大射电望远镜悬索馈源支撑系统的机械结构设计与分析
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摘要
我国拟在贵州建造世界上最大、口径达500m的先导天线大射电望远镜阵（FAST项目）。由于FAST的工作频率高，馈源的定位精度要求高，因而，采用何种结构方式实现馈源扫描跟踪运动成为项目成败的关键。段宝岩教授提出了以悬索支撑馈源的初级平台、将Stewart平台并联机构固定于初级平台，由悬索的初调和Stewart平台的精调共同完成馈源的高精度定位控制的方案。
课题源于中科院知识创新工程与国家自然科学基金项目“大射电望远镜馈源支撑与指向跟踪系统仿真与实验研究”，基于上述背景，本文的目的在于：将悬索馈源支撑概念具体化；分析并解决项目工程实施中可能遇到的机械技术方面的关键问题；完成5m、50m缩比模型的设计；支持项目的实验仿真；为500m工程的实施奠定基础。
从运动、动力、功用几方面分析了大射电望远镜悬索馈源支撑系统机械的特点，本文将其分解为悬索驱动装置、支撑塔顶上的导向机构、馈源舱三个主要部分，在应用数学、力学等方法对各部分的设计方案进行比较、分析、综合和论证的基础上，研究了各机械部分所特有的问题与解决对策：提出了将驱动装置与悬索布置相结合的设计思想；解决了悬索支撑塔顶导向轮承受斜向拉力的问题；从运动、受力及结构方面深入研究了悬索与馈源舱的连接。通过结构、机构、强度、工艺等设计逐步完成整个模型的机械设计。
通过模型的设计、加工制造、安装调试及其机械性能的测试，取得了大量有关馈源支撑机械设计的一手资料。两年多来，模型的正常运行证明了本文机械设计的合理性、有效性以及在500m工程中的可推广性。作为“大射电望远镜馈源支撑与指向跟踪系统仿真与实验研究”重要的组成部分，系统机械与项目其它内容一同于2002年2月成功地通过了中科院组织的验收。
为保证500m工程机械的顺利实施，还必须开展以下几方面的研究：
1．使用何种动力驱动（如液压伺服驱动）及何种安全制动方式仍需针对500m工程的实际具体研究。
2．500m工程实际中，馈源舱的直径达6m，重量为20t。由于其结构形式与LT5m、50m模型馈源舱不完全相同，因而，需对馈源舱结构形式做深入研究。
3．支撑塔上防止悬索脱落还可采用其它方法解决，并应作更深入的研究。
China hopes to build the Largest Radio Telescope (namely FAST) in the world. Because of the very strict demand on the tracking precision, the mechanical design of the telescope becomes a key of the project. Professor Duan Baoyan proposed an innovative optomechatronic design project of large radio telescope: using six cables to control the feed cabin to which a Stewart platform is connected. The elementary adjustment of cables and the fine-adjustment of Stewart platform cooperate together to reach the precision demand.
The thesis aims at concretizing the design project, studying and solving the mechanical problems. To reach the aims, an indoor 5m model and an outdoor 50m model are designed respectively by the author which lay solid foundation for FAST.
LT mechanism is divided into three main parts: cable drivers, structure on the top of cable tower and the cabin. The characteristics and special requirement of the mechanical structures are analyzed in detail and the corresponding design proposal is developed firstly. Then the final design of mechanical structures is proposed by means of analysis, comparison and proof methodology. Finally, both indoor 5m model and outdoor 50m experiment model have been built.
By the design, the manufacture, the assemblage, the adjustment and the tests of both the indoor 5m model and the outdoor 50m model, many datum on supporting cable are obtained. A lot of site experiment on model are made to demonstrate the design.
To carry out LT500m project, the following researches should be done further:
1. To study further driving power and safely breaking way, such as using hydraulic power.
2. Cabin in the model is not completely similar to that in 500m project, so the structure of Cabin also should be further probed.
