用于桁架在軌裝配的單向觸發(fā)搭接機構(gòu)建模與仿真

許煥賓 ，張敬堯 2，周玉林 2，姚建濤 2，李德勇 3，李京濤

(1.北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094；2.燕山大學機械工程學院，秦皇島 066004；3.北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100190)

1 引言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，大型空間結(jié)構(gòu)不斷增加，由于運載工具所能提供的裝載能力有限，空間重型或大型結(jié)構(gòu)必須在太空實施在軌裝配。從20世紀70年代起，研究機構(gòu)開始探索大型結(jié)構(gòu)在軌構(gòu)建技術(shù)，構(gòu)建方式包括航天員手動或采用輔助裝置裝配、空間機器人裝配，但由于裝配過程的復雜性，截止到目前，大型空間結(jié)構(gòu)在軌組裝尚未實現(xiàn)工程化。

大型空間結(jié)構(gòu)在軌構(gòu)建方法主要分為3種:可展開結(jié)構(gòu)構(gòu)建、太空成型結(jié)構(gòu)構(gòu)建和可直立結(jié)構(gòu)構(gòu)建。其中可直立結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法具有緊湊包裝、可擴展能力強和結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用。

采用模塊化設(shè)計方法，可以降低制造與發(fā)射成本以及裝配任務(wù)的實施難度，使大型空間結(jié)構(gòu)向大規(guī)模擴展，如2010年德國宇航中心(Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt，DLR)提出的iBOSS項目、2011年美國鳳凰計劃提出的細胞化衛(wèi)星技術(shù)均基于模塊化設(shè)計理念。模塊化構(gòu)建方法在大型桁架結(jié)構(gòu)天線的在軌構(gòu)建領(lǐng)域同樣具有廣闊前景。采用模塊化設(shè)計的關(guān)鍵是結(jié)構(gòu)劃分、單元的安裝方式和對安裝接口進行優(yōu)化設(shè)計問題。

采用模塊化搭接可直立結(jié)構(gòu)裝配桁架結(jié)構(gòu)時，需對桁架結(jié)構(gòu)目標子單元進行搭接，即首先將多個桁架接頭依次固定在基座上，在接頭間連接桁架桿，形成子單元桁架結(jié)構(gòu)；然后將上述桁架接頭同步解鎖釋放、脫離基座、并運送至指定位置；最后完成大型結(jié)構(gòu)的分步拼接。NASA蘭利研究中心在早期研制的遙控機器人空間桁架搭接系統(tǒng)中設(shè)計了一種插銷機構(gòu)來實現(xiàn)桁架接頭的固定或釋放。但當需要固定的桁架接頭數(shù)目較大時，為每個接頭單獨配置一個主動驅(qū)動來解鎖會極大地增加復雜度，而采用單一驅(qū)動器依次實現(xiàn)解鎖的方法效率較低，且同步性較差。

本文提出一種單向觸發(fā)實現(xiàn)鎖緊/解鎖功能切換的搭接機構(gòu)，對單向觸發(fā)結(jié)構(gòu)的運動導向曲面進行參數(shù)化設(shè)計，并通過Adams軟件對單向觸發(fā)結(jié)構(gòu)的運動原理進行仿真分析與驗證，為復雜大型桁架結(jié)構(gòu)中搭接機構(gòu)的設(shè)計提供新的思路。

2 工作原理

2.1 組成

單向觸發(fā)搭接機構(gòu)(簡稱搭接機構(gòu))主要由主動部分和被動零件組成，如圖1所示，二者分別安裝在桁架接頭和輔助工裝裝置上。其中，主動部分包括鎖頭部件、運動導向部件、運動復位部件以及桁架接頭轉(zhuǎn)接部件；被動零件與鎖頭部件裝配。

圖1 單向觸發(fā)搭接機構(gòu)Fig.1 One way trigger docking mechanism

2.2 工作原理

主動部分中的運動導向部件分為前端導向零件、后端導向零件和中心鎖柱，中心鎖柱兩側(cè)設(shè)有對稱圓柱突臂，圖2所示中心鎖柱在驅(qū)動力和運動復位部件提供的彈簧力作用下，圓柱突臂依次沿前端、后端導向件運動，后端導向零件設(shè)有高低2個限位位置，用于實現(xiàn)鎖緊與解鎖的切換。

圖2 運動導向部件結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of motion guide part

