CN114013686A - 一种大型抛物面桁架结构在轨建造系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种大型抛物面桁架结构在轨建造系统，属于航空航天领域。解决了可折展型的大型空间结构发射时空间利用率不高，折叠后的尺寸受运载火箭仪器仓的尺寸限制，无法确保桁架的刚度和精度要求、且不能形成结构复杂桁架结构的问题。它包括装配空间站、建造单元、机械臂、精度检测单元和桁架结构，建造单元设置在装配空间站上，机械臂设置在装配空间站的前端，精度检测单元设置在装配空间站的端面上，建造单元包括增材建造模块、预处理模块和素材库，机械臂与末端执行器相连，精度检测单元包括第二抱抓和激光跟踪仪，激光跟踪仪对桁架结构内的第二微动节点进行区域扫掠。它主要用于大型抛物面桁架结构的在轨建造。

Description

一种大型抛物面桁架结构在轨建造系统

技术领域

本发明属于航空航天领域，特别是涉及一种大型抛物面桁架结构在轨建造系统。

背景技术

现阶段用于航空航天的大型空间桁架，如空间射电望远镜背架、太阳能电池板支撑架、大型空间反射镜背架，都是采用可折展型结构，在地面上制造完毕，收拢发射后在太空中进行展开。但这种可折展机构的可靠性随尺寸的增大而急剧降低，因此采用可折展机构无法完成超大型空间结构的建造。而空间射电望远镜的口径大小决定着分辨率的高低。目前太空在轨建造仍存在以下难题：

1.要实现无人在轨建造，必须保证建造过程中实时监测建造精度，任何一个没有达到精度要求的部位，都可能导致整个桁架结构出现故障。

2.可折展机构的刚度较小，无法满足空间力学实验平台、飞船挂靠平台等一些大刚度需求的空间结构的刚度要求。

3.为适应大型桁架结构每种部件间不同的结构特点，需要多种装配方法分类建造。

4.由于环境影响，大型空间桁架结构不同部位会产生较大温差，将对构件产生影响安装精度的变形。

所以在航天领域，大型桁架结构在轨建造既需要保证刚度和精度的需求，也要提供一个桁架在轨检测系统，实现建造后的故障检测和修复工作，保证大型桁架结构高稳定性。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种大型抛物面桁架结构在轨建造系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种大型抛物面桁架结构在轨建造系统，它包括装配空间站、建造单元、机械臂、精度检测单元和桁架结构，所述建造单元设置在装配空间站上，所述机械臂设置在装配空间站的前端，所述精度检测单元设置在装配空间站的端面上，通过精度检测单元固定桁架结构，所述建造单元包括增材建造模块、预处理模块和素材库，所述增材建造模块初步制造基本结构，所述素材库内设置有多种末端执行器，所述机械臂与末端执行器相连，对预处理模块内的待处理单元块进行预处理，并对桁架结构进行建造，所述桁架结构上设置有第二微动节点和第二温控滑杆，所述精度检测单元包括第二抱抓和激光跟踪仪，所述第二抱抓对桁架结构进行固定，所述激光跟踪仪对桁架结构内的第二微动节点进行区域扫掠。

更进一步的，所述增材建造模块包括3D打印机构，通过3D打印机构将原料初步制造成基本结构。

更进一步的，所述原料为PEEK材料。

更进一步的，所述预处理模块内设置有四个第一抱抓，四个第一抱抓呈矩形状均布，用于对待处理单元块进行固定。

更进一步的，所述素材库内设置的末端执行器包括点胶机、第一微动节点、电焊枪、第一温控滑杆、刀具和空间电子束焊枪。

更进一步的，所述刀具包括直铣刀、六刃立铣刀、立铣刀、夹爪、曲铣刀和铣刀。

更进一步的，所述刀具上装有静电吸集器，所述静电吸集器包括吸集棒，通过通电的吸集棒收集金属加工预处理后产生的微切屑。

更进一步的，所述机械臂的数量为三个，三个机械臂120°均布于装配空间站的前端。

更进一步的，所述机械臂前端设置有末端执行器更换接口，通过末端执行器更换接口与末端执行器相连。

更进一步的，所述第二抱抓的数量为三个。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决了可折展型的大型空间结构发射时空间利用率不高，折叠后的尺寸受运载火箭仪器仓的尺寸限制，展开过程中故障率高、无法确保桁架的刚度和精度要求、且不能形成结构复杂桁架结构的问题。本发明可实现自主在轨大型空间结构制造以及装配精度微动调控；解决目前可折展型桁架结构存在的可靠性低、有尺寸限制的问题；为未来大型抛物面桁架结构在轨建造提供关键的技术基础。增材建造模块将原料制成单元块，单元块由机械臂抓取移动经预处理模块加工后与其他单元块装配。

