航空裝備數(shù)控切割機(jī)旋轉(zhuǎn)拋面結(jié)構(gòu)設(shè)計

時間：2020-01-05作者：武漢嘉倍德科技有限公司瀏覽：733

航空裝備數(shù)控切割機(jī)旋轉(zhuǎn)拋面結(jié)構(gòu)設(shè)計
  
    航空裝備市場作為**應(yīng)用市場一直難以出現(xiàn)民用加工機(jī)械設(shè)備的身影，其無論是對加工質(zhì)量還是加工效率的要求都使得相關(guān)機(jī)械設(shè)備望而卻步，但近年來國產(chǎn)數(shù)控切割機(jī)制造技術(shù)以及自動化應(yīng)用技術(shù)的**發(fā)展，使得國內(nèi)數(shù)控切割機(jī)設(shè)備的切割質(zhì)量有了大幅的提升。本文由武漢嘉倍徳科技生產(chǎn)部編輯整理，主要就是航空裝備行業(yè)的數(shù)控切割機(jī)旋轉(zhuǎn)拋面結(jié)構(gòu)設(shè)計予以說明。
    由于宇航發(fā)展的需要，火箭裝載艙和**容量不能滿足復(fù)雜空間任務(wù)的需要，從60年代開始，有了數(shù)控切割機(jī)可展空間結(jié)構(gòu)的研究，出現(xiàn)了許多新穎的展開結(jié)構(gòu)，美日俄宇航局都曾投入大量資金針對上述加工需求的實現(xiàn)展開過研究。數(shù)控切割機(jī)展開結(jié)構(gòu)放入火箭裝載艙時處于折疊狀態(tài)，大大減小裝載艙的容積，一旦**進(jìn)入太空，安放于工作位置時，由地面控制系統(tǒng)控制，使結(jié)構(gòu)充分展開，達(dá)到工作狀態(tài)。目前以及將來各國宇航界已將它作為研究開發(fā)的**，代表未來空間展開結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向。而我國在這一領(lǐng)域才剛剛起步。嘉倍徳科技技術(shù)部曾經(jīng)就數(shù)控切割機(jī)在實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)加工需求過程中，針對機(jī)床拋面結(jié)構(gòu)有過一些研究，類似特殊的可展結(jié)構(gòu)由桿鉸接形成一個可展桁架，節(jié)點處沒有扭簧;在折疊狀態(tài)時，扭簧儲藏彈性變形能，通過解鎖釋放彈性變形能，使結(jié)構(gòu)達(dá)到同步展開，成為較終的展開狀態(tài)。饋源支架與天線連接于天線邊緣，且與空間平臺的連接也是位于同一邊緣處，這樣可以利用整個天線反射面，**反射面的較大利用率，提高饋源電性能。其平面呈六邊形，反射面為切割旋轉(zhuǎn)拋物面。

一、旋轉(zhuǎn)拋面數(shù)控切割機(jī)技術(shù)參數(shù)
　　旋轉(zhuǎn)拋面數(shù)控切割機(jī)主要結(jié)構(gòu)技術(shù)指標(biāo)為：
　　有效口徑：5000mm
　　偏焦(offset)：2500mm
　　焦距：6250mm
　　口徑焦距比值：0.8
　　形面誤差：rms 0.265～0.3
　　結(jié)構(gòu)質(zhì)量：45kg
　　結(jié)構(gòu)較低固有頻率：大于5Hz
　　折疊體積：矩體，高500mm

二、旋轉(zhuǎn)拋面數(shù)控切割機(jī)結(jié)構(gòu)原理
　　數(shù)控切割機(jī)結(jié)構(gòu)由基本的四面體單元組合而成，三個底邊構(gòu)成天線背架的上下弦桿，三棱為斜腹桿;弦桿中間和弦桿節(jié)點設(shè)有扭簧，使結(jié)構(gòu)能同步展開，展開過程如圖3、圖4所示：結(jié)構(gòu)折疊狀態(tài)為柱體，直徑基本上由所有桿件直徑大小、主動節(jié)點大小決定，仔細(xì)設(shè)計配合，可以做到結(jié)構(gòu)“*”折疊，獲得高的收納率，高度等于腹桿長度。結(jié)構(gòu)折疊時，主動接點儲蓄能量，在解鎖后，接點釋放能量，驅(qū)動上弦桿向上展開，下弦桿向下展開，腹桿繞接點向外轉(zhuǎn)動。
    實現(xiàn)上述結(jié)構(gòu)設(shè)計將從各個基點的空間位置確定入手，下面我們將分別說明：
　　1. 上弦節(jié)點
　　上弦桿節(jié)點數(shù)控切割機(jī)空間位置的確定較復(fù)雜，可以有多種方案，全部節(jié)點在旋轉(zhuǎn)拋物面上，應(yīng)滿足方程：
　　x2i+y2i=4fzi(i為節(jié)點號)(1)
　　D/f=0.8(2)
　　在確定節(jié)點位置時，須考慮以下條件：
    1) 由于所有節(jié)點在拋物面上，上弦桿長不可能全部一致，因此設(shè)計時盡量**桿長相差不大。
    2) 為了方便設(shè)計，以及桿件、節(jié)點制作的標(biāo)準(zhǔn)化，**節(jié)點各桿角度的均勻性，設(shè)計時盡可能使結(jié)構(gòu)對稱。
    為簡化述說，經(jīng)嘉倍徳科技技術(shù)部研究認(rèn)為，建議采用方案一實施將在設(shè)計難度上有所降低，取上弦桿：
　　L01=L12=L23=L34=L=co t(3)
　　節(jié)點1、2、3、4在xoy上的投影在x軸上，這樣可使結(jié)構(gòu)對稱于y軸，可得到如下非線性方程組：
　　經(jīng)過簡化后，可得到含有七個未知數(shù)的七個非線性方程組，利用牛頓迭代公式：
　　△x(k)=-[F′(x(k))]-1F(x(k))(5)
　　即可得到解答，由于有重根，因此應(yīng)注意初始迭代值的取值，為了**桿長的均勻性，取基本三角錐單元的弦桿為等腰三角形且接近于等邊三角形，由求得的兩個角點，迭代出*三個角點，如此即可得到全部上弦節(jié)點的空間位置。

