CN107416232A - 一种抛物面花瓣式折展装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抛物面花瓣式折展装置。目前，大尺度、高精度、高刚度、高稳定性、轻量化的空间折展机构的需求越来越迫切。本发明包括折叠体、竖杆和六个连杆组。折叠体包括底部基体和六片折展件。折叠体具有展开和折叠两种状态。展开状态下，折叠体的内、外侧面均为抛物面。六个折展件均与底部基体铰接。折展件包括由内至外依次铰接的五片叶片；相邻叶片的铰接轴轴线与相邻叶片内侧面交线的两端点连线重合。竖杆的顶端与底部基体固定，且竖杆轴线与折叠体轴线重合。连杆组由第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆组成；本发明将连杆平面的旋转运动转换成叶片的空间运动，折叠和展开的过程十分简便，且折叠率可达0.4。

Description

一种抛物面花瓣式折展装置

技术领域

本发明属于折展装置技术领域，具体涉及一种抛物面花瓣式折展装置。

背景技术

随着航天事业的发展，越来越多的航天工程中会应用一些大型在轨结构，以满足不同的航天任务。然而，由于运载火箭容积的限制，能够发射到太空的非折展结构体的尺寸无法满足任务需求，因此各种类型的宇航空间折展机构得到快速发展和应用。在空间站、通信卫星平台、太空望远镜、对地观测、星球探索等航天任务中，折展机构应用十分广泛。空间折展机构已经在航天工程中扮演了不可替代的角色，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、大口径折展天线、大型柔性太阳帆板支撑骨架等。随着太空探索、对地观测、海洋勘探和军事侦察等空间活动的迅猛发展及未来复杂太空任务的需求，大尺度、高精度、高刚度、高稳定性、轻量化的空间折展机构的需求越来越迫切。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抛物面花瓣式折展装置，能够用作星载天线或太阳能板，具有展开和折叠过程稳定。

本发明包括折叠体、竖杆和六个连杆组。所述的折叠体包括底部基体和六片折展件。折叠体具有展开和折叠两种状态。展开状态下，折叠体的内、外侧面均为抛物面。

取垂直于折叠体中心轴线的一个平面为A平面。底部基体内侧面投影在A平面上得到的轮廓由六个全等的三角形拼合而成。六个三角形均有一个角的大小为60°。六个大小为60°角的顶点重合，且在折叠体的轴线上。大小为60°角的对边为a边，三角形另两条边分别为b边和c边，b边长度大于或等于c边长度。所有三角形内b边均在c边的逆时针方向上或所有三角形内b边均在c边的顺时针方向上。令六个三角形内a边与b边的交点为点K_i，i＝1,2,…6。点K_i沿周向顺序排列。有一个端点为点K_i的那条a边的另一个端点为N_i。若同一三角形内b边在c边的逆时针方向上，则点K₂在点K₁的逆时针方向上。若同一三角形内b边在c边的顺时针方向上，则点K₂在点K₁的顺时针方向上。

折叠体投影在A平面上，折叠体内侧面开口处圆形的投影为S圆。将底部基体投影中的六条a边向b边一侧延长至与S圆相交，得到六个交点F_i，i＝1,2,…6。点F_i与点K_i在同一条直线上。将S圆六等分，得到六个等分点H_i，i＝1,2,…6。点H_e设置在点F_e与点F_e+1之间，e＝1,2,…5。

点H_f与点K_f的连线为线V_f，点H_f与点H_f+1之间的圆弧为线X_f，点K_f+1所在三角形的a边为线Y_f，点K_f与点N_f+1为线Z_f，f＝1,2,…5。点H₆与点K₆的连线为线V₆，点H₆与点H₁之间的圆弧为线X₆，点K₁所在三角形的a边为线Y₆，点K₆与点N₁为线Z₆。

线V_f、线V_f+1、线X_f、线Y_f和线Z_f构成一个折展件内侧面轮廓的投影。线V₆、线V₁、线X₆、线Y₆和线Z₆构成一个折展件内侧面轮廓的投影。所述的六个折展件均与底部基体铰接，六根铰接轴轴线与六条a边对应的底部基体内侧面轮廓两端点的连线分别重合。

