一种面向在轨组装的基于菱角锁对接的剪铰式通用化模块制造技术

本发明专利技术公开了一种面向在轨组装的基于菱角锁对接的剪铰式通用化模块，属于航天器结构设计领域，该模块包括菱角式三角爪对接机构Ⅰ、角点锁紧机构Ⅱ、剪铰式旋转杆机构Ⅲ，对接机构Ⅰ中含有菱角式三角爪用于对接锁紧；角点锁紧机构Ⅱ包括预紧弹簧，凹槽用于模块自锁；本发明专利技术在有限条件下方便辅助抓取装置快速完成模块装配，同时结构具有标准化、模块化的特点，接口便于更换，满足不同规格空间结构的在轨组装，从而满足不同航天任务的需求，实现功能灵活配置、任务灵活适应的目标，同时模块结构简单，质量轻，便于航天员装配和拆卸。便于航天员装配和拆卸。便于航天员装配和拆卸。

【技术实现步骤摘要】
一种面向在轨组装的基于菱角锁对接的剪铰式通用化模块


[0001]本专利技术是一种面向在轨组装的剪铰式可展收通用化组装模块，涉及机械臂空间操作和大型空间系统搭建技术，属于航天器结构设计领域。

技术介绍

[0002]空间望远镜、巨型天线等大型空间系统是未来开展深空探测、导航通讯、天文观测等任务的重要平台。随着制造技术、通信技术、软件技术等发展，人类对空间的开发与应用能力的不断提高，研制出了大量面向多种空间任务的航天器，其技术与性能水平不断提高的同时，结构与组成也日渐繁复。受限于空间发射装置运载能力，无法直接将大型空间系统整体运送至太空中，仪器设备不易更新迭代，在轨航天器的深度发展受到了极大的约束。在保证空间系统高质量、稳定持久工作的基础条件下，如何完成大型空间结构的入轨及在轨运维，成为航天
亟待研究的问题。
[0003]作为未来空间操作领域的主流方法之一，在轨组装技术在空间望远镜、巨型天线等的安装与展开，独立航天器的交会对接和超大尺寸空间结构的搭建等领域都发挥着重要的作用。将航天器合理分解为独立的、可展开的通用化模块，可以实现以在轨组装为目的的空间系统的解构与重组，为未来大型空间系统的构建提供理论依据和技术支撑。模块化结构设计主要反映在模块划分和接口设计。合理的模块划分可以降低组装难度，节约成本，保证整体结构的性能。接口的设计需要满足对其外形、尺寸、安装方位和安装精度的要求，同时还要尽量实现通用化。为降低运送及组装任务难度，模块化结构应尽可能同构，通过接口机构将其紧密连接在一起，从而形成满足功能需求的整体；由此可见，面向在轨组装的标准化模块化对接机构是实现此技术的关键。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有在轨组装的大型可展开式航天结构的功能特点以及装配需求所涉及的技术问题，为了填补这一空白领域，设计了一种新型的剪铰式可展收通用化组装模块和一种结构为菱角三角爪的对接接口，该模块在地面以收拢状态发射入轨，由辅助抓取装置取出、展开，并通过设计的对接接口完成多个模块间的在轨装配。
[0005]本专利技术是这样实现的：
[0006]一种面向在轨组装的基于菱角锁对接的剪铰式通用化模块，其特征在于，所述的通用化模块为六边形通用化模块，包括若干个单个模块，所述的单个模块包括菱角式三角爪对接机构Ⅰ、角点锁紧机构Ⅱ、剪铰式旋转杆机构Ⅲ；一组剪铰式旋转杆机构Ⅲ的端部与四只角点锁紧机构Ⅱ相连，菱角式三角爪对接机构Ⅰ安装于剪铰式旋转杆机构Ⅲ的连杆交叉处；若干个模块间通过菱角式三角爪对接机构Ⅰ实现对接；
[0007]所述的菱角式三角爪对接机构Ⅰ包括菱角锁，所述的菱角锁包括菱角锁公头以及菱角锁母头；所述的菱角锁母头包括锥形导向面，菱角锁母头分布于六边形通用化模块的对边，所述的对边分别为I、J边；所述的菱角锁公头包括菱角锁公头连接杆，分布于菱角锁
母头占据的六边形通用化模块所属边的邻边，即K边。
