CN117262241A - 一种螺旋伸展和直线支撑的线弹性伸杆机构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种螺旋伸展和直线支撑的线弹性伸杆机构，属于机械领域，包括弹性卷筒组件、3个线性伸展支撑组件和载荷安装顶板组件；弹性卷筒组件轴向竖直放置；载荷安装顶板组件水平设置在弹性卷筒组件的顶部；弹性卷筒组件的轴向顶端与载荷安装顶板组件下表面中心对接；3个线性伸展支撑组件沿周向均匀分布在弹性卷筒组件的底端外壁处，且3个线性伸展支撑组件的顶部均与载荷安装顶板组件下表面固连；弹性卷筒组件实现沿轴向伸缩，将载荷安装顶板组件顶起，并带动3个线性伸展支撑组件拉伸或缩回。本发明解决了传统展开机构收纳比小、收拢体积大的问题，还解决了大收纳比螺旋伸杆机构旋转的问题，保证定指向和提高刚度。
Description
技术领域
本发明属于机械领域，涉及一种螺旋伸展和直线支撑的线弹性伸杆机构。
背景技术
随着空间技术的快速发展和军民需求的增加，对空间磁场等物理量的探测越来越受到重视，而受航天器本体的影响，磁场等物理量探测器要远离航天器本体，而受火箭运载包络限制，磁场等探测器需要一套展开机构，发射时收拢压紧在航天器上，入轨后展开到固定位置，满足磁场等载荷探测的需求。
公告号为CN101295810A的中国发明专利，名称为一种单电机驱动的薄膜天线豆荚形支撑杆双侧展开机构，该展开机构收拢体积较大，且该机构需采用电机进行驱动。哈尔滨工业大学冷劲松公开的《一种形状记忆展开机构》(CN201811320460.7)，采用形状记忆聚合物提供展开驱动力，展开驱动力较小，且其需要对形状记忆聚合物进行加热，并且形状记忆聚合物的形状恢复率无法达到100％，展开精度受到影响，亦限制其应用范围。
目前未有一种大收纳比、轻质、定指向、高精度的展开机构。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种螺旋伸展和直线支撑的线弹性伸杆机构，解决了传统展开机构收纳比小、收拢体积大的问题，还解决了大收纳比螺旋伸杆机构旋转的问题，保证定指向和提高刚度。
本发明解决技术的方案是：
一种螺旋伸展和直线支撑的线弹性伸杆机构，包括弹性卷筒组件、3个线性伸展支撑组件和载荷安装顶板组件；弹性卷筒组件轴向竖直放置；载荷安装顶板组件水平设置在弹性卷筒组件的顶部；弹性卷筒组件的轴向顶端与载荷安装顶板组件下表面中心对接；3个线性伸展支撑组件沿周向均匀分布在弹性卷筒组件的底端外壁处，且3个线性伸展支撑组件的顶部均与载荷安装顶板组件下表面固连；弹性卷筒组件实现沿轴向伸缩，将载荷安装顶板组件顶起，并带动3个线性伸展支撑组件拉伸或缩回。
在上述的一种螺旋伸展和直线支撑的线弹性伸杆机构，所述弹性卷筒组件包括顶杆、弹性卷筒、弹性卷筒储藏罐和弹性卷筒储藏罐底板；
其中，弹性卷筒储藏罐底板为水平放置的平板结构；弹性卷筒储藏罐为中空筒状结构；弹性卷筒储藏罐竖直放置在弹性卷筒储藏罐底板上表面的中心位置；顶杆同轴设置在弹性卷筒储藏罐的内腔中；弹性卷筒包覆在顶杆的外壁，且位于弹性卷筒与弹性卷筒储藏罐之间。
在上述的一种螺旋伸展和直线支撑的线弹性伸杆机构，所述弹性卷筒为螺旋缠绕的卷筒结构，且弹性卷筒的内圈相对于外圈实现轴向伸缩。
在上述的一种螺旋伸展和直线支撑的线弹性伸杆机构，所述顶杆的侧壁上开设有孔A；弹性卷筒内圈顶端开设有孔B；通过孔A与孔B对接，实现顶杆与弹性卷筒内圈顶端固连。
