一种可在轨更换的模块化快换机械接口的制作方法

本发明涉及可在轨更换机械接口领域，详细讲是一种机械传动简单、结构紧凑，锁合快速、传动精度高、传动效率高，具备自锁功能，容积占有率低，不易损坏和锁定的可在轨更换的模块化快换机械接口。

背景技术：

目前在航空航天领域内，传统的一次性发射卫星由于面临维护成本高、设备损坏难以修复、动力源耗尽等问题，逐渐被淘汰。为使航天器在复杂环境中可以得到持续、稳定的运行，在轨可更换模块航天器已逐步被研发应用。不论是“轨道快车”还是现有的模块化航天器均要求在轨更换单元具有标准独立的机械、电子接口，其模块具有可换更、易操作和即插即用等性能。

目前在模块化航天器的机械接口的一种设计方案采用丝杠螺母进行锁紧配合，该方案中由于丝杠螺母本身具备自锁性能，故该结构无需设计预紧装置，但航天器模块的定位精度要求较高，容错性差，且在复杂的空间环境下，润滑效果易破坏，面对多次锁紧与解锁过程，丝杠螺母锁紧机构容易形成冷焊现象，进而使得结构卡死锁定。

现有的模块化航天器机械接口的另一种设计方案采用滑槽式触点锁紧机构，该方案设计有圆锥形的导向孔与圆柱导向配合可进一步增强容错性，通过触点开关控制可控制模块单元的锁紧与解锁。但其内部的机械传动机构过于复杂，大大减小了模块化航天器的容积率，使得oru内部功能性降低。同时由于空间环境较为复杂，该结构中用于传动的轮系也极易产生损坏。

技术实现要素：

本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种机械传动简单、结构紧凑，锁合快速、传动精度高、传动效率高，具备自锁功能，容积占有率低，不易损坏和锁定的可在轨更换的模块化快换机械接口。

本发明解决上述现有技术的不足所采用的技术方案是：

一种可在轨更换的模块化快换机械接口，其特征在于：包括伺服电机、空间凸轮上固定板、空间凸轮下固定板、定位导向板、定位导向销、传动轴、传动装置、传动齿轮、槽轮机构、空间凸轮机构、被动齿轮、内爪；其特征在于所述的内爪包括传动筒，传动筒上周向均布有至少三个连接齿板；所述的定位导向板经轴承与传动筒连接，定位导向销设在定位导向板上；所述的槽轮机构包括主动拨盘和槽轮，槽轮固定在定位导向板上侧的传动筒上；所述的空间凸轮机构包括空间凸轮和驱动销，所述的空间凸轮呈套筒状，空间凸轮侧壁上设有轴向起伏的驱动滑槽，空间凸轮可自由转动、轴向自由滑动的套设在槽轮上侧的传动筒上；所述的驱动销与驱动滑槽相配合的设置在传动筒上，被动齿轮设置在空间凸轮上，空间凸轮上固定板和空间凸轮下固定板分别经轴承与空间凸轮的上端部和下端部相连，空间凸轮上固定板和空间凸轮下固定板上与定位导向销相对处分别设有定位导向孔，定位导向销可轴向自由滑动的穿设在定位导向孔内，连接齿板位于空间凸轮上固定板上侧，空间凸轮下固定板上设有传动轴，传动齿轮与被动齿轮相啮合的设置在传动轴上；伺服电机固定设置在空间凸轮上固定板和/或空间凸轮下固定板上，伺服电机经传动装置与传动轴相连、驱动传动轴转动，所述槽轮机构的主动拨盘设置在空间凸轮下固定板下侧的传动轴上。

本发明中所述的槽轮机构中的槽轮为八槽槽轮，即槽轮有八个径向设置的拨转槽；所述的传动筒上端周向均布有四个连接齿板；所述的驱动滑槽为两端在下、中部在上的平滑槽。驱动销的初始位置位于驱动滑槽的一端，伺服电机经传动装置驱动传动轴转动，经传动齿轮、被动齿轮带动空间凸轮在传动筒上转动。主动拨盘上的圆柱销进入槽轮的拨转槽前，空间凸轮上的驱动滑槽推动驱动销、带动传动筒和连接齿板轴向向上运动；主动拨盘上的圆柱销进入槽轮的拨转槽后，圆柱销通过拨转槽拨动槽轮转动，带动传动筒、连接齿板随同空间凸轮同向转动45°；主动拨盘上的圆柱销从槽轮的拨转槽脱出后，空间凸轮上的驱动滑槽推动驱动销、带动传动筒和连接齿板轴向向下运动，驱动销的最终位置位于驱动滑槽的另一端。

本发明中所述的空间凸轮上固定板上侧面上与连接齿板相对处分别设有与连接齿板相配合的齿板嵌入槽。驱动销位于初始位置时，连接齿板位于齿板嵌入槽内，除定位导向销外、空间凸轮上固定板上侧面为一平整的接合面。

