CN107579332A - 一种基于Bennett机构的同步展收圆柱面天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Bennett机构的同步展收圆柱面天线，既可展开至指定构形用于工作，也可收拢以便于运输。装置主要包括展开机构，快锁机构，绳驱动机构。机构展开机构由连杆和转动关节组成，快锁机构有序地安装在展开机构上，绳驱动装置顺序固定在展开机构上实现机构的展收和锁定。收拢时，机构连杆由连接关节带动绕关节轴心收拢成一束；展开时，连杆绕着关节轴心旋转，展开至指定圆柱型面，并实现自动锁定。同时由收拢绳索开启锁定，实现机构的重复收拢展开。本发明可实现机构单自由度的展开和收拢，具有占用空间小，可重复利用，节约成本等优点。

Description

一种基于Bennett机构的同步展收圆柱面天线

技术领域

本发明涉及一种基于Bennett机构的同步展收圆柱面天线，属于机械技术领域。

背景技术

在航天技术中，由于运载工具有效载荷舱几何尺寸的限制，卫星和空间站等航天器广泛采用可展机构，通过改变其物理形状和尺寸，以满足实际需求。与一般机构相比可展机构具备操作简单快捷、完全收拢状态占用空间较小、可重复利用、便于运输和储存等优点。随着航空宇航事业的深入发展，空间可展机构正朝着大口径化、高精度化、轻质化方向发展，这就需要天线结构具有较大的收纳率和优良的展开性能。

现有可展机构大多由剪式机构组合构成，杆件可收拢成一束并展开至不同形状，由剪式机构组合构成的大型空间可展机构的典型代表为ETS—VIII卫星采用六边形模块，CSPDA环形桁架式展开天线将内外两层剪单元相连，Astro Mesh天线则利用四边形结构单元对角伸缩的特点完成展开与收拢。

为使可展机构获得更高的强度和展收比，空间过约束单元机构在其设计中得到了广泛应用。基于Sarrus，Bricard，Mayard和Bennettd单元机构设计了一系列可展收机构。

近年来，可展柱面结构被广泛应用于太空应用。柱面型面具有方向性强，增益高，易于光束自动扫描等特点，已经成为空间可展天线型面的重要发展方向。

发明内容

本发明的目的在于是利用单元机构设计一种新型的圆柱面展开天线，装配简单，可重复利用，节约成本，具有高收纳率和形面精度。

针对上述目的和当前技术背景，本发明的具有重复展开收拢功能的圆柱面天线装置，具有同步性，可实现重复展开收拢，使装置整体结构更加紧凑，节省空间。

本发明具有技术思路是将空间过约束Bennett单元机构与剪式机构相结合，采用关节连接的形式实现机构各个运动单元的单自由度同步展开，该天线装置的工作形面拟合圆柱面，且具有全部杆件可紧凑收拢成一束。整个天线包括：

展开机构，快锁机构，绳驱动机构，展开机构是由连杆和转动关节组成，作为天线的主要构架，形成所需的圆柱面形状。

所述的展开机构，包括m个大Bennett展开单元和m+1个小Bennett展开单元，这些展开单元顺次连接，构成展开机构的骨架，m≥2；

每个大Bennett展开单元包括四根长杆和两个合页关节，每个小Bennett展开单元包括四根短杆和两个转动关节，大、小Bennett机构之间由一组剪式单元连接；

每个剪式单元包括一个前长杆，一个后长杆，一个前短杆，一个后短杆，一个前长杆关节，一个后长杆关节，一个前短杆关节，一个后短杆关节，前长杆与后短杆分别通过前长杆关节、后短杆关节与轴套合页连接，且前长杆与后短杆绕轴套合页旋转，后长杆与前短杆分别通过后长杆关节、前短杆关节与同步合页连接，在运动过程中同步合页通过轴销与轴套合页同轴、同步旋转，两者具有共同的转动范围。两个同步合页转轴位于轴套合页转轴两侧，能够实现前短杆与后长杆的同步转动。