在上述的一种螺旋伸展和直线支撑的线弹性伸杆机构，所述弹性卷筒外圈底端开设有孔C；弹性卷筒储藏罐侧壁开设有孔D；弹性卷筒储藏罐固定安装在弹性卷筒储藏罐底板上；通过孔C与孔D对接，实现弹性卷筒外圈底端与弹性卷筒储藏罐固连。
在上述的一种螺旋伸展和直线支撑的线弹性伸杆机构，所述线性伸展支撑组件包括弹性卷尺、弹性卷尺卷绕轴和弹性卷尺储藏罐；
弹性卷尺储藏罐为中空柱状壳体结构；弹性卷尺储藏罐固定安装在弹性卷筒储藏罐的侧壁；弹性卷尺卷绕轴同轴设置在弹性卷尺储藏罐的内腔中；弹性卷尺缠绕在弹性卷尺卷绕轴外壁，且弹性卷尺的头端从弹性卷尺储藏罐上方竖直伸出。
在上述的一种螺旋伸展和直线支撑的线弹性伸杆机构，所述载荷安装顶板组件包括安装顶板、消旋机构和3个安装凸台；安装顶板为水平放置的圆板状结构；消旋机构安装在安装顶板下表面的中心处；通过安装顶板与顶杆对接；3个安装凸台沿周向均匀分布在安装顶板的下表面。
在上述的一种螺旋伸展和直线支撑的线弹性伸杆机构，弹性卷尺的头端水平设置有2个通孔；每个安装凸台上水平设置有2个通孔；弹性卷尺的2个通孔与对应安装凸台的2个通孔对接，实现弹性卷尺与对应安装凸台的固连。
在上述的一种螺旋伸展和直线支撑的线弹性伸杆机构，线弹性伸杆机构的工作过程为：
弹性卷筒的内圈向上伸出，通过顶杆推动安装顶板向上平移；安装顶板通过3个安装凸台带动弹性卷尺拉伸，从弹性卷尺储藏罐中伸出。
在上述的一种螺旋伸展和直线支撑的线弹性伸杆机构，弹性卷筒收拢到弹性卷筒储藏罐后，收拢的弹性卷筒被压缩产生很大的变形，从而储存了弹性势能，提供展开过程的驱动力；
当需要展开时，解除对顶杆的约束，弹性卷筒在自身储存弹性势能的作用下依次伸出，后一圈包裹在前一圈上，形成螺旋管；同时，带动弹性卷尺伸出。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明以金属带材为原来，经拉弯复合工艺进行等直径等螺旋角成形，形成螺旋层叠的金属圆管，利用该金属薄带收拢时储存的弹性能提供展开过程的驱动力；经模具热处理后形成“C”型弹性卷尺，利用弹性卷尺直线展开控制顶端载荷安装顶板的位置指向；
(2)本发明采用“C”型弹性卷尺辅助支撑载荷安装顶板，可解决弹性卷筒展开过程中其顶端旋转的问题，能有效地保证载荷安装顶板展开后的指向精度；
(3)本发明采用三组“C”型弹性卷尺能够有效增加弹性卷筒自身的刚度，提高整个组件的刚度；
(4)本发明驱动和支撑全部采用弹性薄片实现，机构具有轻质、大收纳比的特点。
附图说明
图1为本发明线弹性伸杆机构收拢状态正视图；
图2为本发明线弹性伸杆机构展开状态正视图；
图3为本发明弹性卷筒储藏罐组件组成图；
图4为本发明弹性卷筒构型示意图；
图5为本发明线性伸展支撑组件组成图；
图6为本发明载荷安装顶板组件组成图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明提供了一种螺旋伸展和直线支撑的线弹性伸杆机构，解决传统展开机构收纳比小、收拢体积大的问题，还可以解决大收纳比螺旋伸杆机构旋转的问题，保证定指向和提高刚度。
螺旋伸展和直线支撑的线弹性伸杆机构，如图1所示，具体包括弹性卷筒组件1、3个线性伸展支撑组件2和载荷安装顶板组件3；弹性卷筒组件1轴向竖直放置；载荷安装顶板组件3水平设置在弹性卷筒组件1的顶部；弹性卷筒组件1的轴向顶端与载荷安装顶板组件3下表面中心对接；3个线性伸展支撑组件2沿周向均匀分布在弹性卷筒组件1的底端外壁处，且3个线性伸展支撑组件2的顶部均与载荷安装顶板组件3下表面固连；弹性卷筒组件1实现沿轴向伸缩，将载荷安装顶板组件3顶起，并带动3个线性伸展支撑组件2拉伸或缩回，如图2所示。