本发明中所述的传动装置为蜗轮蜗杆传动机构，蜗轮蜗杆传动机构的蜗杆与伺服电机输出轴相连、涡轮与蜗杆相配合的设置在传动轴上。传动装置也可以为齿轮传动机构。

本发明中所述的空间凸轮上固定板上侧面中部设有圆环形连接板，齿板嵌入槽设置在圆环形连接板上。驱动销位于初始位置时，连接齿板位于齿板嵌入槽内，圆环形连接板上侧面为一平整的接合面，连接稳固。

本发明中设有与内爪配合的连接座板，连接座板上设有插接通孔，插接通孔四周的连接座板上均布有与连接齿板配合的插入槽口，内爪上端可由插接通孔和插入槽口穿过连接座板至其上侧。连接座板上与定位导向销相对处设有与其配合的导向插孔，定位导向销可在导向插孔内轴向自由滑动，起到导向、定位的作用。

本发明在使用时，（用螺栓与连接孔配合）将空间凸轮上固定板和空间凸轮下固定板与可更换的航天器模块相连。设有与内爪配合的连接座板，连接座板上设有插接通孔，插接通孔四周的连接座板上均布有与连接齿板配合的插入槽口，内爪上端可由插接通孔和插入槽口穿过连接座板至其上侧。连接座板安装于航天器主体上、与可更换的航天器模块连接处。可更换的航天器模块被运送至与航天器主体连接处，空间凸轮上固定板与连接座板相对（后贴靠），内爪上端与插接通孔相对、连接齿板与插入槽口相对后，伺服电机正向转动，空间凸轮机构带动内抓向上运动、连接齿板穿过插入槽口行至连接座板上侧，槽轮机构带动内抓转动、使连接齿板与插入槽口错开，空间凸轮机构带动内抓向下运动、连接齿板压紧在连接座板上，实现将可更换的航天器模块锁紧连接在航天器主体上。本发明具有机械传动简单、结构紧凑，锁合快速、传动精度高、传动效率高，具备自锁功能，容积占有率低，不易损坏和锁定等优点。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图。

图2是本发明去除空间凸轮上固定板、空间凸轮下固定板及相关的轴承后的立体结构示意图。

图3是本发明去除空间凸轮上固定板、空间凸轮下固定板、定位导向板、定位导向销、伺服电机、传动装置、传动轴、传动齿轮、槽轮机构的主动拨盘及相关的轴承后的立体结构示意图。

图4是本发明去除空间凸轮上固定板、空间凸轮下固定板、定位导向板、定位导向销、伺服电机、传动装置、传动轴、传动齿轮、槽轮机构的主动拨盘后的剖视结构示意图。

图5是本发明中传动装置、传动轴、传动齿轮和槽轮机构的主动拨盘的结构示意图。

图6是本发明中空间凸轮上固定板的结构示意图。

图7是本发明中空间凸轮下固定板的结构示意图。

图8是本发明中定位导向板的结构示意图。

图9是本发明中连接座板的结构示意图。

具体实施方式

如图1-图8所示的可在轨更换的模块化快换机械接口，包括伺服电机5、空间凸轮上固定板1、空间凸轮下固定板2、定位导向板14、定位导向销4、传动轴6、传动装置、传动齿轮8、槽轮机构、空间凸轮机构、被动齿轮12、内爪；所述的内爪包括传动筒19，传动筒19上端外周上周向均布有四个（径向向外凸出设置的）连接齿板3，传动筒19和连接齿板3组成内爪。所述的定位导向板14中部经轴承（图4中传动筒19最下端的轴承）与传动筒下端部连接，传动筒相对于定位导向板可转动、不能轴向运动，定位导向销4设在定位导向板上，从图中可以看出，定位导向板14呈方形板状，四根定位导向销分别设置在定位导向板的四个角处；所述的槽轮机构包括主动拨盘9和槽轮13，槽轮13固定在定位导向板14上侧的传动筒19上；所述的空间凸轮机构包括空间凸轮11和驱动销15，所述的空间凸轮11呈套筒状，套筒状的空间凸轮11侧壁上设有径向贯穿空间凸轮侧壁的、周向延伸、轴向起伏的驱动滑槽16，空间凸轮11可自由转动、轴向自由滑动的套设在槽轮13上侧的传动筒19上；所述的驱动销15与驱动滑槽16相配合的设置在传动筒上；驱动销可沿驱动滑槽长度方向滑动的插设在驱动滑槽内，空间凸轮转动带动驱动滑槽相对驱动销移动，带动驱动销上下轴向运动。被动齿轮12设置在驱动滑槽下侧的空间凸轮上、用于驱动空间凸轮转动；空间凸轮上固定板1和空间凸轮下固定板2分别经轴承（图4中传动筒19上部和中部与空间凸轮11相连的轴承）与空间凸轮11的上端部和下端部相连，从图中可以看出，空间凸轮上固定板1和空间凸轮下固定板2中部分别设有安装孔21、24，传动筒上端由空间凸轮上固定板1的安装孔21内伸出，连接齿板3位于空间凸轮上固定板1上侧；从图中可以看出，空间凸轮上固定板1和空间凸轮下固定板2四角上分别设有连接孔，用于与可更换的航天器模块或其支架相连。空间凸轮上固定板和空间凸轮下固定板上与定位导向销4相对处分别设有定位导向孔22、23，定位导向销4可轴向自由滑动的穿设在定位导向孔22、23内。槽轮13外侧的空间凸轮下固定板2上经轴承设有传动轴6，传动齿轮8与被动齿轮12相啮合的设置在空间凸轮下固定板上侧的传动轴6上；伺服电机5固定设置在空间凸轮上固定板和/或空间凸轮下固定板上，伺服电机5经传动装置与传动轴6相连、驱动传动轴6转动，从图中可以看出，所述的传动装置为蜗轮蜗杆传动机构，蜗轮蜗杆传动机构的蜗杆10与伺服电机5输出轴相连、涡轮7与蜗杆10相配合的设置在传动轴6上；传动装置也可以为齿轮传动机构。所述槽轮机构的主动拨盘9与槽轮13相配合的设置在空间凸轮下固定板下侧的传动轴6上，定位导向板14上设有拨盘安装槽，主动拨盘9的底盘一部分位于拨盘安装槽内。

