CN112141368B - 电动螺旋锁紧机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电动螺旋锁紧机构，包括：主动部分和被动部分；主动部分安装在标准化接口的主动接口一侧，被动部分安装在标准化接口的被动接口一侧；主动部分包括：主动外壳、驱动单元、螺钉、弹性联轴器和至少一组角球轴承对；角球轴承对以螺钉为对称轴对称设置在螺钉两端；被动部分包括：被动外壳、螺母、轴向压簧、螺母底板、至少两个止转钢球和与止转钢球一一对应的径向压力装置；止转钢球和径向压力装置均以螺母为对称轴对称设置在螺母两端。本发明满足刚性高、可靠性高、结构紧凑、集成度高的要求，实现标准化接口的刚性连接锁紧，降低在轨构建的复杂度和操作难度，提高在轨构建效率。

Description

电动螺旋锁紧机构

技术领域

本发明涉及空间飞行器在轨服务与维护技术领域，尤其涉及一种电动螺旋锁紧机构。

背景技术

受限于运载约束，大型空间设施需采用分段发射入轨，通过空间机器人在轨构建形成。为了降低在轨构建的复杂度和操作难度、提高在轨构建效率，大型空间设施将采用模块化设计技术，形成模块化舱段和部组件。其中的核心关键技术是，各模块间需要具有标准化连接接口，接口之间需要锁紧机构来实现连接。

但目前面向空间的在轨对接的锁紧机构还存在一些不足，例如采用钩爪、锥杆等连接形式，连接刚性低，导致机构的可靠性差；采用步进或无刷电机驱动，依靠行星齿轮减速器增力，导致机构结构大且复杂，集成度不高。

发明内容

本发明实施例提供了一种电动螺旋锁紧机构，以解决现有技术中的锁紧机构存在连接刚性低，且机构的结构复杂，集成度不高的问题。

本发明实施例提供了一种电动螺旋锁紧机构，包括：主动部分和被动部分；所述主动部分安装在标准化接口的主动接口一侧，所述被动部分安装在标准化接口的被动接口一侧；

所述主动部分包括：主动外壳、驱动单元、螺钉、弹性联轴器和至少一组角球轴承对；所述驱动单元的输出端通过所述弹性联轴器与螺钉的尾部串连，所述驱动单元的正转驱动所述螺钉的锁紧，所述驱动单元的反转驱动所述螺钉的松开；所述角球轴承对的内圈与所述螺钉接触，所述角球轴承对的外圈安装在所述主动外壳上，至少一组角球轴承对套设在所述螺钉上；

所述被动部分包括：被动外壳、螺母、轴向压簧、螺母底板、至少两个止转钢球和与所述止转钢球一一对应的径向压力装置；

所述螺母在圆周方向上设置至少两个导向槽，每个导向槽与所述止转钢球一一对应；所述止转钢球安装在所述被动外壳的孔内；所述径向压力装置安装在所述止转钢球上且背离所述螺母的一端；所述轴向压簧安装在所述螺母的后部；所述螺母底板安装在所述螺母的前端；所述止转钢球和所述径向压力装置均以所述螺母为对称轴对称设置在所述螺母两侧。

可选的，所述螺钉采用M8标准螺纹的粗牙螺钉。

可选的，所述主动部分还包括：至少一组用于测量锁紧过程中的拧紧力矩的扭矩传感器、至少一组用于测量锁紧过程中的拧紧力的压力传感器、至少一组套杯和至少一组数据处理电路板；

所述扭矩传感器和所述压力传感器均与所述数据处理电路板电连接，所述扭矩传感器和所述压力传感器均与所述主动外壳固定连接；所述角球轴承对的外圈通过所述套杯和所述压力传感器安装在所述主动外壳上；其中，所述扭矩传感器、所述压力传感器、所述套杯和所述数据处理电路板均以所述螺钉为对称轴对称设置在所述螺钉两侧。

