专利名称：机电一体化通用对接装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电气和机械组合的通用对接装置。
背景技术：
目前各种机电产品部件之间的机械连接和电气连接是通过不同的连接件来实现的，相互之间没有配合。空间对接是无人航天器之间进行装配、维修等在轨操作的基础，也是航天器在轨服务与维护的先决条件。接口系统不仅可以实现飞行器的模块化设计、不同模块的在轨组装和在轨更换，也能实现模块化飞行器整体信息的传输。因此，合理的接口系统是模块化飞行器设计中必须解决的一个问题。现有的航天器对接机构多为主被动结构，不满足任何两个模块都可以连接的要求，不具备通用性。模块化航天器要求模块之间存在信息交互和能源传输，对于空间自主运行的航天器，尤其要保证控制、量测等信息在各模块之间的传输， 具备信息传输功能的接口系统是空间自主运行的保障。在现有的对接接口中美国的球形微小卫星电磁式对接机构是专门针对球形微型航天器对接和加注试验而设计的，对于小型、中型和大型航天器而言，由于很难屏蔽电磁干扰，因而不具有通用性，再者这种对接方案不具备周向定位能力，也不适用于一般形状航天器的在轨对接；软轴式对接系统是一个具有软对接能力的非通用系统，由于空行程比较大，难以精确控制轴向相对位置，容易产生碰撞，冠状锁紧式对接机构必须根据目标卫星的远地点发动机喷管喉部结构定制，不能重复使用。
发明内容
为了克服现有技术不能同时完成机械连接和电气连接以及不具备通用性的不足， 本发明提供一种机电一体化通用对接装置，将不同模块的接口统一化、通用化，并具有能源传输、电气传输等功能的通用型对接和连接机构。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是包括中心盘、锥杆、数据接头和电源接头，在中心盘一侧沿中心盘原点对称布设锥孔和锥杆，构成典型的逆对称布局，锥杆的头部由底部相连的一个圆锥体和一个锥台构成，锥台的顶部与锥杆相连，中心盘上与锥杆同一侧布设了若干个数据接头和电源接头，每个数据接头都连有数据线，通过数据线导引槽牵引进行信息和数据交换，每个电源接头后面连有导线，通过数据线导引槽牵引实现电源传输；在中心盘的外框内缠绕线圈，通电状态下，两对接中心盘之间将产生和接口面垂直的电磁力，根据电流方向的不同，两个接口之间将产生相互吸引或排斥的电磁力，电磁引力将两接口逐渐拉近，电磁斥力将其逐渐推开，基于此形成接口的软捕获和软分离能力；在中心盘另一侧的原点位置沿中心盘法线方向固连有中心杆，中心杆上与中心盘平行连接有两块卡盘，每块卡盘上开有一个条形卡孔，卡孔一端粗一端细，粗端孔径大于锥杆头部圆锥体的最大直径，细端孔径小于锥杆头部圆锥体的最大直径且大于锥杆直径，两块卡盘上的卡孔粗端重合时，细端朝向相反，每块卡盘上还开有一条与中心杆距离不等的圆弧形导孔，在电机驱动下，穿过导孔的驱动杆沿垂直于中心杆的丝杠运动，通过导孔驱动两块卡盘运动，两块卡盘运动方向始终相反，两个卡孔的细端相对靠近，逐步将锥杆卡住，当卡盘动作到卡死锥杆位置处，控制系统控制电机停转并锁定位置，驱动杆和卡盘停止运动并保持锁定，解锁动作和锁紧动作相反，控制系统向电机发出反转指令，丝杠带动驱动杆运动，驱动杆沿卡盘导孔推动卡盘向解锁方向转动，当卡盘转动到完全解锁状态，控制系统向电机发出停止指令。所述锥杆头部圆锥体的锥面与锥体中心轴的夹角为45度，只要锥杆处于锥孔范围内，锥杆头部进入锥孔，将自动消除滚转角度误差；随着锥杆深入，锥杆将逐步适应锥孔， 同锥孔的方位保持近似一致，完成俯仰和偏航的初步修正。随着卡盘逐步卡死锥杆，锥杆将最终被卡盘推送到要求的指向和位置，进一步消除姿态误差。本发明的有益效果是本发明具有使用驱动元件少，控制简单，对接可靠性高，对接迅速的优点，由于产品具有初始误差允许能力，对交会测量及运动控制精度要求较低，能应用于多种场合。此外，本发明所述的对接机构仅采用一个电机驱动，控制简单，因此使得在与目标对接过程中，对接的可靠性大为提高。