CN107054693A - 单自由度非对称剪铰式可展开机构单元 - Google Patents
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Abstract
一种单自由度非对称剪铰式可展开机构单元，其包括两个长剪叉杆、两个短剪叉杆、四个非对称剪叉杆、两个连杆、两个销轴连接件以及八个组合花盘；各部件间均通过转动副连接，其位于同一个侧面上的多个转动副轴线均平行，并分别与相对侧面上处于相对位置的转动副轴线重合。本发明只需一个驱动就能实现单元的展开与收拢运动，展开性能好，可靠性高，结构简单，易于实现工程制造，多个组合后可形成曲面，可以应用于大口径曲面航天可展开天线及其他航天可展开机构中。
Description
技术领域
本发明涉及一种可展开机构。
背景技术
随着载人航天、对地观测、深空探测以及空间通信等事业的迅速发展，各类航天工程中需要的空间机构的尺寸越来越大，以满足不同航天任务的需求，但是受到航天运载工具有效空间容仓的限制，需要设计具有大折叠比的空间可展开机构，在发射和运输阶段处于折叠状态并收拢于整流罩内，待航天器进入轨道后再展开至工作状态，在各项航天任务中，多种类型的空间可展开机构得到了快速发展和应用，如折展太阳能电池板、空间站基础骨架、空间机械臂、空间伸展臂、大口径可展开天线、大型柔性太阳帆板支撑架等。
可展开机构一般有两种稳定状态：完全收拢状态和完全展开状态(工作状态)，根据可展开机构的展开与收拢方式，其可以分为铰接桁架式可展机构、变形材料可展机构以及充气展开式可展机构，其中变性材料可展机构采用具有大弹性变形的材料作为可展机构的主体材料，在折叠收拢状态下材料发生变形而储存弹性变形能，释放后依靠弹性变形能驱动机构转化为展开状态，可重复收拢展开性差，精度较低；充气展开式可展机构原理为用柔性材料制成密闭结构，入轨后靠填充气体将密闭结构展开的一类可展机构，具有质量小、折叠比大的优点，但是形面精度较低，结构热稳定性差，刚度较低，技术尚不成熟，而铰接桁架式可展机构主要由连杆和运动副组成，此类机构具有收拢折叠比较大、精度高、可重复收拢展开性好和寿命长的优点，目前已经被广泛应用于空间站基础骨架、空间伸展臂以及大口径可展开天线等领域。
目前，在轨运行的空间伸展臂、可展开天线等结构较多的采用铰接桁架式可展机构形式，如美国用于三维地形观测的60m可折展雷达支撑臂、俄罗斯“联盟号”飞船上的四面体构架式可展开天线、日本菊8号卫星上的六面体可展单元桁架式抛物面天线、美国Thuraya卫星上的环形桁架可展开天线等。随着航天事业的快速发展，航天工程中所需要的铰接桁架空间可展机构不断向着大尺度、高精度、高刚度、易于控制等方向发展，因此，亟需在现有可展机构相关研究基础上提出自由度少、制造工艺性好以及刚度高等性能优良的可展开机构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单自由度、结构简单、刚度较高以及展开性能较好的单自由度非对称剪铰式可展开机构单元。
本发明单自由度非对称剪铰式可展开机构单元，包括两个长剪叉杆、两个短剪叉杆、四个非对称剪叉杆、两个连杆、两个销轴连接件以及八个组合花盘；所述销轴连接件的长方体形基体中部设有矩形开口槽，在开口槽两侧壁上各设一个通孔，两通孔的轴线重合，另在开口槽底的外端设有一端与其相连的销轴，该销轴的轴线过开口槽的对称面；所述两个长剪叉杆结构完全相同，中间通过一个销轴连接件销轴部分连接，销轴连接件连接处形成转动副，位于此单自由度非对称剪铰式可展开机构单元的一个侧面上；所述两个短剪叉杆结构完全相同，中间通过另一个销轴连接件的销轴部分连接，销轴连接件处形成转动副，位于此单自由度非对称剪铰式可展开机构单元中与两个长剪叉杆相对的另一个侧面上；所述两个连杆结构完全相同，一端通过转动副连接，另外两端分别插入上述连接两个长剪叉杆和连接两个短剪叉杆的两个销轴连接件的槽口中并通过转动副连接；所述四个非对称剪叉杆结构完全相同，两个一组，位于此单自由度非对称剪铰式可展开机构单元的另外两个相对的侧面上，通过转动副连接，该转动副将其分为两段，较短的一段与短剪叉杆长度的一半等长，较长的一段与长剪叉杆长度的一半等长；所述八个组合花盘结构完全相同，每个组合花盘均包括一个凸槽口连接件和一个凹槽口连接件，所述凹槽口连接件有一个长方体基体，在该基体一端中部设矩形开口槽，该开口槽两侧壁的外表面即为基体的两侧面，开口槽两侧壁上各设一个通孔，两通孔的轴线重合；该基体另一端的端面为半圆柱面，其中部也设一个矩形开口槽，该开口槽两侧壁的外表面即为基体的上下面，开口槽两侧壁上各设一个通孔，两通孔的轴线与半圆柱的轴线重合。