薄壁管状空间伸展臂技术综述

介绍了可收拢管状伸展臂(STEM)和可盘卷管状伸展臂(CTM)这两类薄壁管状空间伸展臂的工作原理,并调研了国内外基于该类伸展臂的典型应用,如空间并联机构、可展天线、太阳帆展开机构等。总结分析了薄壁管伸展臂结构与机构设计、仿真分析与试验、成型工艺等关键技术,并对我国在该技术领域的发展提出了开展新型展开机构研究、开展全面地仿真分析与试验、开展薄壁管基材研究、开展成型工艺研究等建议。     

一种新型四轴飞行器的设计和结构分析

在分析当前飞行器现状的基础上,提出了一种新型的四轴飞行器。该飞行器主要由伸展机构、倾斜旋翼机构和旋翼组成。通过连杆机构实现机翼伸展与着陆支撑的转换;采用电磁离合器、摩擦接触轮、涡轮蜗杆结构、齿轮组合以及四杆机构的配合实现了侧旋翼转换方向的动作。最后的飞行性能分析和运动仿真结果表明该飞行器结构设计合理、可靠,为四轴飞行器提供了一种切实可行的有效方案。     

伸缩可控的杆状空间伸展机构研究

现存的大部分空间杆状伸展机构采用杆套杆式结构,其直径逐级递减,使得杆伸出长度受到限制,成形后的结构刚度不足,伸展收缩不可控,为此文中提出了一种伸缩可控的杆状空间伸展机构.该系统伸出杆采用螺旋管柱结构,杆伸展、收缩可控,杆的直径和刚度在伸展、收缩过程中不变.能带比较大的负载.控制伸出杆成形的机械系统结构简单、紧凑.以DSP TM320LF2407A为核心的BLDC数字控制系统实时性好,定位精度高.可用于低轨道卫星的重力梯度定位、展开天线及伸出臂,也可作为其它伸展机构的驱动臂来使用.     

基于空间多面体向心机构的伸展臂设计研究

空间多面体向心机构是一类特殊空间可展机构,这类机构一般成球形或多面体形状,具有高度的对称性,通过铰链关节运动可以实现多面体机构的展开/收拢运动.本文在其结构和运动特点分析的基础上,进一步提出一种新型六面体机构.该机构由4个4腿运动链和一个十字滑块机构组成.利用螺旋理论对这种机构作自由度和奇异性分析.将这种机构运用于伸展臂的设计中,提出一种新型同步展开/收拢伸展臂机构,该机构的自由度是1.对这种伸展臂机构的运动学和动力学进行研究,推导出了其运动学和动力学方程,这有助于此伸展臂的分析设计,最后将理论计算结果与ADAMS计算结果进行比较,验证了运动学和动力学方程的正确性.本文的研究成果在航天领域有较好的应用前景.     

空间可展机构弹性动力学特性研究

将多级剪刀机构与复式螺旋机构组合,提出了一种新型的径射状可展天线伸展机构。采用动力有限元法建立空间可展天线伸展机构的单支机构动力学模型,采用振型叠加法对该机构进行弹性动力学分析。分析后发现,各阶固有频率随展开角度的不断变大会发生交叉,得出了天线展开速度、结构参数对系统稳定性的影响规律。为研究可展机构振动稳定性条件提供必要的参考数据,并为该天线的伸展机构设计与结构参数优化提供了依据。     

仿昆微扑翼飞行器三维整体设计及制造

MEMS技术在毫米尺度制造中站主导地位,然而在厘米尺度甚至更大尺度下的机构仍是使用许多传统方法制造的,在毫米至厘米尺度范围内存在的介观尺度的器件仍难以制造。针对在这种尺度内的仿生微扑翼飞行器和其复杂微小结构极难手工装配的制造工艺问题,提出了一种三维整体结构的多功能制造方法,即由包含刚性层和柔性层的多片图案化碳纤维层在多个选定的位置处进行叠置和粘结,形成具有多个层间粘结的层压结构,并且在这种层压结构中刚性层之间的柔性层可以挠曲伸展成三维结构。使用这项工艺方法,制造出了一架重约100mg的可从平面结构伸展成三维结构的精密型微扑翼飞行器,研究结果验证了该种设计方法及工艺流程的可行性和有效性,为微扑翼飞行器在工业上规模化制造商提供了崭新的途径和指导意义。     

