一种重复对接锁定与分离装置的制作方法

本发明涉及锁定机构领域，尤其涉及一种重复对接锁定与分离装置。

背景技术：

太空垃圾的增多、航天商业化的极速发展以及空间站的建设和维护工作等让世界航天大国越来越注重空间在轨服务技术的研究。空间在轨服务技术可以完成太空垃圾的清理工作，降低空间飞行器被碰撞概率；可以实现在轨航天器的零部件维护、推进剂加注、辅助航天器入轨和离轨甚至在轨零件装配工作，增加飞行器在轨工作时间；可以在无人条件下完成空间站的建设工作，比如空间站大型设备的组装和维护工作。因此，空间在轨服务成为极具研究价值和发展前景的空间技术。

为了完成空间站日常运行所需的设备更换、航天人员交替和物资补给，可重复使用天地往返运输系统成为世界航天大国的研究重心之一。可重复使用天地往返运输系统是指可以往返于地球表面和太空之间的运输系统，与目前的一次性卫星、火箭和太空飞船相比，往返天地飞行器应用可以大大降低空间站维护和运行成本。

空间在轨服务技术和可重复使用天地往返技术的实现分别需要轨道对接锁定维护飞行器和可重复使用天地往返飞行器。空间在轨服务技术自20世纪60年代提出，到目前为止，已经完成了大量的地面、空间试验和在轨应用，获得了一系列的研究成果，比如上世纪八十年代，欧洲航空局设计的空间低冲击重复对接锁定与分离装置、德国宇航中心于1994年开展的试验服务卫星计划ESS(Experimental Servicing Satellite，ESS)、日本宇航局于1997年发射工程试验卫星ETS‐VII(EngineeringTest Satellite‐7，ETS‐VII)轨道对接锁定维护飞行器，完成在轨捕获锁定试验、美国于1999年提出较为完善的在轨服务演示计划—轨道快车计划。可重复使用天地往返技术于上世纪由冯·布劳恩和钱学森提出，航天飞机作为第一代重复使用天地往返技术的代表，经过近三十年的发展，它执行了空间站建设、卫星在轨分离/捕获锁定和航天器在轨维护等任务。考虑到发射和维护成本问题，美国于1999年开始研制X‐37可重复使用飞行器，其中X‐37B轨道测试飞行器于2010年4月发射并完成在轨验证。

空间在轨服务技术和可重复使用天地往返技术的在轨应用产生了极大的经济价值，极大的促进了航天技术的快速发展，而可重复对接锁定与分离装置作为这两项技术的关键部分，其性能的好坏直接决定整个任务的成败。要完成空间在轨服务和可重复使用天地往返任务，该对接锁定与分离装置需具备可重复锁定与分离的特点；为减小捕获过程中对有效载荷的损伤和分离过程对有效载荷的扰动，该装置需具备捕获低冲击和分离低冲击的特点；空间机械臂在转移有效载荷或者有效载荷进行自主对接时，对接机构之间会存在角度和姿态误差，因此该装置需具备一定的容差能力；考虑到研制周期和研发成本等因素，该装置需具备可扩展性，以适应不同尺寸有效载荷。

空间在轨服务和可重复使用天地往返技术作为未来航天发展的重要方向，其带来的经济、军事以及民用价值不言而喻。空间有效载荷重复对接锁定与分离技术是空间在轨服务以及天地往返体系的基础和核心，国外在该领域已取得不少研究成果，有的甚至已经进入实用化、商品化阶段。我国在空间在轨服务以及有效载荷的天地往返技术领域处于起步阶段，因此，为推动我国空间在轨服务以及有效载荷天地往返技术的研究进程，本发明旨在提供一种具备大容差、捕获低冲击和分离低冲击、可重复锁定与分离、可扩展特点的针对有效载荷的重复对接锁定与分离装置，为提高我国空间在轨服务和有效载荷天地往返领域内的技术实力、拓展重复对接锁定与分离产品型谱做出一定的贡献。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明采用的技术方案在于，提供一种重复对接锁定与分离装置，包括：若干导向分离单元，用于对载荷进行导向以便准确落入所述重复对接锁定与分离装置的锁紧范围，并在解锁时对所述载荷提供解锁力；若干重复对接锁定单元，所述重复对接锁定单元用于对所述载荷进行锁紧和解锁。