如图3所示，弹性卷筒组件1包括顶杆101、弹性卷筒102、弹性卷筒储藏罐103和弹性卷筒储藏罐底板104；弹性卷筒储藏罐底板104为水平放置的平板结构；弹性卷筒储藏罐103为中空筒状结构；弹性卷筒储藏罐103竖直放置在弹性卷筒储藏罐底板104上表面的中心位置；顶杆101同轴设置在弹性卷筒储藏罐103的内腔中；弹性卷筒102包覆在顶杆101的外壁，且位于弹性卷筒102与弹性卷筒储藏罐103之间。
弹性卷筒102为螺旋缠绕的卷筒结构，且弹性卷筒102的内圈相对于外圈实现轴向伸缩。
顶杆101的侧壁上开设有孔A；弹性卷筒102内圈顶端开设有孔B；通过孔A与孔B对接，实现顶杆101与弹性卷筒102内圈顶端固连。弹性卷筒102外圈底端开设有孔C；弹性卷筒储藏罐103侧壁开设有孔D；弹性卷筒储藏罐103固定安装在弹性卷筒储藏罐底板104上；通过孔C与孔D对接，实现弹性卷筒102外圈底端与弹性卷筒储藏罐103固连，如图4所示。
如图5所示，线性伸展支撑组件2包括弹性卷尺201、弹性卷尺卷绕轴202和弹性卷尺储藏罐203；弹性卷尺储藏罐203为中空柱状壳体结构；弹性卷尺储藏罐203固定安装在弹性卷筒储藏罐103的侧壁；弹性卷尺卷绕轴202同轴设置在弹性卷尺储藏罐203的内腔中；弹性卷尺201缠绕在弹性卷尺卷绕轴202外壁，且弹性卷尺201的头端从弹性卷尺储藏罐203上方竖直伸出。
如图6所示，载荷安装顶板组件3包括安装顶板301、消旋机构302和3个安装凸台；安装顶板301为水平放置的圆板状结构；消旋机构302安装在安装顶板301下表面的中心处；通过安装顶板301与顶杆101对接；3个安装凸台沿周向均匀分布在安装顶板301的下表面。
弹性卷尺201的头端水平设置有2个通孔；每个安装凸台上水平设置有2个通孔；弹性卷尺201的2个通孔与对应安装凸台的2个通孔对接，实现弹性卷尺201与对应安装凸台的固连。
线弹性伸杆机构的工作过程为：
弹性卷筒102的内圈向上伸出，通过顶杆101推动安装顶板301向上平移；安装顶板301通过3个安装凸台带动弹性卷尺201拉伸，从弹性卷尺储藏罐203中伸出。
弹性卷筒102收拢到弹性卷筒储藏罐103后，收拢的弹性卷筒102被压缩产生很大的变形，从而储存了弹性势能，提供展开过程的驱动力；
当需要展开时，解除去顶杆101的约束，弹性卷筒102在自身储存弹性势能的作用下依次伸出，后一圈包裹在前一圈上，形成螺旋管；同时，带动弹性卷尺201伸出。
本发明中，弹性卷筒102自然状态为一定带宽的金属薄带，经拉弯复合成形工艺经等直径等螺旋角成形，形成螺旋层叠的金属管。自然状态的螺旋金属管各层通过摩擦力提供金属管的刚度。自然状态将顶杆101插入弹性卷筒102顶端，并且将顶杆组件的A孔与弹性卷筒顶端B孔通过螺钉连接。顶杆直径要稍大于弹性卷筒成形直径，进一步提升弹性卷筒层间作用力，提高弹性卷筒展开状态刚度。在展开状态将弹性卷筒根部插入弹性卷筒储藏罐103中，将弹性卷筒根部C孔与弹性卷筒储藏罐103上的D孔通过螺钉连接。
弹性卷尺201自然状态为一定带宽的金属薄带，经模具热处理形成“C”型类卷尺杆。自然状态将弹性卷尺末端插入弹性绕轴202中心，并用两个螺钉进行固定，固定后将弹性卷尺201卷绕在弹性绕轴202上，再将卷绕弹性卷尺的弹性绕轴安装到弹性卷尺储藏罐203中，并将弹性卷尺顶端从弹性卷尺储藏罐203上的C形孔中掏出，最后将弹性卷尺储藏罐盖板204安装上。
