懸掛伸縮式自動(dòng)調(diào)平裝置研究

郭 濤 ，薛 淵 ，徐奕柳 ，丁 敏

（1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；2.北京市航天產(chǎn)品智能制造技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100094；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

1 引言

航天器太陽(yáng)翼、天線(xiàn)等產(chǎn)品地面展開(kāi)試驗(yàn)過(guò)程中，為真實(shí)模擬太空零重力環(huán)境下的展開(kāi)過(guò)程，必須對(duì)產(chǎn)品重力進(jìn)行卸載，使其實(shí)現(xiàn)零重力環(huán)境。零重力環(huán)境的實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)以下幾種方式獲得[1]：（1）產(chǎn)品做自由落體運(yùn)動(dòng)；（2）產(chǎn)品做做勻速圓周運(yùn)動(dòng)[2]；（3）對(duì)產(chǎn)品施加平衡力，使其處于自由平衡狀態(tài)[3-4]。二維平面滑軌被動(dòng)式跟隨懸吊法在航天器產(chǎn)品零重力展開(kāi)試驗(yàn)中應(yīng)用最為廣泛[5-7]。相比于其他方法，懸吊法造價(jià)低、成本低、對(duì)時(shí)間無(wú)限制、對(duì)試驗(yàn)對(duì)象的尺寸和重力要求不嚴(yán)格、工程實(shí)施性相對(duì)容易。但是，二維平面滑軌需要一個(gè)大尺度的龍門(mén)架結(jié)構(gòu)平臺(tái)進(jìn)行支撐。龍門(mén)架需占用較大廠(chǎng)房空間，移動(dòng)位置后，平臺(tái)需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的水平度調(diào)整；航天器產(chǎn)品地面展開(kāi)時(shí)要求導(dǎo)軌上懸掛點(diǎn)和產(chǎn)品上懸掛點(diǎn)盡量短，以降低二者隨動(dòng)過(guò)程中的時(shí)間差，不同航天器產(chǎn)品的懸掛點(diǎn)高度不同，而龍門(mén)架高度不易調(diào)整，導(dǎo)致龍門(mén)架支撐的二維平面滑軌適用工況單一。

針對(duì)上述問(wèn)題，提出了一種懸掛升降式的自動(dòng)調(diào)平裝置，可為二維平面導(dǎo)軌提供支撐空間，并實(shí)現(xiàn)高度方向的靈活調(diào)整和水平度的精度調(diào)平，提高航天器產(chǎn)品地面展開(kāi)試驗(yàn)的效率；同時(shí)，因平臺(tái)懸掛在高空中，可節(jié)約地面資源。

2 系統(tǒng)組成

自動(dòng)調(diào)平裝置主要由機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。機(jī)械系統(tǒng)包括天車(chē)、升降機(jī)構(gòu)、預(yù)緊機(jī)構(gòu)、精調(diào)機(jī)構(gòu)、平臺(tái)、傾角傳感器、導(dǎo)軌等組成，如圖1所示。主要完成平臺(tái)在牛腿方向（垂直紙面方向）的移動(dòng)、在豎直平面的升降以及導(dǎo)軌的水平度自動(dòng)調(diào)整等工作?？刂葡到y(tǒng)主要完成對(duì)升降機(jī)構(gòu)和精調(diào)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制等工作。

圖1 機(jī)械系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of Mechanical System

