CN112429275B - 一种限位式空间旋转锁定释放机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种限位式空间旋转锁定释放机构，该锁定机构用于在质量要求严苛，振动条件恶劣的场合，能够实现大型运动机构的锁定，并提高其抗环境振动力学性能，此外在解锁后其通过空间旋转运动方式主动运动至所需位置，解锁后仍不会对其它组件造成影响。采用四面体桁架构型，从几何结构上实现最低质量的稳定锁定，同步设计施加内应力的方案提高产品抗振性能；提出空间旋转的设计方案，实现了产品可通过简单的驱动将解锁后的机构运动至所需位置，设计了锁定释放组件及平面对接机构组件，使解锁位置分离可靠性高，解锁时摩擦阻力小，设计了导向组件，使锁定机构在运动刚度不足的情况下仍然拥有极高的末位运动精度，能够实现最终位置可靠锁定。

Description

一种限位式空间旋转锁定释放机构
技术领域
本发明涉及一种限位式空间旋转锁定释放机构，属于空间锁定释放机构技术领域。
背景技术
空间展开锁定释放机构是各类航天器及其它空间机构上的重要组成部分，广泛应用于通讯卫星、中继卫星、电子侦察卫星、大型展开天线、太阳帆板、空间望远镜遮光罩及空间平台等领域。现有类型的空间展开锁定机构能够实现锁定，已适用于大部分场合，但随着空间产品尺寸增大，产品对质量、尺寸的要求越来越严苛，振动量级也越来越大，已无法采用之前的锁定机构。如《一种集中式变角度展开锁定机构》公开号：CN105253327A发明人：胡明、田芳菲等，其采用了4套锁定机构锁定产品，虽能稳定锁定产品，但锁定机构占用体积及重量要求均较高。在《一种缠绕式铰接伸展臂的展开锁定机构》公开号：CN106742076A发明人：李庆、杜三虎等，其结构形式简单，类似于定位销，其占用体积小，但其仅能锁定二维运动构件，针对具有复杂运动过程的构件，其锁定后难以承受大量级振动环境。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种限位式空间旋转锁定释放机构，能够实现大型运动机构的锁定，并提高其抗环境振动力学性能。
本发明的技术解决方案是：
一种限位式空间旋转锁定释放机构，包括成对的两套组件，每套组件均包括伸缩锁定杆组件(1)、锁定释放组件(2)、平面对接机构组件(3)、应力调整组件(4)、定位组件(5)和导向结构组件(6)；
空间旋转锁定释放机构用于空间可展开产品上，定位组件(5)安装在空间可展开产品固定面上，应力调整组件(4)的一端、导向结构组件(6)的一端均安装在空间可展开产品固定面上，导向结构组件(6)的另一端与应力调整组件(4)连接，使得应力调整组件(4)以在空间可展开产品固定面上的固定点为转轴，沿导向结构组件(6)移动到定位组件(5)位置处；
应力调整组件(4)的另一端与平面对接机构组件(3)连接，平面对接机构组件(3)通过伸缩锁定杆组件(1)与锁定释放组件(2)连接，锁定释放组件(2)通过固定在空间可展开产品的中心杆上；伸缩锁定杆组件(1)通过销钉与平面对接机构组件(3)连接，实现对被压紧的空间可展开产品的锁定；
当在轨工作时，平面对接机构组件(3)及伸缩锁定杆组件(1)实现解锁，解锁之后，伸缩锁定杆组件(1)和锁定释放组件(2)形成独立单元，平面对接机构组件(3)和应力调整组件(4)形成独立单元，平面对接机构组件(3)和应力调整组件(4)构成的独立单元通过导向结构组件(6)主动运动至定位组件(5)位置，实现精准锁定。
进一步的，平面对接机构组件(3)包括对接主杆(301)、挡片(302)、连接销(303)、销轴套(304)、分离螺母(305)和对心垫圈(306)；
