CN112429279B - 基于形状记忆合金驱动的展开机构 - Google Patents
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Abstract
本发明的基于形状记忆合金驱动的展开机构包括主杆、副杆、驱动器、铰链和限位块；所述驱动器包括形状记忆合金弹簧；所述主杆与所述副杆转动连接；所述驱动器安装在所述副杆上；所述铰链排布在所述主杆和所述副杆上，所述铰链一端与驱动器的形状记忆合金弹簧连接，所述铰链另一端固定在所述主杆上；所述主杆和所述副杆上各设有一限位块；对驱动器的形状记忆合金弹簧加热，形状记忆合金弹簧相变产生回复力，带动所述铰链运动，使所述主杆相对所述副杆转动，直至所述主杆上的限位块与所述副杆上的限位块接触，停止转动，实现所述主杆相对所述副杆转动展开并锁定。本发明的基于形状记忆合金驱动的展开机构解决太阳电池板展开过程速度不可控问题。
Description
技术领域
本发明涉及航天器太阳电池板，具体涉及一种基于形状记忆合金驱动的展开机构。
背景技术
太阳电池板是卫星、载人飞船等空间飞行器的供能装置。太阳电池板安装在空间飞行器侧璧上，在空间飞行器发射和上升阶段，太阳电池板处于收拢状态，入轨后，太阳电池板在展开锁定机构的作用下展开并最终锁定。目前，大部分地球轨道空间飞行器的太阳电池板无源展开的速度无法控制，经研究表明，太阳电池板展开速度是导致碰撞力增加的因素之一。当太阳电池板展开到位时会产生瞬间撞击，当冲击超过基板的结构承载能力时，可能引起自身结构的破坏。例如冲击导致基板结构变形较大，可能引起表面的电池电路损坏，出现断路或短路故障；又如飞行器采用驱动机构对日定向，展开冲击力超过其承载能力，可能降低驱动机构的轴承的寿命或导电环的可靠性，甚至影响到飞行器本体的姿态运动及太阳电池板展开精度和稳定性。为此，需要一种减小展开速度或平稳控制展开速度的展开机构，减少展开撞击的载荷，减轻对太阳电池板的损害，减小对飞行器姿态的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于形状记忆合金驱动的展开机构，解决太阳电池板展开过程速度不可控问题。
为了达到上述的目的，本发明提供一种基于形状记忆合金驱动的展开机构，包括主杆、副杆、驱动器、铰链和限位块；所述驱动器包括形状记忆合金弹簧；所述主杆与所述副杆转动连接；所述驱动器安装在所述副杆上；所述铰链排布在所述主杆和所述副杆上，所述铰链一端与驱动器的形状记忆合金弹簧连接，所述铰链另一端固定在所述主杆上；所述主杆和所述副杆上各设有一限位块；对驱动器的形状记忆合金弹簧加热，形状记忆合金弹簧相变产生回复力，带动所述铰链运动，使所述主杆相对所述副杆转动，直至所述主杆上的限位块与所述副杆上的限位块接触，停止转动，实现所述主杆相对所述副杆转动展开并锁定。
上述基于形状记忆合金驱动的展开机构，其中，所述驱动器包括依次排布的偏置弹簧固定块、偏置弹簧、滑块、形状记忆合金弹簧和形状记忆合金弹簧固定块；所述形状记忆合金弹簧一端与所述形状记忆合金弹簧固定块固定连接，所述形状记忆合金弹簧另一端与所述滑块固定连接；所述偏置弹簧一端与所述滑块固定连接，所述偏置弹簧另一端与所述偏置弹簧固定块固定连接；所述滑块连接所述铰链。
上述基于形状记忆合金驱动的展开机构，其中，所述驱动器还包括驱动器外壳，所述偏置弹簧固定块、所述偏置弹簧、所述滑块、所述形状记忆合金弹簧和所述形状记忆合金弹簧固定块均置于所述驱动器外壳内，所述偏置弹簧固定块和所述形状记忆合金弹簧固定块与所述驱动器外壳固定连接；所述驱动器通过驱动器固定块安装在所述副杆上。
