太陽翼展開試驗裝置導軌摩擦力自動測量系統(tǒng)設計

許紅亮，王 宏，張永杰，胡 斌，徐 慶

（上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109）

0 引言

太陽翼是衛(wèi)星能源系統(tǒng)的重要組成部分，太陽翼的成功展開與否是關系到衛(wèi)星發(fā)射成敗的關鍵。太陽翼地面裝配生產(chǎn)需搭建展開試驗裝置，模擬太空零重力環(huán)境，驗證太陽翼的釋放、展開及鎖定功能。展開試驗裝置主要由桁架、縱向?qū)к?、橫向?qū)к?、滑車組件和懸掛單元等組成。其中，橫向?qū)к壨ㄟ^帶有滾輪的滑車組件可在縱向?qū)к壣匣瑒樱瑧覓靻卧ㄟ^帶有滾輪的滑車組件可在橫向?qū)к壣匣瑒?。展開試驗裝置存在一些影響展開試驗可靠性的固有因素，包括滑車組件與導軌之間的摩擦力、橫導軌及小車的質(zhì)量、導軌自身變形等。通過對展開試驗裝置的結(jié)構(gòu)運動仿真分析和太陽翼展開試驗結(jié)果進行對比，得出滑車組件與導軌之間的摩擦力影響最大。

針對太陽翼地面零重力展開可靠性驗證，必須對展開試驗裝置導軌摩擦力進行精確、量化測量。若導軌摩擦力測量數(shù)據(jù)不準確，導軌實際摩擦力大于產(chǎn)品展開力矩，將有可能導致太陽翼展開試驗異常。當前，國內(nèi)展開試驗裝置導軌摩擦力主要采用人工手持測力計測量，該測量方法存在如下問題：1）測量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，一致性較差；2）測量結(jié)果不精確，數(shù)據(jù)可信度不高；3）只能測量離散靜態(tài)點，無法進行導軌全程摩擦力測量，測量數(shù)據(jù)離散、不連續(xù)；4）手持測力計方式測量效率低等。

因此，為滿足太陽翼地面零重力展開可靠性驗證，需研制一套精度高、效率高且具有吊掛導軌全行程測量的太陽翼展開試驗裝置導軌摩擦力自動測量系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)功能和原理

太陽翼展開試驗裝置導軌摩擦力自動測量系統(tǒng)的主要功能，是對展開試驗裝置的滑車組件與縱向?qū)к壷g的摩擦力進行高精度、高效率的測量，并得到縱向?qū)к壢谐痰哪Σ亮η€。

展開試驗裝置的桁架和縱向?qū)к壯b調(diào)完成后，將模擬太陽翼的配重連接到滑車組件下方，如圖1所示。當滑車組件沿導軌方向做直線運動時，在豎直方向上受到自身的重力

G

和導軌對滑塊的支承力

F

作用，在運動方向上受到外界施加的驅(qū)動力

F

以及其沿運動相反方向上的滑車阻力

F

作用。當滑車組件在電機的驅(qū)動下沿導軌做勻速運動時，此時滑車組件受力狀態(tài)如圖2 所示。由牛頓經(jīng)典力學定律可知：

圖1 展開試驗裝置Fig.1 Schematic diagram of the deployment test facility

圖2 摩擦力測量原理Fig.2 Schematic diagram of friction measurement

式中：

f

為導軌摩擦力；

F

為滑車驅(qū)動力；

F

為滑車阻力。

滑車組件的前端和后端分別通過轉(zhuǎn)接連接了2個高精度測力傳感器，分別測量出滑車組件兩端的拉力，同時保持滑車組件在測量過程中作勻速運動。將2個力相減，得到導軌的摩擦力，通過計算機數(shù)據(jù)處理可以得到導軌全行程摩擦力——位移曲線。

2 系統(tǒng)方案設計

2.1 系統(tǒng)總體設計

導軌摩擦力自動測量系統(tǒng)由運動控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、測試軟件和機械結(jié)構(gòu)組成，如圖3 所示。

