CN114290023B - 一种航天器六自由度低应力装配装置 - Google Patents

Abstract

一种航天器六自由度低应力装配装置,解决了如何提高航天器的地面装配性能的问题，属于机械工程领域。本发明包括气浮支撑架车机构、平面三自由度调节机构和四个高度调节机构；所需要装配的零部件放置在平面三自由度调节机构上，气浮支撑架车机构用于为平面三自由度调节机构、高度调节机构和所需要装配的零部件提供支撑及装配前的移动；平面三自由度调节机构实现所述零部件在X轴、Y轴及绕Z轴方向的调整；四个高度调节机构分布在平面三自由度调节机构底部，四个高度调节机构同时上升或下降，可实现对所述零部件在高度Z方向上的调整；每两个高度调节机构上升和下降的差动可实现对所述零部件在绕Y轴和绕X轴方向上的调整。

Description

一种航天器六自由度低应力装配装置

技术领域

本发明涉及一种航天器六自由度低应力装配装置，属于机械工程领域。

背景技术

航天器长期运行在微重力、高温差、强辐射的太空环境中，若想保证在轨工作可靠性高，寿命长，必须经过地面精密装调。在地面装配时，重力环境引起航天器的弱刚度构件结构变形，产生附加应力；在太空服役时，失重环境引起附加应力的释放，结构变形的恢复改变装配面接触状态，引起航天器性能的变化。因此，航天器在地面的装配精度和试验性能并不能完全反映在太空的状态。因此，需要采用低应力装配装置来提高航天器的地面装配性能。

除此之外，目前在实际生产过程中，通常采用单纯的人工方式对设备的零部件进行组装，具有效率低下、人工依赖程度高、装配一致性差的缺点；人工操作装配无法实现高精度的调节与矫正，仅仅通过工人的经验和手感来达到较好的装配效果，这对于航天器在轨工作性能提出了很大的挑战；对于大型较重的零部件，人们需要外部设备进行转移和支撑，这些外部设备一般体积较大，强度较高，操作起来复杂，高危险高风险，并且调节自由度有限以及调节精度低。

综上，随着航天器的日益精密化，功能多样化，急需一种高承载的六自由度低应力装配装置以提高装配精度，降低装配应力，更好的实现航天产品在轨运行的功能。

发明内容

针对如何提高航天器的地面装配性能的问题，本发明提供一种航天器六自由度低应力装配装置。

本发明的一种航天器六自由度低应力装配装置，包括气浮支撑架车机构1、平面三自由度调节机构2和四个高度调节机构3；

平面三自由度调节机构2和四个高度调节机构3均设置在气浮支撑架车机构1上，所需要装配的零部件放置在平面三自由度调节机构2上；

气浮支撑架车机构1用于为平面三自由度调节机构2、高度调节机构3和所需要装配的零部件提供支撑及装配前的移动；

平面三自由度调节机构2实现所需要装配的零部件在X轴方向、Y轴方向及绕Z轴方向的调整；

四个高度调节机构3分布在平面三自由度调节机构2的底部，四个高度调节机构3同时上升或下降，可实现对所需要装配的零部件在高度Z方向上的调整；

每两个高度调节机构3上升和下降的差动可实现对所需要装配的零部件在绕Y轴和绕X轴方向上的调整。

本发明的有益效果，本发明可实现位置调节精度达到0.2mm，姿态调节精度达2角分，通过该套装置可实现低应力装配。

附图说明

图1是本发明低应力装配装置的结构示意图；

图2是气浮支撑架车机构的示意图；

图3是平面三自由度调节机构的示意图；

图4是高度调节机构的示意图；

图5是气浮支撑架车机构中的辊环、辊轮、轴承座、双向螺栓和辊轮座的结构示意图；

图6是本发明实施例的示意图；

图7是平面三自由度调节机构的俯视图；

图8是平面三自由度调节机构和高度调节机构的斜视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本实施方式的一种航天器六自由度低应力装配装置，包括气浮支撑架车机构1、平面三自由度调节机构2和四个高度调节机构3；

平面三自由度调节机构2和四个高度调节机构3均设置在气浮支撑架车机构1上，所需要装配的零部件放置在平面三自由度调节机构2上；

气浮支撑架车机构1用于为平面三自由度调节机构2、高度调节机构3和所需要装配的零部件提供支撑及装配前的移动；

平面三自由度调节机构2实现所需要装配的零部件在X轴方向、Y轴方向及绕Z轴方向的调整；

四个高度调节机构3分布在平面三自由度调节机构2的底部，四个高度调节机构3差动配合实现俯仰自由度及滚转自由度的调节功能，四个高度调节机构3同时上升或下降，可实现对所需要装配的零部件在高度Z方向上的调整，每两个高度调节机构3上升和下降的差动可实现对所需要装配的零部件在绕Y轴和绕X轴方向上的调整。