可选的，所述数据处理电路板还用于：将所述扭矩传感器的数据和所述压力传感器的数据实时反馈给外部总控系统，以使所述外部总控系统根据所述扭矩传感器的数据和所述压力传感器的数据控制所述驱动单元。

可选的，所述驱动单元包括：驱动外壳、超声振子、转子、大内齿轮、双联摆线齿轮、小内齿轮、输出端盘、中空偏心轴、第一深沟球轴承对和第二深沟球轴承对；

所述超声振子与所述驱动外壳固定连接，所述转子与所述中空偏心轴固定连接；所述双联摆线齿轮通过所述第一深沟球轴承对径向支撑；所述双联摆线齿轮与所述大内齿轮和所述小内齿轮同时啮合，所述小内齿轮与所述输出端盘固定连接；其中，所述中空偏心轴安装所述双联摆线齿轮的轴段的轴线与安装所述大内齿轮和所述小内齿轮的轴段的轴线之间均存在偏心距。

可选的，所述第一深沟球轴承对为带法兰的深沟球轴承对。

可选的，所述双联摆线齿轮包括：大外齿轮和小外齿轮；

所述大外齿轮和所述大内齿轮啮合的同时，所述小外齿轮和所述小内齿轮啮合。

可选的，所述大外齿的齿数小于所述大内齿的齿数，所述小外齿的齿数小于所述小内齿的齿数。

可选的，所述径向压力装置包括：压簧挡板、径向压簧和钢球限位；

所述钢球限位的底端安装在所述止转钢球上且背离所述螺母的一端，所述径向压簧安装在所述钢球限位内部；所述压簧挡板安装在所述钢球限位的顶端，且固定在所述被动外壳上。

可选的，所述螺母的底部为球面结构；所述螺母底板上设置球面槽，所述球面槽与所述球面结构的螺母相适应。

本发明实施例的电动螺旋锁紧机构与现有技术相比存在的有益效果是：

电动螺旋锁紧机构主要包括：主动部分和被动部分；主动部分安装在标准化接口的主动接口一侧，被动部分安装在标准化接口的被动接口一侧；主动部分包括：主动外壳、驱动单元、螺钉、弹性联轴器和至少一组角球轴承对；角球轴承对套设在螺钉上；被动部分包括：被动外壳、螺母、轴向压簧、螺母底板、至少两个止转钢球和与止转钢球一一对应的径向压力装置；止转钢球和径向压力装置均以螺母为对称轴对称设置在螺母两侧，满足了刚性高、可靠性高、结构紧凑、集成度高的要求，实现了标准化接口的刚性连接锁紧，降低了在轨构建的复杂度和操作难度，提高在轨构建效率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的电动螺旋锁紧机构的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的电动螺旋锁紧机构的主动部分的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的驱动单元的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的双联摆线齿轮、大内齿轮和小内齿轮的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的电动螺旋锁紧机构的被动部分的结构示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

参见图1，为本实施例中电动螺旋锁紧机构的结构示意图，本实施例的电动螺旋锁紧机构可应用于空间设施在轨组装、模块更换等服务与维护场合，也可用于地面设施的快速组装与建造等。为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。

本实施例的电动螺旋锁紧机构主要包括：主动部分1和被动部分4；主动部分1安装在标准化接口的主动接口2一侧，被动部分4安装在标准化接口的被动接口3一侧。

参见图2，本实施例的主动部分1可以包括：主动外壳10、驱动单元5、螺钉9、弹性联轴器14和至少一组角球轴承对11；驱动单元5的输出端通过弹性联轴器14与螺钉9的尾部串连，驱动单元5的正转驱动螺钉9的锁紧，驱动单元5的反转驱动螺钉9的松开；角球轴承对11的内圈与螺钉9接触，角球轴承对11的外圈安装在主动外壳10上，至少一组角球轴承对11套设在螺钉9上。本实施例的主动部分1还包括深沟球轴承对6。

