一种圆形折展机构的设计与应用

刘 凯

吉林电子信息职业技术学院 吉林 132021

0 引言

随着科学技术的不断发展，航空航天、工业及农业生产领域对可折展机构的设计与普及受到普遍重视。折展机构是指能从一定的收拢状态展开到预先设定好或期望的结构形态，且能承受特定载荷的一类机构。其中，折展结构作为一种新型的工程结构形式，其利用折叠和展开的能力在建筑工程、航天工程空间可展结构以及日常生活方面均具有广泛的应用前景[1]。扩展结构采用模块化独有设计，将强度比高、韧性高、弹性高的构件作为主要材料，使折展机构具有可靠性高、折叠占比大、总体质量小、占用体积小、热稳定性好等优点。因此，在某些具有特殊要求的航天工程领域中，折展机构得到广泛的关注和应用。由于折叠和展开的功能，使折展机构既能适应太空环境，满足航天任务的需求，还能推动航天技术的不断发展[2]。

由于航天机构的尺寸越来越趋于大型化和功能多样性，其内部空间具有局限性，这就要求当航天空间机构在发射阶段必须借助自身的结构功能使其折叠起来并收拢，用以节省空间，待航天发射机构进入对应轨道后，再依靠驱动装置将结构逐步展开，最终达到完全展开的工作状态。除了在航空航天领域的应用外，近年来一些地面基础设施建设也会有所应用，如太阳能帆板的折展和太阳能电池矩阵等。由于航天工程中的空间折展机构与地面工程中的折展机构具有较大差异，受到真空、微重力等特殊环境的限制因素影响，故需从折展机构的设计结构、运动学及动力学分析等方面展开探讨与研究[3]。

1 圆形折展机构的设计

1.1 装置的总体设计

圆形折展机构装置本身的折展运动部分由12片（内外层）圆形扇形叶片组成，当机构完全折叠时，机构总体类似于直径2.5 m的圆球状，面积约为27 m2，体积约为8 m2。当机构展开时，在驱动和传动装置的作用下，带动叶片向外侧展开，折展机构构造模型如图1所示。

图1 折展机构构造模型

设计装置由蜗轮蜗杆直流减速电机作为驱动，驱动力直接作用于传动装置，带动圆形扇形叶片向外侧展开。当旋转约60°时，叶片底部与位于六边形杆件上的挡片接触，展开过程完成。以此类推，收拢过程恰好与展开动作相反。机构的叶片材质优先采用质量轻、强度比高、韧性高、弹性高的构件为主要材料。为方便折展及其美观性，其每个叶片形状定制成六分之一的圆球形状。

1.2 驱动装置

驱动装置可实现圆形折展机构自主的进行展开和收拢工作，驱动装置的种类主要有电机驱动、弹簧驱动以及其他驱动方式（二者混合）等。采用电机驱动的方式进行驱动装置的设计，主要优点是可控性强，能随时控制展开机构的展开速度，实现圆形折展机构内外层扇叶的同步展开或异步展开。采用电机驱动的方式，在展开过程中的运行平稳，展开到最大位置产生的冲击小，相反，它主要缺点是会使折展机构的体积增大，结构更加复杂。驱动装置原理图与模型如图2、图3所示。

图2 装置驱动原理图

图3 驱动装置模型

1.3 传动装置

圆形折展机构传动装置有蜗轮蜗杆、直齿锥齿轮、万向传动装置等，模型如图4所示。

图4 传动装置模型布局

1.4 辅助装置

除了该机构中的驱动与传动装置外，在三维模型中，还对该机构添加的辅助装置有用于机构进行平面移动的小轮。在设计过程中，考虑到移动过程中的稳定性，运用了日常生活中常见的4轮方式，分别位于该机构的最低部平面之上。其次，添加了用于控制转向的辅助装置，考虑到移动过程中方向的不可控性，设计时应用了在最低部内部空间中添加可控制装向的大轮，设计理念源于自行车前轮的转向系统。至此，对于该圆形折展机构所涉及的驱动、传动、辅助装置均已设计完成。

