CN103358325B - 基于槽轮机构的轨道工具更换器 - Google Patents

Abstract

基于槽轮机构的轨道工具更换器，涉及到空间机器人在轨服务领域。本发明为了解决现有的轨道工具更换器存在质量大、结构过于复杂，影响了空间作业的可靠性的问题。本发明通过两套驱动系统实现了这两种接口形式。对于机械传递，本发明利用第一套驱动系统的电机驱动齿轮，由齿轮带动传动轴，并由传动轴上的螺栓套筒与另一端的螺栓头对接来实现此功能。对于电气传递，在电连接器实现对接之前，通过拨盘带动槽轮实现工具端的锁紧，即第二套驱动系统用一个电机动力输入通过槽轮调整时序，实现了工具端锁紧和电连接器对接两种动作输出。本发明具有较大的位姿容差能力。结构紧凑、位姿容差大、可靠性高，满足空间机器人在轨道上自主更换末端工具的要求。

Description

基于槽轮机构的轨道工具更换器

技术领域

本发明涉及到空间机器人在轨服务领域，具体涉及一种基于槽轮机构的轨道工具更换器。

背景技术

随着技术的进步，人类的活动在不断地向太空扩展。据统计，全球平均每年发射80～130颗卫星，然而有2～3颗卫星未能正确入轨，而正确入轨的卫星中，又有5～10颗在寿命初期即失效，这导致了巨大的经济损失。为了尽可能挽回损失，各国正在研究以空间机器人为手段，以卫星维修、生命延长及太空垃圾清除为目的的空间机器人在轨服务技术。

然而，空间作业的复杂性决定了靠单一末端工具无法完成所有的在轨任务，因此，需要研制一套多工具系统以适应不同的任务。工具的多样性决定了其在轨必须具有可更换性。因此，不仅要研制可更换末端操作器，更需要研制与其配套的轨道工具更换器，以实现不同在轨工具的更换。轨道工具更换器与末端工具有两种接口形式，一种是电传递，包括电能的供给和控制信号的发送；另一种是机械传递，即末端工具更换器直接将电机旋转力矩经机械接口传递给末端工具。这两种接口对于空间在轨服务均具有重要的作用，通常，轨道工具更换器要兼备这两种接口形式。受机械臂的精度所限，轨道工具更换器必须具有较大的位姿容差能力，以便顺利实现与可更换末端器的对接。

目前，经在轨验证的轨道工具更换器主要包括两种：一种是加拿大研制的用于SPDM(Special Purpose Dextrous Manipulator)末端的OTCM(ORU Tool ChangeoutMechanism)，一种是日本ETS VII演示验证项目上空间机械臂末端的工具接口。前者质量达600kg(用于空间站)，这对于一个在轨服务机器人而言，如此大的质量几乎是不可接受的；后者包含三个手爪，结构过于复杂，影响了空间作业的可靠性。

据目前掌握的资料来看，现有技术尚未成功研制质量小、体积小、低功耗、大位姿容差以及高可靠性的空间机器人轨道工具更换器。而我国的在轨服务机器人开发已提上日程，现正处于设计验证阶段。有鉴于此，本发明是未来我国空间在轨服务的一项重要技术储备。

发明内容

本发明为了解决现有的轨道工具更换器存在质量大、结构过于复杂，影响了空间作业的可靠性，进而提供了一种基于槽轮机构的轨道工具更换器。本发明旨在为空间机器人在轨作业提供多种操作工具。本发明能适应背景技术中的两种输出接口。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种基于槽轮机构的轨道工具更换器，所述轨道工具更换器包含包括工具端接口、壳体、底端盖、下支撑环、上支撑环、电路板支撑架、电气系统、第一套驱动系统和第二套驱动系统，上支撑环、下支撑环、电路板支撑架由上至下依次安装在壳体内，电气系统、第一套驱动系统和第二套驱动系统均置于壳体内，电气系统置于电路板支撑架上，壳体下端端面与底端盖连接；工具端接口套装在壳体上；

所述第一套驱动系统(实现机械传递)包括第一输入装置、第一传动装置和第一输出装置；第一输入装置为第一含行星减速器电机，第一传动装置由第一小齿轮、第一传动轴齿轮和第一传动轴组成；第一输出装置为螺栓套筒；第一含行星减速器电机(通过螺钉)固定在下支撑环上，第一小齿轮(如通过紧定螺钉)固定在第一含行星减速器电机的输出轴上；第一传动轴齿轮通过键实现在第一传动轴的周向定位，第一传动轴齿轮通过紧固件(如螺母)和套筒实现轴向定位；第一传动轴由一对深沟球轴承支撑，这个两个轴承分别嵌入到下支撑环和上支撑环上；螺栓套筒由压缩弹簧、压板(通过螺钉)固定在第一传动轴上；在与工具端的螺栓头对接时，通过压紧压缩弹簧以及旋转第一传动轴可使工具头螺栓嵌入到螺栓套筒中；

