CN107160427B - 一种用于空间高低温环境自调节的变径轴 - Google Patents

Abstract

一种用于空间高低温环境自调节变径轴,涉及直径可调式轴，包括复合轴壳、可拆卸轴颈、压紧螺钉、配合于螺纹轴的分体式锥套以及设置于复合轴壳和内锥套间的剖分式外锥套，所述分体式锥套随压紧螺钉的正向旋入向小径端移动，所述外锥套在与内锥套间的接触作用下被迫沿径向方向向外移动，所述轴壳在外锥套径向挤压作用下发生径向膨胀。在螺纹传动作用及斜面受力挤压作用下，通过压紧螺钉的旋入或旋出，实现了自调节变径轴装置直径的增大或减小，具有结构简单，调节方便、快捷，定位精度高等优点。

Description

一种用于空间高低温环境自调节的变径轴

技术领域

本发明涉及直径可调式轴，详细讲是一种结构简单，调节方便、快捷，定位精度高的用于空间高低温环境自调节的变径轴。

背景技术

我们知道，随着当今对太空探索的不断深入与世界各国航天事业的不断发展，用于外星土壤采集、空间长距离抓持、卫星捕获回收、在轨装配维修等的空间机械臂被广泛的使用。空间机械臂的关节部分多为旋转铰连接，由于外太空空间环境的复杂性及变化性较大，各种环境因素尤其是高温差使金属材料产生较大的物理变化，其中的热胀冷缩效应会在环境温度较低时使运动副间产生间隙，导致机构动力学响应偏离理想运动状态，而在环境温度较高时，运动副间可能产生干涉现象，两种情况都将极大地影响空间机械臂的既定运动，因而使得主动调节转动副中轴系部件的径量大小成为空间机械臂使用中的一项必须解决的关键技术。

目前现有的可实现转动副间间隙控制的装置为剖分式，利用增减剖分面处的垫片厚度来调整轴承间隙，通过增减孔径的方式调整孔径配合类型。该种间隙控制方式存在破坏了孔的圆形形状、定位精度不高、不够灵活等缺点，因而不能方便、有效、快捷地完成复杂温度变化环境下的运动副间隙调节任务。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种结构简单，调节方便、快捷，定位精度高的用于空间高低温环境自调节的变径轴。

本发明解决上述现有技术的不足所采用的技术方案是：

一种用于空间高低温环境自调节的变径轴，设有外表耐磨、热膨胀系数低、剪切模量小的呈套筒状的轴壳，轴壳内设有调节螺栓，调节螺栓上交替设有至少一段正向螺纹和反向螺纹，调节螺栓上相邻的正向螺纹和反向螺纹处相对的设有一对与其配合的分体式锥套；轴壳内壁上在其周向上设有至少三个沿轴壳轴向设置的轴壳导向条，分体式锥套的外壁上与轴壳导向条相对处设有轴套导向条，轴壳与每对分体式锥套间均设有一个分体式撑开套，分体式撑开套的外壁与轴壳内壁贴靠配合，分体式撑开套的两侧分别设有与一对分体式锥套的锥形外壁相配合锥形撑开槽，分体式撑开套上与轴壳导向条、轴套导向条相对处设有贯通的导向切口。

本发明中所述的轴壳为层状金属基复合材料制成的复合轴壳，轴壳侧壁包括外层的耐磨形状记忆合金层和内层的形状记忆合金层。所述的耐磨形状记忆合金层的材质为具备形状记忆特性、具备超弹性或伪弹性、耐磨性强的材料，例如：TiNiFeMo，TiNiCu，TiNiFe，TiNi-2型合金；所述的形状记忆合金层的材质为具备形状记忆特性、具备超弹性或伪弹性的材料，例如：TiNiNb，TiNi型合金。所述的导向块的材质为铁质。

本发明中所述的轴壳两端分别设有轴颈，调节螺栓螺帽侧的轴颈上与调节螺栓螺帽相对处设有调节孔。工作时，通过调节孔置入扳手来转动调节螺栓。

本发明中所述的另一侧（调节螺栓螺帽相对侧）的轴颈侧面上设有（轴向均布有至少两个）（凸字形的）定位槽。定位槽可被夹具夹紧或外接其它装置及设备。

本发明中所述的分体式锥套呈中央设有螺纹孔的圆台状，由周向均分的至少两块锥套体经（沿其径向设置的）紧固螺钉连接而成。

本发明中所述的一个分体式锥套的相邻两个锥套体间相对侧面上分别设有沿锥套体母线方向设置的贯通的定位凹槽和定位凸台，相邻两个锥套体的定位凸台与定位凹槽相互配合的连接成一体。

