模块与舱段间的连接接口的制作方法

本发明涉及空间飞行器在轨服务与维护技术领域，尤其涉及一种模块与舱段间的连接接口。

背景技术：

在进行空间设施的在轨构建及维修维护的过程中，需要将其分解到子系统，并进一步细化到模块。由于系统结构、材料、空间环境、碎片破坏等原因，模块与舱段间的连接过程中可能导致模块单元出现故障，为了降低在轨服务与维护的复杂度和操作难度、提高在轨构建及维修维护的效率，各模块与舱段间需要具有标准化对接接口实现连接。

现有模块与舱段间的连接接口还存在一些不足，比如质量大、结构复杂、无法实现模块快速的维修或更换、缺乏快速锁紧装置、无法实现可靠地刚性连接、连接后的抗振性与稳定性不高等。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种模块与舱段间的连接接口，以解决现有技术中的模块与舱段间的连接接口存在质量大、结构复杂、无法实现模块快速的维修或更换的问题。

本发明实施例提供了一种模块与舱段间的连接接口，包括：主动接口和被动接口；所述主动接口设置在所述被动接口内部，所述被动接口固定在舱段上，所述主动接口与所述被动接口形成抽屉式结构；

所述连接接口还包括：电气连接口和至少一组螺旋锁紧装置；

所述电气连接口的主动部分设置在所述被动接口的底端，所述电气连接口的被动部分设置在所述主动接口的底端；至少一组所述螺旋锁紧装置的主动部分对称设置在所述被动接口顶端的两侧，至少一组所述螺旋锁紧装置的被动部分对称设置在所述主动接口顶端的两侧；

所述主动接口与所述被动接口通过所述电气连接口电气连接，所述主动接口与所述被动接口通过所述螺旋锁紧装置固定连接。

可选的，所述被动接口包括：框架、多个缓冲块、至少一组导向槽和与每个所述导向槽一一对应的弹簧销，每个所述导向槽的上部均设有导向斜面；

至少一组所述螺旋锁紧装置的主动部分对称设置在所述框架的顶部两侧，所述电气连接口的主动部分与所述框架的底部固定连接，多个所述缓冲块均匀分布在同一圆周上且与所述框架固定连接，至少一组所述导向槽通过所述弹簧销对称固定在框架的两侧面。

可选的，所述主动接口包括：模块、把手标识器、至少一组与所述导向槽对应的导向块和与所述导向块一一对应的定位套；

所述导向块对称设置在所述模块的两侧面，所述定位套与所述导向块固定连接，所述把手标识器固定在所述模块的顶部，至少一组所述螺旋锁紧装置的被动部分对称设置在所述模块的顶部两侧，所述电气连接口的被动部分与所述模块的底部固定连接。

可选的，每个所述螺旋锁紧装置的主动部分包括：主动外壳、驱动电路板、无刷电机、电机转接件、偏心轴、螺钉、深沟球轴承和摆线齿轮减速装置；所述摆线齿轮减速装置包括：大内齿轮、小内齿轮、小外齿轮和大外齿轮；

所述驱动电路板和所述无刷电机均设置在所述主动外壳内部；

所述驱动电路板与所述无刷电机电气连接，所述无刷电机与所述摆线齿轮减速装置串联，所述无刷电机的转子轴与所述偏心轴固定连接，所述无刷电机的转子轴通过所述电机转接件与所述大内齿轮固定连接；

安装在所述偏心轴上的所述小外齿轮、所述大外齿轮、所述大内齿轮和所述小内齿轮的轴线之间均存在偏心距；所述大外齿轮与所述大内齿轮啮合的同时，所述小外齿轮与所述小内齿轮也啮合，所述螺钉与所述小内齿轮固定连接，所述小内齿轮通过所述深沟球轴承径向支撑，所述大内齿轮与所述主动外壳固定连接。

可选的，所述大外齿的齿数小于所述大内齿的齿数，所述小外齿的齿数小于所述小内齿的齿数；所述大外齿轮与所述大内齿轮啮合时的相位，与所述小外齿轮与所述小内齿轮啮合时的相位相差180°。

