基于Twin-Bennett機構(gòu)固面可展開天線的優(yōu)化設(shè)計

曾 祥 周怡君 袁偉欽 羅 晨

東南大學機械工程學院，南京，211189

0 引言

隨著航天事業(yè)的實施和深入，星載反射面天線逐步向大口徑方向發(fā)展，但由于受運載工具有效發(fā)射容積的限制，天線、太陽能電池板等裝備都需要折疊成收攏狀態(tài)才能送到太空，因此星載可展開反射面天線的折疊和同步收攏方案一直是研究的熱點。按照展開形式和材質(zhì)的不同可將星載可展開反射面天線分為固面可展開天線[1]和柔性可展開天線[2-3]。與柔性可展開天線相比，固面可展開天線具有型面精度高、工作頻率高、機械性能好等優(yōu)點，更適用于工作頻率要求高、口徑要求小的衛(wèi)星上，因此固面可展開天線的發(fā)展和應(yīng)用前景廣闊。

最早的固面可展開天線是美國TRW公司研制的太陽花式固面可展開天線[4]，該機構(gòu)可以實現(xiàn)剛性天線的折疊，展開后型面的精度為0.13 mm/10 m，收攏率為44%，其型面精度高、剛度大，但是收攏能力不強，并且展開需要人工輔助。日本東芝公司在TRW公司研制的太陽花式固面可展開天線的基礎(chǔ)上研制出了兩級固面可展開天線[5]，提高了太陽花式天線的收攏能力，但是結(jié)構(gòu)更加復雜。DORNIER和ESA公司共同研制了FIRST(far infrared and submillimeter space telescope)拋物面天線[6]，結(jié)構(gòu)中加入了桁架，系統(tǒng)剛度高,收攏性能也好，但是展開后整體質(zhì)量較大。劍橋大學研制了一種SSDA(solid surface deployable antenna)拋物面天線[7]，提高了收攏能力，但需要保證多個電機的同步性，型面精度也不高。2011年，俄羅斯 LABOCHKIN科研生產(chǎn)綜合體研制的RADIOASTRON射電望遠鏡發(fā)射成功，其結(jié)構(gòu)類似于FIRST結(jié)構(gòu)[8]，該天線通過滑盤上下移動帶動推桿轉(zhuǎn)動從而實現(xiàn)盤面的展開。

國內(nèi)關(guān)于固面可展開天線的分割方案和展開收攏機構(gòu)設(shè)計的研究相對較少。廣晨漢等[9]基于單點多折痕折紙設(shè)計了一種概念固面可展開天線，并對參數(shù)進行了優(yōu)化分析。HUANG等[10]設(shè)計了一種新型花瓣式可展開天線NPDSSA(new petal-type deployable solid surface antenna)，該天線與FIRST結(jié)構(gòu)類似，通過恒力彈簧實現(xiàn)盤面兩個方向同時收攏，收攏率能達到32%。郭宏偉等[11]采用太陽花式分割方案分析了分割單元數(shù)等參數(shù)對拋物面天線的影響，并進行了建模驗證。李忠杰[12]將Twin-Bennett(TB)機構(gòu)與太陽花式固面可展開天線結(jié)合，分析了其運動學等一系列問題，并進行了樣機試驗，但是其干涉分析方案不具有普遍性，同時單電機帶動聯(lián)軸器單自由度收攏展開方案會導致電機受力不均從而使運動不同步。

對于型面精度，目前已知固面可展開天線的型面精度在0.13～0.5 mm/10 m，而太陽花式固面可展開天線型面精度高達0.13 mm/10 m，相對于其他類型的固面可展開天線型面精度更高。對于驅(qū)動方案，目前固面可展開天線采用的是電機聯(lián)軸器、六單電機、電機滑盤和恒力彈簧等驅(qū)動方式。其中單電機帶動聯(lián)軸器方案因虛約束較多而使得天線實際運行過程中同步性較差；恒力彈簧驅(qū)動方案會在天線展開起始和結(jié)束時產(chǎn)生較大沖擊，平穩(wěn)性較差；而電機滑盤驅(qū)動方案穩(wěn)定可靠，機構(gòu)簡單。

