一種圓形折展機構(gòu)的設(shè)計與應(yīng)用

劉 凱

吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 吉林 132021

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，航空航天、工業(yè)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)烧壅箼C構(gòu)的設(shè)計與普及受到普遍重視。折展機構(gòu)是指能從一定的收攏狀態(tài)展開到預(yù)先設(shè)定好或期望的結(jié)構(gòu)形態(tài)，且能承受特定載荷的一類機構(gòu)。其中，折展結(jié)構(gòu)作為一種新型的工程結(jié)構(gòu)形式，其利用折疊和展開的能力在建筑工程、航天工程空間可展結(jié)構(gòu)以及日常生活方面均具有廣泛的應(yīng)用前景[1]。擴展結(jié)構(gòu)采用模塊化獨有設(shè)計，將強度比高、韌性高、彈性高的構(gòu)件作為主要材料，使折展機構(gòu)具有可靠性高、折疊占比大、總體質(zhì)量小、占用體積小、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點。因此，在某些具有特殊要求的航天工程領(lǐng)域中，折展機構(gòu)得到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。由于折疊和展開的功能，使折展機構(gòu)既能適應(yīng)太空環(huán)境，滿足航天任務(wù)的需求，還能推動航天技術(shù)的不斷發(fā)展[2]。

由于航天機構(gòu)的尺寸越來越趨于大型化和功能多樣性，其內(nèi)部空間具有局限性，這就要求當(dāng)航天空間機構(gòu)在發(fā)射階段必須借助自身的結(jié)構(gòu)功能使其折疊起來并收攏，用以節(jié)省空間，待航天發(fā)射機構(gòu)進入對應(yīng)軌道后，再依靠驅(qū)動裝置將結(jié)構(gòu)逐步展開，最終達到完全展開的工作狀態(tài)。除了在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用外，近年來一些地面基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也會有所應(yīng)用，如太陽能帆板的折展和太陽能電池矩陣等。由于航天工程中的空間折展機構(gòu)與地面工程中的折展機構(gòu)具有較大差異，受到真空、微重力等特殊環(huán)境的限制因素影響，故需從折展機構(gòu)的設(shè)計結(jié)構(gòu)、運動學(xué)及動力學(xué)分析等方面展開探討與研究[3]。

1 圓形折展機構(gòu)的設(shè)計

1.1 裝置的總體設(shè)計

圓形折展機構(gòu)裝置本身的折展運動部分由12片（內(nèi)外層）圓形扇形葉片組成，當(dāng)機構(gòu)完全折疊時，機構(gòu)總體類似于直徑2.5 m的圓球狀，面積約為27 m2，體積約為8 m2。當(dāng)機構(gòu)展開時，在驅(qū)動和傳動裝置的作用下，帶動葉片向外側(cè)展開，折展機構(gòu)構(gòu)造模型如圖1所示。

圖1 折展機構(gòu)構(gòu)造模型

設(shè)計裝置由蝸輪蝸桿直流減速電機作為驅(qū)動，驅(qū)動力直接作用于傳動裝置，帶動圓形扇形葉片向外側(cè)展開。當(dāng)旋轉(zhuǎn)約60°時，葉片底部與位于六邊形桿件上的擋片接觸，展開過程完成。以此類推，收攏過程恰好與展開動作相反。機構(gòu)的葉片材質(zhì)優(yōu)先采用質(zhì)量輕、強度比高、韌性高、彈性高的構(gòu)件為主要材料。為方便折展及其美觀性，其每個葉片形狀定制成六分之一的圓球形狀。

1.2 驅(qū)動裝置

驅(qū)動裝置可實現(xiàn)圓形折展機構(gòu)自主的進行展開和收攏工作，驅(qū)動裝置的種類主要有電機驅(qū)動、彈簧驅(qū)動以及其他驅(qū)動方式（二者混合）等。采用電機驅(qū)動的方式進行驅(qū)動裝置的設(shè)計，主要優(yōu)點是可控性強，能隨時控制展開機構(gòu)的展開速度，實現(xiàn)圓形折展機構(gòu)內(nèi)外層扇葉的同步展開或異步展開。采用電機驅(qū)動的方式，在展開過程中的運行平穩(wěn)，展開到最大位置產(chǎn)生的沖擊小，相反，它主要缺點是會使折展機構(gòu)的體積增大，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。驅(qū)動裝置原理圖與模型如圖2、圖3所示。