本实施方式通过平面三自由度调节机构2、高度调节机构3对所需要装配的零部件在X轴方向、Y轴方向及绕Z轴方向、高度Z方向、绕Y轴和绕X轴方向上进行调整，调节精度高，使所需要装配的零部件与被装配零部件的接口对准，可实现低应力装配。

优选实施例中，气浮支撑架车机构1包括船板4、平面气足5、架车6、轴承26、辊环19、辊轮20、轴承座21、1号双向螺栓25和辊轮座22；

平面气足5设置在架车6的底部，用于为架车6提供气浮力，降低移动摩擦；

架车6的两侧各设置有一个支撑架，一个支撑架的顶端固定有轴承26，另一个支撑架的顶端固定有辊轮座22，两个轴承座21设置在辊轮座22上，每个轴承座21配置一个1号双向螺栓25，两个1号双向螺栓25位于辊轮座22的两端，通过1号双向螺栓25的拧进或拧出带动相连接的轴承座21在辊轮座22上移动；

两个辊轮座22上分别安装有辊轮20，辊环19位于辊轮20的上方，辊轮20与两个辊环19相切；

船板4位于架车6的上方，船板4的一侧通过俯仰轴与轴承26转动连接，船板4的另一侧与辊环19固定连接；

平面三自由度调节机构2和四个高度调节机构3设置在船板4上；

所述辊轮20内用于放置所需要装配的零部件的装配接口。

本实施方式中，气浮支撑架车机构1通过小孔节流技术悬浮在在大理石平台上，为该航天器六自由度低应力装配装置提供基础运动平台及操作平台。每个平面气足5具备200kg的承载能力，该机构安装有4个平面气足5，除去气浮支撑架车机构1本身的重量，该装置可实现对500kg零部件的支撑。气浮技术的引入，使得零部件的大范围转运变得更加轻松方便。架车6的结构设计，一方面实现了装配过程中的抗倾覆功能，另一方面增强了稳定性，极大的增加了装配过程中的安全性、可靠性。

本实施方式的气浮支撑架车机构1在高度调节机构3可实现滚转自由度的调节之外，通过辊轮20和辊环19的配合也可实现滚转自由度的调节，不同之处在于高度调节机构3是直接调整零部件的滚转姿态，辊轮20和辊环19调节的是对船板4的状态进行调平，进而实现调整所需要装配的零部件的滚转姿态，作为高度调节机构3的一种补偿措施。辊轮座22与气浮支撑架车机构1固连，两个轴承座可在辊轮座22上沿X方向调节，通过1号双向螺栓25提高调节量的精度。辊轮座22沿X方向的调节实现辊环绕X方向的滚转。

优选实施例中，高度调节机构3包括2号双向螺栓15、高度调节块16和支撑底座17；

支撑底座17安装在气浮支撑架车机构1上，高度调节块16通过2号双向螺栓15连接在支撑底座17上，支撑底座17的螺纹为正向螺纹，高度调节块16的螺纹为反向螺纹，调节2号双向螺栓15实现了高度Z方向上的调整。

本实施方式的高度调节块16通过2号双向螺栓15连接在支撑底座17上，支撑底座17的螺纹为正向螺纹，高度调节块16的螺纹为反向螺纹，调节2号双向螺栓15实现了高度Z方向上的调整，螺栓的螺距为1mm，2号双向螺栓15每旋转60度高度Z方向变化0.17mm。4个高度调节机构3支撑平面三自由度调节机构2，每两组高度调节机构3差动可实现零部件座板8及与其连接的零部件在俯仰和滚转方向上的调整。

本实施方式的高度调节机构3还包括过渡块14和力传感器18；

过渡块14位于高度调节块16上方，力传感器18位于过渡块14和高度调节块16之间，且力传感器18连接着高度调节块16和过渡块14，滚珠保持架10设置在过渡块14上，所述力传感器用于检测装配过程中过渡块14所受的支持力。

在装配的过程中，可通过采集力传感器18数据，根据数据的变化进行相应自由度的调整，降低装配应力。例如，在装配前确定力传感器18的数值，装配过程中再采集力传感器18的数值，进行相应自由度的调整，直到力传感器18的数值在设定阈值内且完成装配。

