CN109449673B - 一种在轨可快速更换的机电信一体化接口 - Google Patents

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Abstract

一种在轨可快速更换的机电信一体化接口，它涉及一种可快速更换的机电信接口，本发明目的是为解决未来空间可重构航天器快速连接和分离过程中，机械、电气、信号接口相互分离的问题，本发明中所述被动接口外侧沿圆周均匀设置有多个定位孔，并将钢球置于其中，当公接口和母接头对插时，钢球与主动接口外侧圆周的凹槽配合，实现锁紧。当套筒移动到最下端时，套筒弹簧处于压缩状态，钢球完全从主动接口外侧凹槽配合表面脱离出来；所述的套筒移动到最上端时，套筒弹簧处于释放状态，提供钢球被挤压的力，令钢球受挤压与主动接口外侧凹槽配合定位。本发明采用钢珠锁紧和二次冗余设计的方式，解决了可重构航天器快速连接和分离的问题。

Description

一种在轨可快速更换的机电信一体化接口
技术领域
本发明专利涉及一种在轨可快速更换机电信接口，尤其是一种用于在轨可重构航天器的标准化通用机电信接口。
背景技术
随着空间技术日新月异的发展，目前在轨航天器数量已经难以满足人类的需求。同时，针对解决传统航天器设计模式中，零部件不可复用、研制周期长、制造成本高昂等严峻问题，美国提出了面向在轨装配任务的可重构航天器技术，其中关键技术之一就是在轨可重构航天器的机电信快速连接和分离。目前航天领域相关接口技术研究多集中于空间机械臂模块在轨更换接口，关于可重构航天器通用机电信接口鲜有报道，因此，可重构航天器通用接口标准化问题嗜待解决。
可快速更换的机电信一体化接口是航天器对接过程中不可避免的问题，要求宇航员在空间失重环境下实现交会对接。目前可快速更换机电信接口多采用刚性直接连接的结构形式，典型的刚性直连方式主要包括螺纹连接结构等，这种接口的优点是尺寸小，结构紧凑，具有较高的普适性，但是由于螺纹连接是通过手动旋拧套筒来实现公接头和母接头的相互锁紧的，这就造成宇航员操作需要连续提供旋转扭矩进行压紧和释放，太空环境中极大地增加了操作的复杂性。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，针对未来可重构航天器所面临的技术难点，提出了一种在轨可快速更换机电信接口，能够满足在轨航天器相互聚合和分离的要求，具有电能共享、信号互传及结构互连的能力。
本发明的技术解决方案是：
一种在轨可快速更换的机电信一体化接口，包括：公接口、主动接口、套筒、套筒弹簧、钢球、被动接口、母接口弹簧以及母接头；
主动接口为圆筒状结构，公接口位于主动接口的内部且与主动接口固定连接，
被动接口为圆筒状结构，母接头位于被动接口的内部且与被动接口之间设置有母接口弹簧，用于提供母接头和被动接口之间沿母接头轴向的冗余量；
套筒在被动接口外侧，套筒弹簧设置在被动接口和套筒之间，被动接口外侧沿圆周均匀设置有多个定位孔，钢球置于其中，公接口和母接头对插时，钢球与主动接口外侧圆周的凹槽配合，实现锁紧。
主动接口前端具有圆锥形配合表面，被动接口前端设置有内圆锥形配合面，用于公接口和母接头对插时的导向。
主动接口外侧凹槽为周向，且凹槽横截面为弧形。
套筒前端内侧为圆弧面，用于公接口和母接头对插时挤压钢球，令钢球与主动接口外侧凹槽配合实现锁紧。
被动接口外侧沿圆周设置的定位孔，定位孔底部内侧为圆弧面。
所述的套筒移动到最下端时，套筒弹簧处于压缩状态，钢球完全从主动接口外侧凹槽配合表面脱离出来；所述的套筒移动到最上端时，套筒弹簧处于释放状态，提供钢球被挤压的力，令钢球受挤压与主动接口外侧凹槽配合定位。
公接头包括主动端线缆、主动端插座芯体、主动端波纹管以及主动端退让弹簧；
