CN107013641B - 一种套接式展收机构绳驱动张紧装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种套接式展收机构绳驱动张紧装置及其控制方法，属于机械技术和自动控制领域；所述的绳驱动张紧装置包括套接筒模块、驱动绳模块、张紧模块、驱动模块以及控制模块，驱动绳模块中的展开绳和收拢绳，分别对套接筒模块中相互嵌套的各级套接筒展开和收拢；控制模块控制驱动模块中的展开电机和收拢电机的运行，进而使张紧模块中的收拢摆臂和展开摆臂始终保持在合理范围内；所述绳驱动张紧装置的控制方法，包括展开过程和收拢过程，能够使得套接式展收机构在展开和收拢过程中，放卷的被动绳始终处于张紧状态，绳上的张力维持在一定的范围内；能够对展收机构所有动作进行控制并监测相关数据，操作简单。

Description

一种套接式展收机构绳驱动张紧装置及其控制方法

技术领域

本发明属于机械技术和自动控制领域，涉及一种套接式展收机构绳驱动张紧装置及其控制方法，可以实现对装置的监测和控制。

背景技术

随着航天事业的发展，航天器结构趋于大型化，但又受到运载火箭几何空间的限制，因此可展收机构得到了广泛的应用。套接式展收机构由于其活动部位少，展开到位锁定后刚度高，受到了越来越多的关注。

传统的套接式展收机构采用丝杠螺母进行驱动，这种驱动方式质量大并且在丝杠转动过程中会引起机构共振，对机构产生不利影响，而采用绳索进行驱动不仅具有较轻的质量并且能避免共振的发生。

但由于绳索的柔软性，使得在展收过程中被动绳索要么处于松弛状态，可能会钩挂到其它部件上造成绳索的损坏，要么被动绳又过于张紧，进而阻碍机构正常运动；被动绳索上的张力不能保持在一定合理的范围内，这极大的影响了套接式展收机构的正常展收。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种套接式展收机构绳驱动张紧装置及其控制方法，能够实现套接式展收机构的展开及收拢，并使得被动绳的张力处于一定的范围内，既不松弛也不过于张紧，有利于机构的顺利展收。

所述的套接式展收机构绳驱动张紧装置，包括套接筒模块、驱动绳模块、张紧模块、驱动模块以及控制模块。

所述套接筒模块由四个直径不等的空心圆筒相互嵌套而成，从外向内依次为第一级套接筒、第二级套接筒、第三级套接筒和第四级套接筒；各级套接筒通过键配合实现周向定位，通过套接筒上下端法兰台阶实现轴向限位。在第一级套接筒、第二级套接筒和第三级套接筒的上部内侧安装有顶部线轮，在第二级套接筒、第三级套接筒和第四级套接筒的下部外侧安装有底部线轮；所述的顶部线轮和底部线轮用于安装驱动绳模块。

所述驱动绳模块包括展开绳和收拢绳；展开绳依次穿过各级套接筒上的顶部线轮和底部线轮，在各级套接筒之间往复排布，且展开绳两端分别连接张紧模块中的展开绳张紧模块；收拢绳一端与最内层的第四级套接筒下端固定，另一端穿过第三级套接筒后连接张紧模块中的收拢绳张紧模块。

所述张紧模块包括一套收拢绳张紧模块和两套对称的展开绳张紧模块。

所述收拢绳张紧模块位于第二级套接筒的底端中心位置，包括底座、支撑杆、收拢摆臂座、收拢角度传感器、收拢传感器座、收拢摆臂轴、收拢摆臂、收拢张紧扭簧、收拢线轮座和收拢线轮。

底座安装在第二级套接筒下端，与第二级套接筒底面平行，并作为基础安装平台；支撑杆垂直安装于底座中心；收拢摆臂座安装于底座上，位于支撑杆一侧；收拢传感器座与收拢摆臂座处于并列位置，固定在底座侧面上，用于安放收拢角度传感器；

在收拢摆臂座上通过轴承固定安装收拢摆臂轴，收拢摆臂轴一端与收拢角度传感器相连，另一端穿过收拢摆臂座与收拢摆臂固定相连；收拢摆臂倾斜于收拢摆臂座上方；

同时在收拢摆臂座上还安装收拢张紧扭簧，收拢张紧扭簧一端固定安放在收拢摆臂座上，另一端插入收拢摆臂上的一端的孔内；收拢摆臂的另一端通过轴承安装收拢线轮座；收拢线轮座上用于安装两个周向有凹槽的收拢线轮，两个线轮相切，由此使两个凹槽间形成穿线通道；同时在支撑杆顶部、底座下表面中部也分别安装有两收拢线轮；

在展开过程中，收拢张紧扭簧给收拢摆臂产生逆时针方向转动的扭矩，避免收拢绳由于松弛而钩挂到其它部件上。收拢角度传感器用于监测收拢摆臂的摆动角度，进而反映出收拢绳的张紧程度，便于系统进行张力控制。

收拢绳另一端首先穿过支撑杆顶部的两收拢线轮间的穿线通道，再穿过收拢线轮座上的两收拢线轮间穿线通道，最后穿过底座下表面中部的两收拢线轮间的穿线通道与驱动模块相连。

两套展开绳张紧模块对称安装在收拢绳张紧模块的底座两端；每个展开绳张紧模块均包括展开摆臂座、展开角度传感器、展开传感器座、展开摆臂轴、展开摆臂、展开张紧扭簧、展开线轮座和展开线轮。

