專利名稱：一種空間用多冗余備份stewart平臺(tái)支撐桿的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空間飛行器平臺(tái)，特別涉及一種空間用多冗余備份stewart平臺(tái)支撐桿。
背景技術(shù)：
Stewart平臺(tái)(又稱hexapod平臺(tái))是一種六自由度空間井聯(lián)機(jī)構(gòu)，自從其誕生至今40多年來已被廣泛應(yīng)用于姿態(tài)產(chǎn)生器、空間飛行器對(duì)接機(jī)構(gòu)、外科手術(shù)和數(shù)控加工等領(lǐng)域。Stewart平臺(tái)是一種并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其產(chǎn)生可以追溯到十九世紀(jì)初。1813年，法國(guó)學(xué)者Canchy曾研究過并聯(lián)機(jī)構(gòu)。1931年,Gwinnett提出了一種基于球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的娛樂裝置。1940年，Pollard提出了一種用于汽車噴漆的工業(yè)空間并聯(lián)裝置。1947年英國(guó)人Gough采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種6自由度的輪胎測(cè)試機(jī)，這種機(jī)構(gòu)被稱為六足結(jié)構(gòu)(Hexapod)。這類的輪胎測(cè)試機(jī)器從1954年被投入使用，直到2000年才退出歷史舞臺(tái)，并被送入英國(guó)國(guó)家科學(xué)和工業(yè)博物館。1965年，Stewart設(shè)計(jì)了一種含有3個(gè)支鏈的6自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，并提出將其應(yīng)用于飛行模擬器并通過研究論文的方式第一次向世界展示了并聯(lián)機(jī)構(gòu)，在當(dāng)時(shí)引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注和興趣。但是，第一個(gè)真正利用并聯(lián)機(jī)構(gòu)建造飛行模擬器的是一位同時(shí)代的美國(guó)工程師Klaus Cappel0 Cappel于1964年提出了一個(gè)稱為八面體的六腿機(jī)構(gòu)(Octahedral Hexapod)的專利，并于1967年獲得批準(zhǔn)。在此期間,他利用該機(jī)構(gòu)建造了世界上第一個(gè)飛行模擬器。Stewart平臺(tái)用于航天器的研究升始于20世紀(jì)60年代初期。1963年3月，美國(guó)"雙子星座"載人飛船的"阿金娜"火箭在宇航員的參與下實(shí)現(xiàn)了人類歷史上首次空間對(duì)接作。實(shí)現(xiàn)對(duì)接和捕獲功能的最著名的機(jī)構(gòu)是由美國(guó)和前蘇聯(lián)專家共同研制成功的異體同構(gòu)周邊式對(duì)接機(jī)構(gòu)，型號(hào)是APAS-75。APAS-75對(duì)接機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了蘇聯(lián)“聯(lián)盟號(hào)”飛船和美國(guó)“阿波羅”飛船的對(duì)接。stewart平臺(tái)是APAS-75上碰撞緩沖的重要裝置，是對(duì)接成功的關(guān)鍵。在APAS-75基礎(chǔ)上研制了用于國(guó)際空間站的APAS-89式對(duì)接機(jī)構(gòu)，是國(guó)際空間站的組裝和維持運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)配置。2009年4月，歐洲最大的空間天文望遠(yuǎn)鏡赫歇爾的副鏡也采用了一個(gè)stewart平臺(tái)作為微調(diào)機(jī)構(gòu)。從結(jié)構(gòu)上看，Stewart機(jī)構(gòu)的動(dòng)平臺(tái)通過六個(gè)相同的獨(dú)立支撐桿與安裝平臺(tái)相聯(lián)接，每個(gè)分支中含有一個(gè)聯(lián)接動(dòng)平臺(tái)的球面副、一個(gè)移動(dòng)副和一個(gè)聯(lián)接定平臺(tái)的球面副，通過對(duì)運(yùn)動(dòng)副的重組形成了一系列6自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。空間環(huán)境非常惡劣，存在真空、高低溫交變沖擊和粒子輻射。空間用stewart平臺(tái)支撐桿中的絲桿潤(rùn)滑困難，在高真空環(huán)境下，絲杠容易因冷焊卡死。在高低溫環(huán)境的沖擊下，由于熱膨脹系數(shù)不一致，絲杠也很容易卡死，并有可能引起電機(jī)堵轉(zhuǎn)燒毀。同時(shí)，由于空間粒子輻射，電機(jī)容易因粒子沖擊造成損壞。航天器發(fā)射后一般是無法維修的，而空間stewart平臺(tái)的六個(gè)并聯(lián)支撐桿又是單點(diǎn)失效的。因此，研制具有多冗余備份的空間stewart平臺(tái)支撐桿結(jié)構(gòu)是具有非常大的現(xiàn)實(shí)意義的。