可选的，每个所述螺旋锁紧装置的被动部分包括：被动外壳、轴向压簧、螺母、至少两个止转钢球、钢球限位、径向压簧、压簧挡板和螺母底板；

所述螺母的外侧均匀设置至少三个导向槽，每个导向槽与至少两个所述止转钢球的一侧接触用于限制拧紧过程中所述螺母的转动；所述止转钢球安装在所述被动外壳的通孔内，所述止转钢球在所述通孔内浮动；

所述止转钢球的另一侧固定所述钢球限位，所述钢球限位的内部固定所述径向压簧的一端，所述径向压簧的另一端设置所述压簧挡板；所述压簧挡板固定在所述被动外壳上；所述轴向压簧设置在所述螺母的顶端，所述螺母的底部设置所述螺母底板。

可选的，所述螺母的底部为球面结构；所述螺母底板上设置球面槽，所述球面槽与所述球面结构的螺母相适应。

可选的，所述电气连接口的主动部分包括：销钉、外框、旋转伸出件、导向柱销、驱动柱销、上压盖、电连接器、连接套、压线环、转轴、驱动桶、端盖、转子、电机座、驱动装置、定子、轴承下盖、角接触球轴承组、浮动支撑、小球、弹簧、固定座、驱动铜套和导向铜套；

所述电机座、驱动装置和定子依次固定连接；所述转子与所述轴承下盖固定连接；所述驱动桶固定在所述电机座上，所述轴承下盖与所述驱动桶固定连接，所述驱动装置、定子和转子均设置在所述驱动桶内；

所述轴承下盖、所述角接触球轴承组和所述端盖依次连接；所述转轴设置在所述角接触球轴承组上；所述浮动支撑固定在所述电机座上；

所述上压盖、所述电连接器、所述小球、所述弹簧、所述固定座、所述连接套和所述压线环依次连接，所述压线环设置在所述转轴上；

所述销钉固定在所述外框上，所述旋转伸出件设置在所述外框内；所述导向铜套设置在所述导向柱销上，所述驱动铜套设置在所述驱动柱销上；

其中，所述驱动铜套在所述驱动柱销上通过轴肩以及轴用弹性挡圈来实现轴向定位；所述旋转伸出件的头部均匀分布至少四个凸台，所述凸台用于对接过程中的定位及锁紧。

可选的，所述驱动装置为超声电机。

可选的，所述旋转伸出件的侧面沿圆周方向均匀分布至少两条凸轮曲线槽；

所述转子的旋转运动通过所述凸轮曲线槽转变成所述旋转伸出件的回转直线运动，所述驱动柱销和所述导向柱销均沿着所述凸轮曲线槽驱动所述旋转伸出件的运动；

所述驱动柱销通过所述驱动铜套与所述凸轮曲线槽接触，所述导向柱销通过所述导向铜套与所述凸轮曲线槽接触。

本发明实施例的模块与舱段间的连接接口与现有技术相比存在的有益效果是：

连接接口主要包括：主动接口和被动接口，主动接口与被动接口形成抽屉式结构，质量小、结构紧凑；连接接口还集成了电气连接口和至少一组螺旋锁紧装置，电气连接口的主动部分设置在被动接口的底端，电气连接口的被动部分设置在主动接口的底端，至少一组螺旋锁紧装置的主动部分对称设置在被动接口顶端的两侧，至少一组螺旋锁紧装置的被动部分对称设置在主动接口顶端的两侧，主动接口与被动接口通过电气连接口电气连接，主动接口与被动接口通过螺旋锁紧装置固定连接，结构简单，体积小，可以对模块进行快速的维修或更换，实现了快速、稳定、可靠地工作。

附图说明

图1是本发明实施例提供的模块与舱段间的连接接口的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的模块与舱段间的连接接口的分体结构示意图；

图3是本发明实施例提供的螺旋锁紧装置主动部分的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的摆线齿轮减速装置结构的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的螺旋锁紧装置被动部分的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的电气连接口的主体示意图；

