一種環形桁架式大型空間可展機構的製作方法
2023-05-30 15:27:36
一種環形桁架式大型空間可展機構的製作方法
【專利摘要】本發明提供了一種環形桁架式大型空間可展機構，其由若干相同的6R機構可展單元首尾相接組成環形；其中，6R機構可展單元上下對稱且左右對稱，其包括：兩根相同的支撐杆，該兩根支撐杆縱向平行設置；四根相同的弦杆，其包括兩根上弦杆、兩根下弦杆；兩根上弦杆的始端通過轉動副分別連接於兩根支撐杆的上端；兩根上弦杆的末端通過轉動副互相連接；兩根下弦杆的始端通過轉動副分別連接於兩根支撐杆的下端；兩根下弦杆的末端通過轉動副互相連接；其中，每個弦杆均通過滑塊曲柄機構與相鄰的支撐杆可動連接，滑塊套設於支撐杆；曲柄的一端通過轉動副連接於弦杆，另一端通過轉動副連接於滑塊；支撐杆的長度大於弦杆長度的兩倍。本發明的環形桁架式大型空間可展機構具有高摺疊比。
【專利說明】一種環形桁架式大型空間可展機構
【技術領域】
[0001]本發明屬於太空飛行器材與設備【技術領域】，涉及一種環形桁架式單自由度機構，其可用於衛星拋物面天線、大型空間反射器支撐桁架。
【背景技術】
[0002]隨著衛星通信、深空探測、地球觀測技術的迅猛發展，對宇航空間機構的應用需求變得愈加迫切。實際需要的宇航空間機構的尺寸越來越大，精度越來越高，但由於受到航天運載工具的運載空間的限制，要求宇航空間機構在發射階段必須摺疊起來收攏於整流罩內，待太空飛行器進入軌道後，再靠自帶的動力源將其展開至工作狀態。宇航空間可展機構具有可重複展收功能，因此其具有廣闊的應用前景和重要的研究價值。該類機構在空間站、通訊衛星平臺、太空望遠鏡、太空梭、星球探測器等太空飛行器上被廣泛採用，如美國用於三維地形觀測的60m可折展雷達支撐臂、國際空間站主太陽翼支撐龍骨、俄羅斯「聯盟號」飛船上的四面體構架天線、日本ETS-8衛星上的13m 口徑構架型天線等。
[0003]中國專利申請201110057519.X公開了一種大型空間組裝式天線反射器模塊單元及其組裝方法，模塊單元包括六邊形可展開柑架、反射繩網以及聯繩裝置；六邊形可展開桁架包括頂鉸鏈、同步動力鉸鏈、環向杆、中間斜杆；長度相同的兩個環向杆通過同步動力鉸鏈組成同步摺疊杆，一根同步摺疊杆與兩根中間斜杆通過二個頂鉸鏈連接組成一個平面二角形結構單元，12個平面二角形結構單元通過共用中間斜杆及頂鉸鏈相互連接，組成一個環狀即形成天線反射器模塊單元柑架，連接時相鄰兩個二角形結構單元的同步摺疊杆在空間上相互錯開，在空間上形成兩層大小不同、頂點位置交錯的六邊形；反射繩網包括反射電磁波用的金屬網與調整金屬網形面的調整繩，金屬網縫合在調整繩上，調整繩與上述模塊單元桁架通過頂鉸鏈固定，聯繩裝置主要用於將反射繩網和六邊形可展開桁架連接、固定。
[0004]中國專利03117075.7公開了一種高剛性同步展開摺疊空間伸展臂，由可重複擴展的可展開摺疊桁架單元、驅動系統，電源系統及支承空間平臺組成，可展開摺疊桁架單元是組成一個伸展臂的最基本單元，單元之間可通過標準三角形接點連接，驅動系統位於伸展臂底端三角形空間內，與支承空間平臺連接，同時與電源系統通過傳動軸連接。
[0005]含柔性索網的大型環形桁架天線是一種比較成熟的大型網狀展開天線，其展開口徑可達百米，同時系統質量不會隨天線展開覆蓋面積成比例增大，所以其越來越受到科學界的重視。環形桁架式展開機構為該類天線的主要支撐桁架，由單一多邊形或者多個多邊形組合，通過張拉聯繫索施加預拉力，使布置於環形桁架兩側的反射面索網形成所需的拋物面。美國TRW Astro Aerospace公司根據平行四邊形對角可伸縮的特點,研製出一種基於平行四邊形單元的環形桁架式可展機構，現成功應用於太空通信任務。該方案展開簡單，驅動源單一，但由於存在多組圓錐齒輪嚙合，導致加工裝配的成本較高，同時該方案的摺疊比還有待提高。我國相關科研機構對空間可展機構開展了一系列前瞻性的研究工作，並取得一定成果，但是目前尚無大型複雜的空間可展機構付諸應用。
