、背架结构过重( 约1 0 0 0 吨) 、结构 稳定性差等三方面缺陷【5 】，在建造新一代大射电望远镜时必须避免。为此，文献【6 】、 7 】提出了全新的机电光一体化创新设计方案。 在这一方案中，馈源的空间扫描运动由六套伺服系统控制六根钢索的收放实 现。而六套伺服系统又由主计算机控制。由于望远镜在工作中会受到多种因素 的干扰，馈源的实际位置必会偏离其理论位置。为此，在地面上布置跟踪式激光 全站仪，实时检测并反馈馈源舱的位置与姿态，由控制计算机按照适当的控制算 法通过调整索长以使馈源舱始终处在允许的误差范围内。 而在大射电望远镜的反射面方面，为了克服线馈源频带较窄的影响，文献【8 】 提出了主动主反射面的概念，这样便可以用通常的点馈源取代线馈源【5 】。 由于f a s t 的最高工作频率高达8 8 g m ，对馈源的定位精度提出了非常高的 要求，仅仅依靠索长的调整难以达到这种定位精度。为此，段宝岩教授于1 9 9 8 年 提出了粗调与精调相结合的两级控制概念，将s 铆y a n 平台并联机构作为馈源的精 调平台【12 1 ，实时补偿馈源的动态跟踪定位误差。 基于这一概念，s 把啪吐平台的上平台固定于馈源舱上，下平台作六自由度的 二级调整，9 个不同频段的多波束点馈源分布于下平台上。 将悬索控制、s t e w a r t 平台及主动主反射面相综合，得到如图1 1 和图1 2 所示 机电光一体化设计的大射电望远镜方案叫【1 2 】 1 3 】。 图1 ，1 大射电望远镜机电光一体化设计方案 第一章绪论 图1 2 大射电望远镜机电光一体化设计的两级调整系统 1 2 从实验模型机械到实际工程机械 在进入5 0 0 m 工程实施之前，为验证创新方案的可行性，亦为了彻底搞清其关 键的相关技术问题，从理论上和实践上为5 0 0 m 工程的实施奠定坚实可靠的技术基 础，在中科院国家天文观测中心大射电望远镜实验室的支持下，西安电子科技大 学课题组在西安分别建造了i ：i 径为5 m 、5 0 m ，缩比为1 1 0 0 、1 1 0 的l t 馈源支撑 与指向跟踪系统模型。通过大量的理论分析和数值模拟对方案进行了验证。 为使模型实验研究对5 0 0 m 工程具有直接的指导意义，在设计与建造中，尽可 能地使模型与实物符合相似性定律。以期借助相似理论的支持，把对模型的研究 结论推广到5 0 0 m 的实际工程。 两种实验模型的设计、制造与使用，使我们从抽象的“悬索馈源支撑”概念中 解放出来，在具体而又实际的工程环境中直接面对所要研究的对象，从而更加有 效准确地分析、比较与研究l t 5 0 0 m 工程实际可能遇到的技术问题。 一方面，以两种实验模型作为平台，进行数值仿真和力学模型的研究与验证； 另一方面，通过模型的设计建造，弄清5 0 0 m 工程机械中可能遇到的技术问题，为 实际工程的建设扫清技术上的障碍 5 】【1 1 】。 如支撑塔上悬索大幅度的摆动问题。通过计算，可以求得支撑塔顶导向轮所受 到的侧向拉力。但有多种方法可以解决这一问题，通过模型建造，实际测试各种 方法的使用效果，确定最优方案，使问题得到最佳解决。 再如悬索与馈源舱的连接方式与应力集中的问题。在模型设计之前，该问题很 容易被忽略。而模型的设计，追使我们必须对工程实际问题加以研究并提出解决 的方法。 一4大射电望远镜悬索馈源支撑系统的机械结构设计与分析 总之，l t 5 m 、l t 5 0 m 两种馈源支撑实验模型机械的实地建设，除作为平台支 持其它相关研究外，对项目机械本身的技术问题进行探索研究也具有重要意义。 对l t s 0 0 m 工程的实施十分有益。 1 3 本文的主要工作 一从机电光一体化设计出发，深入分析了大射电望远镜悬索馈源支撑机械在 性能、控制、运动与载荷方面的特点以及其机械组成。 二结合模型设计、制造以及使用中的具体情况，对各单胡睃计中所遇到的各 种问题进行分析；解决设计及工程中的技术问题。 三根据实验的要求，分别完成了5 m 室内和5 0 m 室外两种实验模型的机械设 计。 四参与了模型机械的制造，主持了两种模型机械的安装与调试工作。积累了 悬索馈源支撑机械设计、制造、安装与调试方面的经验。 五对两种模型机械进行了的机械回差实验、机械积累误差实验、机械重复位 置偏差实验、馈源舱的快动实验以及馈源舱开环坐标误差和姿态角误差等实验。 