CN109704156B - 一种具有自锁功能的系绳自动有序卷绕机构 - Google Patents

Abstract

一种具有自锁功能的系绳自动有序卷绕机构，包括电机、第一传动齿轮副、双向丝杠组件、蜗轮蜗杆、第二传动齿轮副、卷筒、绳长测量组件和张力测量组件；电机驱动蜗轮蜗杆转动，带动第一传动齿轮副和第二传动齿轮副转动，第一传动齿轮副进而驱动双向丝杠组件工作，第二传动齿轮副进而驱动卷筒转动，绳头固定在卷筒上，通过双向丝杠组件控制绳子在卷筒上往复有序卷绕；绳长测量组件用于测量卷绕在卷筒上绳子的长度，张力测量组件用于测量绳子卷绕过程中的张力，通过在卷筒上卷绕调整绳子的张力。本发明解决了空间飞网抓捕系统对较长系绳的卷绕以及绳长和张力的测量问题，并通过对系绳的卷绕控制卫星平台与抓捕对象之间的距离和系绳上张力。

Description

一种具有自锁功能的系绳自动有序卷绕机构

技术领域

本发明涉及一种具有自锁功能的系绳自动有序卷绕机构，属于空间攻防、机械工程以及电子工程等相关技术领域。本方法同样适用于其他深空星体柔性运动绳系的卷绕、张力和绳长的识别和提取。

背景技术

空间飞网抓捕系统捕获目标后，需要通过对系绳的卷绕收放来控制卫星平台与抓捕对象之间的距离和系绳上的张力，以实现对抓捕目标的有效控制。

空间在轨捕获过程中捕获目标运动状态复杂多变且难以稳定控制，在轨捕获过程中能否可靠地获取捕获目标与卫星平台之间的距离和受力关系，直接决定了捕获目标拖拽控制工作的准确性和可靠性，因此，系绳卷绕机构必须具有测量绳长和系绳张力的功能，并且能够通过对系绳的卷绕来调节绳长和张力的测量值和目标值之间差异；由于系绳长度较长，又要卷绕在相对较小的卷筒上，则需要有排绳机构防止缠绕紊乱；同时，针对抓捕初期卫星平台与抓捕对象之间的运动不协调在系绳上随机产生的大张力冲击，卷绕机构需要在卷筒绕绳的同时能够实时自锁，以防大张力冲击造成卷绕机构打滑或反转致使系绳紊乱。另外，卷绕机构壳体直接安装在卫星结构板上，发射阶段力学条件十分苛刻；整个机构直接暴露在空间环境中，对耐高低温、抗辐照等性能要求也十分苛刻。

综上所述，无法通过传统的卷绕机构完成对系绳的卷绕以及绳长和张力的控制，无成熟设计产品可借鉴，需设计新的具有实时自锁功能的、能够自主排绳的、能够多圈多层有序卷绕的系绳卷绕机构。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术不足，提供了一种具有自锁功能的系绳自动有序卷绕机构，用于解决空间飞网抓捕系统对较长系绳的卷绕以及绳长和张力的测量问题，并通过对系绳的卷绕控制卫星平台与抓捕对象之间的距离和系绳上张力。

本发明所采用的技术方案是：

一种具有自锁功能的系绳自动有序卷绕机构，包括：电机、第一传动齿轮副、双向丝杠组件、蜗轮蜗杆、第二传动齿轮副、卷筒、绳长测量组件和张力测量组件；

电机驱动蜗轮蜗杆转动，带动第一传动齿轮副和第二传动齿轮副转动，第一传动齿轮副进而驱动双向丝杠组件工作，第二传动齿轮副进而驱动卷筒转动，绳头固定在卷筒上，通过双向丝杠组件控制绳子在卷筒上往复有序卷绕；绳长测量组件用于测量卷绕在卷筒上绳子的长度，张力测量组件用于测量绳子卷绕过程中的张力，通过在卷筒上卷绕调整绳子的张力。

