航天器全向重載轉(zhuǎn)運平臺的設(shè)計

□ 張繼民 □ 吳 錫 □ 石震宇 □ 王文宗

1.天津航天機電設(shè)備研究所 天津 300458 2.天津市宇航智能裝備技術(shù)企業(yè)重點實驗室 天津 300458

1 設(shè)計背景

大型航天器在廠房內(nèi)的轉(zhuǎn)運問題已經(jīng)成為當下研究的熱點。隨著我國航天事業(yè)現(xiàn)代化進程的不斷加快,強大的技術(shù)實力和高效的生產(chǎn)力已成為企業(yè)的核心競爭力。

航天事業(yè)正朝著創(chuàng)新科技化、產(chǎn)業(yè)密集化、航天器重型化的方向不斷推進。單體質(zhì)量在10 t以上的航天器現(xiàn)已常見,如何快速高效地轉(zhuǎn)運超重大型航天器,逐漸為業(yè)內(nèi)所重視[1-2]。

傳統(tǒng)的重載轉(zhuǎn)運車在狹小工作場地中往往失去移動能力,在通過廠區(qū)路口或者小角度拐角時,需要相關(guān)人員在現(xiàn)場指揮調(diào)控,轉(zhuǎn)運車的速度、精度和運輸效率都會受到影響[3]。部分作業(yè)現(xiàn)場對轉(zhuǎn)運車還有一些特殊要求,如在現(xiàn)場能夠?qū)崿F(xiàn)全方位轉(zhuǎn)向移動,要求轉(zhuǎn)運平臺能夠搭載多種其它設(shè)備等。對此,需要研制一種承載能力較強的全方位重載轉(zhuǎn)運平臺,以柔性化、可拓展化的特點解決以上問題[4-5]。

麥克納姆輪是一種全方位輪結(jié)構(gòu),具有運動靈活、控制簡便等優(yōu)勢。對于需要在狹小的空間中移動的轉(zhuǎn)運車而言,選用麥克納姆輪結(jié)構(gòu)具有優(yōu)勢。筆者基于麥克納姆輪技術(shù),設(shè)計了航天器全向重載轉(zhuǎn)運平臺。

2 麥克納姆輪概述

麥克納姆輪結(jié)構(gòu)如圖1所示。在輪緣上斜向分布許多滾輪,這些成角度的滾輪將一部分轉(zhuǎn)向力轉(zhuǎn)化為法向力[6-7]。依靠各自滾輪的方向和速度,這些力最終在任何要求的方向上產(chǎn)生一個合力矢量,從而保證移動平臺在最終合力矢量的方向上能自由移動,且不改變自身的方向,由此麥克納姆輪可以實現(xiàn)橫向滑移。滾輪的母線很特殊,當麥克納姆輪繞著固定的輪轂筒轉(zhuǎn)動時,各個滾輪的包絡(luò)線為圓柱面,所以滾輪能夠連續(xù)向前滾動[8-10]。

麥克納姆輪移動系統(tǒng)一般由四套主動麥克納姆輪組成,可以實現(xiàn)平面三個自由度,即X軸方向平動、Y軸方向平動、繞中心垂軸轉(zhuǎn)動的全方位移動。

每套主動麥克納姆輪都由一臺伺服電機獨立驅(qū)動,通過四套主動麥克納姆輪轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的適當組合,可以完全控制全向移動平臺在平面運動的三個自由度。與普通差動輪相比,麥克納姆輪能產(chǎn)生一個相對于輪體的軸向分力,通過調(diào)節(jié)各套主動麥克納姆輪驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速,形成一個與地面固定坐標系成一定角度的合力,即可實現(xiàn)整個麥克納姆輪移動系統(tǒng)的全方位運動。麥克納姆輪式全向移動平臺的四輪組合及運動分析如圖2所示。圖2中,Fw為滾輪驅(qū)動力,Fa為麥克納姆輪滾動時滾輪受到的軸向摩擦力,Fr為滾輪從動滾動時受到的滾動摩擦力,ω為滾輪轉(zhuǎn)動的角速度,空心箭頭為全向移動平臺運動方向。

▲圖1 麥克納姆輪結(jié)構(gòu)

3 全向重載轉(zhuǎn)運平臺結(jié)構(gòu)

航天器全向重載轉(zhuǎn)運平臺由轉(zhuǎn)運平臺框架、電動升降機構(gòu)、麥克納姆輪移動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成,如圖3所示。全向重載轉(zhuǎn)運平臺額定承載為12 000 kg,采用四套總承載為18 000 kg的主動麥克納姆輪,具有全向移動功能,可以實現(xiàn)在二維平面內(nèi)任意方向的移動,包括直行、橫行、斜行、任意曲線移動、零回轉(zhuǎn)半徑轉(zhuǎn)動等。

▲圖2 麥克納姆輪式全向移動平臺四輪組合與運動分析

4 獨立懸掛技術(shù)

航天器全向重載轉(zhuǎn)運平臺采用單輪獨立懸掛系統(tǒng),確保在任何狀態(tài)下所有車輪均能著地,保證具備良好的驅(qū)動能力,同時保證麥克納姆輪和地面之間有可靠的正壓力。