参见图5，本实施例的被动部分4可以包括：被动外壳32、螺母34、轴向压簧33、螺母底板36、至少两个止转钢球31和与止转钢球31一一对应的径向压力装置。

螺母34在圆周方向上设置至少两个导向槽，每个导向槽与止转钢球31一一对应；止转钢球31安装在被动外壳32的孔内；径向压力装置安装在止转钢球31上且背离螺母34的一端；轴向压簧33安装在螺母34的后部；螺母底板36安装在螺母34的前端；止转钢球31和径向压力装置均以螺母34为对称轴对称设置在螺母34两端。

受限于运载约束，大型空间设施需采用分段发射入轨，通过空间机器人在轨构建形成。为了降低在轨构建的复杂度和操作难度、提高在轨构建效率，大型空间设施将采用模块化设计技术，形成模块化舱段和部组件。其中的核心关键技术是，各模块间需要具有标准化连接接口，接口之间需要锁紧机构来实现连接。但目前面向空间的在轨对接的锁紧机构还存在一些不足，例如采用钩爪、锥杆等连接形式，连接刚性低，导致机构的可靠性差；采用步进或无刷电机驱动，依靠行星齿轮减速器增力，导致机构结构大且复杂，集成度不高。因此，本实施例提供了一款刚性高、可靠性高、结构小巧、集成度高的面向在轨服务与维护的电动螺旋锁紧机构，来提高在轨构建效率。

本实施例的超声驱动的电动螺旋锁紧机构主要包括主动部分1和被动部分4，主动部分1安装在标准化接口的主动接口2一侧，被动部分4安装在标准化接口的被动接口3一侧，结构小巧、集成度高，可以实现标准化接口的刚性连接锁紧；采用螺钉9紧固结构，可以实现在轨构建的标准化接口间的高刚性、高可靠性的连接锁紧。

可选的，为了保证连接高刚性的要求，本实施例的螺钉9可以采用M8标准螺纹的粗牙螺钉，根据理论分析与校核，可以确保螺钉在承受足够大的轴向拧紧力时不会被破坏。

具体的，根据实际理论分析，螺钉的总拉力除了与紧力、工作拉力有关外，还受到螺钉刚度和被连接件刚度等影响。本实施例要求锁紧机构之间的连接力达到1000N，因此选取普通标准粗牙螺纹，螺纹的公称直径d0＝8mm，小径d1＝6.647mm，小径为螺钉危险截面直径；螺钉性能等级为12.9，螺纹连接安全系数S＝4.5；可选的，本实施例的螺钉9与螺母34材料选择不锈钢。

在一个实施例中，参见图2，主动部分1还可以包括：至少一组用于测量锁紧过程中的拧紧力矩的扭矩传感器7、至少一组用于测量锁紧过程中的拧紧力的压力传感器8、至少一组套杯12和至少一组数据处理电路板13。

扭矩传感器7和压力传感器8均与数据处理电路板13电连接，扭矩传感器7和压力传感器8均与主动外壳10固定连接；角球轴承对11的外圈通过套杯12和压力传感器8安装在主动外壳10上；其中，扭矩传感器7、压力传感器8、套杯12和数据处理电路板13均以螺钉9为对称轴对称设置在螺钉9两端。

可选的，本实施例的数据处理电路板13还用于：将扭矩传感器7的数据和压力传感器8的数据实时反馈给外部总控系统，以使外部总控系统根据扭矩传感器7的数据和压力传感器8的数据控制驱动单元5。

具体的，主动部分1主要包括驱动单元5、弹性联轴器14和螺钉9等。如图2所示，一体化驱动单元5的输出端通过弹性联轴器14与螺钉9尾部串连，控制一体化驱动单元5正反转可以实现螺钉9的锁紧与松开动作。螺钉9与角球轴承对的内圈配合，角球轴承对的外圈通过套杯12和压力传感器8安装在主动外壳10上，以此抵抗拧紧过程产生的轴向负载。螺钉9前端部设计成锥形，用于导向，螺钉9尾部铣出两个平面，通过顶丝与弹性联轴器14相连，避免将轴向载荷传递给一体化驱动单元5。