对接杆(301)与销轴套(304)安装接口对接后将连接销(303)依次穿过对接杆(301)和销轴套(304)安装孔再通过挡片(302)完成端口封挡，分离螺母(305)通过螺钉与销轴套(304)相连，对心垫圈(306)呈圆锥状结构，其锥角为60°，对心垫圈(306)底面端与销轴套(304)凹孔面对接；平面对接机构组件(3)与应力调整组件(4)安装后实现平面对接调整，实现与锁定释放组件(2)安装面贴合，从而降低侧向载荷产生的可能性
进一步的，锁定释放组件(2)包括对接杆(201)、销轴挡片(202)、中心轴(203)和销轴(204)；
其中对接杆(201)通过自身螺纹与空间可展开产品的中心杆相连，在装配过程中可随时调整角度，中心轴(203)通过销轴(204)与对接杆(201)以同心轴孔形式相连，安装到位后使用螺钉通过销轴挡片(202)完成两端封挡；对接杆(201)平面设有两个对称的60°圆锥孔，孔内有螺纹安装对心垫圈(306)实现产品对心安装。
进一步的，伸缩锁定杆组件(1)包括伸缩杆(101)、防卡滞导向套(102)、弹簧(103)和螺母(104)；
其中伸缩杆(101)穿过锁定释放组件(2)对接杆(201)的60°圆锥孔与平面对接机构组件(3)中分离螺母(305)实现锁定，防卡滞导向套(102)通过螺钉与锁定释放组件(2)中对接杆(201)的60°圆锥孔面反面相连，同时安装过程中保证弹簧(103)、防卡滞导向套(102)和螺母(104)组成的单元与对接杆(201)安装面间通过弹簧(103)产生相互作用力。
进一步的，应力调整组件(4)包括前锁定调整螺母(401)、前铰接头(402)、主杆(403)、卡箍销轴结构(404)、后铰接头(405)、后锁定调整螺母(406)和安装座结构(407)；
锁定调整螺母(401)用于锁定对接杆(301)与前铰接头(402)相连并形成一个单元，该单元通过不断调整前铰接头(402)和后铰接头(405)来不断增加整体刚性；前铰接头(402)、后铰接头(405)分别以螺接方式安装在主杆(403)两端，卡箍销轴结构(404)通过螺钉固定在主杆(403)上，后锁定调整螺母(406)用于锁定主杆(403)与安装座结构(407)；
前铰接头(402)为左旋螺纹，后铰接头(405)为右旋螺纹，整个应力调整组件(4)采用空间旋转运动方式实现摆动，使产品前后能够运动至所需位置且不与其它产品造成干涉。
进一步的，卡箍销轴结构(404)包括前卡箍(4011)、后卡箍(4012)、销轴(4013)以及螺母(4014)；
前卡箍(4011)、后卡箍(4012)拼接成一个单元后通过螺钉固定在主杆(403)的安装位置，销轴(4013)与后卡箍(4012)相连并通过螺母(4014)完成锁定；卡箍销轴结构(404)根据安装要求在主杆(403)上实现位置调整，最后可通过止动螺钉进行止动。
进一步的，安装座结构(407)包括对接座(4071)、后铰接头杆(4072)、安装销(4073)以及舵机(4074)；
安装销(4073)依次穿过对接座(4071)和后铰接头杆(4072)的安装孔，舵机(4074)通过螺钉与对接座(4071)安装面相连；安装过程中后铰接头(4072)可根据需求调整对接安装角度。
进一步的，定位组件(5)包括卡钩(501)、扭簧(502)、卡钩座(503)、定位销(504)、卡钩座螺钉(505)和固定座(506)；
卡钩(501)、扭簧(502)组成一个单元通过定位销(504)与卡钩座(503)相连，卡钩座(503)通过卡钩座螺钉(505)与固定座(506)安装面相连；当卡箍销轴结构(404)中的销轴(4013)以空间旋转的运动方式转到定位组件(5)固定位置并通过卡钩(501)实现相连，卡钩(501)在扭簧(502)的作用下迅速摆动回位。
