基于形状记忆合金驱动的展开机构及其合金的预处理方法与流程

本发明涉及航天器技术领域，特别涉及一种基于形状记忆合金驱动的展开机构及其合金的预处理方法。

背景技术：

航天器(spacecraft)，又称空间飞行器、太空飞行器，是指按照天体力学的规律在太空运行，执行探索、开发、利用太空和天体等特定任务的各类飞行器。如今，许多航天器都具有展开机构，例如探测、气象、通信等卫星以及月球探测车等航天器。

航天器的展开机构在发射过程中处于折叠收拢状态，并固定放置在有效载荷舱内；而在发射完成并到达指定位置以后，可由地面控制中心或航天器自主控制该展开机构按要求展开，达到预设形态后锁定并正常工作。

目前，在航天器中，常见的展开机构为折叠式且分为有源和无源两种，有源折叠式展开机构一般以电机驱动为主，典型应用为大型固面或可动天线的展开机构，其虽可靠稳定，但占用空间大、结构复杂、质量大且易产生电磁干扰；无源折叠式展开机构通常以弹簧作为主要动力源，为其展开提供驱动能量，而其锁紧释放机构一般采用火工品机构，如爆炸螺栓，可控性差，会对航天器会造成明显的冲击作用，以致影响运行轨迹，甚至会损害航天器内部设备，可靠性差。

技术实现要素：

本发明的主要目的是提出一种基于形状记忆合金驱动的展开机构，旨在解决目前航天器的展开机构占用空间大、结构复杂、质量大以及不可靠的问题。

为实现上述目的，本发明提出一种基于形状记忆合金驱动的展开机构，该展开机构包括主杆、副杆和形状记忆合金丝，所述主杆的尾端与所述副杆的首端铰接设置，所述形状记忆合金丝自所述主杆的首端至所述副杆的尾端延伸设置，且所述形状记忆合金丝的两端分别与所述主杆和副杆分别固定连接。

优选地，所述展开机构还包括两与所述形状记忆合金丝接触、分别设置在所述主杆和副杆上的导电片。

优选地，所述导电片为“v”形夹片。

优选地，所述主杆的尾端设置有两间隔布置的第一对接板，所述副杆的首端设置有第二对接板，所述第二对接板伸入设置在两所述第一对接板之间且与两所述第一对接板之间穿设有销轴。

优选地，所述第二对接板为间隔布置的两块，所述销轴上设置有位于两所述第二对接板之间的承接盘，所述承接盘沿其盘体周向设置有可容置所述形状记忆合金丝的环形槽。

优选地，所述第二对接板的对接面上设有凹槽以及位于所述凹槽内的弹性卡柱，所述第一对接板上设有与所述弹性卡柱相适配、位于所述弹性卡柱转动方向上的卡孔。

优选地，所述主杆和副杆上分别设置有固定组件，所述固定组件包括两上下设置的压线块以及位于两所述压线块压合面上、用于卡持所述形状记忆合金丝的线槽。

优选地，所述固定组件还包括上下布置的两绝缘块，两所述压线块位于两所述绝缘块之间。

优选地，所述主杆和副杆至少其中之一上设有预紧组件，所述预紧组件包括两竖向设置的转动杆及固定在所述转动杆上的压轮，两所述转动杆的压轮之间形成间隙配合，所述形状记忆合金丝夹设于两所述转动杆的压轮之间。

