更全的杂志信息网

空间可重复展收套筒式伸展机构技术①

更新时间:2009-03-28

0 引言

大型空间可展开机构因其具有收拢包络小、在轨可展开刚化的特点而得到广泛应用。其中,可重复展收套筒式伸展机构,也称为ERM(Extendable Refractable Mast)是一类典型的一维可展开机构,具有指向性好、刚度大、质量轻、关节少、结构简单、可靠性高且能形成密闭容器等优点,已多次成功在轨应用,如国内的中星22号01星、俄罗斯的“和平号”空间站等[1-4]

随着国内空间站等大型空间平台的建设及太空作业任务的日益精细化、复杂化,对伸展机构提出了新的功能与更高的性能要求。例如,航天器在轨机动前首先要将大柔性部件收回,机动完成后再次展开到预定位置,这就要求支撑柔性部件的伸展机构具有可重复展收的能力[5]。本文通过对国内外套筒式伸展机构(Telescoping Mechanism)发展现状的分析,梳理出了ERM的关键技术与发展脉络;此基础之上,提出一种新型绳索驱动可重复展收的空间套筒式伸展机构。

1 ERM的组成及工作原理

ERM是由一系列不同直径的同心薄壁单元相互嵌套而成,如图1所示,一般ERM由可展套筒组、驱动组件、传动组件、锁定与解锁装置、导向组件、及信号控制组件等组成。驱动组件包括电机、减速器等;传动方式包括螺纹传动和绳索传动两种;锁定与装置是在套筒展开到位时将相邻套筒两两锁定,收拢时,解锁装置能将锁定状态解除,从而实现可重复展收;导向组件可使套筒组在径向保持同轴,同时在展开过程中防止周向转动;信号控制组件用来给出展收信号以及展开到位信号等。

在走访调查的西藏多家经营唐卡销售业务的企业中,有借助于知名电子商务平台销售的微信网店、淘宝商家,也有自主开发销售网站的公司如拉萨岗地经贸有限公司,他们均反映唐卡线上销售中存在诸多版权问题。此外,在与唐卡艺术与文化协会、博物馆等单位的交流中,关于唐卡图像网上宣传展示,他们同样面临很多信息安全问题。共性问题主要归纳如下:

  

图1 套筒式伸展机构的组成

 

Fig.1 The composition of telescoping mechanism

套筒式伸展机构接收电机展开指令,电机的旋转运动经传动组件转变为套筒组的直线展开运动;当相邻套筒单元展开到位后,套筒相互锁定刚化,完成展开过程。收拢时,电机反转,在收拢力的作用下解锁装置能够解除套筒间的锁定状态,从而使套筒组回到收拢状态。其中,锁定与解锁方式是套筒式伸展机构研究的关键内容。

2 ERM国内外研究现状

2.1 国外ERM的研究现状

文献[14]提出一种主动解锁弹簧销的方案。采用内外嵌套式螺母结构,内螺母与丝杠啮合,外螺母与套筒固连,内外螺母具有一定角度的相对转动自由度。弹簧销安装在套筒头部外侧,展开到位后,销钉完全插入销孔中,实现内外套筒的锁定。收拢时,内螺母相对外螺母向下运动一定距离,内螺母上的锥面推动推出杆向外伸出,推出杆将销钉从销孔中推出,实现解锁。该方案销钉的圆柱段能插入销孔中,因而较大提高套筒的轴向承载能力。

该方案由套筒组、锁定与解锁装置、绳系滑轮组、驱动组件以及导向元件等组成,如图11所示。各级套筒圆周上对称布置滑轮组,一根展开绳贯穿套筒左右两侧。套筒圆周下端均匀安装4套锁定装置,I~III级套筒的内壁圆周上分别均匀分布着4条导向槽;展开过程中,弹簧销沿着导向槽运动并进入锁定位置。内层各级套筒中心下端安装解锁装置,收拢绳与最内层套筒解锁装置中的“T”形杆相连,如图11所示。

外置摆杆锁定与螺纹传动见图2。

  

图2 外置摆杆锁定与螺纹传动

 

Fig.2 External swing-lever locking and screw-nut drive

建立鸡蛋面积、蛋黄指数(蛋黄面积与鸡蛋面积的比值)、蛋黄轮廓拐点数目、蛋黄与整蛋周长比、蛋黄面积与周长比和双黄蛋之间的关系模型。

  

