DE19848427A1

DE19848427A1 - Federdorn-Koppelmechanismus

Info

Publication number: DE19848427A1
Application number: DE19848427A
Authority: DE
Inventors: Erich Schafhauser; Joachim Karstendiek
Original assignee: OHB ORBITAL und HYDROTECHNOLOG
Current assignee: OHB ORBITAL und HYDROTECHNOLOG
Priority date: 1998-10-21
Filing date: 1998-10-21
Publication date: 2000-04-27

Abstract

Die Erfindung ist ein neuartiger Koppelmechanismus, mit dem zwei technische Geräte miteinander gekoppelt werden können. DOLLAR A Er besteht aus einer Baueinheit mit einem Federdorn und einem Anlagekopf am aktiv bewegten Fanggerät. Die Kopplung erfolgt in drei Schritten, die keine Selbsthemmung bewirken, und somit auch in umgekehrter Reihenfolge wieder lösbar und wiederholbar ist: DOLLAR A Schritt 1: der Federdorn wird vom Fanggerät in eine Aufnahme am passiven Zielgerät eingeführt. DOLLAR A Schritt 2: der Federdorn wird, ohne Krafteinwirkung auf das Zielgerät, aufgespreitzt und stellt damit eine sichere, aber noch lose Verbindung her. DOLLAR A Schritt 3: das Zielgerät wird gegen eine Anlagefläche am Anlagekopf fest verspannt. DOLLAR A Die Kopplung erfolgt ausschließlich durch Hub der Hubstange des Federdorns in Verbindung mit passiven mechanischen Federkräften. Die Hubstange wird extern angetrieben. DOLLAR A Der Mechanismus kann einfach an verschiedenartige Aufnahmen an Zielgeräten angepaßt werden. Er ist besonders auch zum Koppeln frei beweglicher Fahrzeuge und Geräte, z. B. der Luft/Raumfahrt- und Unterwassertechnik, geeignet.

Description

A Hintergrund und Zielsetzungen

Die Erfindung bezieht sich auf einen Koppelmechanismus, mit dem zwei technische Geräte fest miteinander gekoppelt werden können. Dabei ist der Koppelmechanismus, wie zumeist üblich an einem aktiven Gerät (im folgenden kurz "Fänger" genannt) angebracht, das die zum Koppeln nötigen Bewegungen und den Antrieb des Koppelmechanismus kontrolliert und ausführt. Das Gerät, an dem der Fänger ankoppelt (im folgenden kurz "Ziel" genannt) spielt während des Koppelvorgangs üblicherweise eine passive Rolle. Am Ziel befindet sich eine Aufnahme für den Koppelmechanismus. Es ist insgesamt entweder unbeweglich, oder führt Bewegungen aus, die langsamer sind als die Beweglichkeit des Fängers. Solche Koppelmechanismen unterschiedlicher Bauart sind allgemein bekannt und werden in vielen technischen Gebieten eingesetzt. Die meisten der bekannten Mechanismen basieren darauf:

- daß Fänger und Ziel ursprünglich für die Kopplung ausgelegt sind, d. h., der aktive Koppelmechanismus am Fänger und die passive Aufnahme am Ziel sind passend zueinander gefertigt und an beiden Geräten angebracht,
- daß sich das Ziel während der Kopplung - wenn auch oft passiv - doch so stabil verhält, daß beim Herstellen der ersten mechanischen Verbindung der Fänger auch Kräfte auf das Ziel ausüben darf.

Der heutige Stand der Automations- und Robotik-Technologie, insbesondere für die Fernsteuerung von Fahrzeugen und Manipulatoren, erweitert den Einsatzbereich von Koppelmechanismen zunehmend:

- zum Fangen oder Bergen von Zielen, die nicht ursprünglich für eine Kopplung ausgelegt sind,
- zum Koppeln an Zielen, die sich auf komplexe Art frei bewegen, und die möglichst kräftefrei sicher eingefangen werden müssen bevor eine feste Verbindung hergestellt werden kann. Dies trifft besonders auf räumlich frei bewegliche Ziele, wie z. B. Luft/Raumfahrt- oder Unterwassergeräte, zu.

Die beantragte Erfindung hat diesen erweiterten Einsatzbereich als generelle Zielrichtung.