本发明还提出一种形状记忆合金的预处理方法，应用于上述所记载的基于形状记忆合金驱动的展开机构，所述预处理方法包括：

将多根形状记忆合金丝加热至预设温度，在保温预设时间后，再对所述形状记忆合金丝进行冷却；

在所述形状记忆合金丝冷却完成后，采用万能试验机对部分所述形状记忆合金丝进行拉伸试验，以获取所述形状记忆合金丝的最大残余应变范围及所对应的拉力范围；

在获取所述形状记忆合金丝的最大残余应变范围及所对应的拉力范围后，取其拉力的最大值作为第一拉力值，并将所述第一拉力值加上预设数值以计算获得第二拉力值；

采用万能试验机对剩余未进行拉伸检测的形状记忆合金丝进行拉伸，以使其拉力达到所述第二拉力值，并卸载其载荷至预设位移值，所述预设位移值小于最大残余应变中的最小值；

通电加热所述形状记忆合金丝至其应力上升至预设阈值后断电冷却。

本发明技术方案与现有技术相比，其有益效果在于：本基于形状记忆合金的展开机构主要由主杆、副杆和形状记忆合金丝组成，在实际应用时，主杆和副杆呈0°的完全折叠状态，形状记忆合金丝通电加热收缩带动主杆和副杆相对转动，直至转换为180°的完全展开状态时断电冷却，以完成展开动作；本展开机构基于形状记忆合金所设计，占用空间小，结构简单、质量小、稳定可控且安全可靠。

附图说明

图1为本发明一实施例中基于形状记忆合金驱动的展开机构处于完全折叠状态时的结构示意图；

图2为本发明一实施例中基于形状记忆合金驱动的展开机构处于完全展开状态时的结构示意图；

图3为本发明一实施例中基于形状记忆合金驱动的展开机构一部分的结构示意图；

图4为本发明一实施例中基于形状记忆合金驱动的展开机构又一部分的结构示意图；

图5为本发明一实施例中形状记忆合金的预处理方法的流程图；

图6为本发明一实施例中基于形状记忆合金驱动的展开机构处于完全折叠状态时其形状记忆合金丝的简化示意图；

图7为本发明一实施例中基于形状记忆合金驱动的展开机构处于完全展开状态时其形状记忆合金丝的简化示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的方案进行清楚完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明中的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出一种基于形状记忆合金驱动的展开机构，参照图1和图2，该展开机构包括主杆100、副杆200和形状记忆合金丝10，主杆100的尾端与副杆200的首端铰接设置，形状记忆合金丝10自主杆100的首端至副杆200的尾端延伸设置，且形状记忆合金丝10的两端分别与主杆100和副杆200分别固定连接。

本基于形状记忆合金驱动的展开机构主要应用于航天器上，具体设置在航天器所需展开的关节铰链处，以带动其关节相对展开，当然，除此以外，展开机构还可在航天器的其它部件或其它设备上作相似应用，在此不作限定。本实施例所涉及的主杆100和副杆200为直线杆体结构，均具备首尾两端，具体地，主杆100的尾端和副杆200的首端铰接设置，其可采用销轴、铰链或其它器件以形成铰接，从而主杆100和副杆200可相对转动，可由呈0°的完全折叠状态转换为180°的完全展开状态，当主杆100和副杆200之间夹角为0°时，主杆100的首端与副杆200的尾端相靠近；当主杆100和副杆200之间夹角为180°时，主杆100的首端与副杆200的尾端相远离。

另外，可知的是，形状记忆合金(shapememoryalloys，简称sma)，是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的预变形，恢复其变形前原始形状的合金材料，即拥有“记忆”效应的合金。形状记忆合金作为近年来应用研究较多的智能材料之一，由于其具有较高能量驱动密度和可观的变形量，以及简单可靠、无噪音、无电磁干扰等优点而被广泛应用。目前，形状记忆合金的丝材可分为单程形状记忆合金(受热收缩、冷却后不恢复原长)和双程记忆合金(受热收缩、冷却后恢复原长)，作为优选，本实施例所涉及的形状记忆合金丝10选用单程形状记忆合金的材料制成。形状记忆合金丝10跨设于主杆100和副杆200之上，自主杆100的首端延伸至副杆200的尾端布置，其两端分别固定在主杆100和副杆200上，且固定形式可为多种，如设置安装柱以供其缠绕，或设置其它固定结构，具体设置将在后续实施例中详细说明，在此不作阐述。

