一种嵌套式耦合圆柱凸轮接口组件及其使用方法与流程

本发明涉及一种机械式可重复连接分离的接口组件，属于航天器模块化接口设计技术领域，特别是一种嵌套式耦合圆柱凸轮接口组件及其使用方法。

背景技术：

随着人类对空间研究、开发与利用的不断深入，模块化设计已成为满足快速响应、延长使用寿命、降低研制和维护成本、减少风险等航天器开发需求的关键技术。接口是模块组合在一起的纽带，是模块间进行物质、能量和信息传输的通道。因此，航天器模块化接口设计引起世界各国的重视。

德国亚琛大学在iboss(intelligentbuildingblocksforon-orbitsatelliteservicing)项目中，提出了五种接口，包括具有独立连接单元的接口、磁性接口、螺纹接口、挂钩接口、卡鞘式接口。其中，卡鞘式接口综合性能最优。本申请属一种卡鞘式接口。

中国专利cn109229432a公开了一种多功能一体化接口组件，该专利基于圆柱凸轮机构原理，可实现二次推进，即一次推进实现两个接口组件连接与锁紧，二次推进实现电、信息、液等接口连接。该类接口组件的主要技术特征如下：

1.接口主动端和接口被动端。主动端的电机运转，实现锁钩和推进面分别伸出的连接动作，被动端则保持静止，等待主动端的连接动作。

2.主动端锁钩的锁紧动作。接口主动端由成套的中心块、锁钩组件和驱动环组件构成。中心块固定在底板上，驱动环上安装有齿轮，由电机带动实现转动。中心块和驱动环上均加工有曲线槽，属于特殊设计的圆柱凸轮。锁钩组件上安装有销轴，销轴可以横跨在中心块和驱动环二者的曲线槽上，实现耦合的装配关系。主动端锁钩在整个过程中执行“旋转上升-水平旋转-旋转下降”的动作流程。

3.主动端推进面的后续推进动作(二次推进)。当锁钩组件完成初步的锁紧动作后，驱动环继续保持转动，驱动环上的销轴将带动推进面上升。由于导向销的限制作用，推进面仅能上升或下降(下降动作由电机反转实现)，推进面上可以根据实际需要安装数据、电气等多种接口。推进面在执行推进动作时，锁钩的锁紧效果不受影响。

4.主动端锁钩的末期锁紧动作。推进面执行完毕推进动作后，各接口保持连接，主动端驱动环继续旋转一小段距离，主动端锁钩则继续下降一个较小的高度，将主动端和被动端的各接口压紧，防止出现意外的分离。

该接口组件工作时，中心块曲线槽固定不动，锁钩上的销轴仅可沿中心块曲线槽前进或后退，因此中心块曲线槽将决定从动件的运动轨迹。驱动环上的曲线槽则和中心块共同作用，形成一个交叉空间，推动锁钩前进，故驱动环和中心块曲线槽将共同决定从动件的运动速度。因此，中心块和驱动环曲线槽设计至关重要。但目前该类耦合圆柱凸轮曲线槽设计研究较少见。先前研究表明，振动、加工误差等原因使耦合圆柱凸轮机构在某些应用情况下存在卡滞等功能失效故障，且此偶然故障无法通过电机逆转进行排除，仅能通过人工拆除重新组装的方式排除故障。文献[1]研究了在中心块曲线槽上增加凸起数量或延长凸起的长度，以降低发生故障的概率。

本发明涉及的参考文献如下：

1.赵宇冲.基于圆柱凸轮机构的机械接口可靠性优化设计[d].大连：大连海事大学,2019；

2.thomasa,kortmannm,schroderk,etal.ibossmodularplug&play-standardizedbuildingblocksolutionsforfuturespacesystemsenhancingcapabilitiesandflexibility,design,architectureandoperations[c].68thinternationalastronauticalcongress(iac),adelaide,2017；

3.cn109229432a一种多功能一体化接口组件。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种能消除卡滞等功能失效现象的嵌套式耦合圆柱凸轮接口组件及其使用方法，在满足全部设计功能的同时达到理想的可靠性指标。

