運(yùn)載火箭自動(dòng)加注機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析

黃 鉞,頓向明,山 磊

(1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240；2.上海交通大學(xué)航空與航天學(xué)院，上海 200240；3.常州遠(yuǎn)量機(jī)器人技術(shù)有限公司，江蘇 常州 213164)

0 引言

運(yùn)載火箭推進(jìn)劑加注是火箭發(fā)射前的重要環(huán)節(jié)，也是火箭發(fā)射程序中極具危險(xiǎn)性的環(huán)節(jié)，一旦發(fā)生事故極有可能造成人員傷亡。為提高安全性，減少人工操作所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑加注的自動(dòng)化勢(shì)在必行。

以俄羅斯為代表的“架棲”對(duì)接加注技術(shù)雖然具有對(duì)接及脫落簡(jiǎn)便可靠、操作時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，并具有脫落后再對(duì)接的功能，但其核心屬于剛性裝配技術(shù)，存在環(huán)境適應(yīng)性差、對(duì)箭體吊裝和安放等配套環(huán)節(jié)要求高、裝置本身體積龐大等不足之處[1-2]。以美國(guó)為代表的“架棲”對(duì)接加注技術(shù)對(duì)接及加注的過(guò)程中，加注口與加泄連接器均處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，避免了對(duì)接和加注過(guò)程中由于箭體晃動(dòng)所產(chǎn)生的對(duì)中及隨動(dòng)難度。但使用前需要由人工先將對(duì)接裝置安裝在箭體上，一旦對(duì)接裝置與箭體脫落后則無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)再對(duì)接，同時(shí)，利用箭體發(fā)射所產(chǎn)生的升力進(jìn)行對(duì)接裝置與箭體的強(qiáng)力分離，脫落動(dòng)作缺乏流暢，易對(duì)箭體閥門和貯箱造成傷害[3-5]。我國(guó)已研發(fā)了一套基于SCARA機(jī)械臂的自動(dòng)對(duì)接與脫離機(jī)器人系統(tǒng)[6-7]，這套機(jī)器人系統(tǒng)已經(jīng)過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)證明了其穩(wěn)定性、可靠性和安全性，但也仍具有一定的局限性。

本文擬采用管道機(jī)械臂技術(shù)，研制一套直接以機(jī)械臂作為加注管道的自動(dòng)對(duì)接與加注系統(tǒng)，機(jī)械臂既是機(jī)器人定位跟蹤的載體也是推進(jìn)劑加注管道，加泄連接器安裝在機(jī)械臂末端，作為與箭體連接頭對(duì)接的機(jī)械載體。該機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)塔架與火箭組成的特殊工作環(huán)境。

1 加注機(jī)器人系統(tǒng)

運(yùn)載火箭推進(jìn)劑加注機(jī)器人主要用于火箭發(fā)射前自動(dòng)進(jìn)行加泄連接器與火箭加注口之間的連接、加注和撤收。具體工作流程為：機(jī)器人利用管道機(jī)械臂和定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)箭體連接頭的跟蹤定位，而后利用加泄連接器與箭體連接頭對(duì)接并鎖緊，加注推進(jìn)劑；加注任務(wù)完成后，鎖緊裝置解鎖，管道機(jī)械臂撤收回到初始位置。

加注機(jī)器人系統(tǒng)組成如圖1所示。控制系統(tǒng)進(jìn)行指令收發(fā)，支撐機(jī)構(gòu)、連接與抗傾覆機(jī)構(gòu)、氣缸隨動(dòng)沉降機(jī)構(gòu)和管道機(jī)械臂機(jī)構(gòu)組成加注系統(tǒng)的主體機(jī)械結(jié)構(gòu)，連接器通過(guò)機(jī)械臂機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)位置姿態(tài)調(diào)整和與箭體隨動(dòng)，主要通過(guò)激光雷達(dá)定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)連接器與箭體連接頭的對(duì)中定位。

圖1 火箭推進(jìn)劑自動(dòng)加注機(jī)器人系統(tǒng)

2 管道機(jī)械臂系統(tǒng)

管道機(jī)械臂系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括支撐機(jī)構(gòu)、連接與抗傾覆機(jī)構(gòu)、氣缸隨動(dòng)沉降機(jī)構(gòu)、管道機(jī)械臂機(jī)構(gòu)、加泄連接器以及激光雷達(dá)定位機(jī)構(gòu)。在火箭主體部分設(shè)計(jì)了一款可拆卸的活動(dòng)連接頭，用于與機(jī)械臂上的連接器進(jìn)行對(duì)接。

圖2 管道機(jī)械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 支撐機(jī)構(gòu)

支撐機(jī)構(gòu)如圖3所示，由支撐座、雙導(dǎo)軌和雙滾珠絲杠組成。

圖3 支撐機(jī)構(gòu)