图3 ERM在卫星上的应用

 

Fig.3 The application of ERM on satellites

展收原理如图12所示,每节套筒的上端和下端都安装有滑轮,一根绳索走“S”形,依次从套筒一侧穿到另一侧。绳索两端与鼓轮相连,通过电机的正反转来实现套筒的展收。这种两侧对称的布线方式避免了展收过程中对套筒产生附加弯矩。

丝杠螺母驱动方式由于丝杠为一根细长杆,在套筒内部呈悬臂梁结构,因此易弯曲变形,从而影响套筒的伸展长度。美国ATK公司设计了一种滚动体与螺旋筒配合实现驱动展开的ERM[8],如图4所示。绳索传动见图5。

  

图4 ATK 套筒伸展机构

 

Fig.4 ATK telescoping booms

  

图5 绳索传动

 

Fig.5 Rope drive

螺旋筒直径较大,且为中空结构,同时套筒头部有支撑组件,从而提高螺旋筒的刚度。筒外壁有大螺距多头螺纹,套筒内壁装有滚动体,电机驱动螺旋筒转动,滚动体沿着螺纹运动实现套筒的展收。由于丝杠传动有质量较大、丝杠易变性等局限性,国外早在60年代就对绳系套筒式伸展机构进行了研究[9-11]。早期这种伸展机构是应用在地面上,如美国提出的一种便携式野外天线伸展机构,该伸展机构采用绳索驱动、同步展开,布线方式如图5所示。绳索一端从外层套筒的顶端引出,经过中间层套筒顶端滑轮的变向,另一端固定在内层套筒的底部。转动手柄,套筒II向外伸展的同时,其余各级套筒也同时作伸展运动。

该方案由于采用绳索驱动,有效减少机构的质量,且直接靠绳索的张紧力实现套筒的展开锁定,方便在野外无电力的条件下作业。但绳索驱动时,空间无人操作下套筒的重复展收是需攻克的难题。

此外,套筒式伸展机构与其他类型的伸展机构相融合可产生一些新的展收方式。例如,将豆荚杆与套筒相结合,利用豆荚杆传动带动套筒展收,套筒展开锁定后与豆荚杆共同承受载荷,提高机构的稳定性。该方案采用内置弹簧销的锁定方式,由于套筒是从内到外依次收拢,内层套筒上端装有解锁斜面,收拢到位时将中层套筒的弹簧销拔出,实现中层套筒与外层套筒的解锁[12]。利用Bi-STEM传动展开见图6。

放大延伸至建设工程全产业链上、全生命期管理上,还需要有更专业的合同管理、设备材料采购管理等进行配套,通过对工程数字化设计成果的充分利用,可以为“面向全产业链集成” 的工程数字化企业在今后必然会到来的生产任务的发展开创一个全新的业务领域,延长业务链条,增加新的赢利点。

①注意卡管。在钻孔回扩完成后,如孔内石碴未清理干净,易在铺管过程中发生卡管情况,影响施工进度。因此对有断层或破碎带的钻孔必须认真细致冲洗,且冲洗完成后即组织铺管施工,不得停顿时间过长,避免卡管。

  

图6 利用Bi-STEM传动展开

 

Fig.6 Bi-STEM drive

2.2 国内ERM的研究现状

国内常用弹簧销钉式的锁定方案。早期的弹簧销钉安装在套筒的顶部外侧,主要用于在轨一次性展开锁定。图7是另一种内置弹簧销式的锁定方式[13],该方案是在中间层套筒上端安装弹簧锥销,在展开过程中,锥销的前端沿内层套筒外壁的槽形导轨运动,起到导向作用。展开到位后,在压缩弹簧的作用下销钉插入内筒的销孔中实现内层套筒与中套筒的锁定。同时,销钉后端离开外层套筒的销孔,实现中层套筒与外层套筒的解锁,在螺母丝杠副的作用下,内套筒与中套筒一起做展开运动。

  

图7 内置弹簧销锁定

 