优选实施例中，本实施方式的平面三自由度调节机构2包括零部件连接件7、零部件座板8、滚珠9、滚珠保持架10、限位支架11、调节螺栓12；

零部件连接件7设置在零部件座板8上，所需要装配的零部件放置在零部件座板8上，且与零部件连接件7固定连接；

多个限位支架11分布在零部件座板8的两侧，每个限位支架11的底部固定在船板4上，每个限位支架11配置一个调节螺栓12，调节螺栓12穿过限位支架11顶靠零部件座板8，通过调节螺栓的拧进拧出，实现对零部件座板8及所需要装配的零部件进行X方向的调整；

零部件座板8与每个高度调节机构3之间的接触面上布置有滚珠9，且滚珠9通过滚珠保持架10进行约束。

本实施方式的平面三自由度调节机构2坐落在高度调节机构3上，通过调节螺栓12和滚珠9的配合实现X、Y方向上的调整，多个平面三自由度调节机构2的调节螺栓差动实现偏航方位调整功能。

零部件连接件7将所需要装配的零部件连接到零部件座板8上，调节螺栓12安装在限位支架11上，通过调节螺栓12对零部件座板8及与其连接的零部件进行X、Y方向的调整，调节螺栓的差动实现平面的偏航运动。

零部件座板8下方布置有滚珠9，降低调节过程中的摩擦力，滚珠9通过滚珠保持架10进行约束，避免调节过程中滚珠脱落。姿态和位置调整完毕后可通过限位块13和限位支架11锁紧，以方便人工进行下一步操作。

实施例：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

关节24的总重量为80kg，装配完成后组装件的总质量为155kg，根据单个平面气足承载200kg，设计架车6底面安装4个平面气足5，布局在1040×650范围的矩形角点处，尽可能的增加跨度，提高架车6在装配过程中防倾覆能力。

在使用之前需为气足供气，气压为0.5Mpa，将关节24移动到关节23附近，整个过程中利用气膜减小移动的摩擦力，相比于传统的吊车转移的方法操作更加简单，转运过程更加安全，转移完成后停止供气，气浮支撑架车机构1变成一个固定支座，为后续的六自由度调节提供操作平台。架车6在高度调节机构3的下方设计成中空，增大操作空间。

参见图7，平面三自由度调节机构2中的零部件座板8设计为方箱体，该结构件可根据装配件的外形进行设计改变，避免干涉。零部件座板8两侧布有四组限位支架11和调节螺栓12，限位支架11固定在气浮支撑架车机构1上，调节螺栓12采用M8×1mm的螺栓，通过周围的四组调节螺栓12配合来实现关节24的X方向及偏航(绕Z轴)自由度的调节功能。图7中调节螺栓12-A、12-B同时拧进，可使零部件座板8带动这关节24沿X正方向调节，同理，调节螺栓12-C、12-D同时拧进，可使关节24沿X的负方向调节，调节螺栓每拧一圈，零部件座板8沿X方向的调整量为1mm。滚珠9降低人工调节阻力。调节螺栓12-A、12-D的差动配合可实现关节24绕Z轴顺时针调节，调节螺栓12-B、12-C的差动配合可实现关节24绕Z轴逆时针调节，根据现在已经设计的尺寸，调节螺栓相距180mm，调节螺栓每拧1/12圈，偏航方向的角度调节量为1.6角分。为了保证滚珠9在调节的过程不发生脱落，设计了滚珠保持架10对其进行约束，但是不妨碍其工作。由于本实施例中关节23与关节24的轴线方向为Y方向，则该方向不需要精密调整。

参见图4和图8，高度调节机构3是通过双向螺栓15进行调节，支撑底座17的螺纹为正向螺纹M6×1mm，高度调节块16的螺纹为反向螺纹M8×1mm。力传感器18连接着高度调节块16和过渡块，作为装配过程中的应力可视化手段。高度调节机构3共有四组，分布在零部件座板8的四角，同时升降实现关节24在Z方向上的调节；高度调节机构3-A和高度调节机构3-B向上调节，同时高度调节机构3-C和高度调节机构3-D向下调节可实现滚转(绕X轴)自由度的调整，反之可实现反向调整；高度调节机构3-A和高度调节机构3-C向上调节，同时高度调节机构3-B和高度调节机构3-D向下调节可实现俯仰(绕Y轴)自由度的调整，反之可实现反向调整。调节螺栓每拧1/12圈，滚转方向和俯仰方向的角度调节精度为1.7角分。

参见图5，辊环19和辊轮20是通过调整架车6上的船板4来实现关节24的滚转自由度的调节，辊环19是固定船板4上，辊轮20通过辊轮座22固定在气浮支撑架车机构1上，通过调节螺栓12对辊轮20的调节，实现辊环19在Z方向上的位置变化，从而实现整个船板4的滚转调整。