主动端线缆位于主动端插座芯体后端，主动端插座芯体的前端为插针，主动端退让弹簧套在主动端线缆外侧，用于插接时提供轴向冗余量；主动端波纹管套在主动端插座芯体的外侧，用于插接时提供径向冗余量。
母接头包括被动端波纹管、被动端插座芯体、被动端线缆、被动端退让弹簧；
被动端线缆位于被动端插座芯体后端，被动端插座芯体的前端为插孔，被动端退让弹簧套在被动端线缆外侧，用于插接时提供轴向冗余量；被动端波纹管套在被动端插座芯体的外侧，用于插接时提供径向冗余量。
被动接口前端设置的内圆锥形配合面采用表面渗碳处理。
主动接口前端的圆锥形配合表面的锥角在5°～10°之间。
所述的公接头至少包含1个供电口和5个信号传输口，分别用于传输功率驱动信号、指令驱动信号、模拟量采集信号、总线信号和标准IO控制信号。
套筒沿轴向设置有限位，套筒沿轴向方向移动范围在20mm到30mm之间。
所述的钢球的半径与主动接口外侧圆周的凹槽半径值相同，在8mm到12mm之间。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明采用将套筒套在被动接口外侧，套筒弹簧设置在被动接口和套筒之间，将钢球置于被动接口外侧沿圆周均布的多个定位孔中，公接口和母接头对插时，钢球与主动接口外侧圆周的凹槽配合，实现锁紧，与传统的螺纹连接锁紧方式相比，由于球孔配合的柔顺性，改善了公接头对插过程中的摩擦特性，经过实验验证，这种方式可降低对接过程中所需对接力的20％～30％，降低了宇航员操作对接机构的难度；
(2)本发明主动接口前端具有圆锥形配合表面，被动接口前端设置有内圆锥形配合面，用于公接口和母接头对插时的导向，且被动接口前端内圆锥面采用表面渗碳处理，与现有的公接头外壁与母接头内壁直接对插的结构形式相比，能够有效地避免由于航天器公接口与母接头对插过程中的机械误差，而导致连接器连接针头结构产生损毁；同时，通过在被动接口前端导向配合表面进行渗碳处理，提高了对接过程中的抗磨损能力，经过实验验证，这种方式可降低对接过程中电连接器产生磨损的程度；
(3)本发明采用二次冗余设计的方法，主动端线缆位于主动端插座芯体后端，主动端插座芯体的前端为插针，将主动端退让弹簧套在主动端线缆外侧，用于插接时提供轴向冗余量；将主动端波纹管套在主动端插座芯体的外侧，用于插接时提供径向冗余量，经过实验验证，这种方式可提高对接冗余量的30-40％。
附图说明
图1是标准功能模块划分图
图2是可在轨快换机电信接口结构示意图；
图3是机电信接口分离状态示意图；
图4是机电信接口对接工作原理图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
随着空间技术日新月异的发展，目前在轨航天器数量已经难以满足人类的需求。同时，针对解决传统航天器设计模式中，零部件不可复用、研制周期长、制造成本高昂等严峻问题，国际上提出了面向在轨装配任务的可重构航天器技术，其中关键技术之一就是在轨可重构航天器的机电信快速连接和分离。因此，可重构航天器通用接口标准化问题嗜待解决，本发明采用钢球锁紧和二次冗余设计的方法，提高对接操作便捷性的同时，也增大了对接容差能力。
如图1所示，采用标准化设计，机电信一体化接口主要功能模块有：供电模块、标准IO控制单元、总线模块、模拟量采集模块、指令驱动模块、功率驱动模块，具体可根据相应的在轨服务要求进行按需配置。
如图2所示，本发明提出一种在轨可快速更换的机电信一体化接口，包括：公接口1、主动接口2、套筒3、套筒弹簧4、钢球5、被动接口6、母接口弹簧7以及母接头8；
主动接口2为圆筒状结构，可采用但不局限于铝合金材料制作而成，公接口1位于主动接口2的内部，公接头1前端设计有外法兰，法兰一圈存在8个过孔，主动接口2内侧设计有内法兰，法兰一圈存在着8个螺纹孔，通过螺纹连接的方式实现公接头1与主动接口2的固定连接，
