CN112319869B - 一种空间大容差对接装置及锁紧方法 - Google Patents

Abstract

一种空间大容差对接装置及锁紧方法，它包括锁紧机构和导向机构；锁紧机构包括底座、支撑座、导向件、驱动弹簧、箱体和锁爪机构；支撑座和底座上开有对导向件的移动进行限位和导向的导向通道及导向槽，驱动弹簧与导向件的顶部和底座的导向槽相抵，支撑座上可转动地设置有多个锁爪机构，多个锁爪机构沿箱体周向均匀设置，导向机构包括推杆、导向头、套筒、锁紧盖、压缩弹簧、分离弹簧和钢球；推杆一端安装有锁紧盖，推杆另一端设置有与推杆相对滑动的导向头；压缩弹簧分别与锁紧盖和导向头相抵，锁紧机构和导向机构对接后，导向头与箱体的导向限位孔对应闭合。本发明的对接装置结构紧凑，可靠性高，应用于空间结构组装单元在轨对接。

Description

一种空间大容差对接装置及锁紧方法

技术领域

本发明涉及大容差对接捕获装置，具体涉及面向空间在轨组装对接的大容差对接装置。

背景技术

现有空间对接捕获机构大多采用刚性捕获原理，主要有异体同构周边式对接机构和锥杆式对接机构两大类，锥杆式对接机构是常用的一种空间对接机构，其容差范围较之于异体同构周边式对接机构要大很多，但锥杆式的捕获方式需要依赖两对接飞行器之间的动能碰撞才能实现对接，捕获过程中的碰撞和冲击较大，然而虽然异体同构周边式对接机构能实现主动捕获，但在相同外形尺寸的情况下，其容差范围要小很多。根据在轨组装的任务要求，需要设计容差较大、连接刚度较高、稳定性高的对接装置。

发明内容

本发明为克服现有技术不足，提供一种空间大容差对接装置。该对接装置结构紧凑，通用性好，可靠性高，有利于提高空间结构组装单元的在轨对接的连接刚度。

本发明的技术方案是：

一种空间大容差对接装置包括锁紧机构和导向机构；所述锁紧机构包括底座、支撑座、导向件、驱动弹簧、箱体和锁爪机构；箱体安装在底座上，箱体内布置有支撑座，支撑座和底座上开有对导向件的移动进行限位和导向的导向通道及导向槽，驱动弹簧与导向件的顶部和底座的导向槽相抵，支撑座上可转动地设置有多个锁爪机构，多个锁爪机构沿箱体周向均匀设置，箱体的顶部开导向限位孔；所述导向机构包括推杆、导向头、套筒、锁紧盖、压缩弹簧、分离弹簧和钢球；推杆一端安装有锁紧盖，推杆另一端设置有与推杆相对滑动的导向头；推杆上套有压缩弹簧，压缩弹簧分别与锁紧盖和导向头相抵，所述锁紧机构和所述导向机构对接后，导向头与箱体的导向限位孔对应闭合，导向件被推杆顶压后，驱动锁爪机构将锁紧盖锁紧。

进一步地，所述导向机构还包括套筒、分离弹簧和钢球；推杆上还套有能分别与导向头和推杆端部顶靠的可滑动的套筒，以及分别与导向头和套筒相抵的分离弹簧，导向头与套筒之间镶嵌有多个钢球，导向头上沿周向设置有多个球孔，钢球可在球孔内滑动，导向限位孔端部边缘做有多个凹槽，所述锁紧机构和所述导向机构对接后，钢球分别与球孔和凹槽对应闭合。

一种空间大容差对接装置的锁紧方法，包括如下阶段：

一、首先导向机构运动到锁紧机构的正前方，调整导向机构与锁紧机构之间的位姿状态；

二、导向机构的导向头在机械臂推力作用下进入箱体的对接的导向限位孔内，导向头继续运动直到导向头完全进入箱体的导向限位孔中，导向头与箱体的导向限位孔的内壁作用，此时导向头到位；

三、由于导向头到位无法运动，在机械臂的推力作用下，锁紧盖连同推杆一起继续运动，有预紧力的分离弹簧推动套筒，进而释放钢球顶住的套筒，套筒在分离弹簧作用下，挤压钢球一部分进入箱体的凹槽中，另一部分留在导向头的球孔中，此时，通过钢球锁紧导向头与箱体，完成了导向机构与锁紧机构的一次锁紧；