本发明中所述的空间凸轮上固定板1、空间凸轮下固定板2上设有为电气接口及其他部件提供充足的安装空间的通孔。

本发明中所述的槽轮机构中的槽轮13为八槽槽轮，即槽轮13有八个径向设置的拨转槽；所述的传动筒19上端周向均布有四个（径向向外凸出设置的）连接齿板；所述的驱动滑槽为两端在下、中部在上的，呈倒v形的平滑过渡的滑槽。驱动销15的初始位置位于驱动滑槽的一端，伺服电机经传动装置驱动传动轴转动，经传动齿轮、被动齿轮带动空间凸轮在传动筒上转动。主动拨盘9上的圆柱销20进入槽轮的拨转槽之前，空间凸轮上的驱动滑槽16推动驱动销15、带动传动筒和连接齿板轴向向上运动；主动拨盘上的圆柱销20进入槽轮的拨转槽后，圆柱销20通过拨转槽拨动槽轮转动，带动传动筒、连接齿板随同空间凸轮同向转动45°；主动拨盘上的圆柱销20从槽轮的拨转槽脱出后，空间凸轮上的驱动滑槽推动驱动销、带动传动筒和连接齿板轴向向下运动，驱动销的最终位置位于驱动滑槽的另一端。

本发明进一步改进，所述的伺服电机与蜗杆通过梅花形弹性联轴器相连，其可以有效吸收由于电机自激而产生的振动，从而提高了内爪旋转角度的准确性。

本发明进一步改进，所述的空间凸轮上固定板上侧面上与四个连接齿板相对处分别设有与连接齿板相配合的齿板嵌入槽。驱动销位于初始位置时，连接齿板位于齿板嵌入槽内，除定位导向销外、空间凸轮上固定板上侧面为一平整的接合面。

本发明进一步改进，如图1、图6所示，所述的空间凸轮上固定板上侧面中部设有圆环形连接板18，齿板嵌入槽17设置在圆环形连接板18上。驱动销位于初始位置时，连接齿板3位于齿板嵌入槽17内，圆环形连接板上侧面为一平整的接合面，连接后更稳固。

本发明中设有与内爪配合的连接座板27，连接座板27上设有插接通孔28，插接通孔28四周的连接座板上均布有与连接齿板3配合的插入槽口29，内爪上端可由插接通孔28和插入槽口29穿过连接座板27至其上侧。连接座板上与定位导向销4相对处设有与其配合的导向插孔26，定位导向销26上端呈锥状、可在导向插孔26内轴向自由滑动，起到导向、定位的作用。

发明名中所述的上、下为图中各部件的相对上下方向。

本发明在使用时，用螺栓与连接孔配合将空间凸轮上固定板和空间凸轮下固定板与可更换的航天器模块相连。将连接座板安装于航天器主体上，用于与可更换的航天器模块连接处。可更换的航天器模块被运送至与航天器主体连接处，空间凸轮上固定板与连接座板相对（或贴靠），内爪上端与插接通孔28相对、连接齿板3与插入槽口29相对、定位导向销4与导向插孔26相对后，伺服电机正向转动，空间凸轮机构带动内爪和定位导向板14向上运动，定位导向销4与导向插孔26配合起到导向定位作用，连接齿板穿过插入槽口29行至连接座板上侧，此过程槽轮机构处于休止段，槽轮不起作用；随后，槽轮机构配合工作，槽轮机构带动内爪转动、使连接齿板与插入槽口错开；最后，槽轮机构处于休止段，空间凸轮机构再带动内爪向下运动、连接齿板压紧在连接座板上，实现将可更换的航天器模块锁紧连接在航天器主体上。

本发明连接过程仅由一个伺服电机驱动完成，再无其他驱动部件，使其结构更为紧凑，更加节省空间；采用蜗杆蜗轮传动机构来作为运动的输入机构，该结构可以利用蜗杆蜗轮机构的自锁功能实现机械连接的接口防松，同时也使得整个结构更为紧凑。本发明具有机械传动简单、结构紧凑，锁合快速、传动精度高、传动效率高，具备自锁功能，容积占有率低，不易损坏和锁定等优点。

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