上述基于形状记忆合金驱动的展开机构，其中，所述形状记忆合金弹簧有电阻抗，形状记忆弹簧通电后发热。
上述基于形状记忆合金驱动的展开机构，其中，所述铰链包括多个滑轮和钢丝；在所述主杆和所述副杆上均安装有所述滑轮，所述滑轮通过滑轮固定轴套或滑轮固定轴安装；所述钢丝一端连接驱动器的形状记忆合金弹簧，所述钢丝另一端依次绕过副杆上的滑轮、主杆上的滑轮后固定在所述主杆上。
上述基于形状记忆合金驱动的展开机构，其中，所述主杆与所述副杆之间的夹角为0°，展开机构处于收拢状态，此时，形状记忆合金弹簧处于自然拉伸状态，偏置弹簧处于压缩状态；给形状记忆合金弹簧加热，当形状记忆合金弹簧温度达到相变温度，形状记忆合金弹簧开始有控制地逐步收缩，产生回复力，克服偏置弹簧的拉伸作用，拉动铰链，在铰链传动作用下，主杆相对副杆转动、展开；当展开角度达到预设值，主杆上的限位块运动至触碰到副杆上的限位块，副杆上的限位块阻止主杆继续转动，展开停止并锁定。
上述基于形状记忆合金驱动的展开机构，其中，所述主杆、所述副杆、所述驱动器和所述铰链均为两套，一副杆对应一主杆，在一套主杆和副杆的组合上设置一驱动器和一铰链；两套主杆和副杆的组合之间通过滑轮固定轴和滑轮固定轴套实现连接，保证两套组合同步运动。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：
本发明的基于形状记忆合金驱动的展开机构，利用形状记忆合金作驱动器，控制铰链运动，从而实现对展开速度的控制，解决了太阳电池板展开机构展开过程速度不可控问题；
利用本发明可实现太阳电池板在轨展开，且取得了机构运动可靠、展开平稳、重量轻、功耗小、控制简单等有益效果；
本发明的基于形状记忆合金驱动的展开机构，可应用于要求对姿态控制影响小的航天器的太阳电池板在轨可控展开。
附图说明
本发明的基于形状记忆合金驱动的展开机构由以下的实施例及附图给出。
图1为本发明较佳实施例的基于形状记忆合金驱动的展开机构的结构图，其中，(a)为收拢状态，(b)为展开状态。
图2为本发明较佳实施例中展开机构的组成图。
图3所示为本发明较佳实施例中展开机构运作原理图。
具体实施方式
以下将结合图1～图3对本发明的基于形状记忆合金驱动的展开机构作进一步的详细描述。
本发明的基于形状记忆合金驱动的展开机构包括主杆、副杆、驱动器、铰链和限位块；所述驱动器包括形状记忆合金弹簧；
所述主杆与所述副杆转动连接；
所述驱动器安装在所述副杆上；
所述铰链排布在所述主杆和所述副杆上，所述铰链一端与驱动器的形状记忆合金弹簧连接，所述铰链另一端固定在所述主杆上；
所述主杆和所述副杆上各设有一限位块；
当所述主杆与所述副杆之间的夹角为0°时，所述展开机构处于收拢状态；展开过程中，对驱动器的形状记忆合金弹簧加热，形状记忆合金弹簧相变产生回复力，带动所述铰链运动，使所述主杆相对所述副杆转动，直至所述主杆上的限位块与所述副杆上的限位块接触，停止转动，实现所述主杆相对所述副杆转动展开并锁定。
形状记忆合金作为一种智能材料具有较大应变量、结构简单、易于控制、环境适应能力强等优点，本发明利用形状记忆合金作驱动器，控制铰链运动，从而实现对展开速度的控制，解决了太阳电池板展开机构展开过程速度不可控问题。本发明的基于形状记忆合金驱动的展开机构具有重量轻、功耗小、控制简单等特点。
现以一具体实施例详细说明本发明的基于形状记忆合金驱动的展开机构。
图1所示为本发明较佳实施例的基于形状记忆合金驱动的展开机构的结构图；图2所示为本发明较佳实施例中展开机构的组成图。
