专利名称：微型低载荷sma空间同步解锁机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种低载荷空间解锁结构，特别是一种微型低载荷SMA空间同步解锁机构。
背景技术：
微型低载荷SMA空间同步解锁机构是利用形状记忆合金SMA的形状记忆特性实现机构的连接分离功能的，与火工品空间解锁机构相比具有低振动、无污染、可重复使用等优点。基于SMA材料的独特性能，利用SMA发展空间解锁解机构，在美国宇航局NASA以及一些著名的商业公司都有开展。Darin Mckinnis，Fastening Apparatus Having Shape Memory AlloyActuator，NASA Johnson Space Center，MSC-21935-1.介绍了NASA方案采用分瓣螺母结构，利用NiTi合金棒通电加热伸长的性质实现机构的连接、解锁功能，适用于大载荷连接的空间解锁。为保证连接与承载，结构复杂、体积和质量相对较大。因此，从上述文献介绍了情况可以看出，利用SMA发展空间解锁机构在国外已有研究，多为大载荷的航天器解锁机构，载荷量级在20,000N左右。为保证连接和承载，机构设计采用不同形式的分瓣螺母结构，SMA棒驱动，体积和质量都相对较大。对于航天器上低载荷附属部件的解锁，如卫星上大型太阳板的空间展开(载荷仅为几百牛)等不适合。
发明内容
本发明的技术解决问题克服现有技术的不足，提供一种解锁迅速，可以满足同步性要求微型低载荷SMA空间同步解锁机构。
本发明的技术解决方案微型低载荷SMA空间同步解锁机构，其特征在于上板壳盖和底座分别通过螺栓与上、下部件连接，滑块上部与上板壳盖连接，下部与底座连接，由此完成相邻部件间的连接，底座上的导轨，保证滑块的直线运动；绝缘套筒从滑块中部穿过，并通过SMA丝压紧滑块，由紧固螺钉将SMA丝压紧并与大螺母固定，弹簧压紧滑块，保证安装状态下滑块与上板壳盖之间的连接，滑块上方套有限位环，使上板壳盖与滑块有相对错动，具有导向作用的限位环仍能使两者紧密连接。
本发明的原理本发明采用SMA丝为机构驱动元件，安装前在常温状态下对丝进行塑性预拉伸。工作状态下，通电加热SMA丝，由于材料的形状记忆特性，SMA丝收缩，拉动滑块沿导轨向左移动，滑块与上板壳盖的连接部位松脱，完成机构的分离解锁功能。通电结束后，在弹簧力的作用下，滑块回复到安装状态下的位置。
本发明与现有技术相比的优点在于对加工完成的微型低载荷SMA空间同步解锁机构进行地面试验，试验结果表明微型低载荷SMA空间同步解锁机构很好的实现了空间结构的分离解锁功能，具有质量轻、低振动、解锁迅速、无污染、可在地面重复使用等特点，具体的机构性能有以下几点(1)直线运动解锁，导轨定位，简化了机构设计，结构简单，可靠性高；(2)本发明的安装尺寸，如图8所示不超过Φ30mm，体积小，质量轻；(3)本发明直接对SMA丝通电加热，现有技术则是通电加热电阻棒，再通过电阻棒传热加热SMA棒，两者相比，本发明所需加热时间更短，解锁更为迅速；(4)通过试验表明，在直流电压28V作用下，本发明在0.1s内分离解锁，能更好的满足机构的同步性要求；(5)采用SMA丝和弹簧配合使用，无需拆卸重装，机构能够自动恢复原来的结构，现有技术则需要重新装配才能再次使用，地面重复使用更为方便。
图1为NASA的空间解锁机构结构示意图；图2为图1的A-A剖视图；
图3为NASA的活塞与分瓣螺母外形图；图4为本发明的装配结构示意图；图5、图6、图7为本发明的内部结构三维示意图；图8为本发明的安装尺寸示意图；图9为本发明的SMA丝安装长度示意图。
具体实施例方式
