CN107797222A - 空间拼接定位锁紧调节一体化机构及空间拼接反射镜 - Google Patents
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Abstract
本发明属于空间航天技术领域,具体涉及一种空间拼接定位锁紧调节一体化机构及空间拼接反射镜。空间拼接定位锁紧调节一体化机构包括捕获单元、定位单元、锁紧单元和调节单元;捕获单元包括捕获孔和插入探头;定位单元包括中心轴线与插入探头中心轴线相平行的定位限制孔,定位限制孔一端与捕获孔相连,定位限制孔的另一端与锁紧单元相连;调节单元与锁紧单元相连。本发明解决了传统拼接锁紧机构存在的结构复杂、定位精度低的技术问题,并加入了调节单元,使之具有可调性。
Description
技术领域
本发明属于空间航天技术领域,具体涉及一种空间拼接定位锁紧调节一体化机构及空间拼接反射镜。
背景技术
空间反射镜的拼接化是未来发展空间大口径主反射镜的趋势之一,精密拼接定位锁紧调节一体化机构在主反射镜拼接的各结构部件中占据十分重要的地位,拼接定位锁紧调节一体化机构定位精度的高低直接关系到空间拼接主反射镜成像性能的优劣。用于空间拼接主反射镜的拼接定位锁紧调节一体化机构与大型航天器之间的对接机构相类似,但大型航天器对接机构主要着眼于周边密封性,并且多采用周边式锁紧机构,采用复杂的主副结构锁及其传动机构实现两航天器之间的对接互通,而拼接主反射镜所要达到的功能需求是单元镜组之间保证一定的拼接定位调节精度以及锁紧强度,因此大型航天器的对接机构并不适用于空间主反射镜之间的镜体拼接任务;而目前小型空间拼接锁紧机构多采用涡轮蜗杆或凸轮锁等驱动锁紧方式,对于工作量大且在轨组装周期长的空间在轨装配主反射镜作业项目来说,由于外太空缺乏充足的能源,上述的内置能源输入类型的小型拼接锁紧机构的使用面临着比较严格的功耗及工作性能的限制,而且内置能源驱动设备也增加了空间反射镜拼接模块的负载,增加了设计的复杂性;另外,传统小型空间拼接定位锁紧调节一体化机构的拼接定位精度较低,在主反射镜拼接的光学精度指标要求下,需要拼接定位锁紧机构针对拼接镜体之间的间隙达到微米级调节精度,这对于传统型空间拼接定位锁紧调节一体化机构是一种不小的挑战。
发明内容
本发明目的是提供一种空间拼接定位锁紧调节一体化机构及空间拼接反射镜,解决了传统拼接锁紧机构存在的结构复杂、定位精度低的技术问题,并加入了调节单元,使之具有可调性。
本发明的技术解决方案是:一种空间拼接定位锁紧调节一体化机构,其特殊之处在于:包括捕获单元、定位单元、锁紧单元和调节单元;所述捕获单元包括捕获孔和插入探头;所述定位单元包括中心轴线与插入探头中心轴线相平行的定位限制孔,所述定位限制孔一端与捕获孔相连,定位限制孔的另一端与锁紧单元相连;所述调节单元与锁紧单元相连。
进一步地,上述锁紧单元包括呈圆筒形结构的柔性扩缩装置,所述柔性扩缩装置包括多个与插入探头平行的柔性锁紧柱,所述柔性锁紧柱一端固定于一个圆周上,柔性锁紧柱的另一端设置锁紧齿,所述插入探头上设置有与锁紧齿配合的锁紧凹槽。
进一步地,上述锁紧单元还包括箍缩圈和复位弹簧,所述箍缩圈套装于柔性锁紧柱上,所述复位弹簧一端固定,复位弹簧的另一端与箍缩圈相连。
进一步地,上述箍缩圈与柔性锁紧柱相接触的内圈上设置有倒角。
进一步地,上述捕获单元还包括对标指示标志和与对标指示标志对应设置的对标监测相机。
