CN112298622B - 一种基于一维连续杆的桁架在轨制造装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于一维连续杆的桁架在轨制造装置，包括壳体结构、素材存储单元、素材转运单元、素材连接机构、杆件推拉单元和若干素材；壳体结构为多棱柱，若干素材存储单元分别安装在壳体结构的各侧板上；各素材转运单元安装在壳体结构的前端板上，位于前端板各边处；各杆件推拉单元安装在壳体结构的前端板上，位于前端板各顶点处；素材连接机构安装在壳体结构前端板上，位于前端板各顶点处。本发明可以满足超长一维桁架结构的在轨无人自动制造需求，还可以为构建超大型航天器结构平台提供桁架素材，解决超大型空间结构受火箭约束，难以在轨直接构建的问题。

Description

一种基于一维连续杆的桁架在轨制造装置及方法

技术领域

本发明涉及一种桁架在轨制造装置及方法，属于超大型航天器在轨制造技术领域。

背景技术

随着人类利用太空的广度和深度逐渐扩展，对航天器性能和需求不断增加，大型空间载荷研制需求日益迫切。在军用领域，天基高能激光武器、天基高功率重频微波武器等大型天基武器的研制与应用需要具有大承载能力、高精度和高稳定度控制和大能源供给能力的大型航天器平台支持。在民用遥感、通信、导航等领域，人们对空间信息获取的精度、范围、时效性等方面提出了更高的要求，其主要趋势是空间信息获取系统向更高能力、更大规模方向发展，如位于中轨的战术级天基预警雷达，有源相控阵天线的尺寸达几百米，平台需具备接近100kW的供电能力，这些超大型航天器系统都需要超大型空间结构作为支撑。

空间大型桁架作为大型空间天线反射面、大型射电望远镜、相控阵雷达和太阳能电池阵列等大型航天器的支撑结构，具有大口径、可扩展、质量轻、高包装密度的特点，可以适应不同的任务需求，构建出各种不同形式的结构，是比较理想的结构形式，直接决定了天基装备的能量供给、分辨率及承载能力，是支持大型航天系统在轨构建的基础平台，是天基装备性能提升的重要标志。

空间大尺寸结构传统上一般采用收拢展开方式实现，如卫星太阳翼、天线等。对于一些大尺寸且构型复杂的空间结构，受运载火箭整流罩尺寸限制的，一般采用多次发射和在轨组装的方式实现，如国际空间站桁架结构。目前50米以内的空间结构主要通过在轨一次展开实现，如美国LLSBR相控阵雷达尺寸达到50m×2m，采用可展开桁架结构支撑；50-100米的空间结构主要通过在轨展开和在轨有人装配实现，如美国ADAM伸展臂在轨展开长度60m，国际空间站通过空间机械臂和大量航天员出舱活动完成了长109m桁架的组装。对于尺寸更大且呈规模化形式的结构，如百米以上的桁架结构，几千-万平米的天线结构，单纯依靠收拢展开或在轨组装等方式难以实施，必须借助基于空间制造的在轨构建技术实现，如美国正在开展的“SpiderFab项目”、“建筑师项目”、“天港计划”等。

目前，针对空间超大型结构在轨制造，研究较多的有在轨3D打印和基于模块或素材的在轨组装。基于3D打印的在轨制造方式，由于其受工艺方法的限制，对于超大型空间结构在轨构建效率较低；基于模块或素材的在轨组装方式，由于其组装接口较多，无人自主组装操作方法相对复杂，结构构建效率及刚度都相对较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于一维连续杆的桁架在轨制造装置及方法，可以满足超长一维桁架结构的在轨无人自动制造需求，还可以为构建超大型航天器结构平台提供桁架素材，解决超大型空间结构受火箭约束，难以在轨直接构建的问题。