目前沒有發(fā)現(xiàn)同本發(fā)明類似技術(shù)的說明或報(bào)道，也尚未收集到國(guó)內(nèi)外類似的資料。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決空間stewart平臺(tái)支撐桿單點(diǎn)失效的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種空間用多冗余備份stewart平臺(tái)支撐桿，利用本發(fā)明的多冗余備份支撐桿，可以在保留stewart平臺(tái)高精度和高剛度優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),還具有多種冗余備份的優(yōu)點(diǎn),提高了 stewart平臺(tái)的穩(wěn)定性。為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明為解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是提供一種空間用多冗余備份stewart平臺(tái)支撐桿，該裝置包括:外安裝桶內(nèi)安裝有內(nèi)安裝桶，內(nèi)安裝桶的中心位置安裝有絲杠；在內(nèi)安裝桶外側(cè)的上部，安裝有直線電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈和備份直線電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈。在外安裝桶內(nèi)側(cè)的上部，安裝有直線電機(jī)定子和備份直線電機(jī)定子。在內(nèi)安裝桶與外安裝桶之間安裝有直線軸承，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)副的功能。在內(nèi)安裝桶外側(cè)的下部，依次安裝有主電機(jī)定子線圈和備份電機(jī)定子線圈，它們的內(nèi)側(cè)安裝有電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈，在主電機(jī)定子線圈的上方安裝有軸承，由軸承擋圈固定；在備份電機(jī)定子線圈的下方安裝有軸承，由軸承擋圈固定；在內(nèi)安裝桶的下端與外安裝桶之間安裝有爆炸螺栓。本發(fā)明一種空間用多冗余備份stewart平臺(tái)支撐桿，由于采取上述的技術(shù)方案，支撐桿不僅具有兩組互為備份的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，而且每組驅(qū)動(dòng)電機(jī)又分別具有一組備份；在支撐桿的底部，安裝有爆炸螺栓和滑動(dòng)軸承。當(dāng)發(fā)生絲杠被卡死的情況時(shí)，爆炸螺栓起爆，絲杠可以通過直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行滑動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)絲杠伸縮功能的備份。通過該機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)stewart平臺(tái)每個(gè)支撐桿的四個(gè)電機(jī)互為備份；支撐桿的絲桿具有旋轉(zhuǎn)和平動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)形式，實(shí)現(xiàn)伸縮功能的互為備份。因此，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)空間stewart平臺(tái)的多種冗余備份，解決了空間stewart平臺(tái)支撐桿單點(diǎn)失效的問題,取得了提高空間stewart平臺(tái)可靠性的有益效果。


圖1是stewart平臺(tái)的機(jī)械原理圖；圖2是本發(fā)明stewart平臺(tái)的三維圖；圖3是本發(fā)明一種空間用多冗余備份stewart平臺(tái)支撐桿的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明的爆炸螺栓起爆后，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)到任意位置的情況；圖5是內(nèi)安裝桶的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式圖1是stewart平臺(tái)的機(jī)械原理圖；如圖1所示，在安裝平臺(tái)上方由六個(gè)支撐桿支撐一個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，六個(gè)支撐桿與安裝平臺(tái)和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)組成六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。