[0008]所述的菱角锁公头和所述的菱角锁公头均通过一体化成型与剪铰式杆机构Ⅲ的连杆交叉处相连接；所述的剪铰式旋转杆机构Ⅲ包括锁紧凸台、轴承内套、轴肩、旋转轴承内接杆、外延接头、预紧弹簧，轴承外套、旋转轴承外接杆；所述的锁紧凸台对称分布于外延接头的圆心两侧；所述的预紧弹簧孔径尺寸与锁紧凸台中心的凸起圆球部分直径公称尺寸相同，预紧弹簧采用过盈配合与锁紧凸台相连接；所述的旋转轴承内接杆的轴径与轴承内套的孔径公称尺寸相同，通过轴肩定位连接；所述的轴承外套的内径与轴承内套的外径公称尺寸相同，与轴承内套相连接；所述的旋转轴承外接杆内径与轴承外套外径公称尺寸相同，与轴承外套相连接匹配；旋转轴承内接杆与旋转轴承外接杆通过轴承外套、轴承内套、轴肩交叉布置。
[0009]进一步，所述的菱角式三角爪对接机构Ⅰ、角点锁紧机构Ⅱ、剪铰式旋转杆机构Ⅲ均为一体化成型。
[0010]本专利技术中所述的通用化模块组装后的整体为大型可展开式航天机构，组装的工作方法为：
[0011]步骤一，选定任意单个模块作为中心模块用于定位，通过辅助抓取装置将该单个模块移动到展开区并实现中心模块的固定；
[0012]步骤二，收起状态的中心模块在辅助抓取装置的操作下在展开区完成展开；
[0013]步骤三，将展开后的中心模块从展开区移动并固定到航天器待装配平台上，中心模块是整个大型可展开式航天结构的组装定位基准和中心；
[0014]步骤四，辅助抓取装置取出通用化模块作为待组装模块，待组装模块是整个待组装的可展开式航天机构的主体部分，待组装模块的基本构型和基本尺寸均与中心模块相同，并按照与步骤二的中心模块一致的方式在展开区完成展开；
[0015]步骤五，将待组装模块移动到相应的航天器待装配区域，通过辅助抓取装置的抓取移动完成对接，模块间的机械连接结构分布在中心模块和待组装模块的四周，组装时通过辅助抓取装置的插取操作，轴向方向通过菱角锁之间接触面的切向摩擦力锁紧，其他方向由菱角锁之间的接触面的法向接触力实现受力平衡，在相邻的模块间形成稳定可靠的物理连接；
[0016]步骤六，将其余的待组装模块按步骤五装配到机构上。由于组装过程具有高度重复性，本专利技术仅说明纵向和横向的通用展开策略，而不具体赘述通用模块的展开方式，其他模块的具体操作同步骤四、步骤五直至组装为所需面积大小。横纵向装配策略详细步骤参考下文中步骤六具体操作说明。
[0017]进一步，所述的步骤二的具体步骤为：
[0018]步骤2.1，采用辅助抓取装置固定住通用化模块的底端的任一角点锁紧机构Ⅱ；
[0019]步骤2.2，待通用化模块完成稳定固定后，采用辅助抓取装置垂直拉起与步骤2.1中角点锁紧机构Ⅱ的固定角点同心的上方角点；
[0020]步骤2.3，根据力的传递作用，六边形通用化模块的各个剪铰式旋转杆机构Ⅲ可绕其枢轴转动，通过旋转轴承内接杆和旋转轴承外接杆中间的轴承内套与轴承外套旋转则能实现通用化模块空间方向伸缩运动；
[0021]步骤2.4，当辅助抓取装置垂直拉起与步骤2.1中角点锁紧机构Ⅱ的固定角点同心
的上方角点时；通过角点锁紧机构Ⅱ的连接，旋转轴承内接杆和旋转轴承外接杆会随之旋转，直到位于杆端的外延接头上的锁紧凸台中的预紧弹簧与相应角点锁紧机构Ⅱ中的自锁凹槽完成锁定配合，至此中心模块完成展开。
[0022]进一步，所述的步骤五中待组装模块与中心模块进行对接组装时，具体包括如下步骤：
[0023]5.1，采用辅助抓取装置移动已展开模块进入相应的航天器待装配区域上，由于可能存在的外部干扰因素，待组装模块I边菱角锁母头接口会产生位姿偏差，同时通过辅助抓取装置调整待组装模块自身位姿及模块接口相互之间的相对位置；