支撐座安裝于塔架，用于整個(gè)裝置的固定，中間空心部分通行與推進(jìn)劑泵相連的金屬軟管。雙導(dǎo)軌承受前端管道機(jī)械臂機(jī)構(gòu)的前傾力矩，每個(gè)導(dǎo)軌上放置2個(gè)滑塊，滑塊與連接和抗傾覆機(jī)構(gòu)通過(guò)螺釘連接。滾珠絲杠機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)管道機(jī)械臂在垂直方向上的精確位移，其頂端采用帶有永磁抱閘的伺服電機(jī)，斷電狀態(tài)下自動(dòng)抱死，可防止斷電狀態(tài)下絲杠螺母因機(jī)械臂重力而下滑。

2.2 連接與抗傾覆機(jī)構(gòu)

連接與抗傾覆機(jī)構(gòu)是連接支撐機(jī)構(gòu)和管道機(jī)械臂機(jī)構(gòu)的中間樞紐，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括連接法蘭、抗傾覆三角架、抗傾覆拉桿、拉力傳感器、拉環(huán)以及加強(qiáng)筋。連接法蘭中部通孔可與回轉(zhuǎn)接頭法蘭經(jīng)通過(guò)螺栓固連，其兩端固定于導(dǎo)軌下部的2個(gè)滑塊上，同時(shí)又與滾珠絲杠螺母座相連，滾珠絲杠可帶動(dòng)其實(shí)現(xiàn)管道機(jī)械臂的垂直位移?？箖A覆三角架兩端與導(dǎo)軌上部2個(gè)滑塊相連，又經(jīng)由加強(qiáng)筋與連接法蘭相連，抗傾覆拉桿通過(guò)軸桿與三角架連接，可繞三角架轉(zhuǎn)動(dòng)，拉環(huán)安置于管道機(jī)械臂首段管道上，通過(guò)拉力傳感器與抗傾覆拉桿連接，整個(gè)抗傾覆機(jī)構(gòu)加強(qiáng)支撐機(jī)構(gòu)和管道機(jī)械臂機(jī)構(gòu)的連接，減輕連接法蘭的壓力，防止管道機(jī)械臂向前傾覆，同時(shí)也可適當(dāng)減小機(jī)械臂末端的下擺位移。力傳感器則是起監(jiān)視判斷作用，在管道機(jī)械臂隨箭體沉降的過(guò)程中通過(guò)檢測(cè)拉力的變化判斷氣缸隨動(dòng)沉降機(jī)構(gòu)是否有效。

圖4 連接與抗傾覆機(jī)構(gòu)

2.3 管道機(jī)械臂機(jī)構(gòu)

管道機(jī)械臂機(jī)構(gòu)是推進(jìn)劑的主要加注機(jī)構(gòu)，由機(jī)械臂管道、回轉(zhuǎn)接頭、電機(jī)、離合器、減速器、齒輪等組成，如圖5所示。

圖5 管道機(jī)械臂機(jī)構(gòu)

4個(gè)機(jī)械臂管道內(nèi)部可流通推進(jìn)劑，回轉(zhuǎn)接頭作為轉(zhuǎn)動(dòng)副在電機(jī)-齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作用下可帶動(dòng)機(jī)械臂在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)以調(diào)整位姿?？紤]到齒輪在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中力矩較大可能會(huì)出現(xiàn)跳齒情況，對(duì)各電機(jī)座進(jìn)行了一定的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。首端電機(jī)座處設(shè)置了4根連桿，2根連桿1使原本的L型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槿切谓Y(jié)構(gòu)，加強(qiáng)了穩(wěn)定性，而2根連桿2對(duì)減速器軸端進(jìn)行了水平約束，可有效約束齒輪的跳齒行為。其余3個(gè)電機(jī)座在回轉(zhuǎn)接頭殼處又加入了1個(gè)直角減速器支架，與直角減速器軸端相連，有效加強(qiáng)了水平約束。

2.4 加泄連接器

加泄連接器通過(guò)法蘭連接安裝于末端機(jī)械臂上，可實(shí)現(xiàn)和箭體連接頭的自動(dòng)鎖緊與脫落，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。3個(gè)小氣缸控制鎖緊件的鎖緊與脫落。前端的導(dǎo)向錐和箭體連接頭上的導(dǎo)向孔配合，輔助對(duì)中定位。非接觸行程開關(guān)可判斷鎖緊件的鎖緊時(shí)機(jī)。當(dāng)加注完成連接器脫落后，端蓋在小氣缸作用下蓋住機(jī)械臂端口，防止黃煙噴出。

圖6 加泄連接器

2.5 氣缸隨動(dòng)沉降機(jī)構(gòu)

