CN107134655B - 一种基于剪叉机构的空间可展开曲面桁架机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于剪叉机构的空间可展开曲面桁架机构，其由多个三棱台单元组网形成；其中，该三棱台单元包括三个通过共转动关节依次首尾相连的剪叉机构，相邻三棱台单元之间通过共剪叉机构相连；并且其中，该剪叉机构包括在中央部分相互铰接的两根剪叉杆，每一剪叉杆的两个纵向端部分别与一根连杆构件相铰接，位于两根剪叉杆同一纵向端部的两根连杆构件之间形成滑动副连接；共转动关节设置在相连剪叉机构其中一个径向端部的相邻连杆构件之间。本发明的桁架机构具有大尺寸、大折展比、轻重量、高强度的优点，特别适合于作为大型空间可展天线的曲面背架机构，实现以较大口径获取空间信号。

Description

一种基于剪叉机构的空间可展开曲面桁架机构

技术领域

本发明涉及一种基于剪叉机构的空间可展开桁架机构，其特别适合于作为空间可展天线的曲面背架机构。

背景技术

受限于运载工具的搭载空间，卫星的天线系统通常设计为可展开机构，并在发射过程中处于折叠状态，发射到预定轨道后再变换为展开状态。现今，已经开发了多种适合于空间可展天线的可展开机构。例如：

中国专利文献CN102593571A公开了一种剪刀基四边形单元平面阵列可展机构，由多个剪刀四边形单元分别在横向和纵向阵列组合，四边形单元机构之间通过共用的剪刀组件和角点铰链组件相连接；完全展开时，在锁止簧和锁止销的作用下，整个机构稳定在展开状态，且在展开完成后自动锁死。

中国专利文献CN106450647A公开了一种剪叉式六棱柱可展单元及其组成的空间可展机构，其剪叉式六棱柱可展单元为单自由度过约束六棱柱基本可展单元，包括十二个花盘、六组剪叉折叠杆和十二组折叠连杆，其中一组折叠连杆依靠连杆长度限制基本可展单元的展开程度，剩余十一组折叠连杆均为过约束折叠连杆。多个基本可展单元紧密排列，且相邻基本可展单元之间通过共用四个花盘、一组剪叉折叠杆和两组折叠连杆可组成空间可展机构。

中国专利文献CN106025483A公开了一种剪叉联动式过约束可展单元及其组成的空间可展机构，其剪叉联动式过约束可展单元包含有六个花盘、六个剪叉杆和十二个连杆，六个剪叉杆组成三组剪叉折叠杆，十二个连杆组成六组折叠连杆，任意一组折叠连杆依靠连杆长度限制基本可展单元的展开程度，剩余五组折叠连杆均为过约束折叠连杆。多个基本可展单元紧密排列，相邻基本可展单元通过共用四个花盘和一组剪叉折叠杆可组成空间可展机构。

中国专利文献CN104466341A公开了一种曲面天线支撑机构；其中，中心滑块与滑动丝杠螺纹连接；五个第一变异剪叉组件一端的普通剪杆均与中心固定块铰接，同一端的限位剪杆均与中心滑块铰接，另一端的普通剪杆和限位剪杆均铰接有一级折展铰接柱；每个二级折展机构的一个普通剪叉单元与一个第一变异剪叉组件上的一级折展铰接柱铰接，每个二级折展机构的一个第二变异剪叉单元与相邻的另一个第一变异剪叉组件上的一级折展铰接柱球铰接，每个二级折展机构的另一个第二变异剪叉单元通过两个二级折展铰接柱与相邻二级折展机构的另一个普通剪叉单元铰接。

折展比、重量和机构强度是衡量空间可展开机构性能优劣的重要指标，因此，有必要开发具有大折展比、轻重量、高强度的空间可展开机构。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种具有大折展比、轻重量、高强度的空间可展开曲面桁架机构。

为了实现上述的主要目的，本发明的第一方面提供了一种基于剪叉机构的空间可展开曲面桁架机构，由多个三棱台单元组网形成；其中，该三棱台单元包括三个通过共转动关节依次首尾相连的剪叉机构，相邻三棱台单元之间通过共剪叉机构相连；并且其中，该剪叉机构包括在中央部分相互铰接的两根剪叉杆，每一剪叉杆的两个纵向端部分别与一根连杆构件相铰接，位于两根剪叉杆同一纵向端部的两根连杆构件之间形成滑动副连接；共转动关节设置在相连剪叉机构其中一个径向端部的相邻连杆构件之间。

