一种五自由度容差自复位机构

本发明是一种五自由度容差自复位机构，属于航空航天技术领域。

背景技术：

空间在轨对接使两个航天器在空间轨道上结合，并在结构上连接成一个整体。空间对接技术的作用主要体现在三个方面：一是为长期运行的空间设施提供服务，包括物资补给、设备回收、燃料加注和人员轮换；二是大型空间建筑的在轨建造和运行服务，如组装空间站等；三是航天器在轨重构，实现系统优化以降低对运载能力的要求。航天器对接机构作为复杂也是关键的空间机构，一直是航天技术发展的重要标志，是各航天大国争相发展的核心技术。

对于对接机构本身，其自身的对接容差能力和容差调整后的复位能力都是关键技术之一。容差能力越大对接成功率越高，复位能力则保证了对接机构的重复使用性。因此，对接机构上需要一种可以提供多自由度容差自复位能力的调整机构，以保证对接的成功率与重复使用性。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：提供一种全新的五自由度容差自复位机构并应用于空间对接机构上。该机构具有五个自由度方向的容差调整能力及自动复位能力。初始时服务对象被机构内置的多个弹簧柱销预压在零位，机构可根据服务对象的需求被动地对其进行五个自由度的调整适应。当工作完毕后，机构可以通过内置的弹簧力将服务对象回复到零位。该机构复位原理简单可靠，只需多个弹簧柱销即可实现，并且整体结构简单，布局紧凑，刚度质量比大，是一种高度集成的模块化装置。

本发明的技术方案可分为两种，一种是将五个调整自由度进行解耦逐一进行调整，另一种是将三个旋转自由度集成为一个球头关节进行耦合调整。

现对解耦形式的构型对本发明进行阐述：该五自由度容差自复位机构包括俯仰框架、偏航框架、滚转框架、弹簧柱销、弧型导轨、v型辊子等。三个调整框架通过弹簧柱销及v型辊子相互连接形成机构。俯仰转动及沿俯仰轴的平移自由度由一对弹簧柱销提供；回转转动及沿回转轴的平移自由度由另一对弹簧柱销提供；滚转转动自由度由四个v型辊子沿两个弧型导轨运动提供。五个自由度的自复位各由一对有预压的弹簧柱销完成，共五对弹簧柱销。

所述的俯仰框架、偏航框架与滚转框架是五自由度容差自复位机构的承力结构，各个框架之间通过弹簧柱销以及辊子导轨相互连接配合，形成机构。俯仰框架处预留服务对象连接接口，滚转框架处预留外部连接接口。

所述的弹簧柱销是一种可提供变预压力的、带定位配合面的柱形机构，相当于一个圆柱副，与其连接的零件可实现沿其轴线的平动与转动两个自由度的调整。同时由于其内置弹簧，可以提供柱销轴线方向的力，以此来实现自复位功能。

所述的弧形导轨及v型辊子是分别固连在滚转框架与偏航框架上的零件。偏航框架与滚转框架的连接就靠四个v型辊子与弧形导轨的配合而实现，并且使两个框架之间只存在沿弧形导轨平面圆心轴线方向的滚转自由度。

另一种方案则为球头关节的耦合调整构型，与解耦构型相比，其差别只是将三个旋转自由度进行了耦合调整，复位方式仍为每个自由度两个弹簧柱销的复位方式。

有益效果

1.本发明可以给服务对象提供五自由度的容差调整功能。

2.本发明且具有自复位功能，且为被动复位方式，重量轻且简单可靠。

3.本发明整体刚度质量比大，结构简单，布局紧凑，是一种高度集成的模块化装置。

附图说明

图1—本发明实施例的自由度解耦构型(v型辊子)的正轴测图

1.2.1—俯仰框架，1.2.2—滚转框架，1.2.3—偏航框架，1.2.4—弧形导轨，1.2.5—俯仰平移弹簧柱销，1.2.6—滚转转动弹簧柱销，1.2.7—v型辊子，1.2.8—偏航平移弹簧柱销。