所述凸槽口连接件也有一个长方体基体，其与上述凹槽口连接件相接的一端端面为半圆柱面，其上下两个面各设一个向基体上下中心面凹进并以其为对称的槽形缺口，两缺口所夹平板厚度与上述凹槽口连接件半圆柱端面上的开口槽相对应，以便置于其内；两缺口所夹平板上设有直径与上述凹槽口连接件通孔直径相同的通孔，该通孔的轴线与半圆柱的轴线重合；该基体另一端中部设矩形开口槽，该开口槽两侧壁的外表面即为基体的两侧面，开口槽两侧壁上各设一个通孔，两通孔的轴线重合。凸槽口连接件的平板插入凹槽口连接件半圆柱端面上的开口槽中并通过转动副连接组成组合花盘，八个组合花盘分别位于此单自由度非对称剪铰式可展开机构单元的八个顶点上，每个组合花盘的两个槽口分别位于此单自由度非对称剪铰式可展开机构单元的两个不同的侧面上，并分别和处于同一侧面的长剪叉杆、短剪叉杆以及非对称剪叉杆的端部通过转动副相连接。
所述连接两个长剪叉杆形成的转动副和连接两个短剪叉杆形成的转动副轴线重合；其两组非对称剪叉杆中的连接两个非对称剪叉杆的转动副轴线重合；其位于八个顶点上的组合花盘中处于相对位置的转动副轴线均重合；其位于同一个侧面上的多个转动副轴线均平行，并分别与相对侧面上处于相对位置的转动副轴线重合。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、只需一个驱动就能实现单元的展开与收拢运动，展开性能好，可靠性高。
2、具有运动灵活、折叠比较大的优点。
3、结构简单，所含运动副均为转动副，易于实现工程制造。
4、展开或收拢时均具有两个大小不同的单元表面，实施方式简单，多个组合后可形成曲面，可以应用于大口径曲面航天可展开天线及其他航天可展开机构中。
附图说明
图1是本发明半展开立体示意简图；
图2是本发明完全展开立体示意简图；
图3是本发明完全收拢立体示意简图；
图4是本发明的组和花盘立体示意简图；
图5是本发明的销轴连接件立体示意简图。
图中：1：长剪叉杆、2：销轴连接件、3：连杆、4：组合花盘、4-1：凹槽口连接件、4-2：凸槽口连接件、5：非对称剪叉杆、6：短剪叉杆；R1-R9均为转动副。
具体实施方式
在图1所示的单自由度非对称剪铰式可展开机构单元立体示意图中，两个长剪叉杆1结构完全相同，中间通过一个销轴连接件2的销轴部分连接，销轴连接件处形成转动副R2；两个短剪叉杆6结构完全相同，中间通过另一个销轴连接件连接，销轴连接件处形成转动副R6；两个连杆3结构完全相同，一端通过转动副R4连接，另外两端分别插入上述连接两个长剪叉杆1和连接两个短剪叉杆6的两个销轴连接件的槽口中并通过转动副R3连接；四个非对称剪叉杆5结构完全相同，两个一组，通过转动副R5连接。
如图5所示，所述销轴连接件的长方体形基体中部设有矩形开口槽，在开口槽两侧壁上各设一个通孔，两通孔的轴线重合；另在开口槽底的外端设有一端与其相连的销轴，该销轴的轴线过开口槽的对称面。
如图4所示，所述八个组合花盘结构完全相同，每个组合花盘均包括一个凸槽口连接件4-2和一个凹槽口连接件4-1，所述凹槽口连接件4-1有一个长方体基体，在该基体一端中部设矩形开口槽，该开口槽两侧壁的外表面即为基体的两侧面，开口槽两侧壁上各设一个通孔，两通孔的轴线重合；该基体另一端的端面为半圆柱面，其中部也设一个矩形开口槽，该开口槽两侧壁的外表面即为基体的上下面，开口槽两侧壁上各设一个通孔，两通孔的轴线与半圆柱的轴线重合。所述凸槽口连接件4-2也有一个长方体基体，其与上述凹槽口连接件4-1相接的一端端面为半圆柱面，其上下两个面各设一个向基体上下中心面凹进并以其为对称的槽形缺口，两缺口所夹平板厚度与上述凹槽口连接件4-1的半圆柱端面上的开口槽相对应，以便置于其内；两缺口所夹平板上设有直径与上述凹槽口连接件通孔直径相同的通孔，该通孔的轴线与半圆柱的轴线重合；该基体另一端中部设矩形开口槽，该开口槽两侧壁的外表面即为基体的两侧面，开口槽两侧壁上各设一个通孔，两通孔的轴线重合。凸槽口连接件4-2的平板插入凹槽口连接件4-1的半圆柱端面上的开口槽中并通过转动副R9连接组成组合花盘，八个组合花盘分别位于此单自由度非对称剪铰式可展开机构单元的八个顶点上，每个组合花盘的两个槽口分别位于此单自由度非对称剪铰式可展开机构单元的两个不同的侧面上，并分别和处于同一侧面的长剪叉杆1、短剪叉杆6以及非对称剪叉杆5的端部通过转动副R1、R8和R7相连接。