以检验设计结果，确保系统机械能够满足实验要求，得到许多有意义的实验数据。 实验模型两年多的正常运行验证了设计方案的合理性、有效性以及在5 0 0 m 工 程中的可推广性。支持了整个项目在力学与运动分析、控制、阻尼减振、激光检 测等方面的研究与实验n 2 】_ 【1 8 】。系统机械作为“大射电望远镜馈源支撑与指向跟踪 系统仿真与实验研究”的重要组成部分，与项目其它内容一同于2 0 0 2 年2 月通过 了中科院组织的验收。 第二章大射电望远镜悬索馈源支撑机械结构的特点 第二章大射电望远镜悬索馈源支撑机械结构的特点 2 1 引言 创新设计方案采用两级并联复合控制实现大射电望远镜馈源的高精度跟踪扫 描运动，而要达到预期的技术性能指标要求，伺服机械就必需设计得合理，才能 保证两级复合控制的实现，做到在硬件上支持实验研究。 本章分析大射电望远镜悬索馈源支撑机械特点，以便更好地完成模型设计。 2 2 支撑机械结构的控制特点 伺服机械作为控制系统的执行环节，应具有良好的可控性。悬索馈源支撑机械 的可控性要求主要体现在以下两方面： 1 等脉冲当量索长精度高 为方便控制，悬索馈源支撑系统采取了全数字化的控制方式【1 4 】。即馈源舱位置 与姿态检测数字化、控制器数字化、执行驱动亦是数字化的交流伺服系统。很明 显，将机械执行装置设计为比例执行器，驱动器悬索馈源舱体系的控制会方 便许多。即在馈源的跟踪扫描过程中，由控制计算机发出的每一个数字脉冲均对 应着恒定的悬索索长增量，称作等脉冲当量索长。 2 运动件的运动惯量小 根据馈源跟踪伺服控制的特点，作为闭环控制中的执行机构，机械系统对控制 信号的响应速度应尽可能地快。为此，驱动器悬索馈源舱体系的设计必须尽 可能地降低其运动惯量。 模型设计中，模型机械等脉冲当量索长精度的提高、机械运动惯量的降低是通 过运动零部件的结构设计以及采用机构等方法实现的1 8 】【1 9 1 。 2 3 支撑机械结构的运动特性与负载特性 一运动特性 i 馈源舱的运动速度变化范围大 从一种运动轨迹切换到另一种运动轨迹时，馈源舱的运动速度为2 0 c n g s ；而在 指定的轨迹上作跟踪扫描运动时，速度仅为1 - 2 c m s 1 5 1 1 6 】。 2 馈源舱的运动范围大 在其工作空间( 2 5 m x h l o m 圆柱) 运动时，l t 5 0 m 模型馈源舱对应的悬索 !大射电望远镜悬索馈源支撑系统的机械结构设计与分析 收放长度为2 6 9 m ( 见4 7 ) 。与馈源位姿控制精度指标( 4 r a m ) 相比，馈源舱的运 动范围大。 二负载特性 速度低、负载大是悬索馈源支撑机械的一个显著的特点。 l t 5 0 m 模型中，由于跟踪调整的需要，悬索的最大拉力为2 4 4 t 1 ”。 悬索馈源支撑机械的运动特性要求驱动器能满足1 0 倍以上的速度变化。功率 上，驱动器也应有l o 倍以上的储备。由于悬索拉力大，因而使用大速比减速器来 增加系统机械的驱动力。 2 4 支撑机械结构的机械特性 系统的机械特性主要体现在以下几方面： 一机械回差小 为了获得良好的控制性，在同等数量脉冲的控制下，驱动器的悬索放出量与伸 长量之差，即机械回差，应加以限制。并且，六套驱动器的机械回差值也应当尽 可能一致。 二机械运动精度高 当控制计算机发出馈源舱空间的位姿运动指令、机械系统予以执行时，馈源舱 的实际位姿与理论计算位姿的偏差要求在一定的可控范围内。由于馈源舱的工作 空间大、位姿控制精度高，这就要求在整个索长收放范围内机械系统有较高的运 动精度。 三机械重复精度高、积累误差小 不同时间，运行同一空间扫描曲线时，馈源舱的重复位置偏差值小。连续运行 不同的运动轨迹之后，馈源舱仍可准确地回到原来的位置，即积累误差小。 在l t 5 0 m 模型中，通过运动零部件的精度设计以及采用机构的方法，提高模 型机械的运动精度和机械重复精度，减小机械回差及机械积累误差。 2 5 支撑机械结构设计方法的特点 一般常见的机械设计，多数由于有类同或类似的设备可供参考，在计算和设计 上，甚至有现成的公式与套路可供使用。因而，设计者多采用内插式例【2 1 1 的设计 方法，使所完成的设计有很大的成功把握，设计工作也比较容易。