参见图1和图2，本实施例的基于形状记忆合金驱动的展开机构包括两主杆1和两副杆2，两主杆1分别与两副杆2转动连接，即一副杆2对应一主杆1，主杆1与其对应的副杆2转动连接；本实施例的基于形状记忆合金驱动的展开机构还包括两驱动器和两铰链，一套主杆1和副杆2的组合对应一驱动器和一铰链。现仅以一边为例，详细介绍本实施例的基于形状记忆合金驱动的展开机构，如图2。
参见图2，所述主杆1一端与所述副杆2一端转动连接。
所述驱动器包括形状记忆合金弹簧3、形状记忆合金弹簧固定块4、滑块5、偏置弹簧7和偏置弹簧固定块8；
所述形状记忆合金弹簧3一端与所述形状记忆合金弹簧固定块4固定连接，所述形状记忆合金弹簧3另一端与所述滑块5固定连接；
所述偏置弹簧7一端与所述滑块5固定连接，所述偏置弹簧7另一端与所述偏置弹簧固定块8固定连接；
所述偏置弹簧固定块8、所述偏置弹簧7、所述滑块5、所述形状记忆合金弹簧3、所述形状记忆合金弹簧固定块4依次排布。
所述驱动器还包括驱动器外壳10，所述偏置弹簧固定块8、所述偏置弹簧7、所述滑块5、所述形状记忆合金弹簧3和所述形状记忆合金弹簧固定块4均置于所述驱动器外壳10内，所述偏置弹簧固定块8和所述形状记忆合金弹簧固定块4与所述驱动器外壳10固定连接。
所述驱动器通过驱动器固定块14安装在所述副杆2上。
所述形状记忆合金弹簧3有电阻抗，形状记忆弹簧3通电后发热。
所述铰链包括第一大滑轮9、第二大滑轮、小滑轮13和钢丝6；
所述第一大滑轮9通过大滑轮固定轴套15安装在所述副杆2上；
所述第二大滑轮通过大滑轮固定轴11安装在所述副杆2上；
所述小滑轮13通过小滑轮固定轴套16安装在所述主杆1上；
所述钢丝6的一端穿过驱动器的偏置弹簧固定块8、偏置弹簧7，与驱动器的滑块5固定连接，所述钢丝6的另一端依次绕过第一大滑轮9、第二大滑轮和小滑轮13后固定在所述主杆1上。
所述主杆1与所述副杆2通过大滑轮固定轴11实现转动连接；所述主杆1朝向副杆2的表面上设有第一限位块，所述副杆2朝向主杆1的表面上设有第二限位块。
两套主杆1和副杆2的组合之间通过滑轮固定轴和滑轮固定轴套实现连接，保证两套组合同步运动。即一套组合中采用滑轮固定轴安装滑轮，则另一套组合中对应的滑轮采用滑轮固定轴套安装，且滑轮固定轴插入滑轮固定轴套内。
图3所示为本发明较佳实施例中展开机构运作原理图。
参见图3，整个展开过程可以分三个阶段。
第一阶段：主杆与副杆之间的夹角为0°，展开机构处于收拢状态；此时，形状记忆合金弹簧处于自然拉伸状态，偏置弹簧处于压缩状态，形状记忆合金弹簧的长度方向、偏置弹簧的长度方向与驱动器外壳的长度方向一致，形状记忆合金弹簧的长度+偏置弹簧的长度将受驱动器外壳的长度的限制；给形状记忆合金弹簧通电加热；
第二阶段：形状记忆合金弹簧温度达到相变温度，形状记忆合金弹簧开始有控制地逐步收缩，产生回复力，克服偏置弹簧的拉伸作用，拉回滑块并通过钢丝拉动铰链，在铰链传动作用下，主杆相对副杆转动、展开；由于形状记忆合金弹簧是有控制地逐步收缩的，铰链拉动主杆相对副杆转动、展开也是逐步的；在展开过程中，主杆上的第一限位块相对副杆的第二限位块运动，第一限位块逐步转向、靠近第二限位块；
第三阶段：当展开角度至90°时，第一限位块运动至第二限位块，第二限位块阻止主杆继续转动，展开停止并锁定；第一限位块和第二限位块可有效防止展开角度超过90°，不使机构过载。
展开的动力源来自形状记忆合金弹簧。展开功能由驱动器和铰链完成；限位功能由第一限位块和第二限位块完成。
本实施例中，主杆、副杆、大滑轮固定轴均采用钛合金材料制作；形状记忆合金弹簧采用镍钛合金丝制作；偏置弹簧的材料为不锈钢；大滑轮固定轴套、小滑轮固定轴套的材料为有机硅树脂。
