CN109436381A - 联动式空间对接锁紧与分离装置及方法 - Google Patents

联动式空间对接锁紧与分离装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种联动式空间对接锁紧与分离装置及方法，能够实现两飞行器安全平稳的锁紧分离。一种联动式空间对接锁紧与分离装置，包括联动机构(1)和导向机构(2)，待补给飞行器与联动机构(1)连接，导向机构(2)安装于补给飞行器上；联动机构通过涡轮—齿轮传动系(1‑g)将机械臂输入的的负载转矩传递至曲柄滑块机构组(1‑h)进行联动，最终在导向机构(2)的作用下，实现联动机构(1)与导向机构(2)的刚性锁紧与解锁分离。

Description

联动式空间对接锁紧与分离装置及方法
技术领域
本发明涉及一种锁紧与分离装置，具体涉及一种联动式空间对接锁紧与分离装置，还涉及利用该装置实现空间对接过程中，两飞行器锁紧与分离的方法。属于航天飞行器停泊托管、在轨补加领域。
背景技术
为保证空间在轨过程中，飞行器能够长时间可靠运行，需要对飞行器进行补给、加注等动作，这就要求待补给飞行器长期停靠补给飞行器，接受补给飞行器托管及在轨加注、补给，因此需要在两飞行器之间建立模块化通道，实现两飞行器刚性锁紧，加注补给后，两飞行器能及时安全、平稳解锁分离。
发明内容
本发明提供一种联动式空间对接锁紧与分离装置及方法，能够实现两飞行器安全平稳的锁紧分离。
本发明通过以下技术方案实现：
一种联动式空间对接锁紧与分离装置，包括联动机构(1)和导向机构(2)，待补给飞行器与联动机构(1)连接，导向机构(2)安装于补给飞行器上；联动机构通过涡轮—齿轮传动系(1-g)将机械臂输入的的负载转矩传递至曲柄滑块机构组(1-h)进行联动，最终在导向机构(2)的作用下，实现联动机构(1)与导向机构(2)的刚性锁紧与解锁分离。
进一步地，所述联动机构包括上外壳(1-a)、下外壳(1-b)、限位滑道(1-c)、导向锥(1-d)、电连接器插头(1-e)、液路断接器插头(1-f)、涡轮—齿轮传动系(1-g)以及串联曲柄滑块组(1-h)；所述上外壳(1-a)为联动机构与待补给飞行器提供安装接口，周围设计有缺口；所述下外壳(1-b)通过与上外壳(1-a)联接，为所述齿轮传动系(1-g)和串联曲柄滑块组(1-h)提供安装支撑，同时为导向锥(1-d)、电连接器插头(1-e)以及液路断接器插头(1-f)提供安装位置；所述限位滑道(1-c)安装于上外壳(1-a)缺口处；所述导向锥(1-d)与下外壳(1-b)安装孔配合安装。
进一步地，所述涡轮—齿轮传动系(1-g)主要由蜗杆(1-g-1)、涡轮(1-g-2)、大齿轮轴(1-g-3)、小齿轮(1-g-4)、驱动柄(1-g-7)、轴承(1-g-5)、轴承(1-g-6)、轴承端盖(1-g-8)组成；所述蜗杆(1-g-1)通过轴承(1-g-5)安装在上外壳(1-a)上；所述大齿轮轴(1-g-3)通过在两端安装轴承(1-g-6)，套装在上外壳(1-a)下外壳(1-b)之间；所述涡轮(1-g-2)通过花键套装在大齿轮轴(1-g-3)上；所述小齿轮(1-g-4)上设计有驱动柄1-g-7，用来向串联曲柄滑块组(1-h)传递负载转矩，通过螺钉(1-g-9)安装在下外壳(1-b)上，驱动柄(1-g-7)与螺钉(1-g-9)配合部位为光轴段，驱动柄(1-g-7)可绕光轴段旋转。