圖3 導軌摩擦力測量系統(tǒng)Fig.3 Schematic diagram of the friction measurement system for guide rail

縱向?qū)к墸ɑ驒M向?qū)к墸┥习惭b了滑車組件，滑車組件下面安裝有太陽翼模擬配重和無線通信模塊。導軌兩端分別固定了幾個定滑輪，電機通過凱夫拉繩牽引滑車組件在導軌上勻速運動?；嚱M件的前端和后端分別連接了2 個測力傳感器，測量時，測力傳感器與在導軌上運動的滑車組件固定，分別測量出由驅(qū)動系統(tǒng)提供給滑車組件的驅(qū)動力

F

和由尾端配重塊提供的控制阻力

F

。拉力傳感器通過傳感器變送器轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號，無線通信模塊對模擬量信號進行濾波等處理后發(fā)送至無線接收模塊，之后無線接收模塊上傳數(shù)據(jù)至計算機，計算機在經(jīng)過進一步的濾波降噪處理后，基于軟件（軟件原理是依據(jù)牛頓經(jīng)典力學定律

f

=

F

-

F

）完成摩擦力的計算。當滑車組件勻速運動時，2 個測力傳感器的測力差值即為摩擦力

f

，由計算機實時處理和顯示出摩擦力-位移曲線，生成測試報告，并將測量數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。

根據(jù)測量原理，滑車組件的運行加速度要盡可能小，所以采用速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，筆記本電腦通過USB 與電機驅(qū)動器通信，實時獲取電機的轉(zhuǎn)速信息，通過PID 算法控制電機平穩(wěn)運行。

通過分析，拉力傳感器若采用電纜供電和傳輸信號，太陽翼模擬配重與滑車組件處于軟連接，電纜在滑車運動過程中會導致滑車組件發(fā)生周期性擺動，從而導致摩擦力曲線震蕩，造成摩擦力測量失真。因此，系統(tǒng)方案采用無線測量方案。

2.2 測量系統(tǒng)設計

測量系統(tǒng)由拉力傳感器、拉力傳感器變送器、無線通信模塊和計算機軟件組成，如圖4 所示。拉力傳感器LRF400 的信號通過配套拉力傳感器變送器CSG110 轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號，由系統(tǒng)級芯片（System on Chip，SOC）微控制器C8051F340 負責采集模擬電壓信號，并進行濾波等處理。由2.4 GHz 無線通信芯片CC2530 組成ZIGBEE 網(wǎng)絡，進行無線互聯(lián)。無線通信模塊將模擬量信號發(fā)送至無線接收模塊，之后無線接收模塊上傳數(shù)據(jù)至計算機。計算機在經(jīng)過進一步的濾波降噪處理后，基于軟件完成摩擦力的計算。當滑車勻速運動時，傳感器的差值即為摩擦力，由計算機實時處理并顯示出摩擦力——位移曲線，并將測量數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。

圖4 無線測力傳感器節(jié)點Fig.4 Schematic diagram of the wireless load cell nodes

2.3 運動控制系統(tǒng)設計

運動控制系統(tǒng)驅(qū)動組件由電機、編碼器、減速器、繩索卷盤等部分組成，如圖5 所示。

圖5 運動控制節(jié)點示意圖Fig.5 Schematic diagram of the motion control nodes

根據(jù)展開試驗裝置相關參數(shù)，滑輪組配重質(zhì)量為0.2 kg，滑車移動速度最大值為0.02 m/s?？紤]定滑輪靜摩擦力（0.3 N）及繩索傳動損失為10%，因此驅(qū)動裝置對繩索牽引力為

