CN113277126A - 一种基于电磁式球锁结构的空间对接机构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于电磁式球锁结构的空间对接机构，属于空间对接技术领域。该机构包括主动端与被动端两个模块，主动端包括服务卫星、主动端底座、嵌在主动端底座中心位置的主动端中心线圈电磁铁以及以底座中心为轴心轴向均布的导向锥杆，被动端包括目标卫星、被动端底座、嵌在被动端底座与主动端对应位置的被动端中心线圈电磁铁、球锁结构的锁紧器以及锁紧器尾部安装的解耦线圈电磁铁。本发明空间对接锁紧机构提供了设计方案，大大减小了空间对接机构的质量与耗能，并且具有良好的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及空间对接技术领域，特别是指一种基于电磁式球锁结构的空间对接机构。
背景技术
在空间技术不断发展的今天，空间中存在的卫星数量正以相当显著的速度增加着。与此同时，卫星所需实现的功能也在不断地提高，因此可以将不同卫星进行对接，实现多颗小卫星功能共享与物资交互的空间对接技术便是空间领域急需发展的重点。
传统空间对接机构主要采用推力器来控制卫星的相对运动，推力器在工作时会消排出一定生成物与未燃尽的推进剂。当两卫星距离较远时，推力器的工作比较理想，但当两卫星距离较近时，推力器排出的生成物与未燃尽的推进剂会产生羽流作用，引起卫星姿态扰动和位置扰动。同时，羽流中生成物与未燃尽的推进剂可能给安装在卫星表面的敏感元件带来污染。而且当两卫星进行对接时，推力器所提供的对接力较大，且不容易控制，所以当两卫星使用电磁作用力进行对接工作时，可以有效避免推力器在对接任务时所存在的上述的不足。
本发明可以通过电磁力实现对接锁紧机构的锁紧与解锁，可以有效地完成卫星近距离对接任务，有效地减少了传统空间对接机构中所使用的资源，减少了机构质量。同时大大增加了对接机构的可控性，减少推力器对卫星上敏感元件的污染。锥杆结构内部缓冲零件也可以明显改善对接时产生的冲击。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于电磁式球锁结构的空间对接机构，以解决空间对接机构轻量化、低耗能和稳定性的问题。
该对接机构包括主动端与被动端，主动端与被动端能够对应锁紧，主动端包括服务卫星、主动端底座、导向锥杆及主动端中心线圈电磁铁，主动端中心线圈电磁铁嵌在主动端底座中心位置，导向锥杆以主动端底座中心为轴轴向均匀分布，导向锥杆包括锥杆，锥杆头部安装有推杆，锥杆内部放置连接推杆的推杆弹簧，被动端包括目标卫星、被动端底座、导向锥孔、被动端中心线圈电磁铁、球锁式锁紧器及解耦线圈电磁铁，被动端中心线圈电磁铁嵌在被动端底座中心位置，球锁式锁紧器置于导向锥孔内，解耦线圈电磁铁安装在球锁式锁紧器尾部，球锁式锁紧器包裹在锁紧器外壳内，球锁式锁紧器的轴心头部装有卡块，卡块头部圆周上设置钢珠，卡块尾部连接有卡块弹簧，且卡块与卡块弹簧外套有导套，导套外套有压板与压板弹簧，球锁式锁紧器尾部装有约束环，约束环固定球锁式锁紧器内部弹簧，通过主动端中心线圈电磁铁与被动端中心线圈电磁铁控制主动端与被动端之间的作用力，解锁时通过激活解耦线圈电磁铁达到解锁的目的。
锥杆外侧具有两个环形凹槽，为球锁式锁紧器提供两个锁紧位置；锥杆头部呈锥状，与锁紧器外壳、被动端底座的导向锥孔配合，实现导向与校准作用；锥杆头部孔的直径与推杆头部小径相配合，使推杆在孔内轴向移动且孔的直径小于推杆尾部大径，保证推杆不会脱离锥杆；推杆弹簧在不工作时存在预紧力。
环形凹槽截面呈上宽下窄的梯形，靠近锥杆头部一端的边与锥杆径向夹角比靠近尾部一侧与锥杆径向夹角小，便于钢珠向锥杆尾部移动，使钢珠难以脱离，使锁紧机构调整锁紧位置但不会使锁紧失效。
卡块呈杯状，内径与锥杆外径相配合，保证锁紧与解锁过程中锥杆与球锁式锁紧器的同轴度，且卡块外径小于锁紧器外壳接口端孔的直径，保证卡块不会脱离锁紧器外壳，卡块外径与导套内径相配合，能够在导套内轴向移动，且卡块弹簧在不工作时存在预紧力，保证卡块不会在非工作时出现钢珠掉落的情况。
