CN117508661A - 一种多功能可重复接口用定位结构及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多功能可重复接口用定位结构及方法，属于航天器载荷对接技术领域。解决随着航天技术的不断发展和需求的增加，其对定位结构的精度和可靠性提出了更高的要求的问题。包括被连接载荷底板、目标载荷底板和粗导向，所述被连接载荷底板通过粗导向、中导向与目标载荷底板连接，粗导向包括粗导向槽和粗导向锥，粗导向槽与目标载荷底板连接，粗导向锥与被连接载荷底板连接，粗导向槽与粗导向锥建立配合。本发明粗导向和中导向是可以随意就拆卸安装和组合的，面对不同寸尺的组装对象，便于按照精度要求进行自适应调整，满足多种接口类型的需求；本发明强度高，在恶劣环境中扔可保证不易损坏或磨损，便于重复使用，节约成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种可重复定位结构及方法，属于航天器载荷对接技术领域。
背景技术
随着全球航天事业的快速发展，尤其是深空探测与在轨服务领域下的空间站、航天飞机、空间机器人等的建设与应用，在这些任务中，需要连接和分离多个载荷，如卫星、仪器设备等。因此，其连接分离结构过程中，需要定位结构的载荷连接接口可以提供精确的定位和可靠的连接，以满足航天器对于稳定性和可靠性的要求。为了实现无人为手动调节干预条件下的可靠载荷连接和分离操作，这就要求研究人员致力于设计高精度定位结构。
目前设计和优化接口的结构，包括定位点的数量、几何形状、间距和材料选择等方面，在航天领域，接口的定位结构研究主要集中在载荷连接、航天器组装和对接等方面，例如应用于在轨的航天器和航天设备时，其在要克服极端振动、高温、真空等恶劣条件，不仅要保证其精度，还要保证其可靠性。随着航天技术的不断发展和需求的增加，其对定位结构的精度、稳定性和可靠性提出了更高的要求。
因此，亟需提出一种多功能可重复接口用定位结构及方法，以解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决随着航天技术的不断发展和需求的增加，其对定位结构的精度、可靠性提出了更高的要求的问题，提供一种多功能可重复接口用定位结构及方法，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。
本发明的技术方案：
一种多功能可重复接口用定位结构，包括被连接载荷底板、目标载荷底板和粗导向，所述被连接载荷底板通过粗导向、中导向与目标载荷底板连接，粗导向包括粗导向槽和粗导向锥，粗导向槽与目标载荷底板连接，粗导向锥与被连接载荷底板连接，粗导向槽与粗导向锥建立配合。
优选的：还包括中导向，中导向包括中导向槽和中导向锥，中导向槽与目标载荷底板连接，中导向锥与被连接载荷底板连接，中导向槽与中导向锥建立配合。
优选的：所述粗导向中部加工有粗导向孔，粗导向孔的一端为粗导向锥孔，粗导向锥插入到粗导向孔中，中导向槽中部加工有中导向孔，中导向锥插入到中导向孔内。
优选的：粗导向、中导向的数量均为两个，目标载荷底板为方形，两个粗导向的粗导向槽设置在目标载荷底板的中部，两个中导向设置在目标载荷底板的两端。
优选的：所述粗导向锥孔的最大直径处为70mm，粗导向与目标载荷底板的中心距离为300mm，两个粗导向沿目标载荷底板的中线设置，两个中导向沿目标载荷底板的对角线设置。
一种多功能可重复接口用定位方法，包括以下步骤：
步骤一：机械臂抓持被连接载荷向目标载荷移动；
步骤二：导向布局。
优选的：步骤二中，粗导向锥端部接触粗导向锥孔的锥面，沿锥面滑向粗导向孔，粗导向锥继续插入，粗导向锥与锥孔柱面接触，用于调整位置偏差和姿态偏差。
优选的：步骤二中，包括以下步骤：
步骤2.1：粗导向布局；粗导向锥端部接触粗导向锥孔的锥面，沿锥面滑向粗导向孔，粗导向锥继续插入，粗导向锥与锥孔柱面接触，用于调整位置偏差和姿态偏差；