扭矩传感器7可以用来测量锁紧过程中的拧紧力矩，压力传感器8是用来测量锁紧过程中的拧紧力。两个传感器成对与主动外壳10固定连接，集成到数据处理电路板13。锁紧机构的锁紧与松开动作采用广泛应用的力矩控制法，依靠数据处理电路板13实时反馈数据给总控系统，总控系统进一步控制一体化驱动单元5。为保证螺钉9的连接要高可靠性的要求，在选取扭矩传感器7和压力传感器8时要确保拥有高的灵敏度和分辨率。

在一个实施例中，参见图3，驱动单元5可以包括：驱动外壳24、超声振子15、转子16、大内齿轮17、双联摆线齿轮18、小内齿轮19、输出端盘20、中空偏心轴21、第一深沟球轴承对22和第二深沟球轴承对23。

所述超声振子15与所述驱动外壳24固定连接，所述转子16与所述中空偏心轴21固定连接；所述双联摆线齿轮18通过所述第一深沟球轴承对22径向支撑；所述双联摆线齿轮18与所述大内齿轮17和所述小内齿轮19同时啮合，所述小内齿轮19与所述输出端盘20固定连接；其中，所述中空偏心轴21安装所述双联摆线齿轮18的轴段的轴线与安装所述大内齿轮17和所述小内齿轮19的轴段的轴线之间均存在偏心距。

可选的，本实施例的第一深沟球轴承对22为带法兰的深沟球轴承对6，法兰可以保护双联摆线齿轮18不受损坏，提高锁紧机构的稳定性，延长使用寿命。

可选的，本实施例的超声振子15所选用的超声电机参数为：额定扭矩0.5Nm，额定转速120rpm。

具体的，为减小机构的质量与体积，驱动单元5采用超声振子15与双联摆线减速器(包括大内齿轮17、双联摆线齿轮18和小内齿轮19)集成一体化设计。超声振子15利用压电陶瓷激发超声频率的振动作动力源，输入的电能在压电陶瓷上产生电势能并在逆压电效应作用下转化成应变能，定子在共振现象下进一步转化为转子16的机械动能输出。超声振子15具有结构简单、响应快、噪音低、断电自锁、无磁场干扰、控制精度高等优点，另外还具有耐低温、真空等适应太空条件的特点。双联摆线减速器，可以代替多级普通齿轮减速器，实现大传动比的要求，比多级普通齿轮减速器结构小、重量轻，在承载能力和传动效率方面更具优势。

进一步地，参见图3，超声振子15与主动外壳10固定连接，转子16与中空偏心轴21固定连接。双联摆线齿轮18通过带法兰深沟球轴承对径向支撑，依靠轴承挡圈和轴肩轴向固定。中空偏心轴21在安装双联摆线齿轮18的这一轴段的轴线与其他轴段的轴线之间存在偏心距。双联摆线齿轮18与大内齿轮17和小内齿轮19同时啮合，小内齿轮19与输出端盘20固定连接。为保证一体化驱动单元5的同轴度要求，本实施例多处使用轴承支撑。

可选的，所述双联摆线齿轮18包括：大外齿轮和小外齿轮；所述大外齿轮和所述大内齿轮17啮合的同时，所述小外齿轮和所述小内齿轮19啮合。

可选的，所述大外齿的齿数小于所述大内齿的齿数，所述小外齿的齿数小于所述小内齿的齿数。

这种少齿差的双联摆线减速器重点是针对内外摆线齿轮的理论齿廓方程的设计与修形。示例性的，参见图4，大外齿26齿数比大内齿25齿数少1，小外齿28齿数比小内齿27齿数少1。大外齿26和大内齿25在啮合的同时，小外齿28也和小内齿27啮合。