所述的折展件包括由内至外依次铰接的五片叶片；相邻叶片的铰接轴轴线与相邻叶片内侧面交线的两端点连线重合。

所述竖杆的顶端与底部基体固定，且竖杆轴线与折叠体轴线重合。所述的连杆组由第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆组成；所述第一连杆的外端与第二连杆的底端固定。第二连杆的顶端与第三连杆的底端构成转动副，该转动副的公共轴线与第二连杆的轴线重合。第三连杆的顶端与第四连杆的外端构成以第四连杆的轴线为公共轴线的转动副。六根第一连杆的内端均与竖杆的底端固定。六根第四连杆的内端与六片位于最外侧叶片的外侧面分别固定。

所述的六根第二连杆均由电机驱动。

第m个所述折展件中位于最内侧叶片的内侧面在A平面上投影得到的轮廓由四根线段组成，其中两根线段与线Y_m及线Z_m完全重合，m＝1,2,…6。

将六根第一连杆的轴线投影在A平面上，得到六根连杆投影线Q_i，i＝1,2,…6。点K_f与点K_f+1的连线为线R_f，f＝1,2,…5。点K₆与点K₁的连线为线R₆。连杆投影线Q_i分别垂直且等分线R_i。连杆投影线Q_i对应的第一连杆所在连杆组Ⅲ中的第四连杆内端与外边缘在A平面上的投影为线X_p-2的叶片固定，3≤p≤6。连杆投影线Q₁对应的第一连杆3所在连杆组Ⅲ中的第四连杆6内端与外边缘在A平面上的投影为线X₅的叶片固定。连杆投影线Q₂对应的第一连杆所在连杆组Ⅲ中的第四连杆内端与外边缘在A平面上的投影为线X₆的叶片固定。

所述第一连杆的轴线与对应第二连杆的轴线在A平面上的投影所构成的夹角为5～45°。

所述第一连杆的轴线在经过对应第二连杆的轴线且垂直于A平面的平面内的投影与对应第二连杆的轴线所构成的夹角为10～50°。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明将连杆平面的旋转运动转换成叶片的空间运动，折叠和展开的过程十分简便。

2、本发明折叠率可达0.4，相比于现有空间折展机构0.5～0.9折叠比，空间利用率更高，能够对航天工程带来巨大帮助。

附图说明

图1为本发明的正视图；

图2为本发明中底部基体、竖杆、单个折展件及连杆组装配的示意图；

图3为本发明中折叠体的投影图；

图4为本发明中折叠体及第一连杆的投影图；

图5为本发明收拢后的正视图；

图6为本发明收拢后的俯视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1和2所示，一种抛物面花瓣式折展装置，包括折叠体Ⅰ、竖杆Ⅱ和六个连杆组Ⅲ。折叠体Ⅰ包括底部基体1和六片折展件2。折叠体Ⅰ具有展开和折叠两种状态。展开状态下，折叠体Ⅰ的内、外侧面均为抛物面。

如图1、2和3所示，底部基体1的中心轴线与折叠体Ⅰ的轴线重合。取垂直于折叠体Ⅰ中心轴线的一个平面为A平面。将底部基体1内侧面投影在A平面上，得到的轮廓由六个全等的三角形拼合而成。六个三角形均有一个角的大小为60°。大小为60°角的顶点重合，且在折叠体Ⅰ的轴线上。六个大小为60°角的对边为a边，三角形另两条边分别为b边和c边，b边长度大于或等于c边长度。所有三角形内b边均在c边的逆时针方向上或所有三角形内b边均在c边的顺时针方向上。令六个三角形内a边与b边的交点为点K_i，i＝1,2,…6。点K_i沿周向顺序排列。有一个端点为点K_i的那条a边的另一个端点为N_i。若同一三角形内b边在c边的逆时针方向上，则点K₂在点K₁的逆时针方向上。若同一三角形内b边在c边的顺时针方向上，则点K₂在点K₁的顺时针方向上。

将折叠体Ⅰ投影在A平面上，折叠体Ⅰ内侧面开口处圆形的投影为S圆。将底部基体1投影中的六条a边向b边一侧延长至与S圆相交，得到六个交点F_i，i＝1,2,…6。点F_i与点K_i在同一条直线上。将S圆六等分，得到六个等分点H_i，i＝1,2,…6。点H_e设置在点F_e与点F_e+1之间，e＝1,2,…5。