进一步地,上述插入探头的顶端设置锥形引导头,插入探头的底端设置有锥形限位座;所述捕获孔是与锥形限位座锥度相同的内锥形孔。
进一步地,上述调节单元是通过顶丝与锁紧机构固定连接的单自由度精密调节促动器。
本发明还提供一种空间拼接反射镜,其特殊之处在于:包括多个拼接为一体的六边形单元镜,所述六边形单元镜的一侧为镜面,六边形单元镜的另一侧安装有一个或者多个空间拼接定位锁紧调节一体化机构;相邻的两个六边形单元镜通过各自的空间拼接定位锁紧调节一体化机构相互拼接锁定。
本发明的有益效果在于:
(1)异体同构式设计思想。本发明采用两组机构完成拼接定位锁紧调节功能,但此两组机构采用的是相同构造,并无主副之分,加工制造时仅需加工一组工件,节省了设计制造时间和成本。
(2)定位精度高、定位可靠。规定三维直角坐标系,以安装主架外面板外侧端面所在平面作为XY平面,以安装外面板沿捕获孔中心轴向作为Z轴方向。定位限制孔内径与所述插入探头外径尺寸相一致,在插入探头进入定位限制孔内时,插入探头除Z轴平移外的五个自由度得到限制;锁紧装置外缘通过安装主架与定位限制孔进行同轴心配合,使得Z轴方向轴向可调,而锁紧装置底部安装有单自由度精密调节促动器,从而可以保证很高的调节精度。
(3)锁紧可靠,稳定性好。本发明在插入探头进入柔性扩缩装置后,锁紧齿外扩,引导箍缩圈下移,内置复位弹簧收缩;在插入探头的锁紧凹槽与锁紧齿接触后,锁紧齿回弹进行啮合锁紧,外部推动力停止后,由于内置复位弹簧的弹性恢复力,引导箍缩圈上移,对锁紧齿外围进行紧箍,保证锁紧齿不会径向扩张,保持足够大的锁紧力。
(4)捕获范围大。本发明捕获孔采用内置锥形孔设计,规定三维直角坐标系,以所述安装外面板外侧端面所在平面作为XY平面,以安装外面板沿捕获孔中心轴向作为Z轴方向。捕获区的捕获孔可以达到的捕获范围为:沿X轴向平移:±20mm;沿Y轴向平移:±20mm;沿Z轴倾斜:±30°;XY面内的旋转倾斜:±46.6°。
(5)除轴向促动器调节阶段耗能外,本发明在拼接、定位和锁紧阶段耗能低,并且能量可自行回收。相比传统锁紧机构如涡轮蜗杆机构或者凸轮锁机构等需要内置能源输入装置,本发明的锁紧单元采用内置复位弹簧,插入探头进入锁紧单元后压缩复位弹簧积蓄能量,当插入动作停止后,复位弹簧释放能量推动插入探头使其锁紧完成,简化了机构设计的复杂性,更适应太空恶劣的工作环境。
(6)可传递热载荷、热稳定性好。本发明除促动器部件外,各部分结构组件均采用同一材料制成,通过支撑支架一体化设计,降低了各部件之间热膨胀系数不匹配的影响,避免了拼接机构因为材料不一致而在外太空恶劣的温度环境下对精度的不利影响;这种一体化设计方案也简化了热控设备的设计制造难度,降低了制造成本和发射成本。
(7)重量轻,刚度高。本发明通过安装外面板一体化设计,将整个拼接过程中的捕获、定位、锁紧和调节功能结构均安装在同一安装外面板上,减少了整个机构的重量和零件个数,降低了发射成本,提高了一体化结构的刚度。
(8)易加工、易装调。本发明采用易于成型的金属材料,可以充分使用现有的铸造工艺以及车铣刨磨等加工工艺快速加工本发明的基本结构;本发明在轴心对准方面,采用同一车刀加工可使得捕获孔与下端定位限制孔同轴心,定位限制孔下端与锁紧机构的外缘配合,从而保证三部分均处于同轴心位置;由于没有复杂的传动机构和热控结构的加入,因此本发明避免了额外装调应力的引入,保证了拼接精度,降低了装调难度。
