CN102632377B - 五自由度回转微调机构 - Google Patents

Abstract

本发明为了解决目前飞船内安装仪器设备和货包时存在的操作精确度低、效率差的缺点，提供的一种五自由度回转微调机构，包括对接支架、回转支架、螺旋机构、移动支架、第一推杆组件、升降机构、支撑臂和第二推杆组件。回转支架通过驱动齿轮实现绕Y轴旋转，旋转螺旋机构可实现对接支架的前后俯仰，调节一个推杆组件可以实现对接支架左右偏转，同步调节两个推杆组件可以实现对接支架前后俯仰。如果推杆组件和螺旋机构同步调节，可以实现对接支架的前后水平移动。升降机构采用丝杠螺母结构，驱动丝杠旋转，带动移动支架上下移动。本发明所述的微调机构结构紧凑、操作灵活、安全可靠，可以实现空间五自由度微调运动，提高了操作精度和效率。

Description

五自由度回转微调机构

技术领域

本发明涉及一种工件的固定或定位机构，具体是一种能在货运飞船的货包及仪器设备总装过程中进行微调的微调结构。

背景技术

按照我国的载人航天计划，未来我国将在太空中建立自己的空间站，并有航天员长期在空间站内驻守。航天员在空间站内所需的物资补给以及仪器设备由货运飞船定期进行供给，这就需要在指定时间内完成货运飞船中的货包以及仪器设备的快速装配。

目前在飞船内部安装仪器设备和货包时大部分都是操作人员搬运安装，如果仪器负载较重、外形较大时，需要在舱内以及舱外铺设滑行导轨，并将重载仪器安装在带有滚轮的小车上，推动小车在导轨上滑行，到达指定位置后，进行安装。这种安装方式的缺点：操作的安全性有赖于操作人员的力量以及协调性，并且操作过程中的不确定因素较多，操作的精确度低，同时装配时间也占用较多，效率低。随着货包和仪器设备尺寸重量的增加，装配方式的局限性就越凸显。

发明内容

本发明的目的是解决目前飞船内安装仪器设备和货包时存在的操作精确度低、效率差的缺点，提供一种五自由度回转微调机构。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种五自由度回转微调机构，包括对接支架、回转支架、螺旋机构、移动支架、第一推杆组件、升降机构、支撑臂和第二推杆组件。

对接支架中部设有环形对接板，环形对接板上设有扇形齿轮，回转支架上固定有与扇形齿轮配合的小齿轮，环形对接板上固定有转盘轴承，回转支架通过转盘轴承与对接支架连接。

移动支架设置于回转支架内侧，螺旋机构的两端通过万向节分别与移动支架顶端中部和回转支架顶端中部连接。

第一推杆组件与第二推杆组件为丝杆螺母结构，第一推杆组件和第二推杆组件分别铰接于回转支架底部两端，第一推杆组件的壳体铰接于移动支架底部一端，第二推杆组件的壳体螺接于移动支架底部另一端。

支撑臂设置于移动支架内侧，移动支架与支撑臂之间通过升降机构连接，升降机构采用丝杠螺母机构，丝杠固定在支撑臂上，螺母固定在移动支架上。

在使用时，首先货包或仪器设备安装在对接支架上，然后将五自由度回转微调机构靠近安装位置，最后通过调整螺旋机构、回转支架、第一推杆组件、第二推杆组件，直至将货包或仪器设备的对接面与舱体的待安装面对齐为止。

回转支架通过驱动齿轮实现绕Y轴旋转，旋转螺旋机构可实现对接支架的前后俯仰，调节一个推杆组件可以实现对接支架左右偏转，同步调节两个推杆组件可以实现对接支架前后俯仰。如果推杆组件和螺旋机构同步调节，可以实现对接支架的前后水平移动。升降机构采用丝杠螺母结构，驱动丝杠旋转，带动移动支架上下移动。各自由度之间具有互锁功能。

本发明所述的五自由度回转微调机构设计合理、结构紧凑、操作灵活、安全可靠，可以实现空间五自由度微调运动，适用性和通用性强，提高了操作精度和效率。

附图说明

图1为本发明五自由度回转微调机构的结构示意图。

图2为对接支架的结构示意图。

图3为微调部件的结构示意图。

图4为螺旋机构的结构示意图。

图5为第二推杆组件结构示意图。

图6为移动支架的结构示意图。

图7为支撑臂和升降机构的结构示意图。

图8为本发明五自由度回转微调机构调节量示意图。

图9为本发明五自由度回转微调机构原理图。

图中：1-对接支架；2-回转支架；3-螺旋机构；4-移动支架；5-第一推杆组件；6-升降机构；7-支撑臂；8-第二推杆组件，9-转盘轴承，10-扇形齿轮，11-小齿轮，12-减速器，

