可补偿锁紧钢球间隙的在轨通用快速连接装置

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1.本发明涉及一种在轨快速连接装置，具体的说是一种结构简单、锁紧刚度大、对接精度高、连接迅速等特点的可以补偿锁紧钢球间隙的在轨通用快速连接装置。


背景技术：

2.因为太空作业的特殊性，使得通过宇航员维修航天器十分困难，但是航天器的造价高昂，如果仅仅因为航天器一个功能的丧失或者部分的损坏就更换整个航天器又会造成资源的极大浪费，于是引入了在轨可更换单元的概念，单元之间通过快速连接装置连接。快速连接装置不仅是在轨维护的关键技术，也是航天器变换构型以及空间机器人更换工具的必要条件。可重构航天器能够被组装成各种不同的构型以适应太空任务的需要，并且在变构后就要立刻开始工作，这些特点决定了可重构航天器在组装过程中必须具备组装快速、刚度大、精度高的特点；空间机器人执行的任务多种多样，从航天器的组装、燃料的加注到航天器的搬运，由于单一的末端工具不能满足任务的需要，所以开发并研制能够适应不同任务需要的快速更换装置意义重大。
3.通过以上对快速连接装置工作环境及特点的分析，要求快速连接机构必须具备连接接迅速、刚度大、精度高的优点。现有的航天器连接机构主要有杆-锥式连接机构和丝杆-螺母式连接机构。但是这两种连接机构的结构比较复杂，连接不够快速，并且这两种连接机构只支持一对一、点对点的连接，不能适应一对多的任务需要。并且由于这两种连接机构连接过程的复杂性，也不能适应航天器的变换构型的要求。还有一种用于空间机器人的采用钢珠球锁紧的紧凑型连接机构，该紧凑型连接机构依靠钢珠球实现锁紧，具有锁紧可靠，结构简单的特点，但是这种连接机构无法在锁紧时对钢珠球处的间隙进行补偿，降低了连接机构的可靠性，同时这种锁紧方式的钢球锁紧状态的切换不够迅速。