四、推杆接触导向件后，受到驱动弹簧的作用，机械臂推力增大，继续压缩推杆并挤压导向件，导向件在受到力的作用后开始导向运动，从而带动第二连杆移动，带动第一连杆及锁紧爪一起转动，当锁紧盖与箱体顶部接触，同时锁紧爪锁紧锁紧盖，完成导向机构和锁紧机构的对接锁紧。

本发明相比现有技术的有益效果是：

本发明的锁紧爪式对接装置依靠压缩弹簧驱动，导向件连杆死点锁定，稳定性好，连接刚度较高、接口质量较小，同时爪式对接装置方案具有锁紧的动作且不需要电机，为被动锁紧、自动对接。将爪式锁紧机构和钢球式锁紧结合，因此，可以极大地提升对接时的刚度与稳定性，在将来的空间大型结构体在轨组装更具有应用价值，有利于提高连接刚度。本发明的对接装置结构紧凑，通用性好，可靠性高，该装置在轨道快车上进行了在轨实验验证，具有实际应用的价值。

下面结合附图和实施方式对本发明的技术方案作进一步地说明：

附图说明

图1是本发明的空间大容差对接装置的结构图；

图2是锁紧机构的剖视图；

图3是图2的俯视图；

图4是导向机构的主视图；

图5是图4的剖视图；

图6是导向机构的立体图；

图7是锁紧机构和对接机构的锁紧原理图。

具体实施方式

参见图1-图6所示，一种空间大容差对接装置包括锁紧机构1和导向机构2；

所述锁紧机构1包括底座1-1、支撑座1-2、导向件1-3、驱动弹簧1-4、箱体1-5和锁爪机构1-6；箱体1-5安装在底座1-1上，箱体1-5内布置有支撑座1-2，支撑座1-2和底座1-1上开有对导向件1-3的移动进行限位和导向的导向通道1-2-1及导向槽1-1-1，驱动弹簧1-4与导向件1-3的顶部和底座1-1的导向槽相抵，支撑座1-2上可转动地设置有多个锁爪机构，多个锁爪机构沿箱体1-5周向均匀设置，箱体1-5的顶部开导向限位孔1-5-1；

所述导向机构2包括推杆2-1、导向头2-2、套筒2-3、锁紧盖2-4、压缩弹簧2-5、分离弹簧2-6和钢球2-7；推杆2-1一端安装有锁紧盖2-4，推杆2-1另一端设置有与推杆2-1相对滑动的导向头2-2；推杆2-1上套有压缩弹簧2-5，压缩弹簧2-5分别与锁紧盖2-4和导向头2-2相抵，所述锁紧机构1和所述导向机构2对接后，导向头2-2与箱体1-5的导向限位孔1-5-1对应闭合，导向件1-3被推杆2-1顶压后，驱动锁爪机构1-6将锁紧盖2-4锁紧。

进一步地，所述导向机构2还包括套筒2-3、分离弹簧2-6和钢球2-7；推杆2-1上还套有能分别与导向头2-2和推杆2-1端部顶靠的可滑动的套筒2-3，以及分别与导向头2-2和套筒2-3相抵的分离弹簧2-6，导向头2-2与套筒2-3之间镶嵌有多个钢球2-7，导向头2-2上沿周向设置有多个球孔2-2-1，钢球2-7可在球孔2-2-1内滑动，导向限位孔1-5-1端部边缘做有多个凹槽1-5-2，所述锁紧机构1和所述导向机构2对接后，钢球2-7分别与球孔2-2-1和凹槽1-5-2对应闭合。

作为上述实施方式的一个实施例，如图3所示，锁爪机构1-6为3个，均布设置，共有八个钢球2-7安装在导向头2-2上对应的八个球孔2-2-1内。导向头2-2为空心截顶圆锥，锥角为45度。本实施例对接装置应用于空间结构组装单元对接时，导向头2-2靠近箱体1-5，导向头2-2在机械臂施加给组装单元的推力的作用下开始运动，当导向头2-2到位后，机械臂施加的力变大导致压缩弹簧2-5开始压缩，推杆2-1开始运动直至锁紧。压缩弹簧2-5可以减轻由于在轨组装时的引起的碰撞。