被动接口6为圆筒状结构，可采用但不局限于铝合金材料，母接头8前端设计有和公接头一样的外法兰，被动接口6的内部设计有内法兰，同样设计着8个螺纹孔，母接头8与被动接口6之间设置采用长螺钉连接的方式，允许母接头8的过孔在长螺钉外侧上下移动。同时，在母接头8外法兰下端连接母接口弹簧7的一侧，被动接口6内法兰上端连接母接口弹簧7的另一侧，母接口弹簧7沿轴线方向的伸缩量用于提供母接头8和被动接口6之间沿母接头8轴向的设计冗余；
套筒3套在被动接口6外侧，套筒3可采用但不限于铝合金材料，套筒弹簧4设置在被动接口6和套筒3之间，用于提供套筒3内侧圆弧面挤压钢球5的挤压力；被动接口6外侧沿圆周均匀设置有多个定位孔，定位孔由1/4球形和圆柱形轮廓组合而成，将钢球5放置于其中移动，公接口1和母接头8对插时，套筒弹簧4利用自身压缩弹力带动套筒3沿轴向向靠近公接口1的方向移动，同时钢球5在套筒3内侧圆弧面的挤压作用下，沿着被动接口6的定位孔向轴线内侧移动，最终在套筒3侧壁的挤压下，使得钢球5与主动接口2外侧圆周的凹槽配合，实现锁紧。
主动接口2前端具有圆锥形配合表面，被动接口6前端设置有内圆锥形配合面，主动接口和被动接口的圆锥形配合表面的锥角均在5°～10°之间，分配有角度容差余量，用于公接口1和母接头8对插时的导向；被动接口6前端设置的内圆锥形配合面采用表面渗碳处理，在主动接口2对插被动接口6的过程中，能够提高配合面耐磨损程度；主动接口2外侧凹槽为整周，且凹槽横截面为弧形，用来实现与钢球5表面的配合。
套筒3前端内侧为圆弧面，圆弧表面弧度大于钢球5的表面弧度，用于公接口1和母接头8对插时挤压钢球5，令钢球5与主动接口2外侧凹槽配合实现锁紧。同时，被动接口6外侧沿圆周设置的定位孔，定位孔底部内侧为圆弧面，能够防止钢球5完全进入主动接口2外侧的凹槽内；钢球5可采用但不限于轴承钢，其半径与主动接口2外侧圆周的凹槽半径值相同，在8mm到12mm之间；
套筒3移动到最下端时，套筒弹簧4处于压缩状态，钢球5完全从主动接口2外侧凹槽配合表面脱离出来；所述的套筒3移动到最上端时，套筒弹簧4处于释放状态，提供钢球5被挤压的力，令钢球5受挤压与主动接口2外侧凹槽配合定位；套筒3沿轴向设置有限位，套筒3沿轴向方向移动范围在20mm到30mm之间，移动到两侧极限位置时，分别实现了主动接口的锁紧和释放。
如图3所示，公接头1包括主动端线缆9、主动端插座芯体10、主动端波纹管11以及主动端退让弹簧12；
主动端线缆9位于主动端插座芯体10后端，主动端插座芯体10的前端为插针，插针至少包含1个供电口和5个信号传输口，分别用于传输功率驱动信号、指令驱动信号、模拟量采集信号、总线信号和标准IO控制信号。主动端退让弹簧12套在主动端线缆9外侧，用于插接时提供轴向冗余，轴向冗余量不小于1mm；主动端波纹管11套在主动端插座芯体10的外侧，主动端波纹管11可采用但不限于铝合金材料，用于插接时提供径向冗余量，可提供不小于0.5mm的径向冗余。
如图3所示，母接头8包括被动端波纹管13、被动端插座芯体14、被动端线缆15、被动端退让弹簧16；
被动端线缆15位于被动端插座芯体14后端，被动端插座芯体14的前端为插孔，针孔上具有电源针头和各种数据信号针头，具备涉及功能模块上的所有功能，被动端退让弹簧16套在被动端线缆15外侧，用于插接时提供轴向冗余，冗余量不小于1mm；被动端波纹管13套在被动端插座芯体14的外侧，用于插接时提供径向冗余，可提供不小于0.5mm的径向冗余。
如图4所示，在公接头1与母接头8对接过程中，主动端插座芯体10与被动端插座芯体14存在角度偏差，由于被动波纹管13、主动波纹管11存在挠性，对接过程中被动波纹管13、主动波纹管11在主动端插座芯体10和被动端插座芯体14的牵引作用下产生弯曲，避免了主动端插座芯体10与被动端插座芯体14的针孔产生机械损毁。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域的公知技术。

