一种双级浮动对接式在轨可替换机构及其货盘装置的制作方法

本发明涉及一种双级浮动对接式在轨可替换机构及其货盘装置，属于对接领域。

背景技术：

1、在航天技术领域，随着高新技术不断发展，许多硬件设施性能不断得到大幅度提高，与之伴随而来需要解决的问题是许多老一代航空器，如卫星、空间站等面临部分硬件设施需要更新换代，以与现代科学技术相匹配，来提高各自的性能。同时，未来的科技水平必然高于目前，即使目前向太空发送的新一代航空器，也势必在不久的将来面临同样的问题。由于在外太空的特殊性，航空器的维修工作也非常艰难。传统的一次性航空器因为升级换代困难，损坏后难以维修以及单次发射成本高而被渐渐淘汰。

2、为了解决这一问题，在轨服务技术逐步兴起，通过在轨服务航天器携带的在轨可更换单元，在机械臂的作用下，可实现模块间的替换、对接、锁紧，通过不同接口的对接，实现两者的物质、信息以及其他能量的交换，从而能够实现对目标航天器进行升级及维修，因此如何保证在轨可替换机构高精度的对接并可靠锁紧固定于目标航天器上是实现在轨服务的重要前提，针对该问题本发明设计一种双级浮动对接式在轨可替换机构及其货盘组件。

技术实现思路

1、本发明所解决的技术方案是：本发明提供一种双级浮动对接式在轨可替换机构及其货盘装置，采用丝杠螺母传动并利用伸缩连杆机构完成对接锁紧，同时具备二级浮动式电器接口及配套货盘组件，其具有对接精度高、对接刚度强、搭载稳定性好及便于在轨操作等特性。

2、本发明采用的技术方案是：一种双级浮动对接式在轨可替换机构，包括：外壳体及货物搭载组件、机械主动对接锁紧组件及双级浮动电器接口组件；

3、所述双级浮动电器接口组件包括主动对接部分和被动对接部分；主动对接部分设置在外壳体及货物搭载组件的外壳上，被动对接部分设置在被动对接航天器上，主动对接部分和被动对接部分相配合实现电器接口对接；机械主动对接锁紧组件的对接锁紧机构安装在外壳体及货物搭载组件上，机械主动对接锁紧组件通过电机驱动丝杠螺母结构，带动对接锁紧机构的连杆结构伸缩，使对接锁紧机构与外部带有锁紧孔的装置实现对接和锁定。

4、进一步的，所述外壳体及货物搭载组件包括壳体侧板、壳体前板、壳体后板、连接角铁、被动夹持装置、导轨滑块、辅助光点、电机固定板、中层固定板以及上层固定板；壳体侧板通过连接角铁与壳体前板、壳体后板连接装配形成方形壳体；所述被动夹持装置固定于壳体后板中心位置；所述辅助光点分别固定于壳体后板的各顶点处；所述电机固定板、中层固定板以及上层固定板均通过壳体侧板内侧滑槽固定在方形壳体的内部空间中；所述导轨滑块安装在壳体侧板上。

5、进一步的，所述机械主动对接锁紧组件包括电机、联轴器、丝杠固定装置、整体锁紧丝杠、固定螺母、运动螺母、轴环、固定法兰盘、内移动爪和对接锁紧机构；

6、电机固定于电机固定板上，电机输出轴通过联轴器与整体锁紧丝杠装置配合连接；所述丝杠固定装置安装在中层固定板上，内部通过轴环、轴承与两侧的整体锁紧丝杠装置的轴肩、固定螺母配合安装，实现整体锁紧丝杠装置单侧轴向定位；所述整体锁紧丝杠的螺纹段与运动螺母配合安装，运动螺母连接固定于内移动爪中心处；所述内移动爪的三个顶点分别与对接锁紧机构配合固定；所述固定法兰盘固定在上层固定板上，整体锁紧丝杠通过轴承、弹簧垫圈与固定法兰盘配合安装。

7、进一步的，所述对接锁紧机构包括锁紧轴、锁紧盖、锁紧套筒、锁紧轴套、第一弹簧、前固定套筒、后固定套筒、第一连接杆、第二连接杆、开口销、连接轴、锁紧环以及对接帽，三个锁紧轴呈等边三角形分别安装在内移动爪上，锁紧轴安装在前固定套筒、后固定套筒、锁紧盖及锁紧轴套内；所述锁紧套筒内部与锁紧轴套轴配合并设有限位部分，锁紧轴套的侧壁内部开设有放置第一弹簧的空间；所述第一弹簧底部放置于锁紧盖内部凹槽并安装于锁紧轴套的侧壁内部空间中，锁紧套筒一端与锁紧盖固定，前固定套筒、后固定套筒分别安装在锁紧盖、锁紧套筒和锁紧轴套构成的伸缩结构两侧；所述第一连接杆关于锁紧轴对称布置，第一连接杆一端通过连接轴、开口销与后固定套筒转动连接，第一连接杆另一端通过连接轴、开口销与第二连接杆一端转动连接，第二连接杆另一端通过连接轴、开口销与锁紧环转动连接；所述锁紧环与锁紧轴同心配合并通过对接帽固定；锁紧套筒安装在壳体前板上的安装孔中。