步骤2.2：中导向布局；粗导向锥进入粗导向孔一定距离，中导向锥端部刚好到中导向槽上端，中导向锥插入到中导向槽内部，进一步调整位置偏差和姿态偏差。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明粗导向和中导向是可以随意就拆卸安装和组合的，面对不同寸尺的组装对象，便于按照精度要求进行自适应调整，满足多种接口类型的需求；
2.本发明强度高，在恶劣环境中扔可保证不易损坏或磨损，便于重复使用，节约成本。
附图说明
图1是一种多功能可重复接口用定位结构的总装图；
图2是粗导向的结构示意图；
图3是粗导向的立体图；
图4是中导向的立体图；
图5是粗导向的原理示意图；
图6是一种多功能可重复接口用定位结构的流程图。
图中：101-被连接载荷底板；102-目标载荷底板；103-粗导向；104-中导向；301-粗导向槽，302-粗导向孔，303-粗导向锥孔，304-粗导向锥，401-中导向槽，402-中导向锥。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
具体实施方式一：结合图1-6说明本实施方式，本实施方式的一种多功能可重复接口用定位结构，包括被连接载荷底板101、目标载荷底板102和粗导向103，所述被连接载荷底板101通过粗导向103、中导向104与目标载荷底板102连接，粗导向103包括粗导向槽301和粗导向锥304，粗导向槽301与目标载荷底板102螺栓连接，粗导向锥304与被连接载荷底板101螺栓连接，粗导向槽301与粗导向锥304建立配合；本发明该结构的设计灵活，可以适应多种不同的情况和需求，具有较高的实用性和适应性。
具体实施方式二：结合图1-6说明本实施方式，本实施方式的一种多功能可重复接口用定位结构，还包括中导向104，中导向104包括中导向槽401和中导向锥402，中导向槽401与目标载荷底板102螺栓连接，中导向锥402与被连接载荷底板101螺栓连接，中导向槽401与中导向锥402建立配合，粗导向槽301、中导向槽401外壁均设置有圆周阵列布置的加强筋，增加强度，保证其可靠性和稳定性，本发明通过合理的结构设计，在保证其可靠性的基础上降低重量，便于运送，降低制造成本；本发明粗定位(粗导向103)和中定位(中导向104)是可以随意就拆卸安装和组合的，面对不同寸尺的组装对象，按照精度要求包括粗导向的安装位置和是否加装中定位都可以调整，本发明提供了更好的定位精度和可靠性，以确保高质量的信号传输和稳定的连接，本发明具有多种应用范围，能够满足各种接口类型的需求。
具体实施方式三：结合图1-6说明本实施方式，本实施方式的一种多功能可重复接口用定位结构，所述粗导向103中部加工有沿空间坐标的Z向的粗导向孔302，粗导向孔302的一端为粗导向锥孔303，粗导向锥304插入到粗导向孔302中，中导向槽401中部加工有沿空间坐标的Z向中导向孔，中导向孔端部内壁加工有倒角，中导向锥402插入到中导向孔内，粗导向槽301、中导向槽401高度相同，粗导向锥304的长度与直径均大于中导向锥402的长度与直径，粗导向锥304、中导向锥402端部加工有倒角；本发明可以进行多次插拔操作而不会受到损坏或磨损，具有很好的可重复使用性，通过使用特殊涂层、纳米材料和表面改性技术等，改善导向的物理性能，以提高接口的耐磨损性、耐腐蚀性和机械性能，延长其寿命和可重复使用次数，稳定可靠。
具体实施方式四：结合图1-6说明本实施方式，本实施方式的一种多功能可重复接口用定位结构，粗导向103、中导向104的数量均为两个，目标载荷底板102为方形，目标载荷底板的相邻两边分别沿空间坐标的X向、Y向，两个粗导向103的粗导向槽301设置在目标载荷底板102的中部，两个中导向104设置在目标载荷底板102的两端；对于不同尺寸的组装对象和不同精度要求选取合适的布局方案实现定位精度要求，对于大尺寸组装对象，Δγ会随着底板边长的增加，误差增加，还需安装中导向，其安装位置位于底板边缘对角。
