[发明专利]基于尺寸链的圆柱凸轮接口优化设计方法及其结构

说明书

本发明提供一种基于尺寸链理论和遗传算法的圆柱凸轮式机械接口失效分析和优化设计方法，对曲线槽尺寸链进行了计算，找到引起失效的设计因素，通过遗传算法优化尺寸，最后通过蒙特卡洛模拟对已有圆柱凸轮式机械接口和本发明进行了可靠性计算，计算结果显示本发明容差能力极强，运动可靠，并提出了对应的优化结构。

技术领域

本发明涉及航天器模块化接口设计技术领域，具体而言，尤其涉及机械式可重复连接分离的接口组件，圆柱凸轮接口组件的优化设计方法及其结构。

背景技术

随着人类对空间研究、开发与利用的不断深入，航天器模块化设计成为满足快速响应、延长使用寿命、降低研制和维护成本等航天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，接口标准化是模块化设计和在轨组装的关键，引起世界各国的重视。

德国亚琛大学提出了iBOSS(intelligent Building Blocks for On-OrbitSatellite Servicing)项目，提出了五种接口方案：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，卡鞘式接口性能最优。

本申请基于专利公开号CN109229432A一种多功能一体化接口组件这一类卡鞘式接口设计原理，进行改进并提出对应的优化方法。

专利公开号CN109229432A的技术方案中的圆柱凸轮式机械接口通过曲线槽和销轴的间歇配合完成锁紧动作；其核心机构如图1所示，包括：推进筒(1)、驱动环(2)、外销轴(3)、锁钩(4)、内销轴(5)和中心块(6)。

该机构通过电机驱动驱动环匀速转动，驱动环带动内外销轴和曲线槽配合完成锁钩上升-回转-下降的锁紧动作以及推进筒的二次推进动作。接口装置的工作过程可以分解成几个串联的序列动作，也可以看做是一系列间歇动作，如图2所示。

这一系列动作可分为六个步骤：

(1)销轴在两个曲线槽上升段的作用下上升；

(2)销轴在两个曲线槽平直段高度差的作用下被推上中心块平直段；

(3)销轴受到中心块平直段凸起的阻挡而渡过驱动环平直段；

(4)销轴在驱动环平直段末端的阻挡下越过凸起；

(5)销轴在两个曲线槽下降段的作用下下降；

(6)销轴进入驱动环最后一个平直段，销轴停留在中心块下降段的锁紧位置，驱动环外销轴完成二次推进动作阶段。

圆柱凸轮式机械接口设计面临以下问题：当主动端锁钩执行锁紧动作的“水平旋转”阶段时，锁钩组件有小概率因为外界振动等因素影响，导致锁钩组件上的销轴未进入期望的曲线槽区间中。这会引发装置出现卡滞(功能失效)，无法执行后续的其他连接动作，且无法通过电机反转自行排除，这显然不符合该类产品的使用场景对装置性能的要求。

经过分析该接口装置曲线槽尺寸链在销轴上升阶段、下降阶段以及二次推进阶段，销轴受力连续，动作连贯；但是在回转阶段销轴间歇受力，运动存在不确定性，加工尺寸的误差累积以及销轴在曲线槽中的振动等可能会引起接口装置的失效现象，即销轴卡死在曲线槽中。有两种失效类型如图3所示。

本专利提出了一种基于尺寸链的圆柱凸轮式机械接口优化设计方法及其结构，接口工作可靠。接口包含主动端和被动端，在应用时成对使用。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，完成锁钩锁紧和后续推进动作。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。

发明内容