进一步的，导向结构组件(6)包括导向轮(601)、曲线梁(602)和导向座(603)；导向轮(601)安装在曲线梁(602)两侧的滑槽内，在解锁后平面对接机构组件(3)和应力调整组件(4)组成一个单元，在导向结构组件(6)中曲线梁(602)的作用下以空间旋转运动路径实现与定位组件(5)中卡钩(501)的精准锁定。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明针对目前大型空间可展开产品，提出一种全新的收拢锁定机构，可广泛应用于振动条件恶劣、重量、空间要求苛刻的场合。该限位式空间旋转锁定释放机构，设计了空间四面体桁架几何结构实现最低质量的稳定锁定，同步采用施加内应力的方式大大提高了产品抗应力的振动性能，同时提出了一种全新的空间旋转解锁运动方式，其独特的设计，可使机构解锁后通过简单的驱动方式运动到所需位置，进而不会对其它组件造成影响。同时本发明还设计了伸缩锁定杆组件、锁定释放组件和平面对接机构组件等辅助组件，完善了产品功能，大大提高了产品的适应性及产品可靠性和稳定性。
(2)本发明能实现大型运动机构的锁定，并提高其抗环境振动力学性能，在解锁后其通过空间旋转运动方式可主动运动至所需位置，进而不会对其它组件造成影响，可用于在质量要求严苛，振动条件恶劣的场合。
(3)本发明设计了一种收拢锁定状态构成的四面体几何构型使其本身具有很稳定的构型，大大提高了在承受较大量级抗振环境的能力。
附图说明
图1为一种限位式空间旋转锁定释放机构原理图；
图2为限位式空间旋转锁定释放机构三维布局图，其中a为正视图，b为右视图；
图3为伸缩锁定杆组件图；
图4为锁定释放组件图；
图5为平面对接机构组件图；
图6为应力调整组件图；
图7为卡箍销轴结构图；
图8为安装座结构图；
图9为计算原理图；
图10为定位组件图；
图11为导向结构组件图；
具体实施方式
本发明给出一种限位式空间旋转锁定释放机构，该锁定机构用于在质量要求严苛，振动条件恶劣的场合，能够实现大型运动机构的锁定，并提高其抗环境振动力学性能，此外在解锁后其通过空间旋转运动方式主动运动至所需位置，解锁后仍不会对其它组件造成影响。采用四面体桁架构型，从几何结构上实现最低质量的稳定锁定，同步设计施加内应力的方案提高产品抗振性能；本发明提出空间旋转的设计方案，实现了产品可通过简单的驱动将解锁后的机构运动至所需位置，设计了锁定释放组件及平面对接机构组件，使解锁位置分离可靠性高，解锁时摩擦阻力小，设计了导向组件，使锁定机构在运动刚度不足的情况下仍然拥有极高的末位运动精度，能够实现最终位置可靠锁定。
具体的，如图1所示，本发明提出的一种限位式空间旋转锁定释放机构，包括伸缩锁定杆组件1、锁定释放组件2、平面对接机构组件3、应力调整组件4、定位组件5、导向结构组件6。一般两套产品同时使用，与被锁定产品形成稳定的四面体构型。
工作原理：空间旋转锁定释放机构用于空间可展开产品上，定位组件5安装在空间可展开产品固定面(见图1中b)上，应力调整组件4的一端、导向结构组件6的一端均安装在空间可展开产品固定面上，导向结构组件6的另一端与应力调整组件4连接，使得应力调整组件4以在空间可展开产品固定面上的固定点为转轴，沿导向结构组件6移动到定位组件5位置处；
应力调整组件4的另一端与平面对接机构组件3连接，平面对接机构组件3通过伸缩锁定杆组件1与锁定释放组件2连接，锁定释放组件2通过固定在空间可展开产品的中心杆(见图1中a)上；伸缩锁定杆组件1通过销钉与平面对接机构组件3连接，伸缩杆101通过螺纹与分离螺母305连接后，即可实现对被压紧物的锁定。
当在轨工作时，平面对接机构组件3及伸缩锁定杆组件1实现解锁，解锁之后，伸缩锁定杆组件1和锁定释放组件2形成独立单元，平面对接机构组件3和应力调整组件4形成独立单元。
平面对接机构组件3和应力调整组件4构成的独立单元通过导向结构组件6可主动运动至定位组件5所示位置，实现精准锁定，同时在整个解锁和锁定工作过程中均不会对其它组件造成影响。达到空间旋转锁定释放机构的预定效果。
以限位式空间旋转锁定释放机构为例，其三维布局图如图2所示。
如图3所示，伸缩锁定杆组件1包括伸缩杆101、防卡滞导向套102、弹簧103和螺母104。
