一种单自由度抛物面型可折展阵列的制作方法

本发明涉及空间可折展机构领域，特别的是指一种单自由度抛物面型可折展阵列。

背景技术：

折展机构是一种可根据实际需要而改变其几何形状的机构。空间可折展机构是20世纪60年代后期，随着航天科技的飞速发展而诞生的一种新型宇航机构，采用高强度、高刚度、高几何稳定性、超低热胀系数的宇航材料，包含低运动副机构、驱动元件等。可折展机构在发射过程中处于折叠收拢状态，固定安置在运载工具的有效载荷舱内，体积最小。待发射入轨后，由地面指挥控制中心按照预定的设计要求控制其逐渐稳定展开，成为一个大尺度空间宇航构造物，然后锁定或者刚化于适当的预定工作状态。

目前大型固面展开机构多种多样，此类机构由几块可动的刚性厚板组成，在收拢状态下，各板折叠在一起。需要工作时，各板通过连接铰链适当地转动或者平动，展开成一个固面状机构。这类机构的典型代表包括太阳花展开天线，太阳帆板和空间伸展臂等。可折展机构具有型面精度高，结构稳定等优点，但其主要缺点在于传统可折展机构的折展比小，难以满足当前的工程实际需求，因此设计具有折展比大、自由度少、型面精度高的可折展机构一直是研究人员的重点关注问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为解决现有的可折展阵列折展比小、无法自主展开以及展开型面精度较低的问题，针对该问题，本发明基于刚性厚板剪纸折叠方式设计出一种单自由度抛物面可折展阵列，由若干块刚性厚板单元和对应的数量的弹簧驱动铰链组成，利用弹簧驱动铰链使可折展阵列进行自由的折叠和展开，采用材料去除和材料增添提高可折展阵列展开过程可靠性和展开状态时的稳定性，确保到达预定工作位置时与目标抛物面的匹配精度高。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种单自由度抛物面型可折展阵列，以厚板剪纸折叠方式构建形成，是20块刚性厚板由安装在关节处构成旋转运动副的弹簧驱动铰链连接后形成五个基本折展单元交替排布构成；基本折展单元ⅰ和基本折展单元ⅱ对称布置排列，基本折展单元ⅳ和基本折展单元ⅴ分别在基本折展单元ⅰ和基本折展单元ⅱ的上方对称布置排列，基本折展单元ⅲ形成在基本折展单元ⅰ，基本折展单元ⅱ，基本折展单元ⅳ，基本折展单元ⅴ之间，由基本折展单元ⅰ，基本折展单元ⅱ，基本折展单元ⅳ，基本折展单元ⅴ的共用刚性厚板组成；采用材料增添和切除的方式对刚性厚板进行表面形貌和侧面进行处理，使刚性厚板具有特殊型面，以满足自锁和型面要求。

其中，所述基本折展单元ⅰ和基本折展单元ⅱ轴呈对称对称布置，基本折展单元ⅳ和基本折展单元呈轴对称对称布置，且均是以所述基本折展单元ⅲ的中心轴线对称布置；

所述基本折展单元ⅰ由直角梯形状的单元ⅰ左1板(2-1)，分别呈等腰梯形状的单元ⅰ中1板(2-2)、单元ⅰ右1板(2-3)、单元ⅰ左2板(2-4)、单元ⅰ中2板(2-5)、单元ⅰ右2板(2-6)构成；

基本折展单元ⅱ由对应的单元ⅰ右1板(2-3)，单元ⅰ右2板(2-6)、单元ⅱ中1板(2-7)、单元ⅱ右1板(2-8)、单元ⅱ中2板(2-9)、单元ⅱ右2板(2-10)构成；

基本折展单元ⅳ由直角梯形状的单元ⅳ左1板(2-11)，分别呈等腰梯形状的单元ⅳ中1板(2-12)、单元ⅳ右1板(2-13)、单元ⅳ左2板(2-14)、单元ⅳ中2板(2-15)、单元ⅳ右2板(2-16)构成；