3. Other ways also can be used as Structure of Protecting Cable from Lapsing.
课题源于中科院知识创新工程与国家自然科学基金项目“大射电望远镜馈源支撑与指向跟踪系统仿真与实验研究”，基于上述背景，本文的目的在于：将悬索馈源支撑概念具体化；分析并解决项目工程实施中可能遇到的机械技术方面的关键问题；完成5m、50m缩比模型的设计；支持项目的实验仿真；为500m工程的实施奠定基础。
从运动、动力、功用几方面分析了大射电望远镜悬索馈源支撑系统机械的特点，本文将其分解为悬索驱动装置、支撑塔顶上的导向机构、馈源舱三个主要部分，在应用数学、力学等方法对各部分的设计方案进行比较、分析、综合和论证的基础上，研究了各机械部分所特有的问题与解决对策：提出了将驱动装置与悬索布置相结合的设计思想；解决了悬索支撑塔顶导向轮承受斜向拉力的问题；从运动、受力及结构方面深入研究了悬索与馈源舱的连接。通过结构、机构、强度、工艺等设计逐步完成整个模型的机械设计。
通过模型的设计、加工制造、安装调试及其机械性能的测试，取得了大量有关馈源支撑机械设计的一手资料。两年多来，模型的正常运行证明了本文机械设计的合理性、有效性以及在500m工程中的可推广性。作为“大射电望远镜馈源支撑与指向跟踪系统仿真与实验研究”重要的组成部分，系统机械与项目其它内容一同于2002年2月成功地通过了中科院组织的验收。
为保证500m工程机械的顺利实施，还必须开展以下几方面的研究：
1．使用何种动力驱动（如液压伺服驱动）及何种安全制动方式仍需针对500m工程的实际具体研究。
2．500m工程实际中，馈源舱的直径达6m，重量为20t。由于其结构形式与LT5m、50m模型馈源舱不完全相同，因而，需对馈源舱结构形式做深入研究。
3．支撑塔上防止悬索脱落还可采用其它方法解决，并应作更深入的研究。
China hopes to build the Largest Radio Telescope (namely FAST) in the world. Because of the very strict demand on the tracking precision, the mechanical design of the telescope becomes a key of the project. Professor Duan Baoyan proposed an innovative optomechatronic design project of large radio telescope: using six cables to control the feed cabin to which a Stewart platform is connected. The elementary adjustment of cables and the fine-adjustment of Stewart platform cooperate together to reach the precision demand.
The thesis aims at concretizing the design project, studying and solving the mechanical problems. To reach the aims, an indoor 5m model and an outdoor 50m model are designed respectively by the author which lay solid foundation for FAST.
LT mechanism is divided into three main parts: cable drivers, structure on the top of cable tower and the cabin. The characteristics and special requirement of the mechanical structures are analyzed in detail and the corresponding design proposal is developed firstly. Then the final design of mechanical structures is proposed by means of analysis, comparison and proof methodology. Finally, both indoor 5m model and outdoor 50m experiment model have been built.
By the design, the manufacture, the assemblage, the adjustment and the tests of both the indoor 5m model and the outdoor 50m model, many datum on supporting cable are obtained. A lot of site experiment on model are made to demonstrate the design.
To carry out LT500m project, the following researches should be done further:
1. To study further driving power and safely breaking way, such as using hydraulic power.
2. Cabin in the model is not completely similar to that in 500m project, so the structure of Cabin also should be further probed.
3. Other ways also can be used as Structure of Protecting Cable from Lapsing.
引文
[1] Memorandum of an agreement to cooperate in a technology study program leading to a future very large radio telescope, signed by participants from Australia, Canada, China, India, the Netherlands, the U.S.A.
[2] 南仁东，邱育海，彭勃等.FAST学术年会工作报告. 1999，4 北京
[3] Li Hui. China Hopes to Move FAST on Largest Telescope. Science of America.1998.281771
