DE19848427A1

DE19848427A1 - Probe and drogue mechanism facilitating linkup between two spacecraft, submarine vehicles, or industrial robot and capture load

Info

Publication number: DE19848427A1
Application number: DE19848427A
Authority: DE
Inventors: Erich Schafhauser; Joachim Karstendiek
Original assignee: OHB ORBITAL und HYDROTECHNOLOG
Current assignee: OHB ORBITAL und HYDROTECHNOLOG
Priority date: 1998-10-21
Filing date: 1998-10-21
Publication date: 2000-04-27

Abstract

A link system joins two preferably moving or movable pieces of equipment, e.g. two spacecraft, underwater vehicles or a terrestrial robot and a capture item. One e.g. vehicle has a probe (1) with arms which are splayed on command. The probe with folded arms is inserted into a drogue (5) forming part of the other vehicle. The probe arms are then splayed, and hold the two vehicles together. The slack is then taken up between the two vehicles by partial withdrawal of the probe using a spring mechanism (2).

Description

A background and objectives

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:
The invention relates to a coupling mechanism with which two technical devices can be permanently coupled to one another. The coupling mechanism, as is usually the case, is attached to an active device (hereinafter referred to as "catcher"), which controls and executes the movements required for coupling and the drive of the coupling mechanism. The device to which the catcher couples (hereinafter referred to as "target") usually plays a passive role during the coupling process. At the destination there is a holder for the coupling mechanism. Overall, it is either immobile or performs movements that are slower than the agility of the catcher. Coupling mechanisms of different types are generally known and are used in many technical fields. Most of the known mechanisms are based on it:

- that the catcher and target are originally designed for coupling, d. that is, the active one The coupling mechanism on the catcher and the passive pick-up on the target are made to match each other and attached to both devices,
- That the target behaves so stable during coupling - albeit often passively - that when Establishing the first mechanical connection of the catcher may also exert forces on the target.

Der heutige Stand der Automations- und Robotik-Technologie, insbesondere für die Fernsteuerung von Fahrzeugen und Manipulatoren, erweitert den Einsatzbereich von Koppelmechanismen zunehmend:
The current state of automation and robotics technology, in particular for the remote control of vehicles and manipulators, is increasingly expanding the area of application of coupling mechanisms:

- to catch or recover targets that were not originally designed for coupling,
- for coupling to targets that move freely in a complex way and that are as free of forces as possible must be caught before a firm connection can be made. This is true especially on freely movable targets, such as B. aerospace or underwater equipment, too.

Die beantragte Erfindung hat diesen erweiterten Einsatzbereich als generelle Zielrichtung.The proposed invention has this expanded area of application as a general objective.

B Description

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:
The special technical problem that led to the invention, and which is based on the following description as an exemplary embodiment, is a task from the space sector with high demands on the automation and robotics technology used:

- A satellite (target) has failed in orbit and cannot be controlled. He wobbles slowly movement, but could be put back into operation by a relatively simple repair. A repair satellite (catcher) is supposed to fly to it, to couple it with a manipulator Interchangeable tools carry out the repair, and then put it down again.
- The invented spring mandrel coupling mechanism is designed as a manipulator tool. He serves that Capture the target satellite and create a first fixed mechanical link. Based on this coupling, the manipulator positions the repair satellite so that a final clamp connection can be closed, and the manipulator for that Repair work becomes free.
- The target satellite does not have a planned launch link. For the first coupling, the nozzle of the Apogee motor selected, which can absorb the connecting forces, and their geometry is known.

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.The mechanical structure and the mode of operation of the spring arbor coupling mechanism result from claims 2 to 4 and are shown in Figure 1 as an overview.

Mechanical construction

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.The invented spring mandrel coupling mechanism is designed as a structural unit consisting of a spring mandrel ( 1 ) and a contact head ( 2 ). The system head is firmly connected to a housing ( 4 ) in which the drive, as well as the control electronics and sensors, are located. The lifting rod coupling ( 3 ) connects the lifting rod ( 1.2 ) of the spring mandrel to the drive. Drive and coupling cause a pure lifting movement, no twisting of the lifting rod. The spring mandrel is inserted into the receptacle ( 5 ) on the target device and clamped. Housing ( 4 ) with drive, coupling ( 3 ) and receptacle ( 5 ) can be made in different known technology and are not part of the invention.