进一步地，所述串联曲柄滑块组(1-h)由多组结构参数相同的曲柄滑块机构串联组成，每个曲柄滑块机构包括曲拐(1-h-1)、从动柄(1-h-2)、连杆(1-h-3)、锁紧杆(1-h-4)、辊子(1-h-5)、辊销(1-h-6)，所述曲拐(1-h-1)通过螺钉(1-h-7)安装在下外壳(1-b)上，曲拐(1-h-1)与螺钉(1-h-7)配合部位为光轴段，曲拐(1-h-1)可绕光轴段旋转；所述连杆(1-h-3)通过销钉(1-h-8)，实现驱动柄—曲拐或者曲拐—曲拐联接；所述辊子(1-h-5)通过辊销(1-h-6)安装在锁紧杆(1-h-4)上。
进一步地，所述导向机构包括底座(2-a)、导向组件(2-b)、电连接器插座(2-c)、液路断接器插座(2-d)；所述底座(2-a)为导向机构(2)与补给飞行器提供安装接口，底座(2-a)上均布锥口(2-a-1)，用于对导向锥(1-d)进行导向，底座(2-a)上均布平台(2-a-2)，用于安装导向组件(2-b)；所述电连接器插座(2-c)在下外壳(1-b)上均布。
进一步地，所述导向组件(2-b)包括支架(2-b-1)、楔块(2-b-2)、弹簧(2-b-3)、曲杆(2-b-4)；所述支架(2-b-1)安装在底座(2-a)的平台(2-a-2)上，支架(2-b-1)用于实现锁紧/分离过程中对辊子(1-h-5)进行导向支撑，所述楔块(2-b-2)和弹簧(2-b-3)套装在曲杆(2-b-4)上，楔块(2-b-2)上设计有与锁紧杆(1-h-4)相对应的自锁角斜面，所述曲杆(2-b-4)安装在支架(2-b-1)上。
一种联动式空间对接锁紧与分离方法，包括以下步骤：
步骤一、机械臂捕获联动机构(1)，将导向锥(1-d)缓缓插入导向机构(2)对应的导向锥口(2-a-1)中并推送，直至辊子(1-h-5)落在支架(2-b-1)斜面上平台；
步骤二、机械臂驱动蜗杆(1-g-1)输入一定的负载力矩M，驱动涡轮(1-g-2)转动，带动小齿轮(1-g-4)转动，将负载力矩传递至串联曲柄滑块组(1-h)；
步骤三、在负载力矩M作用下，驱动柄(1-g-7)通过连杆(1-h-3)，带动第一个曲拐(1-h-1)转动，第一个曲拐(1-h-1)通过连杆(1-h-3)，带动第二个曲拐(1-h-1)转动，依次，整个串联曲柄滑块组(1-h)联动，锁紧杆(1-h-4)同时向外径向扩张；
步骤四、锁紧杆(1-h-4)扩张同时，辊子(1-h-5)进入支架(2-b-1)斜面，支架(2-b-1)上斜面对辊子(1-h-5)产生的向下挤压力，联动机构(1)整体向导向机构(2)靠近；
步骤五、辊子(1-h-5)即将到达斜面下平台时，锁紧杆(1-h-4)前端自锁斜面与楔块(2-b-2)自锁斜面缓缓贴合，并推动楔块(2-b-2)沿曲杆(2-b-4)，自适应向外径向滑动，直至两斜面贴合；至此，两机构实现刚性连接，电连接器、液路断接器接通，进行补给、加注任务；
步骤六、之后，机械臂对蜗杆(1-g-1)输入相反的负载力矩M，锁紧杆(1-h-4)向内径向收缩，支架(2-b-1)下斜面对辊子(1-h-5)产生向上的支撑力，联动机构(1)相对导向机构(2)整体向上移动，两机构实现解锁分离。
本发明的有益效果：