所述第二套驱动系统(实现工具端接口压紧)包括第二输入装置、第二传动装置和第二输出装置，第二输入装置为第二含行星减速器电机，通过第二含行星减速器电机利用槽轮调整时序可实现工具端接口压紧和电连接器对接两种功能；第二传动装置由第二齿轮、拨盘长轴齿轮、拨盘长轴、拨盘长轴一侧的拨盘、拨盘短轴、拨盘短轴一侧的拨盘、两个钢丝轮、钢丝以及曲柄连杆机构组成；经钢丝传动将拨盘长轴上的输入力矩传递给拨盘短轴，拨盘短轴带动另一侧拨盘和两套曲柄连杆机构，用于实现对称压紧和电连接器对接；第二输出装置由两个从动槽轮组成，拨盘长轴的拨盘和拨盘短轴的拨盘各驱动一个从动槽轮；

电机固定在电机座上，电机座(通过螺钉)固定在下支撑环上，第二齿轮(通过紧定螺钉)固定在电机的输出轴上，拨盘长轴齿轮通过键实现在拨盘长轴的周向固定，通过套筒实现轴向定位；拨盘长轴由一对轴承支撑；拨盘长轴上的拨盘通过键实现在拨盘长轴的周向固定，通过轴肩和套筒实现轴向定位；拨盘上装有用于拨动从动槽轮的拨盘销，拨盘销固定在拨盘上；两个钢丝轮分别固定在拨盘长轴和拨盘短轴上，拨盘长轴上的钢丝轮通过键实现周向固定，通过轴肩和套筒实现轴向定位；拨盘短轴上的钢丝轮通过键实现周向固定，通过轴肩和套筒实现轴向定位；拨盘长轴一侧钢丝轮通过钢丝带动拨盘短轴一侧钢丝轮转动；钢丝(两侧各有一小球)两端分别通过钢丝压板和预紧块安装在两个钢丝轮上。通过使钢丝的一侧小球嵌入到钢丝压板(通过螺钉固定在钢丝轮上)上，使此侧钢丝固定在钢丝轮上；钢丝的另一侧小球嵌入到预紧块中；拨盘短轴一侧拨盘通过键实现周向固定，通过轴肩和套筒实现轴向定位；从动槽轮通过轴肩和套筒固定在槽轮轴上，槽轮轴由与轴承相同的一对轴承支撑在轴承座上；

每套曲柄连杆机构包括曲柄和连杆；曲柄连杆机构对称布置，凸轮长轴上连接有一套曲柄连杆机的曲柄，为了实现输出装置滑块的横向受力平衡，经钢丝传动将拨盘长轴上的输入力矩传递给拨盘短轴，拨盘短轴带动另一侧曲柄连杆机构，使两套连杆对滑块作用的横向力抵消；用于绝对位置传感的电位计(通过螺钉)固定在支撑块上，其轴孔套在拨盘长轴上；用于限位的霍尔传感器通过胶接粘在所述支撑块上，磁钢镶在拨盘长轴齿轮上；曲柄(经紧定螺钉)固定在拨盘长轴上，连杆与曲柄通过销轴连接；滑块与连杆通过销轴连接，滑块上装有电连接器。

轨道工具更换器含两套驱动系统，而每套系统由输入装置、传动装置、输出装置和电气装置组成；第一套驱动系统(机械传递)所述输入装置由电机组成，传动装置由直齿轮和传动轴组成，输出装置为螺栓套筒(用于与可更换末端操作器对接)。电气驱动、控制电路板(含两套系统)统一放在后部经电路板架与壳体固定。所述电机为maxon电机，固定在下支撑环上，其与一套行星减速器连为一体；所述直齿轮包含一个小齿轮和一个输出轴齿轮；所述传动轴末端放置一个压缩弹簧，用于将螺栓套筒压入到另一端的螺栓头中；所述螺栓套筒置于传动轴上，内部为正六边形孔。