氣缸隨動(dòng)沉降機(jī)構(gòu)由氣缸和浮動(dòng)連接頭組成，如圖7所示。

圖7 氣動(dòng)隨動(dòng)沉降機(jī)構(gòu)

氣動(dòng)隨動(dòng)沉降機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)加注過(guò)程中管道機(jī)械臂機(jī)構(gòu)自動(dòng)跟隨箭體沉降。浮動(dòng)連接頭一端與氣缸活塞桿相連，另一端與連接法蘭相連，當(dāng)開始加注推進(jìn)劑時(shí)，滾珠絲杠電機(jī)處于不使能狀態(tài)，管道機(jī)械臂的重力由氣缸內(nèi)的氣壓來(lái)平衡，當(dāng)箭體因注入推進(jìn)劑而發(fā)生沉降時(shí)，機(jī)械臂可自動(dòng)隨之一起沉降。

2.6 激光雷達(dá)定位機(jī)構(gòu)

激光雷達(dá)定位機(jī)構(gòu)位于加泄連接器上方，如圖8所示。雷達(dá)支架通過(guò)法蘭連接固定于末端機(jī)械臂上，激光雷達(dá)經(jīng)雷達(dá)座與電機(jī)軸相連，電機(jī)控制激光雷達(dá)俯仰獲取場(chǎng)景的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從中識(shí)別出箭體連接頭，對(duì)其進(jìn)行定位和姿態(tài)估計(jì)，并反饋給控制部分。通過(guò)在雷達(dá)上安裝IMU估計(jì)雷達(dá)的角速度和線速度，對(duì)雷達(dá)獲取的點(diǎn)云進(jìn)行矯正，消除運(yùn)動(dòng)畸變。

圖8 激光雷達(dá)定位機(jī)構(gòu)

3 有限元模型與分析

3.1 靜力學(xué)模型

在建立有限元模型之前,首先要對(duì)管道機(jī)械臂機(jī)構(gòu)的實(shí)際受力情況進(jìn)行一定的理論分析。因?yàn)橛邢拊治鲇?jì)算結(jié)果的有效程度直接受分析模型與實(shí)際工程結(jié)構(gòu)力學(xué)特性符合程度的影響。在實(shí)際結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上有效地建立簡(jiǎn)化且正確的有限元模型，是保證有限元分析結(jié)果準(zhǔn)確的首要條件[8]。

對(duì)于火箭自動(dòng)加注機(jī)器人的管道機(jī)械臂來(lái)說(shuō)，機(jī)器人對(duì)接時(shí)的外力和加速度沒(méi)有特別要求，管道機(jī)械臂整個(gè)機(jī)構(gòu)受的力只有回轉(zhuǎn)接頭自重、各段管道機(jī)械臂自重、加泄連接器自重、齒輪電機(jī)等自重以及抗傾覆拉環(huán)的拉力。機(jī)械臂在運(yùn)行過(guò)程中位姿不斷變化，受力情況也在變化，當(dāng)各機(jī)械臂完全伸展開時(shí)各部分產(chǎn)生的力矩達(dá)到最大值，在此僅對(duì)此極限情況進(jìn)行有限元分析?？紤]到電機(jī)座、電機(jī)等瑣碎零件質(zhì)量較輕且裝配繁瑣會(huì)影響有限元分析的速度，所以通過(guò)理論計(jì)算將其產(chǎn)生的力矩等效到對(duì)應(yīng)的回轉(zhuǎn)接頭齒輪處，而鎖緊件、激光雷達(dá)等產(chǎn)生的力矩則等效到加泄連接器上。由此建立的自動(dòng)加注機(jī)器人管道機(jī)械臂機(jī)構(gòu)的受力情況如圖9所示。

圖9 管道機(jī)械臂受力示意

由圖9可以看出，整個(gè)管道機(jī)械臂機(jī)構(gòu)在第1段機(jī)械臂處受到1個(gè)拉力F拉(抗傾覆拉環(huán)產(chǎn)生)，在第2、第3、第4個(gè)回轉(zhuǎn)接頭齒輪處受到垂直向下的等效載荷P1、P2、P3(齒輪自重與電機(jī)等等效力之和)，在末端機(jī)械臂處受到1個(gè)集中載荷P4(加泄連接器自重與鎖緊件等等效力之和)。其余部分都只受自身重力。管道機(jī)械臂機(jī)構(gòu)組成一個(gè)類懸臂梁結(jié)構(gòu)。

根據(jù)懸臂梁模型的撓度特點(diǎn)，可知末端機(jī)械臂處變形位移最大。在應(yīng)變作用下，彎矩M和慣性矩I之間的關(guān)系為

(1)