8、进一步的，所述主动对接部分包括主动对接装置、电器搭载装置；电器搭载装置固定于主动对接装置中，电器搭载装置上设有按需装载的电器预留固定位；所述主动对接装置安装于壳体前板中心位置，位于三组对接锁紧机构中心位置；主动对接装置端部设有对接杆；

9、进一步的，所述被动对接部分包括浮动接口外壳、二级浮动接口、第二弹簧、第三弹簧、被动对接接口；所述浮动接口外壳固定于被动对接航天器处，浮动接口外壳内壁开设有若干条固定第二弹簧的纵向内槽，浮动接口外壳底部开设有固定第三弹簧的内安装槽；所述二级浮动接口外壁与第二弹簧进行固定，浮动接口外壳内壁和二级浮动接口外壁间设有第二弹簧，二级浮动接口底部安装第三弹簧，二级浮动接口上部设有与主动对接装置对接杆配合的锥孔；所述被动对接接口安装在二级浮动接口内部，同时被动对接接口开设有与电器搭载装置接口相匹配的电器预留固定位。

10、一种双级浮动对接式在轨可替换机构搭载货盘装置，其特征在，包括所述的双级浮动对接式在轨可替换机构、货盘主承力架、夹紧柔性缓冲体、固定端轴承座、托盘夹紧板、托盘夹紧装置底板、微型滚珠直线导轨、滑块、机械手适配器、微型丝杠以及托盘导轨；

11、货盘主承力架的任意搭载面均具有所述的双级浮动对接式在轨可替换机构的存储位置，每个存储位置的侧壁上均设置与所述机械主动对接锁紧组件的对接锁紧机构相配合的锁紧孔，各存储位置中均设置收纳结构，收纳结构用于夹紧双级浮动对接式在轨可替换机构并提供导向。

12、进一步的，所述收纳结构包括：托盘夹紧装置底板、固定端轴承座、微型滚珠直线导轨、滑块、机械手适配器、微型丝杠和托盘导轨；

13、所述托盘夹紧装置底板固定于存储位置底面上，固定端轴承座、微型滚珠直线导轨安装在托盘夹紧装置底板，固定端轴承座设置在微型滚珠直线导轨一端；所述滑块分别设置在托盘夹紧板下方，并与微型滚珠直线导轨配合；所述微型丝杠通过一对微型螺母与左右两边的托盘夹紧板连接，其一端端部通过轴销、开口销与机械手适配器进行连接，另一端端部固定在固定端轴承座上；所述托盘导轨固定于每一个存储位置顶面。

14、进一步的，所述收纳结构还包括：夹紧柔性缓冲体；所述夹紧柔性缓冲体通过粘贴固定于托盘夹紧板表面以及每一个存储位置内表面。

15、进一步的，所述双级浮动对接式在轨可替换机构在非工作状态下第一连接杆、第二连接杆处于扩展状态，此时托盘夹紧板处于夹紧状态；当所述双级浮动对接式在轨可替换机构工作时，机械臂与机械手适配器配合，带动微型丝杠解锁，使得托盘夹紧板解锁，此时所述双级浮动对接式在轨可替换机构在托盘导轨的作用下不会发生脱离；机械臂与被动夹持装置配合，此时电机通电；在电机正转的作用下，内移动爪带动锁紧轴向前移动，使得第一连接杆、第二连接杆从扩展状态变为收缩状态，此时货盘装置的锁紧孔不再限制所述双级浮动对接式在轨可替换机构的运动，机械臂将所述双级浮动对接式在轨可替换机构从货盘主承力架的存储位置中移出；

16、当所述双级浮动对接式在轨可替换机构达到与目标航天器对接的初始位置，在机械臂的推动作用下，对接帽产生导向作用，使得对接锁紧机构端部进入目标航天器的锁紧孔内，此时电机进行反转操作，使得第一连接杆、第二连接杆从收缩状态变回扩展状态，与锁紧孔锁紧，同时双级浮动电器接口组件的主动对接部分和被动对接部分实现对接。

17、本发明与现有技术相比的有益效果是：

18、(1)本发明采用丝杠螺母结构作为锁紧传动部件并通过伸缩连杆结构来实现定位锁紧，运动过程具备反行程自锁特性从而提高锁紧可靠性，其锁紧前端柔性锁紧帽可有效缓解碰撞冲击影响，并可实现较大的初始对接容差要求，对接安全性及稳定性高；

19、(2)本发明针对未来复杂型航空任务设计了高精度电器浮动对接组件，在一级对接无法满足定位要求的情况下采用浮动式对接接口，使得被动电器接口可自适应对接误差，保证无冲击、高精度地完成精密电器接口对接，最高可适应0.5mm的对接误差要求；

20、(3)本发明结合可替换机构实际发射及在轨存储状态，提出一种可靠保存可替换机构的货盘组件，该货盘可适配替换单元锁紧装置，并设有柔性夹紧组件从而有效保证可替换机构在发射阶段、在轨阶段以及回收阶段的位置固定并吸收振动，该货盘中心预留区域可搭载未来指向型任务的电力、处理等设备，以实现可替换机构内部充电、设备升级等操作。