技术实现要素：

4.本发明针对针对现有航天器连接机构连接缓慢、结构复杂、支持的连接范围不够广泛、钢球锁紧状态的切换不够迅速以及无法补偿锁紧钢球处存在间隙的缺点，提出了一种结构简单、锁紧刚度大、对接精度高、连接迅速等特点的可以补偿锁紧钢球间隙的在轨通用快速连接装置。
5.本发明通过以下措施达到：
6.一种补偿锁紧钢球间隙的在轨通用快速连接装置，其特征在于，所述在轨通用快速连接结构包括上下设置的主动端和被动端，所述的被动端包括内壳、复位弹簧、外壳、内壳端盖、电磁铁、电磁铁支架、钢珠球、动力输出轴、直流电机、传动轴上固定环、传动轴下固定环、齿轮一、齿轮二、传动轴、连接盘、动力输出轴套杯、连杆、连杆固定耳套、压动弹簧、连杆滑槽装配而成；所述直流电机通过螺钉和传动轴下固定环连接；所述齿轮一通过紧钉螺钉与直流电机的输出轴连接；所述齿轮二通过免键衬套与传动轴连接；所述传动轴通过深沟球轴承与传动轴上固定环和传动轴下固定环进行装配；所述传动轴通过螺钉与连接盘连
接；所属动力输出轴套杯通过螺钉与连接盘连接；所述连杆通过开口销与连杆固定耳套和连杆滑槽连接；所述传动轴下固定环通过螺钉与内壳端盖连接；所述传动轴上固定环通过螺钉与内壳连接；所述连杆固定耳套通过螺钉与动力输出轴连接；所述连杆滑槽通过螺钉与动力输出轴套杯连接；所述电磁铁通过螺栓与电磁铁支架连接；所述电磁铁支架通过螺钉与内壳连接；所述的钢珠球安装在内壳的孔中。
7.本发明所述被动端内壳的主动端上设计有能够为电气接口和传热接口等其他部件提供充足的安装空间的规则或不规则通孔。
8.本发明压动弹簧安装在动力输出轴套杯中，用来缓冲连接过程中可能的碰撞力以及连接后钢珠球处可能存在的间隙。
9.本发明被动端内壳上开的梯形槽和主动端上的定位销配合用于确保连接机构的轴向定位。
10.本发明中电磁铁的端面处于外壳上直径最大的包络线内，以确保能充分利用电磁铁的吸力。
11.本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明中使用了电磁铁作为锁紧钢球锁紧状态的切换机构，锁紧钢球的锁紧和解锁切换迅速，降低了整体结构的复杂性；本发明中还设计了动力输出机构，使得该机构不仅可以实现模块之间的机、电、热连接，还可以根据需要输出扭矩，驱动被连接航天器内部的其他机构；本发明中采用连杆和压动弹簧的组合机构，不仅可以缓冲对接过程中的碰撞力还在一定程度上补偿了锁紧钢球处存在的间隙，使连接更加可靠，提高了连接精度。
附图说明：
12.附图1是本发明的结构示意图。
13.附图2是本发明的另一种使用姿态下的结构示意图。
14.附图3是本发明的动力输出轴子装配体的结构示意图。
15.附图4是本发明的被动端内壳的结构示意图。
16.附图5是本发明的被动端外壳的结构示意图。
17.附图6是本发明的被动端内壳端盖的结构示意图。
18.附图7是本发明的传动轴上固定环的结构示意图。
19.附图8是本发明的传动轴上固定环的结构示意图。
20.附图9是本发明的主动端的结构示意图。
21.附图标记：内壳(1)、复位弹簧(2)、外壳(3)、内壳端盖(4)、电磁铁(5)、电磁铁支架(6)、钢珠球(7)、动力输出轴(8)、直流电机(9)、传动轴上固定环(10)、传动轴下固定环(11)、齿轮一(12)、齿轮二(13)、传动轴(14)、连接盘(15)、动力输出轴套杯(16)、连杆(17)、连杆固定耳套(18)、压动弹簧(19)、连杆滑槽(20)、主动端(21)。
具体实施方式：
22.下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的说明。
23.实施例1：
24.能补偿锁紧钢球间隙的在轨通用快速连接装置包括主动端(21)和被动端两部分，
主动端和被动端通过主动端的环形槽和被动端内壳的钢珠球进行锁紧连接，被动端包括内壳(1)、复位弹簧(2)、外壳(3)、内壳端盖(4)、电磁铁(5)、电磁铁支架(6)、钢珠球(7)、动力输出轴(8)、直流电机(9)、传动轴上固定环(10)、传动轴下固定环(11)、齿轮一(12)、齿轮二(13)、传动轴(14)、连接盘(15)、动力输出轴套杯(16)、连杆(17)、连杆固定耳套(18)、压动弹簧(19)、连杆滑槽(20)；所述直流电机(9)通过螺钉和传动轴下固定环(11)连接；所述齿轮一(12)通过紧钉螺钉与直流电机(9)的输出轴连接；所述齿轮二(13)通过免键衬套与传动轴(14)连接；所述传动轴(14)通过深沟球轴承与传动轴上固定环(10)和传动轴下固定环(11)进行装配；所述传动轴(14)通过螺钉与连接盘(15)连接；所述连接盘(15)通过螺栓与动力输出轴套杯连接；所述连杆(17)通过开口销与连杆固定耳套(18)和连杆滑槽(20)连接；所述传动轴下固定环(11)通过螺钉与内壳端盖(4)连接；所述传动轴上固定环(10)通过螺钉与内壳(1)连接；所述连杆固定耳套(18)通过螺钉与动力输出轴(8)连接；所述连杆滑槽(20)通过螺钉与动力输出轴套杯(16)连接；所述电磁铁(5)通过螺钉与电磁铁支架(6)连接；所述电磁铁支架(6)通过螺钉与内壳(1)连接；所述内壳端盖和内壳通过螺纹连接；所述的钢珠球(7)安装在内壳(1)的孔中；所述内壳端盖(4)和主动端(21)连接在模块化航天器外框架上。
25.本实施方案中的内壳(1)的作用是盛放钢珠球及容纳主动端，并且支撑和保护内部零件；外壳(3)的作用是通过改变锁紧钢球的锁紧状态，实现主动端(21)和被动端的锁紧；电磁铁(5)的作用是作为锁紧钢球的切换机构；电磁铁支架(6)的作用是固定电磁铁(5)，复位弹簧(2)的作用是在完成连接锁紧后使外壳(3)复位；直流电机(9)的作用是提供稳定的动力源；齿轮一(12)的作用是将电机的动力通过齿轮二(13)传递给传动轴；连接盘(15)的作用是将动力输出轴套杯连接到传动轴(14)上，传递动力；连杆(17)的作用是通过连杆(17)在连杆滑槽中的移动使动力输出轴沿着动力输出轴套杯(16)运动；压动弹簧(19)的作用是缓冲连接时可能存在的碰撞力以及补偿连接完成后钢珠球处可能存在的间隙；主动端(21)的作用是通过插入被动端内壳中完成连接锁紧。
26.其工作过程如下：在主动端(21)和被动端处于对接范围内时，电磁铁(5)通电，外壳(3)被吸附到电磁铁(5)上，外壳(3)上的锥形槽与内壳(1)中开的孔对准，使钢珠球可以自由运动，进入预连接状态。主动端(21)的锥面具有导向作用，帮助主动端(21)插入被动端的内壳(1)，主动端(21)上的环形槽与内壳(1)上的孔对齐，主动端(21)的定位销具有周向定位作用，保证电气和热的正确连接，在机械、电气、热及动力连接完成后，动力输出轴套杯(16)中的压动弹簧(19)的弹力通过动力输出轴套杯(16)、连接盘(15)、传动轴(14)、轴承和传动轴下固定环传递到内壳(1)上对钢珠球处的间隙进行补偿，随即电磁铁(5)断电外壳(3)在复位弹簧(2)的弹力作用下复位，钢珠球受到挤压进入主动端(21)的环形槽中，完成连接。连接完毕，直流电机通电，动力通过齿轮组传递给传动轴(14)，并通过连接盘(15)将动力传递到动力输出轴，驱动被连接的航天器内部机构转动。
27.本发明解决现有连接机构结构复杂、支持的连接范围不够广泛、连接过程繁琐、锁紧钢球的切换不够迅速、无法补偿锁紧钢球处间隙的缺点，进而提出了一种采用电磁铁作为钢珠球式连接机构切换元件的能补偿锁紧钢球间隙的在轨通用快速连接装置，采用连杆机构实现动力输出轴的轴向移动和固定、采用压动弹簧补偿锁紧钢球处的间隙；该在轨通用快速连接结构具有结构简单、连接迅速、锁紧可靠、对接精度高的优点。