专利名称：模块化航天器有效载荷连接装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于实现模块化航天器有效载荷在轨更换的机械连接装置。
现有技术模块化航天器是近年来提出并发展的一种新型航天器。常用的航天器有效载荷被设计成标准的模块单元，通过在轨更换模块单元，航天器完成在轨燃料补给、组件更换、设备升级等任务，极大提高了航天器在轨服务与空间生存能力。而有效载荷与航天器之间的机械连接装置在航天器模块化设计过程中占有重要的地位。在现有的航天器设计中，连接机构主要采用杆-锥式对接机构，释放装置则多采用火工装置。杆-锥式对接机构结构简单，重量轻；然而相对于体积较小的模块化航天器， 杆-锥式对接机构的轴向尺寸较大，无法合理有效地利用航天器内部空间，因而不适合模块化航天器有效载荷的连接与更换。火工装置是航天器上使用最早，应用最广的释放装置，具有体积小、重量轻、技术成熟、性能可靠等优点；但是火工装置在应用时控制程序严格，具体操作繁琐，工作时冲击较大且伴随有害气体产生，严重影响了航天器内部有效载荷的正常工作。另外，火工装置工作后不能再次使用，无法满足有效载荷在轨更换要求。
发明内容
在现有的航天器设计中，连接、释放装置存在诸多不足之处，如轴向尺寸较大，工作时存在较大冲击振动，工作后无法再次使用等问题。这些因素不仅忽略了模块化航天器具有体积小、可更换等特点，而且极大地阻碍了航天器有效载荷及时有效地完成更换任务，进而制约了航天器模块化的发展。因此，本发明的目的就是发明一种轴向尺寸较小，结构简单，工作平稳可靠，能够重复实现在轨连接和拆卸有效载荷的模块化机械连接装置。本发明的技术方案是参阅图I-图9，模块化航天器有效载荷连接装置，主要包括有效载荷组件I、安装底板2、支撑套筒3、铰制孔螺栓4、导向销轴6、传动组件7、蜗轮蜗杆减速电机组件8、电机安装板9 ；有效载荷组件I的安装端面上连接有固定接头11和导向定位销轴12，端面中心安装有触发开关压头10 ；安装底板2固定安装于航天器本体，安装底板2的一个端面与有效载荷组件I的一个端面相靠，该端面上分布有一系列贯穿的圆孔和长槽，主要包括转盘轴承组件连接安装孔、固定接头插孔、导向定位销轴插孔、T型槽、铰制孔螺栓连接孔。有效载荷组件I端面的固定接头11、导向定位销轴12和触发开关压头10分别通过安装底板2上的固定接头插孔、导向定位销轴插孔和触发开关压头通孔穿出；为了便于模块在装入时进行调节和对中，所述的固定接头插孔和导向销轴插孔上可加工倒角。安装底板2的另一端面上装有支撑套筒3、铰制孔螺栓4、导向销轴6、传动组件7、蜗轮蜗杆减速电机组件8、电机安装板9 ；固定在安装底板2上的铰制孔螺栓4的外围套有支撑套筒3，用于支撑电机安装板9 ；电机安装板9用于安装蜗轮蜗杆减速电机组件8，铰制孔螺栓4除具有连接功能外，还具有定位功能，可用于实现电机安装板9的连接与定位。参阅图4，所述传动组件7主要包括齿条5、小齿轮13和转盘轴承组件14。小齿轮13与蜗轮蜗杆减速电机组件8的输出轴通过键连接的形式配合，小齿轮13的端面和输出轴端面之间用轴端挡圈和螺钉实现轴向定位。转盘轴承组件14主要由转盘轴承内圈、滚珠和转盘轴承外圈组成，转盘轴承外圈和内圈的厚度不相等，转盘轴承内圈连接固定在安装底板2上，小齿轮13和齿条5均位于转盘轴承外圈的外周并均与之啮合。各齿条5与其上的导向销轴6连接，导向销轴6只能在安装底板2上的相应的T型槽中直线运动，使得齿条5也只能沿T型槽直线运动。