一种铰接自动驱动单元及折叠丝杠驱动的折展支撑臂的制作方法

本发明具体涉及一种铰接自动驱动单元及折叠丝杠驱动的折展支撑臂，属于航天技术领域。

背景技术：

随着航天技术的发展和我国对航天事业的进一步探索及利用，大型展开天线、深空探测器、刚性及柔性太阳翼、空间站等，都已成我国航天领域研究人员所探索和设计的主要对象。纵观国内发展需求，对于航天器系统的展收比、精度及刚度的要求越来越高，故设计出高性能的折展支撑臂是必要的。折展支撑臂作为一种基本的一维展开机构及支撑机构，可用做大型展开天线、太阳翼、空间机械手及空间站平台等。然而，因为天线在发射时的空间有限，传统的折展支撑臂依靠铰链弹簧及丝杠的驱动展开，而这部分机构占用了一部分空间，折展比较小，展开范围有限，很难为较大型的天线等提供伸展和支撑功能。

技术实现要素：

本发明为了解决现有的折展支撑臂依靠铰链弹簧及丝杠的驱动展开，折展比小，展开范围有限，很难作为较大型的天线等提供伸展和支撑功能的问题，而提供一种铰接自动驱动单元及折叠丝杠驱动的折展支撑臂。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

方案一：一种铰接自动驱动单元它包括电机、第一连接体、第二连接体、丝杠、丝母、导杆和连杆；

第一连接体和第二连接体铰接，第一连接体上设置有丝杠和导杆，丝杠的轴线和导杆的轴线互相平行，丝杠通过电机驱动，丝杠上设置有丝母，丝母滑动设置在导杆上，连杆的一端与丝母铰接，连杆的另一端与第二连接体铰接，连杆与第二连接体铰接的轴线和第一连接体与第二连接体铰接的轴线互相平行，

电机驱动丝杠带动连杆的一端移动使第二连接体能绕着第一连接体的铰接轴线摆动一定的角度。

方案二：基于一种铰接自动驱动单元的折叠丝杠驱动的折展支撑臂包括三角形底座、拉力绳索、升降丝母、三个顺序展开机构、三个展开驱动电机、三个折展丝杠组件、多个折叠杆组件和n个三角框，其中n≥2，n为整数；

每个三角框的每个边角上分别安装有一个升降丝母，n个三角框互相叠加在一起，相邻两个三角框通过三个折叠杆组件铰接，其中最下方三角框通过三个折叠杆组件与三角形底座铰接，每个折叠杆组件能展开使三角形底座、折叠杆组件和n个三角框共同形成三棱柱架体，相邻两个三角框的每个边通过两根拉力绳索连接，且两根拉力绳索互相交叉；

每个折展丝杠组件包括m段折展丝杠和m-1个所述铰接自动驱动单元，其中m≥2，m为整数；

其中第一段折展丝杠上加工有光杠，每两段折展丝杠均通过所述铰接自动驱动单元连接，第一段折展丝杠加工有光杠的一端转动设置在三角形底座的边角处并通过展开驱动电机驱动，当m段折展丝杠处于展开状态时，m段折展丝杠形成一根丝杠；当m段折展丝杠处于折叠状态时，m-1段折展丝杠折叠在最上方的三角框上，最上方的三角框上的每个升降丝母与每个折展丝杠组件上的第一段折展丝杠的螺纹配合,其余n-1个三角框上的每个升降丝母均套装在每个折展丝杠组件上的第一段折展丝杠的光杠上；

三角形底座上邻近每个折展丝杠组件的位置均设置有一个顺序展开机构，当n个三角框处于折叠状态时，三个顺序展开机构将第一段折展丝杠上最顶部的三角框卡住，当每个折展丝杠组件上的m段折展丝杠处于完全展开状态时，第一段折展丝杠上最顶部的三角框通过展开驱动电机驱动能使最顶部的三角框脱离三个顺序展开机构。

进一步地，每个顺序展开机构包括安装座、第二压缩弹簧和楔形顶块；

安装座上加工有安装孔，第二压缩弹簧安装在安装孔内，楔形顶块滑动设置在安装孔内并在第二压缩弹簧作用下使其楔形部分向外伸出；

安装座固定在三角形底座上邻近折展丝杠组件的位置，每个三角框上加工有容纳孔使顺序展开机构能穿过该容纳孔，在三角框的容纳孔内加工有与楔形顶块上的楔形面相配合的斜面，当n个三角框处于折叠状态时，每个顺序展开机构上的楔形顶块顶在最顶部三角框的斜面上使第一段折展丝杠最顶部的三角框处于卡住状态。