整个调整的过程中以关节23的轴线作为对接基础，调整关节24的轴线与其在同一条直线上，完成六自由度的姿态位置调节。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (4)

1.一种航天器六自由度低应力装配装置，其特征在于，所述装置包括气浮支撑架车机构(1)、平面三自由度调节机构(2)和四个高度调节机构(3)；

平面三自由度调节机构(2)和四个高度调节机构(3)均设置在气浮支撑架车机构(1)上，所需要装配的零部件放置在平面三自由度调节机构(2)上；

气浮支撑架车机构(1)用于为平面三自由度调节机构(2)、高度调节机构(3)和所需要装配的零部件提供支撑及装配前的移动；

平面三自由度调节机构(2)实现所需要装配的零部件在X轴方向、Y轴方向及绕Z轴方向的调整；

四个高度调节机构(3)分布在平面三自由度调节机构(2)的底部，四个高度调节机构(3)同时上升或下降，实现对所需要装配的零部件在高度Z方向上的调整；

每两个高度调节机构(3)上升和下降的差动实现对所需要装配的零部件在绕Y轴和绕X轴方向上的调整；

所述气浮支撑架车机构(1)包括船板(4)、平面气足(5)、架车(6)、轴承(26)、辊环(19)、辊轮(20)、轴承座(21)、1号双向螺栓(25)和辊轮座(22)；

平面气足(5)设置在架车(6)的底部，用于为架车(6)提供气浮力；

架车(6)的两侧各设置有一个支撑架，一个支撑架的顶端固定有轴承(26)，另一个支撑架的顶端固定有辊轮座(22)，两个轴承座(21)设置在辊轮座(22)上，每个轴承座(21)配置一个1号双向螺栓(25)，两个1号双向螺栓(25)位于辊轮座(22)的两端，通过1号双向螺栓(25)的拧进或拧出带动相连接的轴承座(21)在辊轮座(22)上移动；

两个辊轮座(22)上分别安装有辊轮(20)，辊环(19)位于辊轮(20)的上方，辊轮(20)与两个辊环(19)相切；

船板(4)的位于架车(6)的上方，船板(4)的一侧通过俯仰轴与轴承(26)转动连接，船板(4)的另一侧与辊环(19)固定连接；

平面三自由度调节机构(2)和四个高度调节机构(3)设置在船板(4)上；

所述辊轮(20)内用于放置所需要装配的零部件的装配接口；

所述高度调节机构(3)包括2号双向螺栓(15)、高度调节块(16)和支撑底座(17)；

支撑底座(17)安装在气浮支撑架车机构(1)上，高度调节块(16)通过2号双向螺栓(15)连接在支撑底座(17)上，支撑底座(17)的螺纹为正向螺纹，高度调节块(16)的螺纹为反向螺纹，调节2号双向螺栓(15)实现了高度Z方向上的调整；

所述高度调节机构(3)还包括过渡块(14)和力传感器(18)；

过渡块(14)位于高度调节块(16)上方，力传感器(18)位于过渡块(14)和高度调节块(16)之间，且力传感器(18)连接着高度调节块(16)和过渡块(14)，滚珠保持架(10)设置在过渡块(14)上，所述力传感器用于检测装配过程中过渡块(14)所受的支持力。

2.根据权利要求1所述的航天器六自由度低应力装配装置，其特征在于，所述2号双向螺栓(15)的螺距为1mm，2号双向螺栓(15)每旋转60度高度Z方向变化0.17mm。

3.根据权利要求1所述的航天器六自由度低应力装配装置，其特征在于，平面三自由度调节机构(2)包括零部件连接件(7)、零部件座板(8)、滚珠(9)、滚珠保持架(10)、限位支架(11)、调节螺栓(12)；

零部件连接件(7)设置在零部件座板(8)上，所需要装配的零部件放置在零部件座板(8)上，且与零部件连接件(7)固定连接；

多个限位支架(11)分布在零部件座板(8)的两侧，每个限位支架(11)的底部固定在船板(4)上，每个限位支架(11)配置一个调节螺栓(12)，调节螺栓(12)穿过限位支架(11)顶靠零部件座板(8)，通过调节螺栓的拧进拧出，实现对零部件座板(8)及所需要装配的零部件进行X方向的调整；

零部件座板(8)与每个高度调节机构(3)之间的接触面上布置有滚珠(9)，且滚珠(9)通过滚珠保持架(10)进行约束。

4.根据权利要求3所述的航天器六自由度低应力装配装置，其特征在于，平面三自由度调节机构(2)还包括限位块(13)；

限位支架(11)与零部件座板(8)之间设置有限位块(13)。

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