为解决现有接口组件在运转过程中被证实的功能失效，本发明在进行结构设计前进行了多方面的分析，决定采用以下方式解决功能失效的偶然故障：调整现有接口组件中心块和驱动环上曲线槽线型匹配设计，包括形状和参数，并围绕曲线槽的设计内容，对接口组件整体结构进行重新设计。

本发明将接口组件整体的运动流程分解为“锁钩上升-旋转-下降”和“推进面上升”两个传动层级。“锁钩上升-旋转-下降”作为一级传动层级，“推进面上升”作为二级传动层级，一级传动层级与二级传动层级之间完全独立，二者呈嵌套式排布。一级传动执行完毕锁钩的上升-旋转-下降动作后，二级传动再将推进平台向上推动，完成推进平台上电气数据接口的插接。

本发明具体的动作流程如下(如图11所示)：

一级传动流程：一级传动电机启动→锁钩上升→锁钩旋转→锁钩下沉→一级传动电机关闭；

二级传动流程：二级传动电机启动→推进筒上升→二级传动电机关闭。

本发明的曲线槽设计原理如下：

为了方便讨论，将曲线槽的各种基本线型命名为上升段、下降段、平直段、垂直段和变化段。变化段是指在一个较小范围内曲线槽斜率出现了正负号变化，设置变化段的原因是出于加工精度和装置本身存在微小间隙的考虑。设计经验表明：变化段的存在一定程度上会带来从动件运动的不确定性。根据接口设计功能需求，通过中心块、驱动环上的曲线槽线型组合匹配，可以使与两者相关联的锁钩实现期望的确定运动。分析了中心块、驱动环上的曲线槽不同线型组合时是否会发生失效，如表1所示。表中以“√”表示确定的运动；“○”表示不存在这种耦合，若出现则已经发生了故障；“×”表示易功能失效或运动不确定。后两类在设计时应避免。

按照本发明的结构原理，中心块固定在底板上，其曲线槽线型即为锁钩的运动轨迹，驱动环旋转驱动锁钩沿轨迹运动，锁钩每一时刻的速度由中心块和驱动环曲线槽共同决定。在设计曲线槽基本线型时可以先按照锁钩的目标动作进行分解，确定出中心块曲线槽的线型后，再按照表1中可用的组合方式逆向推导出驱动环曲线槽的基本线型。

表1组合方式与发生失效的关系表

针对接口所需的“锁钩上升-旋转-下降”一级传动需求，根据表1中的耦合关系，确定不同动作备选的中心块、驱动环线型组合。以等式形式表示不同动作的备选选项，加号左侧的是中心块曲线槽线型，右侧为驱动环曲线槽线型，等号右侧表示该种组合可执行的运动状态。

上升动作可以分解为：

旋转动作可以分解为：

下降动作可以分解为：

经过排列组合共有2×3×2个线型组合设计方案，其中组合①③①、①③②、②①①、②①②均存在两个线型组合。具体线型组合如图12所示。

剔除由于选择下降动作引入的变化段，最终确定①③②的第二个线型组合作为中心块和驱动环曲线槽的耦合线型，即中心块线型为上平下线型组合，驱动环线型为上垂垂线型组合，如图13所示，该线型组合可确保接口可靠工作，不出现功能失效。

对于二级传动曲线槽线型设计，二级传动仅需完成推进平台上升的动作，因此二级传动由驱动环和推进筒组成。推进筒被三个导向柱限制了自由度，推进筒将只能在z轴方向上升或下降。考虑到推进筒曲线槽需要避开下方的齿轮组，最终确定推进筒的曲线槽线型如图14所示。

本发明的技术方案如下：一种嵌套式耦合圆柱凸轮接口组件，包括主动端和被动端；

所述的主动端包括一级模块、二级模块和主动端底板；所述的二级模块安装在主动端底板上的中心；所述的一级模块安装在主动端底板上的周边；所述的一级模块包括内顶板、一级中心块、锁钩组件、一级驱动环、一级传动组件和一级传动销轴；所述的内顶板安装在三个支撑块顶部，所述的三个支撑块沿周向均匀安装在主动端底板上；所述的一级中心块通过螺栓固定在主动端底板上，所述的一级驱动环嵌套在一级中心块外部的上半段，一级中心块下半段的挡位环限制一级驱动环的轴向移动自由度，使一级驱动环仅能绕中轴线旋转。所述的锁钩组件位于一级中心块和一级驱动环之间，锁钩组件上沿周向均布安装三个一级传动销轴；所述的一级传动销轴一端位于一级中心块的曲线槽内、另一端位于一级驱动环的曲线槽内，形成一级中心块、一级传动销轴和一级驱动环三者之间耦合的运动关系；