具体实施方式五：结合图1-6说明本实施方式，本实施方式的一种多功能可重复接口用定位结构，机械臂操作过程中通常产生的误差为位置偏差沿X、Y、Z轴向方向的偏差，分别为lx、ly、lz，且不大于±20毫米，姿态偏差以X、Y、Z为转轴的周向偏差，分别为Δα、Δβ、Δγ，且不大于±1度，即X、Y、Z偏转角度范围为α＝[-1°，1°]、β＝[-1°，1°]、γ＝[-1°，1°]；将偏转角的范围以Δ＝1°平均分；位置偏差范围lx＝[-20，20]、ly＝[-20，20]、lz＝[-20，20]；将偏差位移范围以Δ＝20mm平均分；以底板(目标载荷底板102)中心为坐标原点，设导向锥(粗导向锥孔)底部坐标为(o，p，q)其所有点的坐标为：
其中，i＝1，2，3；αi、βi、γi分别为偏转角范围内一个角度；分别为偏差位移范围内一个位移；用MATLAB软件编程，加入循环，可以计算出导向锥底部所以有出现位置坐标，测量出两端点即可得出导向槽直径；通过MATLAB软件设计合理参数计算出粗导向锥底部晃动范围，确定所述粗导向锥孔303的最大直径处最优为70mm，粗导向103的轴心与目标载荷底板102的中心距离为300mm，对应的粗导向锥安装于被连接载荷底板101对应位置，即使其粗导向槽尽量安装靠近中心位置，又不影响底板中间空间安装其他设备，两个粗导向103沿目标载荷底板102的中线设置，两个中导向104沿目标载荷底板102的对角线设置，安置在对角是为了更好限制底板Δγ，底板为被连接载荷底板101、目标载荷底板102；通过模拟分析、实验测试和优化算法，以实现更好的连接稳定性和性能。
具体实施方式六：结合图1-6说明本实施方式，本实施方式的一种多功能可重复接口用定位方法，采用所述的一种多功能可重复接口用定位结构，适用于多种不同类型的接口，如液接口，电气接口等；由于定位结构的准确性和稳定性，该结构可以进行多次插拔操作而不会受到损坏或磨损；可以适应多种不同的环境和使用要求，并且可以与不同的接口类型兼容，从而提高了其实用性和灵活性，包括以下步骤：
步骤一：机械臂抓持被连接载荷
(被连接载荷底板)向目标载荷(目标载荷底板)移动；在轨对接时，被连接载荷底板由机械臂抓取对接，其中机械臂会有一定的位置误差和姿态角误差，在太空中不能人为调整，所设计的粗导向锥和粗导向槽的锥面、锥孔和间隙都是经过程序计算可以囊括所有底板的位置偏差和姿态角偏差所有情况，可以根据不同工作环境以及工作要求调整，从而达到在太空的恶劣环境无人为干预的情况下，也能实现精准定位作用；
步骤二：导向布局。
具体实施方式七：结合图1-5说明本实施方式，本实施方式的一种多功能可重复接口用定位方法，步骤二中，粗导向锥304端部接触粗导向锥孔303的锥面，沿锥面滑向粗导向孔302，粗导向锥304继续插入，自适应的使接口能够自动调整连接力、插入角度和位置，以适应不同的应用需求和环境变化，提供更好的连接稳定性和灵活性，粗导向锥304的圆柱面与锥孔柱面接触，其中导向锥孔303和粗导向锥304间隙配合，根据不同精度要求和锁紧时两个底板之间的距离确定，可调整位置偏差和姿态Δα、Δβ偏差。
具体实施方式八：结合图1-5说明本实施方式，本实施方式的一种多功能可重复接口用定位方法，步骤二中，包括以下步骤：
步骤2.1：粗导向布局；粗导向锥304端部接触粗导向锥孔303的锥面，沿锥面滑向粗导向孔302，粗导向锥304继续插入，粗导向锥304的圆柱面与锥孔柱面接触，用于调整位置偏差和姿态Δα、Δβ偏差；
步骤2.2：中导向布局；粗导向锥304圆柱面进入粗导向孔302一定距离，中导向锥402端部刚好到中导向槽401上端，中导向锥402插入到中导向槽401内部，进一步调整位置偏差和姿态Δα，Δβ，Δγ偏差；适用于尺寸大的载荷。
实施例1：
一种多功能可重复接口用定位结构应用于非合作目标卫星大容差对接装置，工作方法包括以下步骤：