[4] Mervis and J. kinoshiata. Science of America.1995.270
[5] 西安电子科技大学项目组. FAST预研究 大射电望远镜馈源舱支撑与指向跟踪系统仿真与实验研究 总结报告. 2002年2月
[6] Duan B.Y. Study on the line feed system of large spherical radio telescope from the viewpoint of mechanical and structural engineering. Proceedings of the Third International Conference on Large Radio Telescope, Guizhou of China, Oct.2-6.1995
[7] Duan B.Y. A new design project of the line feed structure for large radio telescope and its nonlinear dynamic analysis. Mechatronics. 1999,9（1）：53-64
[8] 邱育海. 具有主反射面的巨型球面射电望远镜. 天体物理学报，1998，18（2）：222-227
[9] 段宝岩等.New design concept of large radio telescope with fine tuning Stewart platform,在中英关于新一代大射电望远镜FAST项目研讨会上的报告. 1998年10月 国家天文观测中心，北京
[10] 段宝岩等.新一代大射电望远镜机电光一体化设计研究 中国机械工程，Vol.10,No.9,1999
[11] 段宝岩等, Modeling ,simulation and testing of an optomechatronics design of a large radio telescope ,Int. J. Astrophysics and Space Science, 278:237-242,2001
[12] 苏玉鑫，段宝岩, The mechanical design and kinematics accuracy analysis of a fine tuning stable platform for the large spherical radio telescope ,Int.J.Mechatronics, Vol.10,No.7,2000.819-834
[13] 段宝岩等, Review of antenna structural design with mechatronics in China, Int. J. Mechatronics, to apper
[14] 邱金波，段宝岩，彭 波，南仁东.大型球面射电望远镜控制系统研究.自动化学报，2001，27（1）：1-7
[15] 孙欣，段宝岩.巨型柔性Stewart平台极限工作位置的确定.西安电子科技大学学报2001 （28）：168-173
[16] 孙欣，仇原鹰,段宝岩.大射电望远镜悬索馈源系统驱动力的研究.应用力学学报2002
[17] 王文利，孙欣，段宝岩等.FAST中的宏微机器人概念及悬索张力的优化配置. 西安电子科技大学学报2000 （27）：726-729
[18] 孙欣，段宝岩.悬索馈源系统解空间、工作空间的研究及悬索张力的优化分析. 机械工程学报，2002，第二期
[19] 张英斌，自以诗.挠性传动设计.机械工业出版社，1985
[20] 许镇宇，邱宜怀. 机械零件. 人民教育出版社，1981
[21] 张和远. 常用机械设计. 机械工业出版社，1984
[22] 仇原鹰，段宝岩. Stewart平台的运动奇异性与力奇异性研究.西安电子科技大学学报，Vol.28,No.2,2001(EI)
[23] 仇原鹰，杜敬利，段宝岩. 大型射电望远镜类Stewart平台奇异性研究.中国机械工程2001，12（2）：135-138
[24] 仇原鹰.大射电望远镜馈源支撑与指向跟踪系统的力学模型分析及实验研究. 西安电子科技大学博士学位论文 2002
[25] 上海机械学院. 机械设计基础 上、下册. 上海人民出版社 1978
[26] 松下交流伺服电动机说明书
[27] 刘仁家、陶性华主编. 机械设计师手册. 机械工业出版社1987
[28] 起重机设计规范（GB3811-83）.中国标准出版社1984
[29] 东北工学院. 机械零件设计手册 中册. 冶金工业出版社1982，1
[30] 常州市卫星减速机厂. 减速机说明手册
[31] 机械零件设计手册. 冶金工业出版社1982
[32] ZT型带制动轮弹性柱销联轴器 ZB109-62
[33] 上海起重电器厂 电磁制动器说明手册
[34] 《机械设计材料手册》编写组.机械设计材料手册. 原子能出版社,1979
[35] 机械工程手册、电机工程手册编辑委员会. 机械工程手册. 机械工业出版社,1976-1979
[36] 第一机械工业部编. 滚动轴承样本. 机械工业出版社,1975
[40] 机器零件的负荷能力和强度计算. 机械工业出版社,1957
[41] Mechanical Engineering Design. Second Edition. G .D Redford,1973
[42] 岑军健等.非标准设备设计手册 第二册. 国防工业出版社，1978
[43] Su Y X and Duan B Y, The application of the Stewart platform in large spherical radio telescopes, Journal of Robotic System,2000,17(7):275-383
[44] Dasguta, B. and Mruthyunjaya T.S. The Stewart platform manipulator:
a review. Mechanism and Machine Theory, 2000,35(1):15-40
[45] 丁洪生，王迪华，刘惠林. BKX-1型变轴数控机床运动学仿真建模及实现. 北京理工大学学报，2001，21（4）：434-439
[46] 应怀樵.振动测试和分析.中国铁道出版社，1981
[47] Y.C.Wang Effect of cable stiffness on a cable-stayed bridge. Structural Engineering and Mechanics, Vol.8,No.1,1999
[48] 机械结构图册编委.机械结构图册.国防工业出版社，1974
[49] 第一机械工业部编.焊接材料产品样本.机械工业出版社，1979
[50] HQ系列0.32-320t滚针、滑动轴承起重滑车说明书. 天津滑车厂
[51] 钢丝绳选型使用说明书. 贵州钢丝绳有限公司
[2] 南仁东，邱育海，彭勃等.FAST学术年会工作报告. 1999，4 北京