圖2是本發(fā)明stewart平臺(tái)的三維圖；如圖2所示,該平臺(tái)包括一個(gè)底板2,底板2上均勻分布六個(gè)支撐桿，支撐桿3的上端與目標(biāo)頂板I連接，下端與底板2連接。每個(gè)支撐桿3含有聯(lián)接目標(biāo)頂板I的一個(gè)球面副和一個(gè)移動(dòng)副，以及聯(lián)接底板2的一個(gè)球面副。通過對(duì)運(yùn)動(dòng)副的重組形成了一系列6自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。下面結(jié)合

本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。圖3是本發(fā)明一種空間用多冗余備份stewart平臺(tái)支撐桿的結(jié)構(gòu)示意圖；如圖3的實(shí)施例所示，該裝置包括: 外安裝桶6內(nèi)安裝有內(nèi)安裝桶5，內(nèi)安裝桶5的中心位置安裝有絲杠4在內(nèi)安裝桶5外側(cè)的上部，安裝有直線電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈8和備份直線電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈17。在外安裝桶6內(nèi)側(cè)的上部，安裝有直線電機(jī)定子7和備份直線電機(jī)定子16。在內(nèi)安裝桶5與外安裝桶6之間安裝有直線軸承9，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)副的功能。在內(nèi)安裝桶5外側(cè)的下部，依次安裝有主電機(jī)定子線圈11和備份電機(jī)定子線圈12，它們的內(nèi)側(cè)安裝有電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈13，在主電機(jī)定子線圈11的上方安裝有軸承18，由軸承擋圈10固定；在備份電機(jī)定子線圈12的下方安裝有軸承14，由軸承擋圈19固定；在內(nèi)安裝桶5的下端與外安裝桶6之間安裝有爆炸螺栓15。圖4是本發(fā)明的爆炸螺栓起爆后，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)到任意位置的情況。通過圖4可以看出，內(nèi)安裝桶5通過軸承9，可以在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)移動(dòng)副的功能。圖5是內(nèi)安裝桶的結(jié)構(gòu)圖。內(nèi)安裝桶5具有直線電機(jī)轉(zhuǎn)子的安裝槽，其他的零件的安裝孔沒有畫出。下面進(jìn)一步對(duì)本發(fā)明的工作過程進(jìn)行描述。在本發(fā)明中，支撐桿的移動(dòng)副是通過電機(jī)帶動(dòng)絲杠4回旋轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明為驅(qū)動(dòng)絲杠4旋轉(zhuǎn)的電機(jī)增加了主電機(jī)定子線圈的備份線圈。當(dāng)主電機(jī)定子線圈11出現(xiàn)故障時(shí)，備份主電機(jī)定子線圈12啟動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)絲杠4的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了一種冗余備份。當(dāng)發(fā)生絲杠卡死的情況時(shí),爆炸螺栓15起爆,使內(nèi)安裝桶5與外安裝桶6分離。在內(nèi)安裝桶5與外安裝桶6之間安裝有直線軸承9，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)副的功能。此時(shí)，直線電機(jī)定子7和直線電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈8通電工作，帶動(dòng)內(nèi)安裝桶5移動(dòng)。由于絲杠4卡死，此時(shí)絲杠4和內(nèi)安裝桶5是相對(duì)固定的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了絲桿4的移動(dòng)副功能，完成了一種冗余備份。當(dāng)直線電機(jī)定子7和直線電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈8發(fā)生故障不工作時(shí)，備份直線電機(jī)定子16和備份直線電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈17啟動(dòng)，繼續(xù)驅(qū)動(dòng)內(nèi)安裝桶5的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的冗余備份。