展开摆臂座安装于底座下表面的一端；展开传感器座与展开摆臂座处于并列位置，固定在底座下表面的另一端，用于安装展开角度传感器；

展开摆臂座上通过轴承安装展开摆臂轴，展开摆臂轴一端与展开角度传感器相连，另一端穿过展开摆臂座与展开摆臂固定相连；展开摆臂倾斜于展开摆臂座下方；

同时在展开摆臂座上安装展开张紧扭簧；展开张紧扭簧一端插入展开摆臂座上的孔内，另一端插入展开摆臂上一端的孔内；展开摆臂的另一端通过轴承安装展开线轮座；在展开线轮座上安装有两个周向有凹槽的展开线轮；两个线轮周向相切，由此使两个凹槽间形成穿线通道；同时在展开摆臂座下部也安装有一个展开线轮；

在收拢过程中，两个展开张紧扭簧分别给展开摆臂产生向上运动趋势的扭矩，避免展开绳由于松弛而钩挂到其它部件上。展开角度传感器用于监测展开摆臂的摆动角度，进而反映出展开绳的张紧程度，便于系统进行张力控制。

展开绳两端分别穿过展开摆臂座上的两展开线轮间的穿线通道，再通过展开线轮座上的两展开线轮间的穿线通道与驱动模块相连。

所述驱动模块分为展开驱动模块和收拢驱动模块两部分；

展开驱动模块包括展开电机、左展开支撑座、展开绕线辊和右展开支撑座；

展开电机端面安装于左展开支撑座上，展开电机输出轴与展开绕线辊通过键配合连接；展开绕线辊两端通过轴承分别安装于左展开支撑座与右展开支撑座上；左展开支撑座和右展开支撑座分别固定安装于驱动底板上，驱动底板固定安装于第一级套接筒下端；展开绳穿过左右两端展开线轮座上的穿线通道后分别缠绕在展开绕线辊上。

收拢驱动模块包括收拢电机、左收拢支撑座、收拢绕线辊和右收拢支撑座；

收拢电机端面安装于左收拢支撑座上，收拢电机输出轴与收拢绕线辊通过键配合连接；收拢绕线辊两端通过轴承分别安装于左收拢支撑座与右收拢支撑座上，左收拢支撑座和右收拢支撑座分别固定安装于驱动底板上；收拢绳穿过底座下表面中部的穿线通道后缠绕在收拢绕线辊上。

控制模块包括控制柜，到位开关和上位机。

控制柜包括主控芯片，展开驱动器和收拢驱动器；上位机和到位开关分别与主控芯片相连；主控芯片为整个控制模块的核心，展开驱动器和收拢驱动器均与主控芯片相连，同时展开驱动器连接展开电机；收拢驱动器连接收拢电机；当展开驱动器和收拢驱动器接收到主控芯片的控制命令后控制相应电机运行；主控芯片同时连接收拢角度传感器和展开角度传感器，根据角度传感器的信号值，调整展开电机或收拢电机的转速。

到位开关分别安装在第四级套接筒末端和第一级套接筒顶端，并与主控芯片相连，当套接筒完全展开或者完全收拢时会触动相应到位开关，主控芯片接收到位信号后再进行相应控制；

所述的套接式展收机构绳驱动张紧装置的控制方法，包括展开过程和收拢过程两部分，具体步骤如下：

针对展开过程的控制方法，具体步骤如下：

步骤一、将套接筒模块、驱动绳模块、张紧模块、驱动模块以及控制模块分别上电初始化；

步骤二、分别设置展开电机和收拢电机的初始速度，开始运动；

展开电机带动展开绕线辊转动，使得展开绳在展开绕线辊上缠绕；同时，收拢电机带动收拢绕线辊转动，使得收拢绳从收拢绕线辊上放卷。

步骤三、主控芯片实时接收收拢角度传感器的值SD，判断是否在SD_min≤SD≤SD_max范围内，如果是，进入步骤五；否则，进入步骤四；

SD_min是指收拢摆臂转动到使收拢绳张力最小位置时收拢角度传感器对应的极限值；SD_max是指收拢摆臂转动到使收拢绳张力最大位置时收拢角度传感器对应的极限值；

步骤四、判断收拢角度传感器值是否SD＞SD_max；如果是，增大收拢电机的速度，使得收拢摆臂逆时针转动，收拢角度传感器值SD减少后，进入步骤三；否则，停止收拢电机运动，随着各级套接筒的展开使得收拢角度传感器值SD增大，进入步骤三；

步骤五、维持收拢电机和展开电机的转速不变；

步骤六、判断第四级套接筒末端的展开到位开关是否触发，如果是，进入步骤七；否则，返回步骤三；

步骤七、套接式展收机构完全展开到位，所有电机停止运动。

针对收拢过程的控制方法，具体步骤如下：

步骤I、将套接筒模块、驱动绳模块、张紧模块、驱动模块以及控制模块分别上电初始化；

步骤II、分别设置展开电机和收拢电机的初始速度，开始运动；

收拢电机带动收拢绕线辊转动，使得收拢绳在收拢绕线辊上缠绕；同时，展开电机带动展开绕线辊转动，使得展开绳在展开绕线辊上放卷；

步骤III、主控芯片实时接收展开角度传感器的值SUD，判断是否在SUD_min≤SUD≤SUD_max范围内，如果是，进入步骤V；否则，进入步骤IV；

SUD_min是指展开摆臂转动到使展开绳张力最小位置时展开角度传感器对应的极限值；SUD_max是指展开摆臂转动到使展开绳张力最大位置时展开角度传感器对应的极限值；