本发明可在欠资源下检测大型组装结构精度，能够基于主动变形控制技术实现桁架结构装配精度的宏微调控。相比于可折展机构桁架结构刚度高，并且能够对预处理时产生的切屑进行回收。

附图说明

图1为本发明所述的一种大型抛物面桁架结构在轨建造系统结构示意图；

图2为本发明所述的增材建造模块结构示意图；

图3为本发明所述的预处理模块结构示意图；

图4为本发明所述的素材库结构示意图；

图5为本发明所述的机械臂末端执行器结构示意图；

图6为本发明所述的单元块装配示意图；

图7为本发明所述的大型抛物面桁架结构示意图；

图8为本发明所述的微切屑吸集原理图；

图9为本发明所述的一维桁架装配原理图。

1：装配空间站，2：建造单元，3：机械臂，4：精度检测单元，5：桁架结构，2-1：增材建造模块，2-1-1：基本结构，2-1-2：3D打印机构，2-2：预处理模块，2-2-2：待处理单元块，2-2-3：第一抱抓，2-3：素材库，2-3-1：点胶机，2-3-2：第一微动节点，2-3-3：电焊枪，2-3-4：第一温控滑杆，2-3-5：直铣刀，2-3-6：六刃立铣刀，2-3-7：立铣刀，2-3-8：夹爪，2-3-9：曲铣刀，2-3-10：铣刀，2-3-11：空间电子束焊枪，3-1：末端执行器更换接口，3-2：静电吸集器，3-3：末端执行器，4-1：第二抱抓，4-2：激光跟踪仪，5-1：第二微动节点，5-2：第二温控滑杆，3-2-1：吸集棒，3-2-2：微切屑。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。

参见图1-9说明本实施方式，一种大型抛物面桁架结构在轨建造系统，它包括装配空间站1、建造单元2、机械臂3、精度检测单元4和桁架结构5，建造单元2设置在装配空间站1上，机械臂3设置在装配空间站1的前端，精度检测单元4设置在装配空间站1的端面上，通过精度检测单元4固定桁架结构5，建造单元2包括增材建造模块2-1、预处理模块2-2和素材库2-3，增材建造模块2-1初步制造基本结构2-1-1，素材库2-3内设置有多种末端执行器3-3，机械臂3与末端执行器3-3相连，对预处理模块2-2内的待处理单元块2-2-2进行预处理，并对桁架结构5进行建造，桁架结构5上设置有第二微动节点5-1和第二温控滑杆5-2，精度检测单元4包括第二抱抓4-1和激光跟踪仪4-2，第二抱抓4-1对桁架结构5进行固定，激光跟踪仪4-2对桁架结构5内的第二微动节点5-1进行区域扫掠。

本实施例增材建造模块2-1包括3D打印机构2-1-2，通过3D打印机构2-1-2将原料初步制造成基本结构2-1-1，原料为PEEK材料或其他原料。预处理模块2-2内设置有四个第一抱抓2-2-3，四个第一抱抓2-2-3呈矩形状均布，用于对待处理单元块2-2-2进行固定，机械臂3负责在预处理模块2-2工位对待处理单元块2-2-2接口的扩孔、铣槽、端面等加工。第二抱抓4-1的数量为三个，负责固定抛物面桁架结构5。

素材库2-3内设置的末端执行器3-3包括点胶机2-3-1、第一微动节点2-3-2、电焊枪2-3-3、第一温控滑杆2-3-4、刀具和空间电子束焊枪2-3-11，刀具包括直铣刀2-3-5、六刃立铣刀2-3-6、立铣刀2-3-7、夹爪2-3-8、曲铣刀2-3-9和铣刀2-3-10，刀具上装有静电吸集器3-2，静电吸集器3-2包括吸集棒3-2-1，通过通电的吸集棒3-2-1收集金属加工预处理后产生的微切屑3-2-2。

机械臂3的数量为三个，三个机械臂3呈120°均布于装配空间站1的前端，机械臂3前端设置有末端执行器更换接口3-1，通过末端执行器更换接口3-1与末端执行器3-3相连，末端执行器更换接口3-1连接夹爪2-3-8，负责抓取待处理单元块2-2-2在各个模块间运动、装配单元块、对已建造的桁架结构调姿工作；末端执行器更换接口3-1连接空间电子束焊枪2-3-11，负责待处理单元块2-2-2间焊接、卡榫铆接、胶接等典型连接工艺。三个机械臂3可围绕装配空间站1周向旋转，以满足桁架结构5装配过程中在不同姿态下均能更换所需末端执行器的需要。

精度检测单元4利用空间站末端的激光跟踪仪4-2对目标第二微动节点5-1进行区域扫掠，当激光跟踪仪4-2接受到第二微动节点5-1返回的信号时完成目标捕获。如果空间站通过目标第二微动节点5-1获得大型抛物面桁架结构形位精度存在偏差时，根据前置在轨装配方案和精度预示模型，第二微动节点5-1与一侧的第二温控滑杆5-2主动调整至预期精度。