Fig.7 Internal placing spring pin locking

该方案由于销钉安装在套筒内部,径向安装尺寸较小。缺点是:对装配要求较高,这种方式是靠销钉头部的锥面与销孔配合锁定,由于弹簧提供的锁紧力有限,导致轴向承载小。

ERM根据螺纹传动和绳索传动与不同的锁定装置相结合,来满足设计的功能与性能要求。

该伸展机构采用螺母丝杠传动,锁定装置安装在外层套筒上端锥面处,每节套筒安装三套锁定装置,成120°角均匀分布。当第一级套筒展开到位后,在内层套筒上锁定块(Latching Counter)的推动下,锁定杆(Latching Lever)由倾斜位置进入垂直锁定位置,实现内外两级套筒的锁定。为确保锁定杆能顺利进入锁定位置,锁定杆上安装有铍铜合金片簧,这种外置摆杆的锁定方式可实现套筒的重复展收。目前该方案已用于卫星太阳翼电池阵的展开驱动装置和天线反射机构的支撑杆(见图3)。

外置弹簧销锁定、主动解锁见图8。

  

图8 外置弹簧销锁定主动解锁

 

Fig.8 Active unlocking device

由于绳索本身具有张紧锁定作用,西安电子科技大学将其与弹簧销结合,提出一种绳索辅助锁紧的ERM机构[15]。该机构在传统的螺母丝杠驱动的ERM机构中引入滑轮组,滑轮组的布线方式如图9所示。内层套筒的下端安装有弹簧销钉,展开到位后,销钉进入外层套筒顶端的销孔中实现锁定。在螺旋副作用下,套筒由内到外逐步展开,到达锁定位置后绳索收紧,相邻两节套筒在收紧绳索的作用下连在一起,一定程度上消除了销钉锁定的间隙,提高机构的刚度。

3)信息技术与学科教学深度融合,教学打破时空界限,这也是智慧教育的价值追求。在信息技术高速发展的背景下,随着移动互联网技术的成熟,移动学习资源及工具的不断丰富,学生的学习方式不仅限于教室的空间与课堂的时间,而是可以通过移动学习终端,随时随地开展自主学习,与教师的交流与互动也更加方便快捷。

  

图9 绳索张紧辅助锁定

 

Fig.9 Rope-assisted locking

北京航空航天大学提出了一种内置摆杆锁定结合绳索展开的套筒式伸展机构方案,如图10所示,套筒伸展到锁定位置时,摆杆头部端面在扭簧力作用下与外层套筒凹槽斜面相贴合而实现锁定。该斜面的倾斜角度经过设计,使其与滑块符合摩擦自锁条件。因此,套筒在较大轴向载荷作用下不会自动解锁;同时,这种锁定方式消除了锁定间隙,具有很高的刚度。收拢时,套筒中心与连杆相连的收拢绳收回,将摆杆拉离锁定斜面,实现解锁[16]

  

(a)绳系滑轮组

  

(b)解锁原理

 

图10 内置摆杆锁定

 

Fig.10 Internal placing swing lever locking

该方案可利用电机的正反转来实现套筒的自动展收,且利用展开绳系和收拢绳系来实现套筒的展开锁定和收拢解锁,有效的降低机构的质量。但本方案只能在地面依靠重力实现垂直方向上的逐步展开,不能在太空微重力条件下实现可重复展收。

从国内外研究情况看,弹簧销式锁定、螺纹传动套筒式伸展机构可依靠螺母与丝杠的顺次啮合来实现套筒的逐次展开,依靠解锁装置来实现收拢解锁,从而实现可重复展收的功能。但存在质量大、锁定间隙难以消除、展开长度受限等局限性。而单纯使用绳索驱动只能实现同步展开,无法实现空间微重力环境下的重复展收。同步展开方式展开过程震荡大,无法适应长距离展开。因此,设计一种可在轨逐步展开、重复展收的绳系套筒式伸展机构是十分必要的。

3 绳系套筒式伸展机构设计

针对目前绳系套筒式伸展机构不具备在轨逐步展开、可重复展收能力的问题,提出一种内置弹簧销与绳索相结合的ERM设计方案。在收拢状态下,内置弹簧销能够将相邻套筒两两互锁,展开到锁定位置后,能依靠弹簧销自身的运动实现内层套筒互锁解除与外层套筒的锁定,从而实现套筒组的逐步展开;收拢时,利用解锁装置进行外层套筒解锁,同时实现内层套筒的互锁,从而实现可重复展收的功能。