步骤IV、判断展开角度传感器值是否SUD＞SUD_max；如果是，增大展开电机的速度，使得展开摆臂向上转动，展开角度传感器值SUD减少后，进入步骤III；否则，停止展开电机运动，随着各级套接筒的收拢使得展开角度传感器值SUD增大，进入步骤III；

步骤V、维持展开电机和收拢电机转速不变；

步骤VI、判断第一级套接筒顶端的收拢到位开关是否触发，如果是，进入步骤VII；否则，返回步骤III；

步骤VII、套接式展收机构完全收拢到位，所有电机停止运动。

本发明优点：

1、一种套接式展收机构绳驱动张紧装置，通过开发一套绳驱动装置，实现套接式展收机构的可靠展开及收拢，并减少了整体重量。

2、一种套接式展收机构绳驱动张紧装置，在展开和收拢时可使被动绳始终保持一定的张力，避免被动绳由于松弛而钩挂到其它部件上，同时也能防止被动绳上张力过大阻碍机构正常运动。

3、一种套接式展收机构绳驱动张紧装置的控制方法，能够对展收机构所有动作进行控制并监测相关数据，且能将数据存储在上位机中，操作简单。

附图说明

图1为本发明套接式展收机构绳驱动张紧装置的整体示意图；

图2为本发明套接式展收机构绳驱动张紧装置中张紧模块整体示意图；

图3为本发明套接式展收机构绳驱动张紧装置中收拢绳张紧装置局部放大图；

图4为本发明套接式展收机构绳驱动张紧装置中展开绳张紧装置局部放大图；

图5为本发明套接式展收机构绳驱动张紧装置中控制模块的结构框图；

图6为本发明套接式展收机构绳驱动张紧装置的展开过程示意图；

图7为本发明套接式展收机构绳驱动张紧装置控制展开过程的方法流程图；

图8为本发明套接式展收机构绳驱动张紧装置的收拢过程示意图；

图9为本发明套接式展收机构绳驱动张紧装置控制收拢过程的方法流程图。

图中：

1-套接筒模块 101-第一级套接筒 102-第二级套接筒

103-第三级套接筒 104-第四级套接筒 105-顶部线轮

106-底部线轮 2-驱动绳模块 201-展开绳

202-收拢绳 3-收拢绳张紧模块 301-底座

302-支撑杆 303-收拢摆臂座 304-收拢角度传感器

305-收拢传感器座 306-收拢摆臂轴 307-收拢摆臂

308-收拢张紧扭簧 309-收拢线轮座 310-收拢线轮

4-展开绳张紧模块 401-展开摆臂座 402-展开角度传感器

403-展开传感器座 404-展开摆臂轴 405-展开摆臂

406-展开张紧扭簧 407-展开线轮座 408-展开线轮

5-驱动模块 501-展开电机 502-左展开支撑座

503-展开绕线辊 504-右展开支撑座 505-收拢电机

506-左收拢支撑座 507-收拢绕线辊 508-右收拢支撑座

509-驱动底板

具体实施例

下面结合附图对本发明的具体实施方法进行详细说明。

本发明公开了一种套接式展收机构绳驱动张紧装置，包括展开驱动装置和收拢驱动装置两部分，主动驱动绳索在绕线辊上缠绕进而产生驱动力，被动绳索在绕线辊上放卷，在展开和收拢时可使被动绳始终保持一定的张力，避免被动绳由于松弛而钩挂到其它部件上，同时也能防止被动绳上张力过大成为机构运动阻力。本发明还公开了一套控制方法，能够实时监测展开绳及收拢绳的张紧状态，并对展开驱动装置及收拢驱动装置进行控制。

所述的套接式展收机构绳驱动张紧装置，如图1所示，包括套接筒模块1、驱动绳模块2、收拢绳张紧模块3、展开绳张紧模块4、驱动模块5以及控制模块。

所述套接筒模块1由四个直径不等的空心圆筒相互嵌套而成，从外向内依次为第一级套接筒101、第二级套接筒102、第三级套接筒103和第四级套接筒104；各级套接筒通过键配合实现周向定位，通过套接筒上下端法兰台阶实现轴向限位。各级套接筒可以沿轴向移动，实现机构展收功能；当各级套接筒运动到下端法兰台阶与相邻外层套接筒上端法兰台阶接触限位时，套接筒即为完全展开状态；当各级套接筒运动到上端法兰台阶与相邻外层套接筒上端法兰台阶接触限位时，套接筒即为完全收拢状态。

在第一级套接筒101、第二级套接筒102和第三级套接筒103的上部内侧安装有顶部线轮105，在第二级套接筒102、第三级套接筒103和第四级套接筒104的下部安装有底部线轮106；所述的顶部线轮105和底部线轮106用于安装驱动绳模块2。