一种简易的自动爬杆机构设计

水泥电线杆、园林树木、风力发电机的钢柱杆体结构等设备设施,由于工作原因,经常需要一种简易轻便、最好可遥控的机械结构,代替人来爬升到顶端完成工作任务。利用蠕虫的前进方式和对称凸轮机构原理,设计一种可在与地面呈任意夹角(垂直或倾斜)的刚性杆柱体上爬升的机构。该机构适当改进机械手部分后,也可以在与地面平行的刚性电缆、柱体上水平前进后退。但本机构不适合在柔性线路上前进或爬升。     

空间伸展臂折展单元展开运动特性分析

基于对国内外空间伸展臂机构研究状况分析,提出一种四棱柱型剪叉式空间伸展臂。在分析伸展臂工作原理的基础上,确定折展单元(剪叉单元)的构型特征,并基于螺旋理论求解伸展臂折展单元运动度,验证四棱柱型剪叉式空间伸展臂的运动单一性和折展稳定性。据此,分析空间伸展臂折展单元的几何特性,获得折展单元轴向展开运动规律线图,并利用所研制的原理装置在低重力模拟环境下完成伸展臂展开性能和重复展开精度测试,结果表明四棱柱型剪叉式空间伸展臂满足空间折展机构的功能需求。     

空间伸展结构变形与振动分布式光纤监测研究

空间伸展结构是一种最基本的可展开折叠单元,广泛应用于大型展开天线、太阳帆板以及空间机械臂等航天领域,针对此类结构服役状态的智能辨识对于目前开展高轨深空探测研究具有重要意义。为此,提出一种基于准分布式光纤传感器的空间伸展结构变形与振动实时监测技术。借助MSC.Patran/Nastran有限元分析方法,数值模拟得到碳纤维复合材料柔性空间伸展结构在不同载荷作用下的应变、位移响应规律以及振动模态特征。分别研究了基于曲率和弧长信息曲线重构的结构变形反演算法,光纤光栅中心波长偏移量与振动特征关系解析模型,计算得到空间伸展结构沿展开方向不同位置的坐标信息。在此基础上,通过在柔性复合材料伸展结构展向布设离散光纤光栅传感器,实时采集应变分布与变化信息,进而推导相应位置曲率特征,实现不同加载模式下的伸展结构形态重构,变形反演相对误差约为2.5%。此外,借助准分布式光纤传感器不仅可以得到伸展结构对应的变形实时响应曲线,同时还能够获取其前三阶固有模态和振型特征,所测频率与仿真结果吻合度较好,平均误差约为0.67%。研究结果表明,所提方法具有非视觉测量、实时性好以及多种功能复用等优点,能够为未来及时准确获取空间伸展结构姿态,实现空间形态自适应调节与在轨振动主动控制提供有力保障。     

弹簧储能式空间可伸展机构的设计研究

设计了一种飞器用弹簧储能式空间可伸展机构。根据其所工作的特殊环境和技术参数,确定了具有弹簧驱动、机械式联动、弹性锁止等特征的空间可伸展机构。利用ADAMS软件对其关键部件——扭转弹簧的刚度系数进行了优化设计。对所研制的原理样机进行了试验分析,验证了可伸展机构的性能。     