压板成环状，压板外径与锁紧器外壳内径相配合，压板内径与导套外径相配合，保证压板在球锁式锁紧器内轴向移动，且压板弹簧在锁紧状态下依然存在预紧力，保证球锁式锁紧器可以充分锁紧；压板靠头部外周向均布三个钢珠，锁紧器外壳接口端内部与钢珠相接触成锥形，轴向另一侧与压板相接触，压板弹簧为钢珠提供推力。
锁紧器外壳孔口呈锥状，与锥杆的锥形头部相配合，实现导向与校准作用。
解耦线圈电磁铁可以控制锁紧力大小，球锁式锁紧器外壳、卡块、卡块弹簧、约束环、导套、压板均为非磁性材料，不受电磁力影响；钢珠、压板弹簧均为磁性材料，当解耦线圈电磁铁通电时，钢珠、压板弹簧受电磁力影响时，压板弹簧压缩，钢珠受磁力吸引而上升，从而实现球锁式锁紧器解锁。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，基于电磁式球锁结构的空间对接机构具有轻量化、低耗能和高稳定性等优点，在卫星近距离对接任务中，使用电磁力控制对接机构，有效地减少了传统的空间对接机构中所消耗的资源，减少了机构质量。电磁结构在可控性方面也要优于传统对接机构，同时有效减少了传统对接机构在近距离工作时推力器对卫星的扰动、以及卫星上敏感元件的污染。电磁作用更加可控的同时，锥杆结构内部的缓冲零件还可以明显改善对接时产生的冲击。
附图说明
图1为本发明对接机构的结构示意图；
图2为本发明主动端结构示意图；
图3为本发明主动端的导向锥杆半剖结构示意图；
图4为本发明被动端结构示意图；
图5为本发明被动端的球锁式锁紧器结构示意图；
图6为本发明被动端的球锁式锁紧器爆炸结构示意图；
图7为本发明主动端与被动端中心线圈电磁铁组件结构示意图。
其中：1-主动端，2-被动端，3-服务卫星，4-主动端底座，5-导向锥杆，6-主动端中心线圈电磁铁，7-锥杆，8-推杆弹簧，9-推杆，10-目标卫星，11-被动端底座，12-导向锥孔，13-球锁式锁紧器，14-被动端中心线圈电磁铁，15-解耦线圈电磁铁，16-锁紧器外壳，17-钢珠，18-卡块，19-压板，20-压板弹簧，21-导套，22-卡块弹簧，23-约束环。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种基于电磁式球锁结构的空间对接机构。
如图1所示，该装置包括主动端1与被动端2，主动端1与被动端2能够对应锁紧；如图2所示，主动端1包括服务卫星3、主动端底座4、导向锥杆5及主动端中心线圈电磁铁6，如图7所示，主动端中心线圈电磁铁6嵌在主动端底座4中心位置，如图3所示，导向锥杆5以主动端底座4中心为轴轴向均匀分布，导向锥杆5包括锥杆7，锥杆7头部安装有推杆9，锥杆7内部放置连接推杆9的推杆弹簧8，如图4所示，被动端2包括目标卫星10、被动端底座11、导向锥孔12、被动端中心线圈电磁铁14、球锁式锁紧器13及解耦线圈电磁铁15，如图7所示，被动端中心线圈电磁铁14嵌在被动端底座11中心位置，球锁式锁紧器13置于导向锥孔12内，解耦线圈电磁铁15安装在球锁式锁紧器13尾部，如图5所示，球锁式锁紧器13包裹在锁紧器外壳16内，如图6所示，球锁式锁紧器13的轴心头部装有卡块18，卡块18头部圆周上设置钢珠17，卡块18尾部连接有卡块弹簧22，且卡块18与卡块弹簧22外套有导套21，导套21外套有压板19与压板弹簧20，球锁式锁紧器13尾部装有约束环23，以固定球锁式锁紧器13内部弹簧，通过主动端中心线圈电磁铁6与被动端中心线圈电磁铁14控制主动端1与被动端2之间的作用力，解锁时通过激活解耦线圈电磁铁15达到解锁的目的。
锥杆7外侧具有两个环形凹槽，为球锁式锁紧器13提供两个锁紧位置；锥杆7头部呈锥状，与锁紧器外壳16、被动端底座11的导向锥孔12配合，实现导向与校准作用；锥杆7头部孔的直径与推杆9头部小径相配合，使推杆9在孔内轴向移动且孔的直径小于推杆9尾部大径，保证推杆9不会脱离锥杆7；推杆弹簧8在不工作时存在预紧力。
环形凹槽截面呈上宽下窄的梯形，靠近锥杆7头部一端的边与锥杆7径向夹角比靠近尾部一侧与锥杆7径向夹角小，便于钢珠17向锥杆7尾部移动，使钢珠难以脱离，使锁紧机构调整锁紧位置但不会使锁紧失效。