所述驱动绳模块2包括展开绳201和收拢绳202，通过展开绳201可以使得相互嵌套的各级套接筒展开，通过收拢绳202拉着各级套接筒收拢；展开绳201依次穿过各级套接筒上的顶部线轮105和底部线轮106，在各级套接筒之间往复排布，且穿过第一级套接筒101顶部线轮105的两条展开绳201分别连接张紧模块中的展开绳张紧模块4；收拢绳202一端与最内层的第四级套接筒104下端固定相连，另一端穿过第三级套接筒103后并连接张紧模块中的收拢绳张紧模块3。

套接筒展开过程中，展开绳201为主动驱动绳，通过拉拽展开绳201使其在各级套接筒间的长度变短，即可驱动套接筒沿轴向展开，此时收拢绳202为被动释放绳，其在各级套接筒间的长度变长；套接筒收拢过程中，收拢绳202为主动驱动绳，通过拉拽收拢绳202使其在各级套接筒间的长度变短，即可驱动套接筒沿轴向收拢，此时展开绳201为被动释放绳，其在各级套接筒间的长度变长；由此即可通过展开绳201和收拢绳202的作用使得套接筒沿轴向展开和收拢。

所述张紧模块使得处于被动状态的绳索始终保持一定的张力，避免被动绳处于松弛状态；包括一套收拢绳张紧模块3和两套对称的展开绳张紧模块4。

如图2所示和图3所示，所述收拢绳张紧模块3位于第二级套接筒102的底端中心位置，包括底座301、支撑杆302、收拢摆臂座303、收拢角度传感器304、收拢传感器座305、收拢摆臂轴306、收拢摆臂307、收拢张紧扭簧308、收拢线轮座309和收拢线轮310。

底座301安装在第二级套接筒102下端，与第二级套接筒102底面平行，并作为各部分的安装平台；支撑杆302垂直安装于底座301中部位置；收拢摆臂座303安装于底座301上，位于支撑杆302一侧；收拢传感器座305与收拢摆臂座303处于并列位置，收拢传感器座305与底座301侧面通过螺钉相连，用于安放收拢角度传感器304；

收拢摆臂座303上通过轴承固定安装收拢摆臂轴306，收拢摆臂轴306一端与收拢角度传感器304相连，另一端穿过收拢摆臂座305上的通孔与收拢摆臂307固定相连；收拢摆臂307倾斜于收拢摆臂座305上方；收拢摆臂轴306和收拢摆臂307共同转动，其转动角度可由与收拢摆臂轴306相连的收拢角度传感器304测得；

安装收拢摆臂座305的两个通孔座之间卡有收拢张紧扭簧308，收拢张紧扭簧308一端安放在收拢摆臂座303上，另一端插入收拢摆臂307上一端的孔内，则在收拢张紧扭簧308扭矩的作用下，收拢摆臂307有向远离支撑杆302方向转动的趋势；收拢摆臂307的另一端通过轴承安装收拢线轮座309；收拢线轮座309绕其自由转动；收拢线轮座309上用于安装两个周向有凹槽的收拢线轮310，两个线轮相切并可自由转动，由此使两个凹槽间形成穿线通道；同时在支撑杆302顶部、底座301下表面中部也分别安装有两收拢线轮310；

与第四级套接筒104下端相连的收拢绳202通过支撑杆302顶部两收拢线轮310间的穿线通道，再穿过收拢线轮座309上两收拢线轮310间，最后通过底座301下表面中部的两收拢线轮310间的穿线通道与驱动模块5相连；

收拢绳202上拉力较大时，带动收拢摆臂307向靠近支撑杆302方向转动，当收拢绳202长度变长处于松弛状态时，收拢张紧扭簧308给收拢摆臂307产生逆时针方向的扭矩，收拢摆臂307在收拢张紧扭簧308的作用下向远离支撑杆302方向转动，即可使得收拢绳202再次张紧,避免收拢绳由于松弛而钩挂到其它部件上。

如图2和图4所示，两套展开绳张紧模块4对称安装在收拢绳张紧模块3的底座301两端；每个展开绳张紧模块4均包括展开摆臂座401、展开角度传感器402、展开传感器座403、展开摆臂轴404、展开摆臂405、展开张紧扭簧406、展开线轮座407和展开线轮408。

展开摆臂座401安装于底座301下表面的一侧；展开传感器座403与展开摆臂座401处于并列位置，固定在底座301下表面的另一侧，用于安装展开角度传感器402；

展开摆臂轴404通过轴承安装于展开摆臂座401上，展开摆臂轴404一端与展开角度传感器402相连，展开摆臂轴404另一端与展开摆臂405固定相连，展开摆臂405倾斜于展开摆臂座401下方；则展开摆臂轴404和展开摆臂405共同转动，其转动角度可由与展开摆臂轴404相连的展开角度传感器402测得；

在展开摆臂座401上安装展开张紧扭簧406，展开张紧扭簧406一端插入展开摆臂座401上的孔内，另一端插入展开摆臂405上一端的孔内，则在展开张紧扭簧406扭矩的作用下，展开摆臂405有向靠近底座301方向转动的趋势；展开线轮座407通过轴承安装于展开摆臂405末端，可以绕其自由转动；在展开线轮座407上安装有两个周向相切并有凹槽的展开线轮408，由此使两个凹槽间形成穿线通道；在展开摆臂座401下部也安装有一个展开线轮408；第一级套接筒101内侧的展开绳201穿过展开摆臂座401上展开线轮408的凹槽，再通过展开线轮座407上两展开线轮408间的穿线通道与驱动模块5相连；