图7是本发明实施例提供的电气连接口的爆炸示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

参见图1，为本实施例中模块与舱段间的连接接口的结构示意图，本实施例的模块与舱段间的连接接口可应用于空间设施在轨组装、模块更换等服务与维护场合，也可用于地面设施的快速组装与建造等。为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。

本实施例的模块与舱段间的连接接口主要包括：主动接口1和被动接口3；主动接口1设置在被动接口3内部，被动接口3固定在舱段上，主动接口1与被动接口3形成抽屉式结构，结构简单紧凑。

所述连接接口还包括：电气连接口4和至少一组螺旋锁紧装置2。

参见图2，电气连接口的被动部分16设置在主动接口1的底端，电气连接口的主动部分9设置在被动接口3的底端；至少一组螺旋锁紧装置的主动部分5对称设置在被动接口3顶端的两侧，至少一组螺旋锁紧装置的被动部分13对称设置在主动接口1顶端的两侧；主动接口1与被动接口3通过电气连接口4电气连接，主动接口1与被动接口3通过螺旋锁紧装置2固定连接。螺旋锁紧装置2可实现快速紧锁，提高在轨服务与维护的效率。

现有技术中，由于系统结构、材料、空间环境、碎片破坏等原因，可能导致模块出现故障。对于故障模块的维修或更换，则需要一种标准化的模块与舱段间连接接口。但现有模块与舱段间连接接口还存在一些不足，比如质量大、结构复杂、无法实现模块快速的维修或更换、缺乏快速锁紧装置、无法实现可靠地刚性连接、连接后的抗振性与稳定性不高等。因此本实施例提供了一种刚性高、可靠性高、支持高效快速维修更换、集成度高、机电一体化设计的模块与舱段间连接接口，来提高在轨服务与维护的效率。

本实施例的模块与舱段间的连接接口由主动接口1和被动接口3组成，其总体构型形似抽屉结构，质量小、结构紧凑，被动接口3固定在舱段上，主动接口1由辅助机械臂操作实施，同时集成了电气连接口4和至少一组螺旋锁紧装置2，可快速、稳定、可靠地工作，实现在轨模块的维修或更换。

在一个实施例中，参见图2，被动接口3可以包括：框架7、多个缓冲块10、至少一组导向槽6和与每个导向槽6一一对应的弹簧销8，其中，每个导向槽6的上部均设有导向斜面。

至少一组螺旋锁紧装置的主动部分5对称设置在框架7的顶部两侧，电气连接口的主动部分9与框架7的底部固定连接，多个缓冲块10均匀分布在同一圆周上且与框架7固定连接，至少一组导向槽6通过弹簧销8对称固定在框架7的两侧面。

进一步地，本实施例的主动接口1可以包括：模块11、把手标识器12、至少一组与导向槽6对应的导向块15和与导向块15一一对应的定位套14。

导向块15对称设置在模块11的两侧面，定位套14与导向块15固定连接，把手标识器12固定在模块11的顶部，至少一组螺旋锁紧装置的被动部分13对称设置在模块11的顶部两侧，电气连接口的被动部分16与模块11的底部固定连接。

具体的，连接接口可以包括导向块15、导向槽6、框架7、螺旋锁紧装置2、弹簧销8、电气连接口4和缓冲块10等结构。其中，导向槽6对称分布在框架7上，与导向槽6对应的导向块15对称分布在模块11上，定位套14与导向块15固定连接；螺旋锁紧装置的主动部分5对称分布在框架7上，相配合的螺旋锁紧装置的被动部分13对称分布在模块11上；电气连接口的主动部分9与框架7固定连接，电气连接口的被动部分16与模块11固定连接；多个缓冲块10均布在同一圆周上且与框架7固定连接。

同时，在导向槽6的上部设有导向斜面，模块11的两侧设有导向块15。辅助机械臂通过把手标识器12操作对接过程时，导向块15沿导向槽6上部的导向斜面滑入导向槽6内部，通过定位套14与导向槽6上部的导向斜面形成配合，从而减小初始位姿误差，形成高精度定位。

