CN100520483C - 大射电天文望远镜共驱动并联阵列机构 - Google Patents

Abstract

大射电天文望远镜共驱动并联阵列机构属于机械结构设计技术领域，特别涉及一种具有强耦合特性的共驱动并联机构阵列。其特征在于，每一个反射面单元下端通过一条限制反射面单元在水平方向旋转的导向约束支链与基座相连；在反射面的所有不相邻的顶点下方均有一个主动支链，它是通过一个伸缩杆的伸缩动作控制其上方的3个反射面单元协作运动的主动支链。本发明能够在减少驱动电机的数目的情况下，实现反射面的大范围拟合运动。

Description

大射电天文望远镜共驱动并联阵列机构

技术领域

大射电天文望远镜共驱动并联阵列机构属于机械结构设计技术领域，特别涉及一种具有强耦合特性的共驱动并联机构阵列。

发明背景

在人类探索宇宙的过程中，大望远镜是不可或缺的工具。不仅如此，在诸如地球环境问题、太阳物理以及军事等领域中，大望远镜也发挥着不可替代的作用。正是基于大望远镜的重要性，各国竞相建造大型天文望远镜，如加拿大LAR(Large Adaptive Reflector)计划正筹建创新型300米口径射电望远镜，欧洲正准备耗资20亿美元建设100米口径的巨型光学望远镜。目前世界上最大的射电望远镜是美国305米口径的Arecibo望远镜，其观测结果有力地验证了Einstein广义相对论关于引力辐射的结论，该项成就于1993获得Nobel奖。著名的Appolo计划的月面选址也是由其完成的。1993年，在日本京都国际无线电科联第24次大会上，澳、中、美、德、法、英、俄、荷和加拿大、印度十国射电天文学家联合倡议：筹建等效接受面积为一平方公里的大射电望远镜阵列，实现他们共同的愿望，那就是在人类所造成的电磁污染还没有完全淹没地球前揭开宇宙的深层次奥秘。世界各国都希望将大望远镜阵列建在本国。美国、加拿大、澳大利亚、荷兰及中国均已提出了有利于本国的方案。我国贵州省众多天然喀斯特洼地用于建造Arecibo型大射电望远镜阵列是得天独厚的条件，加之安静的电磁环境是将阵列争取建造在我国的重要优势。

在中科院知识创新工程的资助下，国家天文台及国际合作者正在推进在我国贵州省建造反射面口径为五百米的大型射电望远镜，称为FAST(Five—hundred—meter—aperturespherical telescope)，作为国际大射电望远镜阵列计划的先导项目。Science杂志先后三次报道FAST项目，足见其科学意义。

建造大望远镜的费用是巨大的。美国Arecibo望远镜始建于20世纪60年代，累计造价是一亿美元。能够低造价地建造先导单元不仅对我国天文事业的发展具有推动作用，而且对于将国际大望远镜阵列争建在我国也极具有说服力。如果照搬Arecibo望远镜的平台式馈源支撑方案(美国Cornell大学设计)，大天顶角的五百米口径望远镜的平台结构将是重达数千吨、跨度覆盖Φ250米圆、悬挂在150米空中的大型结构。这样的结构造价是难以承受的昂贵。无平台方案可大大降低支撑结构重量，从而有望低造价实现馈源支撑。然而无平台方案需要将射电望远镜的固定反射面改为主动反射面，以实现旋转反射抛物面的实时拟合，最终克服固定球面非点状聚焦形成的球差。目前估算500米口径的主动反射面需要由将近2000块反射面单元构成。要达到FAST的科学目标—观测5GHz电磁波，所有反射面单元的拟合误差均方根值应在4毫米以内。由于反射面单元的数量很大，如何减小驱动电机的数目，同时实现每一反射面单元的有效控制，是实现FAST项目的关键。

发明内容

本发明目的是提供一种可用于大射电望远镜主动反射面的共驱动并联阵列机构，该并联阵列机构可实现主动反射面要求的大范围拟合运动，同时有效减少驱动单元的数目，降低工程成本。

本发明的技术方案是，括基座(7)和由多个正六边形反射面单元(1)相互连接组成的反射面，所述任意一个正六边形反射面单元(1)均与其它正六边形反射面单元(1)共顶点，其特征在于，所述每一个反射面单元(1)下端通过一条限制所述反射面单元(1)在水平方向旋转的导向约束支链与基座(7)相连；在所述反射面的所有不相邻的顶点下方均有一个主动支链，该主动支链是通过一个伸缩杆的伸缩动作控制其上方的3个反射面单元(1)协作运动的主动支链。

所述导向约束支链含有一个与所述反射面单元(1)下端连接的虎克铰(9)，该虎克铰(9)的另一端与一个从动伸缩杆(8)的一端固定，该从动伸缩杆(8)的另一端与基座(7)固定。

所述主动支链含有一个一端与基座(7)固定，另一端与一个支撑座(5)固定的主动伸缩驱动杆(6)，还含有3个两端连接球铰(2)的支撑杆(3)，所述3个支撑杆(3)的一端通过所述球铰(2)连接在所述支撑座(5)上，另一端通过所述球铰(2)分别连接在其上方的3个反射面单元(1)下端。