本发明中所述的调节螺栓螺帽侧的轴颈经螺钉安装于轴壳一端上，另一个轴颈固定连接在轴壳另一端上；调节螺栓螺帽相对侧的轴颈上设有螺纹孔，调节螺栓端部与螺纹孔连接。

本发明中所述的调节螺栓上交替设有至少五段正向螺纹和五段反向螺纹，调节螺栓上相邻的一对正向螺纹和反向螺纹处设有小端相对的一对与正向螺纹和反向螺纹螺纹配合的分体式锥套。

本发明中所述的轴壳内壁上、与每对分体式锥套相对处、在轴壳内壁周向上均布有四个沿轴壳轴向设置的轴壳导向条，分体式锥套的外壁上与轴壳导向条相对处设有轴套导向条，轴壳与每对锥套间设有一个分体式撑开套，分体式撑开套的外壁（整体呈与轴壳内壁相同的圆柱形弧面）与轴壳内壁紧贴配合，分体式撑开套的两侧分别设有与（所对的两个）锥套的锥形外壁相配合锥形撑开槽（两个相对的锥形撑开槽可以贯通，也可以不贯通），撑开套上与轴壳导向条、轴套导向条相对处设有（四周）贯通的导向切口，（导向切口将撑开套在周向上切分为至少两块撑开块）。

本发明主要用于空间机械臂关节部位的连接，在使用过程中，当外界温度变化、运动副的间隙需要调节时，转动调节螺栓，使调节螺栓上的每组分体式锥套运动，每组分体式锥套相对接近时、对分体式撑开套产生向外的挤压力，分体式撑开套向外（径向上）扩张，挤压轴壳发生形变、直径变粗；每组分体式锥套相对远离时、对分体式撑开套的支撑力消失，分体式撑开套在轴壳的作用力下向内（径向上）收拢，轴壳直径变细。当温度变化、轴承孔径变化时，即可通过调解螺栓来实现轴的直径调解。本发明结构简单，调节方便、快捷，定位精度高。

具体控制过程如下：本发明使用时调节螺栓的螺帽与执行装置（伺服电机）相连，其结构如图所示。当温度变化时，空间机械臂关节处的温度传感装置将信号传递给处理器；处理器将温度场与金属物理特性耦合下的作用信号传递给执行装置（伺服电机）；执行装置（伺服电机）在处理器信号的控制下，将接收的电信号转换为角位移，定量地转动调解螺栓，完成任务的同时向处理器发送反馈信号，完成自调节变径操作。

本发明的结构紧凑，工艺性好，可实现精确的变径功能，稳定性高，定位精度高，实现了高精度的自调节变径过程，能够方便、有效、快捷地完成日益繁多的空间机械臂转动副内转轴的变径任务。采用伺服电机作为驱动装置，伺服电机是可将收到的电信号转换为角位移或角速度输出的快速响应的执行机构，且在信号电压为零时无自转现象，伺服电机驱动控制性能好，可精确地控制电枢转角和转速，适用于要求动作精度高和要求快速响应的执行系统。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是图1的右视图；