圖2 裝置驅(qū)動原理圖

圖3 驅(qū)動裝置模型

1.3 傳動裝置

圓形折展機構(gòu)傳動裝置有蝸輪蝸桿、直齒錐齒輪、萬向傳動裝置等，模型如圖4所示。

圖4 傳動裝置模型布局

1.4 輔助裝置

除了該機構(gòu)中的驅(qū)動與傳動裝置外，在三維模型中，還對該機構(gòu)添加的輔助裝置有用于機構(gòu)進行平面移動的小輪。在設(shè)計過程中，考慮到移動過程中的穩(wěn)定性，運用了日常生活中常見的4輪方式，分別位于該機構(gòu)的最低部平面之上。其次，添加了用于控制轉(zhuǎn)向的輔助裝置，考慮到移動過程中方向的不可控性，設(shè)計時應(yīng)用了在最低部內(nèi)部空間中添加可控制裝向的大輪，設(shè)計理念源于自行車前輪的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。至此，對于該圓形折展機構(gòu)所涉及的驅(qū)動、傳動、輔助裝置均已設(shè)計完成。

1.5 機構(gòu)的基本工作原理

當(dāng)圓形折展機構(gòu)從完全展開狀態(tài)至完全折疊狀態(tài)時，以驅(qū)動電機為主動力，將動力傳遞給蝸輪蝸桿（利用其傳動比大、傳動平穩(wěn)等優(yōu)點）；動力傳遞至蝸輪后帶動六邊形萬向傳動裝置的一側(cè)桿件進行轉(zhuǎn)動（蝸輪與桿件用鍵連接）；與此同時，六邊形的每一個桿件均固定有扇葉（內(nèi)、外層均為6片）。除此之外，考慮到蝸輪蝸桿所傳遞動力與驅(qū)動不平衡的問題，在原有基礎(chǔ)上，將相對邊的2桿件用直齒錐齒輪連接，用以補償驅(qū)動動力不足時對機構(gòu)產(chǎn)生的動力方面的影響；另一方面，該設(shè)計采用內(nèi)外層同步折展運動方式，以使直齒錐齒輪與蝸輪同步動作（同步折展）。為了方便該圓形折展機構(gòu)整體構(gòu)件的移動，底部設(shè)有4個小輪；為了便于在移動過程中實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，內(nèi)部中心位置設(shè)有轉(zhuǎn)向裝置，若圓形折展機構(gòu)需由展開狀態(tài)轉(zhuǎn)換為折疊狀態(tài)，只要改變電機驅(qū)動的轉(zhuǎn)向即可實現(xiàn)。

2 圓形折展機構(gòu)的設(shè)計

2.1 電動機型號的確定

電動機的合理選擇直接決定了其在機構(gòu)運行時的穩(wěn)定性和安全性，為了使機構(gòu)能在高效、安全、經(jīng)濟的環(huán)境下正常運行，驅(qū)動電機的選型非常重要。若電動機選擇不當(dāng)，輕者造成能源浪費，重者燒毀電動機和產(chǎn)生事故隱患。通常在選擇電動機時，應(yīng)重點考慮所需功率、電壓、轉(zhuǎn)速以及力矩等因素。根據(jù)工況條件和工作要求，此機構(gòu)選用Y型籠型三相異步電動機。

工作機所需功率為

工作機所需轉(zhuǎn)速為

電動機所需額定功率（η＝0.85，包括聯(lián)軸器、工作機等效率）為

通過查閱資料可得：i＝8～40，則電動機轉(zhuǎn)速范圍為n1＝n·i＝ 114.65×（8～ 40）＝ 917～ 4 586 r/min。由此可得出選擇電動機的準(zhǔn)確結(jié)論，即綜合考慮電動機傳動裝置的尺寸、質(zhì)量、價格等因素，最終選擇1 500 r/min的同步轉(zhuǎn)速電動機比較合適，電動機型號為Y112M-6。