展开绳201上拉力较大时，带动展开摆臂405向远离底座301方向转动，当展开绳201长度变长处于松弛状态时，展开摆臂405在展开张紧扭簧406的作用下向靠近底座301方向转动，即可使得展开绳201再次张紧。

所述驱动模块5分为展开驱动模块和收拢驱动模块两部分。

如图1所示，展开驱动模块包括展开电机501、左展开支撑座502、展开绕线辊503和右展开支撑座504；

展开电机501端面安装于左展开支撑座502上，展开电机501输出轴与展开绕线辊503通过键配合连接；展开绕线辊503两端通过轴承分别安装于左展开支撑座502与右展开支撑座504上；左展开支撑座502和右展开支撑座504均固定安装于驱动底板509上，驱动底板509安装于第一级套接筒101下端；展开绳201穿过左右两端展开张紧模块4上的展开线轮408上的穿线通道后分别缠绕在展开绕线辊503上。

在展开电机501的驱动下，当展收机构展开时，展开绕线辊503正转使得展开绳201在其上缠绕，当展收机构收拢时，使得展开绳201在其上放卷。

收拢驱动模块包括收拢电机505、左收拢支撑座506、收拢绕线辊507和右收拢支撑座508；收拢电机505端面安装于左展收拢支撑座506上，收拢电机505输出轴与收拢绕线辊507通过键配合连接；收拢绕线辊507两端通过轴承分别安装于左收拢支撑座506与右收拢支撑座508上，左收拢支撑座506和右收拢支撑座508均安装于驱动底板509上；收拢绳202穿过收拢张紧模块3中两收拢线轮间310的穿线通道后缠绕在收拢绕线辊507上；

在收拢电机505的驱动下，当展收机构收拢时，收拢绕线辊507正转使得收拢绳202在其上缠绕，当展收机构展开时，使得收拢绳202在其上放卷。

控制模块如图5所示，包括控制柜、到位开关和上位机；

所述控制柜包括主控芯片、显示屏、操控面板、展开驱动器和收拢驱动器；主控芯片为整个控制系统的核心，显示屏、操控面板、展开驱动器、收拢驱动器均与主控芯片相连；上位机和到位开关分别与主控芯片相连；

显示屏实时显示控制系统信息，包括电机运行状态、角度传感器状态、展开及收拢到位信息；

操作面板包含一系列按钮和旋钮，可以向主控芯片发送控制命令；

展开驱动器、收拢驱动器与机械驱动系统中对应的展开电机、收拢电机分别相连，接收到主控芯片的控制命令后控制相应电机运行。

在第四级套接筒104末端和第一级套接筒101顶端均安装有到位开关，并与控制柜中主控芯片相连，当套接筒完全展开或者完全收拢时会触动相应到位开关，主控芯片接收到位信号后再进行相应控制；

上位机与控制柜中主控芯片相连；系统工作时，采集电机运行状态、到位信号、角度传感器状态等控制系统信息，并进行存储，便于后续进行分析与数据处理。

本发明所述的套接式展收机构绳驱动张紧装置的控制方法，包括展开过程和收拢过程两部分，能够使得套接式展收机构在展开和收拢过程中，放卷的被动绳始终处于张紧状态，绳上的张力维持在一定的范围内。

套接式展收机构展开过程中，展开绕线辊503在展开电机501的驱动下使得展开绳201在展开绕线辊503上缠绕，则展开绳201始终处于张紧的状态，如图6所示。而由于展开过程中收拢绳202长度变长，因此需要收拢绳202在收拢绕线辊507上放卷，随着收拢绳202长度的变化，收拢摆臂307会随之转动；当放卷速度过慢导致收拢绳202长度增大量小于套接筒展开的伸长量时，收拢摆臂307会顺时针转动，当转动到极限位置后，若不加快收拢绳202的放卷速度，则收拢绳会成为阻碍机构展开的阻力；反之，当放卷速度过快导致收拢绳202长度增大量大于套接筒展开的伸长量时，在扭簧扭矩的作用下收拢摆臂307会逆时针转动，使得绳索处于张紧状态，当转动到极限位置后，若不减慢收拢绳202的放卷速度，则无法继续使得绳索处于张紧状态，绳索可能钩挂到其它地方导致断裂；因此需要控制收拢绕线辊507的放卷速度，使得收拢绳202始终处于张紧的状态，其上的张力保持在一定的范围内。如图6所示，通过试验标定得到收拢摆臂307的上下极限位置D_min和D_max，当收拢摆臂307在这两个极限位置之间摆动时，收拢绳202既不太短成为运动阻力，又不会太长发生钩挂。收拢摆臂307的转动位置可通过收拢角度传感器304进行监测，收拢摆臂307的上下极限位置，分别对应角度传感器值SD_min和SD_max，即当监测得到的角度传感器值SD在这个范围内时说明摆臂也在上下极限位置之间。

