CN104019094B - 一种八面体桁架单元变几何桁架主动杆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种八面体桁架单元变几何桁架主动杆，其特征在于，包括滚珠丝杠、滚珠丝杠螺母、碳纤维增强复合材料管、第一杆端螺母、第二杆端螺母、微驱动器、双耳端板、螺丝梃杆、梃箍和圆环板。本发明的八面体桁架单元变几何桁架主动杆能够实现高伸缩率、轻质、简洁、高刚度、高精度、低功率、大推力、小尺寸、小冲击，可应用于航天空间可展结构机构、操纵机构、跟踪机构，以及工业控制机构。

Description

一种八面体桁架单元变几何桁架主动杆

技术领域

本发明涉及一种变几何桁架主动杆，尤其涉及一种八面体桁架单元变几何桁架主动杆，属于结构机构工程技术领域。

背景技术

八面体桁架单元由12根杆、6个节点构成空间恰定体系，既无超静定也无内部机构，因此，八面体桁架单元是构造大型复杂结构体系、空间伸展机构、操控机构的有效基本桁架单元。当八面体桁架单元各面边棱长相等时称为正八面体桁架单元。八面体桁架单元六个侧棱设置作动器为主动杆，此为著名的Stewart平台，主动杆可低速大幅伸缩或快速微小伸缩，用于跟踪机构、减振隔振机构。八面体桁架单元顶或底面三棱设置作动器为主动杆，此为变几何桁架单元(VariableGeometryTruss,VGT)。变几何桁架单元串联可构成伸展臂或操控机构，可在中部各层或间隔一层设置作动器成为主动杆、侧棱全定长为被动杆、顶和底为定长杆，以较少作动器实现机构灵活、运动空间大、收纳率大，结构机构重量轻、刚度大。

陈务军、关富玲、陈向阳等著的“正八面体单元伸展臂研究”(宇航学报，1999，20(2)：41-47)研究了正八面体桁架单元机构几何分析方法与特征；

陈务军、董石麟、付功义等著的“一高刚性同步展开空间伸展臂设计研究”(2000年中国博士后学术大会论文集，北京：科学出版社)研究了三棱桁架构成高刚性同步伸展的伸展臂；

陈务军、付功义、何艳丽等著的“八面体桁架单元及其派生系所构成的空间伸展臂”(上海交通大学学报(自然科学版)，2001，35(4)：509-513)研究了正八面体桁架单元特征、八面桁架单元衍生单元及构成伸展臂，以及基本结构特性分析；

CHENWu-jun、LUOYao-zhi、FUGong-y等著的“Astudyonspacemastsbasedonoctahedraltrussfamily”(InternationalJournalofSpaceStructures,2001,16(1)：19-26)研究了八面体桁架单元系的几何、结构特征；

CHENWu-jun、LUOYao-zhi、FUGong-yi著的“Designconceptionanddeploymentsimualationforahighlysynchronizedextendable/retractablespacemast”(InternationalJournalofSpaceStructures,2001,16(4)：261-269)研究了同步伸展臂结构机构、节点实现、展开动力学分析方法等；

陈务军、张淑杰著的“空间可展结构体系与分析导论”(中国宇航出版社，2006.3)研究介绍了包含八面体桁架单元的展开结构体系与分析理论；

StephenOliverOikawa著的“DesignandConstructionofafour-BayVariable-Geometry-TrussManipulator”(UniversityofToronto,1995)研制了以串联转动副构成节点系的八面体单元变几何桁架，并进行了运动学、运动力学分析理论研究；

LuisM.Macareno、JosuAgirrebeitia、CarlosAngulo等著的“FEMsubsystemreplacementtechniquesforstrengthproblemsinvariablegeometrytrusses”(FiniteElementsinAnalysisandDesign,2008,44:346-357)研制了八面体桁架单元样机、提出了紧凑型组合节点、进行了非线性分析与试验研究。