【發明內容】
[0006]針對現有技術的缺點，本發明的目的是提供一種高摺疊比的空間可展機構。
[0007]為了實現上述目的，本發明提供了一種環形桁架式大型空間可展機構，其由若干相同的6R機構可展單元首尾相接組成環形；其中，6R機構可展單元上下對稱且左右對稱，其包括:
[0008]兩根相同的支撐杆，該兩根支撐杆縱向平行設置；
[0009]四根相同的弦杆，其包括兩根上弦杆、兩根下弦杆；兩根上弦杆的始端通過轉動副分別連接於兩根支撐杆的上端；兩根上弦杆的末端通過轉動副互相連接；兩根下弦杆的始端通過轉動副分別連接於兩根支撐杆的下端；兩根下弦杆的末端通過轉動副互相連接；
[0010]其中，每個弦杆均通過滑塊曲柄機構與相鄰的支撐杆可動連接，滑塊套設於支撐杆；曲柄的一端通過轉動副連接於弦杆，另一端通過轉動副連接於滑塊；
[0011]支撐杆的長度大於弦杆長度的兩倍。
[0012]本發明中，6R機構是指該機構的支撐杆和弦杆通過6個轉動副(revolving pair)連接。
[0013]本發明中，四根弦杆可以摺疊在兩根支撐杆內側。兩根上弦杆形成V型杆，兩根下弦杆形成V型杆。
[0014]本發明中，多個相同參數的6R機構可展單元，可以組成一個環形，構造一個大型空間可展機構。通過改變相鄰單元所在展開平面的夾角的大小，可以構造圓形或者橢圓形桁架，用來支撐不同參數的大型空間展開天線金屬索網。
[0015]本發明提出了一種基於6R機構可展單元，通過雙滑塊曲柄機構對模塊單元進行連接，而構造的環形桁架式大型空間可展機構。該機構由平面對稱6R機構組成，特點是利用雙滑塊曲柄機構將相鄰的多個6R可展單元連接成一個環形機構且運動自由度為1，通過電機驅動繩索或者利用內置扭簧實現機構的展開。由於單個6R機構的運動自由度為3，本發明利用繩索同步機構實現了 6R機構內上下V型杆的同步運動，使得機構單元自由度為
I。同時，利用雙滑塊曲柄機構實現基本組成單元間的聯動，從而實現大型空間可展機構的同步展開。該機構摺疊比高，展開性能良好，可靠性高，適用於大型空間可展天線的構造。
[0016]根據本發明另一【具體實施方式】，6R機構可展單元的展開狀態為:兩條上弦杆與兩條下弦杆橫向拉直，與支撐杆垂直，構成長方形桁架，滑塊曲柄機構的曲柄為腹杆。
[0017]根據本發明另一【具體實施方式】，6R機構可展單元的摺疊狀態為:兩條上弦杆與兩條下弦杆縱向排布，與所述支撐杆平行。
[0018]根據本發明另一【具體實施方式】，相鄰的兩個6R機構可展單元共用一根支撐杆以及該支撐杆上的滑塊。
[0019]根據本發明另一【具體實施方式】，通過繩索同步系統，將兩個6R機構可展單元組裝在一起，實現兩個6R機構可展單元的同步展開運動。
[0020]根據本發明另一【具體實施方式】，通過繩索驅動或扭簧驅動，實現所有6R機構可展單元的同步展開。
[0021]根據本發明另一【具體實施方式】，6R機構可展單元的支撐杆的上端和下端具有向內垂直彎折形成的彎折部，弦杆通過轉動副連接於彎折部的末端。