将安装完成的线性伸展支撑组件2按一定布局安装在弹性卷筒储藏罐底板104上，如果线性伸展支撑组件2有两组，则两组线性伸展支撑组件按间隔180度轴对称安装；如果线性伸展支撑组件2有三组，则三组线性伸展支撑组件按间隔120度轴对称安装；
将安装顶板组件3通过消旋机构302安装在顶杆101上，然后，将弹性卷尺顶端的E和F孔与顶板凸台上的G和H孔通过螺钉连接。
顶板组件3安装完成后，将弹性卷筒收拢到弹性卷筒储藏罐中，收拢的弹性卷筒金属薄带被压缩产生很大的变形，从而储存了弹性势能，提供展开过程的驱动力。
在弹性卷筒收拢的同时，要旋转弹性绕轴202将弹性卷尺收拢。
弹性卷筒完全收拢后，将顶板组件压紧到弹性卷筒储藏罐103上，通过顶板组件与弹性卷筒储藏罐底板之间形成的空间约束线性伸展支撑组件2，收拢时仅需固定顶杆101即可。
当需要展开时，解除去顶杆101的约束，弹性卷筒(102)在自身储存弹性势能的作用下依次伸出，后一圈包裹在前一圈上,形成螺旋管；同时，带动弹性卷尺201伸出。
当弹性卷尺201完全伸出后，弹性卷筒102停止展开，展开到位。
弹性卷筒和弹性卷尺薄带由0.05～0.2mm厚的高弹性不锈钢或铍青铜材料的带材组成，其中弹性卷筒带材宽度为50mm～200mm、弹性卷尺带材宽度为20mm～100mm。
通过弹性卷筒提供展开过程的驱动力，通过弹性卷尺限制载荷安装顶板的旋转且展开后提高机构的支撑刚度；
线性伸展支撑组件可以由两组组成，也可以由三组或四组组成；线弹性伸杆机构的长度由弹性卷尺的长度决定，线弹性伸杆机构的长度为1000mm～5000mm。
本发明以金属带材为原来，经拉弯复合工艺进行等直径等螺旋角成形，形成螺旋层叠的金属圆管，利用该金属薄带收拢时储存的弹性能提供展开过程的驱动力；经模具热处理后形成“C”型弹性卷尺，利用弹性卷尺直线展开控制顶端载荷安装顶板的位置指向。
本发明采用“C”型弹性卷尺辅助支撑载荷安装顶板，可解决弹性卷筒展开过程中其顶端旋转的问题，能有效地保证载荷安装顶板展开后的指向精度。采用三组“C”型弹性卷尺能够有效增加弹性卷筒自身的刚度，提高整个组件的刚度；
本发明驱动和支撑全部采用弹性薄片实现，具有轻质、大收纳比的特点。
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。
本发明说明书中未做详细描述的内容属于本领域技术人员的公知常识。
Claims (10)
1.一种螺旋伸展和直线支撑的线弹性伸杆机构，其特征在于：包括弹性卷筒组件(1)、3个线性伸展支撑组件(2)和载荷安装顶板组件(3)；弹性卷筒组件(1)轴向竖直放置；载荷安装顶板组件(3)水平设置在弹性卷筒组件(1)的顶部；弹性卷筒组件(1)的轴向顶端与载荷安装顶板组件(3)下表面中心对接；3个线性伸展支撑组件(2)沿周向均匀分布在弹性卷筒组件(1)的底端外壁处，且3个线性伸展支撑组件(2)的顶部均与载荷安装顶板组件(3)下表面固连；弹性卷筒组件(1)实现沿轴向伸缩，将载荷安装顶板组件(3)顶起，并带动3个线性伸展支撑组件(2)拉伸或缩回。
2.根据权利要求1所述的一种螺旋伸展和直线支撑的线弹性伸杆机构，其特征在于：所述弹性卷筒组件(1)包括顶杆(101)、弹性卷筒(102)、弹性卷筒储藏罐(103)和弹性卷筒储藏罐底板(104)；
