一種模塊化可更換抓捕裝置設(shè)計

高艷慧 譚 慶 藺相飛 信義兵 萬志恒

（1.湖南國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湘潭 411207；2.武漢高德紅外股份有限公司，武漢 430071）

在軌維護和維修、在軌加注、在軌功能擴展和軟件升級等在軌服務(wù)任務(wù)，日益成為我國衛(wèi)星發(fā)展的重要任務(wù)[1-4]?？臻g對接機構(gòu)用于實現(xiàn)兩個航天器之間的多次連接、保持連接和分離。捕獲鎖緊裝置是對接機構(gòu)的重要組成?，F(xiàn)有的幾種對接機構(gòu)存在質(zhì)量體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及驅(qū)動動力數(shù)量多等缺點[5-8]。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，提出了一種體積小、質(zhì)量輕、使用一個動力源的模塊化可更換捕獲鎖緊裝置。

1 工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

抱合鎖緊裝置的底板與艙體面板固定連接，左右對稱的限位槽通過螺釘固定在艙體面板上。如圖1所示，抱合鎖緊裝置由蝸輪、蝸桿、蝸桿座、電機、不完全齒輪1、齒輪軸、滑動座、不完全齒輪2、錐齒輪1、擺桿、錐齒輪2、導(dǎo)引塊、錐齒輪3、直齒輪、抱合爪、搖擺座、固定座、彈簧阻尼器、螺母以及防跳銷等組成。

圖1 抱合鎖緊裝置結(jié)構(gòu)

1.2 安裝關(guān)系

固定座、導(dǎo)引塊以及彈簧阻尼器通過螺釘固定安裝在艙體面板上。滑動座通過T形槽安裝在固定座上，可沿固定座的T形槽前后移動。擺桿和搖擺座通過螺釘固定連接在一起。擺桿通過安裝軸和軸承套接在滑動座的安裝孔內(nèi)。擺桿的前端圓柱凸起插入導(dǎo)引塊的導(dǎo)引槽。當(dāng)搖擺座隨滑座一起前后運動時，擺桿和搖擺座在導(dǎo)引槽的帶動下能沿安裝孔轉(zhuǎn)動。直齒輪2和直齒輪通過螺釘固定連接在一起。錐齒輪2和錐齒輪3通過安裝軸套接在搖擺座上，且相互嚙合。電機和蝸桿座通過螺釘固定安裝在滑動座上。蝸桿一端通過軸承套接在蝸桿座的安裝孔內(nèi)，另一端通過聯(lián)軸器與電機主軸固定連接。齒輪軸通過軸承套接在滑動座的安裝孔內(nèi)，可繞其安裝孔轉(zhuǎn)動。錐齒輪1、不完全齒輪1以及蝸輪均通過平鍵固定安裝在齒輪軸上。錐齒輪1與錐齒輪2的齒面相嚙合。不完全齒輪2通過軸承套接在滑動座的安裝孔內(nèi)，且齒面與固定在固定座上的齒條相嚙合。抱合爪通過T形槽安裝在搖擺座上。抱合爪上的齒條結(jié)構(gòu)與直齒輪嚙合，當(dāng)直齒輪轉(zhuǎn)動時，可帶動抱合爪沿T形槽上下滑動。防跳銷套接在滑動座的方孔內(nèi)，尾端與螺母固定連接。在防跳銷上套接有一截圓柱彈簧。該圓柱彈簧一端與防跳銷接觸，另一端滑動座接觸，始終有將防跳銷頂出滑動座的趨勢。該趨勢被防跳銷尾端的螺母所限制。

1.3 動作原理

工作時，電機正轉(zhuǎn)帶動蝸桿、蝸輪、不完全齒輪1以及錐齒輪1依次轉(zhuǎn)動。在蝸輪和不完全齒輪轉(zhuǎn)動51°以前，不完全齒輪1將帶動不完全齒輪2轉(zhuǎn)動。不完全齒輪2與固定座上固定的齒條相嚙合后，將帶動整個滑動座向前移動，使固定座向前運動，將法蘭姿態(tài)歸正。固定座向前移動的這一段距離，擺桿和搖擺座受到導(dǎo)引塊上導(dǎo)引槽的作用將發(fā)生小角度偏轉(zhuǎn)，使抱合爪與法蘭的正接觸面積達到最大。當(dāng)蝸輪和不完全齒輪1轉(zhuǎn)動超過51°且繼續(xù)轉(zhuǎn)動時，不完全齒輪1的圓柱面與不完全齒輪2的凹面相接觸。此時，不完全齒輪1繼續(xù)轉(zhuǎn)動時不完全齒輪2將不再發(fā)生轉(zhuǎn)動。蝸桿帶動蝸輪、不完全齒輪1、錐齒輪1、錐齒輪2、錐齒輪3以及直齒輪依次轉(zhuǎn)動。直齒輪將通過抱合爪上的齒條結(jié)構(gòu)帶動抱合爪向下運動，將法蘭壓緊在滑動座上。在抱合爪帶動法蘭向滑動座運動時，固定在固定座上彈簧阻尼器將對法蘭的運動進行緩沖，防止產(chǎn)生較大的剛性碰撞[9]。

2 仿真結(jié)果及分析

應(yīng)用剛體動力學(xué)仿真軟件建立如圖2所示的剛體動力學(xué)仿真模型。彈簧采用軟件自帶的模型，對艙體面板、導(dǎo)引快與大地施加固定副，活動座與艙體面板施加滑動副，搖擺座與滑動座施加旋轉(zhuǎn)副，蝸輪和不完全齒輪與滑動座施加旋轉(zhuǎn)副，其余各齒輪分別與搖擺座施加旋轉(zhuǎn)副[10-12]。在無重力條件下進行仿真，兩兩接觸的零件施加接觸副，各剛體接觸面摩擦系數(shù)按材料的不同設(shè)置為0.05或0.10不等。

圖2 對接機構(gòu)多剛體動力學(xué)模型

將蝸桿轉(zhuǎn)速設(shè)置為750 r·min-1，仿真結(jié)果如圖3所示。抱合爪在下壓過程中的最大速度為-51.4 mm·s-1，整體上來說速度較為平穩(wěn)，不會對目標(biāo)衛(wèi)星造成較大擾動[13-15]。

圖3 抱合爪速度-時間曲線

搖擺座進行姿態(tài)歸正的時間為0～0.4 s，在此過程中搖擺座最大轉(zhuǎn)動角速度為40 °·s-1，速度較低且轉(zhuǎn)速無較大波動，滿足設(shè)計要求[16]。

3 結(jié)語

在前人研究的基礎(chǔ)上，文章提出了一種模塊化的抓捕裝置方案，裝置質(zhì)量僅為1.4 kg。對方案進行簡單的剛體動力學(xué)仿真分析，結(jié)果表明方案能夠?qū)崿F(xiàn)對空間衛(wèi)星法蘭的抱合歸正和下壓鎖緊兩個功能。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，一個電機就能夠完成多個動力輸出，結(jié)構(gòu)可靠，具備進行工程化的理論基礎(chǔ)。