B Beschreibung

Das spezielle technische Problem das zu der Erfindung führte, und das der folgenden Beschreibung als Ausführungsbeispiel zugrunde liegt, ist eine Aufgabenstellung aus dem Raumfahrtbereich mit hohen Ansprüchen an die eingesetzte Automations- und Robotiktechnologie:

- Ein Satellit (Ziel) ist im Orbit ausgefallen und nicht kontrollierbar. Er führt eine langsame Taumel bewegung aus, könnte aber durch eine relativ einfache Reparatur wieder in Betrieb gesetzt werden. Ein Reparatursatellit (Fänger) soll ihn anfliegen, daran ankoppeln, mit einem Manipulator mit wechselbaren Werkzeugen die Reparatur ausführen, und danach wieder ablegen.
- Der erfundene Federdorn-Koppelmechanismus ist als Manipulatorwerkzeug ausgelegt. Er dient dem Einfangen des Zielsatelliten und zur Herstellung einer ersten festen mechanischen Kopplung. Abgestützt auf diese Kopplung positioniert der Manipulator den Reparatursatelliten so, daß eine endgültige Klammerverbindung geschlossen werden kann, und der Manipulator für die Reparaturarbeiten frei wird.
- Der Zielsatellit hat keine vorgesehene Koppelaufnahme. Für die erste Kopplung wurde die Düse des Apogäumsmotors ausgewählt, die die Verbindungskräfte aufnehmen kann, und deren Geometrie bekannt ist.

Der mechanische Aufbau und die Funktionsweise des Federdorn-Koppelmechanismus ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 4, und sind in Bild 1 als Übersicht dargestellt.

Mechanischer Aufbau

Der erfundene Federdorn-Koppelmechanismus ist als eine Baueinheit ausgeführt, die aus einem Federdorn (1) und einem Anlagekopf (2) besteht. Der Anlagekopf ist fest mit einem Gehäuse (4) verbunden, in dem sich der Antrieb, sowie ggf. Kontrollelektronik und Sensoren befinden. Die Hubstangenkupplung (3) verbindet die Hubstange (1.2) des Federdorns mit dem Antrieb. Antrieb und Kupplung bewirken eine reine Hubbewegung, keine Verdrehung der Hubstange. Der Federdorn wird in die Aufnahme (5) am Zielgerät eingeführt und verspannt. Gehäuse (4) mit Antrieb, Kupplung (3) und Aufnahme (5) können in unterschiedlicher bekannter Technik ausgeführt sein und sind nicht Teil der Erfindung.

Federdorn (1)

Ein Kranz von Federstäben (1.3) ist in einen Federkolben (1.5) fest eingesetzt, der sich gegen eine vorgespannte Druckfeder (1.6) in der Kolbenbohrung (2.2) im Anlagekopf bewegen läßt. Durch eine Bohrung im Federkolben ist eine Hubstange (1.2) geführt, auf die eine lose Distanzbuchse (1.4) geschoben ist. Am vorderen Ende der Hubstange ist ein Doppelkonus (1.1) fest montiert, dessen Spitze bei der Einführung in die Aufnahme zentrierend wirkt. Der Doppelkonus besteht aus zwei Teilen, die auf einem Gewinde an der Hubstange gekontert sind, und so eine genaue Längeneinstellung ermöglichen. Das hintere Ende der Hubstange ragt aus dem Anlagekopf hinaus, und wird über die Kupplung (3) mit dem Antrieb verbunden. Die bewegliche Distanzbuchse (1.4) ist um den "Aufspreizhub" (Hub 1, Bild 1) kürzer als die Distanz zwischen unterem Konusende und dem Federkolben bei voll ausgefahrener Hubstange. Die vorderen Enden der Federstäbe sind passend zu der Aufnahme vorgeformt und liegen im gelösten Zustand mit leichter Vorspannung als Federkranz am hinteren Konusteil an. Somit kann der Federdorn mit Spiel in die Aufnahme eingeführt werden. Die Formgebung des Federkranzes gewährleistet auch, daß sich die Verspannung mit der Aufnahme ohne Selbsthemmung wieder lösen läßt.

Anlagekopf (2)

Der Anlagekopf hat eine zur Aufnahme (5) passend geformte Anlagefläche (2.3). Diese gewährleistet eine kraftschlüssige Verspannung, die ohne Selbsthemmung wieder gelöst werden kann. Geeignet ge formte Führungen an Aufnahme und Anlagekopf ermöglichen dabei eine axiale Ausrichtung der hergestellten Verbindung. In begrenztem Maß ist auch eine Führung und Ausrichtung der Drehrichtung möglich, wobei die grobe Ausrichtung durch den Fänger gewährleistet wird. Die Kolbenbohrung (2.2) nimmt den Federkolben (1.5) und die Druckfeder (1.6) des Federdorns auf. Die Hubstange (1.2) läuft durch eine Paßbohrung am unteren Ende der Kolbenbohrung. Die Spannmutter (2.3) sichert den Federkolben und erlaubt eine Feineinstellung der Vorspannkraft der Druckfeder.