天線盤面的不同分割方案關(guān)系到收攏展開過程的干涉問題，同時會影響整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，而驅(qū)動機構(gòu)也是決定固面可展開天線展開同步性和平穩(wěn)性的重要影響因素。目前使用TB機構(gòu)構(gòu)造固面可展開天線的研究尚未見常見的盤面分割優(yōu)化方法、干涉分析和自動收攏展開方案。本文使用TB機構(gòu)構(gòu)造固面可展開天線，對傳統(tǒng)太陽花式固面可展開天線的分割方案進行改進，提出一種通用的干涉分析方法，基于該干涉方法以收攏率為目標對固面可展開天線進行優(yōu)化，最后根據(jù)優(yōu)化結(jié)果設(shè)計單自由度傘狀同步收攏驅(qū)動機構(gòu)，并通過仿真和實物模型進行驗證。

1 整體機構(gòu)設(shè)計

1.1 固面可展開天線整體構(gòu)型

首先確定固面可展開天線的盤面分割方案。傳統(tǒng)的固面可展開天線采用圖1所示的太陽花投影分割方案，該投影分割方案主要包括基圓的外接六邊形，六條副副盤分割線和十二條主副盤分割線。其中，基圓半徑為r1、切割圓半徑為ra、拋物面直徑為D。該投影分割方案將拋物面天線分割為19個單元，按照形狀可以分為底盤、主盤、副盤。改進的盤面分割方案基于太陽花分割方案并且需要在整體機構(gòu)確定的基礎(chǔ)上提出。

圖1 太陽花式分割方案

因為整個固面可展開天線具有對稱性，所以研究其中一個運動單元即可。一個運動單元包括四個部分，分別是盤面、盤面間的鉸鏈、主動桿和機架。盤面分別為圖1中標注的5個分割盤，盤面間鉸鏈分布如圖2所示。該運動單元共有6個轉(zhuǎn)動副，其中副副鉸為復合鉸鏈，主動桿通過主鉸3和副副鉸鉸接于機架和左右副盤，用于驅(qū)動盤面的展開，而底部機架的作用是為主盤和主動桿提供鉸接點并支撐底盤。

固面可展開天線的展開過程如圖2所示，主副盤在主動桿和鉸鏈的牽引下展開，當達到完全展開狀態(tài)時，鎖定主動桿，以保證天線展開時的剛度。

(a) 整體構(gòu)型收攏狀態(tài)

由圖2可以看出，該運動單元僅包含轉(zhuǎn)動副且構(gòu)成雙閉環(huán)空間過約束機構(gòu)，為了滿足該構(gòu)型下可展開天線的單自由度展開要求，需要選擇一種空間6R過約束機構(gòu)。常見的空間6R過約束機構(gòu)有Sarrus、Bricard、Goldberg等，而與該構(gòu)型最匹配的便是基于Myard機構(gòu)提出的TB機構(gòu)。

1.2 TB機構(gòu)及裝配構(gòu)型

設(shè)TB機構(gòu)的每個軸線節(jié)點用i(i=1～6)表示，節(jié)點處的軸線用si(i=1～6)表示,而節(jié)點i和節(jié)點j間的連桿用lij表示。圖3所示的TB機構(gòu)是由兩個相同的Bennett機構(gòu)對稱布置，共用桿l16和軸線s1、s6組成的空間雙閉環(huán)6R機構(gòu)。該機構(gòu)由6個不共線的轉(zhuǎn)動副和垂直于相鄰轉(zhuǎn)動副的連桿組成。CHEN等[13]推導了該機構(gòu)具有單自由度時所滿足的幾何條件：

圖3 TB機構(gòu)

其中，aij表示連桿lij的長度，αij表示連桿lij兩端軸線si的夾角，不妨取a12=a，a16=b。將圖3中多個TB機構(gòu)進行組網(wǎng)可構(gòu)成一個大型可展開空間機構(gòu)。n個TB機構(gòu)可通過公用鄰邊形成一種單自由度的裝配體，n越大裝配體的運動性能越好，綜合考慮質(zhì)量等因素，當n=6時裝配體動力學性能最優(yōu)。選取α12=π/6，由式(1)可得b=2a，α34=2π/3。此時將6個TB機構(gòu)的軸線s3、s4交點排列在正六邊形機架的頂點，軸線s3、s4分別與正六邊形機架的各邊重合，同時將不同TB機構(gòu)各鄰邊連桿l23、l45通過平面剛性板首尾固連，便可以得到圖4所示由6個TB機構(gòu)組成的裝配體，可以證明該裝配體具有單個自由度[14]。