通过蜗轮蜗杆实现绳子卷绕过程中的实时锁定。

绳长测量组件中包括光电码盘和摩擦轮，绳子从摩擦轮处转向且带动摩擦轮转动，从而通过与摩擦轮旋转轴连接的光电码盘测量绳长。

双向丝杠组件包括双向丝杠、丝母、滑块、导向柱以及导绳轮组；

双向丝杠上设有双向螺旋槽，双向丝杠两端螺旋槽交汇处封闭且贯通，双向丝杠上螺旋槽交汇处呈X形；滑块安装在丝母上，滑块上设置有梭形凸起，且该梭形凸起嵌入螺旋槽中，并能在双向螺旋槽内滑动，双向丝杠转动，通过梭形凸起带动丝母沿导向柱往复运动；丝母上安装有导绳轮组，绳子通过导绳轮组缠绕在卷筒上。

所述张力测量组件包括结构主体和力传感器；力传感器安装于结构主体中，结构主体将规定角度的绳系张力传递给力传感器进行测量，力传感器将结构主体传递过来的绳系张力转换为差分电压信号输出。

所述结构主体包括底座、旋转轴、旋转块、回转轮以及预紧组件；

底座包括上顶面、支撑柱以及下底面；上顶面和下底面之间通过多个支撑柱支撑连接，力传感器设置在多个支撑柱中心；

旋转块通过旋转轴安装于上顶面上，回转轮安装在旋转块上，旋转块绕旋转轴进行旋转，旋转到位后通过预紧组件固定，此时旋转块的底部压在力传感器上，运动绳系的张力通过回转轮传递给旋转块，进而传递给力传感器进行测量。

结构主体还包括电缆压片和防跳线组件，电缆压片安装在下底面上，用于固定力传感器的引出线；防跳线组件安装在旋转块上，位于回转轮的上方，用于防止运动绳系在回转轮的凹槽上运动时跳脱。

防跳线组件与回转轮之间的间隙为运动绳系直径的1/4～1/2。

回转轮与旋转块之间为间隙配合，用于降低回转轮与旋转块之间的摩擦力；预紧组件包括限幅螺钉和预紧弹簧，预紧弹簧套在限幅螺钉上，用于给旋转块阻尼限幅以及提供预紧力，同时也用于通过调节预紧弹簧的压缩量而调整张力测量零点。

力传感器包括外壳、第一电路板、第二电路板、第三电路板、弹性体、传感器接头、压杆、板套以及保护帽；

传感器接头与弹性体固连成一体结构，传感器接头上设置有压杆的导向孔，其与压杆之间采用滑配合方式，提供力传递的导向与压杆的轴向限位；压杆将旋转块传递下来的绳系张力施加给弹性体，弹性体用于实现张力与形变的线性转换；

第一电路板、第二电路板和第三电路板均安装在力传感器内部，其中第一电路板完成传感器灵敏度与零点调整；第二电路板完成弹性体电极的引出，并与第一电路板通过导电柱电气连接；第三电路板与第二电路板外形尺寸一致，用于隔离弹性体电极与第二电路板，以消除电装过程导电柱下行对弹性体的影响；

第一电路板和第二电路板之间采用机械支撑固定；板套上端提供支撑台面，用于第三电路板在弹性体上部的固定，并与弹性体之间保持安全距离；板套下端与传感器接头之间固连在一起，以支撑引线板，板套与弹性体之间保留安全间隙，避免与弹性体互相摩擦受力；外壳与传感器接头保持一体化连接；保护帽采用迷宫设计用于防止力传感器内部进入多余物。

旋转块给压杆传递下来的绳系张力与压杆的轴向相同，且压杆施加给弹性体的力垂直于弹性体。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明能够通过一套机构，在实时自锁的能力下，实现对较长系绳的卷绕，并实现对绳长和张力的测量控制；

