CN108037576A - 用于空间拼接反射镜的异体同构锥杆式精密拼接机构 - Google Patents

Abstract

本发明属于空间航天技术领域，具体涉及一种用于空间拼接反射镜的异体同构锥杆式精密拼接机构，包括支撑主架，支撑主架上设置有安装中间板、捕获装置、定位装置、锁紧装置、调节装置和分离装置；捕获装置包括位于安装中间板同一侧的捕获孔和插入探头，捕获孔的轴线与插入探头的轴线平行设置；安装中间板的另一侧设置定位装置、锁紧装置、调节装置和分离装置。本发明解决了现有的拼接机构存在的结构复杂、拼接精度差的技术问题。

Description

用于空间拼接反射镜的异体同构锥杆式精密拼接机构

技术领域

本发明属于空间航天技术领域，具体涉及一种用于空间拼接反射镜的异体同构锥杆式精密拼接机构。

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，传统空间拼接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，需要拼接机构达到微米级机械拼接定位精度，这对于传统型空间拼接机构是一种不小的挑战。目前大型航天器之间的对接机构发展迅速，但大型对接机构主要着眼于周边密封性以及内部物质或信号传输，并且多采用周边式锁紧机构，通过复杂的主副结构锁及其传动机构实现两航天器互相对接。拼接主反射镜所需要的拼接机构需要单元镜组之间保证一定的拼接定位精度以及锁紧强度，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，对于工作量大且长期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，外部能源输入类型的拼接锁紧机构的使用具有比较严格的功耗及工作性能的限制，而且外部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。因此本发明设计了一种紧凑、锁紧可靠、精密可调、可替换、低功耗的空间精密拼接机构。

发明内容

本发明目的是提供一种用于空间拼接反射镜的异体同构锥杆式精密拼接机构，解决了现有的拼接机构存在的结构复杂、拼接精度差的技术问题。

本发明的技术解决方案是：一种用于空间拼接反射镜的异体同构锥杆式精密拼接机构，其特殊之处在于：包括支撑主架，支撑主架上设置有安装中间板、捕获装置、定位装置、锁紧装置、调节装置和分离装置；

所述捕获装置包括位于安装中间板同一侧的捕获孔和插入探头，所述捕获孔的轴线与插入探头的轴线平行设置；

安装中间板的另一侧设置定位装置、锁紧装置、调节装置和分离装置；

所述定位装置包括定位限制孔，定位限制孔一端与捕获孔相连，定位限制孔的另一端安装锁紧装置，所述锁紧装置与调节装置相连；

所述分离装置包括驱动电机和与驱动电机相连的分离杆，所述分离杆位于插入探头的中心并与插入探头同轴设置。

进一步地，上述插入探头包括自顶部至底部依次设置的引导头、锁紧凹槽和限位底座，所述引导头为锥形头，所述锁紧凹槽为内置凹槽，所述限位底座是与捕获孔锥度相同的锥形底座。

进一步地，上述锁紧装置包括柔性可扩缩机构底座，柔性可扩缩机构底座上设置有多个呈圆周状分布的柔性锁紧齿，所述柔性锁紧齿的顶部形状与插入探头的锁紧凹槽相吻合；由柔性锁紧齿围成的中心圆孔的直径自顶部向底部逐渐缩小形成锥形孔，所述中心圆孔内设置有分离塞。

进一步地，上述锁紧装置还包括环箍弹簧和箍缩圈，所述箍缩圈套装在柔性锁紧齿上，所述环箍弹簧一端与箍缩圈相连，环箍弹簧的另一端与柔性可扩缩机构底座相连。

进一步地，上述箍缩圈与柔性锁紧齿相接触的内圈上设置有倒角。

优选地，上述捕获孔为内置圆锥孔，捕获孔一侧设置有对标指示标志。

进一步地，上述定位限制孔的外壁设置有多个支撑肋板。

进一步地，上述安装中间板的中心与异体同构锥杆式精密拼接机构的重心重合。

进一步地，上述安装中间板上设置有用于连接空间在轨单元镜组件的安装孔。

进一步地，上述调节装置是与锁紧装置相连的单自由度精密调节促动器。

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捕获、定位、锁紧、调节和分离功能，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，以支撑主架外侧端面所在平面作为XY平面，以支撑主架沿捕获孔中心轴向作为Z轴方向。定位限制孔内径与捕获孔下端口径、所述插入探头外径尺寸相一致，在捕获定位过程中，插入探头五个自由度得到限制；锁紧装置外缘与定位限制孔进行同轴心配合，使得Z轴方向可调，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定位精度。