齿条5中部开有宽度不同的酒瓶状长槽，较窄部分的宽度与有效载荷组件I中固定接头11的细颈处宽度相同，固定接头11无法从长槽中较窄部分穿过，长槽较宽部分的宽度比有效载荷组件I中固定接头11的头部 宽度略大，固定接头11可以从长槽较宽部分中过。蜗轮蜗杆减速电机组件8主要由电机和蜗轮蜗杆减速器组成。蜗杆的螺旋线升角小于啮合面的当量摩擦角，使得蜗轮蜗杆减速器便具有自锁性能，该自锁性能保证了蜗轮蜗杆减速电机在断电的情况下，其输出轴不会由于外力的作用而发生转动，从而实现有效载荷组件I的可靠锁定。使用过程一模块化航天器有效载荷连接装置的连接过程如图10所示，有效载荷组件I在外加载荷，如机械臂等的作用下，从远处向安装底板2靠近。此时，在导向定位销轴12的导向定位作用下，固定接头11依次经安装底板2上固定接头插孔、齿条5上酒瓶状长槽的宽边处通过；直到有效载荷组件I端面的触发开关压头10经安装底板2上的通孔挤压蜗轮蜗杆减速电机开关，启动蜗轮蜗杆减速电机组件8。蜗轮蜗杆减速电机组件8通过键连接带动小齿轮13，动力通过齿轮传动与齿轮齿条传动，依次从小齿轮13、转盘轴承组件14的外齿圈传递到齿条5，齿条5在导向销轴6的导向作用下，沿安装底板2上T形槽产生运动，齿条5上酒瓶状长槽与有效载荷组件I上的固定接头11及安装底板2上的固定接头插孔发生相对位移。蜗轮蜗杆减速电机转动一定角度自动停车，此时安装底板2上的固定接头插孔与齿条5上酒瓶状长槽的窄边相通，有效载荷组件I上的固定接头11无法从齿条5上酒瓶状长槽窄边处通过，有效载荷组件I与安装底板2相对位置固定，完成了有效载荷的连接。使用过程二 模块化航天器有效载荷连接装置的拆卸过程参阅图11，通过信号控制，蜗轮蜗杆减速电机组件8反转，蜗轮蜗杆减速电机组件8通过键连接带动小齿轮13，动力通过齿轮传动与齿轮齿条传动，依次从小齿轮13、转盘轴承外齿圈传递到齿条5，齿条5上长槽与固定接头插孔发生相对位移。安装底板2上固定接头插孔与齿条5上酒瓶状长槽的相对位置由窄边相通变为宽边相通，固定接头11能够从宽边处通过。在外加载荷，如机械臂等的作用下，固定接头11从安装底板2中抽出，有效载荷组件与安装底板分离，完成拆卸。本发明的效果是所述模块化航天器有效载荷连接装置使用蜗轮蜗杆减速电机作为原动件，由于蜗轮蜗杆减速电机具有技术成熟、结构紧凑和性能可靠等优点，确保了动力源的可靠性与有效性，同时蜗轮蜗杆减速电机在停车时具有反向自锁性，保证了连接装置在电机停转时连接的可靠性；使用滚珠转盘轴承，降低了摩擦损耗，提高了传动效率；使用齿轮齿条传动，使得整体结构紧凑，传动效率高，便于精确控制；使用“酒瓶”状长槽与固定接头相结合的方式连接拆卸有效载荷，结构简单，易于实现。从整体而言，相比与现有技术，本发明具有轴向尺寸紧凑，结构简单，工作平稳，能够重复实现有效载荷的连接拆卸等优点，适合于模块化航天器有效载荷的在轨更换。
图I是本发明提出的模块化航天器有效载荷连接装置轴测图；图2是有效载荷组件轴测图；图3是安装底板轴测图；
图4是传动组件平面图；图5是电机安装板轴测图；图6是齿条轴测图；图7是导向销轴轴测图；图8是固定接头轴测图；图9是导向定位销轴轴测图；图10是连接装置连接状态轴测图；图11是连接装置拆卸状态轴测图；其中1.有效载荷组件；2.安装底板；3.支撑套筒；4.铰制孔螺栓；5.齿条；6.导向销轴；7.传动组件；8.蜗轮蜗杆减速电机组件；9.电机安装板；10.触发开关压头；