圖4 TB機構(gòu)裝配體

根據(jù)文獻[12]，TB機構(gòu)是單自由度空間6R空間雙閉環(huán)機構(gòu)，則圖3中的TB機構(gòu)各轉(zhuǎn)動副軸線位置與圖2中一個運動單元構(gòu)型中各鉸鏈軸線相互重合時，該運動單元具有單自由度；同理，當圖4中的TB裝配體每個轉(zhuǎn)動副軸線與固面拋物面可展開天線所有鉸鏈軸線重合，并且TB裝配體中平面剛性板使用主盤替代時，整個固面可展開天線展開過程具有單自由度。

圖2運動單元的理論模型如圖5所示，TB機構(gòu)的節(jié)點3和節(jié)點4固定于底盤的6個頂點，各軸線與圖2鉸鏈軸線位置重合，且均為盤面間的轉(zhuǎn)動軸線。

(a) 理論構(gòu)型收攏狀態(tài)

2 干涉分析與分割方案改進

2.1 固面可展開天線收攏率

固面可展開天線展開過程有兩個特征位置，即完全收攏狀態(tài)位置和完全展開狀態(tài)位置，如圖6所示。完全展開狀態(tài)盤面如圖6b所示，此時所有主副盤面邊線重合，整體構(gòu)成拋物面。不同分割方案的固面可展開天線完全展開狀態(tài)是類似的，但是完全收攏狀態(tài)卻不相同，因此分割方案直接影響收攏率。下面定義該固面可展開天線完全收攏狀態(tài)。

(a) 完全收攏特征點

如圖6所示，當固面可展開天線由完全展開狀態(tài)逐漸收攏時，副盤上的A點和A′點逐漸向內(nèi)靠近，當A點和A′點重合時，即在坐標系ΣO0中A點縱坐標yA=0時天線達到了收攏極限，此時如果再向內(nèi)收攏則兩副盤將干涉。圖6a定義的該狀態(tài)為固面可展開天線的完全收攏狀態(tài)。

2.2 副盤間干涉分析

以固面可展開天線展開至收攏狀態(tài)為例，分析盤面的干涉情況。固面可展開天線內(nèi)側(cè)面為工作面，所以主副鉸、副副鉸均需要位于拋物面天線外側(cè)。首先分析副盤之間的干涉情況。如圖7所示，副副鉸軸位于副副分割線下分兩種情況。

時

時

當理論構(gòu)型的特征參數(shù)滿足式(3)和式(4)時，副副鉸軸線便位于副副分割線下，且副副盤面相對副副鉸軸線向內(nèi)收攏，即副副盤面在圍繞副副鉸軸線轉(zhuǎn)動過程中不會干涉。

2.3 主副盤間干涉分析

(a) 主副分割線干涉示意圖

2.4 分割方案改進

圖9 分割改進方案

當考慮固面可展開天線的厚度時，因為主副盤相對主副鉸鏈軸線向外收攏，因此需要在主副盤分割線間留出轉(zhuǎn)動間隙δ。確定不干涉的最小間隙原理見圖10。拋物面盤面厚度為h，分割后盤面為Ω1與Ω2，Ω2分割上頂點D點與Ω1分割下頂點E點均在以主副鉸軸線為圓心、R為半徑的圓上，且圓心角為φ。以Ω1為參考，Ω2分割上頂點D距離主副軸線軸心距離為s，Ω1分割下頂點距離主副軸線軸心垂直距離為h0，當轉(zhuǎn)動間隙取最小時，可得

圖10 分割最小間隙

當δ≥δmin時，主副盤面之間不會發(fā)生干涉。

3 固面可展開天線數(shù)學建模

3.1 理論構(gòu)型數(shù)學建模

基于天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計需求，拋物面口徑D=1500 mm，盤面厚度h=5 mm，拋物面方程為

x2+y2=5000z

(6)

如圖11所示，在固面可展開天線完全展開時的理論構(gòu)型上建立三級坐標系，其中ΣO0為固定于底盤中心的固定坐標系，各軸方向如圖11a所示。ΣO1、ΣO2為動坐標系，旋轉(zhuǎn)軸均為z軸,z1軸與s3軸線重合，x1軸與桿l23軸線重合，z2軸與s2軸線重合，x2軸與桿l12軸線重合。y1軸與y2軸根據(jù)右手定則確定。

(a) ΣO0與ΣO1示意圖

通過TB機構(gòu)的參數(shù)關(guān)系，可以得出θ6與θ3之間的關(guān)系:

為了構(gòu)造轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的運動旋量，注意到

取軸上的點

由此產(chǎn)生的運動旋量為

由Rodrigues公式和指數(shù)積公式可得

其中式(9)～式(13)中各參數(shù)具體含義見文獻[15]。

完全展開狀態(tài)下A點的齊次坐標可表示為

完全收攏狀態(tài)下A點齊次坐標為

將式(7)～式(14)及A0代入式(15)可得

(16)

