CN109204891B - 一种捕获锁紧机构 - Google Patents

Abstract

一种捕获锁紧机构，包括：连接在分离机构主动端的捕获锁紧装置和连接在分离机构被动端的锁柄；捕获锁紧装置包括执行机构和驱动装置；驱动装置的输出端与执行机构的输入端连接，执行机构通过一对对称的平面六杆机构之间的各转动副和移动副对锁柄的捕获、拉近和锁紧，实现分离机构主动端对被动端的捕获、拉近和锁紧，及执行机构通过一对对称的平面六杆机构之间的各转动副和移动副对所述锁柄的解锁和释放，实现分离机构主动端对被动端的解锁和释放。本申请的捕获锁紧机构为连接分离机构提供了快速捕获和稳定锁紧等特性，提高了连接分离机构的捕获可靠性、互换性和连接稳定性。

Description

一种捕获锁紧机构

技术领域

本发明涉及空间分离机构技术领域，具体涉及一种可以为空间分离机构提供可重重的捕获、拉近、锁紧以及解除锁紧、释放功能的捕获锁紧机构。

背景技术

捕获锁紧机构主要应用于空间连接分离机构，从而为航天器在轨组装、功能重构、能源补给、信息交互等功能提供可实施性保障。

目前，公知的捕获锁紧机构捕获速度较慢，捕获过程存在风险；产品互换性较差，锁紧状态下锁柄相对捕获锁紧装置存在位置偏差时，机构锁紧力偏差较大；连接稳定性不足，锁紧状态保持时间较长时，连接力会因结构变形的改变而下降。

发明内容

本申请提供一种捕获锁紧机构，包括连接在分离机构主动端的捕获锁紧装置和连接在分离机构被动端的锁柄；

捕获锁紧装置包括执行机构和驱动装置；

驱动装置的输出端与执行机构的输入端连接，执行机构通过一对对称的平面六杆机构之间的各转动副和移动副对锁柄的捕获、拉近和锁紧，实现分离机构主动端对被动端的捕获、拉近和锁紧，及执行机构通过一对对称的平面六杆机构之间的各转动副和移动副对锁柄的解锁和释放，实现分离机构主动端对被动端的解锁和释放。

一种实施例中，执行机构包括：

壳体；

第一捕获爪，与壳体之间通过销轴及第一捕获爪的轴孔间隙配合连接形成转动副；

第二捕获爪，与壳体之间通过锁轴及第二捕获爪的轴孔间隙配合连接形成转动副；

第一短杆，与第一捕获爪通过销轴及第一捕获爪的轴孔间隙配合连接形成转动副；

第二短杆，与第二捕获爪通过销轴及第二捕获爪的轴孔间隙配合连接形成转动副；

第一弹性杆，与第一短杆之间通过导向销轴及第一短杆的轴孔间隙配合连接形成转动副；

第二弹性杆，与第二短杆之间通过导向销轴及第二短杆的轴孔间隙配合连接形成转动副；

第一长杆，与壳体之间通过销轴及第一长杆的轴孔间隙配合连接形成转动副，并与第一弹性杆通过导向销轴与第一长杆的轴孔间隙配合连接形成转动副；

第二长杆，与壳体之间通过销轴及第二长杆的轴孔间隙配合连接形成转动副，并与第二弹性杆通过导向销轴与第二长杆的轴孔间隙配合连接形成转动副；

丝杆螺母，分别与第一弹性杆和第二弹性杆通过销轴并利用丝杆螺母的轴孔间隙配合连接形成转动副；

丝杆，通过第一轴承和第二轴承安装于壳体上，丝杆为输入端，与驱动装置的输出端连接，驱动装置驱动丝杆旋转，丝杆螺母沿丝杆上下滑动带动各转动副运动，以实现第一捕获爪和第二捕获爪的捕获、拉近、锁紧和解锁、释放。