本发明通过将待补给飞行器与联动机构连接，通过涡轮—齿轮传动系将机械臂输入的的负载转矩传递至曲柄滑块机构组进行联动，最终在导向机构的作用下实现联动机构与导向机构的刚性锁紧与解锁分离。加注补给后，两飞行器能及时安全、平稳解锁分离。
附图说明
图1是联动式空间对接锁紧与分离装置处于分离状态示意图(主视图)。
图2是联动式空间对接锁紧与分离装置处于分离状态示意图(俯视图)。
图3是联动式空间对接锁紧与分离装置处于分离状态示意图(等轴测1)。
图4是联动式空间对接锁紧与分离装置处于分离状态示意图(等轴测2)。
图5是联动式空间对接锁紧与分离装置处于锁紧状态示意图(主视图)。
图6是联动式空间对接锁紧与分离装置处于锁紧状态示意图(俯视图)。
图7是联动式空间对接锁紧与分离装置处于锁紧状态示意图(等轴测1)。
图8是联动式空间对接锁紧与分离装置处于锁紧状态示意图(等轴测2)。
图9是联动式空间对接锁紧与分离装置导向机构示意图(等轴测)。
图10是导向组件示意图(等轴测)。
图11是导向组件示意图(主视图)。
具体实施方式
下面结合附图1-11对本发明作进一步介绍。
参照图1～11，本发明为一种联动式空间对接锁紧与分离装置，包括联动机构1与导向机构2两部分。所述联动机构1包括上外壳1-a、下外壳1-b、限位滑道1-c、导向锥1-d、电连接器插头1-e、液路断接器插头1-f、涡轮—齿轮传动系1-g以及串联曲柄滑块组1-h；所述导向机构2包括底座2-a、导向组件2-b、电连接器插座2-c、液路断接器插座2-d。
所述上外壳1-a主要为联动机构1与待补给飞行器提供安装接口，周围均布设计有6个缺口，实现锁紧杆的出入；所述下外壳1-b通过销钉和螺钉，与上外壳1-a实现联接，为齿轮传动系1-g和串联曲柄滑块组1-h提供安装支撑，同时为导向锥1-d、电连接器插头以及液路断接器插头提供安装位置。所述限位滑道1-c安装于上外壳1-a缺口处，设计有双边限位凸台，保证锁紧杆在运动过程中作直线运动。所述导向锥1-d前端设计为锥形，具有较好的自适应性，后端为光轴，与下外壳1-b安装孔配合，实现精准定位，在下外壳1-b均布3处。
所述涡轮—齿轮传动系1-g主要由蜗杆1-g-1、涡轮1-g-2、大齿轮轴1-g-3、小齿轮1-g-4、轴承1-g-5、轴承1-g-6、轴承端盖1-g-8组成；所述蜗杆1-g-1通过轴承1-g-5安装在上外壳1-a上；所述大齿轮轴1-g-3通过在两端安装轴承1-g-6，套装在上外壳1-a下外壳1-b之间；所述涡轮1-g-2通过花键套装在大齿轮轴1-g-3上；所述小齿轮1-g-4设计有驱动柄1-g-7，用来向串联曲柄滑块组1-h传递负载转矩，通过螺钉1-g-9安装在下外壳1-b上，驱动柄1-g-7与螺钉1-g-9配合部位为光轴段，驱动柄1-g-7可绕光轴段旋转。
所述串联曲柄滑块组1-h主要6组结构参数相同的曲柄滑块机构组成，包括曲拐1-h-1、从动柄1-h-2、连杆1-h-3、锁紧杆1-h-4、辊子1-h-5、辊销1-h-6，所述曲拐1-h-1通过螺钉1-h-7安装在下外壳1-b上，曲拐1-h-1与螺钉1-h-7配合部位为光轴段，曲拐1-h-1可绕光轴段旋转；所述连杆1-h-3通过销钉1-h-8，实现驱动柄—曲拐或者曲拐—曲拐联接；所述辊子1-h-5通过辊销1-h-6安装在锁紧杆1-h-4上，所述锁紧杆1-h-4前端设计有自锁角斜面。