本发明所采用的技术方案是：一种基于一维连续杆的桁架在轨制造装置，其特征在于，包括壳体结构、素材存储单元、素材转运单元、素材连接机构、杆件推拉单元和若干素材；

壳体结构为多棱柱，若干素材存储单元分别安装在壳体结构的各侧板上；各素材转运单元安装在壳体结构的前端板上，位于前端板各边处；各杆件推拉单元安装在壳体结构的前端板上，位于前端板各顶点处；素材连接机构安装在壳体结构前端板上，位于前端板各顶点处；素材安装在素材存储单元中，杆件推拉单元推动安装在杆件推拉单元内的桁架纵梁杆件伸出，素材存储单元推动素材至素材转运单元的抓取位置，各素材转运单元同时抓取壳体结构各侧面上素材存储单元中的素材转移至桁架纵梁杆件相应安装位置处，各素材构成多边形对以各桁架纵梁杆件为棱边的桁架结构进行加强，素材连接机构完成对相邻两根素材端部的连接。

素材存储单元包括素材推动导轨和素材存储架，素材存储架为框架结构，素材推动导轨安装于素材存储架的下方；素材存储于素材存储架上，素材推动导轨推动素材沿素材存储架的导向槽移动。

素材转运单元包括安装架和直线模组，安装架为横梁结构，直线模组固定在安装架上，安装架安装在壳体结构的前端板上；直线模组末端安装有弹性卡抓，用于抓取素材，素材抓取后通过直线模组的上下运动实现素材的转运。

杆件推拉单元包括外壳、电机、主动摩擦轮、被动摩擦轮、弹簧顶销，主动摩擦轮安装在电机的输出轴上，通过轴承安装在外壳内，电机与外壳固连，被动摩擦轮通过轴安装在外壳内；弹簧顶销安装在外壳上，弹簧顶销调节主动摩擦轮、被动摩擦轮对桁架纵梁杆件的摩擦力的大小。

使用所述的装置进行基于一维连续杆的桁架在轨制造的方法，包括步骤如下：

步骤一、将桁架纵梁杆件分别装入各杆件推拉单元中，将素材存储单元分别安装在壳体结构的各侧板上；

步骤二、控制杆件推拉单元向外输送桁架纵梁杆件；

步骤三、控制素材推动导轨推动素材沿素材存储架的导向槽移动至素材转运单元的抓取位置；

步骤四、控制素材转运单元抓取素材，将素材转移至桁架纵梁杆件上，并控制素材连接机构对相邻两素材的端部进行连接。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明提出的基于一维连续杆的桁架自动制造装置及方法，采用多杆间的刚度增强连接，在空间环境下制造出具有合适力学性能和尺寸的一维桁架单元，进而实现空间超大型桁架结构的在轨组装。

(2)本发明结合了3D打印和在轨组装等多种构建方法的技术优势，同时也大大提升了大型桁架的在轨建造效率和结构刚度，对于实现超大型空间结构而言具备较好的任务柔性，为超大型空间结构在轨构建提供一种新的技术途径。

(3)本发明提出的基于一维连续杆的桁架在轨制造装置和方法，综合采用一维连续杆、多杆间刚度增强连接等技术，可以实现任意长度一维桁架单元的在轨自动制造，解决了一维连续杆刚度差、难于直接用于大型结构在轨组装的问题。一维桁架单元是超大型空间桁架结构在轨建造的基础，本发明可以广泛的应用于超大型空间桁架结构的在轨建造，通用性高，扩展性好，灵活性强。

附图说明

图1为本发明基于一维连续杆的桁架在轨制造装置示意图；

图2为本发明素材存储单元结构示意图；

图3(a)为本发明素材转运单元抓取素材抓取前状态示意图；

图3(b)为本发明素材转运单元抓取素材抓取后状态示意图；

图4为本发明一维桁架结构截面示意图；

图5(a)为本发明桁架素材与杆件锁紧前状态示意图；

图5(b)为本发明桁架素材与杆件锁紧后状态示意图；

图6为本发明杆件推拉单元结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

实施例1

如图1所示，本发明提出一种基于一维连续杆的桁架在轨制造装置：包括 1个壳体结构1、3组素材存储单元2、3组素材转运单元4、3组素材连接机构5、3组杆件推拉单元6和若干素材3；

