DE19848427A1 - Federdorn-Koppelmechanismus - Google Patents
Federdorn-KoppelmechanismusInfo
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Abstract
Die Erfindung ist ein neuartiger Koppelmechanismus, mit dem zwei technische Geräte miteinander gekoppelt werden können. DOLLAR A Er besteht aus einer Baueinheit mit einem Federdorn und einem Anlagekopf am aktiv bewegten Fanggerät. Die Kopplung erfolgt in drei Schritten, die keine Selbsthemmung bewirken, und somit auch in umgekehrter Reihenfolge wieder lösbar und wiederholbar ist: DOLLAR A Schritt 1: der Federdorn wird vom Fanggerät in eine Aufnahme am passiven Zielgerät eingeführt. DOLLAR A Schritt 2: der Federdorn wird, ohne Krafteinwirkung auf das Zielgerät, aufgespreitzt und stellt damit eine sichere, aber noch lose Verbindung her. DOLLAR A Schritt 3: das Zielgerät wird gegen eine Anlagefläche am Anlagekopf fest verspannt. DOLLAR A Die Kopplung erfolgt ausschließlich durch Hub der Hubstange des Federdorns in Verbindung mit passiven mechanischen Federkräften. Die Hubstange wird extern angetrieben. DOLLAR A Der Mechanismus kann einfach an verschiedenartige Aufnahmen an Zielgeräten angepaßt werden. Er ist besonders auch zum Koppeln frei beweglicher Fahrzeuge und Geräte, z. B. der Luft/Raumfahrt- und Unterwassertechnik, geeignet.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Koppelmechanismus, mit dem zwei technische Geräte fest
miteinander gekoppelt werden können. Dabei ist der Koppelmechanismus, wie zumeist üblich an einem
aktiven Gerät (im folgenden kurz "Fänger" genannt) angebracht, das die zum Koppeln nötigen
Bewegungen und den Antrieb des Koppelmechanismus kontrolliert und ausführt. Das Gerät, an dem der
Fänger ankoppelt (im folgenden kurz "Ziel" genannt) spielt während des Koppelvorgangs üblicherweise
eine passive Rolle. Am Ziel befindet sich eine Aufnahme für den Koppelmechanismus. Es ist insgesamt
entweder unbeweglich, oder führt Bewegungen aus, die langsamer sind als die Beweglichkeit des
Fängers. Solche Koppelmechanismen unterschiedlicher Bauart sind allgemein bekannt und werden in vielen
technischen Gebieten eingesetzt. Die meisten der bekannten Mechanismen basieren darauf:
- - daß Fänger und Ziel ursprünglich für die Kopplung ausgelegt sind, d. h., der aktive Koppelmechanismus am Fänger und die passive Aufnahme am Ziel sind passend zueinander gefertigt und an beiden Geräten angebracht,
- - daß sich das Ziel während der Kopplung - wenn auch oft passiv - doch so stabil verhält, daß beim Herstellen der ersten mechanischen Verbindung der Fänger auch Kräfte auf das Ziel ausüben darf.
Der heutige Stand der Automations- und Robotik-Technologie, insbesondere für die Fernsteuerung von
Fahrzeugen und Manipulatoren, erweitert den Einsatzbereich von Koppelmechanismen zunehmend:
- - zum Fangen oder Bergen von Zielen, die nicht ursprünglich für eine Kopplung ausgelegt sind,
- - zum Koppeln an Zielen, die sich auf komplexe Art frei bewegen, und die möglichst kräftefrei sicher eingefangen werden müssen bevor eine feste Verbindung hergestellt werden kann. Dies trifft besonders auf räumlich frei bewegliche Ziele, wie z. B. Luft/Raumfahrt- oder Unterwassergeräte, zu.
Die beantragte Erfindung hat diesen erweiterten Einsatzbereich als generelle Zielrichtung.