圖3(a)所示為按照柱坐標進行描述的坐標系，其中，設(shè)中心鎖柱位于后端導向零件的最低位置為運動初始位置，中心鎖柱軸線指向前端導向側(cè)為＋

z

軸，設(shè)圓柱突臂初始位置軸線所指方向為極角

θ

的0°線，則上述兩線的交點為坐標系原點

O

。圖3(b)所示為中心鎖柱沿軸向移動Δ

z

到達位置

O

，并繞

z

軸旋轉(zhuǎn)Δ

θ

時的情況。

圖3 運動導向部件坐標系Fig.3 Coordinate system of motion guide parts

鎖頭部件與被動零件的配合關(guān)系見圖4。其中圖4(a)為被動零件剖視圖，圖4(b)為鎖頭部件結(jié)構(gòu)圖，鎖緊軸與中心鎖柱之間為固定連接，鎖套設(shè)有內(nèi)錐面孔，內(nèi)大外小，因此鎖緊球僅可部分伸出鎖套，但不能整體脫離。圖4(c)為解鎖初始狀態(tài)，鎖緊軸小徑段位于鎖緊球下方。當沿＋

z

向施加外力時，鎖緊軸大徑段將鎖緊球向外側(cè)擠壓至內(nèi)錐面孔處，此時鎖緊球部分暴露于鎖套外部被動部分的凹槽配合，實現(xiàn)鎖緊，如圖4(d)所示。

圖4 鎖頭部件結(jié)構(gòu)與被動零件的配合關(guān)系Fig.4 The matching relationship between the structure of lock head parts and passive parts

中心鎖柱相對導向零件的預(yù)估運動導向關(guān)系如圖5所示。設(shè)中心鎖柱的鎖緊位置的縱坐標值為

z

，

z

為點

A

的縱坐標，

z

＜

z

時為解鎖狀態(tài)，

z

＞

z

時為鎖緊狀態(tài)，

A

到

A

點曲線為中心鎖柱的一個運動周期，運動過程包括解鎖狀態(tài)-＞鎖緊狀態(tài)-＞解鎖狀態(tài)。具體描述如下:①中心鎖柱由初始點

A

(解鎖狀態(tài))出發(fā)，在外部驅(qū)動力的作用下向＋

z

運動；②當運動至

A

點時，中心鎖柱的圓柱突臂與上端導向零件的導向曲面接觸，并沿上端導向零件運動；③當中心鎖柱運動至

A

點(上端導向零件限位位置)時，撤消外部驅(qū)動力，中心鎖柱受彈簧回復力作用沿-

z

運動；④當運動至

A

點時，中心鎖柱圓柱突臂與下端導向零件的導向曲面接觸，并沿下端導向零件運動至

A

點(下端導向零件限位位置)，此時中心鎖柱位于鎖緊位置

z

上方，處于鎖緊狀態(tài)。

A

～A

階段與

A

～A

階段運動過程原理相同，區(qū)別在于

A

點位于鎖緊位置下方，此時實現(xiàn)搭接機構(gòu)的解鎖。

圖5 中心鎖柱運動規(guī)律圖Fig.5 Movement law of central lock pillar

A

點到

A

點坐標確定方法如下:①假設(shè)

A

點位于坐標原點，根據(jù)鎖緊軸各軸段的

z

軸方向長度尺寸，可以計算出鎖緊位置

z

；②設(shè)

A

～A

運動周期內(nèi)轉(zhuǎn)過角度為π，

A

～A

運動周期內(nèi)含有4個導向過程，將4個導向過程平均分配角度，可得到點

A

到

A

點的

θ

值；③為保證鎖緊軸將球形鎖緊珠向外擠壓過程中無導向反力，

A

點的

z

軸坐標值應(yīng)高于鎖緊位置；④根據(jù)鎖緊軸與鎖套的

z

軸方向長度尺寸，可以確定

A

點的最大

z

軸尺寸；⑤中心鎖柱在

A

點位置時，搭接機構(gòu)為鎖緊狀態(tài)，

A

點的

z

軸坐標值應(yīng)高于鎖緊位置，

A

點的

z

軸坐標值應(yīng)位于

A

點與

A

點間，且距離

A

、

A

均有一定距離，以防止中心鎖柱的圓柱突臂與導向零件發(fā)生不必要的碰撞。

A

點到

A

點的確定方法同理。設(shè)

A

點到

A

點坐標如表1所示，其中

A

點、

A

點、

A

點位置影響搭接機構(gòu)的鎖緊/解鎖狀態(tài)，為確定點，其余點為運動過程點，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供尺寸參考，在保證單向觸發(fā)功能的前提下，除

A

、

A

、

A

點以外，點坐標可適當調(diào)整。

表1 中心鎖柱的預(yù)期運動特征點坐標表Table 1 Coordinate table of motion characteristic points of central locking pillar