上述的可展开圆柱面天线，在大Bennett单元机构内两个相邻长杆连接的转动关节的转轴处有驱动扭簧，左旋转关节与左合页连接，右旋转关节与右合页连接，关节驱动该扭簧为天线的展开提供驱动力。

上述的可展开圆柱面天线单元机构内相邻杆件的转动关节，转动关节前接点通过螺钉与旋转关节连接，后连接点与长杆/短杆通过销钉连接。

上述的大Bennett单元机构内相邻杆件的转动关节内测安装快锁机构，快锁机构有序地安装在展开机构上，绳驱动装置顺序固定在展开机构上实现机构完全展开时的展收和锁定。

上述每两个剪式单元通过四个长杆和两个扭簧合页关节连接组成一个空间大四边形，每两个剪式关节通过四个短杆和两个扭簧合页关节连接组成一个空间小四边形，且每个空间大，小四边形由剪式关节连接间隔分布，构成能够收拢和展开的折叠装置。

上述的快锁方式是采用卡口定位锁紧机构，在展开过程中，连杆带动连接在左关节上的锁栓基座运动，将固定锁栓上的柱形卡口推入锁紧块的导槽中，同时置于锁座里的限位滑块由于卡口的进入被顶起，待卡口通过后，在内部压簧作用下限位滑块复位，此时卡口被定位锁紧在导槽中，左侧限位滑块限制卡口的右侧移动，右侧压簧给出向左的压力，限制卡口即左侧关节继续向右移动，从而实现锁栓的快速锁紧。解锁过程，是通过连续拉索带动限位滑块抬起，卡口的左侧限位消失，使得卡口从导槽中出来。在实际的应用中,应该首先确定好确定凹槽的位置，通过这个锁定机构可以将机构锁定到预定展开位形。锁定解锁过程可靠，操作方便。锁定机构中的压簧作为储能元件，是柱形卡口和限位滑块的复位和动力源，同时提供锁栓定位的锁紧力。

收拢时，机构连杆由连接关节带动绕关节轴心收拢成一束；展开时，连杆绕着关节轴心旋转，展开至指定圆柱型面，并实现自动锁定。同时由解锁绳索开启锁定，实现机构的重复收拢展开。

所述的绳驱动装置，包括展开绳，收拢绳，通过滑轮组安装在展开机构的关节，展开滑轮主要分布在单元机构外侧关节，在单元Bennett机构内部的非剪式连接处均分布有展开滑轮组，收拢绳沿着单侧关节顺次连接。收拢滑轮在每个关节上均有分布，收拢绳在展开机构中按照“Z”形分布。

本发明的优点在于：

(1)基于Bennett单元组合设计一种柱面可展天线，该机构的工作形面可拟合柱面，且具有全部杆件可紧凑折叠成一束的收拢构型，收纳率高；

(2)将过约束单元Bennett机构作为单元机构，通过一定的组合方式实现机构的展开收拢，并在收拢状态机构的拟合形面为圆柱面，保证机构具有很强的刚度性能；

(3)本设计的新型圆柱面天线具有单自由度，提供一个驱动即可实现各单元机构的同步展开。

附图说明

图1为本发明同步展收圆柱面天线的结构示意图；

图2为本发明同步展收圆柱面天线Bennett单元结构示意图；

图3为本发明同步展收圆柱面天线剪式单元结构示意图；

图4为本发明同步展收圆柱面天线单元内部关节连接示意图；

图5为本发明同步展收圆柱面天线快锁机构示意图；

图6为本发明同步展收圆柱面天线快锁机构详细示意图；

图7为本发明同步展收圆柱面天线收拢示意图。

图中：

1-展开机构 2-快锁机构 3-展开绳

4-收拢绳

101-连杆 102-转动关节 103-合页关节

104-剪式单元

301-前长杆 302-后长杆 303-前短杆

304-后短杆 305-前长杆关节 306-后长杆关节

307-前短杆关节 308-后短杆关节 309-轴套合页

310-同步合页 311-轴销

401-左长杆 402-右长杆 403-转动关节

404-驱动扭簧 405-左旋转关节 406-左合页

407-右旋转关节 408-右合页 409-转动关节前接点

410-螺钉 411-后连接点 412-销钉

501-快锁机构 502-左关节 503-锁栓基座

504-右关节 505-锁紧块 506-限位滑块

507-内部压簧 508-右侧压簧

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明是一种基于Bennett机构的同步展收圆柱面天线，包括展开机构1，快锁机构2，展开绳3，收拢绳4，如图1所示。