因此上述絲桿4具有旋轉(zhuǎn)和平動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)形式，實(shí)現(xiàn)伸縮功能的互為備份。由上所述，在本發(fā)明的裝置中，stewart平臺(tái)支撐桿不僅具有兩組互為備份的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，而且每組驅(qū)動(dòng)電機(jī)又分別具有一組備份；在支撐桿的底部，安裝有爆炸螺栓和滑動(dòng)軸承。當(dāng)發(fā)生絲杠被卡死的情況時(shí)，爆炸螺栓起爆，絲杠可以通過直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行滑動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)絲杠伸縮功能的備份。通過該機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)stewart平臺(tái)每個(gè)支撐桿的四個(gè)電機(jī)互為備份；支撐桿的絲桿具有旋轉(zhuǎn)和平動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)形式，實(shí)現(xiàn)伸縮功能的互為備份。因此，本發(fā)明解決了空間stewart平臺(tái)支撐桿的單點(diǎn)失效問題，提高了平臺(tái)的穩(wěn)定性。
權(quán)利要求
1.一種空間用多冗余備份Stewart平臺(tái)支撐桿，其特征在于，該裝置包括: 外安裝桶[6]內(nèi)安裝有內(nèi)安裝桶[5]，內(nèi)安裝桶[5]的中心位置安裝有絲杠[4];在內(nèi)安裝桶[5]外側(cè)的上部，安裝有直線電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈[8]和備份直線電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈[17];在外安裝桶[6]內(nèi)側(cè)的上部，安裝有直線電機(jī)定子[7]和備份直線電機(jī)定子[16];在內(nèi)安裝桶[5]與外安裝桶[6]之間安裝有直線軸承[9];在內(nèi)安裝桶[5]外側(cè)的下部，依次安裝有主電機(jī)定子線圈[11]和備份電機(jī)定子線圈[12]，它們的內(nèi)側(cè)安裝有電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈[13]，在主電機(jī)定子線圈[11]的上方安裝有軸承[18]，由軸承擋圈[10]固定；在備份電機(jī)定子線圈[12]的下方安裝有軸承[14]，由軸承擋圈[19]固定；在內(nèi)安裝桶[5]的下端與外安裝桶[6]之間安裝有爆炸螺栓[15]。
2.如權(quán)利要求1所述的支撐桿，其特征在于:該支撐桿為六個(gè)，每個(gè)支撐桿含有聯(lián)接目標(biāo)頂板[I]的一個(gè)球面副和一個(gè)移動(dòng)副，以及聯(lián)接底板[2]的一個(gè)球面副。
3.如權(quán)利要求1所述的支撐桿，其特征在于:所述的內(nèi)安裝桶[5]具有直線電機(jī)轉(zhuǎn)子的安裝槽。
4.如權(quán)利要求1所述的支撐桿，其特征在于:當(dāng)所述的絲杠[4]被卡死時(shí)，爆炸螺栓[15]起爆，內(nèi)安裝桶[5]通過直線軸承[9]，在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下成為移動(dòng)副。
全文摘要
本發(fā)明涉及空間飛行器平臺(tái)，公開了一種空間用多冗余備份stewart平臺(tái)支撐桿。包括絲桿[4]、內(nèi)轉(zhuǎn)桶[5]和外安裝桶[6]內(nèi)除了安裝直線電機(jī)定子[7]、直線電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈[8]、主電機(jī)定子線圈[11]，還安裝有備份電機(jī)定子線圈[12]、備份直線電機(jī)定子[16]、備份直線電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈[17]和爆炸螺栓[15]，從而實(shí)現(xiàn)空間stewart平臺(tái)支撐桿的多種冗余備份。本發(fā)明解決了空間stewart平臺(tái)支撐桿單點(diǎn)失效的問題，取得提高空間stewart平臺(tái)可靠性的有益效果。
文檔編號(hào)H02K7/10GK103115047SQ201110366058
公開日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2011年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月17日
發(fā)明者趙艷濤, 史耀強(qiáng), 吳晟 申請(qǐng)人:上海航天測(cè)控通信研究所