一种基于分离式双膜簧的智能挠性作动器

摘要

一种基于分离式双膜簧的智能挠性作动器，包括：柔性铰链(2)、支杆(3)、开槽弹簧安装盖(4)等，上阻尼安装片(19)，下阻尼安装片(20)，其中音圈电机(12)包括音圈电机动子(21)和音圈电机定子(22)。安装完成后，通过大量程高精度电涡流位移传感器(17)的测量反馈和大行程快响应音圈电机(12)的控制输出，实现智能挠性作动器的振动隔离、扰振抑制和精确指向调节。本发明的智能挠性作动器采用分离式双膜簧并联结构形式，运动行程大，控制精度高，可广泛的应用于航天器超高精度、超高稳定度、超敏捷控制领域。

说明书

技术领域

本发明属于航天器控制领域，涉及一种智能挠性作动器。

背景技术

近年来，随着极高分辨率对地观测、空间运动目标高平稳跟踪与高分辨率成像等一系列未来任务需求的提出，对卫星控制系统的精度、稳定度提出了极高的要求。

受限于传统姿态敏感器(星敏、陀螺)等测量精度和测量带宽限制，传统意义上的低带宽姿态控制系统无法在宽频域内对各种扰动力矩的影响实现有效抑制，仅基于卫星姿态控制来实现有效载荷的精稳指向控制的技术方案在现有技术条件下已经难以满足甚高精度指向和稳定控制要求；因此，提出了在载荷和星体安装主动平台的设计方案，通过主动平台中作动器的的振动隔离、扰振抑制和精确指向实现载荷的高性能指标。

然而目前采用的作动器一般只安装振动传感器(如力传感器、加速度传感器)，因而只具有主动隔振功能，而不具备精确指向调节功能。并且在作动器连接处采用传统的普通铰链(如球铰和虎克铰)，由于摩擦和间隙的存在，限制了作动器的控制输出精度。并且随着卫星载荷的不断增大、敏捷机动与快速稳定性能的不断提高，目前的小行程主动隔振作动器已无法满足应用需求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于分离式双膜簧的智能挠性作动器，采用分离式双膜簧和开槽弹簧并联形式提供了智能挠性作动器轴向刚度，并通过分离式双膜簧严格保证了智能挠性作动器的轴向运动，采用开槽弹簧加柔性杆结构形式实现柔性铰链的功能，提供智能挠性作动器轴向运动到由多个智能挠性作动器组成平台六自由度运动的传递，并通过大行程快响应音圈电机和大量程高精度涡流传感器，共同实现了智能挠性作动器的大行程高精度控制输出，同时实现了载荷的振动隔离、扰振抑制和精确指向，有效解决了卫星的超高精度、超高稳定度、超敏捷控制问题。

本发明所采用的技术方案是：一种基于分离式双膜簧的智能挠性作动器，包括：柔性铰链、支杆、开槽弹簧安装盖、上安装座、柔性杆、开槽弹簧、下安装座、上膜簧、动子安装盖、音圈电机、外筒、定子安装盖、下膜簧、位移传感器被测件、位移传感器、底盖；音圈电机两端分别安装动子安装盖、定子安装盖，音圈电机、动子安装盖安装在外筒内，定子安装盖固定在外筒内壁上；下安装座与动子安装盖中部凸台连接，下安装座与动子安装盖中部凸台之间夹紧上膜簧内圈；柔性杆下端安装在下安装座中心孔内，柔性杆上端安装在上安装座中心孔内；上安装座与开槽弹簧安装座中部固连；开槽弹簧安装座外圈与开槽弹簧上端外圈固连，开槽弹簧下端外圈安装在外筒顶端端口，开槽弹簧下端外圈与外筒端口之间夹紧上膜簧外圈；支杆一端连接开槽弹簧安装盖中部，另一端与柔性铰链下端连接；位移传感器被测件的中心柱依次穿过下膜簧内圈、定子安装盖中心孔、音圈电机中心孔后与动子安装盖固定连接；下膜簧外圈固定于外筒底部内壁的台阶结构处；位移传感器安装在底盖上，底盖安装在外筒底部端口。

所述音圈电机包括音圈电机动子和音圈电机定子，音圈电机定子中轴线上开通孔；音圈电机动子与动子安装盖相连；音圈电机定子固定在定子安装盖上。

还包括柔性铰链限位筒，所述的柔性铰链外部安装柔性铰链限位筒，柔性铰链上端与外部结构相连接并同时压紧上柔性铰链限位筒；所述柔性铰链的材料为钛合金。

所述的上膜簧和下膜簧结构形式和材料相同，上膜簧和下膜簧的材料为铍青铜。

还包括上阻尼安装片、下阻尼安装片；所述开槽弹簧上、下端的外侧分别沿周向安装若干上阻尼安装片和下阻尼安装片，上阻尼安装片和下阻尼安装片位置对应且数目相同；上阻尼安装片外壁和下阻尼安装片内壁之间压紧并安装阻尼材料。