点H_f与点K_f的连线为线V_f，点H_f与点H_f+1之间的圆弧为线X_f，点K_f+1所在三角形的a边为线Y_f，点K_f与点N_f+1为线Z_f，f＝1,2,…5。点H₆与点K₆的连线为线V₆，点H₆与点H₁之间的圆弧为线X₆，点K₁所在三角形的a边为线Y₆，点K₆与点N₁为线Z₆。

线V_f、线V_f+1、线X_f、线Y_f和线Z_f构成一个折展件2内侧面的轮廓的投影。线V₆、线V₁、线X₆、线Y₆和线Z₆构成一个折展件2内侧面的轮廓的投影。六个折展件2均与底部基体1铰接，六根铰接轴轴线与六条a边对应的底部基体1内侧面轮廓两端点的连线分别重合。

折展件2包括由内至外依次铰接的五片叶片；相邻叶片的铰接轴轴线与相邻叶片内侧面交线的两端点连线重合。第m个折展件2中位于最内侧叶片的内侧面在A平面上投影得到的轮廓由四根线段组成。其中两根线段与线Y_m及线Z_m完全重合，m＝1,2,…6。

竖杆Ⅱ的顶端与底部基体1固定，且竖杆Ⅱ轴线与折叠体Ⅰ轴线重合。连杆组Ⅲ由第一连杆3、第二连杆4、第三连杆5和第四连杆6组成；第一连杆3的外端与第二连杆4的底端固定。第二连杆4的顶端与第三连杆5的底端构成转动副，该转动副的公共轴线与第二连杆4的轴线重合。第三连杆5的顶端与第四连杆6的外端构成以第四连杆6的轴线为公共轴线的转动副。六根第一连杆3的内端均与竖杆Ⅱ的底端固定。六根第四连杆6的内端与六片位于最外侧叶片的外侧面分别固定。六根第三连杆5均由电机驱动，电机输出轴轴线与第二连杆4轴线重合。

如图1、2和4所示，将六根第一连杆3的轴线投影在A平面上，得到六根连杆投影线Q_i，i＝1,2,…6。点K_f与点K_f+1的连线为线R_f，f＝1,2,…5。点K₆与点K₁的连线为线R₆。连杆投影线Q_i分别垂直且等分线R_i。连杆投影线Q_i对应的第一连杆3所在连杆组Ⅲ中的第四连杆6内端与外边缘在A平面上的投影为线X_p-2的叶片固定，3≤p≤6。连杆投影线Q₁对应的第一连杆3所在连杆组Ⅲ中的第四连杆6内端与外边缘在A平面上的投影为线X₅的叶片固定。连杆投影线Q₂对应的第一连杆3所在连杆组Ⅲ中的第四连杆6内端与外边缘在A平面上的投影为线X₆的叶片固定。

第一连杆3的轴线与对应第二连杆4的轴线在A平面上的投影所构成的夹角为25°。第一连杆3的轴线在经过对应第二连杆4的轴线且垂直于A平面的平面内的投影与对应第二连杆4的轴线所构成的夹角为30°。

本发明的工作原理如下：

如图5和6所示，收拢过程如下：电机正转，驱动六根第二连杆4同时正向转动，第一叶片、第二叶片、第三叶片、第四叶片及第五叶片均向内翻转。完成收拢过程。

展开过程如下：电机反转，驱动六根第二连杆4同时反向转动，第一叶片、第二叶片、第三叶片、第四叶片及第五叶片均向外翻转。完成展开过程。

Claims (6)

1.一种抛物面花瓣式折展装置，包括折叠体、竖杆和六个连杆组；所述的折叠体包括底部基体和六片折展件；其特征在于：折叠体具有展开和折叠两种状态；展开状态下，折叠体的内、外侧面均为抛物面；