所述的锁钩组件为一级中心块和一级驱动环共同驱动的从动件；锁紧过程中，一级中心块保持静止，一级驱动环按顺时针方向转动，带动锁钩组件按预定轨迹前进；解锁过程为锁紧过程的逆过程；

所述的一级中心块的曲线槽线型从坐标0点开始为平直-上升-平直-下降组合；所述的一级驱动环的曲线槽线型从坐标0点开始为上升-垂直组合；

所述的二级模块包括推进筒、导向销、二级驱动环、二级中心块、二级传动组件和二级传动销轴；所述的导向销有三个，沿周向均布安装在主动端底板上，所述的推进筒上沿周向均布三个导向孔，三个导向孔分别套在三个导向销上，所述的二级中心块通过螺栓安装固定在主动端底板的中心，二级中心块通过上边缘挡位环限制二级驱动环的轴向位移自由度，使二级驱动环仅具有绕中轴线旋转的自由度。二级驱动环上沿周向均布安装三个二级传动销轴，二级传动销轴在二级驱动环运转时沿推进筒上的曲线槽运动，由于推进筒被导向销限制了绕中轴线旋转的自由度，仅具备沿轴向移动的自由度，推进筒将向上推进一段距离。推进平台固定在推进筒上，推进平台上预留4个插接口安装位置，用于安装标准化数据插接口和电气插接口。推进平台上的数据插接口和电气插接口通过二级驱动环顺时针旋转带动推进筒上升的方式，与被动端一侧的数据插接口和电气插接口插接；

所述的推进筒曲线槽的线型为平直-上升-平直组合；

所述的一级驱动环与一级传动齿轮固定连接，所述的二级驱动环与二级传动齿轮固定连接；所述的一级传动齿轮和二级传动齿轮分别通过一级传动组件和二级传动组件驱动；所述的一级传动组件与二级传动组件组成相同，均包括电机、电机座、深沟球轴承、轴承端盖和齿轮轴，所述的电机与电机座依次固定在主动端底板的背侧，电机轴直接固定在齿轮轴上，齿轮轴与主动端底板之间安装深沟球轴承，轴承端盖与主动端底板之间通过螺栓固定；所述的一级传动组件与二级传动组件的齿轮轴分别与一级传动齿轮和二级传动齿轮啮合；

所述的被动端包括被动端底板、被动端锁钩和被动端对接面，被动端对接面由沿周向均布的三个支撑座固定在被动端底板上，三个被动端锁钩在被动端对接面朝向被动端底板的一侧沿周向均布在被动端对接面内环的圆周上；在使用中，被动端等待主动端靠近并被锁紧。被动端上的被动端对接面上预留有标准化数据插接口和电气插接口的安装位置。

进一步地，所述的一级中心块的圆柱面展开后曲线槽中心线的方程表示为：

所述的一级驱动环的圆柱面展开后曲线槽中心线的方程表示为：

所述的推进筒的圆柱面展开后，曲线槽中心线的方程为：

所述的推进筒的曲线槽中心线水平总长度为88mm，总高度为14mm，两个平直段水平长度均为9.41mm，两个平直段与上升段过渡处均为r24mm圆角。

一种嵌套式耦合圆柱凸轮接口组件的使用方法，包括以下步骤：

a、锁紧

使用机械臂操控搭载主动端的模块化航天器靠近搭载被动端的模块化航天器。主动端一侧的内顶板与被动端对接面贴合，主动端一侧的导向销起到诱导对接、物理校正的作用。当内顶板表面与被动端对接面表面贴合后，一级模块开始运转，一级传动驱动环带动锁钩组件沿一级中心块上的曲线槽路径前进，在此过程中，锁钩组件执行“旋转上升-水平旋转-旋转下降”的动作，锁钩组件的一级传动销轴运动至一级中心块曲线槽末尾处时，电机停止，完成锁紧动作。