所述的位移传感器为电涡流位移传感器，测量范围为±5mm，分辨率为0.3μm；位移传感器探头中心线与所述智能挠性作动器中心线重合，且探头上端与位移传感器被测件存在距离。

所述的位移传感器被测件包括被测圆盘和位于被测圆盘中心的中心柱，被测圆盘的直径为位移传感器探头直径的三倍以上，位移传感器被测件的材料为铝合金。

还包括限位块，各限位块穿过外筒的侧壁，并沿外筒周向固定，用于对动子安装盖和音圈电机动子进行限位。

所述的开槽弹簧是通过径向切割空心圆柱体实现的，材料为钛合金。

所述的柔性杆的材料为弹簧钢。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明方法采用音圈电机中心开孔形式，并将传感器被测面通过中心孔穿过音圈电机，同时保证电涡流位移传感器及被测面位于智能挠性作动器中轴线上，提高了智能挠性作动器的测量和控制精度。

(2)本发明方法采用分离式双膜簧并联的结构形式，除提供智能挠性作动器轴向刚度外，还限制了音圈电机动子和定子之间的径向运动和相对转动，避免智能挠性作动器工作时由于音圈电机动子和定子间隙过小而发生碰撞。

(3)本发明方法在开槽弹簧的外侧加入了阻尼材料，增加了智能挠性作动器的被动阻尼，极大缩短智能挠性作动器的控制稳定时间。

附图说明

图1为本发明智能挠性作动器的剖面图；

图2为本发明音圈电机的组成图；

图3为本发明上膜簧的示意图；

图4为本发明下膜簧的示意图；

图5为本发明智能挠性作动器的轴向限位示意图；

图6为本发明智能挠性作动器的轴向限位俯视图；

图7为本发明柔性铰链的转角限位示意图；

图8为本发明阻尼材料的安装示意图；

图9为本发明阻尼材料的安装俯视图；

图10为本发明柔性杆连接的局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明的内容进一步说明。

如图1所示，一种基于分离式双膜簧的智能挠性作动器，包括：柔性铰链限位筒1、柔性铰链2、支杆3、开槽弹簧安装盖4、上安装座5、柔性杆6、开槽弹簧7、下安装座8、上膜簧9、动子安装盖10、限位块11、音圈电机12、外筒13、定子安装盖14、下膜簧15、位移传感器被测件16、位移传感器17、底盖18，上阻尼安装片19，下阻尼安装片20。

如图2所示，音圈电机12包括音圈电机动子21和音圈电机定子22，并在音圈电机定子22中轴线上开直径为10mm的通孔；所述的音圈电机的工作行程为±6mm，最大输出力为450N，力输出精度为0.02N。

如图7所示，所述的柔性铰链2外部安装柔性铰链限位筒1，限制柔性铰链的最大转角，以保护柔性铰链由于持续大变形而引起的疲劳破坏；所用柔性铰链材料为钛合金。通过调整转角限位距离s，使其满足智能挠性作动器正常工作转角的同时，限制柔性铰链的最大转角；在本实施例中，s＝2mm。柔性铰链2要求具有高轴向刚度和剪切刚度以及小弯曲刚度和扭转刚度。通过对圆柱体的线切割使得圆柱体的弯曲刚度大幅下降，而其余方向的刚度下降较少，使其沿垂直轴向的旋转刚度远小于其余方向的刚度。通过线切割路径的设计可保证虚拟转轴与柔性铰链链设计转轴重合。柔性铰链2应尽量选用弹性模量较小而屈服极限较大的材料。本实施例中柔性铰链2的弯曲刚度为60Nm/rad；柔性铰链链2的材料为钛合金。

如图3、图4所示，所述的上膜簧9通过上膜簧内圈23和上膜簧外圈24与智能挠性作动器运动部分和固定部分相连接；下膜簧15通过下膜簧内圈25和下膜簧外圈26与智能挠性作动器运动部分和固定部分相连接，并且上膜簧9和下膜簧15配合限制音圈电机动子21和音圈电机定子22之间的径向运动和相对转动；上膜簧9和下膜簧15的结构形式和材料相同，膜簧的轴向刚度通过对膜簧材料选择、膜簧厚度和花纹的调整实现；上膜簧9、下膜簧15的材料为铍青铜。

所述的开槽弹簧7、上膜簧9、下膜簧15共同实现了作动器的轴向刚度，并且设定三者的轴向刚度相同；本实施例中单片膜簧的轴向刚度为10N/mm；所用膜簧的材料为铍青铜；开槽弹簧7的轴向刚度为10N/mm；所用开槽弹簧的材料为钛合金；