但对大射电望 远镜悬索馈源支撑机械，由于没有现成的设计资料或文献可供参考，u j m 及 第二章大射电望远镜悬索馈源支撑机械结构的特点! l t 5 0 m 两种实验模型的机械设计实际上是对如何将创新而富于挑战性的大射电望 远镜悬索馈源支撑方案实际化的尝试与探索。 因而，在设计思想上，设计者必须在对悬索馈源支撑机械的特点有深刻理解的 基础上，形成一套完整的设计思想与方法。 在具体的设计实践中，由于悬索馈源支撑机械系统受力、运动速度变化幅度大 且无明显的规律性，难以确切地计算机械应力应变以支持强度设计。因而，有必 要借助实验手段、计算机仿真等方法对重要零部件的应力应变状态进行较为准确 的分析。 例如，在5 m 模型中，拖动馈源舱六根悬索中的三根在舱顶处汇集于一处。就 5 m 模型而言，这种索与舱联接方式是简洁合理的。但实践中发现，当馈源舱运动 到某些特定位置时，机械抖动而无法正常工作，通过系统受力的仿真，发现这些 特定的位置即为文【2 2 、【2 3 所称的奇异点。5 0 m 模型设计中，改进了舱顶处的连 接结构方式，再也没有出现机械抖动的问题 2 4 1 。 总之，为了实现项目整体的技术性能指标，设计系统机械时，必须将技术性能 指标融合在系统的设计思想里，贯穿到每一项具体的设计中。反复的实验、分析 与总结是保证设计成功的一个重要方法。 小结 本章从控制、运动、负载、机械特性方面，对悬索馈源支撑系统机械加以分析。 明确了从结构、精度、机构设计等方面实现悬索馈源支撑机械的性能要求。在对 5 m 、5 0 m 两种模型设计过程总结的基础上，提出了以设计思想为指导，借助实验、 仿真等手段，通过总结来完善的设计方法。 l t 5 0 m 模型的机械性能实测结果睁】： “馈源舱沿多种曲线开环运行的坐标误差小于3 5 e r a ，姿态角误差小于3 。； 馈源舱舱体可以实现0 - - 2 0 t r i g s 的运动； 驱动器悬索馈源舱体系的重复位置偏差小于4 - 5 m m ； 驱动器悬索馈源舱体系的机械回差小于4 m m ； 馈源舱在空中连续运行几个不同轨迹之后，仍可准确地回到支架原位上，说明 机械机构的积累误差小，重复性好。” 实测结果验证了系统机械结构精度、运动、机构及动力设计的合理性。 !大射电望远镜悬索馈源支撑系统的机械结构设计与分析 第三章l t 5 m 与l t 5 0 m 实验模型机械结构的组成 3 1 引言 缺少相关悬索高精度调整系统的相关可供参考材料，给实验模型机械设计工作 带来了许多困难。为此，本章将创新方案的概念逐步具体化，确定l t 5 m 、l t 5 0 m 模型的机械结构组成，为具体的单机设计奠定基础。 3 2l t 5 m 模型机械结构的组成 从大射电望远镜机电光一体化设计方案及其示意图出发，将l 聪m 模型机械进 行初步分解，得到供机械设计的参考图3 1 。 馈源舱由六根悬索悬吊于空中。六根悬索经六个均布于直径为5 m 的圆周上、 高度为2 5 m 立柱上的，一- 一 _ k 。连接于馈源舱的悬索依次交替 均匀地布置于半球形馈源舱的舱顶和舱沿。 图3 1l t 5 m 馈源支撑实验模型机械组成 据此，l t 5 m 实验模型的机械主要由以下几部分组成： 1 馈源舱； 2 六根立柱及柱上的悬索导向滑轮； 第三章l t 5 m 与l t 5 0 m 实验模型机械结构的组成 3 六套收索与放索驱动器( 参见图3 5 ) ： 4 悬索； 5 其它辅助机械装置。 各组成部分的主要功能： 馈源舱为实验研究的目标对象；六根立柱作为支撑，用于安装柱上的悬索导向 滑轮；六套驱动器用于收索与放索；悬索作为动力与运动传递件连接着馈源舱与 驱动器装置；其它辅助机械装置是指排线机构、安全制动器等，用于保证系统机 械的可靠运行。 图3 2 l t 5 m 室内模型机械实物 塑 大射电望远镜悬索馈源支撑系统的机械结构设计与分析 3 3l t 5 m 模型机械结构的特点 一馈源舱的结构特点 在l t 5 m 模型中，由于尺度比较小，馈源舱采用直径为中4 0 0 m m 的金属半球 壳制成。 1 悬索与馈源舱的连接 馈源舱上悬索连接点的布置见图3 3 2 2 1 。 y 久 、 b 2 ，b 4 ，宣气s ： 咿 厂b 1 一 ，1 2 0 。 b 5 x 图3 3馈源舱上悬索连接点的分布 b 1 , b 6 表示六根悬索与馈源舱的连接点。三根集中于馈源舱顶，而另外三板一 j 均匀地布置于馈源舱底沿# ， 由于馈源舱直径、质量( 3 埏) 均较小，悬索懿只有1 2 r a m 。