Das spezielle technische Problem das zu der Erfindung führte, und das der folgenden Beschreibung als
Ausführungsbeispiel zugrunde liegt, ist eine Aufgabenstellung aus dem Raumfahrtbereich mit hohen
Ansprüchen an die eingesetzte Automations- und Robotiktechnologie:
- - Ein Satellit (Ziel) ist im Orbit ausgefallen und nicht kontrollierbar. Er führt eine langsame Taumel bewegung aus, könnte aber durch eine relativ einfache Reparatur wieder in Betrieb gesetzt werden. Ein Reparatursatellit (Fänger) soll ihn anfliegen, daran ankoppeln, mit einem Manipulator mit wechselbaren Werkzeugen die Reparatur ausführen, und danach wieder ablegen.
- - Der erfundene Federdorn-Koppelmechanismus ist als Manipulatorwerkzeug ausgelegt. Er dient dem Einfangen des Zielsatelliten und zur Herstellung einer ersten festen mechanischen Kopplung. Abgestützt auf diese Kopplung positioniert der Manipulator den Reparatursatelliten so, daß eine endgültige Klammerverbindung geschlossen werden kann, und der Manipulator für die Reparaturarbeiten frei wird.
- - Der Zielsatellit hat keine vorgesehene Koppelaufnahme. Für die erste Kopplung wurde die Düse des Apogäumsmotors ausgewählt, die die Verbindungskräfte aufnehmen kann, und deren Geometrie bekannt ist.
Der mechanische Aufbau und die Funktionsweise des Federdorn-Koppelmechanismus ergeben sich aus
den Ansprüchen 2 bis 4, und sind in Bild 1 als Übersicht dargestellt.
Der erfundene Federdorn-Koppelmechanismus ist als eine Baueinheit ausgeführt, die aus einem
Federdorn (1) und einem Anlagekopf (2) besteht. Der Anlagekopf ist fest mit einem Gehäuse (4)
verbunden, in dem sich der Antrieb, sowie ggf. Kontrollelektronik und Sensoren befinden. Die
Hubstangenkupplung (3) verbindet die Hubstange (1.2) des Federdorns mit dem Antrieb. Antrieb und
Kupplung bewirken eine reine Hubbewegung, keine Verdrehung der Hubstange. Der Federdorn wird in
die Aufnahme (5) am Zielgerät eingeführt und verspannt. Gehäuse (4) mit Antrieb, Kupplung (3) und
Aufnahme (5) können in unterschiedlicher bekannter Technik ausgeführt sein und sind nicht Teil der
Erfindung.
Ein Kranz von Federstäben (1.3) ist in einen Federkolben (1.5) fest eingesetzt, der sich gegen eine
vorgespannte Druckfeder (1.6) in der Kolbenbohrung (2.2) im Anlagekopf bewegen läßt. Durch eine
Bohrung im Federkolben ist eine Hubstange (1.2) geführt, auf die eine lose Distanzbuchse (1.4)
geschoben ist. Am vorderen Ende der Hubstange ist ein Doppelkonus (1.1) fest montiert, dessen Spitze
bei der Einführung in die Aufnahme zentrierend wirkt. Der Doppelkonus besteht aus zwei Teilen, die auf
einem Gewinde an der Hubstange gekontert sind, und so eine genaue Längeneinstellung ermöglichen.
Das hintere Ende der Hubstange ragt aus dem Anlagekopf hinaus, und wird über die Kupplung (3) mit
dem Antrieb verbunden. Die bewegliche Distanzbuchse (1.4) ist um den "Aufspreizhub" (Hub 1, Bild 1)
kürzer als die Distanz zwischen unterem Konusende und dem Federkolben bei voll ausgefahrener
Hubstange. Die vorderen Enden der Federstäbe sind passend zu der Aufnahme vorgeformt und liegen im
gelösten Zustand mit leichter Vorspannung als Federkranz am hinteren Konusteil an. Somit kann der
Federdorn mit Spiel in die Aufnahme eingeführt werden. Die Formgebung des Federkranzes
gewährleistet auch, daß sich die Verspannung mit der Aufnahme ohne Selbsthemmung wieder lösen läßt.