(2)本发明能够借助卷筒旋转动力源，实现双向丝杠单向旋转带动丝母自动双向往复运动，丝杠处无复杂的正反转电控换向系统引入；

(3)本发明利用蜗轮蜗杆在传动过程中实现机构实时自锁，防止大张力造成卷筒打滑，无需额外锁定机构引入；

(4)本发明将卷筒和双向丝杠组件设计为联动，丝母排绳时的往复运动与卷筒回转速度实时保持匹配；

(5)本发明根据不同的系绳张力工况，通过调整蜗轮蜗杆模数、材料、齿面状态等参数，可实现不同的自锁力；

(6)本发明根据不同的系绳卷绕速度要求，通过调整电机转速、机构传动比等参数，可实现不同的卷绕速度；

(7)本发明耐高低温性能较好，同时，能够适应大量级振动试验，具有较好地空间适应性和可靠性；

(8)本发明在绳系不同运动速度和方向状态下，均可实时测量卷绕的绳子长度。

(9)本发明能够准确、有效识别和提取空间在轨捕获过程中运动绳系的张力值，为实现系统张力闭环控制提供了测量基础；

(10)本发明在绳系不同运动状态下，均可准确识别和提取绳系张力；

(11)本发明的测量精度高，能够准确反映系绳张力的有效值。

(12)采用主、备份相互对立的冗余设计方式，设置两个传感器单元，避免在单份失效的条件下影响任务的成败，有效地解决了航天型号产品高可靠性的要求。

附图说明

图1为本发明具有自锁功能的系绳自动有序卷绕机构示意图；

图2为本发明双向丝杠组件示意图；

图3为本发明绳系张力测量装置整机示意图；

图4为本发明绳系张力测量装置结构主体示意图；

图5为本发明绳系张力测量装置力传感器结构示意图；

图6为本发明绳系张力测量装置电路原理图。

具体实施方式

本发明为一种具有自锁功能的系绳自动有序卷绕机构，通过设置蜗轮蜗杆实现卷绕机构的实时自锁，并将电机的动力传至第一传动齿轮副和第二传动齿轮副，从而带动卷筒和双向丝杠组件按固定速度转动来完成系绳的有序卷绕；通过绳长测量组件测量卷绕机构卷绕绳子的长度，通过张力测量组件测量绳子上的张力，卷绕机构通过对绳子的卷绕来控制绳子的长度和张力的大小。

如图1所示，本发明提出一种具有自锁功能的系绳自动有序卷绕机构，包括：电机21、第一传动齿轮副22、双向丝杠组件23、蜗轮蜗杆24、第二传动齿轮副25、卷筒26、绳长测量组件27和张力测量组件28；

电机21驱动蜗轮蜗杆24转动，带动第一传动齿轮副22和第二传动齿轮副25转动，实现了一个驱动源同时带动两套传动系统工作，第一传动齿轮副22进而驱动双向丝杠组件23工作，第二传动齿轮副25进而驱动卷筒26转动，绳头固定在卷筒26上，双向丝杠组件23和卷筒26按固定传动比旋转，通过双向丝杠组件23牵引绳子沿卷筒26的轴线方向往复运动，该往复运动与卷筒26的回转运动共同实现绳子在卷筒26上的固定螺距往复有序卷绕；绳长测量组件27用于测量卷绕在卷筒26上绳子的长度，以保证机构张力测量组件28用于测量绳子卷绕过程中的张力，通过在卷筒26上卷绕调整绳子的张力。蜗轮蜗杆24既是双向丝杠组件23和卷筒26的驱动源，又能保证工作过程中的任意时刻绳子上出现较大张力时，卷筒能够实时锁定，防止大张力造成卷筒打滑。

绳长测量组件27中包括光电码盘和摩擦轮，绳子从摩擦轮处转向且带动摩擦轮转动，通过与摩擦轮旋转轴连接的光电码盘测量摩擦轮的旋转圈数，旋转圈数与摩擦轮周长之积极为通过绳长测量组件27的绳子长度。

如图2所示，双向丝杠组件23包括双向丝杠231、丝母232、滑块233、导向柱234以及导绳轮组235；

双向丝杠231上设有双向螺旋槽，双向丝杠231两端螺旋槽交汇处封闭且贯通，双向丝杠231上螺旋槽交汇处呈X形；滑块233通过轴承安装在丝母232上，滑块233上设置有梭形凸起，且该梭形凸起嵌入螺旋槽中，并能在双向螺旋槽内滑动，梭形凸起在双向螺旋槽中滑动时，能够自由转动以适应双向螺旋槽的角度变化，双向丝杠231转动时，带动滑块233上的梭形凸起沿双向螺旋槽滑动，从而带动丝母232沿导向柱234往复运动；丝母232上安装有导绳轮组235，绳子通过导绳轮组235缠绕在卷筒26上，导绳轮组235可减小绳子在丝母232处的摩擦阻力。

