CN115256969A - 一种柔性薄膜的立体拼接工装及拼接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性薄膜的立体拼接工装及拼接方法。本发明设计的三棱锥拼接工装，能够辅助拼接过程中对各拼接单元进行定位与固定，随后进行拼接操作，具有结构简单、使用方便、功能可靠、拼接精度高等优点，可实现更加轻量化的柔性薄膜的拼接。
Description
技术领域
本发明涉及柔性薄膜材料拼接技术领域，具体涉及一种柔性薄膜的立体拼接工装及拼接方法。
背景技术
柔性球航天器是一种以柔性薄膜结构为主体的新型航天器，具有面积大、质量轻、收纳比高等优点，在空间碎片离轨、空间攻防、空间探测等航天任务中具有广阔的应用前景。具体的应用有：可用于微纳卫星离轨技术在轨验证；可以柔性球航天器作为空间平台开展新技术、新材料等科学研究；可以此类航天器作为载体开展空间探索。另外，也可以柔性球航天器作为基础开展其他类型柔性航天器/结构的研究验证工作。
柔性球航天器作为一种新型的航天器，其球体结构采用聚酰亚胺薄膜进行制造。而聚酰亚胺薄膜受工艺限制，目前只能制备成平面，不能制备成为球面结构，因此必须将聚酰亚胺平面薄膜裁切为数个一定平面图形的单元，然后拼接制备成球体结构。将平面薄膜拼接为球体结构最为典型的就是足球式的单元划分与拼接，这种方式将平面薄膜裁切为二十个六边形和十二个五边形，然后依次拼接就可以成形为球体，常规方式是采用缝合的方法，然后内部增加内胆。而这种方法会增大重量，不满足柔性球航天器轻量化需求，而直接进行胶接的方式由于实施不便，拼接精度不高，最终影响到球航天器的球体成型及密封效果。本发明提出的一种聚酰亚胺材料柔性球制造工装设计，首先针对成型需求，进行专用工装的设计制造，然后以此辅助，可以完成高精度的柔性球体拼接。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种柔性聚酰亚胺薄膜的立体拼接制造工装，能够辅助拼接过程中对各拼接单元进行定位与固定，随后进行拼接操作，具有结构简单、使用方便、功能可靠、拼接精度高等优点，可实现更加轻量化的柔性薄膜的拼接。
本发明的柔性薄膜的立体拼接工装，所述拼接工装为三棱锥，用于将正多边形的平面切割单元拼接成立体结构；所述三棱锥的棱边长度与平面切割单元的边长相等，侧面顶角的角度与平面切割单元内角角度相等。
较优的，所述三棱锥为中空的，侧面均布有通孔，底部与抽气装置连接。
较优的，拼接成球形时，所述平面切割单元为正五边形和正六边形。
较优的，所述正五边形和正六边形的边长为球形的直径加上设定的冗余值。
较优的，采用20个正六边形平面切割单元和12个正五边形平面切割单元拼接成球形。
较优的，所述柔性薄膜材料为聚酰亚胺薄膜、氟塑料薄膜或聚脂薄膜。
本发明还提供了一种柔性薄膜材料的立体拼接方法，采用上述拼接工装进行拼接，具体包括：
S1，将平面柔性薄膜按照所需拼接的立体结构的表面进行单元分割，将立体结构的表面分割为多个一种或多种边长相等的正多边形；
S2，根据分割出的正多边形的边长及内角制备三棱锥拼接工装；
S3，将裁切好的多边形薄膜分别对准并固定于三棱锥拼接工装的三个侧面；采用胶膜对拼接边缘进行拼接；
S4，重复S3，依次对其余正多边形进行拼接，直至立体结构拼接完成。
较优的，所述S3中，采用胶膜对角部进行气密性加强。
有益效果：
(1)本发明设计的三棱锥拼接工装，能够辅助拼接过程中对各拼接单元进行定位与固定；与常规的缝合加内胆的拼接方式相比，本发明可实现更加轻量化的柔性薄膜拼接；与直接胶接的方式相比，本发明可提高在柔性球航天器结构制造时薄膜拼接的精度；且结构简单、使用方便、功能可靠。
(2)在三棱锥拼接工装侧面均布通孔，通过底部抽气装置实现对薄膜的真空吸附，提高拼接精度。
(3)本发明可根据球形、椭球形等异形曲面的正多边形分割尺寸制备对应的三棱锥拼接工装，适用于各种异型曲面的拼接，适用范围广。
(4)本发明拼接工装可实现柔性薄膜材料为聚酰亚胺薄膜、氟塑料薄膜或聚脂等薄膜的立体结构拼接，适用范围广。