这些研究均表明八面体桁架单元变几何桁架主动杆存在伸缩比小、构造复杂、精度低等缺点。

申请号为201310150753.6的中国专利“八面体桁架单元变几何桁架主动杆，但其电机尺寸大、构造复杂、功率大、推力小、节点大、冲击大。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种具有高伸缩率、轻质、简洁、高刚度、高精度、低功率、推力大、尺寸小的八面体桁架单元变几何桁架主动杆。

为实现上述目的，本发明提供了一种八面体桁架单元变几何桁架主动杆，其结构包括滚珠丝杠、滚珠丝杠螺母、碳纤维增强复合材料管、第一杆端螺母、第二杆端螺母、微驱动器、双耳端板、螺丝梃杆、梃箍和圆环板；所述滚珠丝杠的一端装连所述滚珠丝杠螺母，另一端连接所述微驱动器；四个所述螺丝梃杆一端连接所述双耳端板，另一端连接所述圆环板，所述螺丝梃杆中嵌置所述梃箍，从而构成四棱柱笼结构；所述微驱动器设置于所述四棱柱笼结构中；所述碳纤维增强复合材料管两端分别与所述第一杆端螺母和所述第二杆端螺母相连，所述第二杆端螺母与所述滚珠丝杠螺母连接，所述第一杆端螺母用于与主动节点连接。

进一步地，所述微驱动器由微行星减速箱、微伺服电机和编码器依次串联而成。

进一步地，所述圆环板通过细螺丝与所述微行星减速箱的端面连接。

进一步地，所述微伺服电机尺寸为： 所述微行星减速箱尺寸为：

进一步地，所述细螺丝为M1.8。

进一步地，所述第一杆端螺母和所述第二杆端螺母与所述碳纤维增强复合材料管的连接为胶接，胶接面设置有圆环状螺纹，用于提高胶的接触面和胶剪切强度；进一步地，所述圆环状螺纹深度为0.25mm。

进一步地，所述梃箍呈八边形，且具有矩形截面。

进一步地，所述螺丝梃杆的中段截面呈矩形，两端部为圆螺丝杆，中部具有两个凸台，所述两个凸台构成槽从而嵌置所述梃箍。

进一步地，所述微行星减速箱、所述微伺服电机和所述编码器均安装于所述四棱柱笼结构内部轴心。

进一步地，收缩状态下，所述滚珠丝杠旋进所述碳纤维增强复合材料管内。

本发明的八面体桁架单元变几何桁架主动杆充分利用滚珠丝杠、微伺服电机、微行星减速箱、编码器、碳纤维增强复合材料管的特点，实现八面体桁架单元变几何桁架主动杆的高伸缩率、轻质、简洁、高刚度、高精度、低功率、大推力、小尺寸、小冲击，可应用于航天空间可展结构机构、操纵机构、跟踪机构，以及工业控制机构。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的八面体桁架单元变几何桁架主动杆处于收缩状态下的一个侧视图；

图2是本发明的一个较佳实施例的八面体桁架单元变几何桁架主动杆处于收缩状态下的另一个侧视图；

图3是本发明的一个较佳实施例的八面体桁架单元变几何桁架主动杆处于收缩状态下的三维视图；

图4是本发明的一个较佳实施例的八面体桁架单元变几何桁架主动杆处于伸展状态下的三维视图。

具体实施方式

如图1～图4所示，本发明的一个较佳实施例提供了一种八面体桁架单元变几何桁架主动杆，其结构包括滚珠丝杠1、滚珠丝杠螺母2、薄壁碳纤维增强复合材料管3、第一杆端螺母4、第二杆端螺母5、微伺服电机6、微行星减速箱7、编码器8、双耳端板9、螺丝梃杆10、梃箍11、圆环板12和细螺丝13；