展开过程如图7所示，具体步骤如下：

步骤一、将套接筒模块、驱动绳模块、张紧模块、驱动模块以及控制模块分别上电初始化；

步骤二、分别设置展开电机和收拢电机的初始速度，开始运动；

展开电机和收拢电机的初始速度分别设置为v和0.5v；

展开电机带动展开绕线辊转动，使得展开绳在展开绕线辊上缠绕；同时，收拢电机带动收拢绕线辊转动，使得收拢绳从收拢绕线辊上放卷。

当展开摆臂转动到极限位置时，展开电机速度不变，收拢电机继续带动收拢绕线辊放卷，随着套接筒的展开以及收拢绳长度的变化，收拢摆臂随之摆动；在展开绳的作用下，各级套接筒沿轴向伸展展开；

步骤三、主控芯片实时接收收拢角度传感器的值SD，判断是否在SD_min≤SD≤SD_max范围内，如果是，进入步骤五；否则，进入步骤四；

SD_min是指收拢摆臂转动到使收拢绳张力最小位置时收拢角度传感器对应的极限值；SD_max是指收拢摆臂转动到使收拢绳张力最大位置时收拢角度传感器对应的极限值；

步骤四、判断收拢角度传感器值是否SD＞SD_max；如果是，增大收拢电机的速度，使得收拢摆臂逆时针转动，收拢角度传感器值SD减少后，进入步骤三；否则，停止收拢电机运动，随着各级套接筒的展开使得收拢角度传感器值SD增大，进入步骤三；

增大收拢电机的速度为1.5v；收拢绳在收拢绕线辊上的放卷速度增大，进而使得收拢摆臂逆时针转动，收拢角度传感器值SD减少；

收拢电机停止运动时，收拢绳在收拢绕线辊上停止放卷，进而使得收拢摆臂顺时针转动，收拢角度传感器值SD增大；

步骤五、维持收拢电机和展开电机的转速不变；

步骤六、判断第四级套接筒末端的展开到位开关是否触发，如果是，进入步骤七；否则，返回步骤三；

步骤七、套接式展收机构完全展开到位，所有电机停止运动。

针对收拢过程的控制方法，套接式展收机构收拢过程中，收拢绕线辊507在收拢电机505的驱动下使得收拢绳202在收拢绕线辊507上缠绕，则收拢绳202始终处于张紧的状态，如图8所示。而由于收拢过程中展开绳201长度变长，因此需要展开绳201在展开绕线辊503上放卷，随着展开绳201长度的变化，展开摆臂405会随之转动；当放卷速度过慢导致展开绳201长度增大量小于套接筒收拢的伸长量时，展开摆臂405会朝着远离底座301的方向转动，当转动到极限位置后，若不加快展开绳201的放卷速度，则展开绳会成为阻碍机构收拢的阻力；反之，当放卷速度过快导致展开绳201长度增大量大于套接筒收拢的伸长量时，在扭簧扭矩的作用下展开摆臂405会朝着靠近底座301的方向转动，使得绳索处于张紧状态，当转动到极限位置后，若不减慢展开绳201的放卷速度，则无法继续使得绳索处于张紧状态，绳索可能钩挂到其它地方导致断裂；因此需要控制展开绕线辊503的放卷速度，使得展开绳201始终处于张紧的状态，其上的张力保持在一定的范围内。

如图8所示，通过试验标定得到展开摆臂405的上下极限位置UD_min和UD_max，当展开摆臂405在这两个极限位置之间摆动时，展开绳201既不太短成为运动阻力，又不会太长发生钩挂。展开摆臂405的转动位置可通过展开角度传感器402进行监测，展开摆臂405的上下极限位置UD_min和UD_max分别对应角度传感器值SUD_min和SUD_max，即当监测得到的角度传感器值SUD在这个范围内时说明摆臂也在上下极限位置之间。

如图9所示，具体步骤如下：

步骤I、将套接筒模块、驱动绳模块、张紧模块、驱动模块以及控制模块分别上电初始化；

步骤II、分别设置展开电机和收拢电机的初始速度，开始运动；

设置展开、收拢电机分别以速度v、0.5v开始运动，收拢电机带动收拢绕线辊转动，使得收拢绳在收拢绕线辊上缠绕；在收拢绳的作用下，收拢摆臂转动到极限位置；同时，展开电机带动展开绕线辊转动，使得展开绳在展开绕线辊上放卷；随着套接筒的收拢以及展开绳长度的变化，展开摆臂随之摆动；在收拢绳的作用下，各级套接筒沿轴向收拢；

步骤III、主控芯片实时接收展开角度传感器的值SUD，判断是否在SUD_min≤SUD≤SUD_max范围内，如果是，进入步骤V；否则，进入步骤IV；

SUD_min是指展开摆臂转动到使展开绳张力最小位置时展开角度传感器对应的极限值；SUD_max是指展开摆臂转动到使展开绳张力最大位置时展开角度传感器对应的极限值；

步骤IV、判断展开角度传感器值是否SUD＞SUD_max；如果是，增大展开电机的速度，使得展开摆臂向上转动，展开角度传感器值SUD减少后，进入步骤III；否则，停止展开电机运动，随着各级套接筒的收拢使得展开角度传感器值SUD增大，进入步骤III；