根据空间结构组装单元的铰链的大小确定了对接装置的几何尺寸，从而确定各种弹簧的几何参数，如表所示为对接装置所用到的弹簧的具体参数。

不同弹簧的具体参数

如上采用的锁爪机构，如图2所示，每个所述锁爪机构1-6包括锁紧爪1-6-1、第一连杆1-6-2和第二连杆1-6-3；锁紧爪1-6-1的尾部与第一连杆1-6-2固接，第一连杆1-6-2一端与支撑座1-2铰接，另一端与第二连杆1-6-3的另一端铰接，第二连杆1-6-3的一端与导向件1-3铰接，锁紧爪1-6-1伸出箱体1-5的侧壁孔，导向件1-3被推杆2-1顶压后，锁紧爪1-6-1的爪部将锁紧盖2-4锁紧。导向件1-3包含导向柱1-3-1和导向杆1-3-2，导向柱1-3-1周向均布固装与其垂直的多个导向杆1-3-2，导向杆1-3-2在导向通道1-2-1内移动，驱动弹簧1-4套在导向柱1-3-1上，两端分别抵靠在所述导向槽1-1-1和导向杆1-3-2上。

锁紧爪1-6-1采取120度均匀分布在箱体1-5的周围，箱体1-5上设计有锁紧爪1-6-1限位结构锁紧盖2-4，保证锁紧爪1-6-1的准确锁紧。驱动弹簧1-4可以减轻锁紧爪1-6-1运动产生的冲击。导向件1-3起到了连杆机构中的滑块作用，锁紧机构的驱动来自于推杆2-1压缩导向件1-3，导向件1-3带动连杆机构，锁紧爪1-6-1完成锁紧。具体如图1-图7所示。

更近一步地，如图5所示，所述导向机构2还包括螺纹盖2-8，导向头2-2与螺纹盖2-8螺纹连接，推杆2-1与锁紧盖2-4螺纹连接，分离弹簧2-6的两端分别与套筒2-3和螺纹盖2-8相抵，压缩弹簧2-5两端分别与锁紧盖2-4和螺纹盖2-8相抵。锁紧盖2-4与推杆2-1之间以及导向头2-2与螺纹盖2-8之间采用螺纹连接。便于拆装，使用简便。

另一个实施方式还提供一种空间大容差对接装置的锁紧方法，包括如下阶段：

一、首先导向机构2运动到锁紧机构1的正前方，调整导向机构2与锁紧机构1之间的位姿状态；在机械臂夹持住组装单元后，机械臂夹取空间结构组装单元主动模块向被动模块运动，导向机构2运动到锁紧机构1的正前方，由于空间结构组装单元在组装时存在两组对接接口同时对接的情况，导致空间结构组装单元具有一个的位姿偏差，这个位姿偏差保证了两组对接接口同时对接。这个过程为了达到最佳的对接状态需进行空间机构组装单元的位姿调整，也就是需调整导向机构与锁紧机构之间的位姿状态，如图7的第一个图所示；

二、导向机构2的导向头2-2在机械臂推力作用下进入箱体1-5的对接的导向限位孔1-5-1内，导向头2-2继续运动直到导向头2-2完全进入箱体1-5的导向限位孔1-5-1中，导向头2-2与箱体1-5的导向限位孔1-5-1的内壁作用，此时导向头2-2到位；机械臂推动空间结构组装单元运动，由于本实施例对接装置具有一定的容差能力，即使组装单元之间存在一定的位姿偏差，由于对接装置具有容差能力，导向机构2中的导向头2-2仍然能够与锁紧机构1中的箱体1-5接触，导向头2-2到位后的状态如图7的第二个图所示；

三、由于导向头2-2到位无法运动，在机械臂的推力作用下，锁紧盖2-4连同推杆2-1一起继续运动，有预紧力的分离弹簧2-6推动套筒2-3，进而释放钢球2-7顶住的套筒2-3，套筒2-3在分离弹簧2-6作用下，挤压钢球2-7一部分进入箱体1-5的凹槽1-5-2中，另一部分留在导向头2-2的球孔中，此时，通过钢球2-7锁紧导向头2-2与箱体1-5，完成了导向机构2与锁紧机构1的一次锁紧；如图7的第三个图所示；