较佳的，所述重复对接锁定单元包括一曲柄滑块机构；所述曲柄滑块机构包括一曲柄、一摇杆、至少一滑块、对滑块起限制作用的外壳；所述传动单元上设置的输出轴与所述曲柄一端相连，并由所述输出轴带动所述曲柄绕输出轴转动；所述曲柄另一端与所述摇杆一端通过一第一转轴连接，所述摇杆另一端与第二转轴相连；锁紧过程时，所述第一转轴由解锁位置运动到锁紧位置，解锁过程时，所述第一转轴由锁紧位置运动到解锁位置。

较佳的，所述重复对接锁定单元还包括一锁钩机构；所述锁钩机构包括一压紧头，至少一缓冲变形组件；所述压紧头用于对所述载荷施加压紧力；所述缓冲变形组件包括一单片碟簧组、一双层碟簧组、三层碟簧组。

较佳的，所述第二转轴上设置有滑块，所述滑块能够沿着所述外壳上的滑道运动；所述第二转轴在所述摇杆的带动下，并在所述滑块的限位作用下，沿滑道做上下运动。

较佳的，所述锁钩机构与所述第二转轴相连，所述第二转轴运动，带动所述锁钩机构动作。

较佳的，将所述输出轴与所述第二转轴的轴心连线定义为分界线，锁紧过程中，所述第一转轴绕所述输出轴转动至越过分界线位置。

较佳的，所述导向分离单元包括一卡接块，一容差导向机构、一底座；所述卡接块用于与所述载荷固定连接；

所述容差导向机构包括一凹形导向件、一行程开关滑动件、一密珠轴承、一滑动件压缩弹簧、一导向件压缩弹簧；所述凹形导向件用于在锁紧过程中对所述卡接块进行导向；所述行程开关滑动件安装在所述容差导向机构内部，所述行程开关滑动件内设置有卡接块行程开关，当所述卡接块触发所述卡接块行程开关时，证明所述卡接块下落位置正确；所述行程开关滑动件底部设置有所述滑动件压缩弹簧；所述密珠轴承置于所述底座中部的圆柱孔中且与所述底座为过盈配合；所述密珠轴承底部设置有所述导向件压缩弹簧。

较佳的，所述重复对接锁定与分离装置还包括至少一传动单元，用于将动力单元提供的动力传递给后续动作机构；

所述传动单元包括依次连接的一蜗杆、一蜗轮和所述输出轴，所述输出轴能够将动力传递给所述重复对接锁定单元。

较佳的，所述摇杆中部有一圆弧形凹槽结构，当所述曲柄滑块机构在锁紧状态时，所述摇杆上的所述圆弧形凹槽位于所述输出轴的一侧。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：1、所述重复对接锁定与分离装置的传递单元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；2、所述容差导向机构采用所述密珠轴承作为连接件，能够降低摩擦损耗，提高传动效率，增加使用寿命；3、使所述第一转轴绕所述输出轴转动至越过分界线位置，能够增大所述所述曲柄滑块机构的震动容差性能，从而在所述摇杆的机械限位作用下，使所述曲柄滑块机构不可能逆向解锁，同时由于所述曲柄所受力矩方向和反转解锁方向不一致，所述曲柄滑块机构也难以反转解锁，从而使所述重复对接锁定与分离装置在剧烈震动等恶略情况下，能够保证对载荷的有效锁紧，防止载荷意外脱落；4、本发明提供的所述重复对接锁定与分离装置，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。

附图说明

图1为本发明重复对接锁定与分离装置安装载荷的示意图；

图2为本发明重复对接锁定与分离装置去除载荷的示意图；

图3为本发明动力单元和传动单元的结构示意图；

图4为本发明导向分离单元与重复对接锁定单元的结构示意图一；

图5为本发明导向分离单元与重复对接锁定单元的结构示意图二；

图6为本发明导重复对接锁定单元的结构示意图；

图7为本发明重复对接锁定与分离装置解锁状态的剖面示意图；

图8为本发明重复对接锁定与分离装置锁紧状态的剖面示意图一；

图9为本发明重复对接锁定与分离装置锁紧状态的剖面示意图二；

图10为本发明锁钩机构的外形示意图；

图11为本发明锁钩机构的剖面示意图；

图12为本发明导向分离单元的剖面示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

本发明提供一种重复对接锁定与分离装置，其用于对载荷进行锁紧与解锁，从而实现对载荷的固定与释放。如图1、图2所示，所述重复对接锁定与分离装置包括：至少一动力单元1、至少一传动单元2、若干导向分离单元3、若干重复对接锁定单元4；