为简化设计， 采用了图3 4 所示的舱索连接形式( 嘴顶处为倒) 。、a 2 、a 4 、筋表示三根悬索。 图3 4馈源舱与悬索的连接 它是将悬索通过保护性的接头连于馈源舱。悬索的端头铸铅封制。为保护悬索， 将悬索接头制作成1 4 圆( 半径5 m m ) 的喇叭口形状，以满足悬索相对于馈源舱 摆动的要求。 2 馈源舱重量与重心的调整 第三章l t s m 与l t s 0 m 实验模型机械结构的组成 为了获得不同重量、不同重心的馈源舱的实验数据，在半球壳的底郝开有通 孑l ，通过配重的连接与调整，实现馈源舱重量与重心的调整。 二驱动器的结构及特点 驱动器由卷筒、联轴器、力矩电动机、制动器、排线机构、旋转变压器以及机 架组成。 图3 5l t s m 模跫驱动器 力矩电机产生的扭矩经联轴器1 传递至卷筒。卷筒的另一端经过联轴器2 与 旋转变压器连接。旋转变压器用来动态检测悬索的长度以组成闭环控制系统。力 矩电机、卷筒与旋转变压器通过各自的连接座与机架连接成整体。 联轴器l 选用弹陛联轴器，联轴器2 为薄片弹性联轴器。 大射电望远镜悬索馈源支撑系统的机械结构设计与分析 由于悬索直径小，即使在卷筒上加工出螺旋槽也不能解决悬索的无序排列问 题。为此，专门在卷筒上加设了排线机构，以迫使悬索均匀地排列在卷筒上。排 线机构的动力通过一对齿轮由卷筒轴处传递获得。 当馈源舱在空中运动时，突然掉电会造成意外，因而在驱动器的卷筒上设置 制动器，以保证系统及人员的安全。 l t 5 m 模型在实验室顺利运行了一年多。它的设计与制作，为5 0 m 模型的建造 积累了十分有用的数据与经验。 3 4l t 5 0 m 模型机械结构的组成 在总结l t 5 m 模型设计、制作与使用的基础上，针对工程现实的具体特点，设 计与建造了l t 5 0 r n 模型。 在l t 5 0 m 模型中，馈源舱是由八根悬索悬吊于空中。其中六根悬索为上拉索， 另外两根为下拉索。 六根上拉索经由六座分布于直径为4 5 m 的圆周上、高度为1 5 m 的钢筋水泥塔， 通过地轮连至六个上拉索驱动器。上拉索驱动器为主驱动器，由卷筒、两级联轴 器、驱动电机、电磁制动器以及机架组成。 两根下拉索通过布置于水平地面上的换向滑轮连至各自的下拉索驱动器。 在实验现场实地布置有六台激光金站仪，实时、动态地检测馈源舱以及s t e w a r t 平台的空间位置和姿态。将测量到的实际位姿数据与理论规划的位姿数据比较， 由控制计算机按照适当的控制算法控制各驱动器作调整悬索长度的运动，使安装 于s t e w a r t 平台上的馈源运动在误差允许的理论轨迹上。 除了原理上与l t s m 模型相似外，l t 5 0 m 模型还具有以下几个特点： 1 大负载。l t 5 m 模型的馈源舱仅3 k g ，而l t 5 0 m 模型的馈源舱重量最大可达 2 t t l 6 【1 7 】。 2 与l t 5 m 模型相比，5 0 m 模型增加了两根下拉索。因此，必须增加下拉驱动 及相应机构。 3 l t 5 0 m 模型中需要连接s t e w a r t 平台，故必须在馈源舱上设置连接装置。 4 在l t 5 m 模型的实验中，发现了舱索系统受力的力奇异性。为此，必须通 过修改上拉索与馈源舱的连接方式或通过增加下拉索消除奇异性】。 综上所述，可以得到l t 5 0 m 实验模型机械组成参考图3 6 。它包括以下几部分： 1 馈源舱、s t e w a r t 平台及支架； 2 六座支撑塔及塔顶上悬索的导向机构； 3 六组地面上的导向地轮； 第三章l t s m 与l t 5 0 m 实验模型机械结构的组成 图3 6l t 5 0 m 实验模型机械组成 图3 7 l t s 0 m 室外模型机械实物 大射电望远镜悬索馈源支撑系统的机械结构设计与分析 4 六套上拉索的收索与放索驱动器； 5 两套下拉索的收索与放索驱动器； 6 悬索； 7 其它辅助机械装置。 各组成部分的主要功能： 由于相同的工作原理，l t 5 0 m 模型机械各组成部分的功能与l t 5 m 模型基本相 同。但由于规模的扩大，5 0 m 模型中的动力装置、馈源舱的结构以及塔顶上的导 向机构等与5 m 模型差异较大。