附图说明
图1为本发明实施例一空间拼接定位锁紧调节一体化机构的立体结构示意图。
图2为本发明实施例一空间拼接定位锁紧调节一体化机构的剖面结构示意图。
图3为本发明实施例一空间拼接定位锁紧调节一体化机构的插入探头结构示意图。
图4为本发明实施例一空间拼接定位锁紧调节一体化机构的锁紧单元结构示意图。
图5为本发明实施例一空间拼接定位锁紧调节一体化机构的捕获状态侧面视图。
图6为本发明实施例一空间拼接定位锁紧调节一体化机构的捕获状态剖面视图。
图7为本发明实施例一空间拼接定位锁紧调节一体化机构的定位状态侧面视图。
图8为本发明实施例一空间拼接定位锁紧调节一体化机构的定位状态剖面视图。
图9为本发明实施例一空间拼接定位锁紧调节一体化机构的锁紧过程示意图(状态一)。
图10为本发明实施例一空间拼接定位锁紧调节一体化机构的锁紧过程示意图(状态二)。
图11为本发明实施例一空间拼接定位锁紧调节一体化机构的锁紧过程示意图(状态三)。
图12为本发明实施例一空间拼接定位锁紧调节一体化机构的锁紧状态剖面视图。
图13为本发明实施例二空间拼接反射镜结构示意图。
图14为本发明实施例二空间拼接反射镜的捕获状态示意图。
其中,附图标记如下:
1-捕获单元,11-捕获孔,12-插入探头,13-对标指示标志,14-对标监测相机,121-锥形引导头,122-锥形限位座,123-锁紧凹槽,124-定位限制段,125-沉头凸台,126-螺纹固定段;
2-定位单元,21-定位限制孔,22-支撑肋板;
3-锁紧单元,31-柔性扩缩装置,32-柔性锁紧柱,33-锁紧齿,34-箍缩圈,35-复位弹簧;
4-调节单元,41-顶丝,42-单自由度精密调节促动器;
5-安装外面板,6-安装中间板,7-安装底板,8-支撑主架,81-航空电子设备容纳室;
9-六边形单元镜,91-镜面,92-空间拼接定位锁紧调节一体化机构。
具体实施方式
实施例1
参见图1和图2,本实施例为一种空间拼接定位锁紧调节一体化机构,其结构包括捕获单元1、定位单元2、锁紧单元3和调节单元4。安装外面板5的外端面上设置捕获单元1,定位单元2位于安装外面板5和安装中间板6之间,锁紧单元3和调节单元4位于安装中间板6和安装底板7之间。安装外面板5采用轻量化网状筋结构,安装中间板6和安装底板7通过支撑主架8一体化成型。支撑主架8的内部还设置有航空电子设备容纳室81,充分利用安装中间板6和安装底板7之间的剩余空间。安装中间板6和安装底板7上均设置有多个安装孔,用于安装固定需要进行拼接操作的空间在轨组件。
捕获单元1包括在同一轴线上依次设置的对标指示标志13、捕获孔11、插入探头12和对标监测相机14。捕获孔11与插入探头12相互对应,对标指示标志13与对标监测相机14相互对应,当两个空间拼接定位锁紧调节一体化机构进行拼接时,首先是对标指示标志13与对标监测相机14进行对标定位,然后插入探头12可以准确插入捕获孔11内,从而完成相互拼接定位和锁紧。
如图3所示,插入探头12的包括依次设置的锥形引导头121、锁紧凹槽123、定位限制段124、锥形限位座122、沉头凸台125和螺纹固定段126。锥形引导头121的最大直径等于定位限制段124的直径,便于插入探头12进入捕获孔11。捕获孔11是与锥形限位座122锥度相同的内锥形孔,一方面在捕获阶段可以扩大捕获范围,另一方面可以在锁定阶段与锥形限位座122进行吻合匹配。锁紧凹槽123为内置锥形槽,用于与锁紧单元3配合锁紧。沉头凸台125和螺纹固定段126采用胶接加螺接的方式将插入探头12固定安装在安装外面板5上。