[0022]與現有技術相比，本發明具有以下優點:[0023]本發明的環形桁架式大型空間可展機構由多個平面6R機構可展單元組成，與平行四邊形的基本可展單元相比，摺疊比提高很多，相同收攏體積的條件下，可以構造更大展開面積的環形桁架。同時本發明的環形桁架式大型空間可展機構整體運動自由度為1，可以實現多個單元的同步展開運動，展開性能更高，易於實現單電機驅動。其內部只包含移動副和轉動副，避免了同步圓錐齒輪的出現，降低了加工製造的成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1為實施例1中，6R機構可展單元的機構簡圖；
[0025]圖2為由2個6R機構可展單元組成的可展機構的摺疊狀態；
[0026]圖3為由2個6R機構可展單元組成的可展機構的展開中間狀態；
[0027]圖4為由2個6R機構可展單元組成的可展機構的完全展開狀態；
[0028]圖5為一個支撐杆上的滑塊同步運動繩索的布置示意圖；
[0029]圖6為繩索驅動方式的布置示意圖；
[0030]圖7為由12個6R機構可展單元組成的環形桁架式可展機構的摺疊狀態；
[0031]圖8為由12個6R機構可展單元組成的環形桁架式可展機構的展開中間狀態一；
[0032]圖9為由12個6R機構可展單元組成的環形桁架式可展機構的展開中間狀態二 ；
[0033]圖10為由12個6R機構可展單元組成的環形桁架式可展機構的完全展開狀態；
[0034]圖11為扭簧驅動方式的布置示意圖。
【具體實施方式】
[0035]實施例1
[0036]如圖7-圖10所示，本實施例的環形桁架式大型空間可展機構由若干(12個)相同的6R機構可展單元首尾相接組成環形。
[0037]如圖1所示，6R機構可展單元上下對稱且左右對稱，其包括:
[0038]兩根相同的支撐杆101、102，該兩根支撐杆101、102縱向平行設置；支撐杆的上端和下端具有向內垂直彎折形成的彎折部，弦杆通過轉動副連接於彎折部的末端。
[0039]四根相同的弦杆，其包括兩根上弦杆201、202，兩根下弦杆301、302 ;兩根上弦杆201,202的始端通過轉動副分別連接於兩根支撐杆101、102的上端；兩根上弦杆201、202的末端通過轉動副互相連接；兩根下弦杆301、302的始端通過轉動副分別連接於兩根支撐杆101、102的下端；兩根下弦杆301、302的末端通過轉動副互相連接；
[0040]其中，每個弦杆均通過滑塊曲柄機構4與相鄰的支撐杆可動連接，滑塊401套設於支撐杆；曲柄402的一端通過轉動副連接於弦杆，另一端通過轉動副連接於滑塊401 ；
[0041]支撐杆的長度大於弦杆長度的兩倍。
[0042]如圖2所示，6R機構可展單元的摺疊狀態為:兩條上弦杆與兩條下弦杆縱向排布，與所述支撐杆平行。
[0043]圖3所示為由2個6R機構可展單元組成的可展機構的展開中間狀態，此時，兩根上弦杆形成V型杆，兩根下弦杆形成V型杆。另外，從圖3中可看出，相鄰的兩個6R機構可展單元共用一根支撐杆以及該支撐杆上的滑塊。
[0044]如圖4所示，6R機構可展單元的展開狀態為:兩條上弦杆與兩條下弦杆橫向拉直，與支撐杆垂直，構成長方形桁架，滑塊曲柄機構的曲柄為腹杆。
[0045]圖5為一個支撐杆上的滑塊同步運動繩索布置示意圖。支撐杆101上面的兩個滑塊401通過兩根繞過支撐杆101兩端的滑輪502的繩索502連接在一起，可以實現兩個滑塊401同時向內或者同時向外的運動。通過支撐杆上的滑塊同步系統，可以將單個展開單元的運動自由度變為1，實現機構的穩定展開。