其中，滚珠丝杠1的一端装连滚珠丝杠螺母2，另一端连接先连接微行星减速箱7，然后依次连接微伺服电机6和编码器7。四个螺丝梃杆10一端连接双耳端板9，另一端连接圆环板12，螺丝梃杆10中段截面呈矩形，两端部为圆螺丝杆，中部具有两个凸台，这两个凸台构成槽从而嵌置梃箍11。螺丝梃杆10、双耳端板9、圆环板12和梃箍11构成四棱柱笼结构。梃箍11呈八边形，且具有矩形截面。微行星减速箱7、微伺服电机6和编码器7依次串联构成微驱动器，安装于四棱柱笼结构内部轴心。圆环板12通过细螺丝13与微行星减速箱7的端面连接。薄壁碳纤维增强复合材料管两端分别与第一杆端螺母4和第二杆端螺母5胶接，胶接面设置有深度为0.25mm的圆环状螺纹，该圆环状螺纹提高了胶的接触面和胶剪切强度，并使胶结强度提高了5倍。第二杆端螺母5与滚珠丝杠螺母2连接，第一杆端螺母4用于与主动节点连接。

本发明的较佳实施例的八面体桁架单元变几何桁架主动杆处于收缩状态时，滚珠丝杠1旋进薄壁碳纤维增强复合材料管3内。

本发明的较佳实施例中，微伺服电机6尺寸为： 微行星减速箱7尺寸为：细螺丝13为M1.8，薄壁碳纤维增强复合材料管3厚度为：0.8mm。

在其它实施例中，滚珠丝杠1、微伺服电机6、微行星减速箱7、编码器8、薄壁碳纤维增强复合材料管3等零件的尺寸、材料选择、工艺设计可针对具体应用确定。滚珠丝杠1、滚珠丝杠螺母2轴配合精度可H5～H8，零件表面可1.6～3.2级，金属零件可采用钛合金。针对空间应用节点零件表面需防热处理和耐高低温处理等。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种八面体桁架单元变几何桁架主动杆，其特征在于，包括滚珠丝杠、滚珠丝杠螺母、碳纤维增强复合材料管、第一杆端螺母、第二杆端螺母、微驱动器、双耳端板、螺丝梃杆、梃箍和圆环板；所述滚珠丝杠的一端装连所述滚珠丝杠螺母，另一端连接所述微驱动器；四个所述螺丝梃杆一端连接所述双耳端板，另一端连接所述圆环板，所述螺丝梃杆中嵌置所述梃箍，从而构成四棱柱笼结构；所述微驱动器设置于所述四棱柱笼结构中；所述碳纤维增强复合材料管两端分别与所述第一杆端螺母和所述第二杆端螺母相连，所述第二杆端螺母与所述滚珠丝杠螺母连接，所述第一杆端螺母用于与主动节点连接。

2.如权利要求1所述的八面体桁架单元变几何桁架主动杆，其特征在于，所述微驱动器由微行星减速箱、微伺服电机和编码器依次串联而成。

3.如权利要求2所述的八面体桁架单元变几何桁架主动杆，其特征在于，所述圆环板通过细螺丝与所述微行星减速箱的端面连接。

4.如权利要求2所述的八面体桁架单元变几何桁架主动杆，其特征在于，所述微伺服电机尺寸为：所述微行星减速箱尺寸为：

5.如权利要求3所述的八面体桁架单元变几何桁架主动杆，其特征在于，所述细螺丝为M1.8。

6.如权利要求1所述的八面体桁架单元变几何桁架主动杆，其特征在于，所述第一杆端螺母和所述第二杆端螺母与所述碳纤维增强复合材料管的连接为胶接，胶接面设置有圆环状螺纹。

7.如权利要求1所述的八面体桁架单元变几何桁架主动杆，其特征在于，所述梃箍呈八边形，且具有矩形截面。

8.如权利要求1所述的八面体桁架单元变几何桁架主动杆，其特征在于，所述螺丝梃杆的中段截面呈矩形，两端部为圆螺丝杆，中部具有两个凸台，所述两个凸台构成槽从而嵌置所述梃箍。

9.如权利要求2所述的八面体桁架单元变几何桁架主动杆，其特征在于，所述微行星减速箱、所述微伺服电机和所述编码器均安装于所述四棱柱笼结构内部轴心。

10.如权利要求1所述的八面体桁架单元变几何桁架主动杆，其特征在于，收缩状态下，所述滚珠丝杠旋进所述碳纤维增强复合材料管内。