上述技术方案中的共转动关节可以为转动副或圆柱副。

为了实现前述的主要目的，本发明的另一方面提供了一种基于剪叉机构的空间可展开曲面桁架机构，由多个三棱台单元组网形成；其中，该三棱台单元包括三个依次首尾相连的剪叉机构，相邻三棱台单元之间通过共剪叉机构相连；并且其中，该剪叉机构包括在中央部分相互铰接的两根剪叉杆，每一剪叉杆的两个纵向端部分别与一连接构件相铰接；相连剪叉机构的其中一个径向端部的相邻连接构件之间形成圆柱副连接，相连剪叉机构的其中一个另径向端部的相邻连接构件之间形成与圆柱副同轴的转动副连接。

上述技术方案中，圆柱副可以通过将相邻连接构件的连接轴孔相互间隔地套设在同一转轴上而形成，且连接轴孔之间的轴向间隙之和大于等于任意组网节点处剪叉杆尺寸之间的最大差值。

作为本发明的一种具体实施方式，上述的空间可展开曲面桁架机构至少包括由六个具有相同尺寸的三棱台单元组网形成的中心六棱台模块。

优选地，上述的空间可展开曲面桁架机构进一步包括环绕中心六棱台模块设置的六个具有相同尺寸的二级六棱台模块，每个二级六棱台模块由六个具有多种尺寸的三棱台单元组网形成。

本发明的空间可展开曲面桁架机构采用三棱台单元作为最基本的组网单元，且三棱台单元由特定的剪叉机构连接而成，不仅使得桁架机构具有大折展比、轻重量、高强度的优点，而且使得其能够为空间天线提供更加完整、精确的曲面反射结构，从而特别适合于作为空间可展天线的曲面背架机构。容易理解，本发明的空间可展开曲面桁架机构还可以用于其他场合，例如用作空间太阳能电池的承载机构。

为了更清楚地阐述本发明的目的、技术方案及优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明曲面桁架机构建模过程所采用投影平面的模块化拓扑图；

图2是表示中心投影原理的示意图；

图3是表示根据中心投影原理得到本发明曲面桁架机构理论模型的示意图；

图4是表示本发明曲面桁架机构理论模型的示意图；

图5是本发明曲面桁架机构的中心六棱台模块和其中的一个二级六棱台模块的结构示意图；

图6是本发明实施例1中剪叉机构的结构原理图；

图7是本发明实施例1中剪叉机构的结构示意图；

图8是本发明实施例1中三棱台单元I的结构示意图；

图9是本发明实施例1中三棱台单元I的结构运动简图；

图10是本发明实施例1中曲面桁架机构处于展开状态下的结构示意图；

图11是本发明实施例2中三棱台单元的结构示意图；

图12是本发明实施例2中三棱台单元的结构运动简图；

图13是本发明实施例2中剪叉机构之间圆柱副连接的结构示意图；

图14是本发明曲面桁架机构不同关键节点处剪叉机构的连接示意图。

具体实施方式

为便于理解本发明，以下先对本发明中曲面桁架机构的理论模型及其建模过程进行详细说明。

众所周知，空间天线的理想工作面为抛物面，因为抛物面能聚焦，可以将平行入射的电磁波反射向一个焦点，从而收集信号源。但由于制造大型的抛物面镜成本很高，因此通常会采用曲率一致的曲面近似。本发明中，在理论建模分析时，同样采用曲率一致的曲面近似用以简化模型，并最终以曲面重新拟合抛物面。

为此，本发明中首先建立了如图1所示的投影平面模块化拓扑，该模块化拓扑的最小单元为正三角形；然后，根据如图2所示的中心投影原理，并采用如图3所示的具体中心投影方法，以具有相同球心和不同半径的球壳上、下曲面为最基本的被投影面，对投影平面上正三角形的顶点进行中心投影，从而在上、下两个曲面上分别得到相应的关键节点(组网节点)，将这些关键节点之间以点线方式连接起来之后，得到如图4所示的曲面桁架机构的理论模型。

在本发明的优选实施例中，该曲面桁架机构构造为在展开状态下具有球壳形态，包括由六个具有相同尺寸的三棱台单元组网形成的中心六棱台模块以及环绕该中心六棱台模块设置的六个具有相同尺寸的二级六棱台模块，且每个二级六棱台模块由六个具有多种尺寸的三棱台单元组网形成；其中，每个三棱台单元的侧面均为等腰梯形。本领域技术人员容易理解，根据需要可以对本发明优选实施例中三棱台单元的数量进行增加或删减。由于采用三棱台单元作为最基本的组网单元，因此曲面桁架机构能够为空间天线提供更加精确的曲面反射结构。

