一种空间线性桁架结构连续缠绕成形与连接装置 |
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| 申请号 | CN202311826488.9 | 申请日 | 2023-12-27 | 公开(公告)号 | CN117863585A | 公开(公告)日 | 2024-04-12 |
| 申请人 | 北京卫星制造厂有限公司; | 发明人 | 颜家勇; 张利新; 张斌; 王书超; 李鹏; 王成; 陈玉平; 王存义; 王大鹏; 李荣军; 肖燕妮; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开一种空间线性 桁架结构 连续缠绕成形与连接装置，包括：壳体 框架 结构、 纵梁 成型制造单元、腹杆缠绕与连接单元、桁架牵引单元、桁架定长截断单元及中心 支撑 导轨 ；纵梁成型制造单元用于纵梁杆件成形，并将纵梁杆件送入腹杆缠绕与连接单元；腹杆缠绕与连接单元在纵梁成型制造单元推送的纵梁杆件上交叉缠绕腹杆，形成桁架结构；桁架牵引单元为桁架结构沿中心支撑导轨运动提供 牵引 力 ，桁架定长截断单元在设定 位置 对桁架结构进行截断，中心支撑导轨为桁架结构运动提供轨道和支撑。本发明解决可折展型的空间桁架结构发射成本高、体积受火箭约束、展开过程故障率高的问题。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种空间线性桁架结构连续缠绕成形与连接装置，其特征在于，包括：壳体框架结构(1)、纵梁成型制造单元(2)、腹杆缠绕与连接单元(3)、桁架牵引单元(4)、桁架定长截断单元(5)及中心支撑导轨(6)； |
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| 说明书全文 | 一种空间线性桁架结构连续缠绕成形与连接装置技术领域[0001] 本发明涉及一种空间线性桁架结构连续缠绕成形与连接装置，属于航天在轨制造领域。 背景技术[0002] 基于现有技术的航天器，其规模尺寸通常在10～100m量级，绝大多数的航天器是在地面完成制造，再通过运载火箭送入空间轨道。而兆瓦级太阳能电站、太空射电望远镜、甚长基线干涉测量、星船太空服务港等大型航天器所需的支撑结构，其规模尺寸将达0.1～10km量级，且质量超万吨规模，这决定了地面装配、在轨展开的常规构建方式无法继续延用，其具有以下缺点： [0003] 1)桁架结构的规模尺寸受运载火箭整流罩的尺寸限制，无法一次性发射大规模的空间结构； [0005] 3)为抵抗发射段的力学环境而设计的加强措施，在轨运行时并不发挥作用，浪费了运载火箭的运载能力； [0006] 4)目前采用3D打印技术的桁架在轨制造方法，制造周期长且效率低，无法满足大型复杂空间结构的快速建造需求。 发明内容[0007] 本发明解决的问题是：本发明提供一种空间线性桁架结构连续缠绕成形与连接装置，解决可折展型的空间桁架结构发射成本高、体积受火箭约束、展开过程故障率高的问题，采用3D打印技术的桁架制造方法可保证精度但效率低等问题。 [0009] 壳体框架结构包括若干个轮辐式框架和若干个肋板，若干个轮辐式框架依次同轴排列，肋板连接相邻的两个轮辐式框架，形成支撑框架；纵梁成型制造单元、腹杆缠绕与连接单元、桁架牵引单元、桁架定长截断单元依次安装在壳体框架结构上；壳体框架结构中一端的若干轮辐式框架与中心支撑导轨固定连接，其余的轮辐式框架套在中心支撑导轨上并均与中心支撑导轨无接触； [0010] 纵梁成型制造单元用于纵梁杆件成形，并将纵梁杆件送入腹杆缠绕与连接单元；腹杆缠绕与连接单元在纵梁成型制造单元推送的纵梁杆件上交叉缠绕腹杆，形成桁架结构；桁架牵引单元为桁架结构沿中心支撑导轨运动提供牵引力，桁架定长截断单元在设定位置对桁架结构进行截断，中心支撑导轨为桁架结构运动提供轨道和支撑。 [0012] 进一步的，纵梁成型制造单元包括支撑侧板、纵梁素材盒、开卷续送轮组、带材卷杆挤拉成形模具及纵梁牵引机构，纵梁成型制造单元沿圆周方向均布安装于轮辐式框架和中心支撑导轨之间；支撑侧板支撑安装纵梁素材盒、开卷续送轮组、带材卷杆挤拉成形模具和纵梁牵引机构，纵梁素材盒用于存储带材素材，实现带材沿纵梁素材盒出料口内壁主动出料；开卷续送轮组安装于纵梁素材盒的出料口处，将带材被动送入带材卷杆挤拉成形模具的进料口，形成纵梁杆件，由纵梁牵引机构实现纵梁杆件的向前推送。 [0013] 进一步的，带材卷杆挤拉成形模具实现从带材到杆件的拉挤成形，包括卷曲模具、热熔成形模具、导管、加热棒、导热块和热电偶，卷曲模具与导管连接，导管与导热块连接，热熔成形模具、加热棒、热电偶安装于导热块上；卷曲模具包括凸模、凹模，凸模、凹模定位锁紧后形成闭合的内部型腔，实现带材到杆件的预卷曲后，杆件进入导管；导管将空心管件送入热熔成形模具，热熔成形模具用于对空心管件热熔拉挤形成实心杆件；加热棒提供热源；热电偶安装于导热块外侧面，实现温度的测量。 [0014] 进一步的，纵梁牵引机构包括固定侧板、固定外壳、无刷伺服电机、压轮和纵梁牵引带，固定侧板和固定外壳组成固定支撑结构，无刷伺服电机安装于固定侧板一侧，压轮固定于固定侧板另一侧，上下两层纵梁牵引带在压轮的正压力作用下对纵梁杆件产生摩擦力，牵引纵梁杆件移动。 [0015] 进一步的，腹杆缠绕与连接单元包括腹杆成形制造模块、腹杆缠绕组件、腹杆与纵梁连接组件，3个腹杆成形制造模块分别安装于腹杆缠绕组件的回转支架上；3个腹杆与纵梁连接组件沿圆周方向与肋板连接，腹杆缠绕组件通过固定支架与轮辐式框架连接；腹杆成形制造模块用于制造腹杆，腹杆缠绕组件实现腹杆在纵梁成型制造单元推送的桁架3根纵梁上进行交叉缠绕，腹杆与纵梁连接组件对腹杆与纵梁的搭接点进行连接，形成三棱柱桁架结构。 [0016] 进一步的，腹杆缠绕组件包括驱动电机、主动齿轮、回转齿圈、回转支架、固定支架、供电滑环；驱动电机安装于固定支架上，主动齿轮安装于驱动电机的法兰盘上，回转齿圈安装于回转支架上，回转支架通过轴承与固定支架连接，供电滑环置于回转支架和固定支架之间，供电滑环的固定端与固定支架连接，供电滑环的转动端与回转支架连接，通过供电滑环实现对腹杆成形制造模块的供电和通信；驱动电机通过主动齿轮带动回转齿圈转动，回转齿圈驱动回转支架转动，回转支架带动腹杆成形制造模块转动，实现根腹杆在纵梁上进行连续缠绕。 [0017] 进一步的，桁架牵引单元包括左张紧轮、右张紧轮、回转移动组件、左预压轮、右预压轮、左支撑轮、右支撑轮、桁架牵引带、牵引电机及牵引侧板；左张紧轮、右张紧轮、回转移动组件、牵引电机安装于牵引侧板上，左预压轮、右预压轮安装于回转移动组件两端，左支撑轮、右支撑轮安装于中心支撑导轨上，绕圆周呈120°夹角均布的3套桁架牵引单元分别通过牵引侧板与肋板连接，桁架牵引带经过左张紧轮、右张紧轮、左预压轮、右预压轮、和牵引电机形成闭合轮系；左张紧轮、右张紧轮用于桁架牵引带的张紧，左预压轮、右预压轮用于对桁架牵引带施加正压力桁架牵引单元分别通过左预压轮、右预压轮压在桁架的各纵梁上；当桁架牵引带经过焊点处，由于焊点的凸起，回转移动组件被抬高且发生转动，桁架牵引带受到左张紧轮、右张紧轮不同的张紧力，使桁架牵引带整体处于张紧状态，保证左预压轮、右预压轮正压于桁架纵梁，且不破坏桁架的连接点强度；左支撑轮、右支撑轮与左预压轮、右预压轮共同作用于桁架提供牵引力，同时降低牵引过程中的阻力。 [0018] 进一步的，所述桁架定长截断单元包括安装座、直线模组和超声波切割刀，超声波切割刀通过安装座安装于直线模组上，直线模组固定于轮辐式框架上，3套桁架定长截断单元沿圆周呈120°夹角均布，通过启动超声波切割刀后分别沿三棱柱桁架的三角形截面的三条边移动，实现对纵梁和腹杆的同步切断，完成桁架的定长截断。 [0019] 一种使用所述空间线性桁架结构连续缠绕成形与连接装置的桁架在轨制造方法，包括： [0021] 3套纵梁成型制造单元将带材成形为纵梁杆件，通过纵梁牵引机构将3根纵梁同步向前推送至纵梁与腹杆焊接位置，等待腹杆成形制造模块将腹杆主动搭接到纵梁上，腹杆与纵梁连接组件连接每根腹杆与纵梁的连接点；通过匹配不同的纵梁推送和腹杆缠绕转速，实现不同腹杆倾斜角度的桁架结构，桁架结构继续向右移动； [0022] 缠绕与连接形成的桁架结构进入桁架牵引单元，3套桁架牵引单元与纵梁牵引机构共同实现桁架结构的牵引，当桁架长度达到预定长度时，纵梁成型制造单元、腹杆缠绕与连接单元、桁架牵引单元暂停工作，桁架定长截断单元将桁架结构进行截断，得到设定长度的桁架结构。 [0023] 本发明与现有技术相比的有益效果是： [0024] (1)本发明的桁架结构采用碳纤维增强热塑性复合材料预浸带作为原材料，在轨一体化成形的桁架结构轻质高强度；良好的热稳定性可在高低温交变的太空环境下保持结构的稳定性和强度；具有出色的耐腐蚀性能和抗辐射特性，能够在高能粒子辐射等恶劣条件下保持结构的完整性和性能；与传统金属桁架相比，较低的热膨胀系数保证了极端温度变化条件下利用桁架结构作为素材组装超大型复杂空间结构的尺寸精度；与金属材料的成形相比，热塑性材料的成形过程所需能耗大大降低，更加适应于能源紧缺的在轨环境。 [0025] (2)本发明采用卷杆挤拉的方法，通过特定模具实现碳纤维增强热塑性复合带材成型，模具卷曲段内腔采用变截面构型，实现平面带材成形为重叠卷曲状态，卷曲杆件再穿过热熔段挤压成形实现一维杆件制造，整个过程由单一热源通过导管控制实现特定温度需求梯度分布。该方法适应多种热塑性带材成形，使带材到杆件成型过程不易堵塞、功耗低、结构尺寸小； [0027] (4)本发明的腹杆成型模具出口采用俯仰铰链，可实现缠绕过程中的随动摆动，有利于腹杆缠绕过程中刚柔耦合界面的形成，保证了腹杆的直线度和腹杆截面的圆度，极大提高了桁架缠绕的精度和桁架整体刚度。 [0028] (5)本发明通过对腹杆缠绕策略与变速曲线的调控，实现三棱柱桁架结构的腹杆数量、构型和间距尺寸的调整，获得特定力学性能的桁架素材零件，满足不同载荷的空间超大型桁架结构在轨组装的需要。 [0029] (6)本发明的桁架牵引机构具有自适应腹杆与纵梁的凸起焊点的越障能力，保证了对纵梁牵引摩擦力的连续性以及焊点的连接强度，在不破坏桁架结构强度的前提下，提供了强大的牵引力和推送精度，有利于与后续连接接头的锁紧强度和装配精度的提高。附图说明 [0030] 图1是本发明的整体示意图； [0031] 图2是壳体框架结构与中心支撑导轨连接示意图； [0032] 图3是纵梁成型制造单元示意图； [0033] 图4是带材卷杆挤拉成形模具示意图； [0034] 图5是卷曲模具剖面图； [0035] 图6是热熔成形模具剖面图； [0036] 图7是腹杆缠绕与连接单元示意图； [0037] 图8是桁架牵引单元示意图； [0038] 图9是桁架定长截断单元示意图。 具体实施方式[0039] 结合附图对本发明进行说明。 [0040] 如图1所示，一种空间线性桁架结构连续缠绕成形与连接装置，包含壳体框架结构1、纵梁成型制造单元2、腹杆缠绕与连接单元3、桁架牵引单元4、桁架定长截断单元5、中心支撑导轨6。 [0041] 如图2所示，壳体框架结构1包括若干个轮辐式框架1‑1和若干个肋板1‑2，若干个轮辐式框架1‑1依次同轴排列，肋板1‑2连接相邻的两个轮辐式框架1‑1，形成支撑框架；纵梁成型制造单元2、腹杆缠绕与连接单元3、桁架牵引单元4、桁架定长截断单元5依次安装在壳体框架结构1上；壳体框架结构1中一端的若干轮辐式框架1‑1与中心支撑导轨6固定连接，其余的轮辐式框架1‑1套在中心支撑导轨6上并均与中心支撑导轨6无接触； [0042] 纵梁成型制造单元2用于纵梁杆件成形，并将纵梁杆件送入腹杆缠绕与连接单元3；腹杆缠绕与连接单元3在纵梁成型制造单元2推送的纵梁杆件上交叉缠绕腹杆，形成桁架结构；桁架牵引单元4为桁架结构沿中心支撑导轨6运动提供牵引力，桁架定长截断单元5在设定位置对桁架结构进行截断，中心支撑导轨6为桁架结构运动提供轨道和支撑。 [0043] 如图2所述，中心支撑导轨6为三棱柱结构，包括3个导轨6‑1、若干个三角支撑肋板6‑2、中心筒6‑3，若干三角支撑肋板6‑2沿纵向依次固定在中心筒6‑3上，导轨6‑1分别置于三角支撑肋板6‑2顶点的固定槽内并紧固。 [0044] 如图3所示，纵梁成型制造单元2包括支撑侧板2‑1、纵梁素材盒2‑2、开卷续送轮组2‑3、带材卷杆挤拉成形模具2‑4及纵梁牵引机构2‑5，纵梁成型制造单元2沿圆周方向均布安装于轮辐式框架1‑1和中心支撑导轨6之间；支撑侧板2‑1支撑安装纵梁素材盒2‑2、开卷续送轮组2‑3、带材卷杆挤拉成形模具2‑4和纵梁牵引机构2‑5，纵梁素材盒2‑2用于存储带材素材，实现带材沿纵梁素材盒2‑2出料口内壁主动出料；开卷续送轮组2‑3安装于纵梁素材盒2‑2的出料口处，将带材被动送入带材卷杆挤拉成形模具2‑4的进料口，形成纵梁杆件，由纵梁牵引机构2‑5实现纵梁杆件的向前推送。 [0045] 如图4所示，带材卷杆挤拉成形模具2‑4实现从带材到杆件的拉挤成形，包括卷曲模具2‑4‑1、热熔成形模具2‑4‑2、导管2‑4‑3、加热棒2‑4‑4、导热块2‑4‑5和热电偶2‑4‑6，卷曲模具2‑4‑1与导管2‑4‑3连接，导管2‑4‑3与导热块2‑4‑5连接，热熔成形模具2‑4‑2、加热棒2‑4‑4、热电偶2‑4‑6安装于导热块2‑4‑5上；卷曲模具2‑4‑1包括凸模2‑4‑1‑1、凹模2‑4‑1‑2，凸模2‑4‑1‑1、凹模2‑4‑1‑2定位锁紧后形成闭合的内部型腔，实现带材到杆件的预卷曲后，杆件进入导管2‑4‑3；导管2‑4‑3将空心管件送入热熔成形模具2‑4‑2，热熔成形模具 2‑4‑2用于对空心管件热熔拉挤形成实心杆件；加热棒2‑4‑4提供热源；热电偶2‑4‑6安装于导热块2‑4‑5外侧面，实现温度的测量。纵梁牵引机构2‑5包括固定侧板2‑5‑1、固定外壳2‑ 5‑2、无刷伺服电机2‑5‑3、压轮2‑5‑4和纵梁牵引带2‑5‑5，固定侧板2‑5‑1和固定外壳2‑5‑2组成固定支撑结构，无刷伺服电机2‑5‑3安装于固定侧板2‑5‑1一侧，压轮2‑5‑4固定于固定侧板2‑5‑1另一侧，上下两层纵梁牵引带2‑5‑5在压轮2‑5‑4的正压力作用下对纵梁杆件产生摩擦力，牵引纵梁杆件移动。 [0046] 如图5、图6所示，以原材料为0.2mm厚16mm宽的CF/PC带材形成直径2mm的杆件为例，卷曲模具2‑4‑1分为预卷曲段和热卷区段。预卷曲段的开口截面呈矩形，尺寸为16.4mm×0.4mm，便于带材进入的同时又限制带材起皱；预卷曲段与热卷曲段的衔接截面为大椭圆，卷曲过渡到末端的小圆截面，便于进入热熔成型模具。热熔成型模具2‑4‑2入口端喇叭口承接导管2‑4‑3，便于卷曲的带材进入并不卡料，20°锥角过渡可避免碳纤维拉断而造成堵塞。采用PID控温方式，通过热电偶2‑4‑6采集温度，经PID算法处理得到PWM占空比驱动加热棒2‑4‑4加热，温度稳定后精度可达到±1℃。 [0047] 如图7所示，腹杆缠绕与连接单元3包括腹杆成形制造模块3‑1、腹杆缠绕组件3‑2、腹杆与纵梁连接组件3‑3，3个腹杆成形制造模块3‑1分别安装于腹杆缠绕组件3‑2的回转支架3‑2‑4上；3个腹杆与纵梁连接组件3‑3沿圆周方向与肋板1‑2连接，腹杆缠绕组件3‑2通过固定支架3‑2‑5与轮辐式框架1‑1连接；腹杆成形制造模块3‑1用于制造腹杆，腹杆缠绕组件3‑2实现腹杆在纵梁成型制造单元2推送的桁架3根纵梁上进行交叉缠绕，腹杆与纵梁连接组件3‑3对腹杆与纵梁的搭接点进行连接，形成三棱柱桁架结构。腹杆缠绕组件3‑2包括驱动电机3‑2‑1、主动齿轮3‑2‑2、回转齿圈3‑2‑3、回转支架3‑2‑4、固定支架3‑2‑5、供电滑环 3‑2‑6；驱动电机3‑2‑1安装于固定支架3‑2‑5上，主动齿轮3‑2‑2安装于驱动电机3‑2‑1的法兰盘上，回转齿圈3‑2‑3安装于回转支架3‑2‑4上，回转支架3‑2‑4通过轴承与固定支架3‑2‑ 5连接，供电滑环3‑2‑6置于回转支架3‑2‑4和固定支架3‑2‑5之间，供电滑环3‑2‑6的固定端与固定支架3‑2‑5连接，供电滑环3‑2‑6的转动端与回转支架3‑2‑4连接，通过供电滑环3‑2‑ 6实现对腹杆成形制造模块3‑1的供电和通信；驱动电机3‑2‑1通过主动齿轮3‑2‑2带动回转齿圈3‑2‑3转动，回转齿圈3‑2‑3驱动回转支架3‑2‑4转动，回转支架3‑2‑4带动腹杆成形制造模块3‑1转动，实现3根腹杆在纵梁上进行连续缠绕。 [0048] 如图8所示，桁架牵引单元4包括左张紧轮4‑1、右张紧轮4‑2、回转移动组件4‑3、左预压轮4‑4、右预压轮4‑5、左支撑轮4‑6、右支撑轮4‑7、桁架牵引带4‑8、牵引电机4‑9及牵引侧板4‑10；左张紧轮4‑1、右张紧轮4‑2、回转移动组件4‑3、牵引电机4‑9安装于牵引侧板4‑10上，左预压轮4‑4、右预压轮4‑5安装于回转移动组件4‑3两端，左支撑轮4‑6、右支撑轮4‑7安装于中心支撑导轨6上，绕圆周呈120°夹角均布的3套桁架牵引单元4分别通过牵引侧板 4‑10与肋板1‑2连接，桁架牵引带4‑8经过左张紧轮4‑1、右张紧轮4‑2、左预压轮4‑4、右预压轮4‑5、和牵引电机形成闭合轮系；左张紧轮4‑1、右张紧轮4‑2用于桁架牵引带4‑8的张紧，左预压轮4‑4、右预压轮4‑5用于对桁架牵引带4‑8施加正压力桁架牵引单元4分别通过左预压轮4‑4、右预压轮4‑5压在桁架的各纵梁上；当桁架牵引带4‑8经过焊点处，由于焊点的凸起，回转移动组件4‑3被抬高且发生转动，桁架牵引带4‑8受到左张紧轮4‑1、右张紧轮4‑2不同的张紧力，使桁架牵引带4‑8整体处于张紧状态，保证左预压轮4‑4、右预压轮4‑5正压于桁架纵梁，且不破坏桁架的连接点强度；左支撑轮4‑6、右支撑轮4‑7与左预压轮4‑4、右预压轮4‑5共同作用于桁架提供牵引力，同时降低牵引过程中的阻力。 [0049] 如图9所示，所述桁架定长截断单元5包括安装座5‑1、直线模组5‑2和超声波切割刀5‑3，超声波切割刀5‑3通过安装座5‑1安装于直线模组5‑2上，直线模组5‑2固定于轮辐式框架1‑1上，3套桁架定长截断单元5沿圆周呈120°夹角均布，通过启动超声波切割刀5‑3后分别沿三棱柱桁架的三角形截面的三条边移动，实现对纵梁和腹杆的同步切断，完成桁架的定长截断。 [0050] 本发明提供一种空间线性桁架结构连续缠绕成形与连接装置的工作流程是： [0051] 步骤一、将纵梁素材盒和腹杆素材盒安装到相应的接口位置，腹杆缠绕组件3‑2复位到初始位置，开启模具预加热； [0052] 步骤二、3套纵梁成型制造单元2将带材成形为纵梁杆件，通过纵梁牵引机构2‑5将3根纵梁同步向前推送至纵梁与腹杆焊接位置，等待腹杆成形制造模块3‑1将腹杆主动搭接到纵梁上，腹杆与纵梁连接组件3‑3连接每根腹杆与纵梁的第一个连接点；通过匹配不同的纵梁推送和腹杆缠绕转速，可以实现不同腹杆倾斜角度的桁架结构，桁架结构继续向右移动； [0053] 步骤三、缠绕与连接形成的桁架结构进入桁架牵引单元4，3套桁架牵引单元4与纵梁牵引机构2‑5共同实现制造后桁架结构的牵引，当桁架长度达到预定长度时，纵梁成型制造单元2、腹杆缠绕与连接单元3、桁架牵引单元4暂停工作，桁架定长截断单元5将桁架结构进行截断，得到特定长度的桁架结构。 [0054] 本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。 |
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