所述的开槽弹簧7是通过径向切割空心圆柱体实现的，具有较低的轴向刚度和弯曲刚度，与柔性杆6配合，兼具膜簧和柔性铰链的功能；

所述的柔性杆6直径为3mm,材料为弹簧钢；

所述的位移传感器17为电涡流位移传感器，测量范围为±5mm，分辨率为0.3μm；所述的位移传感器被测件16包括被测圆盘和位于被测圆盘中心的中心柱，被测圆盘直径为位移传感器17探头直径的三倍以上，位移传感器被测件的材料为铝合金。

如图8至图10所示，所述的上阻尼安装片19和下阻尼安装片20中间压紧的阻尼材料27，一般为粘弹性阻尼材料，如硅橡胶，提供智能挠性作动器的被动阻尼。

如图5、图6所示，所述的限位块11、动子安装盖10、音圈电机动子21组合实现智能挠性作动器的轴向限位。如图所示，通过调整轴向限位距离d，使其满足智能挠性作动器正常轴向行程的同时，限制智能挠性作动器的最大轴向行程，以保护位移传感器探头、避免音圈电机动子与音圈电机定子相互碰撞；在本实施例中d＝5mm。

所述智能挠性作动器的连接形式与工作原理为：音圈电机动子21与动子安装盖10相连；下安装座8通过螺钉穿过上膜簧内圈23，并与动子安装盖10固定连接；柔性杆6下端穿过下安装座8中心孔，并通过穿过下安装座8的周向螺钉予以压紧；柔性杆6上端穿过上安装座5中心孔，并通过穿过上安装座5的周向螺钉予以压紧；上安装座5通过螺钉与开槽弹簧安装座4中间部分固连；开槽弹簧安装座4外圈通过螺钉与开槽弹簧7上端外圈固连；开槽弹簧7下端外圈通过螺钉，穿过上膜簧外圈24与外筒13固连；在开槽弹簧7外侧上、下端分别安装四个上阻尼安装片19和四个下阻尼安装片20，上阻尼安装片19和下阻尼安装片20中间压紧并通过胶粘接阻尼材料27；开槽弹簧安装盖4通过上端外螺纹与支杆3下端内螺纹孔连接；支杆3上端外螺纹与柔性铰链2下端内螺纹孔连接，柔性铰链2上端通过内螺纹孔与外部结构相连接，并同时压紧上柔性铰链限位筒1；四个限位块11穿过外筒13的侧壁，并通过螺钉固定于外筒13上；音圈电机定子22通过螺钉固定于定子安装盖14上，定子安装盖14通过周向的螺纹孔与穿过外筒13侧壁的螺钉固连，将定子安装盖14固定于外筒13侧壁上；定子安装盖14中轴线开孔，位移传感器被测件16穿过下膜簧内圈25、定子安装盖14中心孔、音圈电机10中心孔，通过上端外螺纹与动子安装盖10下端内螺纹孔固定连接，并且位移传感器被测件16下端与下膜簧内圈25通过螺钉固定连接；下膜簧外圈26通过螺钉固定于外筒13底端；位移传感器17通过螺钉安装于底盖18上，并保证位移传感器17探头中心线与整个智能挠性作动器中心线重合，且探头上端距离位移传感器被测件16距离为6mm；外筒13和底盖18通过穿过外圈的螺钉与外部结构连接；与音圈电机动子21连接的动子安装盖14、上膜簧内圈23、下安装座8、柔性杆6、上安装座5、开槽弹簧7上端、开槽弹簧安装座4、支杆3、柔性铰链2、柔性铰链限位筒1以及位移传感器被测件16、下膜簧内圈25共同组成智能挠性作动器的运动部分，与音圈电机定子22连接的定子安装盖14、上膜簧外圈24、下膜簧外圈26、外筒13、底盖18、位移传感器17、开槽弹簧7下端共同组成智能挠性作动器的固定部分。位于智能挠性作动器固定部分的位移传感器17能够测量位于智能挠性作动器运动部分的位移传感器被测件16的相对运动位移，当智能挠性作动器实现向目标位置运动时，可通过位移传感器17测量结果与目标位置的偏差，设计控制算法，如PID控制算法，进而通过控制器和音圈电机驱动器输出电流，驱动音圈电机产生控制力，使运动部分相对于固定部分做直线运动，到达目标位置。安装完成后，通过大量程高精度电涡流位移传感器17的测量和大行程快响应音圈电机12的控制输出，实现智能挠性作动器的大行程高精度输出，所述的位移传感器测量范围为±5mm，分辨率为0.3μm。所述的音圈电机工作行程为±6mm，最大输出力为450N，力输出精度为0.02N。

本发明智能挠性作动器以多个作动器并联的方式，安装于卫星本体和载荷之间，以此实现载荷的振动隔离、扰振抑制和精确指向调节。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。