3 功能原理

3.1 平臺(tái)升降

平臺(tái)升降主要由升降裝置實(shí)現(xiàn)。升降裝置包含2部分機(jī)構(gòu)，即鉸接機(jī)構(gòu)和剛接機(jī)構(gòu)組成，具體原理，如圖2（a）所示。剛接機(jī)構(gòu)上端直接焊接在天車(chē)上（D點(diǎn)），下端安裝精調(diào)結(jié)構(gòu)，精調(diào)機(jī)構(gòu)與平臺(tái)之間進(jìn)行虎克鉸接（B點(diǎn)）；鉸接機(jī)構(gòu)上端與天車(chē)進(jìn)行長(zhǎng)銷(xiāo)鉸接（C點(diǎn)）、并通過(guò)彈簧實(shí)現(xiàn)與天車(chē)之間的預(yù)緊連接，下端與平臺(tái)進(jìn)行球鉸連接（A點(diǎn)）。上述連接方式，限制了整個(gè)平臺(tái)在水平方向的平動(dòng)自由度和水平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，平臺(tái)AB只具有升降和豎直平面轉(zhuǎn)動(dòng)等自由度。

在升降過(guò)程中，若鉸接升降機(jī)構(gòu)與剛接升降機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)完全同步，那么平臺(tái)AB左右兩端上下運(yùn)動(dòng)位移一致，平臺(tái)將實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動(dòng)。若不同步，A、B兩點(diǎn)將不等高，升降機(jī)構(gòu)將自動(dòng)成為四連桿機(jī)構(gòu)，如圖2（b）所示。因A、B和C為鉸點(diǎn)，升降機(jī)構(gòu)已釋放了多余的自由度，在不同步的情況下系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞。

圖2 升降原理Fig.2 Hoisting Principle

3.2 水平度精調(diào)

水平度的精調(diào)通過(guò)精調(diào)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，原理如圖3所示。精調(diào)機(jī)構(gòu)由鉸接精調(diào)機(jī)構(gòu)和剛接精調(diào)機(jī)構(gòu)組成。鉸接精調(diào)機(jī)構(gòu)和剛接精調(diào)機(jī)構(gòu)直接與平臺(tái)進(jìn)行虎克連接；通過(guò)橫梁與剛接升降機(jī)構(gòu)下端進(jìn)行錐形軸連接。因A點(diǎn)為球鉸連接，鉸接精調(diào)機(jī)構(gòu)可繞L軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，B1B2也可進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)，使得平臺(tái)在雙精調(diào)機(jī)構(gòu)作用下，能繞A點(diǎn)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)測(cè)量-反解-執(zhí)行的閉環(huán)算法，可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)AB1B2水平度的自動(dòng)調(diào)整。

圖3 水平度精調(diào)原理Fig.3 Fine Tuning Principles of Levelness

3.3 間隙消除

由于設(shè)計(jì)公差、加工誤差的存在，且結(jié)構(gòu)本身存在變形，第1節(jié)臂的外側(cè)與第2節(jié)臂的內(nèi)側(cè)必然存在間隙。為確保裝置工作可靠、水平度調(diào)整滿(mǎn)足精度要求，必須消除升降機(jī)構(gòu)兩節(jié)伸縮臂之間的橫向單側(cè)間隙和縱向單側(cè)間隙。裝置采用彈簧預(yù)緊、滑輪支撐的方式進(jìn)行間隙消除，該方法即可保證機(jī)構(gòu)運(yùn)行的穩(wěn)定性，又可保證部件自身相對(duì)運(yùn)動(dòng)的順暢性。

對(duì)于橫向間隙的消除，原理如圖4（a）所示。裝置停止在指定位置后，天車(chē)及與天車(chē)固連的右側(cè)第1節(jié)臂均看作固定體，左側(cè)的第1節(jié)臂與天車(chē)進(jìn)行鉸接，第1節(jié)臂與第2節(jié)臂之間均通過(guò)2個(gè)滑輪進(jìn)行支撐。在彈簧G的作用下，整個(gè)裝置的各個(gè)鉸接點(diǎn)均有逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，即輪1和輪3分別壓緊左右兩側(cè)的第1節(jié)臂，輪2和輪4分別壓緊左右兩側(cè)的第2節(jié)臂，使得兩節(jié)臂之間的橫向作業(yè)面之間的間隙消除。