新增的两套供索与放索驱动装置，用于对馈源舱的 辅助控制；为了完成复合控制及更多的实验，对馈源舱的功用要求更多，如安装 s t e w a r t 平台、减振装置及激光检测装置等。 小结 本章主要从机械功能的角度出发，将创新方案概念具体化为几大模块，逐步将 整体功能有机地分解到每一单机，总结5 m 模型的设计经验，使设计工作有序可循。 正是基于这种具体化的分析，才有了以下各章节的单机分析；使模型的设计、加 工及安装工作得以顺利完成。 第四章悬索驱动器的设计 第四章悬索驱动器的设计 4 1 引言 悬索驱动器是大射电望远镜机械系统的核心之一。驱动器性能好坏直接影响着 整个机械系统的性能，进而影响到整个实验模型。 要设计出结构合理、可控性好又符合系统运动动力特点的驱动器，就必须在正 确的设计思想与方法指导下，深入研究驱动器的各个方面，才能做到合理设计。 4 2 驱动器设计的思路与过程 根据5 0 m 模型的具体特点，驱动器的设计步骤为【2 5 】 4 2 1 ： 1 从使用的角度对驱动器进行控制、功能、运动和力学等方面分析，提出初 步的机构设计方案； 2 应用理论力学、材料力学、机械原理以及机械零件等理论设计驱动器； 3 结构细化，进行热处理、表面粗糙度、形位公差及工艺性等设计； 4 从功能、运动和力学等方面进行校核，确定是否达到预期设计要求。否则， 重新调整其功能、结构参数等，重复上述过程，直到设计结果达到预期的要求。 设计流程如图4 1 所示。可以看出，驱动器设计是一个复杂的、反复分析与综 合的过程。 4 3 与驱动器相关的基本参数 与驱动器相关的基本参数如下： 1 馈源舱的空间运动范围 馈源舱在一个c d 2 5 m h 1 0 m 的圆柱内运动。 2 馈源舱1 6 】【1 7 】 a 馈源舱在观测曲线间的调整速度为2 0 c m s ； b 馈源舱运行于观测曲线时的速度为1 - 2 c r n s c 馈源舱的最大重量2 t ； d 悬索的最大拉力2 4 4 t ； e 馈源舱设计参考直径0 2 m 。 3 。伺服电动机表4 1 伺服电动机主要参数嗍 i悬索伺服电机l型号i 功率i 额定扭矩转速 i 上拉索伺服电机( 6 台)i 松下m h m a 5 0 2l 5 0 k w l 2 3 8 n m 0 - 2 0 0 0 r p m i 下拉索伺服电机( 2 台)i 松下m d m a l 0 2l 1 0 k w l 4 8 0 n m 0 - 2 0 0 0 r p m 兰 大射电望远镜悬索馈源支撑系统的机械结构设计与分析 f 开始 i ， + 士 驱动器的结驱动器的驱动器的 可控性及其它 构、功能分析运动分析力学分析相关分析 + 得到功能要求得到运动要求获取力学要求获得可控性及其 和结构形式和运动参数与力学参数它相关数据 + 将各种相关信息综合分析 套、， 1 0 0 m m 时，e 。如7 0 ，= o 7 0 。所以 惫= 而1 4 1 观以，惫= 疏1 3 0 = 2 笳 比较该处两种应力集中，应取( k 。) d = 3 2 0 ，( k ，) d _ 2 3 2 。 由“常用钢材的主要机械性能表”【捌知，材料对循环载荷的敏感系数- - 0 1 ， = 0 。 故此处 & 2 话五万。而_ 1 = 夏菇廷3 5 焉0 页百= 3 。4 7 足= 两未赢= 甄2 1 溺0 3 2 x 2 3 4 2 而0 = 3 8 6( i ) d f 。+ 仉f 。2 + 。 s = 两可2 丽1 雾2i i 2 = 3 8 3 如前所述，材料均匀、计算精确时，可取【s 】= 1 5 。因而剖面是安全的。 七剖面i v 、v 面的各种应力集中 虽然剖面、v 面有配合应力集中、直径过渡应力集中和表面加工而引起的应 力集中，但是计算结果也表明，它们的安全系数足够大。 由此可见，本卷筒轴是安全的。 大射电望远镜悬索馈源支撑系统的机械结构设计与分析 八摄评用厦力校核卷衙和 对于4 5 # 钢( i - i b = 2 1 7 2 5 5 ，ob = 8 0 0 n m m 2 ) ，由“转轴的许用弯曲应力表” 2 0 】 可得 【o + 1 】b = 2 7 。n i n l n 2 ，【0 - 1 】b _ 7 5 嘣，所以口= 黜= 蔫- o 2 7 8 。 由m = 撕矛面可求得各剖面的当量弯矩；由吼= 等可求得剖面上的 当量廊力。 