一种螺旋式展开天线反射面的切割方法及其展开装置

技术领域

本发明涉及一种天线结构，具体涉及一种螺旋式展开天线反射面的切割方 法及其展开装置。

背景技术

发展航天事业是我国长期科技发展规划的重要内容，而航天科技的进步与 空间可展开结构，特别是可展开天线的发展密切相关。可展开天线广泛应用于 军事、航天、信息等领域。为满足空间站、地球资源勘探、气象学、海洋学、 导航、通信卫星等多方面的需求，大口径、高精度、轻质量已成为可展开天线 的发展趋势。

目前可展开天线的展开机构中含有大量的铰链，通过铰链，特别是旋转铰 链来实现天线的展开与闭合运动。但是这种展开形式的主要缺点是所需铰链数 量庞大且铰链本身重量大，导致收拢后高度较大，不能充分利用运载工具的有 效空间。由于展开后天线工作时的直径会比发射时大很多，因此需要提出一个 合理的收拢方案，追求尽可能高的收纳率。研究更多的天线收拢和展开方案， 丰富展开天线的类型，对促进展开天线技术的发展有着重要的意义。为此本发 明提出了一种螺旋式展开方案，收拢后体积紧凑，可充分利用运载工具的有效 空间。

发明内容

本发明的目的是提供一种收拢体积紧凑，能充分利用运载工具有效空间的 可展开天线结构。

为实现上述目的，本发明提供一种展开天线反射面螺旋式切割方案和相应 的收拢、铆接展开装置。利用提出的切割方案先将天线反射面切割成多条带条， 再将带条紧凑地收纳在带条收纳机构内；发射到预定轨道后，将带条逐渐展开， 铆接连接在一起，形成天线反射面。

本发明提供的螺旋式展开天线反射面的切割方法，包括下述步骤：

步骤1：根据天线反射面要求精度[δ]，将天线反射面分割成宽度为W的天 线带条，满足${\delta }_{\mathrm{rms}}=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{ϵ}_i^2}\le \left[\delta \right];$

其中，ε_i为展平后平面天线带条上的第i个采样点相对于展平前天线带条曲 面的偏差，N为采样点总数，[δ]为允许的逼近误差；

步骤2：在有限元软件中建立分割后的天线曲面带条的有限元模型，进行展 平，通过展平后天线带条的应力来确定天线带条长度，各段的长度L由条件 σ_max≤[σ]确定；

其中，σ_max为展平后天线带条内的最大应力，[σ]为允许应力；

步骤3：展平后的若干段不同长度的天线带条可直接在平面薄板材上切割， 并编号；

步骤4：将切割好的天线带条按编号顺序缠绕在天线带条收纳机构中的卷轴 上，天线发射到预定轨道后展开，拼接成天线反射面。

进一步地，带条长度L越长，展平后带条内的最大应力σ_max越大；带条长度 L越短，σ_max越小。

本发明提供的一种螺旋式展开天线反射面的展开装置，包括下箱体，及扣 合其上的上箱体，所述下箱体内设有用于缠绕天线带的天线带条收纳机构，用 于缠绕铆接带的铆接带收纳机构，以及用于将铆接带折齿的折齿机构，用于将 折齿后的铆接带铆接天线带的铆接机构；

所述天线带条收纳机构位于下箱体一侧的后端，铆接带收纳机构并列于天 线带条收纳机构侧，折齿机构位于天线带条收纳机构侧，铆接机构位于下箱体 前端，且其上部贯穿出上箱体顶壁；

所述上箱体呈半框架结构；对应铆接机构侧的上箱体边框设弧形缝隙，经 铆接后的天线带由弧形缝隙展开。

进一步地，所述天线带条收纳机构包括分别贯穿在下箱体的后侧壁上的卷 轴、三个矫平滚筒和套筒Ⅰ，套筒Ⅰ套于电动机花键轴Ⅰ上，套筒Ⅰ上嵌有与 天线带条上的定位孔相配合的定位钉，花键轴Ⅰ通过电动机带动控制缠绕在卷 轴上的天线带条的进给量。

进一步地，所述铆接带收纳机构包括分别垂直固定在框架上的卷轴和花键 轴Ⅱ，花键轴Ⅱ上套有套筒Ⅱ，套筒Ⅱ上嵌有与铆接带上的定位孔相配合的定 位钉，花键轴Ⅱ通过电机带动控制缠绕在卷轴上的铆接带的进给量。