基本折展单元ⅴ由对应的单元ⅳ右1板(2-13)，单元ⅳ右2板(2-16)、单元ⅴ中1板(2-17)、单元ⅴ右1板(2-18)、单元ⅴ中2板(2-19)、单元ⅴ右2板(2-20)构成；

基本折展单元ⅲ由单元ⅰ中2板(2-5)、单元ⅰ右2板(2-6)、单元ⅱ中2板(2-9)、单元ⅳ中1板(2-12)、单元ⅳ右1板(2-13)、单元ⅴ中1板(2-17)构成；

所述的单元ⅰ右2板(2-6)的短底边与单元ⅳ右1板(2-13)的短底边相对，单元ⅳ右1板(2-13)的长底边与单元ⅳ右2板(2-16)的长底边相对，单元ⅰ右2板(2-6)的短底边与单元ⅰ右1板(2-3)的长底边相对；

所述单元ⅳ右2板(2-16)的两个腰边分别与单元ⅴ中2板(2-19)、单元ⅳ中2板(2-15)的对应的腰通过弹簧驱动铰链连接，单元ⅴ中2板(2-19)、单元ⅳ中2板(2-15)的另一个腰分别对应的与单元ⅴ右2板(2-20)、单元ⅳ左2板(2-14)的对应腰通过弹簧驱动铰链连接；

所述单元ⅳ右1板(2-13)的两个腰边分别与单元ⅳ中1板(2-12)、单元ⅴ中1板(2-17)的对应的腰通过弹簧驱动铰链连接；单元ⅳ中1板(2-12)、单元ⅴ中1板(2-17)的另一个腰分别与单元ⅳ左1板(2-11)、单元ⅴ右1板(2-18)的斜腰通过弹簧驱动铰链连接；

所述的单元ⅰ右2板(2-6)的两个腰边分别与单元ⅰ中2板(2-5)、单元ⅱ中2板(2-9)的一个腰对应的通过弹簧驱动铰链连接，单元ⅰ中2板(2-5)、单元ⅱ中2板(2-9)的另一个腰分别与单元ⅰ左2板(2-4)、单元ⅱ右2板(2-10)的斜腰通过弹簧驱动铰链连接；

所述的单元ⅰ右1板(2-3)的两个腰分别与单元ⅰ中1板(2-2)、单元ⅱ中1板(2-7)的一个腰对应的通过弹簧驱动铰链连接；单元ⅰ中1板(2-2)、单元ⅱ中1板(2-7)另一腰分别与单元ⅰ左1板(2-1)、单元ⅱ右1板(2-8)的斜腰通过弹簧驱动铰链连接；

所述单元ⅰ中1板(2-2)的短边与单元ⅰ中2板(2-5)的短边相对，所述单元ⅰ中2板(2-5)的长边与单元ⅳ中1板(2-12)的长边相对，所述单元ⅳ中1板(2-12)的短边与单元ⅳ中2板(2-15)的短边相对；

所述的单元ⅱ中1板(2-7)的短边与单元ⅱ中2板(2-9)的短边相对，所述单元ⅱ中2板(2-9)的长边与单元ⅴ中1板(2-17)的长边相对，所述单元ⅴ中1板(2-17)的短边与单元ⅴ中2板(2-19)的短边相对；

每个刚性厚板的每个边均与相邻的刚性厚板的相邻边对应可折叠布置并在相邻边之间形成关节。

3.根据权利要求1所述的弹簧驱动铰链，其特征在于，所述基本折展单元ⅰ和基本折展单元ⅳ通过共用基本折展单元ⅰ中2板(2-5)和基本折展单元ⅳ中1板(2-12)的谷折痕进行连接；所述基本折展单元ⅱ和基本折展单元ⅴ通过共用基本折展单元ⅱ中2板(2-9)和基本折展单元ⅴ中1板(2-17)的谷折痕进行连接；