(3)锁紧可靠，稳定性好。本发明在插入探头进入柔性可扩缩装置后，锁紧齿外扩，引导导轨下移，内置弹簧收缩；在插入探头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，由于内置弹簧的弹性恢复力，引导导轨上移，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，以所述支撑主架外侧端面所在平面作为XY平面，以支撑主架沿捕获孔轴向作为Z轴方向。捕获装置的捕获孔可以达到的捕获范围为：X:±20mm；Y:±20mm；沿Z轴倾斜：±30°；XY面内沿两捕获孔圆心连线的倾斜：±46.6°。

(5)减少外部能源输入，能量自回收。本发明的锁紧装置采用环箍弹簧，插入探头进入锁紧装置后锁紧齿沿锥头外扩，压缩弹簧积蓄能量，当插入动作停止后，压缩的环箍弹簧释放能量引导锁紧齿复位，使其完成对插入探头的锁紧，简化了机构设计的复杂性，相比传统锁紧机构如涡轮蜗杆机构或者凸轮锁等主动耗能驱动型锁紧机构更适应太空恶劣的工作环境。

(6)拼接间隙可调且分离操作简单易行。本发明的调节装置采用了单自由度促动器，分辨率高，在锁紧完成后，在测量系统的辅助下，通过同一电信号驱动促动器即可完成对该拼接组合体间的轴向间隙进行调节。在分离阶段，直线运动电机推动插入头内部的分离杆，分离杆进入柔性可扩缩机构内部，压缩环箍弹簧的同时驱动锁紧齿外扩，并在该推动力的作用下使得两机构彼此分离。

(7)可传递热载荷、热稳定性好。本发明除了促动器部件外，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。

(8)重量轻，刚度高。本发明通过支撑主架一体化设计，将整个拼接过程中的捕获、定位、锁紧、调节以及分离功能结构均安装在同一支撑主架上，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。

(9)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保证同轴度，定位限制孔下端与锁紧机构的外缘配合以保证同轴度，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为本发明搭载单元镜构成的拼接反射镜示意图。

图2为本发明相邻两个单元镜之间的拼接状态示意图。

图3为本发明异体同构锥杆式精密拼接机构的较佳实施例结构示意图。

图4为本发明异体同构锥杆式精密拼接机构的较佳实施例剖面视图(捕获过程中)。

图5为本发明插入探头的较佳实施例结构示意图。

图6为本发明锁紧装置的较佳实施例结构示意图(立体图)。

图7为本发明锁紧装置的较佳实施例结构示意图(剖面图)。

图8为本发明捕获状态下的侧面视图。

图9为本发明定位状态下的侧面视图。

图10为本发明定位状态下的剖面视图。

图11为本发明锁紧状态下的局部剖面视图(状态一)。

图12为本发明锁紧状态下的局部剖面视图(状态二)。

图13为本发明锁紧状态下的剖面视图(状态三)。

图14为本发明分离状态下的剖面视图。

其中，附图标记为：1-插入探头，2-捕获孔，3-安装中间板，4-支撑肋板，5-定位限制孔外壁，6-锁紧装置，7-驱动电机，8-单元镜模块，9-单元镜支撑杆，10-镜体底座，11-定位限制孔，12-环箍弹簧，13-单自由度精密调节促动器，14-促动器底座，15-分离杆，16-分离塞，17-柔性可扩缩机构底座，18-环箍圈，19-锁紧齿，20-促动器安装孔，101-锥形引导头，102-引导行程，103-锁紧凹槽，104-定位限制主体，105-限位底座，106-螺纹安装面，107-定位限制沉头

具体实施方式

本发明为一种用于空间拼接反射镜的异体同构锥杆式精密拼接机构，如图1和图2所示，六边形的单元镜模块8利用安装在镜体底座10上的异体同构锥杆式精密拼接机构进行相互拼接构成一个完整镜面。