對(duì)于縱向間隙的消除，原理如圖4（b）所示。第1節(jié)臂與第2節(jié)臂之間通過(guò)2個(gè)滑輪進(jìn)行支撐，在彈簧F的作用下，輪7壓緊第2節(jié)臂，輪5和輪6分別壓緊第1節(jié)臂的左右兩側(cè)，使得兩節(jié)臂之間的縱向作業(yè)面之間的間隙消除。

圖4 消除間隙原理圖Fig.4 Schematic Diagram for Elimination of Gap

4 運(yùn)動(dòng)分析

4.1 自由度分析

裝置的升降機(jī)構(gòu)和精調(diào)機(jī)構(gòu)均由伺服電機(jī)、減速器和滾動(dòng)絲桿組成，升降和精調(diào)原理，如圖5所示。運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)可看做是由1個(gè)靜平臺(tái)（圖1中天車(chē)）、1個(gè)動(dòng)平臺(tái)（圖1中平臺(tái)）和4個(gè)分支鏈組成。其中A1點(diǎn)為3個(gè)自由度的球面副，A2和A3分別為2個(gè)自由度的虎克鉸，B1和B2分別為2個(gè)自由度的圓柱套筒副，C1、C2和C3分別為1個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)副，D1和D2分別為1個(gè)自由度的移動(dòng)副，總計(jì)10個(gè)運(yùn)動(dòng)副。根據(jù)Grubler-Kutzbach公式[8-9]可進(jìn)行機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算，如下：

式中：n—空間完全不受約束的構(gòu)件個(gè)數(shù)；ui—第i個(gè)運(yùn)動(dòng)副約束的個(gè)數(shù)；g—運(yùn)動(dòng)副個(gè)數(shù)的總數(shù)。

本裝置空間完全不受約束的構(gòu)件數(shù)為9，將其代入公式（1），可得F=4，即動(dòng)平臺(tái)沿著Z方向的平動(dòng)，以及X、Y、Z繞著三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖5 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.5 Kinematic Diagram of Mechanism

4.2 運(yùn)動(dòng)策略

裝置使用過(guò)程中，采用水平移動(dòng)-豎直升降-水平度粗調(diào)-水平度精調(diào)的運(yùn)動(dòng)策略進(jìn)行工作，如圖6所示。

圖6 運(yùn)動(dòng)策略Fig.6 Movement Strategy

具體如下：

（1）裝置上電，天車(chē)水平移動(dòng)帶動(dòng)整個(gè)裝置運(yùn)動(dòng)至指定位置，天車(chē)到位鎖死；

（2）根據(jù)平臺(tái)的高度要求同步調(diào)節(jié)剛接升降機(jī)構(gòu)和鉸接升降結(jié)構(gòu)，平臺(tái)達(dá)到要求高度后，自動(dòng)判讀傳感器在X方向的水平度是否小于0.4mm/m；若小于等于0.4mm/m，剛接升降機(jī)構(gòu)和鉸接升降機(jī)構(gòu)自動(dòng)鎖死；若大于0.4mm/m，自動(dòng)驅(qū)動(dòng)剛接升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行伸縮，直至滿(mǎn)足小于0.4mm/m的要求；升降機(jī)構(gòu)鎖死后，平臺(tái)只剩X、Y軸的旋轉(zhuǎn)自由度；

依據(jù)傳感器在X方向的數(shù)據(jù)和Y方向的數(shù)據(jù)，自動(dòng)驅(qū)動(dòng)精調(diào)裝置開(kāi)始工作，直至平臺(tái)兩個(gè)方向水平度滿(mǎn)足0.04mm/m的要求；精調(diào)裝置到位鎖死，平臺(tái)所有自由度被約束。