　　2. 下弦節(jié)點
　　數(shù)控切割機(jī)結(jié)構(gòu)*折疊時的高度決定于腹桿的長度，為了**結(jié)構(gòu)*折疊達(dá)到設(shè)計的要求，腹桿**全部一致，即全部等長。滿足方程：
　　LOA=LOB=LOC=L′=L=co t(3)
　　表面看來，三個非線性方程組可解三個未知數(shù)，直接用牛頓迭代法求解，但實際迭代求解失敗。由空間解析幾何知，三個球面在空間中的關(guān)系只可能有三種可能性：不相交，相交于一點或相交于兩點，由于精度和解的不確定性，導(dǎo)致解的失敗。
　　可利用空間解析幾何求解，求解簡單，精度也可**。并**各個基點確定空間一平面，由于OA=OB=OC，則點在平面ABC上的投影必為三角形ABC的**，過**作平面的垂線，在垂線上取點，取LOA=L′，即可求得點O的空間位置。連接所有下弦節(jié)點，即可得到下弦桿。
　　采用高彈性CFRP或Teflon材料(E>200GPa)，密度小于1.7g/cm3，桿件選用Φ10，壁厚度2mm，基本可以達(dá)到結(jié)構(gòu)剛度、質(zhì)量、加工制造工藝的要求。上弦桿約315mm，腹桿500mm，下弦桿約323mm，可以滿足折疊體積與剛度的要求。

　　3. 節(jié)點角度
　　旋轉(zhuǎn)拋面數(shù)控切割機(jī)每個節(jié)點連接9根桿件;6根弦桿，3根斜腹桿。要確定這些桿間的相互角度，才能設(shè)計節(jié)點的細(xì)部構(gòu)造。節(jié)點在旋轉(zhuǎn)拋物面上，滿足方程
　　F(x,y,z)=0(7)
　　當(dāng)數(shù)控切割機(jī)結(jié)構(gòu)展開折疊時，各桿向節(jié)點平面的投影方向旋轉(zhuǎn)。列出空間9根桿的直線方程，向切平面投影，根據(jù)各桿在切平面上的投影方程，即可求得各個角度。

三、旋轉(zhuǎn)拋面數(shù)控切割機(jī)節(jié)點設(shè)計
　　整個可展結(jié)構(gòu)有兩類節(jié)點，即蜘蛛節(jié)點和弦桿中點節(jié)點，蜘蛛節(jié)點中有六個扭簧，弦桿中點節(jié)點中有兩個扭簧;桿的旋轉(zhuǎn)角均為90。，確保折疊時全部桿件成為一捆。蜘蛛節(jié)點的大小應(yīng)大于9根桿的截面積，并且**9根桿在展開折迭過程中互相不發(fā)生碰撞。
　　主動節(jié)點是該結(jié)構(gòu)設(shè)計的一相關(guān)鍵技術(shù)，采用扭簧作為主動節(jié)點，其驅(qū)動力矩主要決定于扭簧的剛度彈性系數(shù)，初始(節(jié)點折疊狀態(tài))扭轉(zhuǎn)角度，較終(節(jié)點展開狀態(tài))扭轉(zhuǎn)角度。設(shè)扭簧彈性系數(shù)為k(N.M/deg)，初始扭轉(zhuǎn)角Φ0，節(jié)點轉(zhuǎn)角度為Φ，則驅(qū)動力矩表示為：
　　M=k(Φ0-Φ)(9)
　　驅(qū)動力矩隨節(jié)點轉(zhuǎn)動角度增大而減小，當(dāng)Φ=0時，扭簧有初始扭轉(zhuǎn)角，節(jié)點驅(qū)動力矩達(dá)到較小值。節(jié)點處于*展開狀態(tài)時，扭簧仍然**有一個扭轉(zhuǎn)角以保持節(jié)點的穩(wěn)定狀態(tài)和結(jié)構(gòu)內(nèi)的預(yù)應(yīng)力。

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