进一步地，每个折叠杆组件包括连接座、调节螺母、第三压缩弹簧、锁销和两个折叠杆；

两个折叠杆各自的一端分别铰接在连接座上，且两个折叠杆与连接座各自铰接的一端分别加工有多个齿，两个折叠杆上的多个齿互相啮合使两个折叠杆的展开角度能从0°展开到180°，两个折叠杆各自的另一端分别与两个三角框铰接，每个折叠杆上还加工有一组卡销孔，连接座上加工有两组销孔，两组销孔的每个销孔端部均加工有螺纹，两组销孔的每个销孔的螺纹上旋拧有调节螺母，两组销孔的每个销孔内设置有第三压缩弹簧和锁销，第三压缩弹簧分别顶在锁销和调节螺母上，当两个折叠杆的展开角度为180°时，每组销孔的每个销孔内的锁销在第三压缩弹簧的作用下能顶在每个折叠杆的卡销孔内。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

一、本发明的一种铰接自动驱动单元可以应用在折展丝杠组件对折展丝杠组件进行驱动实现折展丝杠组件的展开，也可以应用在其它的桁架中实现杆件铰接点的转动，以实现杆件自动折叠与展开，可极大程度的提高折展比，可为较大型的天线提供伸展和支撑功能。

二、本发明设置可以折叠的折展丝杠组件，通过铰接自动驱动单元的电机使m段折展丝杠自动展开，再通过展开驱动电机驱动使n个三角框上升依次展开，更加充分地利用了航天发射的空间，从而节约发射成本。

三、本发明可以根据需要设置不同段数的折展丝杠和三角框实现不同体积的折展支撑臂展开，满足不同的需求，与现有的折展支撑臂相比，应用范围更广。

附图说明

图1是本发明一种铰接自动驱动单元的示意图；

图2是图1的i处局部放大视图；

图3是本发明折展支撑臂展开状态的示意图；

图4是本发明折展支撑臂折叠状态的示意图；

图5是三角框15的示意图；

图6是顺序展开机构12的示意图；

图7是本发明折展支撑臂处于折叠状态时三角框15上的升降丝母9与第一段折展丝杠的位置关系图；

图8是折叠杆组件10的示意图；

图9是折叠杆组件10的内部结构图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2来说明本实施方式，本实施方式一种铰接自动驱动单元包括电机1、第一连接体2、第二连接体3、丝杠4、丝母5、导杆6和连杆7；

第一连接体2和第二连接体3铰接，第一连接体2上设置有丝杠4和导杆6，丝杠4的轴线和导杆6的轴线互相平行，丝杠4通过电机1驱动，丝杠4上设置有丝母5，丝母5滑动设置在导杆6上，连杆7的一端与丝母5铰接，连杆7的另一端与第二连接体3铰接，连杆7与第二连接体3铰接的轴线和第一连接体2与第二连接体3铰接的轴线互相平行，

电机1驱动丝杠4带动连杆7的一端移动使第二连接体3能绕着第一连接体2的铰接轴线摆动一定的角度。

具体实施方式二：结合图1和图2来说明本实施方式，本实施方式丝杠4与电机1的轴之间还设有手动驱动装置8，手动驱动装置8包括第一锥齿轮8-1、第二锥齿轮8-2、传动轴8-3和单向旋转机构8-4；

传动轴8-3固定在电机1的轴上，传动轴8-3的端部和丝杠4的端部之间设有单向旋转机构8-4，丝杠4上固定有第一锥齿轮8-1，第二锥齿轮8-2通过转轴设置在第一连接体2上，第一锥齿轮8-1和第二锥齿轮8-2互相啮合。

其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图2来说明本实施方式，本实施方式单向旋转机构8-4包括第一压缩弹簧8-4-1和两个棘轮齿形套8-4-2；

其中一个棘轮齿形套8-4-2滑动设置在传动轴8-3上并能和传动轴8-3一起转动，第一压缩弹簧8-4-1套在传动轴8-3上且两端分别顶在第一连接体2上和所述其中一个棘轮齿形套8-4-2的端部，另一个棘轮齿形套8-4-2固定在所述丝杠4的端部，两个棘轮齿形套8-4-2上的棘轮齿在第一压缩弹簧8-4-1的作用下互相配合。