Der Anlagekopf hat eine zur Aufnahme (5) passend geformte Anlagefläche (2.3). Diese gewährleistet
eine kraftschlüssige Verspannung, die ohne Selbsthemmung wieder gelöst werden kann. Geeignet ge
formte Führungen an Aufnahme und Anlagekopf ermöglichen dabei eine axiale Ausrichtung der
hergestellten Verbindung. In begrenztem Maß ist auch eine Führung und Ausrichtung der Drehrichtung
möglich, wobei die grobe Ausrichtung durch den Fänger gewährleistet wird. Die Kolbenbohrung (2.2)
nimmt den Federkolben (1.5) und die Druckfeder (1.6) des Federdorns auf. Die Hubstange (1.2) läuft
durch eine Paßbohrung am unteren Ende der Kolbenbohrung. Die Spannmutter (2.3) sichert den
Federkolben und erlaubt eine Feineinstellung der Vorspannkraft der Druckfeder.
Bei dem Federdorn Koppelmechanismus erfolgt die mechanische Kopplung ausschließlich durch Zug an
der Hubstange des Federdornes relativ zum Anlagekopf, das Lösen erfolgt entsprechend durch Druck.
Alle weiteren Funktionen werben passiv durch die mechanischen Federkräfte der Druckfeder und der
Federstäbe bewirkt. Die mechanische Kopplung erfolgt in drei Schritten (siehe Bild 1):
Der Federdorn wird durch kontrollierte Bewegungen des Fängers in die Aufnahme am Zielgerät
eingeführt. Die Hubstange des Koppelmechanismus ist dabei voll ausgefahren und die Federstäbe liegen
an. Der Konus wirkt beim Einführen zentrierend, und erlaubt Fehlertoleranzen mit leichten Kollisionen im
Festigkeitsbereich des Federdorns. Das Einführen und das Erreichen der notwendigen Eintauchtiefe wird
durch den Fänger kontrolliert.
Wenn die notwendige Eintauchtiefe erreicht ist, wird zunächst eine sichere, aber noch lose mechanische
Verbindung zwischen Fänger und Ziel hergestellt, ohne auf das Ziel eine direkte Kraft auszuüben. Durch
Zug an der Hubstange (Hub 1) werden die Federstäbe durch den hinteren Konusteil aufgespreizt. Die
Vorspannung der Druckfeder in der Kolbenbohrung verhindert dabei das Zurückgleiten des Federkolbens
solange, bis der Konus an der Distanzbuchse anliegt, d. h., bis die Federstäbe voll aufgespreizt sind, ohne
daß sich die Distanz des Federkranzes relativ zum Anlagekopf verringert. Der aufgespreizte Federkranz
ist größer als die Öffnung der Aufnahme und kann nicht mehr zurückgleiten.
Die feste mechanische Verspannung von Fang- und Zielgerät erfolgt durch weiteren Zug an der
Hubstange (Hub 2 = Hub 2a + Hub 2b). Der Konus drückt auf die Distanzbuchse und diese den
Federkolben gegen die Kraft der Druckfeder nach hinten. Dabei verringert sich die Distanz zwischen dem
gespreizten Federkranz und dem Anlagekopf (um Hub 2a + Hub 2b) bis eine fest gespannte mechanische
Verbindung besteht. Führung, Ausrichtung und Festigkeit der mechanischen Verbindung sind durch die
Gestaltung von Aufnahme, Federkranz und Anlagefläche, und durch die Leistung des Antriebs
bestimmbar. Bei einem selbsthemmenden Antrieb ist für das Halten der Verbindung danach keine weitere
Kraft erforderlich. Die Verbindung ist in umgekehrter Reihenfolge auch wieder lösbar, und damit
insgesamt wiederholbar.