如图4、5、6、7所示，本发明由大螺母1、SMA丝2、弹簧3、滑块4、上板壳盖5、螺栓6、底座7、限位环8、外壳9、绝缘套筒10组成，上板壳盖5和底座7分别通过螺栓与上、下部件连接。滑块4上部通过吊钩与上板壳盖5连接，下部通过导轨和底座7连接，底座7上的导轨保证了滑块4的直线运动。SMA丝3从绝缘套筒10中穿过，绝缘套筒10与滑块4接触。为解决通电材料SMA丝2绝缘问题，采用绝缘材料机械止动的方式实现SMA丝2与大螺母1的连接固定。装配状态下，弹簧3处于压缩状态，向右压紧滑块4，保证滑块4与上板壳盖5的连接。考虑到多次分离解锁后相邻部件的位置会有相对错动，滑块4上方套有限位环8，即使上板壳盖5与滑块4有相对错动，具有导向作用的限位环8仍能使两者紧密连接。
本发明实施例中采用SMA合金系中含Ti量50％、直径0.5mm的NiTi合金丝做为机构解锁驱动元件。通电加热时，SMA丝的作动距离主要与两个因素有关丝的原始长度和丝在低温下的塑性预拉伸变形量。SMA丝2原始长度越长、塑性预拉伸变形量越大，加热时合金丝收缩的距离也越大。综合考虑机构设计的尺寸要求和解锁所需SMA丝2收缩距离，计算确定预拉伸变形量为8％的SMA丝2的有效安装长度为64.5mm，如图9所示。
弹簧3的设计需要满足两点要求(1)低温下即安装状态，弹簧力要大于低温时SMA丝2的屈服力，保证通电结束后SMA丝2可以在弹簧力的作用下回复到低温变形的形状(实现机构可重复使用的功能)；(2)高温下即通电加热，弹簧力要小于高温时SMA丝2的回复力，这样SMA丝2才能克服弹簧3阻力收缩(实现机构的解锁功能)。试验确定SMA丝2的低温屈服力和高温回复力，通过计算确定弹簧刚度系数k＝15N/mm，安装状态下弹簧的预压力为60N。
本发明的工作过程当控制系统发出解锁指令时，通电SMA丝5收缩，压缩弹簧，带动滑块4左移，滑块4与上板壳盖5的连接解除，实现连接部件的分离解锁。通电结束后，在弹簧力的作用下滑块4右移，SMA丝5恢复到装配状态下的长度，机构恢复原状，从而可以进行下一次连接解锁。为方便重复使用，滑块4和上板壳盖5的吊钩形状部位设计成了有一定倾角的斜面。这样，只需将与上板壳盖5固定在一起的部件用力下按，滑块4和上板壳盖5即可连接在一起，恢复到装配状态。
本发明目前已初步应用于卫星上大型太阳板的空间解锁展开。地面试验结果表明利用28V星载电源，机构在0.1s内顺利迅速解锁，输出振动低，解锁同步性好，满足空间结构连接分离要求，多次重复使用后性能良好。
权利要求
1.微型低载荷SMA空间同步解锁机构，其特征在于上板壳盖(5)和底座(7)分别通过螺栓(6)与上、下部件连接，滑块(4)上部与上板壳盖(5)连接，下部与底座(7)连接，由此完成相邻部件间的连接，底座(7)上的导轨，保证滑块的直线运动；绝缘套筒10从滑块(7)中部穿过，并通过SMA丝(2)压紧滑块(7)，由紧固定螺钉将SMA丝(2)压紧并与大螺母(1)固定，弹簧(6)压紧滑块(4)，保证安装状态下滑块(4)与上板壳盖(5)间的连接。
2.根据权利要求1所述的微型大载荷SMA空间同步解锁机构，其特征在于所述的SMA丝(2)与大螺母(1)的连接采用绝缘材料机械止动的方式。
3.根据权利要求1所述的微型大载荷SMA空间同步解锁机构，其特征在于所述的上、下固定件均为绝缘材料，由紧定螺钉将SMA丝(2)压紧并与大螺母(1)固定。
4.根据权利要求1所述的微型大载荷SMA空间同步解锁机构，其特征在于所述的滑块(4)上方套有限位环(8)，使上板壳盖(5)与滑块(4)有相对错动，具有导向作用的限位环(8)仍能使两者紧密连接。
全文摘要
微型低载荷SMA空间同步解锁机构，其特征在于上板壳盖和底座分别通过螺栓与上、下部件连接，滑块上部与上板壳盖连接，下部与底座连接，由此完成相邻部件间的连接，底座上的导轨，保证滑块的直线运动；绝缘套筒从滑块中部穿过，并通过SMA丝压紧滑块，由紧固螺钉将SMA丝压紧并与大螺母固定，弹簧压紧滑块，保证安装状态下滑块与上板壳盖之间的连接，滑块上方套有限位环，使上板壳盖与滑块有相对错动，具有导向作用的限位环仍能使两者紧密连接。本发明解锁迅速，可以满足同步性要求。
文档编号G05G17/00GK1843850SQ20061001163
公开日2006年10月11日 申请日期2006年4月10日 优先权日2006年4月10日
发明者闫晓军, 张可 申请人:北京航空航天大学