所述底座2-a主要为导向机构2与补给飞行器提供安装接口，底座2-a上均布3个锥口2-a-1，用于对导向锥1-d进行导向，底座2-a上均布6个平台2-a-2，用于安装导向组件2-b；所述导向组件2-b包括支架2-b-1、楔块2-b-2、弹簧2-b-3、曲杆2-b-4；所述支架2-b-1通过销钉与螺钉，安装在底座2-a平台2-a-2上，支架2-b-1设计有斜面，用于实现锁紧/分离过程中对辊子1-h-5进行导向支撑，支架2-b-1上还设计有限位凸台，刚性锁紧后，下外壳1-b底部边缘落在限位凸台上；所述楔块2-b-2和弹簧2-b-3套装在曲杆2-b-4上，楔块2-b-2上设计有与锁紧杆1-h-4相对应自锁角斜面，所述曲杆2-b-4安装在支架2-b-1上；所述电连接器插头1-e(插座2-c)为浮动电连接器，在下外壳1-b(底座2-a)上均布3处。
本发明的工作原理是：
实施例1：联动机构1与导向机构2处于分离状态，两机构进行刚性锁紧
(1)待补给飞行器携带联动机构1，行至联动机构1与导向机构2同轴安全距离处；
(2)机械臂捕获联动机构1，将导向锥1-d缓缓插入导向机构2对应的3个导向锥口2-a-1中并推送，直至辊子1-h-5落在支架2-b-1斜面上平台(初始位置)；
(3)机械臂驱动蜗杆1-g-1输入负载力矩M，驱动涡轮1-g-2转动，由于涡轮1-g-2与大齿轮轴1-g-3为刚性套装，带动小齿轮1-g-4转动，将负载力矩传递至串联曲柄滑块组1-h；
(4)在负载力矩M作用下，驱动柄1-g-7通过连杆1-h-3，带动第一个曲拐1-h-1转动，第一个曲拐1-h-1通过连杆1-h-3，带动第二个曲拐1-h-1转动，依次，整个串联曲柄滑块组1-h联动，6个锁紧杆1-h-4同时向外(径向)扩张；
(5)锁紧杆1-h-4扩张同时，辊子1-h-5进入支架2-b-1斜面，由于支架2-b-1上斜面对辊子1-h-5产生的向下挤压力，联动机构1整体向导向机构2靠近；
(6)辊子1-h-5即将到达支架2-b-1斜面下平台时，锁紧杆1-h-4前端自锁斜面与楔块2-b-2自锁斜面缓缓贴合，并推动楔块2-b-2沿曲杆2-b-4，自适应向外(径向)滑动，直至两斜面大部分贴合；同时，在设计上，由于支架2-b-1斜面上下平台之间的高度差S要大于初始位置下外壳1-b底部与支架2-b-1限位凸台之间的高度差0.5mm(即S+0.5mm)，至此，两机构实现刚性连接，电连接器、液路断接器接通，进行补给、加注任务。
实施例2：联动机构1与导向机构2处于锁紧状态，两机构进行解锁分离
(1)待补给飞行器携带联动机构1，完成补给、加注任务；
(2)机械臂驱动蜗杆1-g-1输入实施例1中相反的负载力矩M，驱动涡轮1-g-2转动，由于涡轮1-g-2与大齿轮轴1-g-3为刚性套装，带动小齿轮1-g-4转动，将负载力矩传递至串联曲柄滑块组1-h；
(3)在负载力矩M作用下，驱动柄1-g-7通过连杆1-h-3，带动第一个曲拐1-h-1转动，第一个曲拐1-h-1通过连杆1-h-3，带动第二个曲拐1-h-1转动，依次，整个串联曲柄滑块组1-h联动，6个锁紧杆1-h-4同时向内(径向)收缩；
(4)锁紧杆1-h-4收缩同时，锁紧杆1-h-4前端自锁斜面与楔块2-b-2自锁斜面缓缓分离，楔块2-b-2沿曲杆2-b-4，在弹簧2-b-3张力作用下向内(径向)滑动，直至两斜面彻底脱离，