5 裝配過(guò)程、試驗(yàn)結(jié)果

5.1 系統(tǒng)裝配

整個(gè)裝置重量約為15t，跨度25m，對(duì)系統(tǒng)裝配提出了很高要求。依據(jù)裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用如下工藝方法進(jìn)行裝配：首先，將天車(chē)吊裝至廠(chǎng)房軌道上；其次，依次吊裝鉸接升降機(jī)構(gòu)和剛接升降機(jī)構(gòu)，并完成與天車(chē)之間的固定；再次，吊裝精調(diào)裝置，并完成與剛接升降機(jī)構(gòu)之間的固定；然后安裝平臺(tái)；最后，安裝彈簧裝置，消除升降機(jī)構(gòu)自身的工作間隙。安裝過(guò)程，如圖7所示。

圖7 安裝過(guò)程Fig.7 Installation Process

5.2 試驗(yàn)結(jié)果

為測(cè)量整個(gè)裝置的穩(wěn)定性和水平度調(diào)節(jié)精度，在導(dǎo)軌上安裝了特制的靶座和靶球，并利用激光跟蹤儀測(cè)量不同時(shí)刻靶球的坐標(biāo)，如圖8所示。天車(chē)以10mm/s的速度運(yùn)動(dòng)，在任意位置停止后，升降裝置運(yùn)動(dòng)至指定高度，然后利用激光跟蹤儀測(cè)量靶球的動(dòng)態(tài)坐標(biāo)，靶球可在60s左右趨于靜止，說(shuō)明整個(gè)裝置具備很強(qiáng)的高度。對(duì)于升降裝置的定位精度，通過(guò)測(cè)量靶球起點(diǎn)與終點(diǎn)的Z方向位移并采用代數(shù)定義法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理獲得。展開(kāi)架進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)，以50mm為間隔依次進(jìn)行采點(diǎn)，得到采集點(diǎn)的Z方向坐標(biāo)，計(jì)算每次采數(shù)時(shí)靶球?qū)嶋H達(dá)到位置與目標(biāo)位置的位置偏差，如圖9所示。最大偏差為0.3mm，間接驗(yàn)證了消除間隙原理的正確性。傾角傳感器安裝在平臺(tái)后，利用激光跟蹤儀進(jìn)行了標(biāo)定，傾角傳感器的顯示數(shù)值可真實(shí)反應(yīng)平臺(tái)的水平度。因此，對(duì)于平臺(tái)的調(diào)平能力，可直接讀取傾角傳感器的數(shù)據(jù)。升降運(yùn)動(dòng)鎖死及精調(diào)機(jī)構(gòu)調(diào)整后，平臺(tái)的傾斜角度，如表1所示。調(diào)姿結(jié)果滿(mǎn)足目標(biāo)值要求。整個(gè)調(diào)姿過(guò)程在5min內(nèi)完成，大大提高了零重力展開(kāi)試驗(yàn)的調(diào)姿效率。

圖8 水平度測(cè)量Fig.8 Measurement of Levelness

圖9 位置偏差Fig.9 Position Deviation

目前，該裝置已在某型號(hào)航天器太陽(yáng)翼展開(kāi)試驗(yàn)中成功應(yīng)用，極大的提高了型號(hào)太陽(yáng)翼安裝工作的效率。

表1 水平度調(diào)節(jié)結(jié)果Tab.1 Results of Levelness Adjustment

6 結(jié)論

（1）提出了一種基于鉸接、剛接的混合式連接的升降方法，可消除機(jī)構(gòu)多余的自由度和約束，具有很高的穩(wěn)定性；（2）提出了一種基于彈簧預(yù)應(yīng)力的消除運(yùn)動(dòng)間隙方法，可實(shí)時(shí)消除作業(yè)面之間的間隙，提高系統(tǒng)的精度指標(biāo)及作業(yè)穩(wěn)定性；（3）相比傳統(tǒng)的零重力卸載平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)高度升降和水平度的自動(dòng)調(diào)整，升降定位精度優(yōu)于0.3mm，水平度的調(diào)節(jié)精度優(yōu)于0.028mm/m；（4）可為同類(lèi)產(chǎn)品的制造提供原理依據(jù)和實(shí)踐參考。