如图3所示，本发明张力测量组件28包括结构主体1和力传感器2；力传感器2安装于结构主体1中，结构主体1将规定角度的绳系张力传递给力传感器2进行测量，保证其稳定可靠承载量程范围及过载张力；力传感器2将结构主体1传递过来的绳系张力转换为差分电压信号输出。

如图4所示，结构主体1包括底座3、旋转轴5、旋转块6、回转轮8以及预紧组件9；

底座3包括上顶面、支撑柱以及下底面；上顶面和下底面之间通过多个支撑柱支撑连接，力传感器2设置在多个支撑柱中心；

旋转块6通过旋转轴5安装于上顶面上，回转轮8安装在旋转块6上，旋转块6绕旋转轴5进行旋转，旋转到位后通过预紧组件9固定，此时旋转块6的底部压在力传感器2上，运动绳系的张力通过回转轮8传递给旋转块6，进而传递给力传感器2进行测量。

进一步的，为了防止力传感器2引出线与结构主体1之间有相对运动，从而损坏导线的表皮，结构主体1还设计了电缆压片4安装在下底面上，用于固定力传感器2的引出线。

更进一步的，绳系运动带动回转轮8转动，为了保证绳系与回转轮8的接触，防止因绳系高速运动而脱离回转轮8，结构主体1还设计了防跳线组件7，安装在旋转块6上，位于回转轮8的上方，用于防止运动绳系在回转轮8的凹槽上运动时跳脱。防跳线组件7的两根压细杆位置为绳系与回转轮8的切点位置。

防跳线组件7与回转轮8之间的间隙为运动绳系直径的1/4～1/2。回转轮8与旋转块6之间为间隙配合，用于降低回转轮8与旋转块6之间的摩擦力。

绳系张力测量装置需要经受空间高低温和真空环境，在经过高温和低温变化过程中，由于材料的热膨胀系数不同，导致力传感器2受到变形力的作用，为此设计了设置了变形缓冲环节，预紧组件9包括限幅螺钉和预紧弹簧，预紧弹簧套在限幅螺钉上，用于给旋转块6阻尼限幅以及提供预紧力，同时也用于通过调节预紧弹簧的压缩量而调整张力测量零点。主要保证力传感器2在发射、在轨和降落等阶段中不发生损坏。

如图5所示，力传感器2包括外壳10、第一电路板11、第二电路板12、第三电路板13、弹性体14、传感器接头15、压杆16、板套17以及保护帽18；

传感器接头15与弹性体14固连成一体结构，传感器接头15上设置有压杆16的导向孔，其与压杆16之间采用滑配合方式，提供力传递的导向与压杆16的轴向限位；压杆16将旋转块6传递下来的绳系张力施加给弹性体14，弹性体14用于实现张力与形变的线性转换；该形变准确无误的传递至应变电桥，激励该阻值产生与挠度一致性的变化；

压杆16提供传感器与旋转块间的可靠连接，并将来自旋转块加载端面各方向的力转换为垂直于弹性体14端面单一方向的力。该部件使用与弹性体14相同的材料，二者硬度与强度的良好匹配特性保证了长期测试的精度与稳定度。

第一电路板11、第二电路板12和第三电路板13均安装在力传感器2内部，其中第一电路板11完成传感器灵敏度与零点调整；第二电路板12完成弹性体14电极的引出，并与第一电路板11通过导电柱电气连接；第三电路板13与第二电路板12外形尺寸一致，用于隔离弹性体14电极与第二电路板12，以消除电装过程导电柱下行对弹性体14的影响；

第一电路板11和第二电路板12之间采用机械支撑固定；板套17上端提供支撑台面，用于第三电路板13在弹性体14上部的固定，并与弹性体14之间保持安全距离；板套17下端与传感器接头15之间激光焊固连在一起，以支撑引线板，板套17与弹性体14之间保留安全间隙，避免与弹性体14互相摩擦受力，降低测试精度；外壳10与传感器接头15保持一体化连接，保护弹性体14及电桥，将外部环境影响降至最小，屏蔽外部电磁场环境；保护帽18采用迷宫设计用于防止力传感器2内部进入多余物，影响测量准确性。