為保證搭接機構(gòu)可靠使用，中心鎖柱在使用中應(yīng)具有順滑的運動過程與穩(wěn)定的鎖緊狀態(tài)。由于中心鎖柱的運動是通過導向零件的導向?qū)崿F(xiàn)的，故需要將導向零件作為重點零件進行參數(shù)化設(shè)計。

2.3 導向零件參數(shù)化建模設(shè)計

搭接機構(gòu)的單向觸發(fā)功能實現(xiàn)需要建立符合幾何特征、對接原理的運動導向部件幾何模型，需要確定導向零件的設(shè)計參數(shù)。

導向零件應(yīng)能夠滿足如下條件:當中心鎖柱受沿＋

z

的周期性驅(qū)動力和沿-

z

的彈簧力作用時，中心鎖柱在導向零件的導向下，具有確定且唯一的運動方向，且中心鎖柱在相鄰2個運動周期的停止位置分別位于所設(shè)置的鎖緊位置的上端與下端。

導向零件的導向曲面是一個復雜曲面，可通過導向曲線控制導向曲面，導向曲線與導向曲面的關(guān)系如圖6所示。

圖6 導向曲線與導向曲面的對應(yīng)關(guān)系Fig.6 Corresponding relationship between guide parts and guide curves

采用具有良好極值特性和逼近特性的三次多項式函數(shù)對導向曲線進行插值。將中心鎖柱的圓柱突臂簡化為圓，當圓與導向曲線相切時，代表發(fā)生接觸，通過中心鎖柱與導向曲線幾何關(guān)系可大致確定插值點，如表2所示。

表2 未優(yōu)化的導向曲線插值點Table 2 Guide curve interpolation points before optimization

將導向曲線上的

θ

坐標分為間隔為π/180的若干坐標點，使用插值函數(shù)對導向曲線進行插值，并繪制插值曲線，在鎖緊與解鎖位置處繪制與圓柱突臂相切的槽結(jié)構(gòu)，并在通過插值得到的下方導向曲線中將與槽結(jié)構(gòu)相干涉的部分切除，得到未優(yōu)化的導向曲線，如圖7所示。

圖7(a)中，中心鎖柱的圓柱突臂與導向曲線接觸后，圓柱突臂將沿著接觸點的斜率方向繼續(xù)運動，當導向曲線上前一點斜率的絕對值大于后一點，中心鎖柱的圓柱突臂將不會立即與導向曲線的后一點接觸，影響運動的穩(wěn)定性。當導向曲線的插值點僅包括極值點時，會出現(xiàn)上述問題，所以需要對曲線進行優(yōu)化。

圖7 未優(yōu)化的導向曲線圖Fig.7 Unoptimized guide curve

以曲線

B

B

為例，在特征點

B

、

B

間增加一個特征點

B

，

B

點位于

B

點與

B

點的連接直線上方，且

B

的

z

軸坐標不高于

B

。直線

B

B

的斜率大于直線

B

B

的斜率，如圖8所示。由于Matlab三次多項式插值結(jié)果為一條光滑曲線，所以使用

B

、

B

、

B

點作為特征點進行插值，所得到的曲線

C

上各點間也能夠滿足前一點斜率小于后一點斜率。

圖8 補充特征點位置示意Fig.8 Location of supplementary feature points

根據(jù)上述方法，補充導向曲線導向區(qū)域插值點，并將點

B

、

B

、

B

、

B

、

B

的

z

軸坐標值增加10 mm，防止中心鎖柱的圓柱突臂在沿上端導向零件運動過程中，由于碰撞產(chǎn)生的反力改變運動方向，與下端導向零件接觸。優(yōu)化后的導向曲線插值點如表3所示，插值得到的導向曲線如圖9所示。

表3 優(yōu)化后的導向曲線插值點Table 3 Optimized interpolation points of guide curve

圖9 優(yōu)化后的導向曲線圖Fig.9 Optimized guide curve

3 運動仿真驗證

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

將建立好的三維模型導入Adams仿真平臺，如圖10所示:

圖10 仿真模型導入Fig.10 Simulation modeling

在Adams前端導向零件、后端導向零件與中心鎖柱之間添加接觸力(Contact)，并分別添加材料特性，設(shè)置摩擦力，對中心鎖柱設(shè)置驅(qū)動力與彈簧反力，在中心鎖柱圓柱突臂外表面選取中心點作為標記點，用于測量運動過程中的位置變化。外部驅(qū)動施加于輸入零件，輸入零件與中心鎖柱間施加接觸約束，以實現(xiàn)外部驅(qū)動僅輸出沿＋

z

的驅(qū)動力，中心鎖柱沿-

z

的運動驅(qū)動力僅由彈簧反力提供。

將中心鎖柱與后端導向零件解鎖最低位置接觸狀態(tài)設(shè)為初始位置，Adams仿真參數(shù)如表4所示。

表4 Adams運動驗證仿真參數(shù)表Table 4 Table of main simulation parameters

設(shè)置輸入零件的驅(qū)動函數(shù)如式(1)所示:

式中，

v

為外部驅(qū)動沿

z

軸方向速度，

t

為時間，單位s。0～2.6 s為鎖緊階段，4～6.6 s為解鎖階段。其中，0～1.1 s為外部驅(qū)動輸入零件第1次沿＋

z

推動中心鎖柱運動；1.5～2.6 s為外部驅(qū)動零件向-

z

撤出；4～5.1 s為外部驅(qū)動輸入零件第2次沿＋

z

推動中心鎖柱運動；5.5～6.6 s為外部驅(qū)動零件向-

z

撤出。速度驅(qū)動函數(shù)曲線如圖11所示。

圖11 速度驅(qū)動函數(shù)曲線圖Fig.11 Speed driving function curve

3.2 仿真分析

根據(jù)仿真結(jié)果，繪制中心鎖柱標記點的角度-位移關(guān)系圖，如圖12所示，中心鎖柱在鎖止點

A

與解鎖點

A

位置分別位于鎖緊位置的上下兩側(cè)，與圖5中的預(yù)期結(jié)果相同，證明該結(jié)構(gòu)能夠滿足預(yù)期運動。

圖12 Adams柱坐標系θ-z下的仿真路徑圖Fig.12 Simulation path diagram in Adams cylindrical coordinate systemθ-z

由于運動過程中的碰撞為彈性碰撞，在發(fā)生碰撞后會使中心鎖柱短暫的離開導向曲面，以此可以解釋圖中運動軌跡并非光滑曲線。

仿真運動過程如圖13所示:①中心鎖柱由仿真位置1(中心鎖柱運動特征點

A

)開始運動，在外部驅(qū)動的作用下向＋

z

方向運動；②當運動到仿真位置3(中心鎖柱運動特征點

A

)時，中心鎖柱的圓柱突臂與上端導向零件接觸，開始沿上端導向零件的導向曲面運動；③當運動到仿真位置5(中心鎖柱運動特征點

A

)時，中心鎖柱的圓柱突臂到達上端導向零件的限位位置，此時外部驅(qū)動向-

z

撤出，中心鎖柱在彈簧力的作用下，向-

z

方向運動；④當運動至仿真位置7(中心鎖柱運動特征點

A

)時，中心鎖柱的圓柱突臂與下端導向零件的導向曲面接觸，沿下端導向曲面運動，繼續(xù)運動至仿真位置8(中心鎖柱運動特征點

A

)，到達鎖緊位置，完成運動導向部件的鎖緊動作仿真。解鎖動作過程與鎖緊動作過程類似，在此不再贅述。

圖13 仿真運動過程位置示意Fig.13 Position diagram of movement simulation process

輸入零件

z

向位移與中心鎖柱

z

向位移關(guān)系如圖14所示。當中心鎖柱運動到1.95 s時，外部驅(qū)動撤出，速度高于受彈簧作用并沿-

z

運動的中心鎖柱的運動速度，輸入零件與中心鎖柱脫離；運動到3.26 s時，中心鎖柱在彈簧力作用下運動至鎖緊位置，證明搭接機構(gòu)的回程運動過程不需要外部驅(qū)動；運動到4 s時，外部驅(qū)動再次接入，推動中心鎖柱運動離開鎖緊位置并完成解鎖動作。

圖14 輸入零件z向位移與中心鎖柱z向位移關(guān)系圖Fig.14 Relationship between z-direction displacement of input part and z-direction displacement of central lock column

4 結(jié)論

1)本文提出了一種用于桁架裝配的單向觸發(fā)搭接機構(gòu)，該機構(gòu)可以實現(xiàn)多搭接機構(gòu)采用單一觸發(fā)力解鎖的特性，為桁架結(jié)構(gòu)在軌裝配過程中桁架與工裝設(shè)備的多觸點同時解鎖提供了一種新的解決方案。

2)完成搭接機構(gòu)參數(shù)化設(shè)計，對導向運動的實現(xiàn)情況進行仿真，結(jié)果驗證了導向結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，證明其能夠在單向驅(qū)動觸發(fā)下實現(xiàn)被導向零件的唯一確定運動軌跡，并完成解鎖與鎖定狀態(tài)的順次切換。

3)本文主要關(guān)注于所述搭接機構(gòu)的功能與運動特性，仿真參數(shù)為暫定的參考值，后續(xù)會根據(jù)實際工程需要對參數(shù)進行調(diào)整，以防止外界擾動對搭接機構(gòu)造成影響。