CN111792461A - 一种小张力防缠绕缓释的绳索收放机构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于空间碎片清理领域，具体涉及一种小张力防缠绕缓释的绳索收放机构。包括储线机构，动力源，排线机构，齿轮传动系统，测速系统和缓释机构；动力源为涡卷弹簧式动力源，动力源释放时的动力通过齿轮传动系统传递给储线机构，储线机构上的绳索被拉出时，涡卷弹簧式动力源储能，涡卷弹簧式动力源对应的齿轮的直径大于储线机构中储线筒对应的齿轮直径；储线机构的储线筒与齿轮相对的一端设有缓释机构；测速系统包括霍尔元件和均布在动力源外周的磁铁；测速系统将测量的结果传递给排线机构，控制排线机构排线。本发明依靠机械结构保持绳索上的张力，从硬件设计角度减小了控制的复杂程度，增加了绳索收放机构的工作稳定性和可靠性。

Description

一种小张力防缠绕缓释的绳索收放机构
技术领域
本发明属于空间碎片清理领域，具体涉及一种小张力防缠绕缓释的绳索收放机构。
背景技术
目前太空中除了还在正常使用的航天器以外，仍有留在外层空间的失效人造物体，即太空碎片。目前，空间碎片数已经多达上万个，这些空间碎片时刻威胁着工作卫星的安全，因此清理空间碎片刻不容缓。在空间碎片清理领域，柔性捕捉离轨是一种新兴的离轨技术。此技术以网或布等结构包裹目标物并通过绳索与太空拖船形成可靠连接的组合体，之后太空拖船拖曳目标物执行离轨清除的任务。在进行离轨的过程中，需要保证绳索为张紧状态，否则松弛的绳索存在缠绕的可能性，并导致任务失败。现存的方案通常需要在绳索末端连接绳索收放机构来实现绳索长度控制或张力控制。
上述表明，绳索收放机构是拖曳离轨过程的重要部件，其主要功能是控制绳索长度进而控制绳索上的张力。当前常见的绳索收放机构主要由伺服电机，张力传感器，储线筒，控制芯片组成。此类绳索收放机构工作时由张力传感器测量绳索上张力并反馈给控制芯片，控制芯片根据反馈得到的张力信息结合一定的控制算法输出控制信号给伺服电机，伺服电机执行控制信号对储线筒进行动作释放或收回绳索，从而实现绳索的张力，长度控制。此类绳索收放机构存在的主要问题为：
1整个机构含有较多电子元器件，在太空的真空、高能粒子、冷黑、太阳辐射、磁场等恶劣环境中操作可靠性较低。
2电子元器件需要一直供电，消耗电能较多，对储存电能有限的太空拖船并不友好。
3没有排线机构。在各类离轨方案中绳索长度范围为几十米到几百米，如果没有排线机构，在绳索完全卷绕过程中会出现绳索在储线筒上相互挤压而发生塌落的现象，对系统造成较大冲击，给系统控制带来较大困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种小张力防缠绕缓释的绳索收放机构。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种小张力防缠绕缓释的绳索收放机构，包括储线机构，动力源，排线机构，齿轮传动系统，测速系统和缓释机构；
所述储线机构用于绳索的缠绕和收放；
所述排线机构用于使绳索均匀分布在储线机构上；
所述动力源为涡卷弹簧式动力源，动力源释放时的动力通过齿轮传动系统传递给储线机构，储线机构上的绳索被拉出时，涡卷弹簧式动力源储能，涡卷弹簧式动力源对应的齿轮的直径大于储线机构中储线筒对应的齿轮直径；
所述储线机构的储线筒与齿轮相对的一端设有缓释机构，绳索拉出时缓释机构阻尼小，绳索回收时阻尼大；