一种风洞试验位姿调节机构设计及工作空间分析

风洞试验是飞行器研制的重要环节,飞行器位姿调节机构更是试验必不可少的部分。提出一种能实现多航向角耦合输出的调节机构。首先对该机构的实现原理进行了介绍,并进行了运动学方程推导;结合Matlab并设定飞行器在两种运动情况下,求解驱动位移、速度输入情况,同时计算出飞行器空间运动轨迹;在此基础上,设定驱动位移极值,采用边界映射的方法,对机构的工作空间进行分析。结果表明,该机构在设定的两组极值范围内具由较大工作空间,可完成飞行器大范围航向角的调节;作为风洞试验调节机构具有一定应用前景。     

空间相机重复展收机构薄膜防护罩设计及分析

空间光学相机是高精度系统,其主镜由重复伸展机构支撑到位并实现系统成像.为了提高空间光学相机可重复展收机构的精度,基于Miura折纸原理提出薄膜防护罩折叠方法并进行了参数分析.采用NX/SST仿真软件分析了伸展机构有无防护罩包覆的温度场,研究了主镜安装面在不同温度梯度下的变形规律,利用伸展机构防护罩样机进行了伸展机构可重复展收实验.结果表明本文设计的可重复折展薄膜防护罩的展开角θA=120°时,结构已完成接近85％的展开,此时模型形状依然规整,验证了防护罩的随动重复展收功能.通过热分析发现,有防护罩时伸展机构最高温度为12℃,最低温度为3.5℃,与无防护罩相比,最高温度降低了22℃,最低温度提高了51.5℃,防护罩有效降低了伸展机构的温度梯度.实验结果表明,伸展机构在进行了10次重复展开试验后,在X方向重复精度平均值的绝对值为0.00216 mm,Y方向为0.00596 mm,Z方向为0.00348 mm.本文设计的伸展机构具有较高的重复展收精度,基于折纸原理设计的薄膜防护罩具有良好的可重复展收、遮光和热控效果,可以有效保证光学相机在空间环境的应用.     

空间伸展臂的根部锁紧机构研究

根据空间伸展臂的结构和功能,提出了一种双滑块伸缩连杆形式的锁紧结构,在伸展臂完全展开后实现对其根部的锁紧和定位,并结合伸展臂的结构和工作原理,对锁紧机构进行了设计。通过相关的的受力分析,确定了轴向增力结构的尺寸关系和锁紧滑块的锥角和导向长度。锁紧机构能够简单有效地完成空间伸展臂的锁紧和定位功能,相应的结构尺寸也为其功能的实现提供了进一步的保障。     

球轴承套圈沟道超精机空间五杆机构的位移和速度分析

本文对新开发的产品自动球轴承套圈沟道超精机中应用的空间五杆RRSRR机构的构造、结构及用途作了具体介绍,此机构用于该机的超精头振荡装置中,它是一种结构新颖紧凑、动作巧妙灵活,便于对它进行调整的甚为实用的机构。文中结合实例用解析法对这种机构作了位移分析和速度分析,推导出简明公式,求出了在调整机构的结构参数过程中摇杆——振荡轴的摆角大小和振荡轴的角速度变化规律,这个变化规律(包括上机计算所获得的一系列曲线和数据图表)无论对在生产中实际使用调整这种空间五杆机构或是为了深化认识、开发应用这种新机构及进一步改进,机构设计时均有重要的实践意义和指导意义。     

基于新型两层两环连杆的一族伞状可展机构的构型综合

雨伞的连杆机构是最经典的可展机构之一,它是由多个平面连杆或悬臂杆构建而成,呈现出来的是一种低刚度和低耦合性的肋式支撑结构。到目前为止,可用来构建高刚度伞状可展机构的空间闭环连杆可展单元很少。为此,开发一类含三转动副(3R)耦合支链的两层两环空间连杆,并以它们为单元构建多环耦合的伞状可展机构。基于自由度和对称性特征分析了此类两层两环空间连杆机构的结构形式。提出了一种简洁高效的模块化组合方法来综合两层两环空间连杆可展单元;根据机构的单自由度要求和结构的对称性建立了单元间的可动连接方式;根据综合得到的可展单元和单元间的可动连接方式构造出一族新型伞状可展机构。不同于传统的雨伞机构,这些新型伞状可展机构呈多环耦合状的桁架式结构,在航天装备、建筑结构、艺术结构等领域具有良好的应用前景。     