由此確定了固面可展開天線完全展開和收攏狀態(tài)與設(shè)計參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系。下面確定主副分割線和收攏狀態(tài)時決定收攏率的特征點B、C的坐標。

初始拋物面方程Ω齊次坐標表示為

Ω=(x,y,z,1)T

其中，x,y∈[750,750]。

旋轉(zhuǎn)后拋物面方程Ω1齊次坐標表示為

即

(19)

其中，f1、f2、f3為x1、y1、z1的函數(shù)。則主副分割線方程為

因為B、C兩點位于主副分割線上，故天線完全展開時主副盤上的特征點B、C齊次坐標為

天線完全收攏時,B、C兩點坐標分別為

將式(14)和B0、C0坐標代入式(21)，根據(jù)式(2)便可以確定固面可展開天線的收攏率η。

3.2 優(yōu)化模型的建立與求解

式(22)中第一個式子為目標函數(shù)；第二個式子為主副盤正確分割約束條件，目的是避免出現(xiàn)圖12所示的情況；第三個式子為2.2節(jié)中副副盤面不發(fā)生干涉的約束條件。

圖12 主副盤分割線錯誤方案

圖13 優(yōu)化迭代過程

4 同步機構(gòu)及驅(qū)動設(shè)計

4.1 傘狀同步機構(gòu)設(shè)計

固面可展開天線由6個相同的TB機構(gòu)控制，每個TB機構(gòu)均有一個主動桿l16，為了保證6個主動桿l16同步運動，即整個可展開天線實現(xiàn)同步展開，使用曲柄滑塊機構(gòu)來驅(qū)動TB機構(gòu)的主動桿l16。曲柄搖桿與TB機構(gòu)連接的示意圖見圖14a，圖中曲柄滑塊機構(gòu)中滑塊8為主動件，其自身的直線運動轉(zhuǎn)化為曲柄l67的旋轉(zhuǎn)運動，因為曲柄l67與TB機構(gòu)固連，所以曲柄l67的運動轉(zhuǎn)化為TB機構(gòu)主動桿l16的運動，從而帶動主副盤的收攏展開運動。

因為整個機構(gòu)具有對稱性，所以需要6個相對拋物面軸線中心對稱的曲柄滑塊機構(gòu)同時驅(qū)動拋物面天線。選取絲杠模組為驅(qū)動機構(gòu)，6個滑塊固定于絲杠模組的滑盤上，構(gòu)成圖14b所示的傘狀同步展開機構(gòu)。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果和裝配空間需求，選取滑塊與拋物面軸線的距離e=70 mm，連桿l78長度為350 mm，曲柄l67長度為24.04 mm。

(a) 滑塊TB機構(gòu)示意圖

4.2 驅(qū)動機構(gòu)運動規(guī)律

可展開天線展開和收攏是一對相逆的運動，為了方便在仿真模型中測量收攏率，研究驅(qū)動運動規(guī)律和運動學特征時均選取可展開天線從完全展開到完全收攏這一過程。

由4.1節(jié)可知，固面可展開天線收攏由圖14中的6個滑塊8組成的滑盤控制，所以確定驅(qū)動規(guī)律等同于確定滑塊8的運動規(guī)律。為了使固面可展開天線展開過程中不產(chǎn)生沖擊，主動桿l16在收攏開始時需要緩慢加速，收攏結(jié)束時需要緩慢減速，整個過程中保持平穩(wěn)轉(zhuǎn)動。設(shè)整個固面可展開天線完全收攏耗時t=20 s。根據(jù)平緩運動約束使用多項式規(guī)律擬合TB機構(gòu)主動桿l16轉(zhuǎn)角θ6：

θ6(t)=a5t5+a4t4+a3t3+a2t2+a1t+a0

(23)

從圖14a分離出曲柄滑塊機構(gòu)，如圖15所示,由4.1節(jié)可知，該曲柄滑塊機構(gòu)為負偏置曲柄滑塊機構(gòu)。

圖15 曲柄滑塊機構(gòu)

根據(jù)復數(shù)矢量法可以得出

對時間求導可得

因為TB機構(gòu)中主動桿l16與曲柄搖桿中曲柄l67固連，所以θ6=θ7，將優(yōu)化結(jié)果和式(23)代入式(24)、式(25)可以得出滑塊的運動規(guī)律，如圖16所示。當固面可展開天線從完全展開狀態(tài)運動到完全收攏狀態(tài)時，滑塊行程為47.41 mm，整個收攏過程沒有沖擊。