Funktionsweise

Bei dem Federdorn Koppelmechanismus erfolgt die mechanische Kopplung ausschließlich durch Zug an der Hubstange des Federdornes relativ zum Anlagekopf, das Lösen erfolgt entsprechend durch Druck.

Alle weiteren Funktionen werben passiv durch die mechanischen Federkräfte der Druckfeder und der Federstäbe bewirkt. Die mechanische Kopplung erfolgt in drei Schritten (siehe Bild 1):

1. Einführen

Der Federdorn wird durch kontrollierte Bewegungen des Fängers in die Aufnahme am Zielgerät eingeführt. Die Hubstange des Koppelmechanismus ist dabei voll ausgefahren und die Federstäbe liegen an. Der Konus wirkt beim Einführen zentrierend, und erlaubt Fehlertoleranzen mit leichten Kollisionen im Festigkeitsbereich des Federdorns. Das Einführen und das Erreichen der notwendigen Eintauchtiefe wird durch den Fänger kontrolliert.

2. Sichern durch Aufspreizen

Wenn die notwendige Eintauchtiefe erreicht ist, wird zunächst eine sichere, aber noch lose mechanische Verbindung zwischen Fänger und Ziel hergestellt, ohne auf das Ziel eine direkte Kraft auszuüben. Durch Zug an der Hubstange (Hub 1) werden die Federstäbe durch den hinteren Konusteil aufgespreizt. Die Vorspannung der Druckfeder in der Kolbenbohrung verhindert dabei das Zurückgleiten des Federkolbens solange, bis der Konus an der Distanzbuchse anliegt, d. h., bis die Federstäbe voll aufgespreizt sind, ohne daß sich die Distanz des Federkranzes relativ zum Anlagekopf verringert. Der aufgespreizte Federkranz ist größer als die Öffnung der Aufnahme und kann nicht mehr zurückgleiten.

3. Verspannen

Die feste mechanische Verspannung von Fang- und Zielgerät erfolgt durch weiteren Zug an der Hubstange (Hub 2 = Hub 2a + Hub 2b). Der Konus drückt auf die Distanzbuchse und diese den Federkolben gegen die Kraft der Druckfeder nach hinten. Dabei verringert sich die Distanz zwischen dem gespreizten Federkranz und dem Anlagekopf (um Hub 2a + Hub 2b) bis eine fest gespannte mechanische Verbindung besteht. Führung, Ausrichtung und Festigkeit der mechanischen Verbindung sind durch die Gestaltung von Aufnahme, Federkranz und Anlagefläche, und durch die Leistung des Antriebs bestimmbar. Bei einem selbsthemmenden Antrieb ist für das Halten der Verbindung danach keine weitere Kraft erforderlich. Die Verbindung ist in umgekehrter Reihenfolge auch wieder lösbar, und damit insgesamt wiederholbar.

C Vorteile des Erfindung

Der beschriebene Koppelmechanismus ist, neben bekannten Kopplungsaufgaben, besonders für frei bewegliche Fahrzeuge und Geräte in schwierigen und technologisch neuartigen Einsatzgebieten wie der Raumfahrt- und Unterwassertechnik geeignet. Die Funktionsweise in drei Schritten: - Einführen - Sichern - Verspannen - ist hierfür besonders vorteilhaft, auch daß die Verbindung wieder lösbar und damit wiederholbar ist.

Der Mechanismus stellt keine hohen Anforderungen an die Aufnahme. Damit ist er auch anpaßbar an, Zielgeräte, die für Kopplung nicht vorgesehen waren. Insbesondere benötigt er keine über die Kontur hinausragenden, kooperativ funktionierende Aufnahmebauteile. Eine bekannte Bohrung mit ausreichender Festigkeit würde für den geringen Platzbedarf des Federdorns ausreichen.

Die Betätigung ausschließlich durch die Hubstange in Verbindung passiven mechanischen Federkräften ist einfach, zuverlässig und robust. Die Kolbenbohrung kann ggf. abgedichtet werden (z. B. O-Ringe), so daß der Mechanismus auch in relativ verunreinigter Umgebung, z. B. unter Wasser, einsetzbar ist.