一种实施例中，第一弹性杆和第二弹性杆为对称结构，分别包括：连杆、轴套、弹性元件、垫片、导向销轴和垫块；

连杆穿设于所述弹性元件与轴套连接，垫片位于弹性元件与连杆之间，用于调节弹性元件的预紧力，导向销轴位于轴套内，连杆与导向销轴之间轴孔间隙配合连接形成滑动副，垫块设置于轴套底部，用于限制滑动副的极限运动范围。

一种实施例中，还包括定位组件，定位组件安装于壳体上，待丝杆螺母滑至定位组件时，定位组件对丝杆螺母进行限位。

一种实施例中，定位组件包括按钮、弹性元件、垫片和端盖；

端盖安装于所述壳体上，按钮通过所述弹性元件和垫片与端盖相连，并通过垫片调节弹性元件的预紧力，丝杆螺母位于定位组件的安装侧开设有与按钮配合的限位凹槽，按钮卡于限位凹槽时，对丝杆螺母进行限位。

一种实施例中，驱动装置包括：

驱动电机；

减速器，包括传递驱动部分减速器和传递运动部分减速器，传递驱动部分减速器用于传递驱动电机控制端到驱动电机输出端的运动，传递运动部分减速器用于传递驱动电机输出端到旋转变压器的运动；

旋转变压器，用于对驱动电机输出端运动进行监测。

依据上述实施例的捕获锁紧机构，为连接分离机构提供了快速捕获和稳定锁紧等特性，提高了连接分离机构的捕获可靠性、互换性和连接稳定性。具体的：

在执行机构的各转动副与移动副中，通过控制配合公差来控制引起的位置误差，并避免转动时阻力过大。

通过壳体与丝杠螺母的机械限位关系，限制丝杠螺母的运动范围，并在锁紧状态下配合第一弹性杆、第二弹性杆为丝杠螺母提供位置保持。

通过定位组件与丝杠螺母的配合对执行机构完全张开状态下的丝杠螺母进行位置保证。

通过控制定位组件中的弹性元件的性能参数，调整对完全张开状态的定位保持能力。

通过调节六杆机构中各杆件的长度关系，调整输出端转动的角度范围，确定捕获爪运动范围。

通过控制两个六杆机构中对应杆件的一致性，保证两个六杆机构一致性。

通过控制弹性元件的行程，调整执行机构对锁紧状态下锁柄位置的偏差适应能力。

通过调整六杆机构中各杆件尺寸与弹性元件的预紧力和刚度参数，保证捕获锁紧机构的锁紧力稳定性能。

通过两个捕获爪上的机械限位设置，为捕获锁紧装置提供自锁能力。

另外，在驱动装置中，通过调整传递运动部分减速器的减速比，保证机构运动过程中旋转变压器最大转动圈数小于1。

综上所述，本申请的捕获锁紧机构取得的有益效果是：

1、捕获锁紧装置能够实现完全张开状态的断电保持；

2、捕获锁紧装置能够实现锁紧状态的断电保持；

3、在捕获连接过程中，能够快速实现捕获锁紧装置对锁柄的可靠封闭捕获；

4、在锁紧过程中，能够实现锁紧力的平稳提高，避免冲击力；

5、具备在锁紧状态下，捕获锁紧装置对锁柄沿丝杠轴线方向相对基准位置一定范围内的偏差适应能力；

6、在锁紧状态下，锁柄在偏差范围内时，机构具备较高的锁紧力稳定特性；

7、在解锁过程中，能够实现锁紧力平稳下降，避免冲击力。

附图说明

图1为捕获锁紧机构示意图；

图2为执行机构结构示意图；

图3为第一弹性杆结构示意图；

图4为定位组件安装示意图；

图5为驱动装置结构示意图；

图6为执行机构实现捕获、拉近、释放的运动原理图；

图7为执行机构实现锁紧、解锁的运动原理图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

在本发明实施例中，本例提供的捕获锁紧机构的示意图如图1所示，包括连接在分离机构主动端的捕获锁紧装置1000和连接在分离机构被动端的锁柄2000，其中，捕获锁紧装置1000包括执行机构1100和驱动装置1200，该执行机构1100的输入端与驱动装置1200的输出端连接，本例通过设计执行机构1100采用一对对称的平面六杆机构之间的运动原理对锁柄2000的捕获、拉近和锁紧，以实现对应分离机构主动端对被动端的捕获、拉近和锁紧，及执行机构1100通过该一对对称的平面六杆机构之间的运动原理对锁柄2000的解锁和释放，实现分离机构主动端对被动端的解锁和释放。