Der beschriebene Koppelmechanismus ist, neben bekannten Kopplungsaufgaben, besonders für frei
bewegliche Fahrzeuge und Geräte in schwierigen und technologisch neuartigen Einsatzgebieten wie der
Raumfahrt- und Unterwassertechnik geeignet. Die Funktionsweise in drei Schritten: - Einführen -
Sichern - Verspannen - ist hierfür besonders vorteilhaft, auch daß die Verbindung wieder lösbar und damit
wiederholbar ist.
Der Mechanismus stellt keine hohen Anforderungen an die Aufnahme. Damit ist er auch anpaßbar an,
Zielgeräte, die für Kopplung nicht vorgesehen waren. Insbesondere benötigt er keine über die Kontur
hinausragenden, kooperativ funktionierende Aufnahmebauteile. Eine bekannte Bohrung mit ausreichender
Festigkeit würde für den geringen Platzbedarf des Federdorns ausreichen.
Die Betätigung ausschließlich durch die Hubstange in Verbindung passiven mechanischen Federkräften
ist einfach, zuverlässig und robust. Die Kolbenbohrung kann ggf. abgedichtet werden (z. B. O-Ringe), so
daß der Mechanismus auch in relativ verunreinigter Umgebung, z. B. unter Wasser, einsetzbar ist.
Die Ausführung als separate Baueinheit mit Federdorn und Anlagekopf kann leicht an unterschiedliche
Aufnahmen an Zielgeräten angepaßt, und mit unterschiedlichen Antriebs- und Kontrolleinheiten bekannter
Technik kombiniert werden.
Es sind uns keine Koppelmechanismen dieser Bauart oder Veröffentlichungen über solche bekannt.
Claims (5)
1. Federdom-Koppelmechanismus, dadurch gekennzeichnet,
daß er aus einer Baueinheit mit einem schlanken Federdorn sowie einem Anlagekopf am aktiv
bewegten Fanggerät besteht. Die Kopplung erfolgt in drei Schritten. In Schritt 1 wird der Federdorn in
eine Aufnahme am passiven Zielgerät eingeführt, in Schritt 2 wird er ohne Krafteinwirkung auf das
Zielgerät aufgespreizt, und stellt damit eine sichere, aber noch lockere Verbindung her, in Schritt 3 wird
das Zielgerät gegen eine Anlagefläche am Koppelmechanismus fest verspannt. Die Verbindung ist
nicht selbsthemmend, so daß sie in umgekehrter Reihenfolge wieder lösbar und damit insgesamt
wiederholbar ist.
2. Koppelmechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Kranz von Federstäben in einen Federkolben fest eingesetzt ist, der sich gegen eine
vorgespannte Druckfeder in einer Bohrung im Anlagekopf bewegen läßt. Durch eine Bohrung im
Federkolben ist eine Hubstange geführt, auf die eine lose Distanzbuchse geschoben ist. Am vorderen
Ende der Hubstange ist ein Doppelkonus fest montiert, dessen Spitze bei der Einführung in die
Aufnahme zentrierend wirkt. Die vorderen freien Enden der Federstäbe sind passend zu der Aufnahme
vorgeformt und liegen im gelösten Zustand mit leichter Vorspannung als Federkranz am hinteren
Konusteil an. Dies gewährleistet, daß der Federdorn mit Spiel in die Aufnahme eingeführt werden
kann.
3. Koppelmechanismus nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die mechanische Kopplung ausschließlich durch Zug an der Hubstange des Federdornes relativ
zum Anlagekopf, und durch passive mechanische Federkräfte erfolgt. Dazu ist die Hubstange durch
eine Kupplung verdrehgesichert mit einem Antrieb am Fanggerät verbunden. Kupplung,
Verdrehsicherung, Antrieb (z. B. elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch), sowie benötigte Sensorik
und Kontrollelektronik sind in bekannter Technik ausführbar.