当模块11上的导向块15沿导向槽6下滑时，螺旋锁紧装置的主动部分5与螺旋锁紧装置的被动部分13对准。当模块11继续运动到底部时螺旋锁紧装置的主动部分5伸入螺旋锁紧装置的被动部分13内部，并产生足够的初始轴向压力。接着，螺旋锁紧装置2进行锁紧动作；锁合后，电气连接口的主动部分9伸出与电气连接口的被动部分16的电气连接，可快速、稳定、可靠地工作，实现了维修速度快，提高了故障修复效率。

应理解，本实施例对螺旋锁紧装置2的个数不进行具体限定，可以为1个，可以为一组，也可以为多个，为了保证结构的稳定，螺旋锁紧装置2的个数优选为对称设置的一组。同理，本实施例对导向槽6、导向块15和定位套14的个数也不进行具体限定。

在一个实施例中，参见图3，每个螺旋锁紧装置的主动部分5可以包括：主动外壳19、驱动电路板17、无刷电机18、电机转接件20、偏心轴21、螺钉24、螺钉24和摆线齿轮减速装置；其中，摆线齿轮减速装置包括：大内齿轮22、小内齿轮23、小外齿轮26和大外齿轮27。

驱动电路板17和无刷电机18均设置在主动外壳19内部；驱动电路板17与无刷电机18电气连接，无刷电机18与摆线齿轮减速装置串联，无刷电机18的转子轴与偏心轴21固定连接，无刷电机18的转子轴通过电机转接件20与大内齿轮22固定连接。

安装在偏心轴21上的小外齿轮26、大外齿轮27、大内齿轮22和小内齿轮23的轴线之间均存在偏心距；大外齿轮27与大内齿轮22啮合的同时，小外齿轮26与小内齿轮23也啮合，螺钉24与小内齿轮23固定连接，小内齿轮23通过螺钉24径向支撑，大内齿轮22与主动外壳19固定连接。

可选的，本实施例的螺旋锁紧装置2选用的无刷电机18的参数可以为：额定电压24v，额定扭矩15.32mnm。

可选的，本实施例的大外齿轮27的齿数小于大内齿轮22的齿数，小外齿轮26的齿数小于小内齿轮23的齿数。本实施例的大外齿轮27与大内齿轮22啮合时的相位，与小外齿轮26与小内齿轮23啮合时的相位相差180°。

这种少齿差的摆线齿轮减速装置重点是针对内外摆线齿轮的理论齿廓方程的设计与修形。例如，如图4，大外齿轮27的齿数比大内齿轮22的齿数少1，小外齿轮26的齿数比小内齿轮23的齿数少1，在齿轮啮合时，小外齿轮26上的柱销30与大外齿轮27上的柱销30孔相切，并根据设计的大外齿轮27齿数和小外齿轮26齿数的不同，可以获得不同的传动比。

示例性的，参见图4，本实施例的大外齿29的齿数可以为14，大内齿28的齿数为15，大外齿29的齿廓圆弧半径为2mm，大外齿29的分度圆半径为19mm；小外齿31的齿数可以为13，小内齿32的齿数为14，小外齿31的齿廓圆弧半径为2mm，小外齿31的分度圆半径为15mm。根据所设计双联摆线齿轮齿数，大外齿29轮27齿数为14，小外齿31轮26齿数为13，可以得到减速比为196，可以计算出螺旋锁紧装置2的理论输出力矩为2.94nm，理论输出转速63rpm，即紧锁速度快。