Spring mandrel ( 1 )

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.A ring of spring bars ( 1.3 ) is firmly inserted into a spring piston ( 1.5 ), which can be moved against a prestressed compression spring ( 1.6 ) in the piston bore ( 2.2 ) in the contact head. A lifting rod ( 1.2 ) is guided through a hole in the spring piston, onto which a loose spacer bush ( 1.4 ) is pushed. At the front end of the lifting rod there is a fixed double cone ( 1.1 ), the tip of which has a centering effect when it is inserted into the holder. The double cone consists of two parts, which are countered on a thread on the lifting rod, thus allowing an exact length adjustment. The rear end of the lifting rod protrudes from the system head and is connected to the drive via the coupling ( 3 ). The movable spacer ( 1.4 ) is shorter by the "expansion stroke" (stroke 1, figure 1) than the distance between the lower end of the cone and the spring piston when the lifting rod is fully extended. The front ends of the spring bars are pre-shaped to match the receptacle and, when released, lie on the rear cone part with a slight preload as a spring collar. The spring mandrel can thus be inserted into the receptacle with play. The shape of the spring ring also ensures that the bracing can be released again without self-locking.

Contact head ( 2 )

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.The contact head has a contact surface ( 2.3 ) shaped to match the receptacle ( 5 ). This ensures a positive connection that can be released again without self-locking. Appropriate ge-shaped guides on the receptacle and contact head allow axial alignment of the connection made. To a limited extent, guidance and alignment of the direction of rotation is also possible, with the coarse alignment being ensured by the catcher. The piston bore ( 2.2 ) receives the spring piston ( 1.5 ) and the compression spring ( 1.6 ) of the spring mandrel. The lifting rod ( 1.2 ) runs through a fitting bore at the lower end of the piston bore. The clamping nut ( 2.3 ) secures the spring piston and allows the prestressing force of the compression spring to be fine-tuned.

functionality

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.With the spring arbor coupling mechanism, the mechanical coupling takes place exclusively by tension the lifting rod of the spring mandrel relative to the contact head, the release is carried out accordingly by pressure.

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):All other functions are passively promoted by the mechanical spring forces of the compression spring and the spring bars. The mechanical coupling takes place in three steps (see Figure 1):

1. Introduce

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.The spring arbor is moved into the holder on the target device by controlled movements of the catcher introduced. The lifting rod of the coupling mechanism is fully extended and the spring bars are lying on. The cone has a centering effect during insertion and allows error tolerances with slight collisions in the Strength range of the spring mandrel. The insertion and reaching the necessary immersion depth will controlled by the catcher.

2. Secure by spreading

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.When the necessary immersion depth has been reached, the first step is a safe but still loose mechanical one Connection between catcher and target established without exerting direct force on the target. By Pull on the lifting rod (stroke 1), the spring bars are spread through the rear cone part. The Preloading the compression spring in the piston bore prevents the spring piston from sliding back until the cone rests on the spacer, d. that is, until the spring bars are fully expanded without that the distance of the spring ring is reduced relative to the contact head. The spread spring ring is larger than the opening of the intake and can no longer slide back.

3. Bracing

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. The fixed mechanical tensioning of the fishing gear and target device takes place by pulling the Lift rod (stroke 2 = stroke 2a + stroke 2b). The cone presses on the spacer and this the Spring piston against the force of the compression spring to the rear. The distance between the spread spring ring and the contact head (around stroke 2a + stroke 2b) until a tightly tensioned mechanical Connection exists. Guidance, alignment and strength of the mechanical connection are through the Design of intake, spring ring and contact surface, and by the power of the drive determinable. With a self-locking drive, there is no need to hold the connection afterwards Force required. The connection can also be released in the reverse order, and thus overall repeatable.