壳体结构1是整个装置的本体，用于安装素材存储单元2、素材转运单元 4、素材连接机构5、杆件推拉单元6；素材存储单元2通过螺钉与壳体结构1 侧板连接；素材转运单元4通过螺钉与壳体结构1前端板外侧连接，位于前端板各边处；素材连接机构5通过螺钉与壳体结构1前端板内侧连接，位于前端板各顶点处；杆件推拉单元6通过螺钉与壳体结构1前端板外侧连接，位于前端板各顶点处。

其中，素材存储单元2包括素材推动导轨2-1和素材存储架2-2，素材存储间2-2为框架结构，素材推动导轨2-1安装于素材存储架2-2的下方，通过螺钉固连；素材3存储于素材存储单元2的素材存储架2-2上，可沿素材存储架2-2的导向槽移动。如图2所示，素材存储架2-2用于素材3的存储和导向，素材3可在素材存储架2-2中沿导向槽滑动。素材推动导轨2-1为素材3在导向槽中滑动提供推力，推动素材3移动到素材存储架2-2的最前端，即素材转运单元4的素材抓取位置，素材3每被抓取一个，素材推动导轨2-1就推动下一个素材3移动到素材抓取位置，直到所有素材3都被抓取完，即更换素材存储单元2(素材包)。

如图3(a)、图3(b)所示，素材转运单元4包括安装架4-1和直线模组4-2，直线模组4-2通过螺钉固定在安装架4-1上，再整体与壳体结构1连接。如图 3所示，直线模组4-2末端安装有弹性卡抓，用于抓取素材3，素材3抓取后通过直线模组4-2的上下运动可实现素材3的转运，素材3由素材存储单元2 转移到桁架纵梁杆件7上。

杆件推拉单元6包括外壳6-1、电机6-2、主动摩擦轮6-3、被动摩擦轮6-4、弹簧顶销6-5，主动摩擦轮6-3安装在电机6-2的输出轴上，通过轴承一起安装在外壳6-1内，电机6-2与外壳6-1通过螺钉固连，被动摩擦轮6-4通过螺钉轴固定在外壳6-1内，弹簧顶销6-5直接螺接在外壳6-1上，再整体与壳体结构1连接。

如图4、图5(a)、图5(b)所示，素材3转运到桁架纵梁杆件7上时，可通过素材连接机构5拨动素材3上的锁钩3-1，实现素材横梁3-2与桁架纵梁杆件7的锁紧连接。该处素材横梁3-2与桁架纵梁杆件7的连接不局限于锁钩连接方法，还可采用其它机械连接方法(如卡榫连接)和焊接、胶接等方法实现。

如图4、图6所示，桁架纵梁杆件7可通过杆件推拉单元6往外输送，杆件推拉单元6通过一组摩擦轮为杆件提供摩擦力，弹簧顶销6-5可调节摩擦力的大小，电机6-2带动主动摩擦轮6-3转动，即可实现桁架纵梁杆件7往外输送。每形成一个桁架刚度增强连接截面，杆件推拉单元6就带动桁架纵梁杆件 7往外移动一段距离，继续连接下一个桁架截面，实现桁架结构连续制造。

工作原理：

该装置基于一维连续杆，通过多杆间一体化刚度增强连接，可以实现超长一维桁架的在轨连续制造。其中，一维连续杆可以通过在轨连续成型或在轨弹性展开等多种方法实现，一维连续杆件制造装备安装于本装置前端，为桁架制造提供一维连续纵梁杆件7。素材3作为桁架刚度增强结构，由地面制造，存储于素材存储单元2中，以素材包的形式发射上行，可在轨更换、补充，为桁架制造提供刚度增强的横梁结构。通过多组素材与纵梁杆件连接，可以使多根杆件连接成整体，增强桁架刚度，实现三边形、四边形、……、等多边形桁架结构连续制造。