具体的，螺旋锁紧装置的主动部分5的主体结构采用电机驱动与摆线齿轮减速器串联。无刷电机18的转子轴与偏心轴21固定连接，通过电机转接件20与大内齿轮22固定连接，无刷电机18的控制依靠底端驱动电路板17。偏心轴21在安装小外齿轮26与大外齿轮27的轴段的轴线与其他轴段的轴线之间都存在偏心距。大外齿轮27与大内齿轮22啮合的同时，小外齿轮26与小内齿轮23也在啮合，它们之间存在180°的相位差，螺钉24与小内齿轮23固定连接。小内齿轮23通过螺钉24径向支撑，依靠轴承挡圈与端盖作轴向固定。大内齿轮22与外壳固定连接。为保证同轴度的要求，本实施例的偏心轴21上多处使用轴承支撑来实现。

上述实施例的螺旋锁紧装置的主动部分5，采用无刷电机18与摆线齿轮减速装置相结合，无刷电机18驱动偏心轴21旋转，经双联摆线齿轮啮合后产生大扭矩的输出，提高了紧锁速度。

在一个实施例中，参见图5，每个螺旋锁紧装置的被动部分13可以包括：被动外壳33、轴向压簧34、螺母35、至少两个止转钢球36、钢球限位37、径向压簧38、压簧挡板39和螺母底板40。

螺母35的外侧均匀设置至少三个导向槽6，每个导向槽6与至少两个止转钢球36的一侧接触用于限制拧紧过程中螺母35的转动；止转钢球36安装在被动外壳33的通孔内，止转钢球36在通孔内浮动；止转钢球36的另一侧固定钢球限位37，钢球限位37的内部固定径向压簧38的一端，径向压簧38的另一端设置压簧挡板39；压簧挡板39固定在被动外壳33上；轴向压簧34设置在螺母35的顶端，螺母35的底部设置螺母底板40。

可选的，螺母35的底部为球面结构；螺母底板40上设置球面槽，球面槽与球面结构的螺母35相适应。

示例性的，螺旋锁紧装置的被动部分13主要包括螺母35、止转钢球36、轴向压簧34、径向压簧38以及外壳等。如图5所示，螺母35圆周方向上均布设有3个导向槽，每个导向槽与2个止转钢球36配合，可以限制拧紧过程中螺母35的转动；止转钢球36安装在外壳的通孔内，可在通孔内左右浮动，径向压簧保证螺母35在圆周方向上具有一定的浮动量。螺母35后部有轴向压簧34提供拧紧过程中足够的连接预压力。螺母35前端部设计成球面构型，与螺母底板40上球面槽相适应，可以实现一定的角度纠偏。

上述实施例的螺旋锁紧装置2，可以实现接口间快速、可靠的连接锁紧，其摆线齿轮减速装置结构小、重量轻，可以得到较大传动比，在承载能力和传动效率方面比普通减速器更具优势。

在一个实施例中，参见图6和图7，电气连接口4包括：销钉41、外框42、旋转伸出件43、导向柱销44、驱动柱销45、上压盖46、电连接器47、连接套48、压线环49、转轴50、驱动桶51、端盖52、转子53、电机座54、驱动装置(图中未示出)、定子57、轴承下盖58、角接触球轴承组(角接触球轴承58和角接触球轴承59)、浮动支撑60、小球61、弹簧62、固定座63、驱动铜套64和导向铜套65。

电机座54、驱动装置和定子57依次固定连接；转子53与轴承下盖58固定连接；驱动桶51固定在电机座54上，轴承下盖58与驱动桶51固定连接，驱动装置、定子57和转子53均设置在驱动桶51内；轴承下盖58、角接触球轴承组和端盖52依次连接；转轴50设置在角接触球轴承组上；浮动支撑60固定在电机座54上；上压盖46、电连接器47、小球61、弹簧62、固定座63、连接套48和压线环49依次连接，压线环49设置在转轴50上；销钉41固定在外框42上，旋转伸出件43设置在外框42内；导向铜套65设置在导向柱销44上，驱动铜套64设置在驱动柱销45上；其中，驱动铜套64在驱动柱销45上通过轴肩以及轴用弹性挡圈来实现轴向定位；旋转伸出件43的头部均匀分布至少四个凸台，凸台用于对接过程中的定位及锁紧。