所述的基本折展单元ⅰ和基本折展单元ⅱ共用两个刚性厚板，即基本折展单元ⅰ右1板(2-3)和基本折展单元ⅰ右2板(2-6)，因此基本折展单元ⅱ的运动输入由基本折展单元ⅰ的运动输出所定义；

所述的基本折展单元ⅱ与基本折展单元ⅲ共用两个刚性厚板，即基本折展单元ⅰ右2板(2-6)与基本折展单元ⅱ中2板(2-9)，因此基本折展单元ⅲ的运动输入由基本折展单元ⅱ的运动输出所定义；

所述的基本折展单元ⅳ与基本折展单元ⅲ共用两个刚性厚板，即基本折展单元ⅳ中1板(2-12)与单元ⅳ右1板(2-13)，因此基本折展单元ⅳ的运动输入由基本折展单元ⅲ的运动输出所定义；

所述的基本折展单元ⅴ与基本折展单元ⅳ共用两个刚性厚板，即基本折展单元ⅳ右1板(2-13)与基本折展单元ⅳ右2板(2-16)，因此基本折展单元ⅴ的运动输入由基本折展单元ⅳ的运动输出所定义，由此最终构成了单自由度折展阵列。

其中，对所述刚性厚板进行材料表面的去除和增添，材料去除以保证刚性厚板的型面与抛物面相匹配；材料增添以使折展阵列在展开至预定的工作位置时，利用刚性厚板侧面增添的材料与相邻的刚性厚板相接触，以达到展开后自锁的目的，从而确保在弹簧驱动铰链驱动力与接触力的作用下保持在预定的工作型面，最大程度的与目标抛物面相匹配，从而形成具有折展比大、型面精度高、稳定性高的单自由度抛物面型可折展阵列。

其中，所述弹簧驱动铰链是由左合页、右合页、驱动弹簧、联结销轴及紧固螺栓构成，所述左合页与所述右合页通过所述联结销轴连接，所述联结销轴与所述驱动弹簧相互嵌套安装在刚性厚板的关节处，提供展开至预定位置的驱动力，所述左合页与所述右合页连接后通过所述紧固螺栓固定在刚性厚板关节处，构成旋转运动副。

本发明中，所述的基本折展单元ⅰ，ⅱ，ⅲ，ⅳ，ⅴ共用8块刚性厚板，各刚性厚板之间利用所述的弹簧驱动铰链相互连接，保证了本发明可以自由折展，提高了折展过程的稳定性。

通过对所述的基本折展单元ⅰ，ⅱ，ⅲ，ⅳ，ⅴ中的20个刚性厚板单元进行材料表面的去除和增添，材料去除保证刚性厚板单元的型面与抛物面相匹配；材料增添使折展阵列在展开至预定的工作位置时，利用刚性厚板单元侧面增添的材料与相邻的刚性厚板单元相接触，以达到自锁的目的。

本发明通过上述设计方案，利用刚性厚板剪纸折叠方式设计的折展阵列，借助弹簧驱动铰链的驱动以及材料增添和去除，确保本发明在弹簧驱动力与接触力的作用下保持在预定的工作型面，最大程度的与目标抛物面相匹配，形成具有折展比大、型面精度高、结构稳定性高的一种单自由度抛物面型可折展阵列。

附图说明

图1是本发明的整体结构主视图。

图2是本发明的整体结构后视图。

图3是本发明的折展阵列结构示意图。

图4是本发明折展阵列及弹簧驱动铰链示意图。

图5是本发明厚板剪纸基本折展单元参数示意图。

图6是本发明的折展阵列折叠过程水平方向示意图。

图7是本发明的折展阵列折叠过程竖直方向示意图。

图8是本发明的折展阵列与目标型面示意图。

附图标记：

1-弹簧驱动铰链、2-刚性厚板单元；

1-1左合页、1-2右合页、1-3驱动弹簧、1-4联结销轴、1-5紧固螺栓；

2-1单元ⅰ左1板、2-2单元ⅰ中1板、2-3单元ⅰ右1板、2-4单元ⅰ左2板、2-5单元ⅰ中2板、2-6单元ⅰ右2板、2-7单元ⅱ中1板、2-8单元ⅱ右1板、2-9单元ⅱ中2板、2-10单元ⅱ右2板、2-11单元ⅳ左1板2-12单元ⅳ中1板、2-13单元ⅳ右1板、2-14单元ⅳ左2板、2-15单元ⅳ中2板、2-16单元ⅳ右2板、2-17单元ⅴ中1板、2-18单元ⅴ右1板、2-19单元ⅴ中2板、2-20单元ⅴ右2板。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，下述具体实施方式是本发明的一种优选技术方案，而不应理解为对本发明的限制条件。