4. Koppelmechanismus nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die mechanische Kopplung in drei Schritten erfolgt:
Schritt 1: Einführen des Federdornes in die Aufnahme am Zielgerät durch kontrollierte Bewegungen des Fanggerätes. Die Hubstange des Koppelmechanismus ist dabei voll ausgefahren und die Federstäbe liegen an.
Schritt 2: Herstellen einer sicheren, aber noch losen mechanischen Verbindung zwischen Fang- und Ziel gerät ohne direkte Kraftausübung auf das Zielgerät. Durch Zug an der Hubstange werden die Federstäbe durch den hinteren Konusteil des Federdornes aufgespreizt. Die Vorspannung der Druckfeder in der Kolbenbohrung verhindert das Zurückgleiten des Federkolbens solange, bis der Konus an der Distanzbuchse anliegt, d. h., bis die Federstäbe voll aufgespreizt sind, ohne daß sich die Distanz des Federkranzes relativ zum Anlagekopf verringert. Der aufgespreizte Federkranz ist größer als die Öffnung der Aufnahme und kann nicht mehr zurückgleiten.
Schritt 3: Feste mechanische Verspanung von Fang- und Ziel gerät. Durch weiteren Zug an der Hubstange drückt der Konus auf die Distanzbuchse und zieht den Federkolben nach hinten. Dabei verringert sich die Distanz zwischen dem gespreizten Federkranz und dem Anlagekopf bis eine fest gespannte mechanische Verbindung besteht. Ausrichtung und Festigkeit der mechanischen Verbindung sind durch die Gestaltung von Aufnahme, Federkranz und Anlagefläche, und durch die Leistung des Antriebs bestimmbar.
Schritt 1: Einführen des Federdornes in die Aufnahme am Zielgerät durch kontrollierte Bewegungen des Fanggerätes. Die Hubstange des Koppelmechanismus ist dabei voll ausgefahren und die Federstäbe liegen an.
Schritt 2: Herstellen einer sicheren, aber noch losen mechanischen Verbindung zwischen Fang- und Ziel gerät ohne direkte Kraftausübung auf das Zielgerät. Durch Zug an der Hubstange werden die Federstäbe durch den hinteren Konusteil des Federdornes aufgespreizt. Die Vorspannung der Druckfeder in der Kolbenbohrung verhindert das Zurückgleiten des Federkolbens solange, bis der Konus an der Distanzbuchse anliegt, d. h., bis die Federstäbe voll aufgespreizt sind, ohne daß sich die Distanz des Federkranzes relativ zum Anlagekopf verringert. Der aufgespreizte Federkranz ist größer als die Öffnung der Aufnahme und kann nicht mehr zurückgleiten.
Schritt 3: Feste mechanische Verspanung von Fang- und Ziel gerät. Durch weiteren Zug an der Hubstange drückt der Konus auf die Distanzbuchse und zieht den Federkolben nach hinten. Dabei verringert sich die Distanz zwischen dem gespreizten Federkranz und dem Anlagekopf bis eine fest gespannte mechanische Verbindung besteht. Ausrichtung und Festigkeit der mechanischen Verbindung sind durch die Gestaltung von Aufnahme, Federkranz und Anlagefläche, und durch die Leistung des Antriebs bestimmbar.
5. Koppelmechanismus nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der eigentliche Mechanismus mit Federdorn und Anlagekopf als separate Baueinheit ausgeführt
ist, die an unterschiedliche Aufnahmen an Zielgeräten angepaßt, mit unterschiedlichen Antriebs- und
Kontrolleinheiten bekannter Technik kombiniert, und an Fanggeräten unterschiedlicher Einsatzgebiete
genutzt werden kann.
Priority Applications (1)
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DE19848427A DE19848427A1 (de) | 1998-10-21 | 1998-10-21 | Federdorn-Koppelmechanismus |
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DE19848427A Withdrawn DE19848427A1 (de) | 1998-10-21 | 1998-10-21 | Federdorn-Koppelmechanismus |
Country Status (1)
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Date | Code | Title | Description |
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8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |