CN102501988B - 一种探测载荷支撑用伸缩式空间伸杆机构 - Google Patents

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一种探测载荷支撑用伸缩式空间伸杆机构,主要由存储部分、传动部分和支撑部分组成。存储部分用于存储卷曲后的伸杆;传动部分用于传递力矩,电机提供主动力矩,带动主动引导轮转动,引导伸杆展开;支撑部分用于保持伸杆系统各部分的相对位置。三个部分协同工作,构成整个系统。其优点在于:伸杆机构伸缩比大,减轻了整个系统的重量;存储部分的扭转弹簧,保证了伸杆的顺利收回;伸杆展开过程平稳,减小了伸杆对卫星本体姿态的影响;位置可控的电机,保证了展开位置的精度。本发明可应用于小型卫星探测载荷的展开,相对于现有伸杆机构具有伸缩比大、可收回、展开平稳、位置可控等优点。

Description

一种探测载荷支撑用伸缩式空间伸杆机构
技术领域
[0001] 本发明涉及空间探测技术领域,涉及一种探测载荷支撑用伸缩式空间伸杆机构,适用于小型卫星探测载荷支撑。
背景技术
[0002] 空间展开机构是实现太阳帆、天线展开、探测载荷支撑等功能的主要机构之一,随着研究深入,该技术日臻成熟,出现了多种不同的空间展开机构。主要分为桁架式展开机构、充气式展开机构和伸缩式展开机构。
[0003] 桁架式展开机构,利用铰链连接杆,形成网格状的展开结构。其优点是机构性能好,长度大,缺点是笨重,结构复杂。主要应用于空间探测器、较大型的太阳电池帆板及重力梯度杆。
[0004] 充气式展开机构,以柔性薄膜材料制造,内部为空腔,可进行充气展开。优点是质量轻,折叠效率高,缺点是可靠性不足,结构易硬化。主要应用于大型次结构体的展开。
[0005] 随着空间任务的发展,微小卫星的应用越来越广泛,这要求空间展开机构必须具有小质量、大伸缩比等特点。伸缩式展开机构渐渐成为空间伸杆机构的发展方向。伸缩式展开机构可以分为套筒伸缩式展开机构和薄壁管伸缩式展开机构。
[0006] 套筒伸缩式展开机构,由一系列同心的圆柱形薄壁套筒组成,可以一个叠一个地收缩在一起,展开后有一部分重叠的部分,类似电视机的天线。其优点是伸缩比大、稳定性好,缺点是笨重、长度受限。主要应用于大型航天器,电池帆板。
[0007] 薄壁管伸缩式展开机构,主要利用金属薄壁壳材料的弹性变形,采用类似卷尺的自展开方式完成展开。其优点是重量轻、体积小,缺点是展开过程不可控,不能收回。主要应用于小型航天器。
[0008] 上述的两种类型的伸缩式空间展开机构都存在不足,套筒伸缩式展开机构比较笨重、长度受限,薄壁管伸缩式展开机构展开过程不可控、不能收回,都不能完全适应小卫星的技术需求。
发明内容
[0009] 本发明的目的是:克服现有技术的不足,提供一种伸缩比大、可收回、展开平稳、位置可控的伸缩式空间展开机构,保证探测载荷的支撑需要,适合小型卫星的技术要求。
[0010] 本发明的技术解决方案是:一种探测载荷支撑用伸缩式空间伸杆机构,其特征在于包括:存储部分、传动部分、支撑部分;所述存储部分包括:卷筒、固定板、扭转弹簧、中心轴、偏心轴、伸杆;所述传动部分包括:主动引导轮、被动引导轮、张紧轮、电机、滚子链、摆臂、拉紧弹簧、电机输出轮;所述支撑部分包括:支架壁、底板、支撑项圈、支撑臂;存储部分用于存储卷曲后的伸杆;传动部分用于引导伸杆展开;支撑部分用于保持整个伸杆机构各部分的相对位置;卷筒内部有中心轴和偏心轴,中心轴与支架壁固定,通过轴承与卷筒连接,偏心轴直接通过轴承与卷筒连接;卷筒内部安装有一对扭转弹簧,在伸杆展开过程