卡块18呈杯状，内径与锥杆7外径相配合，保证锁紧与解锁过程中锥杆7与球锁式锁紧器13的同轴度，且卡块18外径小于锁紧器外壳16接口端孔的直径，保证卡块18不会脱离锁紧器外壳16，卡块18外径与导套21内径相配合，可以在导套21内轴向移动，且卡块弹簧22在不工作时存在预紧力，保证卡块18不会在非工作时出现钢珠掉落的情况。
压板19成环状，压板19外径与锁紧器外壳16内径相配合，压板19内径与导套21外径相配合，保证压板19在球锁式锁紧器13内轴向移动，且压板弹簧20在锁紧状态下依然存在预紧力，保证球锁式锁紧器13可以充分锁紧；压板19靠头部外周向均布三个钢珠17，锁紧器外壳16接口端内部与钢珠17相接触成锥形，轴向另一侧与压板19相接触，压板弹簧20为钢珠17提供推力。
锁紧器外壳16孔口呈锥状，与锥杆7的锥形头部相配合，实现导向与校准作用。
解耦线圈电磁铁15可以控制锁紧力大小，球锁式锁紧器外壳16、卡块18、卡块弹簧22、约束环23、导套21、压板19均为非磁性材料，不受电磁力影响；钢珠17、压板弹簧20均为磁性材料，当解耦线圈电磁铁15通电时，钢珠17、压板弹簧20受电磁力影响时，压板弹簧20压缩，钢珠17受磁力吸引而上升，从而实现球锁式锁紧器13解锁。
该机构中，导向锥杆5、球锁式锁紧器13和解耦线圈电磁铁15是一一对应的关系，处在同一轴线上。当主动端1和被动端2靠近到一定位置时，球锁式锁紧器13自动锁紧，阻止模块间变换相对位置。当两模块需要分离时，解耦线圈电磁铁15激活，钢珠受磁力吸引而上升，从而实现锁紧器解锁。
本发明提供的一种基于电磁式球锁结构的空间对接机构能够在对接过程中实现电磁吸引锥杆导向、锥杆接触锁紧、电磁解锁分离三个阶段，具体实施方式如下：
1)电磁吸引、锥杆导向阶段：当服务卫星3上的主动端1与目标卫星10上的被动端2处在一定的相对位置时，主动端中心线圈电磁铁6与被动端中心线圈电磁铁14激活并产生引力，拉近两模块间的距离。导向锥杆5头部与被动端底座11的导向锥孔12以及锁紧器锥状孔口相配合，导向锥杆7插入锁紧器。
2)锥杆接触锁紧阶段：锁紧过程中，锥杆头部推杆9先与锁紧器内部卡块18相接触，受电磁引力作用，推杆弹簧8与卡块弹簧22压缩，减轻对接时产生的冲击。卡块18运动一定距离后，钢珠17与锥杆7直接接触，直到钢珠17与锥杆7头部环形凹槽相接触，钢珠17受压板弹簧20推力作用，沿锁紧器外壳16锥形内壁滑入凹槽，在压板弹簧20作用下，钢珠17无法沿环形凹槽头部较陡一侧斜面移动，球锁式锁紧器13完成第一次锁紧。由于环形凹槽尾部一侧斜面较缓，在电磁引力作用下，锥杆7继续深入，钢珠17脱离凹槽，压板弹簧20压缩。直到钢珠17滑入第二的凹槽，完成第二次锁紧，主动端中心线圈电磁铁6与被动端中心线圈电磁铁14停止工作，引力作用消失，对接机构处于锁紧状态。
3)电磁解锁分离阶段：在本空间对接机构处于锁紧状态时，激活主动端中心线圈电磁铁6与被动端中心线圈电磁铁14并产生斥力，同时激活解耦线圈电磁铁15。由于球锁式锁紧器外壳16、卡块18、卡块弹簧22、约束环23、导套21、压板6均为非磁性材料，不受电磁力影响。钢珠5、压板弹簧8均为磁性材料，当解耦线圈电磁铁15通电时，钢珠17、压板19、压板弹簧20受电磁力影响时，压板弹簧20在磁力作用下压缩，钢珠17受磁力吸引而上升，实现球锁式锁紧器13解锁。在主、被动端中心线圈电磁铁间产生的斥力，以及导向锥杆5与球锁式锁紧器13内部弹簧推力的作用下，锥杆7逐渐远离球锁式锁紧器13，直至主动端1与被动端2完全分离，球锁式锁紧器13内部恢复至锁紧前的状态，主动端中心线圈电磁铁6、被动端中心线圈电磁铁14与解耦线圈电磁铁15停止工作。