如图1和图2所示，本发明为一种单自由度抛物面型可折展阵列，包括20块刚性厚板单元(2)和24个弹簧驱动铰链(1)组成，所述弹簧驱动铰链(1)安装在可折展阵列的连接关节处，利用弹簧驱动力驱动可折展结构展开至预期的工作位置。

如图3所示，所述的可折展阵列是基于刚性厚板剪纸折叠方式构建的折展阵列，由5个基本折展单元ⅰ，基本折展单元ⅱ，基本折展单元ⅲ，基本折展单元ⅳ，基本折展单元ⅴ交替排布构成。

每个基本折展单元的折痕角度设计采用了厚板剪纸阵列设计方法，均去除了一条折痕上的关节以保证折展过程中板面厚度方向不会发生干涉。

如图4所示，所述的可折展阵列的详细构成为，基本折展单元ⅰ由单元ⅰ左1板(2-1)、单元ⅰ中1板(2-2)、单元ⅰ右1板(2-3)、单元ⅰ左2板(2-4)、单元ⅰ中2板(2-5)、单元ⅰ右2板(2-6)构成。

基本折展单元ⅱ由单元ⅰ右1板(2-3)、单元ⅰ右2板(2-6)、单元ⅱ中1板(2-7)、单元ⅱ右1板(2-8)、单元ⅱ中2板(2-9)、单元ⅱ右2板(2-10)构成。

基本折展单元ⅲ由单元ⅰ中2板(2-5)、单元ⅰ右2板(2-6)、单元ⅱ中2板(2-9)、单元ⅳ中1板(2-12)、单元ⅳ右1板(2-13)、单元ⅴ中1板(2-17)构成。

基本折展单元ⅳ由单元ⅳ左1板(2-11)、单元ⅳ中1板(2-12)、单元ⅳ右1板(2-13)、单元ⅳ左2板(2-14)、单元ⅳ中2板(2-15)、单元ⅳ右2板(2-16)构成。

基本折展单元ⅴ由单元ⅳ右1板(2-13)、单元ⅳ右2板(2-16)、单元ⅴ中1板(2-17)、单元ⅴ右1板(2-18)、单元ⅴ中2板(2-19)、单元ⅴ右2板(2-20)构成。

如图5所示，该可折展阵列中的每个基本折展单元需要满足厚板剪纸的约束条件，才能保证厚板的顺利折展，由于该折展单元是两单点四折痕共用一条折痕构成，其角度关系满足：α1+α2＝α2+α4＝α5+α7＝α6+α8＝π；a1＝a3＝a5＝a1，a2＝a4＝a6＝a2。其角度和厚度关系满足：所述的基本折展单元峰折痕设置在厚板单元1和2，厚板单元2和3，厚板单元4和5，厚板单元5和6；所述的基本折展单元谷折痕设置在厚板单元1和4，厚板单元3和6。

所述的基本折展单元ⅰ和基本折展单元ⅳ通过共用单元ⅰ中2板(2-5)和单元ⅳ中1板(2-12)的谷折痕进行连接，所述的基本折展单元ⅱ和基本折展单元ⅴ通过共用单元ⅱ中2板(2-9)和单元ⅴ中1板(2-17)的谷折痕进行连接。

所述的可折展阵列具有单自由度，所述的可折展阵列由5个基本折展单元构成，所述的基本折展单元ⅰ和基本折展单元ⅱ共用两个刚性厚板单元，即单元ⅰ右1板(2-3)和单元ⅰ右2板(2-6)，因此折展单元ⅱ的运动输入由折展单元ⅰ的运动输出所定义。