2.2 葉片支撐機構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計采用的葉片支撐機構(gòu)是等速萬向聯(lián)軸器傳動裝置，由6對等速萬向聯(lián)軸器組成（內(nèi)外層各3對首位依次相連），距離驅(qū)動部分最遠(yuǎn)端采用分離的方式。其中，內(nèi)層葉片支撐裝置與外層支撐裝置采用錯位安裝方式，最終聯(lián)合組裝成現(xiàn)有機構(gòu)的葉片支撐機構(gòu)。一對等速萬向聯(lián)軸器的功能是在軸線相交和相互位置經(jīng)常發(fā)生變化的2軸之間傳遞動力。萬向聯(lián)軸器所連接的輸出軸和輸入軸始終以相等的瞬時角速度傳遞運動。與其他傳動裝置（如齒輪傳動等）相比，萬向聯(lián)軸器傳動裝置有著其他機構(gòu)不能代替的優(yōu)點，假設(shè)將單根軸上的傳動或轉(zhuǎn)矩傳到角度可能發(fā)生變化、有較大軸間夾角的單根軸上時，通常只能通過萬向聯(lián)軸器傳動裝置來實現(xiàn)此功能。

在建模過程中，內(nèi)外層的12個葉片就附著在內(nèi)外2對六邊形的各邊上，每一個桿件均左右固定有2個鎖扣，最后葉片和鎖扣連接，使當(dāng)桿件旋轉(zhuǎn)時可帶動葉片同步轉(zhuǎn)動。

2.3 六邊形支撐機構(gòu)基本結(jié)構(gòu)設(shè)計

該設(shè)計在原有基礎(chǔ)上將單個等速萬向聯(lián)軸器設(shè)計成類似六邊形的結(jié)構(gòu)形狀，各萬向聯(lián)軸器之間首尾相連，相距驅(qū)動最遠(yuǎn)的地方萬向聯(lián)軸器分開，構(gòu)成圓形折展機構(gòu)圓形扇形葉片的基本支撐機構(gòu)。內(nèi)外層的扇形葉片設(shè)計使內(nèi)層裝置的支撐機構(gòu)同樣為外層支撐機構(gòu)同比例的仿制形態(tài)，所不同的是2種六邊形萬向聯(lián)軸器傳動裝置，在平面位置上錯位30°，使圓形扇形葉片更加具有靈活多變形和實用性。

3 圓形折展機構(gòu)的運動學(xué)與動力學(xué)分析

折展機構(gòu)的運動學(xué)分析是機構(gòu)設(shè)計的重要內(nèi)容之一。通常來說，機構(gòu)的設(shè)計與分析一般是從運動學(xué)開始的，通過分析機構(gòu)運動的位移、速度和加速度等，才可考慮強度、質(zhì)量、慣性力、動態(tài)平衡等問題。運動學(xué)分析只關(guān)心其運動情況，并不考慮構(gòu)件的受力、強度和剛度等。折展機構(gòu)的運動學(xué)問題不僅能體現(xiàn)機構(gòu)的運動特性和折疊特性，還能為機構(gòu)的控制編程提供有效技術(shù)支撐。

折展機構(gòu)動力學(xué)分析主要研究在特定驅(qū)動作用力的約束下，機構(gòu)是否能順利展開，觀察在展開過程中幾何協(xié)調(diào)性和各種動力學(xué)特征參數(shù)的變化情況，故研究其動力學(xué)分析是至關(guān)重要的一步。在運動學(xué)的基礎(chǔ)上，利用建立的模型，對其展開動力學(xué)分析，最后根據(jù)得到的動力學(xué)曲線對機構(gòu)的展開驅(qū)動進行分析。

3.1 機構(gòu)簡化模型

為便于研究，將圓形折展機構(gòu)簡化為圖5所示的構(gòu)型，該結(jié)構(gòu)主要涉及的機構(gòu)有直齒錐齒輪、蝸輪蝸桿（驅(qū)動）、萬向聯(lián)軸器傳動裝置等桿件。