下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的结构示意图；图2是本发明的爆炸视图；图3是本发明的卡盘转向和定位块运动方向关系图；图4A是本发明的接口完全解锁状态图；图4B是本发明的另一视角的接口完全解锁状态图；图5A是本发明的接口锁紧状态图；图5B是本发明的另一视角的接口锁紧状态图；图6A是本发明的锁紧状态锥杆和卡盘卡孔的斜面配合图；图6B是本发明的另一视角的锁紧状态锥杆和卡盘卡孔的斜面配合图；图7A是本发明的外框中心盘前部设计图；图7B是本发明的另一视角的外框中心盘前部设计图；图8是本发明的电源接头示意图；图9是接口工作流程图；图中1-电源接头，2-锥杆，3-数据接头，4-中心盘，5-外框，6_卡盘，7_驱动杆 8-定位块，9-底盘，10-周边柱，11-电磁线圈，12-中心杆13-卡孔(细端)，14-卡孔(粗端)，15-导孔，16-锥孔，17-电源触头孔，18-数据触头孔，19-锥杆安装位置，20-驱动杆行程，21-数据线导引槽，22-缠绕电磁线圈的凹槽，23-连接到电机的丝杠。
具体实施例方式本发明的目的是针对现有技术中存在的缺点和不足，在分析了通用接口系统任务功能需求的基础上，将不同模块的接口统一化、通用化，并具有能源传输、电气传输等功能的通用型对接和连接机构，是未来组合型机械机构(例如大型组合型航天器)中的重要组成部件。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是基于通用、机动、捕获、缓冲减震、锁紧(解锁)、拉紧(分离)设计思路，给出了具有通用性、容错性、可靠性、机动承载性、软捕获能力、锁紧能力、电气数据传输能力的接口设计方案。采用“锥杆-孔”对称结构、两根锥杆3承载、电磁铁提供捕获力、丝杠12滑块锁紧、电源触点1对接传送电能、标准总线接头 2对接传输数据。具体说明如下在中心盘4上，对称布设锥孔16和锥杆2，构成典型的逆对称布局(如图7A，图 7B所示)，可实现接口的机械连接，保证任意两飞行器舱段之间的接口都可以正常对接，没有主、被动接口的划分。锥杆2头部是一个蘑菇头，由底部相连的一个圆锥体和一个锥台构成，锥台的顶部与锥杆相连，圆锥体的锥面与锥体中心轴的夹角为45度(如图6A，6B所示)，只要锥杆处于锥孔范围内，锥杆头部进入锥孔16，将自动消除滚转角度误差；随着锥杆深入，锥杆将逐步适应锥孔，同锥孔的方位保持近似一致，完成俯仰和偏航的初步修正。 随着卡盘逐步卡死锥杆，锥杆将最终被卡盘推送到要求的指向和位置，进一步消除姿态误差。锁紧主要通过卡盘6、锥杆2、驱动杆7、丝杠23的配合实现(如图5A，图5B所示)， 在电机驱动下，驱动杆7沿丝杠23运动，通过卡盘上导孔15驱动卡盘6运动。两块卡盘运动方向始终相反(如图3所示)。当驱动杆7向远离接口中心杆12运动时，两卡盘卡孔的细端13将相对靠近，逐步将锥杆2卡住；当卡盘6已动作到卡死锥杆位置处，控制系统控制电机停转并锁定位置，驱动杆7、卡盘6停止运动并保持锁定，此时，卡盘将锥杆牢牢卡死。 解锁动作和锁紧动作相反，控制系统向电机发出反转指令，丝杠23带动驱动杆7向接口中心杆12运动，驱动杆7沿卡盘导孔15推动卡盘向解锁方向转动，当卡盘转动到完全解锁状态(如图4A，图4B)，控制系统向电机发出停止指令。在接口的外框部件22内，将缠绕线圈11。通电状态下，两对接接口之间将产生和接口面垂直的电磁力。根据电流方向的不同，两个接口之间将产生相互吸引或排斥的电磁力(太空失重环境下，很小的引力也能引起两飞行器之间的相对运动)。电磁引力将两接口逐渐拉近，电磁斥力将其逐渐推开，基于此形成接口的软捕获和软分离能力。接口中心盘上布设了 10个数据接头2，每个接头后面都连有数据线，通过中心盘后面的数据线导引槽引至接口所在的机构内。接口正常配合时，两对接接口的20个数据接头将彼此接触，形成10 条通路，可以传输CAN总线、串口总线类型的数据，进行信息和数据交换。