使用上述装置进行基于一维连续杆的桁架在轨制造的方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤一、将桁架纵梁杆件分别装入各杆件推拉单元6中，将素材存储单元 2分别安装在壳体结构1的各侧板上；

步骤二、控制杆件推拉单元6向外输送桁架纵梁杆件；

步骤三、控制素材推动导轨2-1推动素材3沿素材存储架2-2的导向槽移动至素材转运单元4的抓取位置；

步骤四、控制素材转运单元4抓取素材3，将素材3转移至桁架纵梁杆件上，并控制素材连接机构5对相邻两素材3的端部进行连接。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种基于一维连续杆的桁架在轨制造装置，其特征在于，包括壳体结构(1)、素材存储单元(2)、素材转运单元(4)、素材连接机构(5)、杆件推拉单元(6)和若干素材(3)；

壳体结构(1)为多棱柱，若干素材存储单元(2)分别安装在壳体结构(1)的各侧板上；各素材转运单元(4)安装在壳体结构(1)的前端板上，位于前端板各边处；各杆件推拉单元(6)安装在壳体结构(1)的前端板上，位于前端板各顶点处；素材连接机构(5)安装在壳体结构(1)前端板上，位于前端板各顶点处；素材(3)安装在素材存储单元(2)中，杆件推拉单元(6)推动安装在杆件推拉单元(6)内的桁架纵梁杆件(7)伸出，素材存储单元(2)推动素材(3)至素材转运单元(4)的抓取位置，各素材转运单元(4)同时抓取壳体结构(1)各侧面上素材存储单元(2)中的素材(3)转移至桁架纵梁杆件(7)相应安装位置处，各素材(3)构成多边形对以各桁架纵梁杆件(7)为棱边的桁架结构进行加强，素材连接机构(5)完成对相邻两根素材(3)端部的连接；

素材存储单元(2)包括素材推动导轨(2-1)和素材存储架(2-2)，素材存储架(2-2)为框架结构，素材推动导轨(2-1)安装于素材存储架(2-2)的下方；素材(3)存储于素材存储架(2-2)上，素材推动导轨(2-1)推动素材(3)沿素材存储架(2-2)的导向槽移动；

杆件推拉单元(6)包括外壳(6-1)、电机(6-2)、主动摩擦轮(6-3)、被动摩擦轮(6-4)、弹簧顶销(6-5)，主动摩擦轮(6-3)安装在电机(6-2)的输出轴上，通过轴承安装在外壳(6-1)内，电机(6-2)与外壳(6-1)固连，被动摩擦轮(6-4)通过轴安装在外壳(6-1)内；弹簧顶销(6-5)安装在外壳(6-1)上，弹簧顶销(6-5)调节主动摩擦轮(6-3)、被动摩擦轮(6-4)对桁架纵梁杆件(7)的摩擦力的大小。

2.根据权利要求1所述的一种基于一维连续杆的桁架在轨制造装置，其特征在于，素材转运单元(4)包括安装架(4-1)和直线模组(4-2)，安装架(4-1)为横梁结构，直线模组(4-2)固定在安装架(4-1)上，安装架(4-1)安装在壳体结构(1)的前端板上；直线模组(4-2)末端安装有弹性卡抓，用于抓取素材(3)，素材(3)抓取后通过直线模组(4-2)的上下运动实现素材(3)的转运。

3.使用如权利要求1或2所述的装置进行基于一维连续杆的桁架在轨制造的方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤一、将桁架纵梁杆件(7)分别装入各杆件推拉单元(6)中，将素材存储单元(2)分别安装在壳体结构(1)的各侧板上；

步骤二、控制杆件推拉单元(6)向外输送桁架纵梁杆件(7)；

步骤三、控制素材推动导轨(2-1)推动素材(3)沿素材存储架(2-2)的导向槽移动至素材转运单元(4)的抓取位置；

步骤四、控制素材转运单元(4)抓取素材(3)，将素材(3)转移至桁架纵梁杆件(7)上，并控制素材连接机构(5)对相邻两素材(3)的端部进行连接。

Images