第二电路板12的焊盘表面做镀金处理，为弹性体14电极与电路板b12的金丝互连提供球焊保证。

旋转块6给压杆16传递下来的绳系张力与压杆16的轴向相同，且压杆16施加给弹性体14的力垂直于弹性体14。

如图6所示，电阻R11、R12、R13、R14构成主检测电桥，R25、R26、R27、R28构成备份检测电桥，主份、备份检测电桥为在一个基底上形成的两组独立，主份、备份检测电桥贴在弹性体14上。

传感器2内部电路板11设计用于提供电桥的零点补偿与信号输入输出的转接，电路板11上设置有：R3～R10用于补偿零点偏差，R1、R2用于补偿传感器灵敏度。电路板12上设置有引出线，用于弹性体14电极的引出。电路板13为光板，没有电路，主要用于隔离。

电桥输出信号ΔU＝ΔR*U/R，其中ΔR为应变所引起的电桥阻值变化，R为桥臂电桥基值，U为激励电压。

本发明通过了完整的航天型号产品热真空、热循环、高温存储、低温存储、随机振动、正弦振动、加速度、冲击等环境试验的考核，性能指标良好。

本发明提出的具有自锁功能的系绳自动有序卷绕机构，系绳卷绕速度可实现在0～0.56m/s范围内可调，收放绳长度测量精度可达0.05m/s，系绳张力测量精度可达5‰。

针对在轨捕获过程中对系绳的卷绕和测量的需求，模拟真实工况开展试验验证，上述指标均能达到设计要求，双向丝杠组件23能牵引系绳逐圈逐层缠绕在卷筒26上，在系绳上施加600N瞬时张力，卷筒26能够锁定在原为，不发生异常转动。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (9)

1.一种具有自锁功能的系绳自动有序卷绕机构，其特征在于包括：电机(21)、第一传动齿轮副(22)、双向丝杠组件(23)、蜗轮蜗杆(24)、第二传动齿轮副(25)、卷筒(26)、绳长测量组件(27)和张力测量组件(28)；

电机(21)驱动蜗轮蜗杆(24)转动，带动第一传动齿轮副(22)和第二传动齿轮副(25)转动，第一传动齿轮副(22)进而驱动双向丝杠组件(23)工作，第二传动齿轮副(25)进而驱动卷筒(26)转动，绳头固定在卷筒(26)上，通过双向丝杠组件(23)控制绳子在卷筒(26)上往复有序卷绕；绳长测量组件(27)用于测量卷绕在卷筒(26)上绳子的长度，张力测量组件(28)用于测量绳子卷绕过程中的张力，通过在卷筒(26)上卷绕调整绳子的张力；

所述张力测量组件(28)包括结构主体(1)和力传感器(2)；力传感器(2)安装于结构主体(1)中，结构主体(1)将规定角度的绳系张力传递给力传感器(2)进行测量，力传感器(2)将结构主体(1)传递过来的绳系张力转换为差分电压信号输出；

力传感器(2)包括外壳(10)、第一电路板(11)、第二电路板(12)、第三电路板(13)、弹性体(14)、传感器接头(15)、压杆(16)、板套(17)以及保护帽(18)；

传感器接头(15)与弹性体(14)固连成一体结构，传感器接头(15)上设置有压杆(16)的导向孔，其与压杆(16)之间采用滑配合方式，提供力传递的导向与压杆(16)的轴向限位；压杆(16)将旋转块(6)传递下来的绳系张力施加给弹性体(14)，弹性体(14)用于实现张力与形变的线性转换；

第一电路板(11)、第二电路板(12)和第三电路板(13)均安装在力传感器(2)内部，其中第一电路板(11)完成传感器灵敏度与零点调整；第二电路板(12)完成弹性体(14)电极的引出，并与第一电路板(11)通过导电柱电气连接；第三电路板(13)与第二电路板(12)外形尺寸一致，用于隔离弹性体(14)电极与第二电路板(12)，以消除电装过程导电柱下行对弹性体(14)的影响；