所述与反射面单元(1)连接的球铰(2)是连接在上述彼此相邻的3个反射面单元(1)的顶点附近。

试验证明，本发明能够在减少驱动电机的数目的情况下，实现反射面的大范围拟合运动，达到了预期的目的。

附图说明

图1为本发明提出的共驱动并联阵列机构的总体示意图。

图2为并联机构的分解示意图。

具体实施方式

本发明包括一个基座、多个正六边形反射面单元1组成的一个反射面(在大射电天文望远镜领域中，目前所使用的反射面单元均为正六边形反射面单元)，由于反射面单元1为正六边形，所以任意一个反射面单元均与其它的反射面单元共顶点4；还含有与反射面单元数目相等的导向约束支链与多条主动支链。主动支链位于反射面上的顶点4下方，且间隔一个顶点有一个主动支链，主动支链包括一个主动伸缩驱动杆6，一个支撑座5，3个支撑杆3，每个支撑杆3两端连接球铰2，由于相邻的反射面单元是共顶点的，因此，一个支撑3座上的3个支撑杆通过球铰2与支撑座5和上方的3个反射面单元1连接。主动伸缩驱动杆6通过支撑座5、支撑杆3、球铰2同时驱动上面相邻的3个反射面单元1，这样，原来每个反射面单元至少需要3个伸缩驱动输入，即需要3个电机来控制其位姿，电机数目为单元块数目的3倍。现在由于采用了共驱动，每个顶点下方的一个电机可以同时为3个反射面提供驱动输入，所需电机的数目基本减少到和反射面单元块的数目一样，即为不采用共驱动时的1/3。

导向约束支链包括一个虎克铰9，一个从动伸缩杆8，虎克铰9一端与反射面单元1固结在一起，另一端与从动伸缩杆8的一端相固结，从动伸缩杆8的另一端与基座7固结在一起，从动伸缩杆被限制了绕支链轴线(图2中的z轴)的转动。

结合附图，详细介绍本发明的结构及工作原理。

图1为本发明并联机构阵列的总体示意图：它包括一定数量反射面单元1，反射面单元1为正六边形，则三个反射面单元1彼此相邻，共有一个顶点4。

如图2所示，每一个反射面单元1下方有一条导向约束支链，包括一个虎克铰9，一个从动伸缩杆8，虎克铰9一端与反射面单元1固结在一起，另一端与从动伸缩杆8的一端相固结，从动伸缩杆8的另一端与基座7固结在一起，从动伸缩杆8被限制了绕支链轴线z的转动。

在三个彼此相邻的正六边形反射面单元的顶点4的下方有一条主动支链，它包含一个主动伸缩驱动杆6，一个支撑座5，6个球铰2，三根支撑杆3，主动伸缩驱动杆的一端与支撑座5固结在一起，另一端与基座7固结在一起，支撑杆一端通过球铰2与支撑座连接，另一端也通过球铰2与反射面单元连接。则一个反射面上的每一个球铰连接的支撑点都通过支撑杆与邻近的2个反射面单元的支撑点共用一个支撑座，这样任意反射面单元与周围临近的反射面单元之间就通过球铰、支撑杆、支撑座耦合在一起。

在进行拟合控制时，计算出主动伸缩驱动杆6的伸缩量，主动伸缩驱动杆通过支撑座5、支撑杆3，以及支撑杆两端的球铰2同时驱动相邻的三个反射面单元1，对于每个反射面单元，当三个主动伸缩杆的伸缩量改变时，带动了与它们相连的三个支撑座及与反射面单元相连接的三个球铰的位置的改变，进而导致反射面单元位置和姿态就会随之而变。反射面单元通过虎克铰9带动从动伸缩杆8运动，由于从动伸缩杆8下端与基座相固结，这就限制了反射面单元绕z轴的转动，虎克铰只允许反射面单元绕x、y轴转动，如图2所示，x、y轴为虎克铰的两根旋转轴，xoy平面和反射面单元1平面相平行，z轴垂直于反射面单元，为从动伸缩杆的轴线方向。所有主动伸缩驱动杆达到计算的伸缩量时，并联机构阵列就完成了实现旋转抛物反射面的拟合运动，从而满足大望远镜主动反射面大范围曲面拟合的要求。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及效果：本发明提供的并联机构阵列的每一主动伸缩驱动杆同时驱动相邻的3个反射面，使驱动单元的数目减少2/3；此外，并联阵列机构具有较高的刚度，而从动伸缩杆又能克服部分反射面的重力，间接提高了机构的支撑刚度。

Claims (4)

1、大射电天文望远镜的共驱动并联阵列机构，包括基座(7)和由多个正六边形反射面单元(1)相互连接组成的反射面，所述任意一个正六边形反射面单元(1)均与其它正六边形反射面单元(1)共顶点，其特征在于，所述每一个反射面单元(1)下端通过一条限制所述反射面单元(1)在水平方向旋转的导向约束支链与基座(7)相连；在所述反射面的所有不相邻的顶点下方均有一个主动支链，该主动支链是通过一个伸缩杆的伸缩动作控制其上方的3个反射面单元(1)协作运动的主动支链。

2、如权利要求1所述的大射电天文望远镜的共驱动并联阵列机构，其特征在于，所述导向约束支链含有一个与所述反射面单元(1)下端连接的虎克铰(9)，该虎克铰(9)的另一端与一个从动伸缩杆(8)的一端固定，该从动伸缩杆(8)的另一端与基座(7)固定。

3、如权利要求1所述的大射电天文望远镜的共驱动并联阵列机构，其特征在于，所述主动支链含有一个一端与基座(7)固定，另一端与一个支撑座(5)固定的主动伸缩驱动杆(6)，还含有3个两端连接球铰(2)的支撑杆(3)，所述3个支撑杆(3)的一端通过所述球铰(2)连接在所述支撑座(5)上，另一端通过所述球铰(2)分别连接在其上方的3个反射面单元(1)下端。

4、如权利要求3所述的大射电天文望远镜的共驱动并联阵列机构，其特征在于，所述与反射面单元(1)连接的球铰(2)是连接在上述彼此相邻的3个反射面单元(1)的顶点附近。

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