如图1-图3所示，所述单自由度非对称剪铰式可展开机构单元，其连接两个长剪叉杆1形成的转动副R2和连接两个短剪叉杆6形成的转动副R6轴线重合；两组非对称剪叉杆5中的两个连接两个非对称剪叉杆的转动副R5轴线重合，连接两组非对称剪叉杆5和八个组合花盘4的八个转动副R7中处于相对侧面上位置相对的转动副轴线两两重合；图中转动副R1、R2、R6、R8转动副轴线均平行；转动副R3、R4、R5、R7轴线均平行；图中所有转动副R9的轴线均平行，且位于同一侧边上的两个转动副R9的轴线重合。
Claims (5)
1.一种单自由度非对称剪铰式可展开机构单元，其特征在于：其包括两个长剪叉杆、两个短剪叉杆、四个非对称剪叉杆、两个连杆、两个销轴连接件以及八个组合花盘，其中两个长剪叉杆结构完全相同，中间通过一个销轴连接件的销轴部分连接，销轴连接件处形成转动副，位于此单自由度非对称剪铰式可展开机构单元的一个侧面上；两个短剪叉杆结构完全相同，中间通过另一个销轴连接件连接，销轴连接件处形成转动副，位于此单自由度非对称剪铰式可展开机构单元中与两个长剪叉杆相对的另一个侧面上；两个连杆结构完全相同，一端通过转动副连接，另外两端分别插入上述连接两个长剪叉杆和连接两个短剪叉杆的两个销轴连接件的槽口中并通过转动副连接；四个非对称剪叉杆结构完全相同，两个一组，位于此单自由度非对称剪铰式可展开机构单元的另外两个相对的侧面上，通过转动副连接。
2.根据权利要求1所述的单自由度非对称剪铰式可展开机构单元，其特征在于：所述销轴连接件的长方体形基体中部设有矩形开口槽，在开口槽两侧壁上各设一个通孔，两通孔的轴线重合，另在开口槽底的外端设有一端与其相连的销轴，该销轴的轴线过开口槽的对称面。
3.根据权利要求1所述的单自由度非对称剪铰式可展开机构单元，其特征在于：所述每组非对称剪叉杆被转动副将其分为两段，较短的一段与短剪叉杆长度的一半等长，较长的一段与长剪叉杆长度的一半等长。
4.根据权利要求1所述的单自由度非对称剪铰式可展开机构单元，其特征在于：所述八个组合花盘结构完全相同，每个组合花盘均包括一个凸槽口连接件和一个凹槽口连接件，所述凹槽口连接件有一个长方体基体，在该基体一端中部设矩形开口槽，该开口槽两侧壁的外表面即为基体的两侧面，开口槽两侧壁上各设一个通孔，两通孔的轴线重合；该基体另一端的端面为半圆柱面，其中部也设一个矩形开口槽，该开口槽两侧壁的外表面即为基体的上下面，开口槽两侧壁上各设一个通孔，两通孔的轴线与半圆柱的轴线重合。所述凸槽口连接件也有一个长方体基体，其与上述凹槽口连接件相接的一端端面为半圆柱面，其上下两个面各设一个向基体上下中心面凹进并以其为对称的槽形缺口，两缺口所夹平板厚度与上述凹槽口连接件半圆柱端面上的开口槽相对应，以便置于其内；两缺口所夹平板上设有直径与上述凹槽口连接件通孔直径相同的通孔，该通孔的轴线与半圆柱的轴线重合；该基体另一端中部设矩形开口槽，该开口槽两侧壁的外表面即为基体的两侧面，开口槽两侧壁上各设一个通孔，两通孔的轴线重合。凸槽口连接件的平板插入凹槽口连接件半圆柱端面上的开口槽中并通过转动副连接组成组合花盘，八个组合花盘分别位于此单自由度非对称剪铰式可展开机构单元的八个顶点上，每个组合花盘的两个槽口分别位于此单自由度非对称剪铰式可展开机构单元的两个不同的侧面上，并分别和处于同一侧面的长剪叉杆、短剪叉杆以及非对称剪叉杆的端部通过转动副相连接。
5.根据权利要求1所述的单自由度非对称剪铰式可展开机构单元，其特征在于：上述连接两个长剪叉杆形成的转动副和连接两个短剪叉杆形成的转动副轴线重合；其两组非对称剪叉杆中的连接两个非对称剪叉杆的转动副轴线重合；其位于八个顶点上的组合花盘中处于相对位置的转动副轴线均重合；其位于同一个侧面上的多个转动副轴线均平行，并分别与相对侧面上处于相对位置的转动副轴线重合。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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