所述测速系统包括霍尔元件和均布在动力源外周的磁铁，通过霍尔元件检测到的磁铁经过产生的信号，得到动力源转动方向与转动角速度；
所述测速系统将测量的结果传递给排线机构，控制排线机构排线。
进一步的，还包括基台，用于对整个收放机构提供支撑。
进一步的，所述涡卷弹簧式动力源包括涡卷发条，发条盒，发条盒盖，涡卷发条轴，轴承和平面轴承；
所述涡卷发条内端通过涡卷发条轴固定，涡卷发条外端与发条盒固定；所述发条盒和涡卷发条轴之间通过轴承连接；
所述发条盒整体呈圆柱形，发条盒的一侧设有发条盒盖。
进一步的，所述储线机构包括储线筒，线筒轴，平键，轴承，线筒轴轴套；
所述绳索均匀缠绕在储线筒表面，所述线筒轴穿过储线筒中心，线筒轴外周上开有键槽，所述键槽与平键配合保证储线筒与线筒轴同步转动；
所述线筒轴的两端通过轴承与基台连接，轴承与储线筒之间设有线筒轴轴套，所述线筒轴轴套用于辅助轴承与储线筒定位，所述线筒轴原离齿轮传动系统一端的轴承配有联轴器用于连接缓释机构。
进一步的，所述排线机构包括电机，丝杠，排线螺母，螺母导轨，合页和轴承；
所述排线螺母和丝杠螺纹配合，所述丝杠上开有螺纹，与之配套的排线螺母只有一个单牙与螺纹配合，所述丝杠由电机驱动，根据霍尔元件测得的发条盒转动圈数与转速信号，正向或反向驱动丝杠旋转，使得排线螺母往复运动；
所述排线螺母底部设有可以滚动的小钢珠，所述小钢珠在螺母导轨上滚动，从而保证排线螺母底部与螺母导轨平行；
所述螺母导轨通过合页与基台固定连接，所述丝杠的两端与基台之间设有轴承。
进一步的，所述齿轮传动系统包括发条盒齿轮和线筒轴齿轮；
所述发条盒齿轮固定在发条盒靠近线筒轴的一侧，且与发条盒的角速度相同；
所述线筒轴齿轮固定在线筒轴靠近发条盒的一端，且发条盒齿轮与线筒轴齿轮啮合；
所述发条盒齿轮的直径大于线筒轴齿轮的直径。
进一步的，所述测速元件中的磁铁均布在发条盒的外周。
进一步的，所述储线筒每转动一圈，排线螺母向左或向右移动一个绳索直径的长度，保证了绳索均匀分布在储线筒上。
进一步的，所述缓释机构包括活塞，调节弹簧，旋转体，储油桶，储油桶盖；
所述旋转体两端的两侧分别设有圆柱形壳体，圆柱形壳体底部设有通孔，圆柱形壳体内部设有调节弹簧，圆柱形壳体开口处设有楔形活塞，所述旋转体整体设置于储油桶内，储油桶配有储油桶盖；
所述储油桶内充满阻尼油，绳索拉出时，旋转体正转，活塞打开，阻尼油流动顺畅，阻尼小；绳索收回时，旋转体反转，活塞关闭，阻尼油流动受阻，阻尼大。
一种上述的收放机构的用途，所述收放机构放置在太空拖船上，绳索头部连接在目标物上，用于清理空间碎片。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
本发明的收放机构使用涡卷发条作为动力源，利用齿轮传动系统将涡卷发条提供的较大的扭矩转化为绳索上微小的张力，使用涡卷发条将绳索被拉出时的能量储存为弹性势能，待需要回收绳索时再释放，无需消耗电能，且涡卷发条质量、体积相较伺服电机具有明显优势；且通过更改传动系统中的齿轮直径配比，可以调整绳索的张力。
本发明设计了排线机构，可以使绳索均匀分布在储线筒上，且通过霍尔元件控制排线机构的排线，更具可靠性，且质量更小。
本发明通过设置缓释机构，仅增加绳索回收时的阻力，对绳索拉出影响较小，这样使得卫星发动机开关机的一个周期内发动机关机时间增加，当离轨所需时间一定时，可减少发动机开机的次数。
本方案不需要专门的控制芯片与张力传感器，依靠机械结构保持绳索上的张力，从硬件设计角度减小了控制的复杂程度，增加了绳索收放机构的工作稳定性和可靠性。