基于平面单自由度剪叉机构易于驱动、折展比可变化等优点，故在本发明中将其作为三棱台等腰梯形侧面关键节点之间的连接机构。其中，通过两个对称的平面单环机构来构建基本的剪叉机构折展单元，即可以满足等腰梯形的几何结构。如以下实施例中所描述的，每个三棱台单元均包括三个依次首尾相连的剪叉机构，且相邻三棱台单元之间通过共剪叉机构相连。

图5示意性地描述了作为本发明优选实施例的曲面桁架机构的中心六棱台模块和其中的一个二级六棱台模块。参见图5，该曲面桁架机构共有五种不同尺寸的三棱台单元，即组成中心六棱台模块的三棱台单元I以及组成二级六棱台模块的三棱台单元Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ，并具有八种不同的三棱台侧面尺寸。相应地，该曲面桁架机构中具有1至8共八种不同尺寸的剪叉机构，且其中各个剪叉机构尺寸的相对大小为：剪叉1＞剪叉2＞剪叉3＞剪叉4＞剪叉5＞剪叉8＞剪叉6＞剪叉7。

特别的是，每个三棱台单元的侧面尺寸不是完全一致，且三棱台单元之间的几何尺寸也不完全相同。因此，对这些三棱台单元进行组网的重点与难点就在于，不同尺寸的三棱台单元通过何种可动连接方式实现空间范围内的单自由度折展运动。以下，将通过两个实施例对此作进一步的详细说明。

实施例1

本发明中，每个三棱台单元均包括三个依次首尾相连的剪叉机构。图6是实施例1中剪叉机构的结构原理图。参见图6，该剪叉机构为双3R1P剪叉机构，其包括在中央部分(非剪叉杆的纵向中心位置)相互铰接的两根剪叉杆，每一剪叉杆的两个纵向端部分别与一根连杆构件相铰接，位于两根剪叉杆同一纵向端部的两根连杆构件之间形成滑动副连接。采用这种剪叉机构，可以得到完整的曲面桁架机构，从而能够为空间天线提供完整的曲面反射结构。

图7是实施例1中剪叉机构的结构示意图。如图7所示，该剪叉机构包括在中央部分相互铰接的剪叉杆11和12，剪叉杆11的纵向两端分别与连杆构件13和16相铰接，剪叉杆12的纵向两端分别与连杆构件14和15相铰接，位于剪叉杆11和12同一纵向端部的连杆构件13和14之间以及连杆构件15和16之间分别形成滑动副连接。

图8是三棱台单元I处于完全展开状态下的结构示意图。如图8所示，三棱台单元I包括两个剪叉机构1和一个剪叉机构2，三者通过作为共转动关节的转动副10依次首尾相连。其中，转动副10设置在相连剪叉机构其中一个径向端部的相邻连杆构件之间(即位于同一关键节点的连杆构件之间)。本发明中，“径向”是指曲面桁架机构所在球壳的厚度方向。

对单个三棱台单元的分析可知，单个三棱台单元的三个剪叉机构具有不同尺寸，不同尺寸剪叉机构之间的连接方式为在其径向上的一端铰接相连，而其径向上的另一端处于游动状态，仅以两个相对滑动的连杆构件支撑。也就是说，当桁架机构完全展开时，两个相对滑动的连杆构件的总长度正是理论模型球壳的厚度，任意滑动副所在的两个连杆构件的总长度均相同，而当桁架机构完全折叠时，同一剪叉机构中两个相对滑动的连杆构件的总长度与其中剪叉杆的长度一致。由于同一关键节点处相连接的剪叉杆尺寸不完全相同，因此，如图9所示，折展运动时，连接在同一转动副上的不同尺寸剪叉机构滑动副所在连杆构件之间既有沿转动副轴线方向的移动，又有绕转动副轴线的转动。

除了尺寸上的差异外，三棱台单元Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ的结构与三棱台单元I的结构相同，故在此不作详细描述，本领域技术人员在参照三棱台单元I的基础上根据三棱台单元Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ的尺寸要求可以显而易见地得到三棱台单元Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ，并将三棱台单元I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ按如图4所示进行组网而最终得到如图10所示基于剪叉机构的大曲面空间可展开桁架机构。