[0024]5.2，当待组装模块方位调整到其菱角锁母头和中心模块菱角锁公头平行时，通过辅助抓取装置带动待组装模块向中心模块逐渐靠近；由于本专利技术采用菱角锁与“杆－锥式”对接机构相融合的对接锁紧结构，即菱角锁与锥形导向面、菱角锁公头连接杆相融合的对接锁紧结构，锥形导向面和菱角锁公头连接杆可以允本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向在轨组装的基于菱角锁对接的剪铰式通用化模块，其特征在于，所述的通用化模块为六边形通用化模块，包括若干个单个模块，所述的单个模块包括菱角式三角爪对接机构Ⅰ、角点锁紧机构Ⅱ、剪铰式旋转杆机构Ⅲ；一组剪铰式旋转杆机构Ⅲ的端部与四只角点锁紧机构Ⅱ相连，菱角式三角爪对接机构Ⅰ安装于剪铰式旋转杆机构Ⅲ的连杆交叉处；若干个模块之间通过菱角式三角爪对接机构Ⅰ实现对接；所述的菱角式三角爪对接机构Ⅰ包括菱角锁，所述的菱角锁包括菱角锁公头(9)以及菱角锁母头(10)；所述的菱角锁母头(10)包括锥形导向面(11)，菱角锁母头(10)分布于六边形通用化模块的对边，所述的对边分别为I、J边；所述的菱角锁公头(9)包括菱角锁公头连接杆(12)，分布于菱角锁母头(10)占据的六边形通用化模块所属边的邻边，即K边；所述的菱角锁公头(9)和所述的菱角锁公头(10)均通过一体化成型与剪铰式杆机构Ⅲ的连杆交叉处相连接；所述的剪铰式旋转杆机构Ⅲ包括锁紧凸台(1)、轴承内套(2)、轴肩(3)、旋转轴承内接杆(4)、外延接头(5)、预紧弹簧(6)，轴承外套(7)、旋转轴承外接杆(8)；所述的锁紧凸台(1)对称分布于外延接头(5)的圆心两侧；所述的预紧弹簧(6)孔径尺寸与锁紧凸台(1)中心的凸起圆球部分直径公称尺寸相同，预紧弹簧(6)采用过盈配合与锁紧凸台(1)相连接；所述的旋转轴承内接杆(4)的轴径与轴承内套(2)的孔径公称尺寸相同，通过轴肩(3)定位连接；所述的轴承外套(7)的内径与轴承内套(2)的外径公称尺寸相同，与轴承内套(2)相连接；所述的旋转轴承外接杆(8)内径与轴承外套(7)外径公称尺寸相同，与轴承外套(7)相连接匹配；旋转轴承内接杆(4)与旋转轴承外接杆(8)通过轴承外套(7)、轴承内套(2)、轴肩(3)交叉布置。2.根据权利要求1所述的一种面向在轨组装的基于菱角锁对接的剪铰式通用化模块，其特征在于，所述的菱角式三角爪对接机构Ⅰ、角点锁紧机构Ⅱ、剪铰式旋转杆机构Ⅲ均为一体化成型。3.根据权利要求1所述的一种面向在轨组装的基于菱角锁对接的剪铰式通用化模块，其特征在于，所述的通用化模块组装后的整体为大型可展开式航天机构，组装的工作方法为：步骤一，选定任意单个模块作为中心模块用于定位，通过辅助抓取装置将该单个模块移动到展开区并实现中心模块的固定；步骤二，收起状态的中心模块在辅助抓取装置的操作下在展开区完成展开；步骤三，将展开后的中心模块从展开区移动并固定到航天器待装配平台上，中心模块是整个大型可展开式航天结构的组装定位基准和中心；步骤四，辅助抓取装置取出通用化模块作为待组装模块，待组装模块是整个待组装的可展开式航天机构的主体部分，待组装模块的基本构型和基本尺寸均与中心模块相同，并按照与步骤二的中心模块一致的方式在展开区完成展开；步骤五，将待组装模块移动到相应的航天器待装配区域，通过辅助抓取装置的抓取移动完成对接，模块间的机械连接结构分布在中心模块和待组装模块的四周，组装时通过辅助抓取装置的插取操作，轴向方向通过菱角锁之间接触面的切向摩擦力锁紧，其他方向由菱角锁之间的接触面的法向接触力实现受力平衡，在相邻的模块间形成稳定可靠的物理连接；
步骤六，将其余的待组装模块按步骤五装配到机构上。4.根据权利要求3所述的一种面向在轨组装的基于菱角锁对接的剪铰式通用化模块，其特征在于，所述的步骤二的具体步骤为：步骤2.1，采用辅助抓取装置固定住通用化模块底端的任一角点锁紧机构Ⅱ；步骤2.2，待通用化模块完成稳定固定后，采用辅助抓取装置垂直拉起与...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙伟峰，文浩，张司吉，孙浩，张炜，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：