附图说明
图1为本发明绳索收放机构三维示意图。
图2为本发明的发条盒截面图。
图3为本发明的涡卷发条示意图。
图4为本发明的储线筒截面图。
图5为本发明的丝杠三维示意图。
图6为本发明的缓释机构截面图。
图7为缓释机构储液桶内零件的三维示意图。
1-导轨，2-储线筒，3-缓释机构，4-绳索，5-轴承，6-线筒轴齿轮，7-线筒轴，8-发条盒齿轮，9-发条盒，10-涡卷发条轴支架，11-磁铁，12-涡卷发条轴，13-发条盒盖，14-霍尔元件，15-基座，16-电机支架，17-电机，18-丝杠，19-排线螺母，20-轴承Ⅰ，21-涡卷发条，22-推力轴承，23-弹簧，24-旋转体，25-储油桶，26-活塞，27-平键，28-轴承Ⅱ，29-轴承Ⅲ，30-轴套，31-联轴器，32-轴承Ⅳ，33-合页。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图1-7所示，绳索4均匀缠绕在储线筒2上，整个绳索收放机构放置在太空拖船上，绳索头部连接在目标上。当太空拖船开启发动机加速，绳索4被拉出，同时带动储线筒2旋转。储线筒2旋转带动线筒轴7以及固定在线筒轴上的线筒轴齿轮6转动。线筒轴齿轮6转动带动发条盒齿轮8和缓释机构3转动。
电机17带动丝杠18正向或反向转动。排线螺母19内有单牙与丝杠螺纹啮合，所以双向转动的丝杠18可驱动排线螺母19往复移动。电机17的转动方向由霍尔元件14测得的发条盒转动圈数与转速信号确定。电机17的转动速度与丝杠18螺距需满足：储线筒2每转动一圈，排线螺母19移动一个绳索4直径的长度，从而保证绳索4均匀分布在储线筒2上。排线螺母19底部通过钢珠与导轨1接触，目的是确保排线螺母19不会围绕丝杠18转动，使绳索4能够在竖直方向顺利被拉出或收回。
绳索4被拉出时，发条盒齿轮8被线筒轴齿轮6带动旋转。发条盒齿轮8利用紧定螺栓固定在发条盒9上，故发条盒9与发条盒齿轮8同步转动。发条盒9转动带动涡卷发条21外端转动。因为涡卷发条21内端被固定在涡卷发条轴12上，不发生转动，故涡卷发条21被上紧，储存能量。涡卷发条轴12与发条盒9之间有轴承，用以减小二者之间摩擦。发条盒盖13利用螺栓与发条盒9连接，保证涡卷发条21被封闭在发条盒9内部。发条盒盖13与基台15之间布置有平面轴承22，用以减少发条盒盖13与基台15之间的摩擦。线筒轴7转动带动缓释机构3中旋转体24正转，活塞26打开，阻尼油可从活塞孔和缝隙流动，阻尼小。发条盒9外部平均分布了6颗圆柱形磁铁11。当磁铁11靠近霍尔元件14时，霍尔元件14产生一个信号，通过计算信号产生的顺序与固定时间内产生的信号数量，可以得到发条盒转动方向与转动角速度，进而经过计算得到绳索4拉出时的速度和拉出的长度。
与被拉出时相反，当绳索4需要被收回时，涡卷发条21释放能量，驱动发条盒9转动。发条盒上的发条盒齿轮8跟随发条盒9转动，同时线筒轴齿轮6被驱动。齿轮带动相应的储线筒2转动，使得绳索4被回收且均匀排布在储线筒2上。收回时，线筒轴7转动带动缓释机构3中旋转体24反转，活塞26关闭，阻尼油仅能从旋转体24与储油桶25之间缝隙流动，阻尼大。

Claims (10)

1.一种小张力防缠绕缓释的绳索收放机构，其特征在于，包括储线机构，动力源，排线机构，齿轮传动系统，测速系统和缓释机构；
所述储线机构用于绳索的缠绕和收放；
所述排线机构用于使绳索均匀分布在储线机构上；