在卷筒轴的、和v 剖面： 表4 9l t 5 0 m 模型卷简轴按许用弯曲应力校核 计算 mtw m ob 【o 1 】b 项目 n mjn m n m m n m m 2 剖面 3 5 34 5 9 19 8 21 3 2 4 21 3 4 87 5 剖面 3 5 3 14 5 9 15 5 5 93 7 5 4 6o 6 87 5 剖面v 6 9 0 44 5 9 11 5 5 2 7 0 2 14 5 27 5 上表中，各剖面上均有ob 五= s i n ef l f z = f s i n f o 、) ( 6 1 ) l t 5 0 m 项目模型中，f = 2 4 4 t ；d 1 = 2 5 m ；d 2 = 4 5 m ：l = 5 m ；0 = 3 3 7 5 。 所以：= 1 4 9 6 。，f x y = 2 3 6 t 。f x = 1 9 6 t ；f y = 1 3 1 t ：f z = 0 6 3 t 。 滑轮在y 方向上承受的力f y 高达1 3 1 t ，如果不采取适当的措施，悬索必然会 拉坏滑轮或从滑轮上脱落，使系统无法正常工作。 大射电望远镜悬索馈源支撑系统的机械结构设计与分析 6 4 支撑塔顶导向机构的设计方案 为了解决上述问题，采用取了在滑轮两侧增加一对立轮的方法来承受悬索y 向分力的方法，使滑轮不再承受y 向分力。从根本上解决了悬索拉坏滑轮或从滑 轮上脱落的问题。 l j o o ：支撑塔：- ：- y 广广 。广r + ：”：j 尉葺j 崇小 图6 3用一对立轮承受悬索y 向力 l 悬索 f 至馈源舱 j 最初的设计是在支撑塔上使用一只大滑轮。但由于支撑塔x 方向的尺寸较大， 最终改用了两只较小的成品滑轮，同时也减小了运动部件的转动惯量。有立轮的 塔上滑轮布置见图6 3 。 另外，由于悬索在各个方向均有摆动的可能( 如受到风力、动态载荷变化的影 响) 。为了防止卡绳、脱槽等意外，两个滑轮上都安装了保护装置。 6 5 导向立轮的结构形式 l t 5 0 m 模型中，使用了图6 4 所示立轮的结构形式来承受悬索作用在滑轮y 方 向的力( 见上节) 。它采用了内轴固定，外套筒旋转的方式。由于图中立筒除了承 受径向力外，还受到轴向力的作用，所以立轮下部的轴承使用了推力轴承。 第六章塔顶上悬索的导向机构 国6 4立轮的结构形式 小结 本章分析了由于悬索大范围的空间运动而导致在支撑塔上必须采取措施防止 悬索脱落与破坏滑轮的问题，并给出了解决方案，设计了悬索的导向机构。 支撑塔顶上的悬索导向是大射电望远镜伺服机械系统所特有的。为了解决由于 悬索斜向拉动，塔上滑轮承受侧向力与悬索正确导向的问题，本章分析了悬索的 摆动和滑轮的受力，进而设计出独特的立轮机构保护滑轮，实现悬索的合理导向。 两年多时同的无维护而运转正常，表明了这种结构形式的合理性与可借鉴性。在 塔顶上，用两只较小直径的滑轮取代一只大滑轮，既降低了模型造价，也减小了 运动件的转动惯量。 大射电望远镜悬索馈源支撑系统的机械结构设计与分析 第七章悬索的特点与设计选择 7 1 引言 创新化设计方案的特色之一是采用了索系定位机构，六根悬索拖动2 0 吨左右 的馈源舱结构完成空间扫描运动。因而，必需对悬索的结构、特点有所了解，以 设计选择出符合实际要求的悬索。 7 2 悬索的类型与特点 创新设计方案中的悬索即钢丝绳，是由多股细钢丝绕拧制成的。可以通过分析 不同种类钢丝绳的性能特点n 9 1 3 4 1 5 ”，为设计选择合理的悬索提供依据。 一按照绕制的次数，钢丝绳可分为单绕绳和双重绕绳 黪麓 ( 1 ) 单绕钢丝绳( 2 ) 双绕钢丝绳 图7 1 单绕、双绕钢丝绳结构示意图 1 单绕钢丝绳 图7 1 ( 1 ) ，它是由细钢丝一次绕拧而成。与双重绕制钢丝绳不同，由此法制 成的钢丝绳刚性较大，因而宜于作为不运动的拉索以及架空索道的承载索。较差 的挠性使其不适宜作为起重用。在本应用中不予考虑。 2 双重绕钢丝绳 双重绕钢丝绳结构如图7 1 ( 2 ) 所示。它是首先将钢丝拧成股( 一股相当于单 绕钢丝绳中的一根) ，而后再将各股拧成绳。 其中的绳芯又分为非金属芯和钢丝芯。这种钢丝绳因其中间有软芯，而挠性较 好。可以绕过直径较小的滑轮和卷筒工作，制造也不复杂，因而在卷绕机械中应 用广泛。 