(5)利用设计的三棱锥拼接工装，可简单、快捷地实现柔性薄膜的立体结构拼接，且拼接精度高、密封性能好。
(6)制造工装的材料可选用金属、塑料等固体材料均可，制备难度低。
附图说明
图1为本发明三棱锥拼接工装结构示意图。
图2为本发明三棱锥拼接示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种柔性薄膜的立体拼接工装。
在立体结构拼接过程中，其难点在于各个边的对接精度，以及在三个平面单元拼接时的三棱顶点定位。因此，本发明设计了三棱锥型拼接工装，在拼接过程中对各拼接单元进行定位与固定，随后进行拼接操作。通过对立体结构成型所需的角度进行计算，确定平面薄膜采用分块拼接成型为该立体结构过程中的角度、尺寸，进而确定所需三棱锥型拼接工装的具体尺寸。
其中，将立体结构的表面分割为多个一种或多种边长相等的正多边形；三棱锥拼接工装的三个侧面的棱边长度与平面切割单元的边长相等，侧面顶角的角度与平面切割单元内角角度相等；底面可为空。可在三棱锥侧表面上均匀打孔，并在三棱锥底部连通抽气装置，固定薄膜时打开抽气装置对薄膜进行真空吸附，提高拼接精度。
以拼接柔性球航天器为例，首先将平面柔性薄膜按照所需拼接的球面进行单元分割，将曲面分割为有限个边长相等的正多边形。对于球形，一般可将球面分割为20个正六边形和12个正五边形。为了便于拼接，一般将多边形的边长给予一定的冗余量。例如，若制造直径为1m的柔性球体，则六边形与五边形的边长近似为105mm。则三棱锥拼接工装的侧棱长等于平面切割单元的边长105mm，顶角角度分别等于需拼接的多边形内角角度，即分别为120°、120°和108°。三棱锥底面为等腰三角形，两个等边长度为182mm，另外一边长度为170mm。三棱锥拼接工装的尺寸如图1所示。
拼接时，首先将裁切好的六边形薄膜与五边形薄膜对准分别吸附固定于三棱锥工装的三个侧面，固定方式如图2所示，五边形对应于170mm的短边，六边形对应于182mm的长边；将平面薄膜对准吸附好以后，利用宽度为2mm的3M聚酰亚胺胶带对拼接边缘进行拼接；边缘拼接完成后，还可采用胶膜对角部进行气密性加强。重复上述拼接操作，依次进行其余平面薄膜的拼接，直至球体结构拼接完成。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种柔性薄膜的立体拼接工装，其特征在于，所述拼接工装为三棱锥，用于将正多边形的平面切割单元拼接成立体结构；所述三棱锥的棱边长度与平面切割单元的边长相等，侧面顶角的角度与平面切割单元内角角度相等。
2.如权利要求1所述的拼接工装，其特征在于，所述三棱锥为中空的，侧面均布有通孔，底部与抽气装置连接。
3.如权利要求1或2所述的拼接工装，其特征在于，拼接成球形时，所述平面切割单元为正五边形和正六边形。
4.如权利要求3所述的拼接工装，其特征在于，所述正五边形和正六边形的边长为球形的直径加上设定的冗余值。
5.如权利要求3所述的拼接工装，其特征在于，采用20个正六边形平面切割单元和12个正五边形平面切割单元拼接成球形。
6.如权利要求1所述的拼接工装，其特征在于，所述柔性薄膜材料为聚酰亚胺薄膜、氟塑料薄膜或聚脂薄膜。
7.一种柔性薄膜材料的立体拼接方法，其特征在于，采用如权利要求1～5任一所述的拼接工装进行拼接，具体包括：
S1，将平面柔性薄膜按照所需拼接的立体结构的表面进行单元分割，将立体结构的表面分割为多个一种或多种边长相等的正多边形；
S2，根据分割出的正多边形的边长及内角制备三棱锥拼接工装；
S3，将裁切好的多边形薄膜分别对准并固定于三棱锥拼接工装的三个侧面；采用胶膜对拼接边缘进行拼接；
S4，重复S3，依次对其余正多边形进行拼接，直至立体结构拼接完成。
8.如权利要求7所述的拼接方法，其特征在于，所述S3中，采用胶膜对角部进行气密性加强。
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