本基于形状记忆合金的展开机构在实际应用时，主杆100和副杆200呈0°的完全折叠状态，形状记忆合金丝10通电加热收缩带动主杆100和副杆200相对转动，直至转换为180°的完全展开状态时断电冷却，以完成展开动作；本展开机构基于形状记忆合金所设计，占用空间小，结构简单、质量小、稳定可控且安全可靠。此外，机构整体原理简单，实现性较强，具有较高的实际应用价值。

在一较佳实施例中，参照图1至图3，展开机构还包括两与形状记忆合金丝10接触、分别设置在主杆100和副杆200上的导电片20。具体地，导电片20为弹性金属片，两导电片20分别连接至直流电源的正负极，主杆100上的导电片20靠近其首端设置，副杆200上的导电片20靠近其尾端设置。通过所设两导电片20与形状记忆合金丝10接触，以在本展开机构将做展开动作时，实现对形状记忆合金丝10通电加热。以上所采用的通电加热方式及通电结构设置，结构简单、电流/电压稳定、响应时间快且功耗低。

进一步地，导电片20为“v”形夹片。导电片20采用此外形设置，可构成夹持形状记忆合金丝10的抵接空间，形状记忆合金丝10从该抵接空间穿过，导电片20与形状记忆合金丝10保持弹性抵接状态，导电片20对形状记忆合金丝10工作几乎不产生影响，与此同时还可为其提供温度可靠的电流/电压。

在一较佳实施例中，参照图1、图2和图4，主杆100的尾端设置有两间隔布置的第一对接板110，副杆200的首端设置有第二对接板210，第二对接板210伸入设置在两第一对接板110之间且与两第一对接板110之间穿设有销轴30。两第一对接板110与主杆100一体成型，第二对接板210与副杆200一体成型，两第一对接板110间隔布置以形成装配空间，第二对接板210伸入至该装配空间内，且与两第一对接板110上设有相对接的轴孔，销轴30穿设在第一对接板110和第二对接板210的轴孔内，以形成主杆100和副杆200的铰接设置，结构简单，转动稳定且易于装配。

进一步地，参照图1、图2和图4，第二对接板210为间隔布置的两块，销轴30上设置有位于两第二对接板210之间的承接盘40，承接盘40沿其盘体周向设置有可容置形状记忆合金丝10的环形槽41。即第二对接板210设置为两块且间隔布置，以在装配空间内形成比其更小的安装空间，承接盘40位于该安装空间内且设置在销轴30上，其为套设以可在销轴30上转动，承接盘40为圆盘状，环形槽41位于承接盘40的盘体周面，形状记忆合金丝10的中间部分容置在承接盘40的环形槽41内。通过所设承接板及其环形槽41以承接形状记忆合金丝10，以顺应形状记忆合金丝10的变形，即转动关节处采用圆形结构设计，防止了形状记忆合金丝10受热拉紧时因转动关节处的棱角而产生的局部应力集中，有效避免了变形不完整、无法恢复原形的问题。

进一步地，参照图4，第二对接板210的对接面上设有凹槽211以及位于凹槽211内的弹性卡柱212，第一对接板110上设有与弹性卡柱212相适配、位于弹性卡柱212转动方向上的卡孔111。容易理解的是，主杆100和副杆200为0°的折叠状态，以及二者在相对转动时，弹性卡柱212与第一对接板110的板面呈弹性抵接状态，而当主杆100和副杆200到达180°的展开状态时，弹性卡柱212到达卡孔111位置处并自动伸入卡孔111中，以锁定主杆100和副杆200，主杆100和副杆200不可转动。其中，弹性卡柱212的设置可为多种，本实施例所采用的的弹性卡柱212包括卡柱本体和与其连接的弯折设置的弹片，除此以外，还可采用弹簧以为其提供弹力。另外，卡孔111可为通孔或盲孔，作为优设，本实施例中，将卡孔111设置为通孔。弹性卡柱212以及卡孔111的配对设置可为一组或多组，其需根据实际情况选择设置，在此不作限制。