第二套驱动系统包含两个输出，分别用于工具端锁紧和电连接器对接。这两个输出共用一套输入装置。所述输入装置由maxon电机组成，其固定在下支撑环上，并与一套行星减速器连为一体。第一个输出的传动部分由直齿轮、拨盘长轴和主动拨盘组成，输出部分为从动槽轮。所述直齿轮包含一个小齿轮和一个拨盘长轴齿轮(固定在拨盘长轴上)；所述主动拨盘也固定在拨盘长轴上；所述从动槽轮固定在上支撑环上，通过将主动拨盘销嵌入到从动槽轮，从而让主动拨盘带动从动槽轮运动，将工具端接口压紧在壳体上。第二个输出的传动部分由直齿轮、拨盘长轴、曲柄连杆机构组成，输出部分为滑块，其上面固定电连接器的底座部分。所述直齿轮和拨盘长轴与第一个输出的传动部分一致，所述曲柄滑块机构由曲柄、连杆和滑块组成，曲柄固定在拨盘长轴上面，连杆将曲柄与滑块连接在一起，滑块由一套导向机构约束，使其仅能平动。导向机构由挂板、导向杆和直线轴承组成，挂板一端固定在滑块上面，另一端通过直线轴承套在导向杆上。

为了改善工具端压紧以及电连接器对接的作用效果，经钢丝轮传动装置将拨盘长轴上的电机作用力矩传导到拨盘短轴上，由于拨盘短轴装有另外一套拨盘和曲柄连杆机构，从而实现压紧力和对接推力的对称输出。所述的钢丝传动装置由钢丝轮、钢丝、钢丝压板、预紧块组成，钢丝轮共两个，分别固定在拨盘长轴和拨盘短轴上，固定在拨盘长轴的为主动钢丝轮，固定在拨盘短轴的为从动钢丝轮，主动钢丝轮通过钢丝带动从动钢丝轮旋转，从而使拨盘短轴转动。

轨道工具更换器与可更换末端操作器的对接面为圆锥面，可以实现四个约束(两个位置和两个姿态)。由于绕圆锥中轴线的转动是自由的，其转动约束可通过在圆锥面对称布置两个圆柱，并在工具端接口上开斜槽来实现。沿对接方向的位置约束通过用槽轮将工具端接口压紧在壳体上实现。

本发明的有益效果：空间机器人空间作业的复杂性决定了靠单一末端工具无法完成所有的在轨任务，而工具的多样性决定了其在轨必须具有可更换性。因此，必须轨道工具更换器，以实现不同在轨工具的更换。轨道工具更换器与末端工具有两种接口形式，一种是机械传递，一种是电传递，本发明通过两套驱动系统实现了这两种接口形式。对于机械传递，本发明利用第一套驱动系统的电机驱动齿轮，由齿轮带动传动轴，并由传动轴上的螺栓套筒与另一端的螺栓头对接来实现此功能。对于电气传递，在电连接器实现对接之前，通过拨盘(凸轮)带动槽轮实现工具端的锁紧，即第二套驱动系统用一个电机动力输入通过槽轮调整时序，实现了工具端锁紧和电连接器对接两种动作输出。轨道工具更换器与可更换末端操作器的对接面为圆锥面，具有较大的位姿容差能力。

本发明结构紧凑、位姿容差大、可靠性高，可满足空间机器人在轨道上自主更换末端工具的要求。本发明所述的轨道工具更换器具有以下特点：

1.通过槽轮来实现对工具端接口的压紧固定，通过曲柄滑块机构来实现电连接器的对接；

2.第二套驱动系统用一个电机通过槽轮调整时序实现了工具端锁紧和电连接器对接两个动作输出；

3.通过圆锥面与工具端口对接来实现大位姿容差的接纳能力；

4.所有驱动、控制电路板布置在轨道工具更换器内部，实现了机电系统的集成。

附图说明

图1是本发明的主视剖视图(图中：B17-螺钉)，图2是本发明的左视剖视图(图中：A13是支撑板，A14是挂板，A15是导向杆，B9是直线轴承，B31是PCB板，B32是螺钉)，图3是本发明曲柄连杆机构部分的局部剖视图，图4是本发明钢丝传动部分的局部剖视图(B30表示磁钢)，图5是本发明主动拨盘、拨盘长轴、拨盘短轴部分的剖面图(图中：A31表示端盖，B7是紧定螺钉)，图6是本发明槽轮轴部分的剖面图(B26是弹性挡圈，B27、B28是螺栓和螺母；A38表示固定架)，图7是本发明第二套驱动系统的电机和齿轮传动局部剖视图(图中，B20表示螺钉)；图8是本发明的立体图(参考图)。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1至8所示，本实施方式的基于槽轮机构的轨道工具更换器包含包括工具端接口A1、壳体A2、底端盖A8、下支撑环A9、上支撑环A12、电路板支撑架A16、电气系统、第一套驱动系统和第二套驱动系统，上支撑环A12、下支撑环A9、电路板支撑架A16由上至下依次安装在壳体A2内，电气系统、第一套驱动系统和第二套驱动系统均置于壳体A2内，电气系统置于电路板支撑架A16上，壳体A2下端端面与底端盖A8连接；工具端接口A1套装在壳体A2上；