11.固定接头；12.导向定位销轴；13.小齿轮；14转盘轴承组件。实施实例参阅图I-图9，本实施例中的模块化航天器有效载荷连接装置主要包括有效载荷组件I、安装底板2、支撑套筒3、铰制孔螺栓4、导向销轴6、传动组件7、蜗轮蜗杆减速电机组件8、电机安装板9 ；有效载荷组件I的主体为六棱柱结构，在安装端面上绕六边形中心圆周均布三个固定接头11和三个导向定位销轴12，固定接头11与导向定位销轴12通过螺纹连接安装在六棱柱主体上；在其端面中心安装有触发开关压头10，在外加载荷作用下经安装底板2上通孔挤压对应位置蜗轮蜗杆减速电机组件8的开关，用于启动电机。安装底板2固定安装于航天器本体，外形为与有效载荷组件I六棱柱结构一致的六棱柱构型，其上分布有一系列贯穿的圆孔和长槽，主要包括转盘轴承组件连接安装孔、固定接头插孔、导向定位销轴插孔、T型槽、铰制孔螺栓连接孔。安装底板2的一个端面与有效载荷组件I的一个端面相靠，且有效载荷组件I端面的固定接头11、导向定位销轴12和触发开关压头10分别通过安装底板2上的固定接头插孔、导向定位销轴插孔和触发开关压头通孔穿出；所述的固定接头插孔和导向销轴插孔上加工有倒角是为了便于模块在装入时进行调节和对中。安装底板2的另一端面上装有支撑套筒3、铰制孔螺栓4、导向销轴6、传动组件7、蜗轮蜗杆减速电机组件8、电机安装板9 ；
固定在安装底板2上的铰制孔螺栓4的外围套有支撑套筒3，用于支撑电机安装板9 ；电机安装板9用于安装蜗轮蜗杆减速电机组件8，铰制孔螺栓4除具有连接功能外，还具有定位功能，可用于实现电机安装板9的连接与定位。参阅图4，所述传动组件7主要包括齿条5、小齿轮13和转盘轴承组件14。小齿轮13与蜗轮蜗杆减速电机组件8的输出轴通过键连接的形式配合，小齿轮13的端面和输出轴端面之间用轴端挡圈和螺钉实现轴向定位。转盘轴承组件14主要由转盘轴承内圈、滚珠和转盘轴承外圈组成，转盘轴承外圈和内圈的厚度不相等，转盘轴承内圈通过螺钉连接固定在安装底板2上，小齿轮13和三个周向均布的齿条5均位于转盘轴承外圈的外周并均与之啮合。各齿条5与其上的导向销轴6通过螺纹连接在一起，导向销轴6只能在安装底板2上的相应的T型槽中直线运动，使得齿条5也只能沿T型槽直线运动。齿条5中部开有宽度不同的酒瓶状长槽，较窄部分的宽度与有效载荷组件I中固定接头11的细颈处宽度相同，固定接头11无法从长槽中较窄部分穿过，长槽较宽部分的宽度比有效载荷组件I中固定接头11的头部宽度略大，固定接头11可以从长槽较宽部分中过。 蜗轮蜗杆减速电机组件8主要由电机和蜗轮蜗杆减速器组成。蜗杆的螺旋线升角小于啮合面的当量摩擦角，使得蜗轮蜗杆减速器便具有自锁性能，该自锁性能保证了蜗轮蜗杆减速电机在断电的情况下，其输出轴不会由于外力的作用而发生转动，从而实现有效载荷组件I的可靠锁定。使用过程一模块化航天器有效载荷连接装置的连接过程如图10所示，有效载荷组件I在外加载荷，如机械臂等的作用下，从远处向安装底板2靠近。此时，在导向定位销轴12的导向定位作用下，固定接头11依次经安装底板2上固定接头插孔、齿条5上酒瓶状长槽的宽边处通过；直到有效载荷组件I端面的触发开关压头10经安装底板2上的通孔挤压蜗轮蜗杆减速电机开关，启动蜗轮蜗杆减速电机组件8。蜗轮蜗杆减速电机组件8通过键连接带动小齿轮13，动力通过齿轮传动与齿轮齿条传动，依次从小齿轮13、转盘轴承组件14的外齿圈传递到齿条5，齿条5在导向销轴6的导向作用下，沿安装底板2上T形槽产生运动，齿条5上酒瓶状长槽与有效载荷组件I上的固定接头11及安装底板2上的固定接头插孔发生相对位移。蜗轮蜗杆减速电机转动一定角度自动停车，此时安装底板2上的固定接头插孔与齿条5上酒瓶状长槽的窄边相通，有效载荷组件I上的固定接头11无法从齿条5上酒瓶状长槽窄边处通过，有效载荷组件I与安装底板2相对位置固定，完成了有效载荷的连接。