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于电磁式球锁结构的空间对接机构，其特征在于：包括主动端(1)与被动端(2)，主动端(1)与被动端(2)能够对应锁紧；主动端(1)包括服务卫星(3)、主动端底座(4)、导向锥杆(5)及主动端中心线圈电磁铁(6)，主动端中心线圈电磁铁(6)嵌在主动端底座(4)中心位置，导向锥杆(5)以主动端底座(4)中心为轴轴向均匀分布，导向锥杆(5)包括锥杆(7)，锥杆(7)头部安装有推杆(9)，锥杆(7)内部放置连接推杆(9)的推杆弹簧(8)，被动端(2)包括目标卫星(10)、被动端底座(11)、导向锥孔(12)、被动端中心线圈电磁铁(14)、球锁式锁紧器(13)及解耦线圈电磁铁(15)，被动端中心线圈电磁铁(14)嵌在被动端底座(11)中心位置，球锁式锁紧器(13)置于导向锥孔(12)内，解耦线圈电磁铁(15)安装在球锁式锁紧器(13)尾部，球锁式锁紧器(13)包裹在锁紧器外壳(16)内，球锁式锁紧器(13)的轴心头部装有卡块(18)，卡块(18)头部圆周上设置钢珠(17)，卡块(18)尾部连接有卡块弹簧(22)，且卡块(18)与卡块弹簧(22)外套有导套(21)，导套(21)外套有压板(19)与压板弹簧(20)，球锁式锁紧器(13)尾部装有约束环(23)，约束环(23)固定球锁式锁紧器(13)内部弹簧，通过主动端中心线圈电磁铁(6)与被动端中心线圈电磁铁(14)控制主动端(1)与被动端(2)之间的作用力，解锁时通过激活解耦线圈电磁铁(15)达到解锁的目的。
2.根据权利要求1所述的基于电磁式球锁结构的空间对接机构，其特征在于：所述锥杆(7)外侧具有两个环形凹槽，为球锁式锁紧器(13)提供两个锁紧位置；锥杆(7)头部呈锥状，与锁紧器外壳(16)、被动端底座(11)的导向锥孔(12)配合，实现导向与校准作用；锥杆(7)头部孔的直径与推杆(9)头部小径相配合，使推杆(9)在孔内轴向移动且孔的直径小于推杆(9)尾部大径，保证推杆(9)不会脱离锥杆(7)；推杆弹簧(8)在不工作时存在预紧力。
3.根据权利要求2所述的基于电磁式球锁结构的空间对接机构，其特征在于：所述环形凹槽截面呈上宽下窄的梯形，靠近锥杆(7)头部一端的边与锥杆(7)径向夹角比靠近尾部一侧与锥杆(7)径向夹角小，便于钢珠(17)向锥杆(7)尾部移动，使钢珠难以脱离，使锁紧机构调整锁紧位置但不会使锁紧失效。
4.根据权利要求1所述的基于电磁式球锁结构的空间对接机构，其特征在于：所述卡块(18)呈杯状，内径与锥杆(7)外径相配合，保证锁紧与解锁过程中锥杆(7)与球锁式锁紧器(13)的同轴度，且卡块(18)外径小于锁紧器外壳(16)接口端孔的直径，保证卡块(18)不会脱离锁紧器外壳(16)，卡块(18)外径与导套(21)内径相配合，能够在导套(21)内轴向移动，且卡块弹簧(22)在不工作时存在预紧力，保证卡块(18)不会在非工作时出现钢珠掉落的情况。
5.根据权利要求1所述的基于电磁式球锁结构的空间对接机构，其特征在于：所述压板(19)成环状，压板(19)外径与锁紧器外壳(16)内径相配合，压板(19)内径与导套(21)外径相配合，保证压板(19)在球锁式锁紧器(13)内轴向移动，且压板弹簧(20)在锁紧状态下存在预紧力，保证球锁式锁紧器(13)充分锁紧；压板(19)靠头部外周向均布三个钢珠(17)，锁紧器外壳(16)接口端内部与钢珠(17)相接触成锥形，轴向另一侧与压板(19)相接触，压板弹簧(20)为钢珠(17)提供推力。
6.根据权利要求1所述的基于电磁式球锁结构的空间对接机构，其特征在于：所述锁紧器外壳(16)孔口呈锥状，与锥杆(7)的锥形头部相配合，实现导向与校准作用。
7.根据权利要求1所述的基于电磁式球锁结构的空间对接机构，其特征在于：所述解耦线圈电磁铁(15)控制锁紧力大小，球锁式锁紧器外壳(16)、卡块(18)、卡块弹簧(22)、约束环(23)、导套(21)、压板(19)均为非磁性材料，不受电磁力影响；钢珠(17)、压板弹簧(20)均为磁性材料，当解耦线圈电磁铁(15)通电时，钢珠(17)、压板弹簧(20)受电磁力影响时，压板弹簧(20)压缩，钢珠(17)受磁力吸引而上升，从而实现球锁式锁紧器(13)解锁。
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