中存储能量,收回过程中释放能量,每个扭转弹簧分别与中心轴和偏心轴相固定;伸杆的自然状态是展开状态,通过主动引导轮和被动引导轮的压平过程,可以紧密地卷曲到卷筒之上;伸杆的末端通过卷筒上的固定板与卷筒固定;主动引导轮与支架壁通过轴承连接,被动引导轮通过轴承与摆臂一端连接;摆臂中心可相对支架壁转动,另一端通过拉紧弹簧与底板固定;电机给整个系统提供动力,带动主动引导轮转动,引导伸杆展开,电机固定于电机架上,通过滚子链与主动引导轮相连;支撑项圈与伸杆的形状一样,通过支撑臂与支架壁、底板固定。
[0011] 所述张紧轮可以在支架壁上左右移动,调节滚子链的松紧。
[0012] 所述电机为直流无刷伺服电机,可以实现正转和反转、位置控制。
[0013] 所述主动引导轮,电机输出轮,张紧轮在同一垂直平面。
[0014] 所述卷筒的主体为一个铝制的圆筒,伸杆存储时卷曲在卷筒上。
[0015] 本发明的原理:如图1所示,为了实现伸杆机构展开与收回两个过程,首先采用电机驱动,实现正反转驱动,再设计了扭转弹簧,安装于卷筒内部。整个伸杆机构在伸杆展开与收回的过程中存在能量转换:在展开过程中,电机对系统提供能量,卷筒随之转动,伸杆将释放出来,扭转弹簧存储能量。在收回过程中,电机反转提供能量,卷筒随之反向转动,扭转弹簧释放能量,伸杆存储能量。但是,只有伸杆的能量、弹簧的能量和电机的能量之间满足一定的关系,才能保证伸杆顺利的展开和收回。
[0016] 首先考虑伸杆,伸杆从展开状态到存储状态要经过压平和卷曲两个过程,应力不能超过材料的限制,能量应该满足一定的关系。应力容易保证,能量计算过程如下。
[0017] 压平过程,半个伸杆截面尺寸图如图4所示,伸杆截面由三段相切的圆弧组成,伸杆材料厚度为t,材料弹性模量为E,泊松比为μ,伸杆长度为L,大圆弧弧长为L1,小圆弧弧长为L2,大圆弧半径为1^,小圆弧半径为r2。由材料力学知识可以推出,伸杆压平的能量Uboomflat:
[0018]
Figure CN102501988BD00041
[0019] 卷曲过程,伸杆被压平后,相当于成为两块平行放置的长板,只用计算长板被卷曲到卷筒上的能量变化。伸杆被压平后的宽度为W,卷筒的直径为D,由类似的方法可以推出,
伸杆卷曲的能量Ubtramaptral为:
[0020]
Figure CN102501988BD00042
[0021] 伸杆内的总能量Ub_total是压平过程能量与卷曲过程能量的和,因此有:
Figure CN102501988BD00043
[0023] 然后考虑扭转弹簧能量。如图5所示为扭转弹簧尺寸示意图,扭转弹簧由存储筒和输出筒组成,其中存储筒直径为Cl1,输出筒直径为d2,弹簧条厚度为,宽度为b,弹簧材料弹性模量为E1,泊松比为μ,扭转弹簧扭矩I;为:
[0024]
Figure CN102501988BD00044
[0025] 扭转弹簧存储的能量Usltting,可以通过扭矩对扭转角度的积分得到,考虑到扭转弹簧力矩几乎恒定,能量可筒化为力矩与角度的积:
Figure CN102501988BD00051
[0027] 扭转弹簧的作用是使伸杆紧密地卷曲在卷筒上,在伸杆收回的过程中,弹簧力矩主要用于卷曲伸杆,所以扭转弹簧能量应该大于伸杆弯曲需要的能量。引入净弯曲能量,为扭转弹簧能量与伸杆弯曲能量之和,显然应该随伸杆展开增加。净弯曲能量Unrt可以表示为:
[0028] Unet = Uboomflat+Uspring (6)