其中，弹性卷筒储藏罐底板(104)为水平放置的平板结构；弹性卷筒储藏罐(103)为中空筒状结构；弹性卷筒储藏罐(103)竖直放置在弹性卷筒储藏罐底板(104)上表面的中心位置；顶杆(101)同轴设置在弹性卷筒储藏罐(103)的内腔中；弹性卷筒(102)包覆在顶杆(101)的外壁，且位于弹性卷筒(102)与弹性卷筒储藏罐(103)之间。
3.根据权利要求2所述的一种螺旋伸展和直线支撑的线弹性伸杆机构，其特征在于：所述弹性卷筒(102)为螺旋缠绕的卷筒结构，且弹性卷筒(102)的内圈相对于外圈实现轴向伸缩。
4.根据权利要求3所述的一种螺旋伸展和直线支撑的线弹性伸杆机构，其特征在于：所述顶杆(101)的侧壁上开设有孔A，弹性卷筒(102)内圈顶端开设有孔B；通过孔A与孔B对接，实现顶杆(101)与弹性卷筒(102)内圈顶端固连。
5.根据权利要求4所述的一种螺旋伸展和直线支撑的线弹性伸杆机构，其特征在于：所述弹性卷筒(102)外圈底端开设有孔C，弹性卷筒储藏罐(103)侧壁开设有孔D，弹性卷筒储藏罐(103)固定安装在弹性卷筒储藏罐底板(104)上，通过孔C与孔D对接，实现弹性卷筒(102)外圈底端与弹性卷筒储藏罐(103)固连。
6.根据权利要求2所述的一种螺旋伸展和直线支撑的线弹性伸杆机构，其特征在于：所述线性伸展支撑组件(2)包括弹性卷尺(201)、弹性卷尺卷绕轴(202)和弹性卷尺储藏罐(203)；
弹性卷尺储藏罐(203)为中空柱状壳体结构；弹性卷尺储藏罐(203)固定安装在弹性卷筒储藏罐(103)的侧壁；弹性卷尺卷绕轴(202)同轴设置在弹性卷尺储藏罐(203)的内腔中；弹性卷尺(201)缠绕在弹性卷尺卷绕轴(202)外壁，且弹性卷尺(201)的头端从弹性卷尺储藏罐(203)上方竖直伸出。
7.根据权利要求6所述的一种螺旋伸展和直线支撑的线弹性伸杆机构，其特征在于：所述载荷安装顶板组件(3)包括安装顶板(301)、消旋机构(302)和3个安装凸台；安装顶板(301)为水平放置的圆板状结构；消旋机构(302)安装在安装顶板(301)下表面的中心处；通过安装顶板(301)与顶杆(101)对接；3个安装凸台沿周向均匀分布在安装顶板(301)的下表面。
8.根据权利要求7所述的一种螺旋伸展和直线支撑的线弹性伸杆机构，其特征在于：弹性卷尺(201)的头端水平设置有2个通孔；每个安装凸台上水平设置有2个通孔；弹性卷尺(201)的2个通孔与对应安装凸台的2个通孔对接，实现弹性卷尺(201)与对应安装凸台的固连。
9.根据权利要求8所述的一种螺旋伸展和直线支撑的线弹性伸杆机构，其特征在于：线弹性伸杆机构的工作过程为：
弹性卷筒(102)的内圈向上伸出，通过顶杆(101)推动安装顶板(301)向上平移；安装顶板(301)通过3个安装凸台带动弹性卷尺(201)拉伸，从弹性卷尺储藏罐(203)中伸出。
10.根据权利要求1所述的一种螺旋伸展和直线支撑的线弹性伸杆机构，其特征在于：弹性卷筒(102)收拢到弹性卷筒储藏罐(103)后，收拢的弹性卷筒(102)被压缩产生很大的变形，从而储存了弹性势能，提供展开过程的驱动力；
当需要展开时，解除对顶杆(101)的约束，弹性卷筒(102)在自身储存弹性势能的作用下依次伸出，后一圈包裹在前一圈上，形成螺旋管；同时，带动弹性卷尺(201)伸出。
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