第一电路板(11)和第二电路板(12)之间采用机械支撑固定；板套(17)上端提供支撑台面，用于第三电路板(13)在弹性体(14)上部的固定，并与弹性体(14)之间保持安全距离；板套(17)下端与传感器接头(15)之间固连在一起，以支撑引线板，板套(17)与弹性体(14)之间保留安全间隙，避免与弹性体(14)互相摩擦受力；外壳(10)与传感器接头(15)保持一体化连接；保护帽(18)采用迷宫设计用于防止力传感器(2)内部进入多余物。

2.根据权利要求1所述一种具有自锁功能的系绳自动有序卷绕机构，其特征在于：通过蜗轮蜗杆(24)实现绳子卷绕过程中的实时锁定。

3.根据权利要求1所述一种具有自锁功能的系绳自动有序卷绕机构，其特征在于：绳长测量组件(27)中包括光电码盘和摩擦轮，绳子从摩擦轮处转向且带动摩擦轮转动，从而通过与摩擦轮旋转轴连接的光电码盘测量绳长。

4.根据权利要求1所述一种具有自锁功能的系绳自动有序卷绕机构，其特征在于：双向丝杠组件(23)包括双向丝杠(231)、丝母(232)、滑块(233)、导向柱(234)以及导绳轮组(235)；

双向丝杠(231)上设有双向螺旋槽，双向丝杠(231)两端螺旋槽交汇处封闭且贯通，双向丝杠(231)上螺旋槽交汇处呈X形；滑块(233)安装在丝母(232)上，滑块(233)上设置有梭形凸起，且该梭形凸起嵌入螺旋槽中，并能在双向螺旋槽内滑动，双向丝杠(231)转动，通过梭形凸起带动丝母(232)沿导向柱(234)往复运动；丝母(232)上安装有导绳轮组(235)，绳子通过导绳轮组(235)缠绕在卷筒(26)上。

5.根据权利要求1所述一种具有自锁功能的系绳自动有序卷绕机构，其特征在于：所述结构主体(1)包括底座(3)、旋转轴(5)、旋转块(6)、回转轮(8)以及预紧组件(9)；

底座(3)包括上顶面、支撑柱以及下底面；上顶面和下底面之间通过多个支撑柱支撑连接，力传感器(2)设置在多个支撑柱中心；

旋转块(6)通过旋转轴(5)安装于上顶面上，回转轮(8)安装在旋转块(6)上，旋转块(6)绕旋转轴(5)进行旋转，旋转到位后通过预紧组件(9)固定，此时旋转块(6)的底部压在力传感器(2)上，运动绳系的张力通过回转轮(8)传递给旋转块(6)，进而传递给力传感器(2)进行测量。

6.根据权利要求5所述一种具有自锁功能的系绳自动有序卷绕机构，其特征在于：结构主体(1)还包括电缆压片(4)和防跳线组件(7)，电缆压片(4)安装在底座(3)的下底面上，用于固定力传感器(2)的引出线；防跳线组件(7)安装在旋转块(6)上，位于回转轮(8)的上方，用于防止运动绳系在回转轮(8)的凹槽上运动时跳脱。

7.根据权利要求6所述一种具有自锁功能的系绳自动有序卷绕机构，其特征在于：防跳线组件(7)与回转轮(8)之间的间隙为运动绳系直径的1/4～1/2。

8.根据权利要求5所述一种具有自锁功能的系绳自动有序卷绕机构，其特征在于：回转轮(8)与旋转块(6)之间为间隙配合，用于降低回转轮(8)与旋转块(6)之间的摩擦力；预紧组件(9)包括限幅螺钉和预紧弹簧，预紧弹簧套在限幅螺钉上，用于给旋转块(6)阻尼限幅以及提供预紧力，同时也用于通过调节预紧弹簧的压缩量而调整张力测量零点。

9.根据权利要求1所述一种具有自锁功能的系绳自动有序卷绕机构，其特征在于：旋转块(6)给压杆(16)传递下来的绳系张力与压杆(16)的轴向相同，且压杆(16)施加给弹性体(14)的力垂直于弹性体(14)。

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