接口中心盘4上布设了 2个电源接头1 (如图8所示)，每个触头后面连有导线，通过中心盘4后面的数据线导引槽牵引至接口所在的飞行器内。接口正常配合时，两对接接口的4个电源接头1将彼此接触，形成一个电源回路，进而实现传输电源的功能。如图1所示，本发明的具体结构包括电源接头1，锥杆2，数据接头3，中心盘4，外框5，卡盘6，驱动杆7，定位块8，底盘9，周边柱10，电磁线圈11，中心杆12，卡孔(细端)13， 卡孔(粗端)14，导孔15，锥孔16，电源触头孔17，数据触头孔18，锥杆安装位置19，驱动杆行程20，数据线导引21，缠绕电磁线圈的凹槽22和连接到电机的丝杠23。所述电源接头1为金属弹簧触头，接口插头形式采用触点连接方式，作用是连接电源，直流观士0. 6V，传输电能。所述锥杆2外形呈蘑菇头状，锥面与锥体中心轴的夹角为45度，以很慢的速度穿过锥孔16、卡盘卡孔14，锥杆设计的比较粗，作用是承载较大的横向剪切载荷。所述数据触头3为CAN总线触头，针脚定义及内部连接方式按CAN总线标准，作用是建立通讯，共享数据。所述中心盘4上(如图1所示)安装有电源接头0个)和通信接头(10个)，并呈逆对称方式布设有锥杆2和锥孔16。所述外框5装配于中心盘4的外围，外框外侧设计有缠绕电磁线圈的凹槽22，下侧呈分布式对称安装有4个周边柱。所述卡盘6 (如图4A，4B所示)，布设有卡孔细端13和卡孔粗端14以及驱动杆行程20，作用是通过卡盘6，定位块8和驱动电机的配合工作，实现接口的锁紧和解锁(如图 4A，4B，5A，5B 所示)。所述驱动杆7 (如图2所示)，下端与连接到电机的丝杠23相连，上端穿过卡盘的驱动杆行程20，作用是在驱动电机的作用下，通过驱动杆7在驱动杆行程20中的滑动，实现两卡盘6的相对运动(如图3所示)。所述定位块8 (如图2所示)与中心杆12配合，贯穿整个对接机构，作用是定位和固定整个对接装置。所述底盘9上安装有定位块8，同时对称布设四个用于连接周边柱10的盘孔，作用是将外框5和底盘9固连起来，实现整个机构的组装。所述周边柱10安装在外框5的下侧，作用是通过底盘9上的盘孔实现整个组合件的装配。所述电磁线圈11 (如图1所示)安装外框5的外侧，主要作用是通过改变流过线圈电流的大小和方向来调节吸引力和排斥力的大小，实现软对接和软分离。所述中心杆12 (如图2所示)安装在中心盘4的下端，主要作用是穿过卡盘6中心孔到达定位块8，实现零件的固定，定位和装配。所述卡孔(细端)13和卡孔(粗端)14分别在两块卡盘6上，锥杆2穿过中心盘 4的锥孔16，进入卡盘6的卡孔粗端(如图4A，4B所示)，作用是导向，定位，卡紧。所述导孔15 (如图4B所示)布设于卡盘6上，作用是使驱动杆穿过卡盘，在驱动电机的作用下，完成接口的锁紧和解锁动作。所述锥孔16使得锥杆2在对接平面上具备一定的对接容错能力，使锥杆能够容易地滑入锥孔中，通过电磁力的吸引和锥孔的作用使锥杆到达期望位置。所述电源触头孔17和数据触头孔18安装在中心盘上，主要作用是用于安装电源接头和数据接头。所述锥杆安装位置19和驱动杆行程20以及数据线导引21均布设于中心盘4上 (如图7A，7B所示)。分别用于锥杆2的安装，驱动杆7的运动以及数据线的安装。所述缠绕电磁线圈的凹槽22位于外框5的外侧，作用是缠绕通电线圈11产生电磁力，实现接口的软对接和软分离。所述丝杠23(如图2所示)用于连接到驱动电机，在控制系统的作用下驱动电机转动，利用丝杠带动两卡盘6转动，实现接口的锁紧和分离。接口的工作流程分为六步，分别为预捕获、软捕获/软对接、锁定、工作、解锁和软分离，接口系统的工作流程如图9所示。各步骤主要的动作如下