Claims (3)

1.一种在轨可快速更换的机电信一体化接口，其特征在于包括：公接口(1)、主动接口(2)、套筒(3)、套筒弹簧(4)、钢球(5)、被动接口(6)、母接口弹簧(7)以及母接头(8)；
主动接口(2)为圆筒状结构，公接口(1)位于主动接口(2)的内部且与主动接口(2)固定连接，
被动接口(6)为圆筒状结构，母接头(8)位于被动接口(6)的内部且与被动接口(6)之间设置有母接口弹簧(7)，用于提供母接头(8)和被动接口(6)之间沿母接头(8)轴向的冗余量；
套筒(3)在被动接口(6)外侧，套筒弹簧(4)设置在被动接口(6)和套筒(3)之间，被动接口(6)外侧沿圆周均匀设置有多个定位孔，钢球(5)置于其中，公接口(1)和母接头(8)对插时，钢球(5)与主动接口(2)外侧圆周的凹槽配合，实现锁紧；
公接口(1)包括主动端线缆(9)、主动端插座芯体(10)、主动端波纹管(11)以及主动端退让弹簧(12)；
主动端线缆(9)位于主动端插座芯体(10)后端，主动端插座芯体(10)的前端为插针，主动端退让弹簧(12)套在主动端线缆(9)外侧，用于插接时提供轴向冗余量；主动端波纹管(11)套在主动端插座芯体(10)的外侧，用于插接时提供径向冗余量；母接头(8)包括被动端波纹管(13)、被动端插座芯体(14)、被动端线缆(15)、被动端退让弹簧(16)；
被动端线缆(15)位于被动端插座芯体(14)后端，被动端插座芯体(14)的前端为插孔，被动端退让弹簧(16)套在被动端线缆(15)外侧，用于插接时提供轴向冗余量；被动端波纹管(13)套在被动端插座芯体(14)的外侧，用于插接时提供径向冗余量；
被动接口(6)外侧沿圆周均布有多个定位孔，定位孔由1/4球形和圆柱形轮廓组合而成，将钢珠(5)放置于其中移动，定位孔底部内侧为圆弧面，能够防止钢球(5)完全进入主动接口(2)外侧的凹槽内；
主动接口(2)前端具有圆锥形配合表面，被动接口(6)前端设置有内圆锥形配合面，用于公接口(1)和母接头(8)对插时的导向；
主动接口(2)外侧凹槽为周向，且凹槽横截面为弧形；
套筒(3)前端内侧为圆弧面，用于公接口(1)和母接头(8)对插时挤压钢球(5)，令钢球(5)与主动接口(2)外侧凹槽配合实现锁紧；
所述的套筒(3)移动到最下端时，套筒弹簧(4)处于压缩状态，钢球(5)完全从主动接口(2)外侧凹槽配合表面脱离出来；所述的套筒(3)移动到最上端时，套筒弹簧(4)处于释放状态，提供钢球(5)被挤压的力，令钢球(5)受挤压与主动接口(2)外侧凹槽配合定位；
被动接口(6)前端设置的内圆锥形配合面采用表面渗碳处理；
在公接头(1)与母接头(8)对接过程中，主动端插座芯体(10)与被动端插座芯体(14)存在角度偏差，由于被动波纹管(13)、主动波纹管(11)存在挠性，对接过程中被动波纹管(13)、主动波纹管(11)在主动端插座芯体(10)和被动端插座芯体(14)的牵引作用下产生弯曲，避免了主动端插座芯体(10)与被动端插座芯体(14)的针孔产生机械损毁；
所述的钢球(5)的半径与主动接口(2)外侧圆周的凹槽半径值相同，在8mm到12mm之间；
套筒(3)沿轴向设置有限位，套筒(3)沿轴向方向移动范围在20mm到30mm之间。
2.根据权利要求1所述的一种在轨可快速更换的机电信一体化接口，其特征在于：主动接口(2)前端的圆锥形配合表面的锥角在5°～10°之间。
3.根据权利要求1所述的一种在轨可快速更换的机电信一体化接口，其特征在于：所述的公接头(1)至少包含1个供电口和5个信号传输口，分别用于传输功率驱动信号、指令驱动信号、模拟量采集信号、总线信号和标准IO控制信号。
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