四、推杆2-1接触导向件1-3后，受到驱动弹簧1-4的作用，机械臂推力增大，继续压缩推杆2-1并挤压导向件1-3，导向件1-3在受到力的作用后开始导向运动，从而带动第二连杆1-6-3移动，带动第一连杆1-6-2及锁紧爪1-6-1一起转动，当锁紧盖2-4与箱体1-5顶部接触，同时锁紧爪1-6-1锁紧锁紧盖2-4，完成导向机构2和锁紧机构1的对接锁紧，具体如图7的第四个图所示。

导向件1-3带动连杆机构转动，主动件为导向件1-3，被动件为第一连杆1-6-2，如图7所示，当第一连杆1-6-2和第二连杆1-6-3共线时，连杆处于机构的死点位置，根据机械原理的知识可以得到无论曲柄滑块机构导向件上的作用力或力矩有多大，都无法驱动连杆机构转动，锁爪机构1-6完成自锁，从而实现对锁紧盖2-4的锁紧。所述驱动弹簧1-4、压缩弹簧2-5和分离弹簧2-6材料均为65Mn。

为提高空间结构组装单元的在轨对接的连接刚度，采用双重锁紧的方案，当导向头2-2进入到箱体1-5的对接导向限位孔1-5-1，导向头2-2到位后，由于机械臂的推力增大导致推杆2-1的受力不平衡，推杆2-1向下运动，使得分离弹簧2-6开始分离螺纹盖2-8和套筒2-3。套筒2-3挤压钢球2-7，使得钢球2-7的受力平衡遭到破坏，钢球2-7发生运动，机械臂的推力和分离弹簧2-6的拉力驱动了钢球2-7的运动。钢球2-7在导向头2-2的球孔2-2-1内滚入箱体1-5的凹槽1-5-2中，此时钢球2-7的一半置于球孔2-2-1内，另一半置于凹槽1-5-2内，实现了锁紧机构1对导向头2-1的锁紧，提高了对接接口的可靠性。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (8)

1.一种空间大容差对接装置，其特征在于：它包括锁紧机构(1)和导向机构(2)；

所述锁紧机构(1)包括底座(1-1)、支撑座(1-2)、导向件(1-3)、驱动弹簧(1-4)、箱体(1-5)和锁爪机构(1-6)；箱体(1-5)安装在底座(1-1)上，箱体(1-5)内布置有支撑座(1-2)，支撑座(1-2)和底座(1-1)上开有对导向件(1-3)的移动进行限位和导向的导向通道(1-2-1)及导向槽(1-1-1)，驱动弹簧(1-4)与导向件(1-3)的顶部和底座(1-1)的导向槽(1-1-1)相抵，支撑座(1-2)上可转动地设置有多个锁爪机构，多个锁爪机构沿箱体(1-5)周向均匀设置，箱体(1-5)的顶部开导向限位孔(1-5-1)；

所述导向机构(2)包括推杆(2-1)、导向头(2-2)、套筒(2-3)、锁紧盖(2-4)、压缩弹簧(2-5)、分离弹簧(2-6)和钢球(2-7)；推杆(2-1)一端安装有锁紧盖(2-4)，推杆(2-1)另一端设置有与推杆(2-1)相对滑动的导向头(2-2)；推杆(2-1)上套有压缩弹簧(2-5)，压缩弹簧(2-5)分别与锁紧盖(2-4)和导向头(2-2)相抵，所述锁紧机构(1)和所述导向机构(2)对接后，导向头(2-2)与箱体(1-5)的导向限位孔(1-5-1)对应闭合，导向件(1-3)被推杆(2-1)顶压后，驱动锁爪机构(1-6)将锁紧盖(2-4)锁紧；

所述导向机构(2)还包括套筒(2-3)、分离弹簧(2-6)和钢球(2-7)；推杆(2-1)上还套有能分别与导向头(2-2)和推杆(2-1)端部顶靠的可滑动的套筒(2-3)，以及分别与导向头(2-2)和套筒(2-3)相抵的分离弹簧(2-6)，导向头(2-2)与套筒(2-3)之间镶嵌有多个钢球(2-7)，导向头(2-2)上沿周向设置有多个球孔(2-2-1)，钢球(2-7)可在球孔(2-2-1)内滑动，导向限位孔(1-5-1)端部边缘做有多个凹槽(1-5-2)，所述锁紧机构(1)和所述导向机构(2)对接后，钢球(2-7)分别与球孔(2-2-1)和凹槽(1-5-2)对应闭合。