(5)辊子1-h-5从支架2-b-1斜面下平台进入斜面，由于支架2-b-1下斜面对辊子1-h-5产生的向上支撑力，联动机构1相对导向机构2整体向上移动，直至辊子1-h-5落在支架2-b-1斜面上平台，至此，电连接器、液路断接器分离，两机构平稳分离；
(6)机械臂捕获联动机构1，沿其轴向将联动机构1转移至空间安全距离，待补给飞行器携带联动机够1执行其它任务。
以上对本发明实施例所提供的一种联动式空间对接锁紧与分离装置及实现锁紧与分离的方法进行了详细介绍，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，凡是依据本发明实施例思想，在具体实施方式及应用范围上所做任何改变均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种联动式空间对接锁紧与分离装置，其特征在于，包括联动机构(1)和导向机构(2)，待补给飞行器与联动机构(1)连接，导向机构(2)安装于补给飞行器上；联动机构通过涡轮—齿轮传动系(1-g)将机械臂输入的的负载转矩传递至曲柄滑块机构组(1-h)进行联动，最终在导向机构(2)的作用下，实现联动机构(1)与导向机构(2)的刚性锁紧与解锁分离。
2.如权利要求1所述的一种联动式空间对接锁紧与分离装置，其特征在于，所述联动机构包括上外壳(1-a)、下外壳(1-b)、限位滑道(1-c)、导向锥(1-d)、电连接器插头(1-e)、液路断接器插头(1-f)、涡轮—齿轮传动系(1-g)以及串联曲柄滑块组(1-h)；所述上外壳(1-a)为联动机构与待补给飞行器提供安装接口，周围设计有缺口；所述下外壳(1-b)通过与上外壳(1-a)联接，为所述齿轮传动系(1-g)和串联曲柄滑块组(1-h)提供安装支撑，同时为导向锥(1-d)、电连接器插头(1-e)以及液路断接器插头(1-f)提供安装位置；所述限位滑道(1-c)安装于上外壳(1-a)缺口处；所述导向锥(1-d)与下外壳(1-b)安装孔配合安装。
3.如权利要求2所述的一种联动式空间对接锁紧与分离装置，其特征在于，所述涡轮—齿轮传动系(1-g)主要由蜗杆(1-g-1)、涡轮(1-g-2)、大齿轮轴(1-g-3)、小齿轮(1-g-4)、驱动柄(1-g-7)、轴承(1-g-5)、轴承(1-g-6)、轴承端盖(1-g-8)组成；所述蜗杆(1-g-1)通过轴承(1-g-5)安装在上外壳(1-a)上；所述大齿轮轴(1-g-3)通过在两端安装轴承(1-g-6)，套装在上外壳(1-a)下外壳(1-b)之间；所述涡轮(1-g-2)通过花键套装在大齿轮轴(1-g-3)上；所述小齿轮(1-g-4)上设计有驱动柄1-g-7，用来向串联曲柄滑块组(1-h)传递负载转矩，通过螺钉(1-g-9)安装在下外壳(1-b)上，驱动柄(1-g-7)与螺钉(1-g-9)配合部位为光轴段，驱动柄(1-g-7)可绕光轴段旋转。
4.如权利要求2或3所述的一种联动式空间对接锁紧与分离装置，其特征在于，所述串联曲柄滑块组(1-h)由多组结构参数相同的曲柄滑块机构串联组成，每个曲柄滑块机构包括曲拐(1-h-1)、从动柄(1-h-2)、连杆(1-h-3)、锁紧杆(1-h-4)、辊子(1-h-5)、辊销(1-h-6)，所述曲拐(1-h-1)通过螺钉(1-h-7)安装在下外壳(1-b)上，曲拐(1-h-1)与螺钉(1-h-7)配合部位为光轴段，曲拐(1-h-1)可绕光轴段旋转；所述连杆(1-h-3)通过销钉(1-h-8)，实现驱动柄—曲拐或者曲拐—曲拐联接；所述辊子(1-h-5)通过辊销(1-h-6)安装在锁紧杆(1-h-4)上。