参照图2，展开机构1是多个单元机构组成，每个单元机构由连杆101和转动关节102连接，多个单元机构顺序连接形成天线的主要构架，展开形面为所需的圆柱面形状。展开机构1，包括m个大Bennett展开单元和m+1个小Bennett展开单元，这些展开单元顺次连接，构成展开机构的骨架，m≥2。展开机构具有拓展性，该设计是由四个大Bennett机构和三个小Bennett机构组成，外侧的不完整的小Bennett机构表示机构单元可以继续拓展，每个大Bennett展开单元包括四根长杆和两个合页关节103，每个小Bennett展开单元包括四根短杆和两个转动关节，大、小Bennett机构之间由一组剪式单元104连接。

参照图3，每个剪式单元包括一个前长杆301、一个后长杆302、一个前短杆303，一个后短杆304，一个前长杆关节305，一个后长杆关节306，一个前短杆关节307，一个后短杆关节308，前长杆301与后短杆304分别通过前长杆关节305、后短杆关节308与轴套合页309连接，且前长杆301与后短杆304绕轴套合页309旋转，后长杆302与前短杆303分别通过后长杆关节306、前短杆关节307与同步合页310连接，在运动过程中同步合页310通过轴销311与轴套合页309同轴、同步旋转，两者具有共同的转动范围。两个同步合页310转轴位于轴套合页309转轴两侧，能够实现前短杆303与后长杆302的同步转动。

如图4所示，上述的可展开圆柱面天线，在大Bennett单元机构内两个相邻左长杆401与右长杆402连接的转动关节403的转轴处有驱动扭簧404，左旋转关节405与左合页406连接，右旋转关节407与右合页408连接，关节驱动该扭簧为天线的展开提供驱动力。

上述的可展开圆柱面天线单元机构内，转动关节前接点409通过螺钉410与转动关节403链接，后连接点411与长杆/短杆通过销钉412连接。

每两个剪式单元通过四个长杆和两个扭簧合页关节连接组成一个空间大四边形，每两个剪式关节通过四个短杆和两个扭簧合页关节连接组成一个空间小四边形，且每个空间大，小四边形由剪式关节连接间隔分布，构成能够收拢和展开的折叠装置。

图5所示的大Bennett单元机构内相邻杆件的转动关节内测安装快锁机构501，快锁机构501有序地安装在展开机构上，绳驱动装置顺序固定在展开机构上实现机构完全展开时的展收和锁定。

所示的快锁方式是采用卡口定位锁紧机构，在展开过程中，连杆带动连接在左关节502上的锁栓基座503运动，将固定锁栓上的柱形卡口推入连接在右关节504上的锁紧块505的导槽中，同时置于锁紧块505里的限位滑块506由于卡口的进入被顶起，待卡口通过后，在内部压簧507作用下限位滑块506复位，此时卡口被定位锁紧在导槽中，左侧限位滑块506限制卡口的右侧移动，右侧压簧508给出向左的压力，限制卡口即左侧关节继续向右移动，从而实现锁栓的快速锁紧。解锁过程，是通过连续拉索带动限位滑块抬起，卡口的左侧限位消失，使得卡口从导槽中出来。在实际的应用中,应该首先确定好确定凹槽的位置,通过这个锁定机构可以将机构锁定到预定展开位形。锁定解锁过程可靠，操作方便。锁定机构中的压簧作为储能元件，是柱形卡口和限位滑块的复位和动力源，同时提供锁栓定位的锁紧力。