为了帮助客户“发现”合适自己的设备,科雷下了不少功夫。首先,同一种机器,科雷可提供不同配置的机型,覆盖低、中、高层次的需求。每一位客户都能找到与自己生产实际情况匹配的机器。其次,科雷还提供机器的定制化制造服务。科雷的CTP设备制造流水线,除了有标准化生产环节外,还专门有一个车间为客户进行定制化改造,以满足不同客户的个性化生产需求。除此之外,科雷出厂的每台机器都配备了远程诊断功能,当机器发生运行故障时,科雷可以第一时间收到信息,迅速诊断,向客户提供解决方案。这些机器还配有独特的“出生证明”——上面记录着该机器生产的各种信息,确保客户在购买机器后能够溯源到每个制造环节,同时也便于之后的维修保养。

在1987年,德国的Dornier公司设计了一种外置摆杆式的锁定装置,其具有如下功能[6]:收拢状态能将套筒两两锁定;展开时能靠套筒自身的运动解除锁定;套筒展开到位后能锁定;收拢时能解除锁定;收拢到位后相邻两级套筒能再次进入锁定状态。

  

图11 套筒组成

 

Fig.11 Schematic drawing of tube assembly

这种锁定方式径向安装尺寸较大,造成相邻套筒的直径差较大(20 mm)。为适应UHF天线的展开,国内的丛强[7]对锁定装置进行了重新设计,将摆杆改为防退销组件,安装在套筒头部;在套筒尾部安装阻尼片簧,防止内层套筒在展开过程中由于摩擦力作用带动外层套筒一起运动。但这种设计不再具有可重复展收功能。

在收拢状态时,内层套筒两两之间相互锁定。展开过程为:电机带动鼓轮,展开绳张紧,对所有套筒产生向上的拉力,内层套筒(II~IV)共同向上作展开运动;当套筒II展开到位后,套筒II与I锁定,同时II与III互锁解除;内层套筒(III~IV)继续向上展开;以此类推,按照从外到内的顺序依次展开。收拢过程为展开的逆过程,只需电机反转,按照从内到外的顺序依次收拢。

图5给出了λT=5,Cwf=1,ηc=ηT=0.85,D1=D2=0.96时,双重最大功率及相应效率与总热导率λT的关系.由图可知,和均随着λT的增加而增大;当λT增加到一定值后,和的增加幅度减小.

  

图12 展收原理示意图

 

Fig.12 Schematic drawing of retraction and extension principle

伸展机构处于完全收拢状态时的结构示意图如图13所示。套筒下端有外圆柱面、外圆锥面,圆柱段部分安装有内置式弹簧销,当套筒展开到锁定位置时,外圆锥面可与其相邻外侧套筒的内圆锥面配合,从而保证在展开锁定状态,相邻两节套筒间锁定段既有较大的轴向刚度,又有一定的周向刚度。

  

图13 收拢状态

 

Fig.13 Stowed state

在收拢状态下,内层套筒靠销钉尾部的销杆实现相邻套筒的两两互锁。压缩弹簧对销钉提供预紧力,使销钉头部顶在外套筒内壁的导轨上,在展开绳的拉力作用下,销钉将沿着导轨作直线展开运动。展开过程中,解锁绳处于松弛状态,当到达锁定位置时,弹簧推动销钉使销钉头部进入外层套筒的锁定孔内,同时尾部的销杆脱离内层套筒上的互锁孔,完成外套筒与中套筒的锁定以及中套筒与内套筒互锁的解锁,内部套筒继续作展开运动,以此类推,直到所有套筒展开锁定。展开状态下的结构示意图见图14,在压缩弹簧的作用下,销钉头部插入锁定孔中实现锁定。锁定孔与销钉的锥面配合处于摩擦自锁角内,保证套筒不会在轴向压力作用下自动解锁,从而提高机构的轴向承载能力。解锁绳一端与销钉尾部下销杆连接,另一端经导向滑轮变向后,与解锁装置的“T”形杆相连。

本产品具有多种强大的功能,比如接垃圾,这一点可以让人们养成良好的卫生习惯。再者,智能小桶可以帮助收拾东西的人们缓解心情。

  

图14 展开锁定状态

 

Fig.14 Deployment locking state

收拢过程中,在收拢绳的拉力作用下,最内层套筒解锁装置的“T”形杆向下运动,解锁绳对销钉产生水平拉力,从而实现解锁。当套筒IV收拢到底部时,其“T”向下推套筒III上解锁装置的“T”,从而实现套筒III与II的解锁,同时套筒III销钉尾部的销杆进入套筒IV下端的互锁孔实现互锁,III号与IV号筒一起向下运动,其余各级套筒解锁与互锁过程类似。收拢过程中为避免干涉,将互锁孔加工成圆锥孔,同时为减小互锁间隙,销钉尾部的上销杆加工成锥面。