如图3和图4所示，本发明异体同构锥杆式精密拼接机构的较佳实施例结构包括支撑主架，支撑主架可以采用金属材料一体化成型。

支撑主架上设置有安装中间板3、捕获装置、定位装置、锁紧装置、调节装置和分离装置；安装中间板3的中心与异体同构锥杆式精密拼接机构的重心重合。安装中间板3上设置有用于连接空间在轨单元镜组件的安装孔。

捕获装置包括位于安装中间板3同一侧的捕获孔2和插入探头1，捕获孔2的轴线与插入探头1的轴线平行设置；捕获孔2为内置圆锥孔(锥度优选为120°)，以便扩大捕获范围，捕获孔一侧设置有对标指示标志。插入探头1与支撑主架之间为胶接加螺接。

安装中间板3的另一侧设置定位装置、锁紧装置、调节装置和分离装置；

定位装置包括由定位限制孔外壁5围成的定位限制孔，定位限制孔一端与捕获孔2相连，定位限制孔的另一端安装锁紧装置6，锁紧装置与调节装置相连；定位限制孔外壁5上设置有多个支撑肋板4，用于提高支撑强度。

规定三维直角坐标系，以支撑主架外侧端面所在平面(即安装中间板3所在端面)作为XY平面，以支撑主架沿捕获孔轴向作为Z轴方向。插入探头达到定位装置后五个自由度均得到限制，分别是在XY方向的四个自由度以及Z方向的旋转自由度。

分离装置包括驱动电机7和与驱动电机7相连的分离杆15，分离杆15位于插入探头1的中心并与插入探头1同轴设置。驱动电机可以选用直线运动电机，对分离杆15执行推拉操作。

调节装置是与锁紧装置6相连的单自由度精密调节促动器13，仅能沿Z轴方向平动调节。

参见图5，插入探头包括自顶部至底部依次设置的引导头101、锁紧凹槽103和限位底座105，引导头101为锥形头，锁紧凹槽103为内置凹槽，限位底座105是与捕获孔2锥度相同的锥形底座。

参见图6和图7，锁紧装置包括柔性可扩缩机构底座17，柔性可扩缩机构底座17上设置有多个呈圆周状分布的柔性锁紧齿19，柔性锁紧齿19的顶部形状与插入探头的锁紧凹槽103相吻合；由柔性锁紧齿19围成的中心圆孔的直径自顶部向底部逐渐缩小形成锥形孔，中心圆孔内设置有分离塞16。

锁紧装置还包括环箍弹簧12和箍缩圈18，箍缩圈18套装在柔性锁紧齿19上，所述环箍弹簧一端与箍缩圈相连，环箍弹簧的另一端与柔性可扩缩机构底座相连。箍缩圈18与柔性锁紧齿19相接触的内圈上设置有倒角。

使用本发明异体同构锥杆式精密拼接机构进行单元镜拼接的主要过程分为捕获、定位、锁紧、调节、分离五个阶段。

1、捕获阶段。

如图8所示，在捕获阶段，两个异体同构锥杆式精密拼接机构为一组，一机构相对保持静止，机械手夹持另一拼接机构所在的镜体底座10，捕获开始时插入探头1进入对方捕获孔2的捕获范围内。规定三维直角坐标系，以安装中间板3捕获侧端面所在平面作为XY平面，以安装中间板3沿捕获孔2轴向作为Z轴方向。捕获装置的捕获孔2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°；沿XY面内两捕获孔圆心连线的倾斜：±46.6°。

2、定位阶段。

如图9和图10所示，插入探头1进入捕获孔2内后可以在外部推动力的作用下进入定位限制孔11内，定位限制孔11内径与捕获孔2下端内径以及插入探头1的外径一致，由于两捕获孔轴线平行且与安装中间板3垂直，因此两组插入探头进入对方的定位限制孔11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。

插入探头1在外部推动力的作用下到达锁紧装置6的上端，开始进入锁紧阶段。如图11所示，插入探头1的顶端为锥形头，柔性锁紧齿19的顶部为内锥形孔，且锥形头的锥度与内锥形孔的锥度一致，便于插入。如图12所示，插入探头1进入后，柔性锁紧齿19张开，锁紧齿19外壁的环箍圈18沿齿壁下移，环箍弹簧12被压缩，积蓄能量。如图13所示，当柔性锁紧齿19到达锁紧凹槽103处后，柔性锁紧齿19回弹并对插入探头1进行啮合。外部推动力停止后，环箍弹簧12释放能量，通过环箍圈18对柔性锁紧齿19进行紧箍，增大锁紧力。