进一步地，所述折齿机构包括贯穿在下箱体的后侧壁上的丝杠和固定在箱 体上的导轨，丝杠与电动机通过联轴器连接，丝杠上装有与导轨滑动连接滑块， 通过控制电动机的转向实现滑块的前进与后退，将其下方铆接带收纳机构输送 的铆接带的相邻两个齿折成两个相反方向的直角。

进一步地，所述铆接机构包括固定在框架上的转盘，转盘上分别设有两个 铆钉推进装置、两个铆钉存储装置和一个驱动轴Ⅰ；所述两个铆钉存储装置和 一个驱动轴Ⅰ分别与贯穿于上箱体顶壁的电机相连，两个铆钉推进装置通过螺 栓与上箱体相连。

进一步地，所述铆钉推进装置内设置有电磁继电器和推杆，推杆一端连有 弹簧，通过电磁继电器的通电与断电控制推杆的推进和后退。

进一步地，所述转盘上均匀分布着4个定位孔，对应转盘上4个定位孔的 位置两个铆钉推进装置和两个铆钉存储装置分别对角分布，两个铆钉存储装置 中的铆钉进入转盘上对应的两个定位孔，对角分布的两个铆钉推进装置的推杆 推进将铆钉铆在天线带条和铆接带上。

进一步地，所述天线带条和铆接带同时进给，铆接带经过折齿机构完成折 齿动作，在铆接机构处进行铆接。

本发明的有益效果是：

(1)收拢体积紧凑，可充分利用运载工具的有效空间；

(2)天线带条为可展开曲面，故可直接从平面薄板材上裁剪，加工方便，成 本低；

(3)铆接带与反射面垂直连接，可有效加强反射面刚度。

附图说明

图1是天线反射面切割示意图；

图2是本发明展开过程示意图；

图3(a)-图3(c)是天线反射面收纳装置和铆接展开装置结构示意图；

图4(a)是天线带条收纳机构结构示意图；

图4(b)是天线带条收纳机构收纳辗平示意图；

图5是铆接带收纳机构结构示意图；

图6是折齿机构结构示意图；

图7是铆接机构结构示意图；

图8天线带条与铆接带铆接时的局部放大图；

图9是铆接带折齿前示意图；

图10是铆接带折齿后示意图；

图11(a)和图11(b)分别是天线带条与铆接带铆接后的示意图。

图中：1、天线带条收纳机构；2、铆接带收纳机构；3、折齿机构；4、铆 接机构；5、下箱体；6、上箱体；7、天线带条；8、卷轴；9、矫平滚筒；10、 花键轴Ⅰ；11、套筒Ⅰ；12、定位钉；13、联轴器；14、电动机；15、卷轴； 16、花键轴Ⅱ；17、套筒Ⅱ；18、滑块；19、丝杠；20、导轨；21、铆接带； 22、转盘；23、定位孔；24、驱动轴Ⅰ；25、铆钉推进装置；26、铆钉存储装 置；27、螺栓；28、驱动轴Ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施方案作进一步说明。

本发明提供的展开天线反射面螺旋式切割方案为：

先在天线反射面上划出螺旋分割线，将天线反射面分割成带状；然后再将 分割后的天线带条分段展平为若干段平面带条；最后，从平面薄板材上裁下平 面带条，并编号。

天线反射面分割过程中，分割成宽度为W的带条，宽度W的大小影响天线 反射面精度的高低。W越大，展平后的平面带条与展平前曲面之间的偏差ε越大； W越小，ε越小。以展平后的平面带条相对于展平前曲面的均方根误差δ_rms小于 或等于允许的逼近误差[δ]为约束条件来确定宽度W，即：

${\delta }_{\mathrm{rms}}=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{ϵ}_i^2}\le \left[\delta \right]$

其中，ε_i为展平后平面带条上的第i个采样点相对于展平前曲面的偏差，N 为采样点总数，[δ]为允许的逼近误差。

天线反射面分割成宽度为W的带条后，利用有限元软件进行展平分析，得 到展平成平面时带条的应力，找出平面带条应力分布中的最大应力σ_max，展平后 带条内的最大应力σ_max不允许超过允许应力[σ]，以此来确定带条长度L。带条长 度L越长，展平后带条内的最大应力σ_max越大；L越短，σ_max越小。即：

σ_max≤[σ]

其中，σ_max为展平后带条内的最大应力，[σ]为允许应力。

根据上述切割方案，具体的实施步骤为：

步骤1：根据天线反射面要求精度[δ]，将天线反射面分割成宽度为W的带 条，满足δ_rms≤[δ]，参见图1；

步骤2：在有限元软件中建立分割后的曲面带条的有限元模型，进行展平， 通过展平后带条的应力来确定带条长度，各段的长度L由条件σ_max≤[σ]确定；

步骤3：展平后的若干段不同长度的天线带条可直接在平面薄板材上切割， 参见图2，并编号；

步骤4：将切割好的天线带条按编号顺序缠绕在天线带条收纳机构中的卷轴 上。

参见图3(a)-图3(c)所示，本发明提出的螺旋式展开天线反射面的展开 装置，包括天线反射面收纳装置和铆接展开装置：天线反射面收纳装置和铆接 展开装置都安装在一个箱体内，箱体包括上箱体和下箱体。

所提供的天线反射面收纳装置，包括天线带条收纳机构1和铆接带收纳机 构2；所提供的天线反射面铆接展开装置，包括折齿机构和铆接机构。

上箱体6扣合于下箱体5上，上箱体6水平截面和纵截面小于下箱体5的 截面；下箱体5内设有用于缠绕天线带7的天线带条收纳机构1和用于缠绕铆 接带21的铆接带收纳机构2，以及用于将铆接带21折齿的折齿机构3和用于将 折齿后的铆接带21铆接天线带7的铆接机构4；天线带条收纳机构1位于下箱 体5一侧的后端，铆接带收纳机构2并列于天线带条收纳机构1侧，折齿机构3 位于天线带条收纳机构1侧，铆接机构4位于下箱体5前端，且其上部贯穿出 上箱体6顶壁；上箱体6呈半框架结构；对应铆接机构4侧的上箱体6边框设 弧形缝隙，经铆接后的天线带7由弧形缝隙展开。

其中，如图4(a)所示，天线带条收纳机构1包括分别贯穿在下箱体5的 后侧壁上的卷轴8、三个矫平滚筒9和套筒Ⅰ 11，天线带条7缠绕在卷轴8上， 伸出端从三个矫平滚筒9之间穿过，三个滚筒的错位分布可施加给天线带条7 与弯曲方向相反的力，将天线带条7矫平。穿过滚筒的天线带条经过带条步进 机构，步进机构由一根平行于卷轴8的花键轴Ⅰ 10和配合于花键轴Ⅰ 10上的套 筒Ⅰ 11组成，套筒Ⅰ 11套于电动机14花键轴Ⅰ 10上，花键轴Ⅰ 10通过联轴器 13与电动机14相连，套筒Ⅰ 11上嵌有与天线带条7上的定位孔相配合的定位 钉12，套筒Ⅰ 11可以在花键轴Ⅰ 10上沿轴向自由滑动，完成拼接过程中天线带 条长度的精确定位。电动机14通过联轴器13带动花键轴Ⅰ 10，控制天线带条7 的进给量。

如图4(b)所示，卷轴8上缠绕的天线带条7经三个矫平滚筒9矫平后经 套筒Ⅰ 11转动送入下一程。

如图5所示，铆接带收纳机构2包括分别垂直固定在框架上的卷轴15和花 键轴Ⅱ 16，铆接带21缠绕在卷轴15上，从卷轴15上伸出的铆接带21进入铆 接带步进机构，铆接带步进机构由一根平行于卷轴15的花键轴Ⅱ 16和配合于花 键轴Ⅱ 16上的套筒Ⅱ 17组成，套筒Ⅱ 17套在花键轴Ⅱ 16上，套筒Ⅱ 17可沿花 键轴Ⅱ 16的轴向自由滑动，套筒Ⅱ 17外壁上端嵌有均匀分布的定位钉，嵌有定 位钉的套筒Ⅱ 17与铆接带21上的定位孔相配合，完成铆接带长度的精确定位。 花键轴Ⅱ 16通过联轴器与电动机连接，从而控制铆接带21的进给量。