301-螺纹杆，302-螺纹套筒，501-壳体，502-螺母，503-丝杆，504-推杆，601-丝杠，602-螺母，603-导轨，604-滑块，

L-移动副；R-旋转副；S-球面副；H-虎克铰。

具体实施方式

以下结合附图对本发明所述的技术方案做进一步说明。

如图1所示，本发明所述的一种五自由度回转微调机构，包括对接支架1、回转支架2、螺旋机构3、移动支架4、第一推杆组件5、升降机构6、支撑臂7和第二推杆组件8，

如图2所示，对接支架1中部设有环形对接板，环形对接板上设有扇形齿轮10，回转支架2上固定有与扇形齿轮10配合的小齿轮11，环形对接板上固定有转盘轴承9，回转支架2通过转盘轴承9与对接支架1连接。对接支架1主要由对接板组成，与货包或仪器设备直接连接，实现货包或仪器设备的抓取和安装，要求对接支架1在满足强度和刚度的条件下，具有较轻的质量。对接支架1中部设有环形对接板，环形对接板上开有圆槽，圆槽内嵌入转盘轴承9，圆槽与转盘轴承9外圈用螺钉螺接，环形对接板表面螺接一个角度为115°的扇形齿轮10，并在扇形齿轮10与对接板之间添加一层聚四氟乙烯板，保护对接板防止划伤和安装时提高齿轮之间的啮合宽度，如图2所示。扇形齿轮10的模数为5，齿数为144。

回转支架2中部设有环形固定板与转盘轴承9固定，回转支架2上设有与对接支架1上的扇形齿轮10啮合的小齿轮11，小齿轮11的齿数为19。小齿轮11与固定于回转支架2上的减速器12连接，减速器12采用蜗轮蜗杆减速器，具有在任意位置自锁功能，可以有效防止负载作用引起对接板的转动。

转盘轴承9在对接支架1和回转支架2之间起过渡连接的作用，要求具有足够的刚性和强度，并且控制质量在30kg以内，转盘轴承9是回转功能实现的关键部件。对接板与转盘轴承9的外圈螺接，回转支架2与转盘轴承9内圈螺接，通过驱动固定于回转支架2上的小齿轮11，可以使对接支架1绕Y轴0-90度旋转。

移动支架4设置于回转支架2内侧，螺旋机构3的两端通过万向节分别与移动支架4顶端中部和回转支架2顶端中部连接。移动支架4作为载体，起支撑回转支架、微调部件的作用，移动支架采用铝管焊接而成。

螺旋机构3、第一推杆组件5和第二推杆组件8构成微调部件（如图3所示）。如图4所示，螺旋机构3包括两个旋向相反的螺纹杆301以及与螺纹杆配合的螺纹套筒302。螺旋机构3是通过万向节分别与移动支架4和回转支架2连接，万向节交叉轴杆端布有螺纹，做为与螺纹套筒302配合的螺纹杆301，两个螺纹杆301的螺纹旋向相反，通过光杆驱动螺纹套筒302转动，可以实现两个螺纹杆301沿相反的方向移动。旋转螺旋机构3使两个旋向相反的螺纹杆伸长，实现对接支架的前后俯仰（图8-a、8-b、8-c）。

第一推杆组件5与第二推杆组件8为丝杆螺母结构，第一推杆组件5和第二推杆组件8分别铰接于回转支架2底部两端，第一推杆组件5的壳体铰接于移动支架4底部一端，第二推杆组件8的壳体螺接于移动支架4底部另一端，调节一个推杆组件可以实现对接支架左右偏转，同步调节两个推杆组件可以实现对接支架前后俯仰。如果推杆组件和螺旋机构同步调节，可以实现对接支架的前后水平移动（图8-a、8-b、8-c、8-d）。