图4是本发明中分体式锥套的结构示意图；

图5是本发明中分体式撑开套的结构示意图；

图6是本发明与执行装置的连接结构示意图。

具体实施方式

如图1-5所示的用于空间高低温环境自调节的变径轴，设有外表耐磨、热膨胀系数低、剪切模量小（剪切柔量大）的呈套筒状的轴壳1，轴壳1内轴向设有与轴壳1轴线重合的调节螺栓2，调节螺栓2上交替设有至少一段正向螺纹和与其相同段数的反向螺纹，调节螺栓2上相邻的正向螺纹和反向螺纹处设有小端相对的一对与正向螺纹和反向螺纹螺纹配合的分体式锥套3；分体式锥套3整体呈中央设有螺纹孔的圆台状，由周向均分的两块锥套体3-1、3-2经紧固螺钉3-5连接而成；分体式锥套的相邻两个锥套体间相对侧面上分别设有沿锥套体母线方向设置的贯通的定位凹槽和定位凸台，相邻两个锥套体的定位凸台与定位凹槽相互配合的连接。调节螺栓2转动时，相对的一对分体式锥套3在调节螺栓轴向上向相反的方向移动，调节螺栓2上相邻的正向螺纹和反向螺纹处相对的一对分体式锥套组成一组轴套；与每组分体式锥套相对的轴壳1内壁上在其周向上均布至少三个沿轴壳1轴向设置的轴壳导向条1-4，分体式锥套3的外壁上与轴壳导向条1-4相对处设有轴套导向条3-3，轴壳1与每组分体式锥套（每组分体式锥套为调节螺栓上相邻的正向螺纹和反向螺纹处相对设置的两个小端相对的分体式锥套）间均设有一个分体式撑开套4，分体式撑开套4的外壁整体呈与轴壳内壁相同的圆柱形弧面、与轴壳内壁紧贴配合，分体式撑开套4的两侧分别设有与（所对的两个）分体式锥套3的锥形外壁相配合锥形撑开槽；两个相对的锥形撑开槽可以贯通，也可以不贯通；分体式撑开套4上与轴壳导向条1-4、轴套导向条3-3相对处设有（在分体式撑开套的轴向和径向均）贯通的导向切口4-1，轴壳导向条1-4和轴套导向条3-3位于导向切口4-1内，从图中可以看出，四个导向切口4-1将分体式撑开套在周向上切分为四块撑开块，四块撑开块组成分体式撑开套。所述的轴壳1为层状金属基复合材料制成的复合轴壳，轴壳1侧壁包括外层的耐磨形状记忆合金层1-1和内层的形状记忆合金层1-3。所述的耐磨形状记忆合金层1-1的材质为具备形状记忆特性、具备超弹性或伪弹性、耐磨性强的材料，例如：TiNiFeMo，TiNiCu，TiNiFe，TiNi-2型合金；所述的形状记忆合金层1-3的材质为具备形状记忆特性、具备超弹性或伪弹性的材料，例如：TiNiNb，TiNi型合金。所述的导向块的材质为铁质1-4；所述的耐磨形状记忆合金层1-1与形状记忆合金层1-3间设有基架层1-2，基架层1-2的材质可以为铁质。本发明中所述的轴壳1两端分别设有轴颈5、6，以实现变径轴的轴向定位功能，调节螺栓2螺帽侧的轴颈上与调节螺栓螺帽相对处设有调节孔。工作时，通过调节孔置入扳手或连接传动装置来转动调节螺栓。所述的另一侧（调节螺栓螺帽相对侧）的轴颈侧面上设有定位槽6-1。从图中可以看出，定位槽6-1呈凸字形，轴颈的周向上均布有四个定位槽。定位槽可被夹具夹紧或外接其它装置及设备。

本发明中所述的调节螺栓螺帽侧的轴颈经螺钉安装于轴壳一端上，另一个（调节螺栓螺帽相对侧的）轴颈固定连接在轴壳另一端上。调节螺栓螺帽相对侧的轴颈上设有螺纹孔，调节螺栓的端部与螺纹孔连接。所述的调节螺栓上交替设有至少五段正向螺纹和五段反向螺纹，调节螺栓上相邻的正向螺纹和反向螺纹处设有小端相对的一对与正向螺纹和反向螺纹螺纹配合的分体式锥套。所述的轴壳内壁上、与每对分体式锥套相对处、在轴壳内壁周向上均布有四个沿轴壳轴向设置的轴壳导向条，分体式锥套的外壁上与轴壳导向条相对处设有轴套导向条，轴壳与每对锥套间设有一个分体式撑开套，分体式撑开套的外壁整体呈与轴壳内壁相同的圆柱形弧面、与轴壳内壁紧贴配合，分体式撑开套的两侧分别设有与（所对的两个）锥套的锥形外壁相配合锥形撑开槽（两个相对的锥形撑开槽可以贯通，也可以不贯通），撑开套上与轴壳导向条、轴套导向条相对处设有（在分体式撑开套的轴向和径向均）贯通的导向切口。