单绕钢丝绳和双重绕钢丝绳，按股绕捻成绳的捻绕方向还可细分为右旋与左 旋，在没有特殊要求的情况下，其旋向并不重要。 二双重绕制的绳钢丝绳按照其钢丝与股的绕拧方向可分为同向捻和交互捻 1 同向捻钢丝绳 第七章悬索的特点与设计选择 同向捻是指由钢丝绕成股和由股拧成绳的绕向相同。这种钢丝绳由于钢丝之间 接触较好，表面比较平滑，扰性较好，磨损小，使用寿命较长，但有自行松散的 特点。故而，当重物自由悬挂在绳索一端时，不宜采用同向捻的钢丝绳。而在不 考虑松散的情形下，或有刚性导轨相辅时，则用同向捻为宜。 2 交互捻钢丝绳 交互捻法的特征是钢丝绕成殷和由股拧成绳的方向相反。这种钢丝绳虽然刚性 较大并且有使用寿命较短等缺点，但不易自行松散、使用方便，故面使用较多。 三钢丝绳按照其绕制股( 单丝 的断面形状可分为圆形股和异形股 圆形股制造方便，使用最广泛。异形股中，常见的有三角形股，椭圆形股等。 由异形股制成的钢丝绳与滑轮槽及卷筒槽接触良好。使用寿命长。但制造复杂， 成本较高。 四。钢丝绳按照其中的股( 单丝) 与股的接触状态可分为点接触与线接触 1 点接触 每股由直径相同的钢丝拧成，丝与丝之间成点接触，接触应力很高，因而使 用寿命低。 2 线接触 每股由直径不同的钢丝拧成，外层的钢丝位于内层钢丝所构成的槽内，钢丝 与钢丝之间成线接触，接触应力低，故而使用寿命较长。 五钢丝绳按照其绳芯可分为纤维芯、石棉芯和钢丝芯 1 纤维芯 用剑麻、棉纱或其他能够符合要求的纤维制成。具有较高的挠性和弹性，不能 承载横向压力不耐高温。 2 石棉芯 挠性和弹性与纤维芯差不多，也不能承受横向压力，但可在高温下工作。 3 钢丝芯 强度较高，能承受高温和横向压力，但挠性较差，适合于受热和受挤条件下使 用。 六锕丝绳按照其中的钢丝的机械性能分为特号、i 号和i i 号 特号钢丝绳其钢丝的韧性最好，用于安全要求较高诸如大型浇注设备等场合； i 号钢丝绳的钢丝的韧性较好，适用于重要用途的钢丝绳；i i 号钢丝绳的钢丝的 韧性一般，用于一般工作情况。 七钢丝绳按照其中的钢丝的表面分为光面和镀锌 选用何种表面处理的钢丝制成的钢丝绳主要取决于工作场合的具体情况。如当 腐蚀为主要的报废原因时，采用镀锌钢丝绳。如工作在具有腐蚀性气体的场所， 或用于鼯天雨水中的钢丝绳。 大射电望远镜悬索馈源支撑系统的机械结构设计与分析 7 3l t 模型中悬索的工作特点与工况分析 不同的工作条件和工作负载性质决定了钢丝绳种类的选用。创新设计方案中悬 索工作有以下特点： 一悬索的工作环境 1 露天，会直接面对自然界的风雪雨霜，甚至是酸雨以及空气中所包含的碱 性，酸性物质。 2 工作环境相对湿度变化较大。 3 悬索的可维护性差。如在5 0 0 m 工程中，悬索通过高度为2 5 0 m 左右的高 塔工作在直径5 0 0 m 的柱形空间，除非定期维护，悬索难以得到日常的维护。 二悬索的工作载荷性质 1 馈源舱可能的运动 ( 1 ) 运行于天文观测轨迹； ( 2 ) 运行于一些特定的一、二次曲线，如斜线、圆弧、圆、抛物线等； ( 3 ) 运行于过渡曲线：从起点到观测曲线的过渡、从一种轨迹到另一种轨 迹的过渡； ( 4 ) 运行于不确定的路线；当安装、维修时，馈源舱所运行的路线不是确 定的路线；在意外情形下，馈源舱所运行的路线无法预料。 2 悬索的工作负载 根据馈源舱可能的运动轨迹，通过计算可以求得悬索的拉力并从中确定最大的 悬索拉力作为悬索设计选择的依据1 8 】。 7 4 l t 5 0 m 模型中悬索的分析计算 一悬旁 类型的选择 选择以麻为芯的钢丝绳。 一方面，这种钢丝绳由于在其中心加有含油的麻芯因而挠性较高，使得这种钢 丝绳可以绕过直径较小的滑轮与卷筒工作，利于减小卷筒直径。另一方面，含油 的麻芯既为悬索内部钢丝之间的摩擦也为悬索与滑轮间的摩擦提供了较为持久的 润滑以减少磨损；同时润滑剂形成的保护膜也防止钢丝绳受到外界的腐蚀而生锈。 初步选择了三类两组钢丝绳( 圆股点接触、圆股线接触、三角股钢丝绳) ： 1 圆股点接触钢丝绳6 x 2 4 ，6 x 3 7 ，8 x 3 7g b l l 0 2 7 4 圆股线接触钢丝绳6 x ( 2 4 ) ，6 w ( 2 4 ) ，6 x ( 3 1 ) ，6 x ( 3 7 ) g b l l 0 2 7 4 2 圆股点接触钢丝绳6 1 9 ，8 1 9g b l l 0 2 7 4 圆股线接触钢丝绳6 x ( 1 9 ) ，6 w ( 1 9 ) ，8 x ( 1 9 ) ，8 w ( 1 9 ) g b l l 0 2 7 4 第七章悬索的特点与设计选择 三角股钢丝绳6 ( 2 1 ) ，6 ( 2 4 )y b 8 2 9 7 9 它们都适应于单层卷绕。