劉 凱

吉林電子信息職業(yè)技術學院 吉林 132021

0 引言

隨著科學技術的不斷發(fā)展，航空航天、工業(yè)及農業(yè)生產領域對可折展機構的設計與普及受到普遍重視。折展機構是指能從一定的收攏狀態(tài)展開到預先設定好或期望的結構形態(tài)，且能承受特定載荷的一類機構。其中，折展結構作為一種新型的工程結構形式，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構以及日常生活方面均具有廣泛的應用前景[1]。擴展結構采用模塊化獨有設計，將強度比高、韌性高、彈性高的構件作為主要材料，使折展機構具有可靠性高、折疊占比大、總體質量小、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域中，折展機構得到廣泛的關注和應用。由于折疊和展開的功能，使折展機構既能適應太空環(huán)境，滿足航天任務的需求，還能推動航天技術的不斷發(fā)展[2]。

由于航天機構的尺寸越來越趨于大型化和功能多樣性，其內部空間具有局限性，這就要求當航天空間機構在發(fā)射階段必須借助自身的結構功能使其折疊起來并收攏，用以節(jié)省空間，待航天發(fā)射機構進入對應軌道后，再依靠驅動裝置將結構逐步展開，最終達到完全展開的工作狀態(tài)。除了在航空航天領域的應用外，近年來一些地面基礎設施建設也會有所應用，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與地面工程中的折展機構具有較大差異，受到真空、微重力等特殊環(huán)境的限制因素影響，故需從折展機構的設計結構、運動學及動力學分析等方面展開探討與研究[3]。

1 圓形折展機構的設計

1.1 裝置的總體設計

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

圖1 折展機構構造模型

設計裝置由蝸輪蝸桿直流減速電機作為驅動，驅動力直接作用于傳動裝置，帶動圓形扇形葉片向外側展開。當旋轉約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。機構的葉片材質優(yōu)先采用質量輕、強度比高、韌性高、彈性高的構件為主要材料。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 驅動裝置

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

圖2 裝置驅動原理圖

圖3 驅動裝置模型

1.3 傳動裝置

圓形折展機構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

除了該機構中的驅動與傳動裝置外，在三維模型中，還對該機構添加的輔助裝置有用于機構進行平面移動的小輪。在設計過程中，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，分別位于該機構的最低部平面之上。其次，添加了用于控制轉向的輔助裝置，考慮到移動過程中方向的不可控性，設計時應用了在最低部內部空間中添加可控制裝向的大輪，設計理念源于自行車前輪的轉向系統(tǒng)。至此，對于該圓形折展機構所涉及的驅動、傳動、輔助裝置均已設計完成。

1.5 機構的基本工作原理

當圓形折展機構從完全展開狀態(tài)至完全折疊狀態(tài)時，以驅動電機為主動力，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桿件進行轉動（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、外層均為6片）。除此之外，考慮到蝸輪蝸桿所傳遞動力與驅動不平衡的問題，在原有基礎上，將相對邊的2桿件用直齒錐齒輪連接，用以補償驅動動力不足時對機構產生的動力方面的影響；另一方面，該設計采用內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整體構件的移動，底部設有4個小輪；為了便于在移動過程中實現(xiàn)轉向，內部中心位置設有轉向裝置，若圓形折展機構需由展開狀態(tài)轉換為折疊狀態(tài)，只要改變電機驅動的轉向即可實現(xiàn)。

2 圓形折展機構的設計

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運行時的穩(wěn)定性和安全性，為了使機構能在高效、安全、經濟的環(huán)境下正常運行，驅動電機的選型非常重要。若電動機選擇不當，輕者造成能源浪費，重者燒毀電動機和產生事故隱患。通常在選擇電動機時，應重點考慮所需功率、電壓、轉速以及力矩等因素。根據工況條件和工作要求，此機構選用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確結論，即綜合考慮電動機傳動裝置的尺寸、質量、價格等因素，最終選擇1 500 r/min的同步轉速電動機比較合適，電動機型號為Y112M-6。

2.2 葉片支撐機構設計

本設計采用的葉片支撐機構是等速萬向聯(lián)軸器傳動裝置，由6對等速萬向聯(lián)軸器組成（內外層各3對首位依次相連），距離驅動部分最遠端采用分離的方式。其中，內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)有機構的葉片支撐機構。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不能代替的優(yōu)點，假設將單根軸上的傳動或轉矩傳到角度可能發(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，內外層的12個葉片就附著在內外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，使當桿件旋轉時可帶動葉片同步轉動。

2.3 六邊形支撐機構基本結構設計

該設計在原有基礎上將單個等速萬向聯(lián)軸器設計成類似六邊形的結構形狀，各萬向聯(lián)軸器之間首尾相連，相距驅動最遠的地方萬向聯(lián)軸器分開，構成圓形折展機構圓形扇形葉片的基本支撐機構。內外層的扇形葉片設計使內層裝置的支撐機構同樣為外層支撐機構同比例的仿制形態(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 圓形折展機構的運動學與動力學分析

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

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

3.1 機構簡化模型

為便于研究，將圓形折展機構簡化為圖5所示的構型，該結構主要涉及的機構有直齒錐齒輪、蝸輪蝸桿（驅動）、萬向聯(lián)軸器傳動裝置等桿件。

圖5 機構示意圖

3.2 機構展開過程運動學分析過程

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

1）坐標系的建立及變換

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系。這些參數(shù)一般包括連桿轉角、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變換關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果。

3.3 機構展開過程的動力學分析過程

在動力學模型中，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的動力學性能。由于展開機構多為空間多閉環(huán)機構，其展開動力學分析較困難，需對動力學模型進行簡化，故可做以下假設：

1）假設折展機構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）假設各桿件的質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進行運動特征分析[5]。通過對圓形折展機構外側單個圓形葉片機構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

隨著機構的逐步展開與收攏工作的完成，其受力在機構的起始和終結位置出現(xiàn)峰值；隨著時間的推移，機構受力情況與時間的變化在一個不斷變化區(qū)間內，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，均可說明輸入驅動后機構的運行平穩(wěn)等特點。

4 結語

本文提出設計的圓形折展機構總體方案，圓形折展機構在應用場合方面靈活多變，可根據需要稍加改動。分別對其進行結構設計、運動學、動力學和性能分析以及應用研究進行多方向闡述，使機構在性能方面更加穩(wěn)定。對圓形折展機構最基本的要求（折疊和展開），設計了該機構通過驅動裝置，將動力傳遞給傳動裝置，并進行機構的打開與閉合這2種工作形態(tài)。可隨時根據使用環(huán)境與使用類型方面的考慮，靈活地進行所需設備的安裝和調試工作。為了使其工作情況多樣化，在進行結構設計時，最終定格為內外層的折展機制。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。該圓形折展機構的設計及應用為后續(xù)其他復雜產品設計提供了一種技術思路。