(a) 滑塊位移

5 建模與仿真

將SolidWorks中建立的模型導入ADAMS，為各關(guān)節(jié)加上運動副，盤面和推桿都采用碳纖維增強復合材料，表面涂覆反射涂層，仿真結(jié)果如圖17所示。將4.2節(jié)中滑塊的位移數(shù)據(jù)作為絲杠模組中螺母的驅(qū)動函數(shù)，仿真時間設(shè)為20 s，步長為0.01。經(jīng)測量，固面可展開天線完全展開時直徑為1500 mm，完全收攏后直徑為557.12 mm，收攏率達到37.14%。仿真顯示整個收攏過程平穩(wěn)，不存在沖擊。后處理后得到驅(qū)動力和驅(qū)動功率曲線如圖18所示，主副盤面角速度、角加速度曲線如圖19所示。

(a) 完全收攏狀態(tài)

(a) 驅(qū)動力

(a) 主盤1角速度

為了驗證實物模型的準確性并確定電機驅(qū)動功率，整個固面可展開天線收攏過程仿真考慮重力因素的影響。由圖18可知，固面可展開天線完全展開時，電機提供的驅(qū)動力至少為226.1 N；拋物面天線完全收攏時，電機提供的驅(qū)動力至少為911.8 N；整個收攏過程電機提供驅(qū)動功率至少為919.6 W。為了保證拋物面天線維持收攏展開狀態(tài)，絲杠模組要能在911.8 N的作用力下自鎖。

因圖1中主副盤1的收攏實質(zhì)上是旋轉(zhuǎn)運動，且盤面分割和驅(qū)動機構(gòu)具有對稱性，其他盤面與主副盤1運動特性在坐標系中的分量不同，但大小相同，所以只研究主副盤1的運動特性。

由分析知，固面可展開天線收攏過程中，主盤1圍繞ΣO0的y0軸負方向逆時針轉(zhuǎn)動，所以角速度全部集中于y0軸，在x0、z0軸上分量為0，大小如圖19a所示，同時主盤1的角加速度大小如圖19b所示。

因圖1中副盤1繞空間雙軸旋轉(zhuǎn)收攏，且雙軸軸線隨時間變化，所以副盤1的角速度和角加速度在x0、y0、z0軸上均有分量，在三個軸上的分量分別如圖19c和圖19d所示。固面可展開天線主副盤1角速度和角加速度均無突變，整個收攏過程平穩(wěn)，沒有沖擊。這一結(jié)果與4.2節(jié)設(shè)計時主副盤運動要求一致。

采用1∶1的比例進行固面可展開天線盤面的3D 打印模型制作，打印材質(zhì)為液態(tài)光敏樹脂，厚度為5 mm。從實用性和經(jīng)濟性角度出發(fā)，僅打印安裝鉸鏈的盤面部分和各盤面連接桿，模型的展開收攏狀態(tài)示意如圖20所示，實物的展開過程和圖17對應(yīng)的仿真結(jié)果基本一致，整個展開過程盤面運行平穩(wěn)沒有振動。

(a) 天線完全收攏狀態(tài)

在絲杠模組移動的過程中，固面可展開天線盤面和連接件之間沒有發(fā)生干涉，且僅在絲杠模組的驅(qū)動下天線可實現(xiàn)自動收攏和展開，不需要任何人工輔助。經(jīng)過測量，完全收攏后的天線直徑最小可以達到558.5 mm，收攏率為37.23%，在誤差允許的范圍內(nèi)與仿真結(jié)果一致。

6 結(jié)論

(1)為了實現(xiàn)固面可展開天線的單自由度展開，基于TB機構(gòu)構(gòu)造可展開天線，并在太陽花式分割方案的基礎(chǔ)上提出一種與設(shè)計參數(shù)對應(yīng)的非干涉分割方案。

(2)以收攏率為優(yōu)化目標，在分割對稱性、不干涉的約束條件下得到了最優(yōu)的設(shè)計參數(shù)。

(3)為了提高天線展開過程的穩(wěn)定性，通過絲杠模組驅(qū)動固面可展開天線，可實現(xiàn)天線的同步展開收攏。

(4)根據(jù)優(yōu)化的設(shè)計參數(shù)進行了機構(gòu)的三維模型建立和仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果可以確定需要的電機驅(qū)動力和驅(qū)動功率，并且主副盤面的運動學特征也驗證了設(shè)計的正確性。