所述动力单元1用于对所述重复对接锁定与分离装置的锁紧与解锁动作提供所需动力；

所述传动单元2用于将所述动力单元提供的动力传递给后续动作机构；

所述导向分离单元3用于对载荷进行导向以便准确落入所述重复对接锁定与分离装置的锁紧范围，并在解锁时对所述载荷提供解锁力；

所述重复对接锁定单元4用于对所述载荷进行锁紧和解锁。

实施例一

如上述所述的重复对接锁定与分离装置，本实施例与其不同之处在于，如图3所示，其为本发明动力单元和传动单元的结构示意图，所述动力单元1包括一电机11、一减速器12；所述传动单元2包括一蜗杆13、一蜗轮14、一输出轴15；

所述电机11将动力传递到所述减速器12，继而所述减速器12将动力传力给所述蜗杆13，所述蜗杆13带动所述蜗轮14转动，所述蜗轮14的动力通过所述输出轴15传递给后续单元；

所述传动单元2采用蜗轮蜗杆的传动形式，一方面是因为蜗轮蜗杆传动形式具有自锁功能，增加所述重复对接锁定与分离装置的安全系数；另一方面，蜗轮蜗杆传动形式有很大的传动比，能够输出较大的传动力矩。

实施例二

如上述所述的重复对接锁定与分离装置，本实施例与其不同之处在于，结合图4、图5、图6所示，所述重复对接锁定单元4包括一曲柄滑块机构41，一锁钩机构42；

所述曲柄滑块机构41包括一曲柄412、一摇杆411、至少一滑块413、对滑块起限制作用的外壳414、至少一行程开关415；

结合图7、图8所示，所述输出轴15与所述曲柄412一端相连，并由所述输出轴15带动所述曲柄412绕输出轴转动；所述曲柄412另一端与所述摇杆411一端通过一第一转轴4111连接，所述摇杆411另一端与第二转轴4112相连，所述第二转轴4112上设置有滑块413，所述滑块413能够沿着对所述滑块413起到限位作用的外壳414上的滑道运动；

如图7所示的角度，所述输出轴15带动所述曲柄412绕输出轴逆时针转动，所述曲柄412通过所述第一转轴4111带动所述摇杆411一端绕所述输出轴15运动；锁紧过程时，所述第一转轴4111由解锁位置运动到锁紧位置，解锁过程时，所述第一转轴4111由锁紧位置运动到解锁位置；

本实施例中，锁紧过程时，所述第一转轴4111由所述输出轴15上方运动到所述输出轴15下方，解锁过程时，所述第一转轴4111由所述输出轴15下方运动到所述输出轴15上方；

所述第二转轴4112在所述摇杆411的带动下，并在所述滑块413的限位作用下，沿滑道做上下运动；所述锁钩机构42与所述第二转轴4112相连，所述第二转轴4112运动，将带动所述锁钩机构42动作；由于所述外壳414上设置有一倾斜面，在解锁过程中，所述第二转轴4112向上运动，带动所述锁钩机构42向上运动，并使所述锁钩机构42沿所述外壳414上设置的倾斜面运动，进而解除与所述载荷可能发生的干涉，当所述锁钩机构42触碰到所述行程开关415时，所述动力单元1停止提供动力，进而使所述锁钩机构42停止；在锁紧过程中，所述第二转轴4112向下运动，带动所述锁钩机构42动作，进而完成对有效载荷的捕获，当所述曲柄412触碰到一锁紧行程开关时，所述动力单元1停止提供动力，进而使所述锁钩机构42停止。

进一步的，所述曲柄滑块机构41还包括一扭簧组件，所述扭簧组件能够对所述锁钩机构42提供转动扭矩，从而使所述锁钩机构42向上运动时，能够沿所述外壳414上设置的倾斜面运动，避免与所述卡接块31发生运动干涉。

实施例三

如上述所述的重复对接锁定与分离装置，本实施例与其不同之处在于，结合图7、图8所示，将所述输出轴15与所述第二转轴4112的轴心连线定义为分界线，所述曲柄滑块机构41在锁紧过程中，当所述第一转轴4111绕所述输出轴15转动至所述第一转轴4111和所述输出轴15的轴心连线与所述分界线重合位置时，所述曲柄滑块机构41处于死点位置，此时所述曲柄滑块机构41进入自锁状态。