所述的基本折展单元ⅱ与基本折展单元ⅲ共用两个刚性厚板单元，即单元ⅰ右2板(2-6)与单元ⅱ中2板(2-9)，因此折展单元ⅲ的运动输入由折展单元ⅱ的运动输出所定义。

所述的基本折展单元ⅳ与基本折展单元ⅲ共用两个刚性厚板单元，即单元ⅳ中1板(2-12)与单元ⅳ右1板(2-13)，因此折展单元ⅳ的运动输入由折展单元ⅲ的运动输出所定义。

所述的基本折展单元ⅴ与基本折展单元ⅳ共用两个刚性厚板单元，即单元ⅳ右1板(2-13)与单元ⅳ右2板(2-16)，因此折展单元ⅴ的运动输入由折展单元ⅳ的运动输出所定义，由此最终构成了单自由度折展阵列。

对所述的基本折展单元ⅰ，ⅱ，ⅲ，ⅳ，ⅴ中的20个厚板单元进行材料表面去除和增添，材料去除是为了保证实际厚板型面与目标抛物线相匹配。所述的刚性厚板单元(2)进行材料增添，目的是使折展阵列的展开至预定的工作位置，利用厚板侧面的材料增添使得板间出现接触而自锁，使得本发明在弹簧驱动力与接触力的作用下保持在预定的工作型面，最大程度的与目标抛物面相匹配。

本实施例中，所述的弹簧驱动铰链(1)是由左合页(1-1)、右合页(1-2)、驱动弹簧(1-3)、联结销轴(1-4)以及紧固螺栓(1-5)构成，如图4所示；所述的左合页(1-1)与所述的右合页(1-2)通过所述的联结销轴(1-4)进行连接，所述的联结销轴(1-4)与所述的驱动弹簧(1-3)相互嵌套安装在厚板单元的折痕处，提供展开至预定位置的驱动力，所述的左合页(1-1)与所述的右合页(1-2)连接之后通过所述的紧固螺栓(1-5)固定在折展阵列的后半单元折痕出，作为旋转运动副。

本发明中，所述的可折展阵列具有单自由度，仅需要一个驱动力就可以实现阵列的折展运动，所述的弹簧驱动铰链(1)可以提供弹簧驱动力，帮助本发明完成自动折展。

本发明的具体工作过程如下：

将折叠状态的本发明放置在水平面上，在去除人工约束的基础上，本发明可完成自动展开过程，以展开到预定工作位置，当工作完毕后，可以人工回收或添加相应的回收装置进行收拢。

如图6和图7所示，所述的可折展阵列可以进行折展，且展开到预定工作位置后，在厚板单元基础上添加材料形成接触来保证自锁，如图8，f(x)为目标抛物面的曲线方程，所述的目标型面由几何结构参数进行数学定义，通过优化设计确定去除材料部分，从而使阵列表面符合的工作型面要求。

因此本实施例中的折展阵列具有很高的型面精度，且本实施例可以通过多个折展阵列进行组网形成一种单自由度旋转抛物线型固面天线。

本实施例中，对所设计的阵列结构，采用3d打印进行等比模型制作，加工材料为pla，结构简单，重量较轻且成本较低。

该可折展阵列的弹簧驱动铰链采用金属材料，安装在刚性厚板单元的关节处，具有强度高，稳可靠性好，稳定性高的优点。

本发明采用材料增添和切除的方式对刚性厚板进行表面形貌和侧面进行处理以满足自锁和型面要求。

本发明借助弹簧弹力驱动折展阵列进行自由折展，在非工作状态下折叠成小体积，而在工作状态下展开至预定的工作位置，该单自由度抛物面型可折展阵列具有单自由度、结构稳定、折展比大、型面精度高等优点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，例如更改角度设计参数、更改板厚、更改铰链结构以及更改本发明的组网形式等，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。