所述动力源为涡卷弹簧式动力源，动力源释放时的动力通过齿轮传动系统传递给储线机构，储线机构上的绳索被拉出时，涡卷弹簧式动力源储能，涡卷弹簧式动力源对应的齿轮的直径大于储线机构中储线筒对应的齿轮直径；
所述储线机构的储线筒与齿轮相对的一端设有缓释机构，绳索拉出时缓释机构阻尼小，绳索回收时阻尼大；
所述测速系统包括霍尔元件和均布在动力源外周的磁铁，通过霍尔元件检测到的磁铁经过产生的信号，得到动力源转动方向与转动角速度；
所述测速系统将测量的结果传递给排线机构，控制排线机构排线。
2.根据权利要求1所述的收放机构，其特征在于，还包括基台，用于对整个收放机构提供支撑。
3.根据权利要求2所述的收放机构，其特征在于，所述涡卷弹簧式动力源包括涡卷发条，发条盒，发条盒盖，涡卷发条轴，轴承和平面轴承；
所述涡卷发条内端通过涡卷发条轴固定，涡卷发条外端与发条盒固定；所述发条盒和涡卷发条轴之间通过轴承连接；
所述发条盒整体呈圆柱形，发条盒的一侧设有发条盒盖。
4.根据权利要求3所述的收放机构，其特征在于，所述储线机构包括储线筒，线筒轴，平键，轴承，线筒轴轴套和线筒轴端盖；
所述绳索均匀缠绕在储线筒表面，所述线筒轴穿过储线筒中心，线筒轴外周上开有键槽，所述键槽与平键配合保证储线筒与线筒轴同步转动；
所述线筒轴的两端通过轴承与基台连接，轴承与储线筒之间设有线筒轴轴套，所述线筒轴轴套用于辅助轴承与储线筒定位，所述线筒轴远离齿轮传动系统一端设有联轴器用于连接缓释机构。
5.根据权利要求4所述的收放机构，其特征在于，所述排线机构包括电机，丝杠，排线螺母，螺母导轨，合页和轴承；
所述排线螺母和丝杠螺纹配合，所述丝杠上开有螺纹，与之配套的排线螺母只有一个单牙与螺纹配合，所述丝杠由电机驱动，根据霍尔元件测得的发条盒转动圈数与转速信号，正向或反向驱动丝杠旋转，使得排线螺母往复运动；
所述排线螺母底部设有可以滚动的小钢珠，所述小钢珠在螺母导轨上滚动，从而保证排线螺母底部与螺母导轨平行；
所述螺母导轨通过合页与基台固定连接，所述丝杠的两端与基台之间设有轴承。
6.根据权利要求5所述的收放机构，其特征在于，所述齿轮传动系统包括发条盒齿轮和线筒轴齿轮；
所述发条盒齿轮固定在发条盒靠近线筒轴的一侧，且与发条盒的角速度相同；
所述线筒轴齿轮固定在线筒轴靠近发条盒的一端，且发条盒齿轮与线筒轴齿轮啮合；
所述发条盒齿轮的直径大于线筒轴齿轮的直径。
7.根据权利要求6所述的收放机构，其特征在于，所述测速元件中的磁铁均布在发条盒的外周。
8.根据权利要求7所述的收放机构，其特征在于，所述储线筒每转动一圈，排线螺母向左或向右移动一个绳索直径的长度，保证了绳索均匀分布在储线筒上。
9.根据权利要求8所述的收放机构，其特征在于，所述缓释机构包括活塞，调节弹簧，旋转体，储油桶，储油桶盖；
所述旋转体两端的两侧分别设有圆柱形壳体，圆柱形壳体底部设有通孔，圆柱形壳体内部设有调节弹簧，圆柱形壳体开口处设有楔形活塞，所述旋转体整体设置于储油桶内，储油桶配有储油桶盖；
所述储油桶内充满阻尼油，绳索拉出时，旋转体正转，活塞打开，阻尼油流动顺畅，阻尼小；绳索收回时，旋转体反转，活塞关闭，阻尼油流动受阻，阻尼大。
10.一种权利要求1-9任一项所述的收放机构的用途，其特征在于，所述收放机构放置在太空拖船上，绳索头部连接在目标物上，用于清理空间碎片。
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