Die Ausführung als separate Baueinheit mit Federdorn und Anlagekopf kann leicht an unterschiedliche Aufnahmen an Zielgeräten angepaßt, und mit unterschiedlichen Antriebs- und Kontrolleinheiten bekannter Technik kombiniert werden.

D Stand der bisherigen Technik

Es sind uns keine Koppelmechanismen dieser Bauart oder Veröffentlichungen über solche bekannt.

Claims

1. Federdom-Koppelmechanismus, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einer Baueinheit mit einem schlanken Federdorn sowie einem Anlagekopf am aktiv bewegten Fanggerät besteht. Die Kopplung erfolgt in drei Schritten. In Schritt 1 wird der Federdorn in eine Aufnahme am passiven Zielgerät eingeführt, in Schritt 2 wird er ohne Krafteinwirkung auf das Zielgerät aufgespreizt, und stellt damit eine sichere, aber noch lockere Verbindung her, in Schritt 3 wird das Zielgerät gegen eine Anlagefläche am Koppelmechanismus fest verspannt. Die Verbindung ist nicht selbsthemmend, so daß sie in umgekehrter Reihenfolge wieder lösbar und damit insgesamt wiederholbar ist.

2. Koppelmechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kranz von Federstäben in einen Federkolben fest eingesetzt ist, der sich gegen eine vorgespannte Druckfeder in einer Bohrung im Anlagekopf bewegen läßt. Durch eine Bohrung im Federkolben ist eine Hubstange geführt, auf die eine lose Distanzbuchse geschoben ist. Am vorderen Ende der Hubstange ist ein Doppelkonus fest montiert, dessen Spitze bei der Einführung in die Aufnahme zentrierend wirkt. Die vorderen freien Enden der Federstäbe sind passend zu der Aufnahme vorgeformt und liegen im gelösten Zustand mit leichter Vorspannung als Federkranz am hinteren Konusteil an. Dies gewährleistet, daß der Federdorn mit Spiel in die Aufnahme eingeführt werden kann.

3. Koppelmechanismus nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Kopplung ausschließlich durch Zug an der Hubstange des Federdornes relativ zum Anlagekopf, und durch passive mechanische Federkräfte erfolgt. Dazu ist die Hubstange durch eine Kupplung verdrehgesichert mit einem Antrieb am Fanggerät verbunden. Kupplung, Verdrehsicherung, Antrieb (z. B. elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch), sowie benötigte Sensorik und Kontrollelektronik sind in bekannter Technik ausführbar.

4. Koppelmechanismus nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Kopplung in drei Schritten erfolgt:
Schritt 1: Einführen des Federdornes in die Aufnahme am Zielgerät durch kontrollierte Bewegungen des Fanggerätes. Die Hubstange des Koppelmechanismus ist dabei voll ausgefahren und die Federstäbe liegen an.
Schritt 2: Herstellen einer sicheren, aber noch losen mechanischen Verbindung zwischen Fang- und Ziel gerät ohne direkte Kraftausübung auf das Zielgerät. Durch Zug an der Hubstange werden die Federstäbe durch den hinteren Konusteil des Federdornes aufgespreizt. Die Vorspannung der Druckfeder in der Kolbenbohrung verhindert das Zurückgleiten des Federkolbens solange, bis der Konus an der Distanzbuchse anliegt, d. h., bis die Federstäbe voll aufgespreizt sind, ohne daß sich die Distanz des Federkranzes relativ zum Anlagekopf verringert. Der aufgespreizte Federkranz ist größer als die Öffnung der Aufnahme und kann nicht mehr zurückgleiten.
Schritt 3: Feste mechanische Verspanung von Fang- und Ziel gerät. Durch weiteren Zug an der Hubstange drückt der Konus auf die Distanzbuchse und zieht den Federkolben nach hinten. Dabei verringert sich die Distanz zwischen dem gespreizten Federkranz und dem Anlagekopf bis eine fest gespannte mechanische Verbindung besteht. Ausrichtung und Festigkeit der mechanischen Verbindung sind durch die Gestaltung von Aufnahme, Federkranz und Anlagefläche, und durch die Leistung des Antriebs bestimmbar.

5. Koppelmechanismus nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der eigentliche Mechanismus mit Federdorn und Anlagekopf als separate Baueinheit ausgeführt ist, die an unterschiedliche Aufnahmen an Zielgeräten angepaßt, mit unterschiedlichen Antriebs- und Kontrolleinheiten bekannter Technik kombiniert, und an Fanggeräten unterschiedlicher Einsatzgebiete genutzt werden kann.