麥克納姆輪移動系統(tǒng)主要由麥克納姆輪、輪邊減速器、伺服電機等組成,如圖4所示。伺服電機和輪邊減速器為麥克納姆輪移動系統(tǒng)提供動力。筆者選用承載能力強的兩端支撐型麥克納姆輪結(jié)構(gòu),每套麥克納姆輪承載大于4 t,輪徑為590 mm,車寬為300 mm。滾輪外緣包覆超級聚氨酯材料,具有耐磨性、耐腐蝕性和良好的加工性。

5 多輪系設(shè)計

單套麥克納姆輪的承載能力有限,在航天器全向重載轉(zhuǎn)運平臺車身高度受限或麥克納姆輪尺寸一定時,面對更大航天器的運輸,四輪全向重載轉(zhuǎn)運平臺將不能滿足工作要求。另一方面,在實際運輸過程中,部分被運航天器載荷不均勻,質(zhì)心偏移,會加重四輪全向重載轉(zhuǎn)運平臺部分麥克納姆輪的磨損。一旦發(fā)生單個滾輪斷軸的意外情況,將會使整個全向重載轉(zhuǎn)運平臺癱瘓,嚴重時可能導致側(cè)翻等運輸安全事故發(fā)生。

▲圖3 全向重載轉(zhuǎn)運平臺結(jié)構(gòu)

▲圖4 麥克納姆輪移動系統(tǒng)

當四輪全向重載轉(zhuǎn)運平臺不能滿足重載運輸需求時,可以采用添加麥克納姆輪的方法設(shè)計多輪系全向重載轉(zhuǎn)運平臺,來拓展平臺運載功能。由四輪全向重載轉(zhuǎn)運平臺拓展至多輪系的方式有多種,可以增加車身長度和兩側(cè)麥克納姆輪的套數(shù),也可以將兩臺甚至多臺四輪全向重載轉(zhuǎn)運平臺剛性連接,進而合并成一個整體。

八輪全向重載轉(zhuǎn)運平臺舉例如圖5所示。圖5中的虛線框表示全向重載轉(zhuǎn)運平臺的車體,八個實線框表示麥克納姆輪,實線框中的斜線表示滾輪的軸線方向。麥克納姆輪按照單雙號標記,分別排列在全向重載轉(zhuǎn)運平臺的兩側(cè)。

▲圖5 八輪全向重載轉(zhuǎn)運平臺舉例

6 控制系統(tǒng)

航天器全向重載轉(zhuǎn)運平臺控制系統(tǒng)基于M241可編程序控制器、控制器局域網(wǎng)總線設(shè)計,采用72 V、200 A·h磷酸鐵鋰電池組為整車供電。

控制系統(tǒng)主要由驅(qū)動單元、主控單元、人機交互單元、供配電單元組成,用于實現(xiàn)全向重載轉(zhuǎn)運平臺的全向移動、車體電動升降,具有速度控制、定位控制、狀態(tài)顯示、安全保護等功能。控制系統(tǒng)的原理框圖如圖6所示。

▲圖6 全向重載轉(zhuǎn)運平臺控制系統(tǒng)原理框圖

驅(qū)動單元主要由八套直流伺服電機和直流伺服驅(qū)動器組成,通過現(xiàn)場總線接口實現(xiàn)行走、電動升降的調(diào)速和定位功能。主控單元采用M241可編程序控制器,綜合處理全向重載轉(zhuǎn)運平臺各功能單元的工作。接收到人機交互單元的操作指令后,主控單元通過現(xiàn)場總線將運動指令發(fā)送至各伺服驅(qū)動器執(zhí)行,并將位置數(shù)據(jù)和驅(qū)動單元運行狀態(tài)發(fā)送至人機交互單元進行顯示。

人機交互單元主要由手持觸摸屏和操控臺備份按鈕組成,用于將解析后的操作人員控制指令發(fā)送至主控單元,并可在手持觸摸屏上顯示運行狀態(tài)。

供配電單元主要由72 V、200 A·h磷酸鐵鋰電池組、電池管理系統(tǒng)、充電機、開關(guān)、塑殼斷路器、漏電斷路器、直流接觸器、直流-直流開關(guān)電源組成,為全向重載轉(zhuǎn)運平臺提供動力電源和直流24 V控制電源。

7 結(jié)束語

筆者基于麥克納姆輪設(shè)計了航天器全向重載轉(zhuǎn)運平臺,可實現(xiàn)航天器的大范圍、狹小空間精準轉(zhuǎn)運。全向重載轉(zhuǎn)運平臺結(jié)構(gòu)緊湊,負載性能好,各功能系統(tǒng)以模塊形式安裝在平臺上,通用性和可拓展性較強,拆裝維修方便,維護成本較低。全向重載轉(zhuǎn)運平臺是一種新興技術(shù),多年來只在航空、航天領(lǐng)域小范圍應(yīng)用推廣,通過本次全向重載轉(zhuǎn)運平臺的設(shè)計試制,筆者建議可以適當將該技術(shù)推廣至民用領(lǐng)域。