该基于形状记忆合金驱动的展开机构能够适用于要求对姿态控制影响小的航天器的太阳电池板，是太阳电池板与星体间的连接关节，具有展开速度可控并限位的功能。
Claims (7)
1.基于形状记忆合金驱动的展开机构，其特征在于，包括主杆、副杆、驱动器、铰链和限位块；所述驱动器包括形状记忆合金弹簧；
所述驱动器安装在所述副杆上；
所述铰链排布在所述主杆和所述副杆上，所述铰链一端与驱动器的形状记忆合金弹簧连接，所述铰链另一端固定在所述主杆上；
所述主杆和所述副杆上各设有一限位块；
所述铰链包括多个滑轮和钢丝；在所述主杆和所述副杆上均安装有所述滑轮，所述滑轮通过滑轮固定轴套或滑轮固定轴安装；所述钢丝一端连接驱动器的形状记忆合金弹簧，所述钢丝另一端依次绕过副杆上的滑轮、主杆上的滑轮后固定在所述主杆上；所述主杆与所述副杆通过滑轮固定轴套或滑轮固定轴实现转动连接；
对驱动器的形状记忆合金弹簧加热，形状记忆合金弹簧相变产生回复力，带动所述铰链运动，使所述主杆相对所述副杆转动，直至所述主杆上的限位块与所述副杆上的限位块接触，停止转动，实现所述主杆相对所述副杆转动展开并锁定；
所述主杆、所述副杆、所述驱动器和所述铰链均为两套，一副杆对应一主杆，在一套主杆和副杆的组合上设置一驱动器和一铰链；两套主杆和副杆的组合之间通过滑轮固定轴和滑轮固定轴套实现连接，保证两套组合同步运动。
2.如权利要求1所述的基于形状记忆合金驱动的展开机构，其特征在于，所述驱动器包括依次排布的偏置弹簧固定块、偏置弹簧、滑块、形状记忆合金弹簧和形状记忆合金弹簧固定块；
所述形状记忆合金弹簧一端与所述形状记忆合金弹簧固定块固定连接，所述形状记忆合金弹簧另一端与所述滑块固定连接；
所述偏置弹簧一端与所述滑块固定连接，所述偏置弹簧另一端与所述偏置弹簧固定块固定连接；
所述滑块连接所述铰链。
3.如权利要求2所述的基于形状记忆合金驱动的展开机构，其特征在于，所述驱动器还包括驱动器外壳，所述偏置弹簧固定块、所述偏置弹簧、所述滑块、所述形状记忆合金弹簧和所述形状记忆合金弹簧固定块均置于所述驱动器外壳内，所述偏置弹簧固定块和所述形状记忆合金弹簧固定块与所述驱动器外壳固定连接；所述驱动器通过驱动器固定块安装在所述副杆上。
4.如权利要求2或3所述的基于形状记忆合金驱动的展开机构，其特征在于，所述形状记忆合金弹簧有电阻抗，形状记忆弹簧通电后发热。
5.如权利要求2所述的基于形状记忆合金驱动的展开机构，其特征在于，主杆和副杆均采用钛合金材料制作；形状记忆合金弹簧采用镍钛合金丝制作；偏置弹簧的材料为不锈钢。
6.如权利要求3所述的基于形状记忆合金驱动的展开机构，其特征在于，所述主杆与所述副杆之间的夹角为0°，展开机构处于收拢状态，此时，形状记忆合金弹簧处于自然拉伸状态，偏置弹簧处于压缩状态；
给形状记忆合金弹簧加热，当形状记忆合金弹簧温度达到相变温度，形状记忆合金弹簧开始有控制地逐步收缩，产生回复力，克服偏置弹簧的拉伸作用，拉动铰链，在铰链传动作用下，主杆相对副杆转动、展开；
当展开角度达到预设值，主杆上的限位块运动至触碰到副杆上的限位块，副杆上的限位块阻止主杆继续转动，展开停止并锁定。
7.如权利要求1所述的基于形状记忆合金驱动的展开机构，其特征在于，滑轮固定轴套的材料为有机硅树脂，滑轮固定轴的材料为钛合金材料。
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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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