实施例2

图11是实施例2中三棱台单元处于完全展开状态下的结构示意图。由图11可知，实施例2与实施例1的不同之处在于，剪叉机构中每一剪叉杆的两个纵向端部分别与一连接构件21相铰接；相连剪叉机构的其中一个径向端部的相邻连接构件21之间(即位于同一关键节点的连接构件之间)形成圆柱副20连接，相连剪叉机构的其中一个另径向端部的相邻连接构件21之间形成与圆柱副20同轴的转动副30连接。这样，如图12所示，既能保证两剪叉机构在圆柱副20轴向上的相对移动，又保证剪叉机构间的相对转动。由此可见，在改变连接方式之后，实施例2并不改变实施例1的理论运动结果。

图13是表示圆柱副20连接的结构示意图。参见图13，圆柱副20通过将相邻连接构件21的连接轴孔211相互间隔地套设在同一转轴(图中未示出)上而形成，且相邻的连接轴孔211之间具有轴向间隙△i，以使得两剪叉机构在圆柱副20的轴向上可相对移动。

图14示意性地描述了作为本发明优选实施例的曲面桁架机构中不同关键节点处的剪叉机构连接。如图14所示，该曲面桁架机构中共有a、b、c、d和e五种关键节点连接方式，按照尺寸大小，可以得到各个关键节点处剪叉杆之间的最大尺寸差值。通过控制各个关键节点处连接轴孔211之间的轴向间隙之和大于等于该关键节点处剪叉杆尺寸之间的最大差值，即能够保证最终的折展运动得以实现，不会发生卡死现象，即：

其中，△i表示某一关键节点处相邻连接轴孔之间的轴向间隙，Lmax和Lmin分别为该关键节点处剪叉杆尺寸的最大值和最小值。

作为本发明的一种优选实施方式，选取五种关键节点中剪叉杆的最大尺寸差值作为圆柱副20的行程，即控制各个关键节点处连接轴孔211之间的轴向间隙之和大于等于任意关键节点(组网节点)处剪叉杆尺寸之间的最大差值，以便于统一，工程中也符合互换性原理，减少安装的复杂程度。

实施例2中，相连剪叉机构其中一个径向端部的相邻连接构件之间形成圆柱副连接，相连剪叉机构的其中一个另径向端部的相邻连接构件之间形成与圆柱副同轴的转动副连接；与此相对的，相连剪叉机构仅在其中一个径向端部的相邻连杆构件之间形成转动副连接。因此，与实施例1相比，实施例2所得到曲面桁架机构的强度更高、折展过程更稳定可靠。

虽然以上通过优选实施例描绘了本发明，但应当理解的是，本领域普通技术人员在不脱离本发明的发明范围内，凡依照本发明所作的同等改进，应为本发明的发明范围所涵盖。

Claims (6)

1.一种基于剪叉机构的空间可展开曲面桁架机构，由多个三棱台单元组网形成；其中，所述三棱台单元包括三个通过共转动关节依次首尾相连的剪叉机构，相邻三棱台单元之间通过共剪叉机构相连；并且其中，所述剪叉机构包括在中央部分相互铰接的两根剪叉杆，每一所述剪叉杆的两个纵向端部分别与一根连杆构件相铰接，位于所述两根剪叉杆同一纵向端部的两根连杆构件之间形成滑动副连接；所述共转动关节设置在相连剪叉机构其中一个径向端部的相邻连杆构件之间。

2.如权利要求1所述的空间可展开曲面桁架机构，其中，所述共转动关节为转动副或圆柱副。

3.一种基于剪叉机构的空间可展开曲面桁架机构，由多个三棱台单元组网形成；其中，所述三棱台单元包括三个依次首尾相连的剪叉机构，相邻三棱台单元之间通过共剪叉机构相连；并且其中，所述剪叉机构包括在中央部分相互铰接的两根剪叉杆，每一所述剪叉杆的两个纵向端部分别与一连接构件相铰接；相连剪叉机构的其中一个径向端部的相邻连接构件之间形成圆柱副连接，相连剪叉机构的其中另 一个径向端部的相邻连接构件之间形成与所述圆柱副同轴的转动副连接。

4.如权利要求3所述的空间可展开曲面桁架机构，其中，所述圆柱副通过将所述相邻连接构件的连接轴孔相互间隔地套设在同一转轴上而形成，且所述连接轴孔之间的轴向间隙之和大于等于任意组网节点处剪叉杆尺寸之间的最大差值。

5.如权利要求1或3所述的空间可展开曲面桁架机构，其至少包括由六个具有相同尺寸的三棱台单元组网形成的中心六棱台模块。

6.如权利要求5所述的空间可展开曲面桁架机构，其进一步包括环绕所述中心六棱台模块设置的六个具有相同尺寸的二级六棱台模块，每个所述二级六棱台模块由六个具有多种尺寸的三棱台单元组网形成。