定位单元2包括与插入探头12平行的定位限制孔21,定位限制孔21一端与捕获孔11相连,定位限制21孔的另一端与锁紧单元3相连。定位限制孔21为管状结构,外部管壁上设置有多个支撑肋板22。定位限制孔21的内孔直径与捕获孔11的最小直径以及插入探头12的定位限制段124的直径相一致。规定三维直角坐标系,以安装外面板5所在平面作为XY平面,以捕获孔轴向作为Z轴方向。插入探头12进入定位限制孔21后五个自由度均得到限制,分别是在X、Y方向的四个自由度以及Z方向的旋转自由度。
锁紧单元3的外缘与支撑主架定位限制孔21下方内缘相配合,保证二者同轴度。如图4所示,锁紧单元3包括呈圆筒形结构的柔性扩缩装置31,柔性扩缩装置31包括多个与插入探头平行的柔性锁紧柱32,柔性锁紧柱32一端固定于一个圆周上,柔性锁紧柱的另一端设置锁紧齿33,与插入探头12上设置锁紧凹槽123配合锁定。锁紧单元3还包括箍缩圈34和复位弹簧35,箍缩圈34套装于柔性锁紧柱32上,复位弹簧35一端固定,复位弹簧35的另一端与箍缩圈34相连。箍缩圈34与柔性锁紧柱32相接触的内圈上设置有倒角。当插入探头12的锥形引导头121向锁紧单元3内部移动时,随着锥形引导头121的直径逐渐增大,柔性锁紧柱32绕其固定端向外扭动扩张,使得柔性扩缩装置31呈现张开状态。与此同时,柔性锁紧柱32的径向扩张运动在所设倒角的作用下转化为箍缩圈34的轴向移动,并使复位弹簧35处于压缩状态。当移动到固定位置后,锁紧齿33进入插入探头12的锁紧凹槽123内,柔性锁紧柱32恢复竖直状态,柔性扩缩装置31也收缩恢复至圆筒形状。在复位弹簧35的推动下,箍缩圈34反方向地轴向移动,继续箍紧柔性锁紧柱32,达到锁定目的。
调节单元4包括单自由度精密调节促动器42,单自由度精密调节促动器42通过顶丝41与锁紧单元3固定连接,仅能沿Z轴方向平动调节,从而保证定位精度。
本实施例空间拼接定位锁紧调节一体化机构的相互拼接过程分为四个阶段:捕获、定位、锁紧和调节。
1、捕获阶段。
如图5和图6所示,在捕获阶段,两个本实施例的空间拼接定位锁紧调节一体化机构为一组,其中一个空间拼接定位锁紧调节一体化机构相对保持静止,机械手夹持另一空间拼接定位锁紧调节一体化机构进行移动,通过两个空间拼接定位锁紧调节一体化机构上各自搭载的对标监测相机14对对方的对标指示标志13进行定位和姿态、位置的调整,使得插入探头12能够进入对方捕获孔11的捕获范围内。规定三维直角坐标系,以安装外面板5所在平面作为XY平面,以捕获孔11的中心轴向作为Z轴方向。捕获孔11可以达到的捕获范围为:沿X轴偏移:±20mm;沿Y轴偏移:±20mm;沿Z轴倾斜:±30°;XY面内的旋转倾斜:±46.6°。
2、定位阶段。
如图7和图8所示,插入探头12进入捕获孔11内后可以在如机械臂等的外部推动力作用下进入定位限制孔21,由于两个定位限制孔21轴线平行且与安装外面板5垂直,因此两组插入探头12进入对方的定位限制孔21内后,可以限制XY方向的四个自由度以及沿Z轴方向的旋转自由度。
3、锁紧阶段。