根据设计的大外齿26齿数和小外齿28齿数的不同，可以获得不同的传动比。示例性的，大外齿的齿数为20，大内齿的齿数为21，大外齿的齿廓圆弧半径为3mm，偏心距e为1mm，大外齿的分度圆半径为30mm；小外齿的齿数为14，小内齿的齿数为15，小外齿的齿廓圆弧半径为3mm，偏心距e为1mm，小外齿的分度圆半径为22mm，可以得到：减速比i

进一步可以计算出一体化驱动单元5的理论输出力矩为7.5Nm，理论输出转速3rpm。

由于双联摆线齿轮18在使用中有受力变形、热变形、润滑等方面的要求，因而设计过程中考虑使齿厚变薄。本实施例可以使用展成法磨削摆线齿轮，也可使用等距修形或移距修形工艺使双联摆线齿轮18的齿厚变薄。双联摆线齿轮18传动时接触应力小，磨损均匀且无根切现象，但对制造精度的要求较高。

上述实施例的主动部分1，采用超声振子15与双联摆线减速器结合的一体化设计思路，在中空偏心轴21上集成了转子16，转子16与超声振子15压紧，超声振子15的振动直接驱动偏心轴旋转，经双联摆线齿轮18啮合后产生大扭矩的输出；超声驱动结构简单、响应快、噪音低、断电自锁、无磁场干扰、控制精度高，且耐低温和真空，可以适应太空恶劣环境；双联摆线减速器结构小、重量轻，可以得到较大传动比，在承载能力和传动效率方面比普通减速器更具优势。

可选的，本实施例的螺母34的底部为球面结构；所述螺母底板36上设置球面槽，所述球面槽与所述球面结构的螺母34相适应。

可选的，本实施例的径向压力装置包括：压簧挡板29、径向压簧30和钢球限位35。钢球限位35的底端安装在止转钢球31上且背离螺母34的一端，径向压簧30安装在钢球限位35内部；压簧挡板29安装在钢球限位35的顶端，且固定在被动外壳32上。

示例性的，如图5所示，螺母34圆周方向上均布设有4个导向槽，每个导向槽与2个止转钢球31配合，可以限制拧紧过程中螺母34的转动；止转钢球31安装在外壳孔内，可在孔内左右浮动，径向压簧30保证螺母34在圆周方向上具有1mm浮动量。螺母34后部有轴向压簧33提供拧紧过程中足够的连接预压力。螺母34前端设计成球面构型，与螺母底板36上球面槽相适应，可以实现±1°的角度纠偏。

应理解，本实施例对径向压力装置的个数不进行具体限定，可以为一组，也可以为多组，为了保证结构的稳定，径向压力装置的个数优选为对称设置的一组。同理，本实施例对止转钢球31的个数也不进行具体限定。

上述实施例，电动螺旋锁紧机构采用螺钉9紧固结构，可以实现在轨构建的标准化接口间的高刚性、高可靠性的连接锁紧；主动部分1的驱动单元5由超声振子15、双联摆线减速器、传感器等组成，提出了集驱动、减速、传感和控制为一体的设计思路，具有体积小、重量轻、控制精度高、运行平稳的优点，降低了在轨构建的复杂度和操作难度，提高了在轨构建效率；超声振子15具有结构简单、响应快、噪音低、断电自锁、无磁场干扰、控制精度高等优点，还具有耐低温、真空等特点，可以适应太空恶劣环境；双联摆线减速器结构小、重量轻，可以得到较大传动比，在承载能力和传动效率方面比普通减速器更具优势。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电动螺旋锁紧机构，其特征在于，包括：主动部分和被动部分；所述主动部分安装在标准化接口的主动接口一侧，所述被动部分安装在标准化接口的被动接口一侧；

所述主动部分包括：主动外壳、驱动单元、螺钉、弹性联轴器和至少一组角球轴承对；所述驱动单元的输出端通过所述弹性联轴器与螺钉的尾部串连，所述驱动单元的正转驱动所述螺钉的锁紧，所述驱动单元的反转驱动所述螺钉的松开；所述角球轴承对的内圈与所述螺钉接触，所述角球轴承对的外圈安装在所述主动外壳上，至少一组角轴承对套设在所述螺钉上；