5.如权利要求2或3所述的一种联动式空间对接锁紧与分离装置，其特征在于，所述导向机构包括底座(2-a)、导向组件(2-b)、电连接器插座(2-c)、液路断接器插座(2-d)；所述底座(2-a)为导向机构(2)与补给飞行器提供安装接口，底座(2-a)上均布锥口(2-a-1)，用于对导向锥(1-d)进行导向，底座(2-a)上均布平台(2-a-2)，用于安装导向组件(2-b)；所述电连接器插座(2-c)在下外壳(1-b)上均布。
6.如权利要求5所述的一种联动式空间对接锁紧与分离装置，其特征在于，所述导向组件(2-b)包括支架(2-b-1)、楔块(2-b-2)、弹簧(2-b-3)、曲杆(2-b-4)；所述支架(2-b-1)安装在底座(2-a)的平台(2-a-2)上，支架(2-b-1)用于实现锁紧/分离过程中对辊子(1-h-5)进行导向支撑，所述楔块(2-b-2)和弹簧(2-b-3)套装在曲杆(2-b-4)上，楔块(2-b-2)上设计有与锁紧杆(1-h-4)相对应的自锁角斜面，所述曲杆(2-b-4)安装在支架(2-b-1)上。
7.如权利要求6所述的一种联动式空间对接锁紧与分离装置，其特征在于，所述支架(2-b-1)上设计有限位凸台，刚性锁紧后，下外壳(1-b)底部边缘落在限位凸台上。
8.一种联动式空间对接锁紧与分离方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、机械臂捕获联动机构(1)，将导向锥(1-d)缓缓插入导向机构(2)对应的导向锥口(2-a-1)中并推送，直至辊子(1-h-5)落在支架(2-b-1)斜面上平台；
步骤二、机械臂驱动蜗杆(1-g-1)输入一定的负载力矩M，驱动涡轮(1-g-2)转动，带动小齿轮(1-g-4)转动，将负载力矩传递至串联曲柄滑块组(1-h)；
步骤三、在负载力矩M作用下，驱动柄(1-g-7)通过连杆(1-h-3)，带动第一个曲拐(1-h-1)转动，第一个曲拐(1-h-1)通过连杆(1-h-3)，带动第二个曲拐(1-h-1)转动，依次，整个串联曲柄滑块组(1-h)联动，锁紧杆(1-h-4)同时向外径向扩张；
步骤四、锁紧杆(1-h-4)扩张同时，辊子(1-h-5)进入支架(2-b-1)斜面，支架(2-b-1)上斜面对辊子(1-h-5)产生的向下挤压力，联动机构(1)整体向导向机构(2)靠近；
步骤五、辊子(1-h-5)即将到达斜面下平台时，锁紧杆(1-h-4)前端自锁斜面与楔块(2-b-2)自锁斜面缓缓贴合，并推动楔块(2-b-2)沿曲杆(2-b-4)，自适应向外径向滑动，直至两斜面贴合；至此，两机构实现刚性连接，电连接器、液路断接器接通，进行补给、加注任务；
步骤六、之后，机械臂对蜗杆(1-g-1)输入相反的负载力矩M，锁紧杆(1-h-4)向内径向收缩，支架(2-b-1)下斜面对辊子(1-h-5)产生向上的支撑力，联动机构(1)相对导向机构(2)整体向上移动，两机构实现解锁分离。
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