如图6所示，折齿机构3包括贯穿在下箱体5的后侧壁上的丝杠19和固定 在箱体上的导轨20，丝杠19与电动机通过联轴器连接，丝杠19上装有与导轨 20滑动连接滑块18，滑块18可沿固定在下箱体上的导轨20滑动，通过控制电 动机的转向实现滑块的前进与后退，以实现将铆接带的相邻两个齿折成两个相 反方向的直角。滑块18的前进动作将下方连接铆接带21的下一个齿折成直角， 滑块的后退动作将步进后的铆接带21的下一个齿折成相反方向的直角。图9为 铆接带折齿前示意图，经齿折后的铆接带见图10所示。

铆接机构4实现天线带条7与铆接带21之间的铆接。从天线带条收纳机构 1和铆接带收纳机构2分别步进伸出的天线带条7和铆接带21在铆接机构4处 进行铆接，图11(a)和图11(b)分别显示了天线带条与铆接带铆接后的示意 图。

如图7所示，铆接机构4包括固定在框架上的转盘22，通过驱动轴Ⅰ 24安 装在上箱体6上，驱动轴Ⅰ 24与电动机通过联轴器连接，驱动轴Ⅰ 24安装在上 箱体6上的支撑孔内，可在孔内转动。转盘22上均匀分布着4个定位孔23，对 应转盘上4个定位孔23的位置交叉分布。转盘22上分别设有两个铆钉推进装 置25、两个铆钉存储装置26和一个驱动轴Ⅰ 24；两个铆钉存储装置26通过驱 动轴Ⅱ 28与贯穿于上箱体6的电机相连，驱动轴Ⅱ 28由轴承支撑，驱动轴Ⅱ 28 与电动机通过联轴器连接。一个驱动轴Ⅰ 24贯穿于上箱体6与电机相连，两个 铆钉推进装置25通过螺栓27与上箱体6相连。

铆钉推进装置25内设置有电磁继电器和推杆，推杆一端连有弹簧，通过电 磁继电器的通电与断电控制推杆的推进和后退。推杆的推进动作可将铆钉铆在 天线带条7和铆接带21上，铆钉推进装置25通过螺栓27固定在上箱体6上。 两个铆钉推进装置25和两个铆钉存储装置26分别对角分布，铆接过程中，两 个铆钉存储装置26中的铆钉进入转盘22上对应的两个定位孔23，对角分布的 两个铆钉推进装置25的推杆推进将铆钉铆在天线带条7和铆接带21上，铆接 完成后推杆后退，电动机控制转盘转动90°，再次完成下一个位置的铆接。

本发明装置工作时，天线带条7和铆接带21同时进给，铆接带21经过折 齿机构3完成折齿动作，在铆接机构4处进行铆接，见图8所示。本发明装置 的天线带条收纳机构1、铆接带收纳机构2、折齿机构3和铆接机构4分别有一 组电动机，天线带条收纳机构1电动机的转速为n₁，铆接带收纳机构2电动机 的转速为n₂，折齿机构3电动机的转速为n₃，铆接机构4有3个电动机，3个电 动机中位于中间位置的电动机控制转盘22的转动，转速为n₄，位于两侧的电动 机控制铆钉存储装置26的转动，转速为n₅。在各个机构配合工作时，需要控制 好各电动机之间的转速比i，各电动机之间的转速比需要满足的条件为：

(1)i₁＝n₁/n₂，i₁要满足天线带条7的步进速度与铆接带21的步进速度保持一 致，使得天线带条7上的定位孔与铆接带21上的定位孔在铆接时重合。

(2)i₂＝n₂/n₃，i₂要满足铆接带21的步进速度为n₂时，折齿机构3中的滑块 18实现前进和后退，完成折齿动作。

(3)i₃＝n₁/n₄，i₃要满足天线带条7步进时天线带条7上的定位孔经过铆接机 构4中的转盘22时，转盘22上的定位孔和天线带条7上的定位孔重合，且转 盘22转动90°后与天线带条7上的下一个定位孔重合，保证连续铆接动作。

(4)i₄＝n₄/n₅，i₄要满足铆接机构4铆接时，铆钉存储装置26中一个存储位置 的铆钉使用完后转动90°，使用下一个位置存储的铆钉，配合铆接动作的连续性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局 限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易 想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。