具体的，两飞行器连接前通过机械臂或GNC系统建立捕获锁紧装置1000和锁柄2000之间的初始条件，此时，捕获锁紧装置1000处于完全张开状态，锁柄2000位于捕获锁紧装置1000的捕获范围内，之后利用驱动装置1200驱动执行机构1100运动，执行机构快速闭合并与自身壳体共同构成对锁柄2000的封闭捕获区间，形成捕获锁紧装置1000对锁柄2000的捕获，并通过执行机构1100对锁柄2000提供稳定的锁紧力。

当两飞行器分离时，利用驱动装置1200驱动执行机构1100运动，先逐渐降低执行机构1100对锁柄2000施加的锁紧力直至锁紧力完全消失，执行机构1100继续运动直至捕获锁紧装置1000完全张开，解除封闭捕获区间，释放锁柄2000。

本例提供的捕获锁紧机构具备快速捕获、缓慢锁紧、适应初始偏差、适应锁紧位置偏差、锁紧位置偏差范围内锁紧力稳定等特点，下面具体描述捕获锁紧装置1000的具体结构，及其与锁柄2000配合的过程。

如图2所示，本例的执行机构1100具体设计包括如下，需要说明的是，由于本例的执行机构1100采用一对对称的平面六连杆机构运动，为了便于描述和理解，该一对对称的平面六连杆机构的组成结构分别采用第一、第二描述，及相应的第一、第二、第三、第四等也是为了便于区别不同的结构组件及方便理解，并无特殊的含义：

壳体1101，该壳体1101包括第一壳体11011和第二壳体11012，第一壳体11011和第二壳体11012通过螺钉与圆柱销实现固定连接。

第一捕获爪1102，该第一捕获爪1102与第一壳体11011和第二壳体11012之间通过第一销轴11021并利用第一捕获爪1102的轴孔间隙配合连接形成转动副，其中，第一销轴11021与第一销轴垫片11022通过螺钉与壳体1101固定连接。

第二捕获爪1103，该第二捕获爪1103与第一壳体11011和第二壳体11012之间通过第二销轴11031并利用第二捕获爪1103的轴孔间隙配合连接形成转动副，其中，第二销轴11031与第二销轴垫片11032通过螺钉与壳体1101固定连接。

第一短杆1104，该第一短杆1104与第一捕获爪1102通过第三销轴11041并利用第一捕获爪1102的轴孔间隙配合连接形成转动副；其中，第三销轴11041通过第三销轴垫片11042与第一短杆1104固定连接。

第二短杆1105，该第二短杆1105与第二捕获爪1103通过第四销轴11051并利用第二捕获爪1103的轴孔间隙配合连接形成转动副；其中，第四销轴11051通过第四销轴垫片11052与第二短杆1105固定连接。

第一弹性杆1106，该第一弹性杆1106与第一短杆1104之间通过导向销轴并利用第一短杆1104的轴孔间隙配合连接形成转动副；其中，第一弹性杆1106的结构示意图如图3所示，第一弹性杆1106包括第一连杆11061、第一轴套11062、第一弹性元件11063、第一垫片11064、第一导向销轴11065和第一垫块11066，具体的，第一连杆11061穿设于第一弹性元件11063与第一轴套11062连接，第一垫片11064位于第一弹性元件11063与第一连杆11061之间，用于调节第一弹性元件11063的预紧力，第一导向销轴11065位于第一轴套11062内，第一连杆11061与第一导向销轴11065之间轴孔间隙配合连接形成滑动副，第一垫块11066设置于第一轴套11062底部，用于限制滑动副的极限运动范围。