其中伸缩杆101穿过锁定释放组件2对接杆201的60°圆锥面通孔与平面对接机构组件3中分离螺母305实现锁定，防卡滞导向套102通过螺钉与锁定释放组件2中对接杆20160°圆锥孔面反面相连，同时安装过程中保证弹簧103与防卡滞导向套102和螺母104组成的单元与对接杆201安装面间通过弹簧103产生一定的相互作用力。
该组件特点：增加了伸缩杆101导向长度，降低侧向载荷造成的摩擦，大大提高了解锁可靠性。
如图4所示，锁定释放组件2包括对接杆201、销轴挡片202、中心轴203和销轴204。
其中对接杆201通过自身螺纹与空间可展开产品的中心杆相连，在装配过程中可随时调整角度，便于安装。中心轴203通过销轴204同心轴孔形式相连，安装到位后使用螺钉通过销轴挡片202完成两端封挡。该组件特点在于对接杆201平面设计2个对称的60°圆锥孔，孔内有螺纹可安装对心垫圈306便于实现产品对心安装。
如图5所示，平面对接机构组件3包括对接主杆301、挡片302、连接销303、销轴套304、分离螺母305和对心垫圈306。
对接杆301与销轴套304安装接口对接后将连接销303依次穿过对接杆301和销轴套304安装孔再通过挡片302完成端口封挡，分离螺母305通过螺钉与销轴套304相连，对心垫圈306无60°锥面端与销轴套304凹孔面对接。该组件特点在于平面对接机构组件3与应力调整组件4安装后可实现平面对接调整，达到与锁定释放组件2安装面实现完美贴合，从而降低侧向载荷产生的可能性。
如图6所示，应力调整组件4包括前锁定调整螺母401、前铰接头402、主杆403、卡箍销轴结构404、后铰接头405、后锁定调整螺母406和安装座结构407。
锁定调整螺母401用于锁定平面对接结构组件3中的对接杆301与应力调整组件4中的前铰接头402相连并形成一个单元，该单元可通过不断调整前铰接头402和后铰接头405来不断增加图1所示整体安装结构的刚性，且便于整个机构的安装对接。前铰接头402、后铰接头405分别以螺接方式安装在主杆403两端，卡箍销轴结构404通过螺钉固定在主杆403上，后锁定调整螺母406用于锁定主杆403与安装座结构407；
该组件特点：前铰接头402为左旋螺纹，后铰接头405为右旋螺纹，整个组件采用空间旋转运动方式实现摆动，使产品前后能够运动至所需位置且不与其它任何产品造成影响。
如图7所示，卡箍销轴结构404包括前卡箍4011、后卡箍4012、销轴4013、螺母4014。
前卡箍4011、后卡箍4012拼接成一个单元后通过螺钉固定在主杆403的安装位置，销轴4013与后卡箍4012相连并通过螺母4014完成锁定。
该组件特点：卡箍销轴结构404可根据安装要求在主杆403上实现位置调整，最后可通过止动螺钉进行止动。
如图8所示，安装座结构407包括对接座4071、后铰接头杆4072、安装销4073、舵机4074。
安装销4073依次穿过对接座4071和后铰接头杆4072的安装孔，舵机4074通过螺钉与对接座4071安装面相连。
该组件特点：安装过程中后铰接头4072可根据需求调整对接安装角度。
如图9所示，其安装角度计算方法为：
O为安装位置中心点、D点为卡箍销轴结构404中心点、E点为销轴4013中心点。
设初始位置坐标：
D:(Xd,Yd,Zd)
E:(Xe,Ye,Ze)
锁定位置坐标：
D′:(X′d,Y′d,Z′d)
E′:(X′e,Y′e,Z′e)
则所需转轴方程式为：
Figure BDA0002828558530000091
Figure BDA0002828558530000092
将坐标带入上述方程：
X＝ay (3)
Z＝by (4)
取y＝1将计算简化，则转轴长度OA：
Figure BDA0002828558530000093
转轴方向余弦：
Figure BDA0002828558530000094
Figure BDA0002828558530000095