[3] Li Hui. China Hopes to Move FAST on Largest Telescope. Science of America.1998.281771
[4] Mervis and J. kinoshiata. Science of America.1995.270
[5] 西安电子科技大学项目组. FAST预研究 大射电望远镜馈源舱支撑与指向跟踪系统仿真与实验研究 总结报告. 2002年2月
[6] Duan B.Y. Study on the line feed system of large spherical radio telescope from the viewpoint of mechanical and structural engineering. Proceedings of the Third International Conference on Large Radio Telescope, Guizhou of China, Oct.2-6.1995
[7] Duan B.Y. A new design project of the line feed structure for large radio telescope and its nonlinear dynamic analysis. Mechatronics. 1999,9（1）：53-64
[8] 邱育海. 具有主反射面的巨型球面射电望远镜. 天体物理学报，1998，18（2）：222-227
[9] 段宝岩等.New design concept of large radio telescope with fine tuning Stewart platform,在中英关于新一代大射电望远镜FAST项目研讨会上的报告. 1998年10月 国家天文观测中心，北京
[10] 段宝岩等.新一代大射电望远镜机电光一体化设计研究 中国机械工程，Vol.10,No.9,1999
[11] 段宝岩等, Modeling ,simulation and testing of an optomechatronics design of a large radio telescope ,Int. J. Astrophysics and Space Science, 278:237-242,2001
[12] 苏玉鑫，段宝岩, The mechanical design and kinematics accuracy analysis of a fine tuning stable platform for the large spherical radio telescope ,Int.J.Mechatronics, Vol.10,No.7,2000.819-834
[13] 段宝岩等, Review of antenna structural design with mechatronics in China, Int. J. Mechatronics, to apper
[14] 邱金波，段宝岩，彭 波，南仁东.大型球面射电望远镜控制系统研究.自动化学报，2001，27（1）：1-7
[15] 孙欣，段宝岩.巨型柔性Stewart平台极限工作位置的确定.西安电子科技大学学报2001 （28）：168-173
[16] 孙欣，仇原鹰,段宝岩.大射电望远镜悬索馈源系统驱动力的研究.应用力学学报2002
[17] 王文利，孙欣，段宝岩等.FAST中的宏微机器人概念及悬索张力的优化配置. 西安电子科技大学学报2000 （27）：726-729
[18] 孙欣，段宝岩.悬索馈源系统解空间、工作空间的研究及悬索张力的优化分析. 机械工程学报，2002，第二期
[19] 张英斌，自以诗.挠性传动设计.机械工业出版社，1985
[20] 许镇宇，邱宜怀. 机械零件. 人民教育出版社，1981
[21] 张和远. 常用机械设计. 机械工业出版社，1984
[22] 仇原鹰，段宝岩. Stewart平台的运动奇异性与力奇异性研究.西安电子科技大学学报，Vol.28,No.2,2001(EI)
[23] 仇原鹰，杜敬利，段宝岩. 大型射电望远镜类Stewart平台奇异性研究.中国机械工程2001，12（2）：135-138
[24] 仇原鹰.大射电望远镜馈源支撑与指向跟踪系统的力学模型分析及实验研究. 西安电子科技大学博士学位论文 2002
[25] 上海机械学院. 机械设计基础 上、下册. 上海人民出版社 1978
[26] 松下交流伺服电动机说明书
[27] 刘仁家、陶性华主编. 机械设计师手册. 机械工业出版社1987
[28] 起重机设计规范（GB3811-83）.中国标准出版社1984
[29] 东北工学院. 机械零件设计手册 中册. 冶金工业出版社1982，1
[30] 常州市卫星减速机厂. 减速机说明手册
[31] 机械零件设计手册. 冶金工业出版社1982
[32] ZT型带制动轮弹性柱销联轴器 ZB109-62
[33] 上海起重电器厂 电磁制动器说明手册
[34] 《机械设计材料手册》编写组.机械设计材料手册. 原子能出版社,1979
[35] 机械工程手册、电机工程手册编辑委员会. 机械工程手册. 机械工业出版社,1976-1979
[36] 第一机械工业部编. 滚动轴承样本. 机械工业出版社,1975
[40] 机器零件的负荷能力和强度计算. 机械工业出版社,1957
[41] Mechanical Engineering Design. Second Edition. G .D Redford,1973
[42] 岑军健等.非标准设备设计手册 第二册. 国防工业出版社，1978
[43] Su Y X and Duan B Y, The application of the Stewart platform in large spherical radio telescopes, Journal of Robotic System,2000,17(7):275-383
[44] Dasguta, B. and Mruthyunjaya T.S. The Stewart platform manipulator:
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[45] 丁洪生，王迪华，刘惠林. BKX-1型变轴数控机床运动学仿真建模及实现. 北京理工大学学报，2001，21（4）：434-439
[46] 应怀樵.振动测试和分析.中国铁道出版社，1981
[47] Y.C.Wang Effect of cable stiffness on a cable-stayed bridge. Structural Engineering and Mechanics, Vol.8,No.1,1999
[48] 机械结构图册编委.机械结构图册.国防工业出版社，1974
[49] 第一机械工业部编.焊接材料产品样本.机械工业出版社，1979
[50] HQ系列0.32-320t滚针、滑动轴承起重滑车说明书. 天津滑车厂
[51] 钢丝绳选型使用说明书. 贵州钢丝绳有限公司