[0046]本實施例中，通過繩索驅動，實現所有6R機構可展單元的同步展開。圖6為繩索驅動方式的布置不意圖。該繩索驅動系統包括電機、驅動索605、固結於杆上的定滑輪601、固結於滑塊上的動滑輪602、繩索位移補償彈簧603、滑塊壓緊彈簧604等組成。如圖6所示，通過電機帶動驅動索605沿圖中所示方向拉緊，可使得支撐杆101上的兩個滑塊同時向兩端運動，通過短連杆(曲柄)作用於上下弦杆，使其平穩展開。由於雙滑塊曲柄機構和滑塊同步繩索的作用，保證了空間展開機構各單元杆件運動的同步性。圖中滑塊壓緊彈簧604提供了部分驅動展開阻力，避免了展開過程中繩索出現鬆弛現象。繩索位移補償彈簧603在機構完全展開瞬間時，避免繩索拉力的忽然增大，起到保護電機的作用，在機構完全展開鎖定後，避免繩索鬆弛，補償繩索伸長的位移。當機構完全展開後，上下弦杆之間的關節鎖定，同時電機對繩索施加一定的張緊力，然後鎖定。
[0047]實施例2
[0048]本實施例與實施例1的區別在於:通過扭簧驅動，實現所有6R機構可展單元的同步展開。圖11為扭簧驅動方式的布置示意圖。如圖11所示，在機構弦杆之間的轉動關節A、B、C、D處分別安裝大轉矩扭簧，扭簧與轉動關節同軸，兩端分別固定於關節兩側的杆件上。兩條繩索如圖中所示交錯布置，一端與位移補償彈簧相連，另一端與電機驅動端相連。當機構處於收攏狀態時，扭簧處於壓緊狀態，輸出力矩最大。當機構解鎖後，上下弦杆在扭簧力矩的作用下開始展開，同時通過控制兩條釋放索的釋放速度，來避免扭簧力矩過大造成的衝擊碰撞現象的出現，實現機構的平穩、均勻展開。當機構完全展開、轉動關節鎖死後，通過控制電機來拉緊釋放索，以增加機構的內部張力，提高桁架的整體剛度。
[0049]雖然本發明以較佳實施例揭露如上，但並非用以限定本發明實施的範圍。任何本領域的普通技術人員，在不脫離本發明的發明範圍內，當可作些許的改進，即凡是依照本發明所做的同等改進，應為本發明的範圍所涵蓋。
【權利要求】
1.一種環形桁架式大型空間可展機構，其由若干相同的6R機構可展單元首尾相接組成環形；其中，所述6R機構可展單元上下對稱且左右對稱，其包括: 兩根相同的支撐杆，所述兩根支撐杆縱向平行設置； 四根相同的弦杆，其包括兩根上弦杆、兩根下弦杆；所述兩根上弦杆的始端通過轉動副分別連接於所述兩根支撐杆的上端；所述兩根上弦杆的末端通過轉動副互相連接；所述兩根下弦杆的始端通過轉動副分別連接於所述兩根支撐杆的下端；所述兩根下弦杆的末端通過轉動副互相連接； 其中，每個所述弦杆均通過滑塊曲柄機構與相鄰的支撐杆可動連接，所述滑塊套設於所述支撐杆；所述曲柄的一端通過轉動副連接於所述弦杆，另一端通過轉動副連接於所述滑塊； 所述支撐杆的長度大於所述弦杆長度的兩倍。
2.如權利要求1所述的大型空間可展機構，其中，所述6R機構可展單元的展開狀態為:兩條上弦杆與兩條下弦杆橫向拉直，與支撐杆垂直，構成長方形桁架，所述滑塊曲柄機構的曲柄為腹杆。
3.如權利要求1所述的大型空間可展機構，其中，所述6R機構可展單元的摺疊狀態為:兩條上弦杆與兩條下弦杆縱向排布，與所述支撐杆平行。
4.如權利要求1所述的大型空間可展機構，其中，相鄰的兩個所述6R機構可展單元共用一根支撐杆以及該支撐杆上的滑塊。
5.如權利要求4所述的大型空間可展機構，其中，通過繩索同步系統，將兩個所述6R機構可展單元組裝在一起，實現兩個6R機構可展單元的同步展開運動。
6.如權利要求1所述的大型空間可展機構，其中，通過繩索驅動或扭簧驅動，實現所有所述6R機構可展單元的同步展開。
7.如權利要求1-6之一所述的大型空間可展機構，其中，所述6R機構可展單元的支撐杆的上端和下端具有向內垂直彎折形成的彎折部，所述弦杆通過轉動副連接於所述彎折部的末端。
【文檔編號】H01Q1/08GK103794842SQ201410055607
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年2月18日 優先權日:2014年2月18日
【發明者】李兵, 齊曉志, 黃海林, 鄧宗全 申請人:哈爾濱工業大學深圳研究生院