1.5 机构的基本工作原理

当圆形折展机构从完全展开状态至完全折叠状态时，以驱动电机为主动力，将动力传递给蜗轮蜗杆（利用其传动比大、传动平稳等优点）；动力传递至蜗轮后带动六边形万向传动装置的一侧杆件进行转动（蜗轮与杆件用键连接）；与此同时，六边形的每一个杆件均固定有扇叶（内、外层均为6片）。除此之外，考虑到蜗轮蜗杆所传递动力与驱动不平衡的问题，在原有基础上，将相对边的2杆件用直齿锥齿轮连接，用以补偿驱动动力不足时对机构产生的动力方面的影响；另一方面，该设计采用内外层同步折展运动方式，以使直齿锥齿轮与蜗轮同步动作（同步折展）。为了方便该圆形折展机构整体构件的移动，底部设有4个小轮；为了便于在移动过程中实现转向，内部中心位置设有转向装置，若圆形折展机构需由展开状态转换为折叠状态，只要改变电机驱动的转向即可实现。

2 圆形折展机构的设计

2.1 电动机型号的确定

电动机的合理选择直接决定了其在机构运行时的稳定性和安全性，为了使机构能在高效、安全、经济的环境下正常运行，驱动电机的选型非常重要。若电动机选择不当，轻者造成能源浪费，重者烧毁电动机和产生事故隐患。通常在选择电动机时，应重点考虑所需功率、电压、转速以及力矩等因素。根据工况条件和工作要求，此机构选用Y型笼型三相异步电动机。

工作机所需功率为

工作机所需转速为

电动机所需额定功率（η＝0.85，包括联轴器、工作机等效率）为

通过查阅资料可得：i＝8～40，则电动机转速范围为n1＝n·i＝ 114.65×（8～ 40）＝ 917～ 4 586 r/min。由此可得出选择电动机的准确结论，即综合考虑电动机传动装置的尺寸、质量、价格等因素，最终选择1 500 r/min的同步转速电动机比较合适，电动机型号为Y112M-6。

2.2 叶片支撑机构设计

本设计采用的叶片支撑机构是等速万向联轴器传动装置，由6对等速万向联轴器组成（内外层各3对首位依次相连），距离驱动部分最远端采用分离的方式。其中，内层叶片支撑装置与外层支撑装置采用错位安装方式，最终联合组装成现有机构的叶片支撑机构。一对等速万向联轴器的功能是在轴线相交和相互位置经常发生变化的2轴之间传递动力。万向联轴器所连接的输出轴和输入轴始终以相等的瞬时角速度传递运动。与其他传动装置（如齿轮传动等）相比，万向联轴器传动装置有着其他机构不能代替的优点，假设将单根轴上的传动或转矩传到角度可能发生变化、有较大轴间夹角的单根轴上时，通常只能通过万向联轴器传动装置来实现此功能。

在建模过程中，内外层的12个叶片就附着在内外2对六边形的各边上，每一个杆件均左右固定有2个锁扣，最后叶片和锁扣连接，使当杆件旋转时可带动叶片同步转动。

2.3 六边形支撑机构基本结构设计

该设计在原有基础上将单个等速万向联轴器设计成类似六边形的结构形状，各万向联轴器之间首尾相连，相距驱动最远的地方万向联轴器分开，构成圆形折展机构圆形扇形叶片的基本支撑机构。内外层的扇形叶片设计使内层装置的支撑机构同样为外层支撑机构同比例的仿制形态，所不同的是2种六边形万向联轴器传动装置，在平面位置上错位30°，使圆形扇形叶片更加具有灵活多变形和实用性。

3 圆形折展机构的运动学与动力学分析

折展机构的运动学分析是机构设计的重要内容之一。通常来说，机构的设计与分析一般是从运动学开始的，通过分析机构运动的位移、速度和加速度等，才可考虑强度、质量、惯性力、动态平衡等问题。运动学分析只关心其运动情况，并不考虑构件的受力、强度和刚度等。折展机构的运动学问题不仅能体现机构的运动特性和折叠特性，还能为机构的控制编程提供有效技术支撑。