所述被动部分包括：被动外壳、螺母、轴向压簧、螺母底板、至少两个止转钢球和与所述止转钢球一一对应的径向压力装置；

所述螺母在圆周方向上设置至少两个导向槽，每个导向槽与所述止转钢球一一对应；所述止转钢球安装在所述被动外壳的孔内；所述径向压力装置安装在所述止转钢球上且背离所述螺母的一端；所述轴向压簧安装在所述螺母的后部；所述螺母底板安装在所述螺母的前端；所述止转钢球和所述径向压力装置均以所述螺母为对称轴对称设置在所述螺母两侧。

2.如权利要求1所述的电动螺旋锁紧机构，其特征在于，所述螺钉采用M8标准螺纹的粗牙螺钉。

3.如权利要求1所述的电动螺旋锁紧机构，其特征在于，所述主动部分还包括：至少一组用于测量锁紧过程中的拧紧力矩的扭矩传感器、至少一组用于测量锁紧过程中的拧紧力的压力传感器、至少一组套杯和至少一组数据处理电路板；

所述扭矩传感器和所述压力传感器均与所述数据处理电路板电连接，所述扭矩传感器和所述压力传感器均与所述主动外壳固定连接；所述角球轴承对的外圈通过所述套杯和所述压力传感器安装在所述主动外壳上；其中，所述扭矩传感器、所述压力传感器、所述套杯和所述数据处理电路板均以所述螺钉为对称轴对称设置在所述螺钉两侧。

4.如权利要求3所述的电动螺旋锁紧机构，其特征在于，所述数据处理电路板还用于：将所述扭矩传感器的数据和所述压力传感器的数据实时反馈给外部总控系统，以使所述外部总控系统根据所述扭矩传感器的数据和所述压力传感器的数据控制所述驱动单元。

5.如权利要求1所述的电动螺旋锁紧机构，其特征在于，所述驱动单元包括：驱动外壳、超声振子、转子、大内齿轮、双联摆线齿轮、小内齿轮、输出端盘、中空偏心轴、第一深沟球轴承对和第二深沟球轴承对；

所述超声振子与所述驱动外壳固定连接，所述转子与所述中空偏心轴固定连接；所述双联摆线齿轮通过所述第一深沟球轴承对径向支撑；所述双联摆线齿轮与所述大内齿轮和所述小内齿轮同时啮合，所述小内齿轮与所述输出端盘固定连接；其中，所述中空偏心轴安装所述双联摆线齿轮的轴段的轴线与安装所述大内齿轮和所述小内齿轮的轴段的轴线之间均存在偏心距。

6.如权利要求5所述的电动螺旋锁紧机构，其特征在于，所述第一深沟球轴承对为带法兰的深沟球轴承对。

7.如权利要求5所述的电动螺旋锁紧机构，其特征在于，所述双联摆线齿轮包括：大外齿轮和小外齿轮；

所述大外齿轮和所述大内齿轮啮合的同时，所述小外齿轮和所述小内齿轮啮合。

8.如权利要求7所述的电动螺旋锁紧机构，其特征在于，所述大外齿的齿数小于所述大内齿的齿数，所述小外齿的齿数小于所述小内齿的齿数。

9.如权利要求1至8任一项所述的电动螺旋锁紧机构，其特征在于，所述径向压力装置包括：压簧挡板、径向压簧和钢球限位；

所述钢球限位的底端安装在所述止转钢球上且背离所述螺母的一端，所述径向压簧安装在所述钢球限位内部；所述压簧挡板安装在所述钢球限位的顶端，且固定在所述被动外壳上。

10.如权利要求1至8任一项所述的电动螺旋锁紧机构，其特征在于，所述螺母的底部为球面结构；所述螺母底板上设置球面槽，所述球面槽与所述球面结构的螺母相适应。

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