式中：

F

為滑車驅(qū)動力；

m

為滑輪組配重質(zhì)量。

繩索繞在驅(qū)動裝置的圈盤上，繩索卷盤直徑為200 mm，因此驅(qū)動裝置輸出扭矩、功率和轉(zhuǎn)速為

式中：

M

為驅(qū)動裝置輸出扭矩；

P

為驅(qū)動裝置輸出功率；

ω

為驅(qū)動裝置輸出轉(zhuǎn)速；

d

為繩索卷盤有效直徑；

V

為滑車組件的運動速度。

驅(qū)動裝置牽引力較大，運動速度較慢，因此適合選一款功率較小的電機與減速機方案。考慮到配重懸掛在空中，必須保證其不會在驅(qū)動裝置斷電故障情況下失速掉落。因此，采用抱閘制動器的方式，避免了因電機斷電、配重拖動電機產(chǎn)生危險的情況。

繩索卷盤直徑200 mm，槽寬30 mm，深度15 mm。直徑1 mm、長6 m 的凱夫拉繩在環(huán)繞卷盤時僅需纏繞10 圈，繩索不會發(fā)生疊加纏繞，不會產(chǎn)生纏繞直徑的變化。滑車組件在導軌上位移

S

可直接由電機轉(zhuǎn)速計算：

式中：

n

為凱夫拉繩在繩索卷盤中的纏繞圈數(shù)；

L

為凱夫拉繩長；

S

為滑車組件在導軌上的運動位移；

t

為滑車組件在導軌上的運動時間。

配重端滑輪組由2 個定滑輪和1 個動滑輪組成。根據(jù)動滑輪的特性，配重運動行程為凱夫拉繩移動行程的1/2，這樣配重運動行程就小于展開試驗裝置凈高，避免配重落地失效。同時2 個定滑輪將凱夫拉繩在遠端拉開，避免繩子由于纏繞而產(chǎn)生測量誤差。同時3 個定滑輪以及滑車匹配件在設計上保證凱夫拉繩的水平性，保證了滑車在運動過程中的水平性，以及電機拉力的方向性，也避免由于繩索不水平而產(chǎn)生的測量誤差。

2.4 測量軟件設計

測量系統(tǒng)上位機軟件主界面如圖6 所示，上位機軟件采用LabVIEW 進行設計，主要完成電機控制、傳感器電信號采集、電信號變換以及數(shù)據(jù)實時顯示存儲功能。主界面主要由3 個區(qū)域組成，分別為測試實時曲線顯示區(qū)（圖6 中的①區(qū)）、程序控制器區(qū)（圖6 中的②區(qū)）、測試控制區(qū)（圖6 中的③區(qū)）。

圖6 軟件主界面Fig.6 Schematic diagram of the main interface of the software

圖6 中的①區(qū)的1.1 為摩擦力-位移的實時曲線繪制，1.2 為滑車前向拉力值實時曲線，1.3 為滑車后向拉力值實時曲線。②區(qū)中的“開始”“停止”按鈕可用于啟動和停止滑車移動；“配置”按鈕可用于配置測量傳感器端口配置、電機端口配置、電機運動參數(shù)配置和測量項目參數(shù)配置等；“生成報告”按鈕可用于自動根據(jù)測試數(shù)據(jù)生成測試報告。③區(qū)中的“滑車復位”按鈕用于自動完成滑車復位。

3 系統(tǒng)試驗驗證

3.1 樣機測試驗證

為了驗證測量系統(tǒng)，對其主要技術指標進行試驗分析。在某衛(wèi)星型號太陽翼展開試驗裝置進行了導軌摩擦力測試，導軌摩擦力自動測量系統(tǒng)樣機如圖7 所示。

圖7 導軌摩擦力測量系統(tǒng)樣機照Fig.7 Pictures of the friction measurement system for guide rail

按照衛(wèi)星型號太陽翼要求進行軟件配置完成后，點擊主界面“開始”按鈕，測試軟件自動控制電機運行，實時采集拉力傳感器輸出，并根據(jù)位移、拉力數(shù)據(jù)實時繪制摩擦力-位移曲線。導軌摩擦力自動測量系統(tǒng)的軟件測試過程如圖8 所示。

圖8 測試過程Fig.8 Test process

采用導軌摩擦力自動測量系統(tǒng)對某衛(wèi)星型號太陽翼展開試驗裝置導軌摩擦力進行測試，為測試自動測量系統(tǒng)相關測量性能，分別采用5 mm/s 的運動速度從導軌的左端到右端和采用20 mm/s 的運動速度從導軌的右端到左端進行自動測量，摩擦力測量結(jié)果如圖9 和圖10 所示。