2.根据权利要求1所述一种空间大容差对接装置，其特征在于：每个所述锁爪机构(1-6)包括锁紧爪(1-6-1)、第一连杆(1-6-2)和第二连杆(1-6-3)；锁紧爪(1-6-1)的尾部与第一连杆(1-6-2)固接，第一连杆(1-6-2)一端与支撑座(1-2)铰接，另一端与第二连杆(1-6-3)的另一端铰接，第二连杆(1-6-3)的一端与导向件(1-3)铰接，锁紧爪(1-6-1)伸出箱体(1-5)的侧壁孔，导向件(1-3)被推杆(2-1)顶压后，锁紧爪(1-6-1)的爪部将锁紧盖(2-4)锁紧。

3.根据权利要求1或2所述一种空间大容差对接装置，其特征在于：所述导向头(2-2)为空心截顶圆锥。

4.根据权利要求3所述一种空间大容差对接装置，其特征在于：所述导向机构(2)还包括螺纹盖(2-8)，导向头(2-2)与螺纹盖(2-8)螺纹连接，推杆(2-1)与锁紧盖(2-4)螺纹连接，分离弹簧(2-6)的两端分别与套筒(2-3)和螺纹盖(2-8)相抵，压缩弹簧(2-5)两端分别与锁紧盖(2-4)和螺纹盖(2-8)相抵。

5.根据权利要求4所述一种空间大容差对接装置，其特征在于：导向件(1-3)包含导向柱(1-3-1)和导向杆(1-3-2)，导向柱(1-3-1)周向均布固装与其垂直的多个导向杆(1-3-2)，导向杆(1-3-2)在导向通道(1-2-1)内移动，驱动弹簧(1-4)套在导向柱(1-3-1)上，两端分别抵靠在所述导向槽(1-1-1)和导向杆(1-3-2)上。

6.一种权利要求1或5所述的空间大容差对接装置的锁紧方法，其特征在于：包括如下阶段：

一、首先导向机构(2)运动到锁紧机构(1)的正前方，调整导向机构(2)与锁紧机构(1)之间的位姿状态；

二、导向机构(2)的导向头(2-2)在机械臂推力作用下进入箱体(1-5)的对接的导向限位孔(1-5-1)内，导向头(2-2)继续运动直到导向头(2-2)完全进入箱体(1-5)的导向限位孔(1-5-1)中，导向头(2-2)与箱体(1-5)的导向限位孔(1-5-1)的内壁作用，此时导向头(2-2)到位；

三、由于导向头(2-2)到位无法运动，在机械臂的推力作用下，锁紧盖(2-4)连同推杆(2-1)一起继续运动，有预紧力的分离弹簧(2-6)推动套筒(2-3)，进而释放钢球(2-7)顶住的套筒(2-3)，套筒(2-3)在分离弹簧(2-6)作用下，挤压钢球(2-7)一部分进入箱体(1-5)的凹槽(1-5-2)中，另一部分留在导向头(2-2)的球孔中，此时，通过钢球(2-7)锁紧导向头(2-2)与箱体(1-5)，完成了导向机构(2)与锁紧机构(1)的一次锁紧；

四、推杆(2-1)接触导向件(1-3)后，受到驱动弹簧(1-4)的作用，机械臂推力增大，继续压缩推杆(2-1)并挤压导向件(1-3)，导向件(1-3)在受到力的作用后开始导向运动，从而带动第二连杆(1-6-3)移动，带动第一连杆(1-6-2)及锁紧爪(1-6-1)一起转动，当锁紧盖(2-4)与箱体(1-5)顶部接触，同时锁紧爪(1-6-1)锁紧锁紧盖(2-4)，完成导向机构(2)和锁紧机构(1)的对接锁紧。

7.根据权利要求6所述一种空间大容差对接装置的锁紧方法，其特征在于：当第一连杆(1-6-2)和第二连杆(1-6-3)共线时，连杆处于死点位置，锁爪机构(1-6)完成自锁，从而实现对锁紧盖(2-4)的锁紧。

8.根据权利要求7所述一种空间大容差对接装置的锁紧方法，其特征在于：所述驱动弹簧(1-4)、压缩弹簧(2-5)和分离弹簧(2-6)材料均为65Mn。

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