该方案将内置弹簧销的锁定方式与绳索传动相结合,结构简单、可靠性高,有效降低机构的重量。通过引入解锁装置,实现销钉在水平拉力的作用下解锁,保证了机构的轴向刚度。通过对销钉的设计,使其能实现展开锁定和收拢互锁,从而实现套筒的逐步展开、可重复展收,保证展收过程的平稳可靠。该方案是对现有套筒式伸展机构的一种有效补充,对国内伸展机构的选型提供了新的选择。

4 结束语

本文从套筒式伸展机构的关键技术——锁定与解锁方式的角度,对其研究进展进行综述,从其发展脉络可看出,通过改进锁定方式和传动方式来提高机构的刚度与展收性能是当前套筒式伸展机构的发展方向,其中绳系套筒式伸展机构有着广阔的发展前景。针对现有的绳系套筒式伸展机构无法实现在轨逐步展开、可重复展收的难题,本文在现有技术基础上,提出一种基于内置弹簧销实现展开锁定与收拢互锁的绳系套筒式伸展机构。该方案具有可重复展收、低质量、高刚度等诸多优点,是对现有绳系套筒式伸展机构的一种有效补充。但该套筒式伸展机构仍存在相邻套筒的直径差较大、收展机构复杂、移动副较多、容易产生卡滞等问题,需要后续进一步改进。

参考文献

[1] 从强,罗敏,李伟杰.空间机构技术发展趋势及展望[J].载人航天,2016,22 (1):1-8.

[2] Martinnez V R,Pere E.Aeronautics and astronautics:recent progress and future trends[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part C:Journal of Mechanical Engineering Science,2009,223 (12):2767-2820.

[3] 王国伟,杜彬彬,卫巍.伸展机构技术的空间应用与发展趋势[C]∥中日机械技术史及机械设计国际学术会议,2008.

[4] 马兴瑞,于登云,孙京等.空间飞行器展开与驱动机构研究进展[J].宇航学报,2006,27(6):1123-1131.

[5] 陈建平,李蕊.航天器新型伸展机构的设计研究[J].机械设计与制造,2009,11(2):26-27.

[6] Specht,Schmid.Development of the extendable and retractable mast(ERM),Design phase 2.Volume 1[R].Final ReportDornier-Werke G.m.b.H.Friedrichshafen (Germany,F.R.).1987.

[7] 丛强.ERM及其在卫星天线展开机构上的应用[J].航天器工程,1996,2(5):105-109.

[8] Martin Mikulas.Telescoping solar array concept for achieving high packaging efficiency[R].AIAA 2015.

[9] JONES G T.Telescoping antenna mast:United States Patent[P].Office,3248831.1966.

[10] William A.Leavy; Charles R.Griffin antenna deployment mechanism for use with a spacecraft :United States Patent[P].Office ,4176360.1979.

[11] Damian P.Bianchi,Donald E.Barker.Readily extendible telescopic lifting system :United States Patent[P].Office,US7654923B2.2010.

[12] 钟博文.套筒式伸展臂的设计与分析[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2008.

[13] Thomson M W.Deployable and retractable telescoping tubular structure development[C]∥Aerospace Design Conference,1994.

[14] 罗海军,崔琦峰,李明,等.可重复伸缩套筒机构设计及模态分析[J].光学精密工程,2016.

[15] 林上民.空间伸展臂的机构设计与分析[D].西安:西安电子科技大学,2012.

[16] Ding Xilun ,Li Xin.Design of a type of deployable/retractable mechanism using friction self-locking joint units [J].Mechanism and Machine Theory,2015,92(8):273-288.

 
姜强,咸奎成,王治易
《空间电子技术》 2018年第02期
《空间电子技术》2018年第02期文献

服务严谨可靠 7×14小时在线支持 支持宝特邀商家 不满意退款

本站非杂志社官网,上千家国家级期刊、省级期刊、北大核心、南大核心、专业的职称论文发表网站。
职称论文发表、杂志论文发表、期刊征稿、期刊投稿,论文发表指导正规机构。是您首选最可靠,最快速的期刊论文发表网站。
免责声明:本网站部分资源、信息来源于网络,完全免费共享,仅供学习和研究使用,版权和著作权归原作者所有
如有不愿意被转载的情况,请通知我们删除已转载的信息