设置展开电机以速度1.5v运动，随着展开电机速度的增大，展开绳在展开绕线辊上的放卷速度增大，进而使得展开摆臂朝着展开角度传感器值SUD减少的方向转动；

如果展开电机停止运动，此时展开绳在展开绕线辊上停止放卷，进而使得展开摆臂朝着展开角度传感器值SUD增大的方向转动；

步骤V、维持展开电机和收拢电机转速不变；

步骤VI、判断第一级套接筒顶端的收拢到位开关是否触发，如果是，进入步骤VII；否则，返回步骤III；

步骤VII、套接式展收机构完全收拢到位，所有电机停止运动。

此套接式展收机构可应用在航天领域，用于可折叠太阳翼的展开和收拢。在发射过程中收拢为较小面积便于存储在运载火箭中；进入太空后，可以展开成较大的面积。

Claims (7)

1.一种套接式展收机构绳驱动张紧装置，其特征在于，包括套接筒模块、驱动绳模块、张紧模块、驱动模块以及控制模块；

所述套接筒模块由四个直径不等的空心圆筒相互嵌套而成，从外向内依次为第一级套接筒、第二级套接筒、第三级套接筒和第四级套接筒；在第一级套接筒、第二级套接筒和第三级套接筒的上部内侧安装有顶部线轮，在第二级套接筒、第三级套接筒和第四级套接筒的下部外侧安装有底部线轮；所述的顶部线轮和底部线轮用于安装驱动绳模块；

所述驱动绳模块包括展开绳和收拢绳；展开绳依次穿过各级套接筒上的顶部线轮和底部线轮，在各级套接筒之间往复排布，且展开绳两端分别连接张紧模块中的展开绳张紧模块；收拢绳一端与最内层的第四级套接筒下端固定，另一端穿过第三级套接筒后连接张紧模块中的收拢绳张紧模块；

所述张紧模块包括一套收拢绳张紧模块和两套对称的展开绳张紧模块；

所述收拢绳张紧模块位于第二级套接筒的底端中心位置，包括底座、支撑杆、收拢摆臂座、收拢角度传感器、收拢传感器座、收拢摆臂轴、收拢摆臂、收拢张紧扭簧、收拢线轮座和收拢线轮；

底座安装在第二级套接筒下端；支撑杆垂直安装于底座中心；收拢摆臂座安装于底座上；收拢传感器座与收拢摆臂座处于并列位置，固定在底座侧面上，用于安放收拢角度传感器；

在收拢摆臂座上通过轴承固定安装收拢摆臂轴，收拢摆臂轴一端与收拢角度传感器相连，另一端穿过收拢摆臂座与收拢摆臂固定相连；收拢摆臂倾斜于收拢摆臂座上方；

同时在收拢摆臂座上还安装收拢张紧扭簧，收拢张紧扭簧一端固定安放在收拢摆臂座上，另一端插入收拢摆臂上的一端的孔内；收拢摆臂的另一端通过轴承安装收拢线轮座；收拢线轮座上安装两个收拢线轮，同时在支撑杆顶部、底座下表面中部也分别安装有两收拢线轮；

所述的收拢绳另一端首先穿过支撑杆顶部的两收拢线轮间的穿线通道，再穿过收拢线轮座上的两收拢线轮间穿线通道，最后穿过底座下表面中部的两收拢线轮间的穿线通道与驱动模块相连；

两套展开绳张紧模块对称安装在收拢绳张紧模块的底座两端；每个展开绳张紧模块均包括展开摆臂座、展开角度传感器、展开传感器座、展开摆臂轴、展开摆臂、展开张紧扭簧、展开线轮座和展开线轮；

展开摆臂座安装于底座下表面的一端；展开传感器座与展开摆臂座处于并列位置，固定在底座下表面的另一端，用于安装展开角度传感器；

展开摆臂座上通过轴承安装展开摆臂轴，展开摆臂轴一端与展开角度传感器相连，另一端穿过展开摆臂座与展开摆臂固定相连；展开摆臂倾斜于展开摆臂座下方；

同时在展开摆臂座上安装展开张紧扭簧；展开张紧扭簧一端插入展开摆臂座上的孔内，另一端插入展开摆臂上一端的孔内；展开摆臂的另一端通过轴承安装展开线轮座；在展开线轮座上安装有两个展开线轮；同时在展开摆臂座下部也安装有一个展开线轮；

展开绳两端分别穿过展开摆臂座上的两展开线轮间的穿线通道，再通过展开线轮座上的两展开线轮间的穿线通道与驱动模块相连；

所述驱动模块分为展开驱动模块和收拢驱动模块两部分；

展开驱动模块包括展开电机、左展开支撑座、展开绕线辊和右展开支撑座；

展开电机端面安装于左展开支撑座上，展开电机输出轴与展开绕线辊通过键配合连接；展开绕线辊两端通过轴承分别安装于左展开支撑座与右展开支撑座上；左展开支撑座和右展开支撑座分别固定安装于驱动底板上，驱动底板固定安装于第一级套接筒下端；展开绳穿过左右两端展开线轮座上的穿线通道后分别缠绕在展开绕线辊上；

收拢驱动模块包括收拢电机、左收拢支撑座、收拢绕线辊和右收拢支撑座；

收拢电机端面安装于左收拢支撑座上，收拢电机输出轴与收拢绕线辊通过键配合连接；收拢绕线辊两端通过轴承分别安装于左收拢支撑座与右收拢支撑座上，左收拢支撑座和右收拢支撑座分别固定安装于驱动底板上；收拢绳穿过底座下表面中部的穿线通道后缠绕在收拢绕线辊上；