图2—本发明实施例的自由度解耦构型(v型辊子)的后轴测图

1.2.9—俯仰转动弹簧柱销，1.2.10—回转转动弹簧柱销。

图3—本发明实施例的自由度耦合构型(球头)的正轴测图

1.2.11—球头关节动子，1.2.12—球头关节静子，1.2.13—球头关节压盖。

图4—本发明实施例的自由度耦合构型(球头)的后轴测图

图5—本发明实施例的整体轴测图

1—在轨对接加注机构服务端，2—在轨对接加注机构卫星端。

图6—本发明实施例的服务端轴测图

1.1—驱动机构，1.2—五自由度容差自复位机构，1.3—加注管路，1.4—服务端外壳，1.5—服务端液对接头，1.6—服务端电连接器，1.7—服务端电连接器安装座，1.8—发射固定座。

图7—本发明实施例的卫星端轴测图

2.1—卫星端电连接器，2.2—卫星端液对接头，2.3—卫星端快速断接器，2.4—卫星端外壳，2.5—卫星端电连接器安装座。

具体实施方式

如图1、图2所示：

五自由度容差自复位机构(1.2)的v型辊子方案主要由俯仰框架(1.2.1)，滚转框架(1.2.2)及偏航框架(1.2.3)三个框架构成，三者两两之间由弹簧柱销或者辊子导轨的形式连接定位，以达到释放自由度及拥有自复位能力的目的。

俯仰框架(1.2.1)沿俯仰轴线的两端布有两个俯仰平移弹簧柱销(1.2.5)，这两个俯仰平移弹簧柱销(1.2.5)通过螺母与俯仰框架(1.2.1)固连，而两个俯仰平移弹簧柱销(1.2.5)内侧则与服务端液对接头(1.5)形成圆柱副，从而提供了沿俯仰轴线的平移与转动两个自由度。俯仰平移弹簧柱销(1.2.5)内置预压弹簧，服务端液对接头(1.5)在俯仰平移弹簧柱销(1.2.5)的预压力作用下在沿俯仰轴线的平移量被限制在零位自动对中)，当服务端液对接头(1.5)在外力作用下沿俯仰轴线方向平移时，两侧弹簧一个一个被压缩另一个被拉伸，从而打破力平衡状态，当外力解除后，服务端液对接头(1.5)会在弹簧差力的作用下回到零位平衡状态)，即自复位能力。同理，俯仰框架(1.2.1)与偏航框架(1.2.3)同样通过一对偏航平移弹簧柱销(1.2.7)形成孔轴配合的圆柱副，故而使服务端液对接头(1.5)又拥有了沿偏航轴线的平移与转动两个自由度，同时拥有沿偏航方向的平移自复位能力。

偏航框架(1.2.3)通过4个v型辊子(1.2.8)与装有上下两个弧形导轨(1.2.4)的滚转框架(1.2.2)相连，使偏航框架(1.2.3)可以沿着弧形导轨(1.2.4)在滚转框架(1.2.2)上做滚转转动。而滚转转动的自动对中及自复位能力则靠一对滚转转动弹簧柱销(1.2.6)。这两个滚转转动弹簧柱销(1.2.6)均带有预压力，故可使服务端液对接头(1.5)的滚转角度自动对中在零位。而当对服务端液对接头(1.5)在外力作用下沿一个方向做滚转运动时，这两个滚转转动弹簧柱销(1.2.6)所形成的弹簧力矩将不再平衡，当外力解除时，服务端液对接头(1.5)会在弹簧力矩差的作用下回到零位状态。

另外，俯仰框架(1.2.1)上布有一对俯仰转动弹簧柱销(1.2.9)，这两个俯仰转动弹簧柱销(1.2.9)均带有预压力，会把服务端液对接头(1.5)限位在零位。当服务端液对接头(1.5)在外力作用下沿俯仰轴线转动，外力解除后，服务端液对接头(1.5)会在弹簧力矩差的作用下自复位到零位。同理，在偏航框架(1.2.3)上布有一对偏航转动弹簧柱销(1.2.10)，这两个偏航转动弹簧柱销(1.2.10)使服务端液对接头(1.5)在偏航转动方向上拥有了自复位能力。

以上即为五自由度容差自复位机构v型辊子方案的调整及自复位原理。

如图3、图4所示：

五自由度容差自复位机构(1.2)的球头关节方案主要由俯仰框架(1.2.1)、偏航框架(1.2.3)两个框架以及球头关节(1.2.11)、(1.2.12)、(1.2.13)构成，三者两两之间通过弹簧柱销进行连接定位，以达到释放自由度及拥有自复位能力的目的，该方案的调整及自复位原理与v型辊子的方案一致。