C advantages of the invention

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.The coupling mechanism described is, in addition to known coupling tasks, especially for free moving vehicles and equipment in difficult and technologically new fields of application like that Suitable for space and underwater technology. How it works in three steps: - Introducing - Securing - bracing - is particularly advantageous for this, also that the connection is releasable and thus is repeatable.

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.The mechanism does not make high demands on the admission. It is also adaptable to Target devices that were not intended for pairing. In particular, he does not need any over the contour outstanding, cooperatively functioning receiving components. A well-known well with sufficient Strength would be sufficient for the small space requirement of the spring mandrel.

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.Actuation only by the lifting rod in connection with passive mechanical spring forces is simple, reliable and robust. The piston bore can be sealed if necessary (e.g. O-rings), see above that the mechanism even in a relatively contaminated environment, e.g. B. under water.

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.The design as a separate unit with spring mandrel and contact head can easily be different Recordings adapted to target devices, and known with different drive and control units Technology can be combined.

D State of the art

Es sind uns keine Koppelmechanismen dieser Bauart oder Veröffentlichungen über solche bekannt.We are not aware of any coupling mechanisms of this type or publications about them.

Claims

1. spring dome coupling mechanism, characterized in that it consists of a unit with a slim spring mandrel and a contact head on the actively moving gear. The coupling takes place in three steps. In step 1, the spring mandrel is inserted into a receptacle on the passive target device, in step 2 it is spread without applying force to the target device, thus establishing a secure but still loose connection, in step 3 the target device is fixed against a contact surface on the coupling mechanism tense. The connection is not self-locking, so that it can be released again in the reverse order and can therefore be repeated overall.

2. Coupling mechanism according to claim 1, characterized in that a ring of spring bars is firmly inserted into a spring piston, which is against a preloaded compression spring can move in a hole in the system head. Through a hole in the Spring piston is guided on a lifting rod, on which a loose spacer bush is pushed. On the front A double cone is permanently mounted at the end of the lifting rod, the tip of which is inserted into the Centering effect. The front free ends of the spring bars match the receptacle preformed and lie loosened with a slight preload as a spring ring on the rear Cone part. This ensures that the spring mandrel is inserted into the receptacle with play can.

3. Coupling mechanism according to claim 1 and 2, characterized in that the mechanical coupling only by pulling on the lifting rod of the spring mandrel relative to the system head, and by passive mechanical spring forces. The lifting rod is through a coupling secured against rotation with a drive on the gear. Clutch, Anti-rotation device, drive (e.g. electrical, hydraulic or pneumatic) as well as the required sensors and control electronics can be carried out in known technology.

4. Coupling mechanism according to claim 1, 2 and 3, characterized in that the mechanical coupling takes place in three steps:
Step 1: Insert the spring mandrel into the holder on the target device by controlled movements of the fishing gear. The lifting rod of the coupling mechanism is fully extended and the spring bars are in contact.
Step 2: Establish a secure but still loose mechanical connection between the fishing gear and the target device without exerting direct force on the target device. By pulling on the lifting rod, the spring bars are spread out by the rear cone part of the spring mandrel. The pretension of the compression spring in the piston bore prevents the spring piston from sliding back until the cone abuts the spacer bush, ie until the spring bars are fully expanded without the distance of the spring ring being reduced relative to the contact head. The spread spring ring is larger than the opening of the receptacle and can no longer slide back.
Step 3: Fixed mechanical clamping of the catching and target device. With another pull on the lifting rod, the cone presses on the spacer bush and pulls the spring piston backwards. The distance between the spread spring washer and the contact head is reduced until there is a tight mechanical connection. The orientation and strength of the mechanical connection can be determined by the design of the mount, spring washer and contact surface, and by the power of the drive.

5. Coupling mechanism according to claim 1, 2, 3 and 4, characterized in that the actual mechanism with spring mandrel and system head executed as a separate unit is adapted to different recordings on target devices, with different drive and Control units of known technology combined, and on fishing gear in different areas can be used.