如此，采用上述弹性卡柱212以及卡孔111的结构设置，可在展开机构完全展开(即主杆100和副杆200的夹角为180°)时，实现锁死，极为有效地提升机构展开后的稳定性，为设备正常工作提供了保障。

进一步地，参照图3，主杆100和副杆200上分别设置有固定组件300，固定组件300包括两上下设置的压线块310以及位于两压线块310压合面上、用于卡持形状记忆合金丝10的线槽。固定组件300的作用在于固定形状记忆合金丝10，本实施例中，固定组件300设置为两组，一组在主杆100上靠近其首端布置，另一组在副杆200上靠近其尾端布置，固定组件300主要由上下设置的两压线块310组成，两压线块310上的压合面上设有线槽，所设线槽采用半圆槽，以在两压线块310对接压合时构成圆形的线槽以夹持形状记忆合金丝10，可有效防止形状记忆合金丝10因夹持部位应力集中而导致的局部损坏，提高工作的可靠性。其中，两压线块310采用若干绝缘衬套320穿设以锁紧固定在主杆100或副杆200的杆体上，并且，压线块310采用高硬度金属材料制成，具有非常好的刚度，不易变形。作为优化，线槽的槽壁可设置防滑纹路，以提高夹持形状记忆合金丝10时的稳定性。

进一步地，参照图3，固定组件300还包括上下布置的两绝缘块330，两压线块310位于两绝缘块330之间。绝缘块330和压线块310的形状大小相仿，两绝缘块330和两压线块310依序堆叠，并基于上述所提及的绝缘衬套320进行安装固定。绝缘块330以及上述的绝缘衬套320可采用如聚甲醛(pom)等各项力学性能优良且耐热度良好的工程塑料加工而成，实现对形状记忆合金丝10通电时的绝缘，在保证机构力学性能的同时，以实现对机构安全性以及可靠性的提高。

需要说明的是，固定组件300在主杆100和副杆200上的设置数量可为一组或多组，其根据需求设置。另外，以上实施例提出固定组件300的组成结构仅为众多实施结构中相对较优的一个，还可为其他实施结构，包括但不限于此。

在一较佳实施例中，参照图3，主杆100和副杆200至少其中之一上设有预紧组件400，预紧组件400包括两竖向设置的转动杆410及固定在转动杆410上的压轮420，两转动杆410的压轮420之间形成间隙配合，形状记忆合金丝10夹设于两转动杆410的压轮420之间。所设预紧组件400可拉紧形状记忆合金丝10，并调节其预紧力的大小，本实施例中，预紧组件400为一组且设置在主杆100的首端，其包括两相邻布置的转动杆410，每一转动杆410上均设有一压轮420，压轮420的轮体周面设有齿纹，两转动杆410的压轮420共同压持着形状记忆合金丝10。其中，可通过扭矩扳手扳动两转动杆410其中之一，带动压轮420转动以拉紧形状记忆合金丝10。通过所设预紧组件400，可使形状记忆合金丝10在完全拉紧的状态下装配，既能有效解决因为其可能存在的侧向刚度导致的装配误差，又可统一预紧力装配，保证多关节展开的一致性，其中，需要说明的是，预紧力的选取其需根据形状记忆合金丝10以及整体结构而定，不宜过高。

其中，主杆100和副杆200上分别设有若干安装孔50，安装孔50优设为沉孔形式，本基于形状记忆合金的展开机构可整体设置于设备内，主杆100和副杆200通过所设安装孔50分别与设备所需展开部位连接，除此设置以外，也可取消主杆100和副杆200的使用，直接将形状记忆合金丝10以及其它相应配件应用至设备内，以使设备简洁化、轻量化，具体设置可根据实际情况而定。另外，形状记忆合金丝10的设置形式可为多种，比如，利用多种方式将形状记忆合金丝10的行程变长，利用多根形状记忆合金丝10驱动，甚至是以某种方式将多根形状记忆合金丝10编织成一股丝作为驱动等。

基于上述的基于形状记忆合金驱动的展开机构，对于其形状记忆合金丝10，本发明还提出一种形状记忆合金的预处理方法，参照图5，该预处理方法包括：

步骤s10：将多根形状记忆合金丝10加热至预设温度，在保温预设时间后，再对形状记忆合金丝10进行冷却；

步骤s20：在形状记忆合金丝10冷却完成后，采用万能试验机对部分形状记忆合金丝10进行拉伸试验，以获取形状记忆合金丝10的最大残余应变范围及所对应的拉力范围；

步骤s30：在获取形状记忆合金丝10的最大残余应变范围及所对应的拉力范围后，取其拉力的最大值作为第一拉力值，并将第一拉力值加上预设数值以计算获得第二拉力值；

步骤s40：采用万能试验机对剩余未进行拉伸检测的形状记忆合金丝10进行拉伸，以使其拉力达到第二拉力值，并卸载其载荷至预设位移值，预设位移值小于最大残余应变中的最小值；

步骤s50：通电加热形状记忆合金丝10至其应力上升至预设阈值后断电冷却。

形状记忆合金具有低温马氏体态和高温奥氏体态，其经合适的热处理后，常温下表现为易变形马氏体态，其可通过施加外力而发生形变，并在释放外力后存在部分形变残余，理论最大残余可恢复应变达到10％以上，根据材料不同，实际变形量在4％～8％不等。在加热至相变温度(奥氏体状态)后，变形可完全恢复且能提供非常可观的拉力。

其中，参照图6和图7，展开机构完全折叠(即0°)时，形状记忆合金丝10的长度为2l+πr；展开机构完全展开(即180°)时，形状记忆合金丝10的长度为2l。展开机构完全折叠(即0°)至完全展开(即180°)，形状记忆合金丝10的长度变化值为转轴的半个周长，故所需形状记忆合金丝10的应变为：

ε＝πr/2l。

基于上述理论知识，以对形状记忆合金丝10进行预处理，以制备得到符合上述展开机构要求的形状记忆合金丝10。具体地，实施上述步骤s10～s40的形状记忆合金的预处理方法，需要说明的是，在步骤s10中，所采用的多根形状记忆合金丝10的长度均为l，且采用恒温炉加热，预设温度可为500℃，保温的预设时间可为3h，通过步骤s10，以使得形状记忆合金丝10的第一相变温度提升至第二相变温度，其中，第一相变温度低于室温，且第二相变温度为70℃左右，其比第一相变温度高60℃左右；在步骤s30中，预设数值可为100n，即第二拉力值f2等于第一拉力值f1+100n；在步骤s40中，预设位置值为x，该预设位置值x应小于上述所测最大残余应变中的最小值；在步骤s50中，应力的预设阈值可为200mpa，并且在多次反复执行步骤s50的操作之后，可基本消除形状记忆合金的拉应力，观察万能试验机所显示的拉力数值几乎归为零(考虑有零飘，范围根据设备而定)。则此时形状记忆合金丝10的残余应变为x/l1，预设位移值x为精准残余形变长度，最终获得的形状记忆合金的长度为l2，l2＝l1+x。

形状记忆合金丝10在经过上述预处理之后，即可装配至上述的展开机构上。当然，本实施例所提出的形状记忆合金的预处理方法，除应用至上述展开机构的形状记忆合金丝10上，也可在涉及到形状记忆合金的其它装置、设备甚至其它领域作相关应用。

以上所述的仅为本发明的部分或优选实施例，无论是文字还是附图都不能因此限制本发明保护的范围，凡是在与本发明一个整体的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明保护的范围内。