俯仰框架(1.2.1)沿俯仰轴线的两端布有两个俯仰平移弹簧柱销(1.2.5)，这两个俯仰平移弹簧柱销(1.2.5)通过螺母与俯仰框架(1.2.1)固连，两个俯仰平移弹簧柱销(1.2.5)的内侧立柱与球头关节静子(1.2.12)形成滑动副，球头关节动子(1.2.11)与球头关节静子(1.2.12)形成球头副，球头压盖(1.2.13)将球头关节动子(1.2.11)限位在球头关节静子(1.2.12)内部，服务端液对接头(1.5)与球头关节动子(1.2.11)固连，从而使服务端液对接头(1.5)拥有了沿俯仰轴线的平移自由度、自复位能力以及沿俯仰、偏航、滚转方向的转动自由度。俯仰平移弹簧柱销(1.2.5)内置预压弹簧，服务端液对接头(1.5)在俯仰平移弹簧柱销(1.2.5)的预压力作用下在沿俯仰轴线的平移量被限制在零位(自动对中)。同理，俯仰框架(1.2.1)与偏航框架(1.2.3)同样通过一对偏航平移弹簧柱销(1.2.7)形成滑动副，故而使服务端液对接头(1.5)又拥有了沿偏航轴线的平移自由度，同时拥有沿偏航方向的平移及自复位能力。

偏航框架(1.2.3)的两侧壁上分别装有一对滚转转动弹簧柱销(1.2.6)，用于提供滚转转动的自复位能力；球头关节静子(1.2.12)的后侧上下两端各装有一个俯仰转动弹簧柱销(1.2.9)用于提供俯仰转动的自复位能力；球头关节静子(1.2.12)的前侧左右两端各装有一个偏航转动弹簧柱销(1.2.10)用于提供偏航转动的自复位能力。

以上即为五自由度容差自复位机构球头关节方案的调整及自复位原理。

如图5～图7所示：

将五自由度容差自复位机构(1.2)的v型辊子方案应用到一种在轨对接加注机构上去。其中，在轨对接加注机构由在轨对接加注机构服务端(1)与在轨对接加注机构卫星端(2)组成。在轨对接加注机构服务端(1)通过服务端外壳(1.4)上的安装孔固定在加注航天器上，为主动对接端；在轨对接加注机构卫星端(2)通过卫星端外壳(2.4)上的安装孔固定在被加注星上，为被动对接端。

在轨对接加注机构服务端(1)通过驱动机构(1.1)驱动服务端液对接头(1.5)与服务端电连接器(1.6)同步伸出。其中，服务端液对接头(1.5)的尾部连接有加注管路(1.3)，加注管路(1.3)的底面与服务端外壳(1.4)固连，该端连接头与加注源相连。在进行对接时，驱动机构(1.1)将驱动五自由度容差自复位机构(1.2)从而带动服务端液对接头(1.5)、服务端电连接器(1.6)、服务端电连接器安装座(1.7)以及加注管路(1.3)实现同步运动，故将加注管路(1.3)盘制成与弹簧类似的螺旋形状，这样可以最大程度地减小伸出过程中加注管路(1.3)对服务端液对接头(1.5)所造成的附加力。当经历五个对接过程后，服务端快速断接器(1.5.3)、卫星端快速断接器(2.3)与服务端电连接器(1.6)、卫星端电连接器(2.1)同步对接到位，之后开始进行加注工作。加注液体通过加注管路(1.3)流入服务端液对接头(1.5)中的服务端快速断接器(1.5.1)，之后通过卫星端快速断接器(2.3)流入被加注卫星中。

其中，驱动机构(1.1)采用双电机组件备份驱动方式，正常工作时只需要一个驱动源即可，当一个驱动源故障后另一个驱动源仍可驱动机构完成对接与分离工作，提高了机构的可靠性。而五自由度容差自复位机构(1.2)为服务端液对接头(1.5)及服务端电连接器(1.6)提供了五个自由度的容差调整及自复位能力，提高了对接成功率。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。