第一推杆组件5与第二推杆组件8除壳体外形结构不同外，其余结构相同，如图5所示，第一推杆组件和第二推杆组件的主要结构有壳体501、螺母502、丝杆503和推杆504，螺母502通过沟槽嵌入到壳体501内，约束螺母502转动，螺母502与推杆504螺接，这样丝杠503转动转化为推杆504的前后移动。

支撑臂7设置于移动支架4内侧，移动支架4与支撑臂7之间通过升降机构6连接，升降机构6采用丝杠螺母机构，如图7所示，丝杠601固定在支撑臂7上，螺母602固定在移动支架4上。通过棘轮扳手转动丝杠601，带动移动支架4沿导轨上下移动。支撑臂7用来固定升降机构6，支撑臂7两端对称，与转接装置相连。

升降机构6还包括导轨603和滑块604，导轨603固定在移动支架4上（如图6所示），与导轨603配合的滑块604固定在支撑臂7上。驱动丝杠601旋转，带动移动支架4上下移动。

本发明所述的机构共有5个驱动输入端口，每个驱动输入端口都为手动操作，并且在5个驱动输入端口可安装编码器，这样可以方便读取运动数据，从而确定调整的姿态。在一些关节上可安装有力学传感器，力学传感器用以检测该机构的受力情况，辅助操作，方便检测物体是否超重。

如图9所示，本发明采用三点支撑方式，L1、L3、L4、L5、R2为主驱动，L1为虚约束，整个机构的自由度为1，满足机构运动条件。移动副（L1、L2）中的滑块固定在承力端，导轨固定在移动支架4上。移动支架4与移动副L3螺接，与移动副L4铰接（R1），与移动副L5虎克铰连接（H1）。回转支架2与移动副L3、L4的螺杆球铰连接（S1、S2），与移动副L5的螺杆虎克铰连接（H2）。回转支架2与对接支架1采用铰链连接（R2）。球铰S1、S2，虎克铰H2支撑整个回转支架2。移动副（L1、L2）实现整个机构沿Z轴方向的移动，单个移动副L3、L4的螺杆移动可以实现侧向旋转，两个螺杆同步运动可以实现绕X轴的翻转。移动副L5的螺杆移动实现绕X轴的俯仰运动，三个螺杆同步运动实现Y轴的移动。对接支架1通过铰链R2可以实现绕Y轴的旋转。该机构的运动划分为回转运动，五自由度微调运动，升降运动，且各运动之间互相独立，但又相辅相成。

Claims (3)

1.一种五自由度回转微调机构，其特征在于：包括对接支架（1）、回转支架（2）、螺旋机构（3）、移动支架（4）、第一推杆组件（5）、升降机构（6）、支撑臂（7）和第二推杆组件（8），

对接支架（1）中部设有环形对接板，环形对接板上设有扇形齿轮（10），回转支架（2）上固定有与扇形齿轮（10）配合的小齿轮（11），环形对接板上固定有转盘轴承（9），回转支架（2）通过转盘轴承（9）与对接支架（1）连接，

移动支架（4）设置于回转支架（2）内侧，螺旋机构（3）的两端通过万向节分别与移动支架（4）顶端中部和回转支架（2）顶端中部连接，螺旋机构（3）包括两个旋向相反的螺纹杆（301）以及与螺纹杆配合的螺纹套筒（302），

第一推杆组件（5）与第二推杆组件（8）为丝杆螺母结构，第一推杆组件（5）和第二推杆组件（8）分别铰接于回转支架（2）底部两端，第一推杆组件（5）的壳体铰接于移动支架（4）底部一端，第二推杆组件（8）的壳体螺接于移动支架（4）底部另一端，

支撑臂（7）设置于移动支架（4）内侧，移动支架（4）与支撑臂（7）之间通过升降机构（6）连接，升降机构（6）采用丝杠螺母机构，丝杠（601）固定在支撑臂（7）上，螺母（602）固定在移动支架（4）上。

2.根据权利要求1所述的五自由度回转微调机构，其特征在于：第一推杆组件和第二推杆组件的主要结构有壳体（501）、螺母（502）、丝杆（503）和推杆（504），螺母（502）通过沟槽嵌入到壳体（501）内，螺母（502）与推杆（504）螺接。

3.根据权利要求1 所述的五自由度回转微调机构，其特征在于：升降机构（6）还包括导轨（603）和滑块（604），导轨（603）固定在移动支架（4）上，与导轨（603）配合的滑块（604）固定在支撑臂（7）上。

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