所述的绳驱动装置，包括展开绳，收拢绳，通过滑轮组安装在展开机构的关节，展开滑轮主要分布在单元机构外侧关节，在单元Bennett机构内部的非剪式连接处均分布有展开滑轮组，收拢绳沿着单侧关节顺次连接。收拢滑轮在每个关节上均有分布，收拢绳在展开机构中按照“Z”形分布。

Claims (5)

1.一种基于Bennett机构的同步展收圆柱面天线，其特征在于，包括展开机构、快锁机构和绳驱动装置：

所述的展开机构，采用空间单自由度展开，实现天线的展开和收拢；

所述的快锁机构包括锁栓，锁紧块，压簧，限位滑块，锁栓和锁紧块分别安装在展开机构上，限位滑块，压簧与锁紧块装配一起，负责锁栓的锁紧与定位；

所述的绳驱动装置，包括展开绳，收拢绳，通过滑轮组安装在展开机构的关节。

2.根据权利要求1所述的一种基于Bennett机构的同步展收圆柱面天线，其特征在于：

所述的展开机构，包括m个大Bennett展开单元和m+1个小Bennett展开单元，展开单元顺次连接，构成展开机构的骨架，m≥2；

每个大Bennett展开单元包括四根长杆和两个扭簧合页关节，其中，两个长杆之间通过扭簧合页关节连接，另外两个长杆之间也通过扭簧合页关节连接，每个小Bennett展开单元包括四根短杆和两个转动关节，其中，两个短杆之间通过转动关节连接，另外两个短杆之间也通过转动关节连接，大Bennett展开单元中两个长杆与小Bennett展开机构中两个短杆通过剪式单元连接；

每个剪式单元包括一个前长杆关节，一个后长杆关节，一个前短杆关节，一个后短杆关节，设大Bennett展开单元中两个长杆为前长杆和后长杆，小Bennett展开机构中两个短杆为前短杆和后短杆，前长杆与后短杆分别通过前长杆关节、后短杆关节与轴套合页连接，且前长杆与后短杆绕轴套合页能够旋转，后长杆与前短杆分别通过后长杆关节、前短杆关节与同步合页连接，运动过程中同步合页通过轴销与轴套合页同轴、同步旋转，两者具有共同的转动范围；

每两个剪式关节通过四个长杆和两个扭簧合页关节连接组成一个空间大四边形，每两个剪式关节通过四个短杆和两个扭簧合页关节连接组成一个空间小四边形，且每个空间大、小四边形由剪式关节连接间隔分布，构成能够收拢和展开的折叠装置。

3.根据权利要求2所述的一种基于Bennett机构的同步展收圆柱面天线，其特征在于：

所述的大Bennett单元机构内两个相邻长杆连接的转动关节的转轴处有驱动扭簧，左旋转关节与左合页连接，右旋转关节与右合页连接，该扭簧为天线的展开提供驱动力。

4.根据权利要求1所述的一种基于Bennett机构的同步展收圆柱面天线，其特征在于：

所述的快锁机构，快锁方式是采用卡口定位锁紧机构，在展开过程中，bennett单元内的一组相邻长杆带动与杆件连接关节运动，两个转动关节的关节上分别安装锁栓基座和锁紧块，将锁栓基座上的柱形卡口推入锁紧块的导槽中，同时置于锁紧块里的限位滑块由于柱形卡口的进入被顶起，待卡口通过后，在内部压簧作用下限位滑块复位，此时卡口被定位锁紧在导槽中，左侧限位滑块限制卡口的右侧移动，右侧压簧给出向左的压力，限制卡口即左侧关节继续向右移动，从而实现锁栓的快速锁紧；

解锁过程中，收拢绳通过限位滑块上的圆孔，通过拽动收拢绳带动限位滑块抬起，卡口的左侧限位消失，使得卡口从导槽中出来。

5.根据权利要求1所述的一种基于Bennett机构的同步展收圆柱面天线，其特征在于，所述的绳驱动装置中，在单元Bennett机构内部的非剪式连接处均分布有展开滑轮组，收拢绳沿着单侧关节顺次连接，收拢滑轮在每个关节上均有分布，收拢绳在展开机构中按照“Z”形分布。