如图1所示，粗-中-精导向定位结构，定位过程为：外接机械臂抓持被连接载荷向目标载荷移动，在对接目标载荷过程中，机械臂有着位置偏差不小于±20毫米、姿态偏差不小于±1度的操控误差，为了使对接完成后定位精度达到各种接口的对准差要求，301粗导向槽直径囊括了304粗导向锥晃动所有范围；
如图5所示，机械臂继续抓持被连接载荷移动，304粗导向锥底部先接触303粗导向锥面，继续移动，304粗导向锥底部沿303粗导向锥面滑入302粗导向锥孔；此时，定位结构开始调整被连接载荷位置偏差和姿态角偏差；将锥孔与导向锥的间隙设置为±0.1mm，当导向锥圆柱面进入锥孔时，整个组装对象的位置偏差不大于±0.1mm，而姿态角Δα、Δβ的偏差则与导向锥圆柱面的插入深度有关，导向锥插入越深，导向锥圆柱面与锥孔接触，调整姿态角Δα，Δβ使其越小；导向锥进入锥孔前后有所不同，当导向锥进入锥孔后，其晃动的两个极限情况，当没有姿态角偏转，位置偏移不大于±0.1mm，其晃动范围只与位置偏差有关；当有姿态角偏转时，则不存在位置偏移，其晃动范围与姿态角Δα、Δβ有关；两种情况对比后发现，姿态角偏差使整个系统的晃动范围更大，所以当导向锥进入锥孔后，主要观察姿态角对其晃动范围的影响。
如图6所示，关于姿态角Δγ，则影响xy平面的转动，即对接过程中，被连接载荷底板会绕z轴转动，对于其影响整个底板的晃动范围会因为底板的边长大小的不同而不同；当底板边长过长时，其误差不符合各接口对准差要求，此时需要加上中导向；其定位过程为要求304粗导向锥圆柱面进入锥孔10mm时，中导向的402中导向锥与401中导向锥槽顶端刚好平齐，此时因为103粗导向已经起到定位限制作用，继续移动402中导向锥圆柱面插入401中导向槽锥孔一定深度，对其姿态角进行调整确保晃动范围符合电气液接口的对准差；
在粗导向和中导向完成后，整个底板的位置偏差和姿态角偏差都符合电气液接口对准差，这时机械臂切换进入随动柔顺模式，系统开始精导向，机械臂随机械接口锁钩继续电气液接口对接，机械接口主动端继续拉近其对应的被动端，被连接载荷的位姿进一步实现精准纠正，电气液接口的被动端完全在其对应的主动端的捕获域内，并随着机械接口的动作和电气液接口的行程而实现精准插入与连接；该过程是对尺寸较大组装对象进行的粗-中-精导向定位结构设计；
对于小尺寸组装对象，采用粗-精导向定位结构，其粗导向与上述过程有所不同，304粗导向锥进入锥孔后，彼时没有其他导向进行定位，所有定位精度的提高由103粗导向完成，304粗导向锥圆柱面与锥孔插入一定深度，完成姿态角的调整，确保晃动范围符合电气液接口的对准差；这时机械臂切换进入随动柔顺模式，系统开始精导向，机械臂随机械接口锁钩继续电气液接口对接，机械接口主动端继续拉近其对应的被动端，被连接载荷的位姿进一步实现精准纠正，电气液接口的被动端完全在其对应的主动端的捕获域内，并随着机械接口的动作和电气液接口的行程而实现精准插入与连接；
另外，导向锥长度还需验证，在组装对象完全锁紧的状态下，确保上下底板的距离大于304粗导向锥的长度，而304粗导向锥的长度可以根据与锥孔的间隙大小来调整其所需的长度大小。
需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种多功能可重复接口用定位结构，其特征在于：包括被连接载荷底板(101)、目标载荷底板(102)和粗导向(103)，所述被连接载荷底板(101)通过粗导向(103)、中导向(104)与目标载荷底板(102)连接，粗导向(103)包括粗导向槽(301)和粗导向锥(304)，粗导向槽(301)与目标载荷底板(102)连接，粗导向锥(304)与被连接载荷底板(101)连接，粗导向槽(301)与粗导向锥(304)建立配合。
2.根据权利要求1所述的一种多功能可重复接口用定位结构，其特征在于：还包括中导向(104)，中导向(104)包括中导向槽(401)和中导向锥(402)，中导向槽(401)与目标载荷底板(102)连接，中导向锥(402)与被连接载荷底板(101)连接，中导向槽(401)与中导向锥(402)建立配合。