[0029] 以伸杆展开长度为变量,分别计算公式⑴、(2)、(3)、(5)、(6)式的各能量,就得到伸杆系统能量流动关系。可以得出,随着伸杆的展开,净弯曲能量是增加的,表明弹簧可以存储足够多的能量来弥补伸杆卷曲释放的能量,系统可以顺利的展开与收回。从伸杆系统能量流动关系,可以确定伸杆、弹簧、卷筒等结构参数,实现了伸杆机构的大伸缩比特点,并且保证伸杆机构顺利地展开和收回。
[0030] 如图2所示,为了保证展开过程的平稳,伸杆机构采用了与现有的铰链自展开方式不同的直线展开方式。将伸杆卷曲存储在一个圆柱体的卷筒上,伸杆长度不受体积限制。卷筒中心轴可以转动,电机给系统提供动力,通过链传动的方式带动两个相互挤压的引导轮,引导伸杆展开。加上电机速度可调,这种直线的展开方式大大减小了展开过程对卫星姿态的影响。
[0031] 如图2所示,为了保证伸杆展开长度位置可控,首先采用无刷直流伺服电机,这种电机可进行位置控制。同时,在伸杆与主动引导轮和被动引导轮接触的过程中,利用拉紧弹簧保证足够的正压力,给两个引导轮加上了橡胶套,增大摩擦系数,保证了伸杆与两个引导轮始终不滑动。有上述条件,通过控制电机的转动圈数、角度等变量,就可实现伸杆长度高精度的位置控制,满足不同展开任务的需求。
[0032] 需要确定电机力矩,电机在伸杆展开的过程中不仅要克服弹簧的扭矩,还要求克服摩擦等等,电机提供的能量U应比UspHng的值大。L为伸杆展开长度,r为主动引导轮半径,ω为主动引导轮转动的角速度,功率P可以用能量U与展开时间的比得到:
Figure CN102501988BD00052
[0034] 驱动力矩M又可以表示为功率P与角速度ω的比,可以得到:
Figure CN102501988BD00053
[0036] 从上式便可确定电机力矩Μ。
[0037] 通过以上分析,最终完成系统参数设计。
[0038] 本发明与现有技术相比的优点在于:
[0039] (I)本发明的各个部件的紧凑结构关系及采用旋转卷曲的存储方式,减小了机构的体积和重量,实现了大伸缩比,符合小型卫星的需求。
[0040] (2)本发明采用电机驱动,可以正反转驱动,同时使用扭转弹簧装置,在展开收回过程中完成能量的存储与释放,实现了展开与收回两个过程。
[0041] (3)本发明通过卷曲的存储方式和链传动的驱动方式,实现了平稳的直线展开方式,且展开长度不受限制,减小了伸杆展开过程对卫星姿态的影响。
[0042] (4)本发明采用电机驱动,可进行位置控制,加上主动引导轮与被动引导轮相互压紧,保证伸杆展开长度的精度,可以满足不同展开任务的需求。
附图说明
[0043] 图1为本发明的结构示意图;
[0044] 图2为本发明的主视结构剖面示意图;
[0045] 图3为本发明的俯视结构剖面示意图;
[0046] 图4为本发明的伸杆部件截面尺寸示意图;
[0047] 图5为本发明的扭转弹簧部件尺寸示意图。
具体实施方式
[0048] 如图1所示,为本发明探测载荷支撑用伸缩式空间伸杆机构的三维立体图。该机构包括存储部分1、传动部分2和支撑部分3 ;存储部分I包括:卷筒101、固定板102、扭转弹簧103、中心轴104、偏心轴105、伸杆106 ;传动部分2包括:主动引导轮201、被动引导轮202、张紧轮203、电机204、滚子链205、摆臂206、拉紧弹簧207、电机输出轮208 ;支撑部分3包括:支架壁301、底板302、支撑项圈303、支撑臂304 ;存储部分I用于存储卷曲后的伸杆106 ;传动部分2用于传递力矩,电机204提供主动力矩,带动主动引导轮201转动,引导伸杆106展开;支撑部分3用于保持伸杆系统各部分的相对位置;卷筒101的主体是一个铝制的圆筒;卷筒101内部有两根轴,中心轴104与支架壁301固定,通过轴承与卷筒101连接,偏心轴105直接通过轴承与卷筒101连接;卷筒101内部安装有一对扭转弹簧103,每个扭转弹簧103都分别与中心轴104和偏心轴105相固定;伸杆106的自然状态是展开状态,通过主动引导轮201和被动引导轮202的压平过程,可以紧密地卷曲到卷筒101之上;伸杆106的末端通过卷筒101上的固定板102与卷筒101固定;主动引导轮201与支架壁301通过轴承连接,被动引导轮202通过轴承与摆臂206 —端连接;摆臂206中心可相对支架壁301转动,另一端通过拉紧弹簧207与底板302固定;主动引导轮201,电机输出轮208,张紧轮203在同一垂直平面,电机204固定于电机架上,通过滚子链205与主动引导轮201相连;支撑项圈303与伸杆106的形状一样,通过支撑臂304与支架壁301、底板302固定。图中省略了一侧的支架壁301,卷筒101 —侧的侧壁,此时伸杆106处于存储状态。
[0049] 具体安装方法如下:将支架壁301通过螺钉与底板302连接,支撑项圈303通过支撑臂304与支架壁301连接。将中心轴104和偏心轴105通过圆头平键与扭转弹簧103的两个存储筒相固定,接着使中心轴104和偏心轴105通过滚动轴承与卷筒101连接,最后将中心轴104与支架壁301通过圆柱销固定。
[0050] 将主动引导轮201通过滚动轴承与支架壁301连接。将被动引导轮202通过滚动轴承与两个摆臂206连接,然后使摆臂206中心的转动轴通过滚动轴承与支架壁301连接,摆臂206的另一端通过拉紧弹簧207与底板302固定。将电机204通过电机支架固定于底板302上,通过滚子链205与主动引导轮201、张紧轮203相连。[0051] 将卷筒101顺着伸杆106展开的方向旋转一定的圈数,然后将展开状态的伸杆106的一端压平,穿过支撑项圈303、主动引导轮201和被动引导轮202,通过固定板102与卷筒101固定。至此完成伸杆机构的安装。
[0052] 如图2、图3所示,分别为本发明探测载荷支撑用伸缩式空间伸杆机构的主视和俯视结构剖面示意图。图2中省略了一侧的支架壁301,卷筒101 —侧的侧壁,图3中省略了伸杆106。本发明采用了链传动方式的驱动方式,张紧轮203的设计是关键。张紧轮203中心使用滚动轴承,中心轴相对支架壁301可相对移动,且可通过螺钉紧固,保证滚子链205始终张紧。
[0053] 如图4所示,为本发明伸杆106部件截面尺寸示意图。截面形状由相切的圆弧组成,边缘部分为直线。合理地设计伸杆106的参数是本发明的一个重点,综合考虑影响伸杆应力、能量等因素,结构尺寸如下:伸杆材料厚度t = 0.25mm,大圆弧弧长L1 = 5.02cm,小圆弧弧长L2 = 2.51cm,大圆弧半径!T1 = 2.4cm,大圆弧弧长r2 = 2.4cm,边缘长度L2 = 1cm。另外,伸杆106的材料为碳纤维复合材料,材料弹性模量E = 125GPa,泊松比为μ = 0.3。
[0054] 如图5所示,为本发明扭转弹簧103部件尺寸示意图。扭转弹簧103的存储筒用于存储弹簧条,输出筒用于输出扭转力矩。合理设计扭转弹簧的尺寸参数如下:存储筒直径(I1 = 1.6cm,输出筒直径d2 = 2.6cm,弹簧厚度h = 0.2mm,宽度b = 0.2mm。另外,扭转弹簧103的材料为热处理后的301不锈钢,材料弹性模量E1 = 193GPa,泊松比μ = 0.3。