其中，第一组可用于滑轮钢丝绳直径比d d 小于2 0 的情形；第二组适应于轮绳直径比d d 大于2 0 的情形。 二钢丝绳直径的计算 钢丝绳直径的确定，是依据钢丝绳规范中钢丝破断拉力来确定的。 1 l t 5 0 模型中钢丝绳的破断拉力 钢丝绳的破断拉力是依据钢丝绳在工作时所受到的最大拉力以及安全系数等 来确定。其计算公式为 2 9 1 瓦竽 似t ) 式中：f 皿。钢丝绳工作时所受的最大拉力n ； f h 钢丝绳规范中钢丝破断拉力的总和n ： 由钢丝绳破断拉力换算系数； s - - 安全系数。 ( 1 ) 钢丝绳工作时所受的最大拉力f 矗 l t 5 0 m 模型中，钢丝绳工作时所受的最大拉力3 鹾2 了1 为f 。2 4 4 t 。 ( 2 ) 钢丝绳破断拉力换算系数由 它是根据钢丝绳的结构( 殷的形式，钢丝的接触形式等) 换算出来的。它将不 同结构形式钢丝绳的破断拉力统一到单一的运算公式之下。 以上所述的圆股点线接触的钢丝绳，0 = 0 8 5 ；三角股的锯丝绳，审：- - 0 8 4 。 ( 3 ) 安全系数s 安全系数s 的确定主要考虑以下几方面因素； 钢丝绳的用途( 设备安全程度的要求、荷载变化程度、钢丝绳的工作环境等) ， 轮绳直径比d i d ，馈源舱动荷载的影响。 参考其它起重类设备 2 7 1 ，取s = 5 5 。 据以上分析，钢丝绳规范中钢丝破断拉力的总和f b 可由( 7 1 ) 式求得： f b f 越；s 审一2 4 4 t x1 0 0 0 5 5 0 8 5 = 1 5 7 8 8 2 k 萨 即所选用钢丝绳的破断拉力总和应大于此值。 2 钢丝绳直径的确定 同一尺寸，同一结构形式的钢丝绳由于所用钢丝的机械性能不同而承载能力也 不同，为实际生产和使用上的方便，将钢丝绳按公称的抗拉强度进行分级。我国 钢丝绳的公称抗拉强度分为1 4 0 0 ，1 5 5 0 ，1 7 0 0 ，1 8 5 0 ，2 0 0 0 m p a 五个级别。市场 上最为常见的是1 7 0 0 m p a 这一挡的产品。 大射电望远镜悬索馈源支撑系统的机械结构设计与分析 选择直径1 5 0 r a m 的钢丝绳，其钢丝直径为o 7 m m 。它的钢丝破断总拉力总和 不小于1 4 5 0 0 k g f 。略小于计算值( 1 5 7 8 8 2 k g f ) 。为计算值的9 3 。考虑安全系数 选择中较大的富裕量，这种选择能够满足l t 5 0 m 模型要求。 l t 5 0 m 模型中使用i 号乙组非镀锌钢丝制成，右同向捻制钢丝绳。 即：钢丝绳6 3 7 1 5 1 7 0 i 乙镀右同g b l l 0 2 - 7 4 相关参数为： 钢丝绳直径1 5 m m ，6 3 7 股 钢丝直径0 7 m m 钢丝总断面积8 5 3 9 i i l 1 3 a 2 重量8 0 2 7 k g 1 0 0 m 公称抗拉强度1 7 0 k g h n m 2 破断拉力总和1 4 5 0 0 k g 国家标准代号g b l l 0 2 7 4 生产厂家：贵州钢丝绳有限公司 图7 2l t 5 0 m 实验模型钢丝绳断面 该钢丝绳的断面结构如图7 2 所示。它是由六个股及一个绳纤维芯组成。每一 股又由四层从内到外数量分别1 、6 、1 2 、1 8 根共计3 7 根，直径为0 7 r a m 的细钢 丝组成。总共有6 3 7 根细钢丝。六个股形成的中心填充着含油麻制绳芯。 三l t s 0 m 模型中悬索的长度 悬索的长度由两部分组成：一部分是工作长度；另一部分是安装及其它长度。 悬索的工作部分长度： 必须考虑到各种可能发生的情况，按可能发生的最长值计算。 安装及其它悬索长度： 1 根据连接方式的不同，留出适当的馈源舱、驱动器安装用悬索长度； 2 几何计算中的简化处理，也应加以考虑。 l t 5 0 m 模型中单根上拉索长度取为6 8 m 。 第七章悬索的特点与设计选择 7 5 悬索的辅助装置 悬索的辅助装置是指悬索在馈源舱上、卷筒上的固定连接装置以及