Figure BDA0002828558530000096
转轴与水平面夹角：
Figure BDA0002828558530000097
Figure BDA0002828558530000098
转轴在水平面内与Z轴的夹角
Figure BDA0002828558530000099
Figure BDA0002828558530000101
如图10所示，定位组件5包括卡钩501、扭簧502、卡钩座503、定位销504、卡钩座螺钉505和固定座506。
卡钩501、扭簧502组成一个单元通过定位销504与卡钩座503相连，卡钩座503通过卡钩座螺钉505与固定座506安装面相连。该组件特点：当卡箍销轴结构404中的销轴4013以空间旋转的运动方式转到定位组件5固定位置并通过卡钩501实现相连，卡钩501在扭簧502的作用下可迅速摆动回位。
如图11所示，导向结构组件6包括导向轮601、曲线梁602导向座603。
导向轮601安装在曲线梁602两侧的滑槽内，在解锁后平面对接机构组件3和应力调整组件4组成一个单元，在导向结构组件6中曲线梁602的作用以空间旋转运动路径实现与定位组件5中卡钩501的精准锁定，
该组件特点：为刚度不足的运动机构在整个运动过程中提供末位运动精度的控制。
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 (9)

1.一种限位式空间旋转锁定释放机构，其特征在于：包括成对的两套组件，每套组件均包括伸缩锁定杆组件(1)、锁定释放组件(2)、平面对接机构组件(3)、应力调整组件(4)、定位组件(5)和导向结构组件(6)；
空间旋转锁定释放机构用于空间可展开产品上，定位组件(5)安装在空间可展开产品固定面上，应力调整组件(4)的一端、导向结构组件(6)的一端均安装在空间可展开产品固定面上，导向结构组件(6)的另一端与应力调整组件(4)连接，使得应力调整组件(4)以在空间可展开产品固定面上的固定点为转轴，沿导向结构组件(6)移动到定位组件(5)位置处；
应力调整组件(4)的另一端与平面对接机构组件(3)连接，平面对接机构组件(3)通过伸缩锁定杆组件(1)与锁定释放组件(2)连接，锁定释放组件(2)通过固定在空间可展开产品的中心杆上；伸缩锁定杆组件(1)通过销钉与平面对接机构组件(3)连接，实现对被压紧的空间可展开产品的锁定；
当在轨工作时，平面对接机构组件(3)及伸缩锁定杆组件(1)实现解锁，解锁之后，伸缩锁定杆组件(1)和锁定释放组件(2)形成独立单元，平面对接机构组件(3)和应力调整组件(4)形成独立单元，平面对接机构组件(3)和应力调整组件(4)构成的独立单元通过导向结构组件(6)主动运动至定位组件(5)位置，实现精准锁定。
2.根据权利要求1所述的一种限位式空间旋转锁定释放机构，其特征在于：平面对接机构组件(3)包括对接主杆(301)、挡片(302)、连接销(303)、销轴套(304)、分离螺母(305)和对心垫圈(306)；
对接主杆(301)与销轴套(304)安装接口对接后将连接销(303)依次穿过对接主杆(301)和销轴套(304)安装孔再通过挡片(302)完成端口封挡，分离螺母(305)通过螺钉与销轴套(304)相连，对心垫圈(306)呈圆锥状结构，其锥角为60°，对心垫圈(306)底面端与销轴套(304)凹孔面对接；平面对接机构组件(3)与应力调整组件(4)安装后实现平面对接调整，实现与锁定释放组件(2)安装面贴合，从而降低侧向载荷产生的可能性。
3.根据权利要求2所述的一种限位式空间旋转锁定释放机构，其特征在于：
锁定释放组件(2)包括对接杆(201)、销轴挡片(202)、中心轴(203)和销轴(204)；