所述传动轴8-3可以为花键轴，也可以为方轴等能对其中一个棘轮齿形套8-4-2产生扭矩的轴，并能在使所述其中一个棘轮齿形套8-4-2滑动。

本发明单向旋转机构8-4也可以用超越离合器等其它具有相同功能的机构替代。

本实施方式还可通过手动的方式实现第一连接体2和第二连接体3不同角度的摆动，当电机1出现故障时，第二锥齿轮8-2上的转轴外接手轮，通过转动手轮驱动丝杠4转动来实现第一连接体2和第二连接体3不同角度的摆动，转动手轮带动第二锥齿轮8-2转动时，其中一个棘轮齿形套8-4-2与丝杠4一起同步转动，另一个棘轮齿形套8-4-2只在传动轴8-3上通过第一压缩弹簧8-4-1作用做微小的滑动。

其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图3-图5来说明本实施方式，本实施方式基于一种铰接自动驱动单元的折叠丝杠驱动的折展支撑臂它包括三角形底座16、拉力绳索11、升降丝母9、三个顺序展开机构12、三个展开驱动电机、三个折展丝杠组件14、多个折叠杆组件10和n个三角框15，其中n≥2，n为整数；

每个三角框15的每个边角上分别安装有一个升降丝母9，n个三角框15互相叠加在一起，相邻两个三角框15通过三个折叠杆组件10铰接，其中最下方三角框15通过三个折叠杆组件10与三角形底座16铰接，每个折叠杆组件10能展开使三角形底座16、折叠杆组件10和n个三角框15共同形成三棱柱架体，相邻两个三角框15的每个边通过两根拉力绳索11连接，且两根拉力绳索11互相交叉；

每个折展丝杠组件14包括m段折展丝杠和m-1个所述铰接自动驱动单元，其中m≥2，m为整数；

其中第一段折展丝杠上加工有光杠，每两段折展丝杠均通过所述铰接自动驱动单元连接，第一段折展丝杠加工有光杠的一端转动设置在三角形底座16的边角处并通过展开驱动电机驱动，当m段折展丝杠处于展开状态时，m段折展丝杠形成一根丝杠；当m段折展丝杠处于折叠状态时，m-1段折展丝杠折叠在最上方的三角框15上，最上方的三角框15上的每个升降丝母9与每个折展丝杠组件14上的第一段折展丝杠的螺纹配合,其余n-1个三角框15上的每个升降丝母9均套装在每个折展丝杠组件14上的第一段折展丝杠的光杠上；

三角形底座16上邻近每个折展丝杠组件14的位置均设置有一个顺序展开机构12，当n个三角框15处于折叠状态时，三个顺序展开机构12将第一段折展丝杠上最顶部的三角框15卡住，当每个折展丝杠组件14上的m段折展丝杠处于完全展开状态时，第一段折展丝杠上最顶部的三角框15通过展开驱动电机驱动能使最顶部的三角框15脱离三个顺序展开机构12。

拉力绳索11为现有技术，采用标准为gb/t9944-2002，直径为1.5mm的钢丝绳。

m段折展丝杠均为空心折展丝杠，所述铰接自动驱动单元上的第一连接体2固定在其中一段折展丝杠内部，所述铰接自动驱动单元上的第二连接体3固定在另一端折展丝杠内部，m段折展丝杠中每两段折展丝杠均通过该方式连接。

当m段折展丝杠处于完全展开状态时，其中任意两段折展丝杠对接处形成缺口，任意两段折展丝杠对接处的端部均加工有斜面，其作用在于方便丝杠能够折展，避免在折展的时候发生干涉。

本发明铰接自动驱动单元兼顾手动和电动两种驱动方式，如果应用于航天天线的折展支撑臂时，如果电机1出现故障，电动的方式不能实现，宇航员可以通过手动的方式实现展开，避免由于电机1的故障造成本发明折展支撑臂不能展开的问题，使工作更加可靠，降低发射带来的风险和成本。

其它组成和连接关系与具体实施方式一或四相同。

具体实施方式五：结合图3-图6来说明本实施方式，本实施方式每个顺序展开机构12包括安装座12-1、第二压缩弹簧12-2和楔形顶块12-3；

安装座12-1上加工有安装孔，第二压缩弹簧12-2安装在安装孔内，楔形顶块12-3滑动设置在安装孔内并在第二压缩弹簧12-2作用下使其楔形部分向外伸出；

安装座12-1固定在三角形底座16上邻近折展丝杠组件14的位置，每个三角框15上加工有容纳孔使顺序展开机构12能穿过该容纳孔，在三角框15的容纳孔内加工有与楔形顶块12-3上的楔形面相配合的斜面151，当n个三角框15处于折叠状态时，每个顺序展开机构12上的楔形顶块12-3顶在最顶部三角框15的斜面151上使第一段折展丝杠最顶部的三角框15处于卡住状态。