b、推进

当锁紧动作完成后，二级模块开始运转。二级驱动环带动推进筒上升，推进筒上安装有推进平台，推进平台上固定有数据插接口和电气插接口，推进平台上升一段高度后，与被动端对应的数据插接口和电气插接口形成插接，二级驱动环停止运转，完成推进动作。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过调整主动端的传动流程分解成一级传动流程和二级传动流程，并采用双电机驱动。本发明采用两组简单的曲线槽，简化了曲线槽的形状，使其更加可靠，并依据调整后的曲线槽配置其他零件，避免了已有接口组件在某些应用场合中出现的卡滞(功能失效)问题，实现了接口连接功能的运动确定性和可靠性。

2、本发明的主动端与被动端靠近后，主动端一侧的电机运转，带动传动机构执行预定动作，通过一级传动完成锁钩上升-旋转-下降的工作、实现接口主动端与被动端的物理锁紧，之后通过二级传动完成后续推进平台的推进动作实现数据插接口和电气插接口的连接。接口利用电机的正转和反转，可实现多次重复的连接与分离，从而实现航天器在轨组装。

附图说明

图1是本发明的爆炸视图。

图2是本发明的正面组装状态示意图(未显示内顶板)。

图3是本发明的背面电机组装状态示意图。

图4是本发明的正面俯视图(未显示内顶板)。

图5是本发明的一级模块组装示意图。

图6是一级中心块曲线槽展开平面示意图。

图7是一级驱动环曲线槽展开平面示意图。

图8是本发明的二级模块组装示意图。

图9是推进筒曲线槽展开平面示意图。

图10是本发明的被动端组成示意图。

图11是本发明的动作流程示意图。

图12是理论可行线型组合示意图。

图13是本发明可靠的中心块和曲动环曲线槽线型组合示意图。

图14是本发明的推进筒曲线槽尺寸示意图。

图中：1、一级驱动环，2、一级传动销轴，3、锁钩组件，4、一级中心块，5、内顶板，6、一级传动齿轮，7、推进平台，8、推进筒，9、二级中心块，10、二级驱动环，11、二级传动齿轮，12、支撑块，13、导向销，14、主动端底板，15、轴承，16、电机座，17、齿轮轴，18、电机，19、被动端底板，20、被动端对接面，21、被动端锁钩。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1-10所示，一种嵌套式耦合圆柱凸轮接口组件，包括主动端和被动端；

所述的主动端包括一级模块、二级模块和主动端底板14；所述的二级模块安装在主动端底板14上的中心；所述的一级模块安装在主动端底板14上的周边；所述的一级模块包括内顶板5、一级中心块4、锁钩组件3、一级驱动环1、一级传动组件和一级传动销轴2；所述的内顶板5安装在三个支撑块12顶部，所述的三个支撑块12沿周向均匀安装在主动端底板14上；所述的一级中心块4通过螺栓固定在主动端底板14上，所述的一级驱动环1嵌套在一级中心块4外部的上半段，一级中心块4下半段的挡位环限制一级驱动环1的轴向移动自由度，使一级驱动环1仅能绕中轴线旋转。所述的锁钩组件3位于一级中心块4和一级驱动环1之间，锁钩组件3上沿周向均布安装三个一级传动销轴2；所述的一级传动销轴2一端位于一级中心块4的曲线槽内、另一端位于一级驱动环1的曲线槽内，形成一级中心块4、一级传动销轴2和一级驱动环1三者之间耦合的运动关系；

所述的锁钩组件3为一级中心块4和一级驱动环1共同驱动的从动件；锁紧过程中，一级中心块4保持静止，一级驱动环1按顺时针方向转动，带动锁钩组件3按预定轨迹前进；解锁过程为锁紧过程的逆过程；