圖9 5 mm/s 速度時導軌摩擦力-位移曲線Fig.9 Friction-displacement curve of the guide rail at 5 mm/s

圖10 20 mm/s 速度時導軌摩擦力-位移曲線Fig.10 Friction-displacement curve of the guide rail at 20 mm/s

由測試結(jié)果可知：摩擦力曲線啟動階段有1 段波峰，由于電機在啟動時，滑車組件處于加速階段，存在輕微沖擊力；由于太陽翼展開測試不會使用導軌起始段和末尾端，這段摩擦力啟動波峰可忽略不計。通過對同一根導軌進行不同速度的性能測試，測量結(jié)果表明自動測量系統(tǒng)測量重復性良好。太陽翼展開試驗裝置導軌有效行程6 m 范圍內(nèi)摩擦力測量結(jié)果最大值為0.422 5 N，且吊掛導軌摩擦力測量峰值為導軌右端末尾，可根據(jù)導軌摩擦力-位移曲線，定位展開試驗裝置導軌摩擦力峰值位置，并進行精確調(diào)試，保證太陽翼地面零重力展開可靠性。

3.2 對比測試驗證

為驗證導軌摩擦力自動測量系統(tǒng)測試結(jié)果，采用傳統(tǒng)手持測力計測量摩擦力方法和導軌摩擦力自動測量系統(tǒng)摩擦力方法，分別對同一根展開試驗裝置導軌進行導軌摩擦力測量，將速度5 mm/s 時的導軌摩擦力自動測量值與手動測量值進行對比。手動測量方法在導軌上間隔0.5 m 依次用彈簧拉力計緩慢地拉動滑車組件使之勻速運動，拉力計的讀數(shù)即為該速度下的導軌摩擦力大小。摩擦力測量結(jié)果如圖11 所示。導軌摩擦力自動測量系統(tǒng)測量精度主要包括傳感器測量精度、滑車組件晃動、電機運動速度精度和凱夫拉繩傳動摩擦等誤差影響，以上大部分誤差影響分量在信號采集濾波中被消除。手動拉力計測量精度主要包括拉力計測量精度、手持拉力計水平度和拉動運動速度精度等誤差影響，除拉力計測量精度外，其他誤差影響可忽略。因此對比2 種測量方法測試精度均取測量傳感器精度進行比較。測量結(jié)果對比見表1。

表1 導軌摩擦力測量結(jié)果對比Tab.1 Comparison of the friction measurement results of the guide rail

圖11 導軌摩擦力測量結(jié)果Fig.11 Friction measurement results of the guide rail

將采用傳統(tǒng)手持測力計測量摩擦力方法和導軌摩擦力自動測量系統(tǒng)摩擦力測量方法，對相同導軌進行導軌摩擦力測量結(jié)果進行對比，導軌摩擦力自動測量系統(tǒng)的測量結(jié)果測點連續(xù)，可覆蓋全部導軌行程，測量效率更高。根據(jù)測量結(jié)果可直接定位展開試驗裝置導軌需要調(diào)試的位置，并進行精確調(diào)試，縮短太陽翼地面零重力展開試驗的準備周期，以及提高太陽翼地面零重力展開可靠性。

4 結(jié)束語

本文針對太陽翼地面零重力展開可靠性驗證中導軌摩擦力測量問題，研制了一套自動化高精度導軌摩擦力測量系統(tǒng)，實現(xiàn)了自動化、快速、全行程測量太陽翼展開試驗裝置導軌摩擦力。該系統(tǒng)已經(jīng)在多個衛(wèi)星型號太陽翼生產(chǎn)中投入使用，性能穩(wěn)定可靠，提高了衛(wèi)星太陽翼生產(chǎn)效率。該系統(tǒng)方便攜帶，測試方便，具有很強的工程實用性和推廣價值。