所述第一套驱动系统(实现机械传递)包括第一输入装置、第一传动装置和第一输出装置；第一输入装置为第一含行星减速器电机B13，第一传动装置由第一小齿轮A18、第一传动轴齿轮A17和第一传动轴A10组成；第一输出装置为螺栓套筒A4；第一含行星减速器电机B13(通过螺钉B23)固定在下支撑环A9上，第一小齿轮A18(如通过紧定螺钉)固定在第一含行星减速器电机B13的输出轴上；第一传动轴齿轮A17通过键B3实现在第一传动轴A10的周向定位，第一传动轴齿轮A17通过紧固件(如螺母B4)和套筒A11实现轴向定位；第一传动轴A10由一对深沟球轴承B5支撑，这个两个轴承分别嵌入到下支撑环A9和上支撑环A12上；螺栓套筒A4由压缩弹簧B2、压板A3(通过螺钉B1)固定在第一传动轴A10上；在与工具端的螺栓头对接时，通过压紧压缩弹簧B2以及旋转第一传动轴A10可使工具头螺栓嵌入到螺栓套筒A4中；

所述第二套驱动系统(实现工具端接口压紧)包括第二输入装置、第二传动装置和第二输出装置，第二输入装置为第二含行星减速器电机B19，通过第二含行星减速器电机B19利用槽轮调整时序可实现工具端接口压紧和电连接器对接两种功能；第二传动装置由第二齿轮A21、拨盘长轴齿轮A22、拨盘长轴A25、拨盘长轴A25一侧的拨盘A6、拨盘短轴A30、拨盘短轴A30一侧的拨盘A6、两个钢丝轮A26、钢丝B25以及曲柄连杆机构组成；经钢丝传动将拨盘长轴A25上的输入力矩传递给拨盘短轴A30，拨盘短轴A30带动另一侧拨盘A6和两套曲柄连杆机构，用于实现对称压紧和电连接器对接；第二输出装置由两个从动槽轮A5组成，拨盘长轴A25的拨盘和拨盘短轴A30的拨盘各驱动一个从动槽轮A5；

电机B19固定在电机座A7上，电机座A7(通过螺钉)固定在下支撑环A9上，第二齿轮A21(通过紧定螺钉B10)固定在电机B19的输出轴上，拨盘长轴齿轮A22通过键实现在拨盘长轴A25的周向固定，通过套筒A28(与A28一致的套筒共5个)实现轴向定位；拨盘长轴A25由一对轴承B22支撑，轴承B22嵌入到轴承座A24(共8个)中，其由轴承端盖A29实现轴向定位，轴承端盖A29通过垫片B21和螺钉B8固定在轴承座上，轴承座通过螺钉固定在下支撑环A9上，下支撑环A9通过螺钉B6和垫圈B11固定在壳体A2上。拨盘长轴A25上的拨盘A6通过键实现在拨盘长轴A25的周向固定，通过轴肩和套筒A28实现轴向定位；拨盘A6上装有用于拨动从动槽轮A5的拨盘销A27，拨盘销A27(通过紧定螺钉)固定在拨盘A6上；两个钢丝轮A26分别固定在拨盘长轴A25和拨盘短轴A30上，拨盘长轴A25上的钢丝轮A26通过键实现周向固定，通过轴肩和套筒A28实现轴向定位；拨盘短轴A30上的钢丝轮A26通过键实现周向固定，通过轴肩和套筒实现轴向定位；拨盘长轴A25一侧钢丝轮通过钢丝B25带动拨盘短轴A30一侧钢丝轮转动；钢丝B25(两侧各有一小球)两端分别通过钢丝压板A36和预紧块A37安装在两个钢丝轮上。通过使钢丝B25的一侧小球嵌入到钢丝压板A36(通过螺钉固定在钢丝轮上)上，使此侧钢丝B25固定在钢丝轮上；钢丝B25的另一侧小球嵌入到预紧块A37中，预紧块A37与螺钉B18(其悬吊在钢丝轮伸出的凸起处)通过螺纹连接，旋转螺钉B18可实现预紧块A37向螺钉一侧运动，从而使钢丝B25被拉紧；拨盘短轴A30由与轴承B22相同的一对轴承支撑在轴承座(与轴承座A24相同)上，并通过轴承端盖实现轴向固定；拨盘短轴一侧拨盘通过键实现周向固定，通过轴肩和套筒实现轴向定位；从动槽轮A5通过轴肩和套筒A34固定在槽轮轴A35上，槽轮轴A35由与轴承B22相同的一对轴承支撑在轴承座(与轴承座A24相同)上，并通过轴承端盖实现轴向固定，轴承端盖通过螺钉和垫片固定在轴承座上，轴承座通过螺钉固定在上支撑环A12上，上支撑环A12通过螺钉B6和垫圈B11固定在壳体A2上；