控制模块包括控制柜，到位开关和上位机；

控制柜包括主控芯片，展开驱动器和收拢驱动器；上位机和到位开关分别与主控芯片相连；主控芯片为整个控制模块的核心，展开驱动器和收拢驱动器均与主控芯片相连，同时展开驱动器连接展开电机；收拢驱动器连接收拢电机；当展开驱动器和收拢驱动器接收到主控芯片的控制命令后控制相应电机运行；主控芯片同时连接收拢角度传感器和展开角度传感器，根据角度传感器的信号值，调整展开电机或收拢电机的转速；

到位开关分别安装在第四级套接筒末端和第一级套接筒顶端，并与主控芯片相连，当套接筒完全展开或者完全收拢时会触动相应到位开关，主控芯片接收到位信号后再进行相应控制。

2.如权利要求1所述的一种套接式展收机构绳驱动张紧装置，其特征在于，所述的套接筒模块中各级套接筒通过键配合实现周向定位，通过套接筒上下端法兰台阶实现轴向限位。

3.如权利要求1所述的一种套接式展收机构绳驱动张紧装置，其特征在于，所述的两个收拢线轮相切且周向有凹槽，由此使两个凹槽间形成穿线通道。

4.如权利要求1所述的一种套接式展收机构绳驱动张紧装置，其特征在于，所述的收拢张紧扭簧在展开过程中，给收拢摆臂产生逆时针方向转动的扭矩，避免收拢绳由于松弛而钩挂到其它部件上；

所述的收拢角度传感器用于监测收拢摆臂的摆动角度，进而反映出收拢绳的张紧程度，便于系统进行张力控制。

5.如权利要求1所述的一种套接式展收机构绳驱动张紧装置，其特征在于，所述的两个展开线轮相切且周向有凹槽，由此使两个凹槽间形成穿线通道。

6.如权利要求1所述的一种套接式展收机构绳驱动张紧装置，其特征在于，所述的两个展开张紧扭簧在收拢过程中，分别给展开摆臂产生向上运动趋势的扭矩，避免展开绳由于松弛而钩挂到其它部件上；

所述的展开角度传感器用于监测展开摆臂的摆动角度，进而反映出展开绳的张紧程度，便于系统进行张力控制。

7.对权利要求1所述的一种套接式展收机构绳驱动张紧装置的实施控制方法，其特征在于，包括展开过程和收拢过程两部分，具体步骤如下：

针对展开过程的控制方法，具体步骤如下：

步骤一、将套接筒模块、驱动绳模块、张紧模块、驱动模块以及控制模块分别上电初始化；

步骤二、分别设置展开电机和收拢电机的初始速度，开始运动；

展开电机带动展开绕线辊转动，使得展开绳在展开绕线辊上缠绕；同时，收拢电机带动收拢绕线辊转动，使得收拢绳从收拢绕线辊上放卷；

步骤三、主控芯片实时接收收拢角度传感器的值SD，判断是否在SD_min≤SD≤SD_max范围内，如果是，进入步骤五；否则，进入步骤四；

SD_min是指收拢摆臂转动到使收拢绳张力最小位置时收拢角度传感器对应的极限值；SD_max是指收拢摆臂转动到使收拢绳张力最大位置时收拢角度传感器对应的极限值；

步骤四、判断收拢角度传感器值是否SD＞SD_max；如果是，增大收拢电机的速度，使得收拢摆臂逆时针转动，收拢角度传感器值SD减少后，进入步骤三；否则，停止收拢电机运动，随着各级套接筒的展开使得收拢角度传感器值SD增大，进入步骤三；

步骤五、维持收拢电机和展开电机的转速不变；

步骤六、判断第四级套接筒末端的展开到位开关是否触发，如果是，进入步骤七；否则，返回步骤三；

步骤七、套接式展收机构完全展开到位，所有电机停止运动；

针对收拢过程的控制方法，具体步骤如下：

步骤I、将套接筒模块、驱动绳模块、张紧模块、驱动模块以及控制模块分别上电初始化；

步骤II、分别设置展开电机和收拢电机的初始速度，开始运动；

收拢电机带动收拢绕线辊转动，使得收拢绳在收拢绕线辊上缠绕；同时，展开电机带动展开绕线辊转动，使得展开绳在展开绕线辊上放卷；

步骤III、主控芯片实时接收展开角度传感器的值SUD，判断是否在SUD_min≤SUD≤SUD_max范围内，如果是，进入步骤V；否则，进入步骤IV；

SUD_min是指展开摆臂转动到使展开绳张力最小位置时展开角度传感器对应的极限值；SUD_max是指展开摆臂转动到使展开绳张力最大位置时展开角度传感器对应的极限值；

步骤IV、判断展开角度传感器值是否SUD＞SUD_max；如果是，增大展开电机的速度，使得展开摆臂向上转动，展开角度传感器值SUD减少后，进入步骤III；否则，停止展开电机运动，随着各级套接筒的收拢使得展开角度传感器值SUD增大，进入步骤III；

步骤V、维持展开电机和收拢电机转速不变；

步骤VI、判断第一级套接筒顶端的收拢到位开关是否触发，如果是，进入步骤VII；否则，返回步骤III；

步骤VII、套接式展收机构完全收拢到位，所有电机停止运动。