4、调节阶段。

插入探头1被锁紧后，整个对接过程已经完成机械固连，在两组对接完成的本发明内部，调节装置通过单自由度精密调节促动器13经由同一电信号同时对插入探头1进行轴向调整，保证光学镜面所需的拼接定位精度要求。

5、分离阶段。

如图14所示，插入探头1底部的直线电机7接收分离指令后开始工作，推动插入探头1内部的分离杆15伸出，分离杆15推动与环箍圈18胶粘的分离塞16，分离塞16沿柔性锁紧齿19内壁滑动，引导柔性锁紧齿19外扩，在直线电机7的继续推动下，两拼接机构完成分离操作。

Claims (10)

1.一种用于空间拼接反射镜的异体同构锥杆式精密拼接机构，其特征在于：包括支撑主架，支撑主架上设置有安装中间板、捕获装置、定位装置、锁紧装置、调节装置和分离装置；

所述捕获装置包括位于安装中间板同一侧的捕获孔和插入探头，所述捕获孔的轴线与插入探头的轴线平行设置；

安装中间板的另一侧设置定位装置、锁紧装置、调节装置和分离装置；

所述定位装置包括定位限制孔，定位限制孔一端与捕获孔相连，定位限制孔的另一端安装锁紧装置，所述锁紧装置与调节装置相连；

所述分离装置包括驱动电机和与驱动电机相连的分离杆，所述分离杆位于插入探头的中心并与插入探头同轴设置。

2.根据权利要求1所述的用于空间拼接反射镜的异体同构锥杆式精密拼接机构，其特征在于：所述插入探头包括自顶部至底部依次设置的引导头、锁紧凹槽和限位底座，所述引导头为锥形头，所述锁紧凹槽为内置凹槽，所述限位底座是与捕获孔锥度相同的锥形底座。

3.根据权利要求2所述的用于空间拼接反射镜的异体同构锥杆式精密拼接机构，其特征在于：所述锁紧装置包括柔性可扩缩机构底座，柔性可扩缩机构底座上设置有多个呈圆周状分布的柔性锁紧齿，所述柔性锁紧齿的顶部形状与插入探头的锁紧凹槽相吻合；由柔性锁紧齿围成的中心圆孔的直径自顶部向底部逐渐缩小形成锥形孔，所述中心圆孔内设置有分离塞。

4.根据权利要求3所述的用于空间拼接反射镜的异体同构锥杆式精密拼接机构，其特征在于：所述锁紧装置还包括环箍弹簧和箍缩圈，所述箍缩圈套装在柔性锁紧齿上，所述环箍弹簧一端与箍缩圈相连，环箍弹簧的另一端与柔性可扩缩机构底座相连。

5.根据权利要求4所述的用于空间拼接反射镜的异体同构锥杆式精密拼接机构，其特征在于：所述箍缩圈与柔性锁紧齿相接触的内圈上设置有倒角。

6.根据权利要求1-5中任一所述的用于空间拼接反射镜的异体同构锥杆式精密拼接机构，其特征在于：所述捕获孔为内置圆锥孔，捕获孔一侧设置有对标指示标志。

7.根据权利要求6所述的用于空间拼接反射镜的异体同构锥杆式精密拼接机构，其特征在于：所述定位限制孔的外壁设置有多个支撑肋板。

8.根据权利要求1-5中任一所述的用于空间拼接反射镜的异体同构锥杆式精密拼接机构，其特征在于：安装中间板的中心与异体同构锥杆式精密拼接机构的重心重合。

9.根据权利要求8所述的用于空间拼接反射镜的异体同构锥杆式精密拼接机构，其特征在于：安装中间板上设置有用于连接空间在轨单元镜组件的安装孔。

10.根据权利要求1-5中任一所述的用于空间拼接反射镜的异体同构锥杆式精密拼接机构，其特征在于：所述调节装置是与锁紧装置相连的单自由度精密调节促动器。