每套曲柄连杆机构包括曲柄A20和连杆A19；曲柄连杆机构对称布置，凸轮长轴A25上连接有一套曲柄连杆机的曲柄A20，为了实现输出装置滑块A13的横向受力平衡，经钢丝传动将拨盘长轴A25上的输入力矩传递给拨盘短轴A30，拨盘短轴A30带动另一侧曲柄连杆机构，使两套连杆对滑块作用的横向力抵消；用于绝对位置传感的电位计B33(通过螺钉)固定在支撑块A23上，其轴孔套在拨盘长轴A25上；用于限位的霍尔传感器B29通过胶接粘在所述支撑块A23上，磁钢镶在拨盘长轴齿轮A22上；曲柄A20(经紧定螺钉)固定在拨盘长轴A25上，连杆A19与曲柄A20通过销轴连接，由于二者之间存在相对运动，在销轴上与连杆相连的部位放置了滑动轴承A32，并在滑动轴承A32上安装垫片A33将连杆A19与曲柄A20隔开，销轴的另一端有螺纹，通过螺母锁定；滑块A13与连杆A19通过销轴连接；同样，滑块A13与连杆之间存在相对转动，在销轴上与连杆相连的部位放置了滑动轴承A32，并用垫片A33将连杆A19与滑块A13的连接部位隔开。滑块A13上装有电连接器(座孔)B15，通过螺钉B16固定在滑块A13上。由前所述，曲柄连杆机构对称布置，在另一侧，拨盘短轴A30所驱动曲柄连杆机构的连接定位方式与拨盘长轴A25的一侧相同。

具体实施方式二：如图1至8所示，本实施方式所述拨盘A6的形状呈凸轮状，拨盘A6上安装的拨盘销A27在从动槽轮A5所开的槽中做直线运动，当从动槽轮A5压紧工具端接口A1时，拨盘销A27脱离槽轮A5的直线槽，使得拨盘A6能够空转，以实现电连接器接口的对接。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：如图1至8所示，本实施方式所述第二套驱动系统的限位开关采用霍尔传感器，霍尔传感器B29通过胶接粘在轴承座上面的支撑块A23上，而磁钢镶在拨盘长轴齿轮A22上，第二套驱动系统采用电位计B33用于绝对位置传感。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二相同。

具体实施方式四：如图1至8所示，本实施方式所述壳体A2呈锥体结构，而工具端接口A1为圆柱形壳体，壳体A2的锥面上伸出两个圆柱，用于卡在工具端接口A1的锥形槽内。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

本发明的具体对接方式：

实施方式1：机械传递方式

结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式由输入装置、传动装置、输出装置和电气装置组成。所述输入装置由电机(含行星减速器)B13组成；所述传动装置由小齿轮A18、传动轴齿轮A17和传动轴A10组成；所述输出装置由螺栓套筒A4组成；电气系统置于电路板支撑架A16上。电机B13由螺钉B23固定在下支撑环A9上，小齿轮A18通过紧定螺钉固定在电机输出轴上，传动轴齿轮A17通过键B3实现在传动轴A10的周向定位，通过螺母B4和套筒A11实现轴向定位。传动轴A10由一对深沟球轴承B5支撑，这个两个轴承分别嵌入到下支撑环A9和上支撑环A12上。螺栓套筒A4由压缩弹簧B2、压板A3和螺钉B1固定在传动轴A10上。在与工具端的螺栓头对接时，通过压紧压缩弹簧B2以及旋转传动轴A10可使工具头螺栓嵌入到螺栓套筒A4中。