σ為懸臂梁結(jié)構(gòu)的截面正應(yīng)力；y為橫截面上任意一點(diǎn)到中性軸的距離。

對(duì)于機(jī)器人系統(tǒng)組成的圖9的懸臂梁來(lái)說(shuō)，固定端處受的彎矩最大。根據(jù)各關(guān)節(jié)截面形狀大小來(lái)判斷，在抗傾覆拉桿的轉(zhuǎn)動(dòng)軸處會(huì)產(chǎn)生最大彎曲應(yīng)力點(diǎn)。另外，對(duì)于作為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)接頭，依其形狀特點(diǎn)判斷在各部分的內(nèi)圓弧彎曲區(qū)域會(huì)出現(xiàn)最大彎曲應(yīng)力點(diǎn)。就變形位移而言，末端機(jī)械臂末端變形位移達(dá)到最大。對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析的目的，在于計(jì)算結(jié)構(gòu)在載荷作用下的變形與應(yīng)力，以便進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的檢驗(yàn)。

3.2 管道機(jī)械臂機(jī)構(gòu)有限元分析

SolidWorks Simulation主要研究機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到自身重力和外力負(fù)載所出現(xiàn)的反應(yīng)(如應(yīng)力、位移、應(yīng)變和溫度等)，根據(jù)該反應(yīng)可知道機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到負(fù)載影響后的狀態(tài)，進(jìn)而判斷是否符合設(shè)計(jì)要求。一般機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，受的負(fù)載也相當(dāng)多，想要解答必須先簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。對(duì)火箭加注機(jī)器人管道機(jī)械臂機(jī)構(gòu)的分析里,加載的負(fù)載主要有：

a．自由度約束。如圖10所示，左端連接法蘭和抗傾覆三角架均固定，對(duì)其x、y、z方向移動(dòng)自由度進(jìn)行約束。

圖10 自由度約束

b．引力載荷。對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)加載引力從而形成如圖9所示的各重力載荷和等效載荷。劃分網(wǎng)格后運(yùn)行算例，得到整個(gè)管道機(jī)械臂機(jī)構(gòu)在以上負(fù)載作用下的應(yīng)力和變形位移，分別如圖11和圖12所示。

圖11 機(jī)械臂應(yīng)力云圖

圖12 機(jī)械臂變形位移云圖

由圖11可知，管道機(jī)械臂機(jī)構(gòu)的最大應(yīng)力值是167.9 MPa，出現(xiàn)在抗傾覆拉桿的轉(zhuǎn)動(dòng)軸處。就各回轉(zhuǎn)接頭來(lái)看，內(nèi)圓弧彎曲面區(qū)域出現(xiàn)最大應(yīng)力點(diǎn)，其中第2個(gè)回轉(zhuǎn)接頭下部?jī)?nèi)圓弧彎曲區(qū)域應(yīng)力值最大，為43.9 MPa。各段管道機(jī)械臂除法蘭孔達(dá)到50～60 MPa外，其余部分應(yīng)力值均在50 MPa以下。查得常溫下，管道機(jī)械臂機(jī)構(gòu)及抗傾覆機(jī)構(gòu)材料的許用應(yīng)力[σ]>200 MPa，由此可見管道機(jī)械臂機(jī)構(gòu)及抗傾覆機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

由圖12可知，管道機(jī)械臂機(jī)構(gòu)和抗傾覆機(jī)構(gòu)組成的類懸臂梁結(jié)構(gòu)最大變形位移出現(xiàn)在末端機(jī)械臂的末端，為13.6 mm。就整體結(jié)構(gòu)最大彎曲應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)位置、回轉(zhuǎn)接頭最大應(yīng)力出現(xiàn)區(qū)域以及變形位移的情況來(lái)看，有限元分析結(jié)果與上面靜力學(xué)模型分析一致。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)目前我國(guó)推進(jìn)劑加注方式，提出了一種基于管道機(jī)械臂的運(yùn)載火箭自動(dòng)加注機(jī)器人，它是完成推進(jìn)劑加注管道口與火箭箭體上的連接頭自動(dòng)對(duì)接和自動(dòng)加注的工業(yè)級(jí)機(jī)器人。

該機(jī)器人系統(tǒng)可完成對(duì)箭體連接頭的自動(dòng)搜索、加泄連接器與連接頭的自動(dòng)對(duì)中、加注過(guò)程中加泄連接器與箭體隨動(dòng)、加泄連接器自動(dòng)對(duì)接與分離以及加注完成后整個(gè)機(jī)構(gòu)與箭體的自動(dòng)脫離。最終實(shí)現(xiàn)了加注機(jī)器人與火箭定位、對(duì)接、加注、撤收等一系列自動(dòng)化過(guò)程。經(jīng)有限元分析證明,管道機(jī)械臂機(jī)構(gòu)與抗傾覆機(jī)構(gòu)滿足許用應(yīng)力要求,系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性好。