但如果所述第一转轴4111绕所述输出轴15转动至与所述分界线重合位置，或未越过所述分界线位置，则所述重复对接锁定与分离装置在剧烈震动的情况下，将会使闭合力链出现不封闭情况，此时解锁方向和所述曲柄412所受转矩方向一致，此时蜗轮蜗杆会承受较大的力矩，恶劣情况下还会造成蜗轮蜗杆的损坏；

为避免上述情况，结合图7、图8所示，所述摇杆411被设计成中部有一圆弧形凹槽的结构形式，当所述曲柄滑块机构41在锁紧状态时，所述摇杆411上的所述圆弧形凹槽位于所述输出轴15的一侧，以所述分界线为界，将锁紧状态下所述圆弧形凹槽位于的一侧称为第一侧，将其对侧称为第二侧；

结合图9所示，使所述第一转轴4111绕所述输出轴15由所述第一侧转动至所述第二侧位置，从而越过所述分界线位置，作为最佳锁紧位置，即处于第二侧的所述第一转轴4111与所述输出轴15的连线与竖直方向的夹角为x°，其中x>0；此时，解锁方向和所述曲柄412所受转矩方向虽然相同，但由于所述圆弧形凹槽存在限位作用，所述曲柄412在所述转矩的作用下，不能够沿所受转矩方向实现解锁；

采用本实施例的形式，能够增大所述曲柄滑块机构41的震动容差性能，在所述摇杆411的机械限位作用下，从而使所述曲柄滑块机构41不可能沿所述曲柄412所受转矩相同的方向解锁，同时由于所述曲柄412所受力矩方向和反转解锁方向不一致，所述曲柄滑块机构41也难以反转解锁。

当所述曲柄滑块机构41在锁紧状态时，所述摇杆411上的所述圆弧形凹槽位于所述输出轴15的一侧，此时所述摇杆411被所述输出轴15限位，从而防止所述摇杆411转动。

实施例四

如上述所述的重复对接锁定与分离装置，本实施例与其不同之处在于，如图10、图11所示，所述锁钩机构42包括一压紧头424，一防压紧头转动杆425，至少一缓冲变形组件；

所述压紧头424用于对所述载荷施加压紧力，所述防压紧头转动杆425用于限制所述压紧头424转动；

所述缓冲变形组件能够在多个所述重复对接锁定与分离装置配合使用时，用来减少各锁紧位置形变量不一致带来的误差，本实施例中，所述缓冲变形组件采用蝶形弹簧结构；蝶形弹簧承载能力大、轴向刚度大、包络尺寸小，采用蝶形弹簧能够实现对预紧力的准确控制。

实施例五

如上述实施例四所述的重复对接锁定与分离装置，本实施例与其不同之处在于，所述缓冲变形组件包括一单片碟簧组421、一双层碟簧组422、三层碟簧组423；所述单片碟簧组421的组合形式采用单片碟簧直接组合的形式；所述双层碟簧组422的组合形式采用每两片碟簧先直接组合再并列重叠的形式；所述三层碟簧组423的组合形式采用每三片碟簧先直接组合再并列重叠的形式。

实施例六

如上述所述的重复对接锁定与分离装置，本实施例与其不同之处在于，所述导向分离单元3包括一卡接块31，一容差导向机构32、一底座33；

所述卡接块31用于与所述载荷固定连接，通过所述锁钩机构42对所述卡接块31的配合，能够方便对所述载荷进行锁紧与解锁；

所述容差导向机构32包括一凹形导向件321、一行程开关滑动件322、一滑动件压缩弹簧323、一密珠轴承324、一密珠轴承限位件325、一导向块326、一导向件压缩弹簧327；

所述凹形导向件321用于在锁紧过程中对所述卡接块31进行导向，防止所述卡接块31因下落位置偏差而造成无法捕获锁紧；

所述行程开关滑动件322安装在所述容差导向机构32内部，所述行程开关滑动件322内设置有卡接块行程开关，所述行程开关滑动件322与所述凹形导向件321配合，当所述卡接块31触发所述卡接块行程开关时，证明所述卡接块31下落位置正确，从而进行下一步的锁紧过程；进一步的，所述行程开关滑动件322外部加工有一小凸台，所述小凸台与凹形导向件321内部加工的凹槽相配合，从而限制所述行程开关滑动组件322的旋转自由度；