实施方式2：工具端接口压紧方式

结合图1～图7说明本实施方式，同理，本实施方式由输入装置、传动装置、输出装置和电气装置组成。所述输入装置由电机(含行星减速器)B19组成；传动装置由齿轮A21、拨盘长轴齿轮A22、拨盘长轴A25、拨盘A6(共两个，本处指拨盘长轴一侧)组成；为了实现对称压紧，经钢丝传动将拨盘长轴A25上的输入力矩传递给拨盘短轴A30，拨盘短轴A30带动另一侧拨盘，故传动装置还包括钢丝轮A26、钢丝B25、拨盘短轴A30和拨盘A6(共两个，本处指拨盘短轴一侧)；所述输出装置由从动槽轮A5(共两个，拨盘长轴A25的拨盘和拨盘短轴A30的拨盘各驱动一个)组成，A1为工具端接口。同样，电气系统置于电路板支撑架A16上。

电机B19固定在电机座A7上，电机座A7通过螺钉固定在下支撑环A9上，齿轮A21通过紧定螺钉B10固定在电机B19的输出轴上，拨盘长轴齿轮A22通过键实现在拨盘长轴A25的周向固定，通过套筒A28(与A28一致的套筒共5个)实现轴向定位。拨盘长轴A25由一对轴承B22支撑，轴承B22嵌入到轴承座A24(共8个)中，其由轴承端盖A29实现轴向定位，轴承端盖A29通过垫片B21和螺钉B8固定在轴承座上，轴承座通过螺钉固定在下支撑环A9上，下支撑环A9通过螺钉B6和垫圈B11固定在壳体A2上。拨盘长轴A25上的拨盘A6通过键实现在拨盘长轴A25的周向固定，通过轴肩和套筒A28实现轴向定位。拨盘A6上装有拨盘销A27(用于拨动从动槽轮A5)，拨盘销A27通过紧定螺钉固定在拨盘A6上。钢丝轮A26共两个，分别固定在拨盘长轴A25和拨盘短轴A30上。拨盘长轴A25上的钢丝轮A26通过键实现周向固定，通过轴肩和套筒A28实现轴向定位。拨盘短轴A30上的钢丝轮A26通过键实现周向固定，通过轴肩和套筒实现轴向定位。拨盘长轴A25一侧钢丝轮通过钢丝B25带动拨盘短轴A30一侧钢丝轮转动。钢丝B25(两侧各有一小球)两端分别通过钢丝压板A36和预紧块A37安装在两个钢丝轮上。通过使钢丝B25的一侧小球嵌入到钢丝压板A36(通过螺钉固定在钢丝轮上)上，可让此侧钢丝B25固定在钢丝轮上。钢丝的另一侧小球嵌入到预紧块A37中，预紧块A37与螺钉B18(其悬吊在钢丝轮伸出的凸起处)通过螺纹连接，旋转螺钉B18可实现预紧块A37向螺钉一侧运动，从而使钢丝B25被拉紧。拨盘短轴A30由与B22相同的一对轴承支撑在轴承座(与A24相同)上，并通过轴承端盖实现轴向固定。拨盘短轴一侧拨盘通过键实现周向固定，通过轴肩和套筒实现轴向定位。从动槽轮A5通过轴肩和套筒A34固定在槽轮轴A35上，槽轮轴A35由与B22相同的一对轴承支撑在轴承座(与A24相同)上，并通过轴承端盖实现轴向固定，轴承端盖通过螺钉和垫片固定在轴承座上，轴承座通过螺钉固定在上支撑环A12上，上支撑环A12通过螺钉B6和垫圈B11固定在壳体A2上。

实施方式3：电连接器对接方式

结合图1～图7说明本实施方式，由于本实施方式与工具端接口压紧方式共样一套输入装置(运动耦合)，故输入装置是相同的。下面来说明传动装置、输出装置和电气装置。传动装置由齿轮A21、拨盘长轴齿轮A22、拨盘长轴A25、曲柄A20和连杆A19组成；为了实现输出装置(滑块)的横向受力平衡，经钢丝传动将拨盘长轴A25上的输入力矩传递给拨盘短轴A30，拨盘短轴A30带动另一侧曲柄连杆机构，从而使两套连杆对滑块作用的横向力抵消。故传动装置还包括钢丝轮A26、钢丝B25、拨盘短轴A30和另一侧曲柄连杆机构；所述输出装置为滑块A13。电气系统的驱动、控制部分置于电路板支撑架A16上，用于绝对位置传感的电位计B33通过螺钉固定在支撑块A23上，其轴孔套在拨盘长轴A25上，用于限位的霍尔传感器B29通过胶接粘在支撑块A23上，磁钢镶在拨盘长轴齿轮A22上。