第二弹性杆1107，该第二弹性杆1107与第二短杆1105之间通过导向销轴并利用第二短杆1105的轴孔间隙配合连接形成转动副，同样的，本例的第二弹性杆1107也包括第一连杆11071、第一轴套11072、第一弹性元件11073、第一垫片11074、第一导向销轴11075和第一垫块11076，本例的第二弹性杆1107与图3中的第一弹性杆1106的结构相同，具体请参考图3。

第一长杆1108，该第一长杆1108与壳体1101之间通过第五销轴11081并利用第一长杆1108的轴孔间隙配合连接形成转动副，其中，第五销轴11081通过第五销轴垫片11082及螺钉与壳体1101固定连接，另外，第一长杆1108与第一弹性杆1106通过第一导向销轴11065与第一长杆1108的轴孔间隙配合连接形成转动副。

第二长杆1109，该第二长杆1109与壳体1101之间通过第六销轴11091并利用第二长杆1109的轴孔间隙配合连接形成转动副，其中，第六销轴11091通过第六销轴垫片11092及螺钉与壳体1101固定连接，另外，第二长杆1109与第二弹性杆1107通过第二导向销轴11075与第二长杆1109的轴孔间隙配合连接形成转动副。

丝杆螺母1110，该丝杆螺母1110与第一弹性杆1106之间通过第七销轴11101并利用丝杆螺母1110的轴孔间隙配合连接形成转动副，其中，第七销轴11101通过第七销轴垫片11102与第一连杆11061固定连接。

同样的，该丝杆螺母1110与第二弹性杆1107之间通过第八销轴11103并利用丝杆螺母1110的轴孔间隙配合连接形成转动副，其中，第八销轴11103通过第八销轴垫片11104与第二连杆11071固定连接。

丝杆1120，该丝杆1120通过第一轴承1121和第二轴承1122与壳体1101连接，且，丝杆1120与壳体1101之间设有第三垫片1123，通过该第三垫片1123调整丝杆1120与壳体1101的径向间隙，丝杆1120为输入端，与驱动装置1200的输出端连接，驱动装置1200驱动丝杆旋转运动，通过丝杠螺母1110将丝杆1120的旋转运动转化为丝杠螺母的滑动运动。

进一步，第一轴承1121的外圈通过第一端盖11211、第四垫片11212和螺钉实现与壳体1101的固定，第一轴承1121的内圈通过轴用弹性挡圈11213和第五垫片11214实现与丝杆1120相连；第二轴承1122的外圈通过第二端盖11221、第六垫片11222和螺钉与壳体1101的固定，第二轴承1122的内圈通过垫圈11223和自锁螺母11224与丝杆1120相连。

进一步，为了对捕获锁紧装置1000的执行机构1100完全张开状态下的丝杠螺母1110进行位置保证，本例还包括定位组件3000，定位组件3000的安装示意图如图4所示，定位组件3000安装于壳体1101上，待丝杆螺母1110滑至定位组件3000时，定位组件3000对丝杆螺母1110进行限位；具体的，定位组件3000包括按钮3100、第三弹性元件3200、第七垫片3300和第三端盖3400，其中，第三端盖3400安装于第二壳体11012上，按钮3100通过第三弹性元件3200和第七垫片3300与第三端盖3400相连，并通过第七垫片3300调节第三弹性元件3200的预紧力，丝杆螺母1110位于定位组件3000的安装侧开设有与按钮3100配合的限位凹槽，按钮3100卡于限位凹槽时，对丝杆螺母1110进行限位。