工作时，首先由增材建造模块2-1制造出三棱柱桁架单元块，并由机械臂3抓取运送至预处理模块2-2上的四个第一抱抓2-2-3上固定；机械臂3在素材库2-3处换好所用刀具，对预处理模块2-2上的待处理单元块2-2-2进行配合截面初步加工；机械臂3将加工好的单元块运送至空间站末端第二抱抓4-1处固定。同理，第二个单元块初步加工后，由机械臂3抓取，机械臂3将第一个单元块和第二个单元块的配合截面焊接处理，之后的单元块与第二个单元块的实施方式相同，如图9所示，一圈一圈的组装。每隔几个单元块间，机械臂3在素材库2-3抓取第一微动节点2-3-2，并通过卡榫铆接的方式与单元块配合。在轨检测是利用空间站末端激光跟踪仪4-2对目标微动节点进行区域扫掠，当激光追踪仪4-2接受到第二微动节点5-1返回的信号时完成目标捕获，并利用无线通讯进行第二微动节点5-1准确性判断，从而获得目标第二微动节点5-1准确位置坐标。

以上对本发明所提供的一种大型抛物面桁架结构在轨建造系统，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种大型抛物面桁架结构在轨建造系统，其特征在于：它包括装配空间站(1)、建造单元(2)、机械臂(3)、精度检测单元(4)和桁架结构(5)，所述建造单元(2)设置在装配空间站(1)上，所述机械臂(3)设置在装配空间站(1)的前端，所述精度检测单元(4)设置在装配空间站(1)的端面上，通过精度检测单元(4)固定桁架结构(5)，所述建造单元(2)包括增材建造模块(2-1)、预处理模块(2-2)和素材库(2-3)，所述增材建造模块(2-1)初步制造基本结构(2-1-1)，所述素材库(2-3)内设置有多种末端执行器(3-3)，所述机械臂(3)与末端执行器(3-3)相连，对预处理模块(2-2)内的待处理单元块(2-2-2)进行预处理，并对桁架结构(5)进行建造，所述桁架结构(5)上设置有第二微动节点(5-1)和第二温控滑杆(5-2)，所述精度检测单元(4)包括第二抱抓(4-1)和激光跟踪仪(4-2)，所述第二抱抓(4-1)对桁架结构(5)进行固定，所述激光跟踪仪(4-2)对桁架结构(5)内的第二微动节点(5-1)进行区域扫掠。

2.根据权利要求1所述的一种大型抛物面桁架结构在轨建造系统，其特征在于：所述增材建造模块(2-1)包括3D打印机构(2-1-2)，通过3D打印机构(2-1-2)将原料初步制造成基本结构(2-1-1)。

3.根据权利要求2所述的一种大型抛物面桁架结构在轨建造系统，其特征在于：所述原料为PEEK材料。

4.根据权利要求1所述的一种大型抛物面桁架结构在轨建造系统，其特征在于：所述预处理模块(2-2)内设置有四个第一抱抓(2-2-3)，四个第一抱抓(2-2-3)呈矩形状均布，用于对待处理单元块(2-2-2)进行固定。

5.根据权利要求1所述的一种大型抛物面桁架结构在轨建造系统，其特征在于：所述素材库(2-3)内设置的末端执行器(3-3)包括点胶机(2-3-1)、第一微动节点(2-3-2)、电焊枪(2-3-3)、第一温控滑杆(2-3-4)、刀具和空间电子束焊枪(2-3-11)。

6.根据权利要求5所述的一种大型抛物面桁架结构在轨建造系统，其特征在于：所述刀具包括直铣刀(2-3-5)、六刃立铣刀(2-3-6)、立铣刀(2-3-7)、夹爪(2-3-8)、曲铣刀(2-3-9)和铣刀(2-3-10)。

7.根据权利要求5或6所述的一种大型抛物面桁架结构在轨建造系统，其特征在于：所述刀具上装有静电吸集器(3-2)，所述静电吸集器(3-2)包括吸集棒(3-2-1)，通过通电的吸集棒(3-2-1)收集金属加工预处理后产生的微切屑(3-2-2)。

8.根据权利要求1所述的一种大型抛物面桁架结构在轨建造系统，其特征在于：所述机械臂(3)的数量为三个，三个机械臂(3)120°均布于装配空间站(1)的前端。

9.根据权利要求1所述的一种大型抛物面桁架结构在轨建造系统，其特征在于：所述机械臂(3)前端设置有末端执行器更换接口(3-1)，通过末端执行器更换接口(3-1)与末端执行器(3-3)相连。

10.根据权利要求1所述的一种大型抛物面桁架结构在轨建造系统，其特征在于：所述第二抱抓(4-1)的数量为三个。

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