圖5 機構(gòu)示意圖

3.2 機構(gòu)展開過程運動學(xué)分析過程

折展單元是整個折展支撐機構(gòu)中最基本的展開單元，如果要準(zhǔn)確了解整個支撐機構(gòu)的展開折疊運動特性，就必須從最基礎(chǔ)的折展單元進行分析。若單元桿件數(shù)量較多，分析起來較復(fù)雜，則需將其拆分為3個四連桿機構(gòu)進行分析[4]。

1）坐標(biāo)系的建立及變換

連桿的運動功能在于保持兩端的運動副的軸線具有固定的幾何關(guān)系，通常用D-H參數(shù)表示。它表示的是桿件和各運動副之間的相對位置與形態(tài)，使用這種參數(shù)可以描述連桿之間的相對位置關(guān)系。這些參數(shù)一般包括連桿轉(zhuǎn)角、桿長等。

2）速度、運動軌跡和加速度的分析

由各桿件之間的坐標(biāo)變換關(guān)系可得出任意桿件上任意一點相對于基座的位移，通過高數(shù)方法運算可得到其速度和加速度結(jié)果。

3.3 機構(gòu)展開過程的動力學(xué)分析過程

在動力學(xué)模型中，將所有桿件視為不會變形的剛性元件，這種建模的方式相對簡單，但卻有助于研究機構(gòu)的動力學(xué)性能。由于展開機構(gòu)多為空間多閉環(huán)機構(gòu)，其展開動力學(xué)分析較困難，需對動力學(xué)模型進行簡化，故可做以下假設(shè)：

1）假設(shè)折展機構(gòu)所涉及的桿件均為剛性元件，在進行展開的過程中不會發(fā)生變形；

2）假設(shè)各桿之間的連接無任何間隙且無任何摩擦力的作用；

3）假設(shè)各桿件的質(zhì)心均位于各桿件的中心位置。

3.4 運動仿真分析

運動仿真分析采用UG中的一個仿真分析模塊（Motion），通過對運動模型中選定點進行分析，可得出其在運動情況下的各種參數(shù)曲線圖形，即使各部件之間建立一定連接，并對其二維或三維機構(gòu)進行運動特征分析[5]。通過對圓形折展機構(gòu)外側(cè)單個圓形葉片機構(gòu)中最頂端一點進行分析，分別得到圖6～圖9所示位移、速度、加速度、力的代表曲線。

圖6 時間-力分析曲線

圖7 位移-力分析曲線

圖8 時間-速度分析曲線

圖9 時間-位移分析曲線

隨著機構(gòu)的逐步展開與收攏工作的完成，其受力在機構(gòu)的起始和終結(jié)位置出現(xiàn)峰值；隨著時間的推移，機構(gòu)受力情況與時間的變化在一個不斷變化區(qū)間內(nèi)，呈現(xiàn)為簡諧運動規(guī)律。通過分析其時間-速度曲線與時間-位移曲線可知，曲線呈一水平直線和呈一具有一定斜率的直線，均可說明輸入驅(qū)動后機構(gòu)的運行平穩(wěn)等特點。

4 結(jié)語

本文提出設(shè)計的圓形折展機構(gòu)總體方案，圓形折展機構(gòu)在應(yīng)用場合方面靈活多變，可根據(jù)需要稍加改動。分別對其進行結(jié)構(gòu)設(shè)計、運動學(xué)、動力學(xué)和性能分析以及應(yīng)用研究進行多方向闡述，使機構(gòu)在性能方面更加穩(wěn)定。對圓形折展機構(gòu)最基本的要求（折疊和展開），設(shè)計了該機構(gòu)通過驅(qū)動裝置，將動力傳遞給傳動裝置，并進行機構(gòu)的打開與閉合這2種工作形態(tài)?？呻S時根據(jù)使用環(huán)境與使用類型方面的考慮，靈活地進行所需設(shè)備的安裝和調(diào)試工作。為了使其工作情況多樣化，在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，最終定格為內(nèi)外層的折展機制。在正常工作時，決定是否為同步折展或異步折展，也可根據(jù)工作情況的需要對電動機進行改動，它具有很高的靈活性和適用性。該圓形折展機構(gòu)的設(shè)計及應(yīng)用為后續(xù)其他復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計提供了一種技術(shù)思路。