3.根据权利要求2所述的一种多功能可重复接口用定位结构，其特征在于：所述粗导向(103)中部加工有粗导向孔(302)，粗导向孔(302)的一端为粗导向锥孔(303)，粗导向锥(304)插入到粗导向孔(302)中，中导向槽(401)中部加工有中导向孔，中导向锥(402)插入到中导向孔内。
4.根据权利要求3所述的一种多功能可重复接口用定位结构，其特征在于：粗导向(103)、中导向(104)的数量均为两个，目标载荷底板(102)为方形，两个粗导向(103)的粗导向槽(301)设置在目标载荷底板(102)的中部，两个中导向(104)设置在目标载荷底板(102)的两端。
5.根据权利要求4所述的一种多功能可重复接口用定位结构，其特征在于：所述粗导向锥孔(303)的最大直径处为70mm，粗导向(103)与目标载荷底板(102)的中心距离为300mm，两个粗导向(103)沿目标载荷底板(102)的中线设置，两个中导向(104)沿目标载荷底板(102)的对角线设置。
6.一种多功能可重复接口用定位方法，其特征在于：采用权利要求1-5任一项所述的一种多功能可重复接口用定位结构，包括以下步骤：
步骤一：机械臂抓持被连接载荷向目标载荷移动；
步骤二：导向布局。
7.根据权利要求6所述的一种多功能可重复接口用定位方法，其特征在于：步骤二中，粗导向锥(304)端部接触粗导向锥孔(303)的锥面，沿锥面滑向粗导向孔(302)，粗导向锥(304)继续插入，粗导向锥(304)与锥孔柱面接触，用于调整位置偏差和姿态偏差。
8.根据权利要求6所述的一种多功能可重复接口用定位方法，其特征在于：步骤二中，包括以下步骤：
步骤2.1：粗导向布局；粗导向锥(304)端部接触粗导向锥孔(303)的锥面，沿锥面滑向粗导向孔(302)，粗导向锥(304)继续插入，粗导向锥(304)与锥孔柱面接触，用于调整位置偏差和姿态偏差；
步骤2.2：中导向布局；粗导向锥(304)进入粗导向孔(302)一定距离，中导向锥(402)端部刚好到中导向槽(401)上端，中导向锥(402)插入到中导向槽(401)内部，进一步调整位置偏差和姿态偏差。
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| CN202311513657.3A Active CN117508661B (zh) | 2023-11-14 | 2023-11-14 | 一种多功能可重复接口用定位结构及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117508661B (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2226483C1 (ru) * | 2002-10-02 | 2004-04-10 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П.Королева" | Устройство стыковки преимущественно к корпусу находящегося на орбите космического корабля |
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-
2023
- 2023-11-14 CN CN202311513657.3A patent/CN117508661B/zh active Active
Patent Citations (6)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117508661B (zh) | 2024-10-18 |
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