使用过程二模块化航天器有效载荷连接装置的拆卸过程参阅图11，通过信号控制，蜗轮蜗杆减速电机组件8反转，蜗轮蜗杆减速电机组件8通过键连接带动小齿轮13，动力通过齿轮传动与齿轮齿条传动，依次从小齿轮13、转盘轴承外齿圈传递到齿条5，齿条5上长槽与固定接头插孔发生相对位移。安装底板2上固定接头插孔与齿条5上酒瓶状长槽的相对位置由窄边相通变为宽边相通，固定接头11能够从宽边处通过。在外加载荷，如机械臂等的作用下，固定接头11从安装底板2中抽出，有效载荷组件与安装底板分离，完成拆卸。
权利要求
1.模块化航天器有效载荷连接装置，其特征在于主要包括有效载荷组件(I)、安装底板(2)、支撑套筒(3)、铰制孔螺栓(4)、导向销轴(6)、传动组件(7)、蜗轮蜗杆减速电机组件(8)、电机安装板(9)； 有效载荷组件(I)的安装端面上连接有固定接头(11)和导向定位销轴(12)，端面中心安装有触发开关压头(10)； 安装底板(2)固定安装于航天器本体，安装底板(2)的一个端面与有效载荷组件(I)的一个端面相靠，该端面上分布有一系列贯穿的圆孔和长槽，主要包括转盘轴承组件连接安装孔、固定接头插孔、导向定位销轴插孔、T型槽、铰制孔螺栓连接孔；有效载荷组件(I)端面的固定接头(11)、导向定位销轴(12)和触发开关压头(10)分别通过安装底板(2)上的固定接头插孔、导向定位销轴插孔和触发开关压头通孔穿出； 安装底板(2)的另一端面上装有支撑套筒(3)、铰制孔螺栓(4)、导向销轴(6)、传动组件(7 )、蜗轮蜗杆减速电机组件(8 )、电机安装板(9 ); 固定在安装底板(2)上的铰制孔螺栓(4)外围套有支撑套筒(3)，用于支撑电机安装板(9);电机安装板(9)用于安装蜗轮蜗杆减速电机组件(8)； 所述传动组件(7)包括齿条(5)、小齿轮(13)和转盘轴承组件(14);小齿轮(13)与蜗轮蜗杆减速电机组件(8)的输出轴通过键连接的形式配合，小齿轮(13)的端面和输出轴端面之间用轴端挡圈和螺钉实现轴向定位；转盘轴承组件(14)主要由转盘轴承内圈、滚珠和转盘轴承外圈组成，转盘轴承外圈和内圈的厚度不相等，转盘轴承内圈连接固定在安装底板(2)上，小齿轮(13)和齿条(5)均位于转盘轴承外圈的外周并均与之啮合； 各齿条(5)与其上的导向销轴(6)连接，导向销轴(6)只在安装底板(2)上的相应的T型槽中直线运动；齿条(5)中部开有宽度不同的酒瓶状长槽，较窄部分的宽度与有效载荷组件(I)中固定接头(11)的细颈处宽度相同；长槽较宽部分的宽度比有效载荷组件(I)中固定接头(11)的头部览度略大； 蜗轮蜗杆减速电机组件(8)主要由电机和蜗轮蜗杆减速器组成；蜗杆的螺旋线升角小于啮合面的当量摩擦角。
全文摘要
本发明公开了一种模块化航天器有效载荷连接装置。该装置主要包括有效载荷组件1、安装底板2、支撑套筒3、铰制孔螺栓4、导向销轴6、传动组件7、蜗轮蜗杆减速电机组件8、电机安装板9。本发明使用蜗轮蜗杆减速电机作为原动件，使用齿轮齿条传动，使得整体结构紧凑，传动效率高，便于精确控制；使用“酒瓶”状长槽与固定接头相结合的方式连接拆卸有效载荷，结构简单，易于实现。从整体而言，相比与现有技术，本发明具有轴向尺寸紧凑，结构简单，工作平稳，能够重复实现有效载荷的连接拆卸等优点，适合于模块化航天器有效载荷的在轨更换。
文档编号B64G1/66GK102837832SQ20121034739
公开日2012年12月26日 申请日期2012年9月18日 优先权日2012年9月18日
发明者刘更, 刘振帅, 佟瑞庭, 党金良, 马尚君, 刘岚, 杨小辉, 王海伟 申请人:西北工业大学