折展机构动力学分析主要研究在特定驱动作用力的约束下，机构是否能顺利展开，观察在展开过程中几何协调性和各种动力学特征参数的变化情况，故研究其动力学分析是至关重要的一步。在运动学的基础上，利用建立的模型，对其展开动力学分析，最后根据得到的动力学曲线对机构的展开驱动进行分析。

3.1 机构简化模型

为便于研究，将圆形折展机构简化为图5所示的构型，该结构主要涉及的机构有直齿锥齿轮、蜗轮蜗杆（驱动）、万向联轴器传动装置等杆件。

图5 机构示意图

3.2 机构展开过程运动学分析过程

折展单元是整个折展支撑机构中最基本的展开单元，如果要准确了解整个支撑机构的展开折叠运动特性，就必须从最基础的折展单元进行分析。若单元杆件数量较多，分析起来较复杂，则需将其拆分为3个四连杆机构进行分析[4]。

1）坐标系的建立及变换

连杆的运动功能在于保持两端的运动副的轴线具有固定的几何关系，通常用D-H参数表示。它表示的是杆件和各运动副之间的相对位置与形态，使用这种参数可以描述连杆之间的相对位置关系。这些参数一般包括连杆转角、杆长等。

2）速度、运动轨迹和加速度的分析

由各杆件之间的坐标变换关系可得出任意杆件上任意一点相对于基座的位移，通过高数方法运算可得到其速度和加速度结果。

3.3 机构展开过程的动力学分析过程

在动力学模型中，将所有杆件视为不会变形的刚性元件，这种建模的方式相对简单，但却有助于研究机构的动力学性能。由于展开机构多为空间多闭环机构，其展开动力学分析较困难，需对动力学模型进行简化，故可做以下假设：

1）假设折展机构所涉及的杆件均为刚性元件，在进行展开的过程中不会发生变形；

2）假设各杆之间的连接无任何间隙且无任何摩擦力的作用；

3）假设各杆件的质心均位于各杆件的中心位置。

3.4 运动仿真分析

运动仿真分析采用UG中的一个仿真分析模块（Motion），通过对运动模型中选定点进行分析，可得出其在运动情况下的各种参数曲线图形，即使各部件之间建立一定连接，并对其二维或三维机构进行运动特征分析[5]。通过对圆形折展机构外侧单个圆形叶片机构中最顶端一点进行分析，分别得到图6～图9所示位移、速度、加速度、力的代表曲线。

图6 时间-力分析曲线

图7 位移-力分析曲线

图8 时间-速度分析曲线

图9 时间-位移分析曲线

随着机构的逐步展开与收拢工作的完成，其受力在机构的起始和终结位置出现峰值；随着时间的推移，机构受力情况与时间的变化在一个不断变化区间内，呈现为简谐运动规律。通过分析其时间-速度曲线与时间-位移曲线可知，曲线呈一水平直线和呈一具有一定斜率的直线，均可说明输入驱动后机构的运行平稳等特点。

4 结语

本文提出设计的圆形折展机构总体方案，圆形折展机构在应用场合方面灵活多变，可根据需要稍加改动。分别对其进行结构设计、运动学、动力学和性能分析以及应用研究进行多方向阐述，使机构在性能方面更加稳定。对圆形折展机构最基本的要求（折叠和展开），设计了该机构通过驱动装置，将动力传递给传动装置，并进行机构的打开与闭合这2种工作形态。可随时根据使用环境与使用类型方面的考虑，灵活地进行所需设备的安装和调试工作。为了使其工作情况多样化，在进行结构设计时，最终定格为内外层的折展机制。在正常工作时，决定是否为同步折展或异步折展，也可根据工作情况的需要对电动机进行改动，它具有很高的灵活性和适用性。该圆形折展机构的设计及应用为后续其他复杂产品设计提供了一种技术思路。