齿轮A21、拨盘长轴齿轮A22、拨盘长轴A25与实施方式2是相同的。曲柄A20经紧定螺钉固定在拨盘长轴A25上，连杆A19与曲柄A20通过销轴连接，由于二者之间存在相对运动，在销轴上与连杆相连的部位放置了滑动轴承A32，并在滑动轴承A32上安装垫片A33将连杆A19与曲柄A20隔开，销轴的另一端有螺纹，通过螺母锁定。滑块A13与连杆A19通过销轴连接。同样，滑块A13与连杆之间存在相对转动，在销轴上与连杆相连的部位放置了滑动轴承A32，并用垫片A33将连杆A19与滑块A13的连接部位隔开。滑块A13上装有电连接器(座孔)B15，通过螺钉B16固定在滑块A13上。由前所述，曲柄连杆机构对称布置，在另一侧，拨盘短轴A30所驱动曲柄连杆机构的连接定位方式与拨盘长轴A25的一侧相同。

根据实施方式2，拨盘A6为凸轮结构，在通过拨盘销A27驱动槽轮A5使工具端接口A1压紧在壳体A2上时，拨盘长轴A25带动拨盘A6空转(此时，拨盘销A27脱离槽轮A5上的开口槽)，此时，拨盘长轴A25和拨盘短轴A30上的曲柄连杆机构继续驱动，从而完成电连接座孔部分B15和头针部分B14(用螺钉固定在工具端接口上)的对接。就这样，通过一套输入装置B19，实现了两种功能(工具端接口压紧和电连接器对接)。

实施方式4：壳体与工具端接口的对接

如图1、图2和图4所示，壳体A2为锥体结构，而工具端接口A1为圆柱孔(底部除外)，这样在二者对接时可提供较大的位姿容差。另外，参见图2，壳体A2的锥面上伸出两个圆柱，可卡在图4所示的工具端A1的锥形槽内，从而使二者不发生相对转动，实现相对位姿固定。

Claims (3)

1.一种基于槽轮机构的轨道工具更换器，其特征在于：所述轨道工具更换器包括工具端接口(A1)、壳体(A2)、底端盖(A8)、下支撑环(A9)、上支撑环(A12)、电路板支撑架(A16)、电气系统、第一套驱动系统和第二套驱动系统，上支撑环(A12)、下支撑环(A9)、电路板支撑架(A16)由上至下依次安装在壳体(A2)内，电气系统、第一套驱动系统和第二套驱动系统均置于壳体(A2)内，电气系统置于电路板支撑架(A16)上，壳体(A2)下端端面与底端盖(A8)连接；工具端接口(A1)套装在壳体(A2)上；

所述第一套驱动系统包括第一输入装置、第一传动装置和第一输出装置；第一输入装置为第一含行星减速器电机(B13)，第一传动装置由第一小齿轮(A18)、第一传动轴齿轮(A17)和第一传动轴(A10)组成；第一输出装置为螺栓套筒(A4)；第一含行星减速器电机(B13)固定在下支撑环(A9)上，第一小齿轮(A18)固定在第一含行星减速器电机(B13)的输出轴上；第一传动轴齿轮(A17)通过键(B3)实现在第一传动轴(A10)的周向定位，第一传动轴齿轮(A17)通过紧固件和套筒(A11)实现轴向定位；第一传动轴(A10)由一对深沟球轴承(B5)支撑，该两个轴承分别嵌入到下支撑环(A9)和上支撑环(A12)上；螺栓套筒(A4)由压缩弹簧(B2)、压板(A3)固定在第一传动轴(A10)上；在与工具端的螺栓头对接时，通过压紧压缩弹簧(B2)以及旋转第一传动轴(A10)可使工具头螺栓嵌入到螺栓套筒(A4)中；