本例的驱动装置1200的结构示意图如图5所示，具体的，驱动装置1200包括驱动电机1201、减速器1202和旋转变压器1203，其中，减速器1202包括传递驱动部分减速器和传递运动部分减速器，传递驱动部分减速器用于传递驱动电机控制端到驱动电机输出端的运动，传递运动部分减速器用于传递驱动电机输出端到旋转变压器1203的运动；旋转变压器1203用于对驱动电机输出端运动进行监测，通过调整传递运动部分减速器的减速比，能保证执行机构1100运动过程中旋转变压器1203最大转动圈数小于1，具体的，捕获锁紧装置1000从完全张开状态至锁紧状态期间，旋转变压器1203转动总角度为325.8°，不足1圈，能够满足旋转变压器1203角度与执行机构1100状态一一对应的关系。驱动电机1201保持匀速转动，丝杠螺母1110运动速度稳定，该过程运动总时间为153s；其中，从完全张开状态到形成封闭捕获区间所需时间为10.2s，具备快速捕获能力。当捕获锁紧装置1000处于锁紧状态时，能够适应锁柄2000沿丝杠1120轴向，相对基准位置±2mm的偏差范围，具备锁柄2000位置偏差适应能力。在前述偏差范围内，捕获锁紧装置1000产生的锁紧力始终在4230±80N的范围内，即锁紧力偏差不超过±2％，具备锁紧力稳定特性。

如图6所示，本例的执行机构1100实现捕获、拉近、释放阶段时六杆机构的运动原理图，图中所示状态为完全张开状态，该状态由定位组件3000保持定位；捕获拉近过程中，由于捕获爪负载较小，弹性杆长度保持不变，丝杠螺母1110克服定位组件3000阻力沿Y轴正向运动，驱动捕获爪闭合，当捕获爪爪尖与图中Y轴重全时形成捕获锁紧装置对锁柄2000的封闭捕获区间，实现捕获功能；此且，丝杠螺母1110继续沿Y轴正向运动，捕获爪继续闭合，并拉近锁柄2000，直至锁柄2000相对捕获锁紧装置1000静止，完成捕获拉近阶段；在释放过程中，丝杆螺母1110沿Y轴负向运动，驱动捕获爪逐渐张开，直至完全张开状态，实现释放功能。

如图7所示，本例的执行机构1100实现锁紧、解锁阶段的六杆机构运动原理图，图中所示的虚线为捕获拉近过程结束时或释放过程开始时，执行机构的状态，实线为执行机构的锁紧状态，锁紧过程中，丝杆螺母1110沿Y轴正向运动，弹性杆长度逐渐变小，其余各杆件位置保持不变，直至到达执行机构的锁死点，即图中线段EC与X轴平行时，该过程中，捕获爪对锁柄2000的压力逐渐增大，之后，丝杆螺母1110继续沿Y轴正向运动，弹性杆长度逐渐变大，其余各杆件位置保持不变，直至丝杆螺母1110与壳体接触，形成机械限位，配合弹性杆保持丝杆螺母1110的位置，该过程中，捕获爪与锁柄2000压力逐渐减小，形成最终捕获锁紧装置1000的锁紧力。

当将捕获锁紧装置1000通过壳体1101固定在分离机构主动端上，锁柄2000固定在分离机构被动端上，捕获锁紧过程中，通过捕获锁紧装置1000对锁柄2000的捕获、拉近和锁紧，实现分离机构主动端对被动端的捕获、拉近和锁紧，解锁过程中，通过捕获锁紧装置1000对锁柄2000的解锁和释放，实现分离机构主动端对被动端的解锁和释放。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (4)

1.一种捕获锁紧机构，其特征在于，包括：连接在分离机构主动端的捕获锁紧装置和连接在分离机构被动端的锁柄；

所述捕获锁紧装置包括执行机构和驱动装置；

所述驱动装置的输出端与所述执行机构的输入端连接，所述执行机构通过一对对称的平面六杆机构之间的各转动副和移动副对所述锁柄的捕获、拉近和锁紧，实现所述分离机构主动端对被动端的捕获、拉近和锁紧，锁紧后所述执行机构通过所述一对对称的平面六杆机构之间的各转动副和移动副对所述锁柄的解锁和释放，实现所述分离机构主动端对被动端的解锁和释放；