所述底部基体的中心轴线与折叠体的轴线重合；取垂直于折叠体轴线的一个平面为A平面；底部基体内侧面投影在A平面上得到的轮廓由六个三角形拼合而成；六个三角形均有一个角的大小为60°；六个大小为60°角的顶点重合，且在折叠体的轴线上；大小为60°角的对边为a边，三角形另两条边分别为b边和c边，b边长度≥c边长度；所有三角形内b边均在c边的逆时针方向上或所有三角形内b边均在c边的顺时针方向上；令六个三角形内a边与b边的交点为点K_i，i＝1,2,…6；点K_i沿周向顺序排列；有一个端点为点K_i的那条a边的另一个端点为N_i；若同一三角形内b边在c边的逆时针方向上，则点K₂在点K₁的逆时针方向上；若同一三角形内b边在c边的顺时针方向上，则点K₂在点K₁的顺时针方向上；

折叠体投影在A平面上，折叠体内侧面开口处圆形的投影为S圆；将底部基体投影中的六条a边向b边一侧延长至与S圆相交，得到六个交点F_i，i＝1,2,…6；点F_i与点K_i在同一条直线上；将S圆六等分，得到六个等分点H_i，i＝1,2,…6；点H_e设置在点F_e与点F_e+1之间，1≤e≤5；

点H_f与点K_f的连线为线V_f，点H_f与点H_f+1之间的圆弧为线X_f，点K_f+1所在三角形的a边为线Y_f，点K_f与点N_f+1为线Z_f，1≤f≤5；点H₆与点K₆的连线为线V₆，点H₆与点H₁之间的圆弧为线X₆，点K₁所在三角形的a边为线Y₆，点K₆与点N₁为线Z₆；

线V_f、线V_f+1、线X_f、线Y_f和线Z_f构成一个折展件内侧面轮廓的投影；线V₆、线V₁、线X₆、线Y₆和线Z₆构成一个折展件内侧面轮廓的投影；所述的六个折展件均与底部基体铰接，六根铰接轴轴线与六条a边对应的底部基体内侧面轮廓两端点的连线分别重合；

所述的折展件包括由内至外依次铰接的五片叶片；相邻叶片的铰接轴轴线与相邻叶片内侧面交线的两端点连线重合；

所述竖杆的顶端与底部基体固定，且竖杆轴线与折叠体轴线重合；所述的连杆组由第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆组成；所述第一连杆的外端与第二连杆的底端固定；第二连杆的顶端与第三连杆的底端构成转动副，该转动副的公共轴线与第二连杆的轴线重合；第三连杆的顶端与第四连杆的外端构成以第四连杆的轴线为公共轴线的转动副；六根第一连杆的内端均与竖杆的底端固定；六根第四连杆的内端与六片位于最外侧叶片的外侧面分别固定。

2.根据权利要求1所述的一种抛物面花瓣式折展装置，其特征在于：所述的六根第二连杆均由电机驱动。

3.根据权利要求1所述的一种抛物面花瓣式折展装置，其特征在于：第m个所述折展件中位于最内侧叶片的内侧面在A平面上投影得到的轮廓由四根线段组成，其中两根线段与线Y_m及线Z_m完全重合。

4.根据权利要求1所述的一种抛物面花瓣式折展装置，其特征在于：将六根第一连杆的轴线投影在A平面上，得到六根连杆投影线Q_i，i＝1,2,…6；点K_f与点K_f+1的连线为线R_f，f＝1,2,…5；点K₆与点K₁的连线为线R₆；连杆投影线Q_i分别垂直且等分线R_i；连杆投影线Q_i对应的第一连杆所在连杆组Ⅲ中的第四连杆内端与外边缘在A平面上的投影为线X_p-2的叶片固定，3≤p≤6；连杆投影线Q₁对应的第一连杆3所在连杆组Ⅲ中的第四连杆6内端与外边缘在A平面上的投影为线X₅的叶片固定；连杆投影线Q₂对应的第一连杆所在连杆组Ⅲ中的第四连杆内端与外边缘在A平面上的投影为线X₆的叶片固定。

5.根据权利要求1所述的一种抛物面花瓣式折展装置，其特征在于：所述第一连杆的轴线与对应第二连杆的轴线在A平面上的投影所构成的夹角为5～45°。

6.根据权利要求1所述的一种抛物面花瓣式折展装置，其特征在于：所述第一连杆的轴线在经过对应第二连杆的轴线且垂直于A平面的平面内的投影与对应第二连杆的轴线所构成的夹角为10～50°。