其它组成和连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图3、图4、图8和图9来说明本实施方式，本实施方式每个折叠杆组件10包括连接座10-2、调节螺母10-5、第三压缩弹簧10-3、锁销10-4和两个折叠杆10-1；

两个折叠杆10-1各自的一端分别铰接在连接座10-2上，且两个折叠杆10-1与连接座10-2各自铰接的一端分别加工有多个齿1011，两个折叠杆10-1上的多个齿1011互相啮合使两个折叠杆10-1的展开角度能从0°展开到180°，两个折叠杆10-1各自的另一端分别与两个三角框15铰接，每个折叠杆10-1上还加工有一组卡销孔1012，连接座10-2上加工有两组销孔，两组销孔的每个销孔端部均加工有螺纹，两组销孔的每个销孔的螺纹上旋拧有调节螺母10-5，两组销孔的每个销孔内设置有第三压缩弹簧10-3和锁销10-4，第三压缩弹簧10-3分别顶在锁销10-4和调节螺母10-5上，当两个折叠杆10-1的展开角度为180°时，每组销孔的每个销孔内的锁销10-4在第三压缩弹簧10-3的作用下能顶在每个折叠杆10-1的卡销孔1012内。

两个折叠杆10-1各自的另一端分别与两个三角框15的边角处铰接，当n个三角框15处于完全展开时，三角形底座16、折叠杆组件10和n个三角框15共同形成三棱柱架体。

当两个折叠杆10-1在展开过程中，两组锁销10-4分别在第三压缩弹簧10-3的作用下一一对应顶在两个折叠杆10-1上进行滑动，当展开两个折叠杆10-1在展开角度达到180°时，两组锁销10-4在第三压缩弹簧10-3的作用下滑入到两个折叠杆10-1的卡销孔内将两个折叠杆10-1锁死。

通过调整调节螺母10-5来调整第三压缩弹簧10-3作用在锁销10-4上的作用力。

本发明设置折叠杆组件10目的在于防止折叠杆组件10在拉力绳索11的作用下受力不均而造成折叠杆组件10上的两个折叠杆10-1不能完全伸直，进一步造成本发明折展支撑臂为大型天线提供伸展和支撑时受力不好的问题。

其它组成和连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式七：结合图3来说明本实施方式，本实施方式当每个折展丝杠组件14上的m段折展丝杠处于完全展开且每个折叠杆组件10上的两个折叠杆10-1的展开角度均为180°时，相邻两个三角框15的距离l1小于m段折展丝杠完全折展后螺纹的长度l2。

如此设置，使两个折叠杆10-1在展开驱动电机驱动下完全展开，并通过两组锁销10-4锁住，并尽最大程度的缩短m段折展丝杠的展开长度，以提高空间利用率，并降低制造成本。

其它组成和连接关系与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：结合图7来说明本实施方式，本实施方式每个折展丝杠组件14上的第一段折展丝杠上光杠的长度l大于n-1倍三角框15的厚度s,即l>(n-1)×s。

如此设置，满足n个三角框能够依次展开的条件，如果光杠的长度l过短，则两个三角框同时设置在第一段折展丝杠的螺纹上，这样造成本发明折展支撑臂不能完全展开。

其它组成和连接关系与具体实施方式四相同。

工作过程：

每个折展丝杠组件14在铰接自动驱动单元的电机1的驱动下是m段折展丝杠依次展开形成一根驱动丝杠，每个折展丝杠组件14通过展开驱动电机驱动进行转动，处于三角形底座16最上方的三角框15在三个折展丝杠组件14的驱动下脱离三个顺序展开机构12上的楔形顶块12-3的束缚沿着一根驱动丝杠的轴线移动，直至两个折叠杆10-1展开角度到180°，拉力绳索11被拉开，此时折叠杆组件10上的两组锁销10-4分别将两个折叠杆10-1卡死，三角框15在展开驱动电机驱动下通过折叠杆10-1将与该三角框15相邻的另一个三角框15上的升降丝母9带入m段折展丝杠的螺纹上，另一个三角框15上的折叠杆10-1和拉力绳索11，的展开方式与最上方的三角框15的展开方式相同，最上方的三角框15在展开驱动电机的驱动下脱离m段折展丝杠，如此依次实现本发明折展支撑臂的展开。