[0055] 运作过程:首先完成伸杆106收回过程,使电机204反向转动,通过滚子链205带动主动引导轮201反向转动。主动引导轮201与被动引导轮202相互挤压将伸杆106从展开状态逐渐压平。卷筒101随之反向转动,内部的扭转弹簧103提供能量,用于伸杆106的卷曲,保证伸杆106的顺利收回。
[0056] 在伸杆106展开过程时,使电机204正向转动,通过滚子链205带动主动引导轮201转动,主动引导轮201与被动引导轮202相互压紧带动伸杆106运动,伸杆106渐渐从压平状态转变到展开状态,穿 过支撑项圈303完成展开。卷筒101随之正向转动,内部的扭转弹簧103存储能量,同时保证伸杆106紧密卷曲。
[0057] 本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种探测载荷支撑用伸缩式空间伸杆机构,其特征在于包括:存储部分(I)、传动部分(2)、支撑部分(3);所述存储部分(I)包括:卷筒(101)、固定板(102)、扭转弹簧(103)、中心轴(104)、偏心轴(105)、伸杆(106);所述传动部分(2)包括:主动引导轮(201)、被动引导轮(202)、张紧轮(203)、电机(204)、滚子链(205)、摆臂(206)、拉紧弹簧(207)、电机输出轮(208);所述支撑部分(3)包括:支架壁(301)、底板(302)、支撑项圈(303)、支撑臂(304);存储部分(I)用于存储卷曲后的伸杆(106);传动部分(2)用于引导伸杆(106)展开;支撑部分(3)用于保持整个伸杆机构各部分的相对位置;卷筒(101)内部有中心轴(104)和偏心轴(105),中心轴(104)与支架壁(301)固定,通过轴承与卷筒(101)连接,偏心轴(105)直接通过轴承与卷筒(101)连接;卷筒(101)内部安装有一对扭转弹簧(103),在伸杆(106)展开过程中存储能量,收回过程中释放能量,每个扭转弹簧(103)分别与中心轴(104)和偏心轴(105 )相固定;伸杆(106 )的自然状态是展开状态,通过主动弓I导轮(201)和被动弓I导轮(202)的压平过程,可以紧密地卷曲到卷筒(101)之上;伸杆(106)的末端通过卷筒(101)上的固定板(102)与卷筒(101)固定;主动引导轮(201)与支架壁(301)通过轴承连接,被动引导轮(202)通过轴承与摆臂(206) —端连接;摆臂(206)中心可相对支架壁(301)转动,另一端通过拉紧弹簧(207 )与底板(302 )固定;电机(204 )给整个系统提供动力,带动主动引导轮(201)转动,引导伸杆(106)展开,电机(204)固定于电机架上,通过滚子链(205)与主动引导轮(201)相连;支撑项圈(303)与伸杆(106)的形状一样,通过支撑臂(304)与支架壁(301)、底板(302)固定。
2.根据权利要求1所述的探测载荷支撑用伸缩式空间伸杆机构,其特征在于:所述张紧轮(203)能够在支架壁(301)上左右移动,调节滚子链(205)的松紧。
3.根据权利要求1所述的探测载荷支撑用伸缩式空间伸杆机构,其特征在于:所述电机(204 )为直流无刷伺服电机,可以实现正转和反转、位置控制。
4.根据权利要求1所述的探测载荷支撑用伸缩式空间伸杆机构,其特征在于:所述主动引导轮(201),电机输出轮(208 ),张紧轮(203 )在同一垂直平面。
5.根据权利要求1所述的探测载荷支撑用伸缩式空间伸杆机构,其特征在于:所述卷筒(101)的主体为一个铝制的圆筒,伸杆存储时卷曲在卷筒(101)上。
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