所述行程开关滑动件322底部设置有所述滑动件压缩弹簧323，所述滑动件压缩弹簧323能够使所述行程开关滑动件322与所述容差导向机构32为弹性配合，在锁紧过程中，当所述卡接块31下落与所述行程开关滑动件322相接处时，能够进行最初级的缓冲；在解锁过程中，当所述当所述卡接块31抬起后，所述滑动件压缩弹簧323能够将所述行程开关滑动件322复位，使所述行程开关滑动件322的上部略高于所述凹形导向件321的底部；进一步的，在解锁结束后，所述载荷需要克服电连接器摩擦力，才能实现最终分离，因此在所述容差导向机构32中安装所述滑动件压缩弹簧323，能够克服电气接口摩擦力；

所述密珠轴承324置于所述底座33中部的圆柱孔中，所述密珠轴承324与所述底座33为过盈配合，在锁紧过程中，随着所述卡接块31的下落，所述密珠轴承324在所述所述底座33移动，能够使所述密珠轴承324的每个径向和轴向截面内均布满滚珠，使每个滚珠循环独自的滚道绕主轴回转，从而起到均化和减低滚道表面磨损的作用，提高了所述密珠轴承324与所述底座33的配合精度，延长使用寿命；

所述密珠轴承限位件325用于对所述密珠轴承324的位移进行限位；

所述导向块326与底座中加工的凹槽相配合，从而限制了所述容差导向机构32的旋转自由度；

所述密珠轴承324底部设置有所述导向件压缩弹簧327，所述导向件压缩弹簧327能够使所述密珠轴承324与所述底座33为弹性配合，在锁紧过程中，对所述卡接块31的下落动作能够进行缓冲；在解锁过程中，当所述当所述卡接块31抬起后，所述导向件压缩弹簧327能够将所述密珠轴承324复位；进一步的，在解锁结束后，所述载荷需要克服电连接器摩擦力，才能实现最终分离，因此在所述容差导向机构32中安装所述导向件压缩弹簧327，能够克服电气接口摩擦力；

在锁紧过程前，将载荷移动到预定位置，考虑到所述载荷在移动过程中会有位置误差，通过所述凹形导向件321将所述卡接块31引导到能够进行锁紧的合适位置；当所述卡接块31触碰到所述卡接块行程开关时，锁紧动作开始，所述动力单元1开始提供动力，使所述重复对接锁定单元4动作，对所述卡接块31进行抓取，在所述锁钩机构42的作用下，所述卡接块31首先压缩所述滑动件压缩弹簧323，随后压缩所述导向件压缩弹簧327，直到所述曲柄412触碰到所述锁紧行程开关时，所述动力单元停机提供动力，完成对所述载荷的锁紧工作。

在解锁过程时，所述动力单元提供反向的动力，使所述曲柄滑块机构41动作，并带动所述锁钩机构42解除对所述卡接块31的约束后，所述导向件压缩弹簧327与所述滑动件压缩弹簧323为所述卡接块31提供脱离所述重复对接锁定与分离装置的作用力，直到所述锁钩机构42触碰到所述行程开关415时，所述动力单元停机提供动力，完成对所述载荷的解锁工作。

实施例七

如上述所述的重复对接锁定与分离装置，本实施例与其不同之处在于，所述重复对接锁定与分离装置还包括一磁力单元，所述磁力单元能够对所述载荷进行吸附，从而使所述载荷吸附更牢靠。

实施例八

如上述所述的重复对接锁定与分离装置，本实施例与其不同之处在于，结合图2所示，所述重复对接锁定与分离装置包括两个所述动力单元1、两个所述传动单元2、四个所述导向分离单元3、四个所述重复对接锁定单元4；一个所述导向分离单元3与一个所述重复对接锁定单元4相配合固定于地面或载荷平台上，四组所述所述导向分离单元3与所述重复对接锁定单元4的配合体分别置于所述载荷四角；

本实施例提供的所述重复对接锁定与分离装置的结构形式，用于对固定在所述载荷上的卡接块31进行固定，进而将所述载荷通过四角牢牢固定在地面或载荷平台上。

本发明提供的所述重复对接锁定与分离装置能够实现对物体的固定，例如集装箱、航天器等，尤其应用于对航天器上的有效载荷进行固定，且所述重复对接锁定与分离装置采用模块化设计，能够满足在轨模块化组装、大型航天器舱段的构建及升级等空间任务执行的需求，实现在发射阶段对立方星等有效载荷实施可靠锁紧，在轨阶段又可对有效载荷实现重复锁紧与分离的装置。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。