本发明主要用于空间机械臂的关节部位的连接，在使用过程中，当外界温度变化、运动副的间隙需要调节时，转动调节螺栓，使调节螺栓上的每组分体式锥套运动，每组分体式锥套相对接近时、对分体式撑开套产生向外的挤压力，分体式撑开套向外（径向上）扩张，挤压轴壳发生形变、直径变粗；每组分体式锥套相对远离是、对分体式撑开套的支撑力消失，分体式撑开套在轴壳的作用力下向内（径向上）收拢，轴壳直径变细。当温度变化、轴承孔径变化时，即可通过调解螺栓来实现轴的直径调解。本发明结构简单，调节方便、快捷，定位精度高。

具体控制过程如下：本发明使用时调节螺栓的螺帽与执行装置9（伺服电机）相连，其结构如图6所示。当温度变化时，空间机械臂关节处的温度传感装置将信号传递给处理器；处理器将温度场与金属物理特性耦合下的作用信号传递给执行装置9（伺服电机）；执行装置（伺服电机）在处理器信号的控制下，将接收的电信号转换为角位移，定量地转动调解螺栓，完成任务的同时向处理器发送反馈信号，完成自调节变径操作。

本发明的结构紧凑，工艺性好，可实现精确的变径功能，稳定性高，定位精度高，实现了高精度的自调节变径过程，能够方便、有效、快捷地完成日益繁多的空间机械臂转动副内转轴的变径任务。采用伺服电机作为驱动装置，伺服电机是可将收到的电信号转换为角位移或角速度输出的快速响应的执行机构，且在信号电压为零时无自转现象，伺服电机驱动控制性能好，可精确地控制电枢转角和转速，适用于要求动作精度高和要求快速响应的执行系统。

Claims (8)

1.一种用于空间高低温环境自调节的变径轴，其特征在于设有外表耐磨、热膨胀系数低、剪切模量小的呈套筒状的轴壳，轴壳内设有调节螺栓，调节螺栓上交替设有至少一段正向螺纹和反向螺纹，调节螺栓上相邻的正向螺纹和反向螺纹处相对的设有一对与其配合的分体式锥套；轴壳内壁上在其周向上设有至少三个沿轴壳轴向设置的轴壳导向条，分体式锥套的外壁上与轴壳导向条相对处设有轴套导向条，轴壳与每对分体式锥套间均设有一个分体式撑开套，分体式撑开套的外壁与轴壳内壁贴靠配合，分体式撑开套的两侧分别设有与一对分体式锥套的锥形外壁相配合的锥形撑开槽，分体式撑开套上与轴壳导向条、轴套导向条相对处设有贯通的导向切口。

2.根据权利要求1所述的用于空间高低温环境自调节的变径轴，其特征在于所述的轴壳为层状金属基复合材料制成的复合轴壳，轴壳侧壁包括外层的耐磨形状记忆合金层和内层的形状记忆合金层。

3.根据权利要求1所述的用于空间高低温环境自调节的变径轴，其特征在于所述的轴壳两端分别设有轴颈，调节螺栓螺帽侧的轴颈上与调节螺栓螺帽相对处设有调节孔。

4.根据权利要求1所述的用于空间高低温环境自调节的变径轴，其特征在于所述的分体式锥套呈中央设有螺纹孔的圆台状，由周向均分的至少两块锥套体经紧固螺钉连接而成。

5.根据权利要求1所述的用于空间高低温环境自调节的变径轴，其特征在于所述的一个分体式锥套的相邻两个锥套体间相对侧面上分别设有沿锥套体母线方向设置的贯通的定位凹槽和定位凸台，相邻两个锥套体的定位凸台与定位凹槽相互配合的连接成一体。

6.根据权利要求1所述的用于空间高低温环境自调节的变径轴，其特征在于所述的调节螺栓螺帽侧的轴颈经螺钉安装于轴壳一端上，另一个轴颈固定连接在轴壳另一端上；调节螺栓螺帽相对侧的轴颈上设有螺纹孔，调节螺栓端部与螺纹孔连接。

7.根据权利要求1所述的用于空间高低温环境自调节的变径轴，其特征在于所述的调节螺栓上交替设有至少五段正向螺纹和五段反向螺纹。

8.根据权利要求1所述的用于空间高低温环境自调节的变径轴，其特征在于所述的轴壳内壁上、与每对分体式锥套相对处、在轴壳内壁周向上均布有四个沿轴壳轴向设置的轴壳导向条。