其中对接杆(201)通过自身螺纹与空间可展开产品的中心杆相连，在装配过程中可随时调整角度，中心轴(203)通过销轴(204)与对接杆(201)以同心轴孔形式相连，安装到位后使用螺钉通过销轴挡片(202)完成两端封挡；对接杆(201)平面设有两个对称的60°圆锥孔，孔内有螺纹安装对心垫圈(306)实现产品对心安装。
4.根据权利要求3所述的一种限位式空间旋转锁定释放机构，其特征在于：伸缩锁定杆组件(1)包括伸缩杆(101)、防卡滞导向套(102)、弹簧(103)和螺母(104)；
其中伸缩杆(101)穿过锁定释放组件(2)对接杆(201)的60°圆锥孔与平面对接机构组件(3)中分离螺母(305)实现锁定，防卡滞导向套(102)通过螺钉与锁定释放组件(2)中对接杆(201)的60°圆锥孔面反面相连，同时安装过程中保证弹簧(103)、防卡滞导向套(102)和螺母(104)组成的单元与对接杆(201)安装面间通过弹簧(103)产生相互作用力。
5.根据权利要求4所述的一种限位式空间旋转锁定释放机构，其特征在于：应力调整组件(4)包括前锁定调整螺母(401)、前铰接头(402)、主杆(403)、卡箍销轴结构(404)、后铰接头(405)、后锁定调整螺母(406)和安装座结构(407)；
锁定调整螺母(401)用于锁定对接主杆(301)与前铰接头(402)相连并形成一个单元，该单元通过不断调整前铰接头(402)和后铰接头(405)来不断增加整体刚性；前铰接头(402)、后铰接头(405)分别以螺接方式安装在主杆(403)两端，卡箍销轴结构(404)通过螺钉固定在主杆(403)上，后锁定调整螺母(406)用于锁定主杆(403)与安装座结构(407)；
前铰接头(402)为左旋螺纹，后铰接头(405)为右旋螺纹，整个应力调整组件(4)采用空间旋转运动方式实现摆动，使产品前后能够运动至所需位置且不与其它产品造成干涉。
6.根据权利要求5所述的一种限位式空间旋转锁定释放机构，其特征在于：卡箍销轴结构(404)包括前卡箍(4011)、后卡箍(4012)、销轴(4013)以及螺母(4014)；
前卡箍(4011)、后卡箍(4012)拼接成一个单元后通过螺钉固定在主杆(403)的安装位置，销轴(4013)与后卡箍(4012)相连并通过螺母(4014)完成锁定；卡箍销轴结构(404)根据安装要求在主杆(403)上实现位置调整，最后可通过止动螺钉进行止动。
7.根据权利要求5所述的一种限位式空间旋转锁定释放机构，其特征在于：安装座结构(407)包括对接座(4071)、后铰接头杆(4072)、安装销(4073)以及舵机(4074)；
安装销(4073)依次穿过对接座(4071)和后铰接头杆(4072)的安装孔，舵机(4074)通过螺钉与对接座(4071)安装面相连；安装过程中后铰接头杆(4072)可根据需求调整对接安装角度。
8.根据权利要求6所述的一种限位式空间旋转锁定释放机构，其特征在于：定位组件(5)包括卡钩(501)、扭簧(502)、卡钩座(503)、定位销(504)、卡钩座螺钉(505)和固定座(506)；
卡钩(501)、扭簧(502)组成一个单元通过定位销(504)与卡钩座(503)相连，卡钩座(503)通过卡钩座螺钉(505)与固定座(506)安装面相连；当卡箍销轴结构(404)中的销轴(4013)以空间旋转的运动方式转到定位组件(5)固定位置并通过卡钩(501)实现相连，卡钩(501)在扭簧(502)的作用下迅速摆动回位。
9.根据权利要求8所述的一种限位式空间旋转锁定释放机构，其特征在于：导向结构组件(6)包括导向轮(601)、曲线梁(602)和导向座(603)；导向轮(601)安装在曲线梁(602)两侧的滑槽内，在解锁后平面对接机构组件(3)和应力调整组件(4)组成一个单元，在导向结构组件(6)中曲线梁(602)的作用下以空间旋转运动路径实现与定位组件(5)中卡钩(501)的精准锁定。
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