电气连接口4还可以包括垫片55。垫片55设置在定子56与电机座54之间，减少摩擦，保护结构。

可选的，本实施例的驱动装置为超声电机。电气连接口4采用超声振子直接驱动转子53，再由转子53带动凸轮槽执行机构旋转，驱动连接端子伸出，实现插拔动作，速度快，且工作稳定。

可选的，旋转伸出件43的侧面沿圆周方向均匀分布至少两条凸轮曲线槽。本实施例前期多条凸轮曲线对比分析，最终采用如图形式的非奇异凸轮曲线。示例性的，凸轮曲线由驱动曲线和导向曲线组成，共两组，在旋转伸出件43的圆周面上均布。旋转伸出件43上有柱销，通过驱动曲线将运动传递到旋转伸出件43上，旋转伸出件43上的柱销塞入支撑固定件对运动进行一定的导向，整个运动过程共有三个阶段，上升、旋转、拉回。

转子53的旋转运动通过凸轮曲线槽转变成旋转伸出件43的回转直线运动，驱动柱销45和导向柱销44均沿着凸轮曲线槽驱动旋转伸出件43的运动；驱动柱销45通过驱动铜套64与凸轮曲线槽接触，导向柱销44通过导向铜套65与凸轮曲线槽接触。

具体的，本实施例的电气连接口4的主被动部分采用同构式设计。采用超声振子直接驱动转子，再由转子53带动凸轮槽执行机构旋转，驱动电连接器47伸出，实现插拔动作。为减小质量与体积，驱动装置由超声电机作为驱动源，其利用压电陶瓷激发超声频率的振动作动力源，输入的电能在压电陶瓷上产生电势能并在逆压电效应作用下转化成应变能，定子56在共振现象下进一步转化为转子53的机械动能输出。超声电机具有结构简单、响应快、噪音低、断电自锁、无磁场干扰、控制精度高等优点，另外还具有耐低温、真空等适应太空条件的特点，在航空航天领域运用广泛。

进一步地，转子53与轴承下盖57固定连接，轴承下盖57与驱动桶51固定连接，驱动桶51与外框42之间依靠角接触球轴承组径向支撑和轴向限位，转子53的旋转运动通过凸轮传动机构转变成旋转伸出件43的回转直线运动。驱动柱销45的主要作用是沿着凸轮曲线槽驱动旋转伸出件43的运动。驱动柱销45不与凸轮曲线槽直接接触，其通过驱动铜套64来实现驱动柱销45在曲线槽内的接触。其中，驱动铜套64在驱动柱销45上通过轴肩以及轴用弹性挡圈来实现轴向定位，驱动铜套64与驱动柱销45间是滑动接触，驱动铜套45在曲线槽内也是滑动接触，可以减小摩擦。

本实施例的旋转伸出件43是整个电气连接口4的关键零件，承担着主被动对接的重任。零件沿圆周方向均布有两条驱动曲线槽，驱动柱销45以及导向柱销44沿着凸轮曲线槽产生相应的运动，旋转伸出件43的头部均匀分布四个类似于“花瓣”的凸台，用于对接过程中的定位及锁紧。

上述实施例的电气连接口4，采用超声驱动，具有结构简单、响应快、噪音低、断电自锁、无磁场干扰、控制精度高等优点；再由转子53带动凸轮曲线槽执行机构旋转，采用非奇异凸轮曲线，可一次实现上升、旋转、拉回的动作。

上述实施例，模块与舱段间的连接接口采用质量小、结构紧凑的抽屉式结构设计，集成螺旋锁紧装置2、电气连接口4，可实现快速、稳定、可靠地工作；螺旋锁紧装置2可以实现接口间快速、可靠的连接锁紧，其采用的摆线齿轮减速装置结构小、重量轻，可以得到较大传动比，在承载能力和传动效率方面比普通减速器更具优势；电气连接口4采用超声驱动，具有结构简单、响应快、噪音低、断电自锁、无磁场干扰、控制精度高等优点，再由转子53带动凸轮槽执行机构旋转，采用非奇异凸轮曲线，可以一次实现上升、旋转、拉回的动作。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。