所述执行机构包括：

壳体；

第一捕获爪，与所述壳体之间通过销轴并利用所述第一捕获爪的轴孔间隙配合连接形成转动副；

第二捕获爪，与所述壳体之间通过锁轴并利用所述第二捕获爪的轴孔间隙配合连接形成转动副；

所述第一捕获爪与所述第二捕获爪存在错位交叉的空间；

第一短杆，与所述第一捕获爪通过销轴并利用所述第一捕获爪的轴孔间隙配合连接形成转动副；

第二短杆，与所述第二捕获爪通过销轴并利用所述第二捕获爪的轴孔间隙配合连接形成转动副；

第一弹性杆，与所述第一短杆之间通过导向销轴并利用所述第一短杆的轴孔间隙配合连接形成转动副；

第二弹性杆，与所述第二短杆之间通过导向销轴并利用所述第二短杆的轴孔间隙配合连接形成转动副；

第一长杆，与所述壳体之间通过销轴并利用所述第一长杆的轴孔间隙配合连接形成转动副，并与所述第一弹性杆通过导向销轴与所述第一长杆的轴孔间隙配合连接形成转动副；

第二长杆，与所述壳体之间通过销轴并利用所述第二长杆的轴孔间隙配合连接形成转动副，并与所述第二弹性杆通过导向销轴与所述第二长杆的轴孔间隙配合连接形成转动副；

丝杆螺母，分别与所述第一弹性杆和第二弹性杆通过销轴并利用所述丝杆螺母的轴孔间隙配合连接形成转动副；

丝杆，通过第一轴承和第二轴承安装于所述壳体上，所述丝杆为输入端，与所述驱动装置的输出端连接，所述驱动装置驱动所述丝杆旋转，所述丝杆螺母沿所述丝杆上下滑动带动各转动副运动，以实现所述第一捕获爪和第二捕获爪的捕获、拉近、锁紧和解锁、释放；

所述第一弹性杆和第二弹性杆为对称结构，分别包括：连杆、轴套、弹性元件、垫片、导向销轴和垫块；

所述连杆穿设于所述弹性元件与所述轴套连接，所述垫片位于所述弹性元件与所述连杆之间，用于调节所述弹性元件的预紧力，所述导向销轴位于所述轴套内，所述连杆与所述导向销轴之间轴孔间隙配合连接形成滑动副，所述垫块设置于所述轴套底部，用于限制所述滑动副的极限运动范围；

捕获锁紧装置处于锁紧状态时，所述锁柄沿丝杠轴向相对基准位置具有±2mm的偏差范围，且在所述偏差范围内，捕获锁紧装置产生的锁紧力在4230±80N的范围内，使锁紧力偏差不超过±2％。

2.如权利要求1所述的捕获锁紧机构，其特征在于，还包括定位组件，所述定位组件安装于所述壳体上，待所述丝杆螺母滑至所述定位组件时，所述定位组件对所述丝杆螺母进行限位。

3.如权利要求2所述的捕获锁紧机构，其特征在于，所述定位组件包括按钮、弹性元件、垫片和端盖；

所述端盖安装于所述壳体上，所述按钮通过所述弹性元件和垫片与所述端盖相连，并通过所述垫片调节所述弹性元件的预紧力，所述丝杆螺母位于所述定位组件的安装侧开设有与所述按钮配合的限位凹槽，所述按钮卡于所述限位凹槽时，对所述丝杆螺母进行限位。

4.如权利要求1所述的捕获锁紧机构，其特征在于，所述驱动装置包括：

驱动电机；

减速器，包括传递驱动部分减速器和传递运动部分减速器，所述传递驱动部分减速器用于传递所述驱动电机控制端到驱动电机输出端的运动，所述传递运动部分减速器用于传递所述驱动电机输出端到旋转变压器的运动；

旋转变压器，用于对所述驱动电机输出端运动进行监测。

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