面向空间应用的3-R(SRS)RP多环机构操作臂结构设计及逆运动学分析

针对空间在轨操作任务需求,为了得到高刚度、高强度、多活动度和大工作空间的操作臂,将多个3-R(SRS)RP多环机构模块串联组成多环机构操作臂.基于多环机构构型,提出一种空间操作臂整机结构设计方案:包含SRS复合铰链结构设计、多环机构模块结构设计、多环机构系统结构设计.SRS复合铰链的结构设计是基于一种改进的球副机构展开,该球副构型可复合双球副及额外转动副,且所有运动轴线相交于一点,提高了运动精度并简化了运动学模型.模块及系统结构设计主要表现在多环机构模块之间的连接平台和连接杆件的结构规划,以保证动、静平台上转动副轴线重合,满足折展和弯曲等运动需求,并解决了运动链耦合时的结构干涉问题.此外,建立了多环机构模块及系统的逆运动学模型,并进行了逆运动学分析.通过数值求解其工作空间发现,三模块操作臂在工作空间即可实现大的可达工作空间及弯曲角度.这一结论为后续样机的研制提供了理论基础.     

全转动副空间扑翼机构设计

常用平面扑翼机构左右两翼的运动不对称,导致扑翼飞行器在试飞中常发生翻滚、栽落的现象。为此,首先分析了常用平面扑翼机构两翼运动不对称的原因,介绍了一种包含球副的空间扑翼机构,然后提出并构建了一种全转动副空间扑翼机构。该扑翼机构左右两翼运动对称,并可根据需求灵活设计两翼扑动的急回特性。该全转动副空间扑翼机构结构紧凑,可满足构建小型扑翼飞行器的需求。     

工程机械换挡手柄操作机构的设计与仿真

对某型挖掘机的行驶换挡操作过程进行了研究。为便于自动控制或远程遥控换档,设计了一种换挡操纵机构,由电动机驱动曲柄滑块复合机构的运动来实现换挡操作,把电机的回转运动转换为换挡的空间动作。通过Pro/E进行了机构的建模和仿真,对操纵机构的性能进行了分析,验证了其可行性。     

空间可展开三棱柱伸展臂设计与优化

空间伸展臂作为空间折展机构中形式最丰富、研究最早、应用最广泛的一维空间折展机构,其主要作用是展开柔性太阳能帆板,支撑网状天线、合成孔径雷达、太空望远镜等。以三棱柱式伸展臂为研究对象,对伸展臂的展开方式和几何参数进行设计分析。基于几何非线性有限元理论,建立含空间桁架及预应力绳索的可展开伸展臂单元模型,然后建立含多可展开单元的大型伸展臂的几何非线性动力学模型。通过Matlab编程计算伸展臂的基频,得到影响伸展臂基频的关键因素,并以伸展臂的基频为优化目标,质量为约束条件,采用遗传算法对伸展臂进行优化设计。研制可展开三棱柱伸展臂样机,对伸展臂进行折展功能及参数优化设计验证试验。结果表明所设计的三棱柱伸展臂可顺利折展,所做的优化设计有效可行。通过该方法可以对特定任务需要的伸展臂进行优化设计,在满足约束条件的情况下,达到基频最高,对伸展臂的设计提供参考。     

可重构橡胶履带变体轮设计及分析

提出了一种全地形可重构橡胶履带变体轮设计方案.该变体轮主要由可重构橡胶履带和履带伸展机构组成,根据不同路面行驶要求,在伸展机构的作用下,履带可实现轮式与三角履带式的变换(即重构)以调整运动姿态.通过SolidWorks软件建立变体轮三维模型,并利用有限元分析软件ANSYS对其关键零部件进行有限元分析,验证了结构的正确性.