所述第二套驱动系统包括第二输入装置、第二传动装置和第二输出装置，第二输入装置为第二含行星减速器电机(B19)，通过第二含行星减速器电机(B19)利用槽轮调整时序可实现工具端接口压紧和电连接器对接两种功能；第二传动装置由第二齿轮(A21)、拨盘长轴齿轮(A22)、拨盘长轴(A25)、拨盘长轴(A25)一侧的拨盘(A6)、拨盘短轴(A30)、拨盘短轴(A30)一侧的拨盘(A6)、两个钢丝轮(A26)、钢丝(B25)以及曲柄连杆机构组成；经钢丝传动将拨盘长轴(A25)上的输入力矩传递给拨盘短轴(A30)，拨盘短轴(A30)带动另一侧拨盘(A6)和曲柄连杆机构，用于实现对称压紧和电连接器对接；第二输出装置由两个从动槽轮(A5)组成，拨盘长轴(A25)的拨盘和拨盘短轴(A30)的拨盘各驱动一个从动槽轮(A5)；

第二含行星减速器电机(B19)固定在电机座(A7)上，电机座(A7)固定在下支撑环(A9)上，第二齿轮(A21)固定在第二含行星减速器电机(B19)的输出轴上，拨盘长轴齿轮(A22)通过键实现在拨盘长轴(A25)的周向固定，通过套筒(A28)实现轴向定位；拨盘长轴(A25)由一对轴承(B22)支撑；拨盘长轴(A25)上的拨盘(A6)通过键实现在拨盘长轴(A25)的周向固定，通过轴肩和套筒(A28)实现轴向定位；拨盘(A6)上装有用于拨动从动槽轮(A5)的拨盘销(A27)，拨盘销(A27)固定在拨盘(A6)上；两个钢丝轮(A26)分别固定在拨盘长轴(A25)和拨盘短轴(A30)上，拨盘长轴(A25)上的钢丝轮(A26)通过键实现周向固定，通过轴肩和套筒(A28)实现轴向定位；拨盘短轴(A30)上的钢丝轮(A26)通过键实现周向固定，通过轴肩和套筒实现轴向定位；拨盘长轴(A25)一侧钢丝轮通过钢丝(B25)带动拨盘短轴(A30)一侧钢丝轮转动；钢丝(B25)两端分别通过钢丝压板(A36)和预紧块(A37)安装在两个钢丝轮上；通过使钢丝(B25)的一侧小球嵌入到钢丝压板(A36)上，使此侧钢丝(B25)固定在钢丝轮上；钢丝(B25)的另一侧小球嵌入到预紧块(A37)中；拨盘短轴一侧拨盘通过键实现周向固定，通过轴肩和套筒实现轴向定位；从动槽轮(A5)通过轴肩和套筒(A34)固定在槽轮轴(A35)上，槽轮轴(A35)由与支撑拨盘长轴(A25)的轴承(B22)相同的一对轴承支撑在轴承座上；

每套曲柄连杆机构包括曲柄(A20)和连杆(A19)；两套曲柄连杆机构对称布置，拨盘长轴(A25)上连接有一套曲柄连杆机构的曲柄(A20)，为了实现输出装置滑块(A13)的横向受力平衡，经钢丝传动将拨盘长轴(A25)上的输入力矩传递给拨盘短轴(A30)，拨盘短轴(A30)带动另一侧曲柄连杆机构，使两套连杆对滑块作用的横向力抵消；用于绝对位置传感的电位计(B33)固定在支撑块(A23)上，其轴孔套在拨盘长轴(A25)上；用于限位的霍尔传感器(B29)通过胶接粘在所述支撑块(A23)上，磁钢镶在拨盘长轴齿轮(A22)上；曲柄(A20)固定在拨盘长轴(A25)上，连杆(A19)与曲柄(A20)通过销轴连接；滑块(A13)与连杆(A19)通过销轴连接，滑块(A13)上装有电连接器(B15)；

所述拨盘(A6)的形状呈凸轮状，拨盘(A6)上安装的拨盘销(A27)在从动槽轮(A5)所开的槽中做直线运动，当从动槽轮(A5)压紧工具端接口(A1)时，拨盘销(A27)脱离槽轮(A5)的直线槽，使得拨盘(A6)能够空转，以实现电连接器接口的对接。

2.根据权利要求1所述的一种基于槽轮机构的轨道工具更换器，其特征在于：所述第二套驱动系统的限位开关采用霍尔传感器，霍尔传感器(B29)通过胶接粘在轴承座上面的支撑块(A23)上，而磁钢镶在拨盘长轴齿轮(A22)上，第二套驱动系统采用电位计(B33)用于绝对位置传感。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于槽轮机构的轨道工具更换器，其特征在于：所述壳体(A2)呈锥体结构，而工具端接口(A 1)为圆柱形壳体，壳体(A2)的锥面上伸出两个圆柱，用于卡在工具端接口(A1)的锥形槽内。