所述的一级中心块4的曲线槽线型从坐标0点开始为平直-上升-平直-下降组合；所述的一级驱动环1的曲线槽线型从坐标0点开始为上升-垂直组合；

所述的二级模块包括推进筒8、导向销13、二级驱动环10、二级中心块9、二级传动组件和二级传动销轴；所述的导向销13有三个，沿周向均布安装在主动端底板14上，所述的推进筒8上沿周向均布三个导向孔，三个导向孔分别套在三个导向销13上，所述的二级中心块9通过螺栓安装固定在主动端底板14的中心，二级中心块9通过上边缘挡位环限制二级驱动环10的轴向位移自由度，使二级驱动环10仅具有绕中轴线旋转的自由度。二级驱动环10上沿周向均布安装三个二级传动销轴，二级传动销轴在二级驱动环10运转时沿推进筒8上的曲线槽运动，由于推进筒8被导向销13限制了绕中轴线旋转的自由度，仅具备沿轴向移动的自由度，推进筒8将向上推进一段距离。推进平台7固定在推进筒8上，推进平台7上预留4个插接口安装位置，用于安装标准化数据插接口和电气插接口。推进平台7上的数据插接口和电气插接口通过二级驱动环10顺时针旋转带动推进筒8上升的方式，与被动端一侧的数据插接口和电气插接口插接；

所述的推进筒8曲线槽的线型为平直-上升-平直组合；

所述的一级驱动环1与一级传动齿轮6固定连接，所述的二级驱动环10与二级传动齿轮11固定连接；所述的一级传动齿轮6和二级传动齿轮11分别通过一级传动组件和二级传动组件驱动；所述的一级传动组件与二级传动组件组成相同，均包括电机18、电机座16、深沟球轴承15、轴承端盖和齿轮轴17，所述的电机18与电机座16依次固定在主动端底板14的背侧，电机轴直接固定在齿轮轴17上，齿轮轴17与主动端底板14之间安装深沟球轴承15，轴承端盖与主动端底板14之间通过螺栓固定；所述的一级传动组件与二级传动组件的齿轮轴17分别与一级传动齿轮6和二级传动齿轮11啮合；

所述的被动端包括被动端底板19、被动端锁钩21和被动端对接面20，被动端对接面20由沿周向均布的三个支撑座固定在被动端底板19上，三个被动端锁钩21在被动端对接面20朝向被动端底板19的一侧沿周向均布在被动端对接面20内环的圆周上；在使用中，被动端等待主动端靠近并被锁紧。被动端上的被动端对接面20上预留有标准化数据插接口和电气插接口的安装位置。

进一步地，所述的一级中心块4的圆柱面展开后曲线槽中心线(如图6所示)的方程表示为：

所述的一级驱动环1的圆柱面展开后曲线槽中心线(如图7所示)的方程表示为：

所述的推进筒8的圆柱面展开后，曲线槽中心线(如图9所示)的方程为：

所述的推进筒8的曲线槽中心线水平总长度为88mm，总高度为14mm，两个平直段水平长度均为9.41mm，两个平直段与上升段过渡处均为r24mm圆角。

一种嵌套式耦合圆柱凸轮接口组件的使用方法，包括以下步骤：

a、锁紧

使用机械臂操控搭载主动端的模块化航天器靠近搭载被动端的模块化航天器。主动端一侧的内顶板5与被动端对接面20贴合，主动端一侧的导向销13起到诱导对接、物理校正的作用。当内顶板5表面与被动端对接面20表面贴合后，一级模块开始运转，一级传动驱动环带动锁钩组件3沿一级中心块4上的曲线槽路径前进，在此过程中，锁钩组件3执行“旋转上升-水平旋转-旋转下降”的动作，锁钩组件3的一级传动销轴2运动至一级中心块4曲线槽末尾处时，电机18停止，完成锁紧动作。

b、推进

当锁紧动作完成后，二级模块开始运转。二级驱动环10带动推进筒8上升，推进筒8上安装有推进平台7，推进平台7上固定有数据插接口和电气插接口，推进平台7上升一段高度后，与被动端对应的数据插接口和电气插接口形成插接，二级驱动环10停止运转，完成推进动作。

本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。本发明一级传动实现锁钩的连接与锁紧，二级传动完成推进平台上电气数据等接口的插接。在某些仅需实现连接与锁紧的应用场合，仅需使用一级传动功能及机构即可。

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