如图9所示,插入探头12在外部推动力的作用下到达柔性可扩缩机构31上端,开始进入锁紧阶段,插入探头12的头部设置锥形引导头121,柔性可扩缩机构31上端为内锥形孔,且锥形引导头121的锥度比内锥形孔的锥度要大,便于插入。如图10所示,插入探头12进入柔性可扩缩机构31后,柔性可扩缩机构31的柔性锁紧柱32张开,箍缩圈34轴向移动,使内部复位弹簧35被压缩,积蓄能量。如图11所示,当锁紧齿33到达插入探头12的锁紧凹槽123处后,锁紧齿33对插入探头12进行啮合,柔性锁紧柱32回弹。外部推动力停止后,复位弹簧35释放能量,通过箍缩圈34对柔性锁紧柱32进行紧箍,增大锁紧力。如图12所示,完成锁紧过程后,两个空间拼接定位锁紧调节一体化机构的捕获孔11和锥形限位座122相互吻合。
4、调节阶段。插入探头12被锁紧后,整个对接过程已经完成机械固连,在两组对接完成的空间拼接定位锁紧调节一体化机构内部,与锁紧单元3通过螺接加顶丝41固连的单自由度精密调节促动器42经由同一电信号同时对插入探头12进行轴向调整,保证光学镜面所需的拼接定位精度要求。
实施例2
本实施例是一种空间拼接反射镜,如图13和图14所示,其结构包括多个拼接为一体的六边形单元镜9。六边形单元镜9的一侧为镜面91,六边形单元镜9的另一侧安装有一个或者多个空间拼接定位锁紧调节一体化机构92;相邻的两个六边形单元镜9通过各自的空间拼接定位锁紧调节一体化机构92相互拼接锁定。
Claims (8)
1.一种空间拼接定位锁紧调节一体化机构,其特征在于:包括捕获单元、定位单元、锁紧单元和调节单元;所述捕获单元包括捕获孔和插入探头;所述定位单元包括中心轴线与插入探头中心轴线相平行的定位限制孔,所述定位限制孔一端与捕获孔相连,定位限制孔的另一端与锁紧单元相连;所述调节单元与锁紧单元相连。
2.根据权利要求1所述的空间拼接定位锁紧调节一体化机构,其特征在于:所述锁紧单元包括呈圆筒形结构的柔性扩缩装置,所述柔性扩缩装置包括多个与插入探头平行的柔性锁紧柱,所述柔性锁紧柱一端固定于一个圆周上,柔性锁紧柱的另一端设置锁紧齿,所述插入探头上设置有与锁紧齿配合的锁紧凹槽。
3.根据权利要求2所述的空间拼接定位锁紧调节一体化机构,其特征在于:所述锁紧单元还包括箍缩圈和复位弹簧,所述箍缩圈套装于柔性锁紧柱上,所述复位弹簧一端固定,复位弹簧的另一端与箍缩圈相连。
4.根据权利要求3所述的空间拼接定位锁紧调节一体化机构,其特征在于:所述箍缩圈与柔性锁紧柱相接触的内圈上设置有倒角。
5.根据权利要求1所述的空间拼接定位锁紧调节一体化机构,其特征在于:所述捕获单元还包括对标指示标志和与对标指示标志对应位置设置的对标监测相机。
6.根据权利要求1所述的空间拼接定位锁紧调节一体化机构,其特征在于:所述插入探头的顶端设置锥形引导头,插入探头的底端设置有锥形限位座;所述捕获孔是与锥形限位座锥度相同的内锥形孔。
7.根据权利要求6所述的空间拼接定位锁紧调节一体化机构,其特征在于:所述调节单元是通过顶丝与锁紧单元固定连接的单自由度精密调节促动器。
8.一种空间拼接反射镜,其特征在于:包括多个拼接为一体的六边形单元镜,所述六边形单元镜的一侧为镜面,六边形单元镜的另一侧安装有一个或者多个如权利要求1-7中任一所述的空间拼接定位锁紧调节一体化机构;相邻的两个六边形单元镜通过各自的空间拼接定位锁紧调节一体化机构相互拼接锁定。
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