(1)预捕获工作状态启动电机，电压DC 12V，电流160_500mA，转速10r/min，减速比981。将卡盘6处于完全解锁状态并锁定，丝杠M滑块运行顺畅，同步响应，无堵转，无干涉，噪声正常。接口做好数据接收/发送，电源接收/发送的准备。(2)软捕获/软对接电磁线圈通电，接口之间产生吸引力，拉近两接口 ；在容许误差方位内(如图6A，图6B)，锥杆3将到达中心盘锥孔16的有效接纳区域内，并沿锥孔16 斜面缓慢滑入锥孔，完成位置和姿态初始误差的修正；在电磁力作用下，锥杆2以很慢的速度穿过锥孔16、卡盘卡孔14。控制系统将控制电磁线圈11电流大小和方向，使对接速度减慢，实现软接触，接口停止运动后，电磁线圈持续供电。 (3)锁定控制系统驱动电机运行(如图5A，图5B)，通过丝杠M将驱动杆7向远离接口中心杆12的方向运动，驱动杆带动两卡盘6转动(如图幻，使两卡盘卡孔的细端相对靠近，并逐步卡住锥杆2 ；当卡盘6已动作到卡死锥杆2时，，控制系统控制电机停转，驱动杆7、卡盘6停止运动并保持锁定，两接口连成一体后，电磁线圈11停止供电。(4)工作两接口锁定后，在机械上连为一体，数据触头2和电源触头1正常连接。 每个电源触头1后接有导线，每根导线连接一路LED灯管，启动电源，电压DC5V，10路指示 LED全亮，顺利连通，可进行电能传输。数据触头为10个，其中一个为备份冗余设计，取代其余不正常工作的一个触头。(5)解锁控制系统驱动电机运行，通过丝杠M将驱动杆7向接近接口中心杆的方向运动(如图4A，图4B所示)，驱动杆7将带动两卡盘6转动，使两卡孔细端的方向运动 (如图4A，图4B所示)，驱动杆7将带动两卡盘6转动，使两卡孔细端13反向相对分离，逐步松开与锥杆2的接触；当卡盘6已动作到完全解锁状态时，控制系统控制电机停转，此时两接口将保持松散的物理接触。(6)软分离电磁线圈通电，接口之间产生斥力，在电磁力作用下，锥杆2以很慢的速度退出卡盘卡孔13、锥孔16，在相对测量装置确定锥杆已退至指定距离后，向控制系统发送软分离到位信息，控制系统控制电磁线圈停止供电，完成接口的分离。
权利要求
1.一种机电一体化通用对接装置，包括中心盘、锥杆、数据接头和电源接头，其特征在于在中心盘一侧沿中心盘原点对称布设锥孔和锥杆，构成典型的逆对称布局，锥杆的头部由底部相连的一个圆锥体和一个锥台构成，锥台的顶部与锥杆相连，中心盘上与锥杆同一侧布设了若干个数据接头和电源接头，每个数据接头都连有数据线，通过数据线导引槽牵引进行信息和数据交换，每个电源接头后面连有导线，通过数据线导引槽牵引实现电源传输；在中心盘的外框内缠绕线圈；在中心盘另一侧的原点位置沿中心盘法线方向固连有中心杆，中心杆上与中心盘平行连接有两块卡盘，每块卡盘上开有一个条形卡孔，卡孔一端粗一端细，粗端孔径大于锥杆头部圆锥体的最大直径，细端孔径小于锥杆头部圆锥体的最大直径且大于锥杆直径，两块卡盘上的卡孔粗端重合时，细端朝向相反，每块卡盘上还开有一条与中心杆距离不等的圆弧形导孔，在电机驱动下，穿过导孔的驱动杆沿垂直于中心杆的丝杠运动，通过导孔驱动两块卡盘运动，两块卡盘运动方向始终相反。
2.根据权利要求1所述的机电一体化通用对接装置，其特征在于所述的锥杆头部圆锥体的锥面与锥体中心轴的夹角为45度。
全文摘要
本发明公开了一种机电一体化通用对接装置，在中心盘一侧沿中心盘原点对称布设锥孔和锥杆，锥杆头部为一蘑菇头，中心盘上与锥杆同一侧布设了数据接头和电源接头，中心盘外框内缠绕线圈；在中心盘另一侧的原点位置沿中心盘法线方向固连有中心杆，中心杆上与中心盘平行连接有两块卡盘，每块卡盘上开有一个一端粗一端细的条形卡孔，两块卡盘上的卡孔粗端重合时，细端朝向相反，每块卡盘上还开有一条与中心杆距离不等的圆弧形导孔，在电机驱动下，穿过导孔的驱动杆沿垂直于中心杆的丝杠运动，通过导孔驱动两块卡盘运动，两块卡盘运动方向始终相反。本发明驱动元件少，控制简单，对接可靠性高，对接迅速。
文档编号B64G1/64GK102152860SQ20101056483
公开日2011年8月17日 申请日期2010年11月25日 优先权日2010年11月25日
发明者岳晓奎, 李曙光, 李鹏, 罗建军, 袁建平, 马卫华 申请人:西北工业大学