太陽翼慣量連續(xù)可調(diào)模擬裝置設計

孔繁征 杜江山 黃鐵球*

（北京交通大學機械與電子控制工程學院，北京 100044）

Sada 電機作為帆板展開的驅(qū)動力矩輸出機構，對其力矩進行有效控制是影響帆板順利展開的核心因素。該驅(qū)動力矩受帆板展開過程的動力學特性影響較大，因此開展剛性太陽帆板展開過程中力學動態(tài)特性的全物理仿真試驗，需要準確模擬裝置慣量的連續(xù)變化。

為測試真實Sada 電機在驅(qū)動剛性太陽帆板展開過程中的力學特性，本文設計了一種太陽翼慣量連續(xù)調(diào)整的模擬裝置，給出了剛性太陽帆板慣量可調(diào)模擬裝置的功能、總體結構設計、關鍵部件結構設計、慣量連續(xù)變化及加速變化功能的實現(xiàn)方法等關鍵設計環(huán)節(jié)。同時基于Sada 電機在工作時與單軸氣浮臺同軸度高的技術難點，對關鍵零件設計要求，加工技術要求，以及安裝調(diào)試工藝方法進行了重點設計說明。

1 模擬裝置結構及功能

太陽翼慣量連續(xù)調(diào)整模擬裝置如圖1 所示。1- 單軸氣浮平臺；2- 慣量模擬裝置；3- 驅(qū)動機構；4- 測力裝置；5- 電機連接柱；6- 連接架；7- 伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)；8- 配重砝碼；9- 桁架式龍門架。單軸氣浮臺實現(xiàn)對慣量模擬裝置重力卸載，慣量模擬裝置模擬剛性太陽帆板的真實慣量，驅(qū)動機構作為帆板展開時的驅(qū)動力也是實驗被測試的目標，測力裝置測量帆板展開過程中驅(qū)動機構力的變化，電機連接柱用于驅(qū)動機構與測力裝置連接，連接架作用是把驅(qū)動機構安裝到桁架式龍門架上，伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)是實現(xiàn)慣量連續(xù)可調(diào)、加速移動的驅(qū)動裝置，配重砝碼用于調(diào)整慣量模擬裝置的慣量，桁架式龍門架作為系統(tǒng)外設備主要功能是驅(qū)動機構固定裝置，需要有足夠剛性。

圖1 模擬裝置結構示意圖

Sada 電機有A、B兩個軸，測試A軸時通過連接盤與電機連接柱連接。測試B軸時，更換連接盤與電機連接柱連接。使用Sada 電機A 軸驅(qū)動模擬剛性太陽帆板展開過程時，測量Sada 電機在慣量勻速變化時的驅(qū)動力的變化。使用Sada 電機B 軸驅(qū)動模擬剛性太陽帆板展開過程，測量Sada 電機在慣量加速變化時的力學動態(tài)特性。

2 模擬裝置總體結構設計

2.1 慣量模擬裝置設計

采用對稱懸臂結構形式，懸臂結構采用Q235 方鋼管材。如圖2 所示，由安裝底座、固定方箱、懸臂梁、直線滑軌、質(zhì)量承載架等組成。安裝底座與固定方箱采用焊接方法，懸臂梁與固定方箱使用螺栓連接，其目的是避免焊接帶來的應力變形影響對稱度。

圖2 慣量模擬裝置

2.1.1 安裝底座設計

為保證與單軸氣浮臺安裝同心，安裝底座設計成圓形，安裝孔與氣浮臺安裝螺紋孔在同一分度圓上，圓形安裝底座使用數(shù)控銑床精確加工確保安裝孔位置度準確。為確保懸臂梁中心對稱，安裝底座設計了與固定方箱尺寸相同的方孔。

2.1.2 固定方箱設計

固定方箱是懸臂梁安裝的基座，固定方箱采用鋼板焊接而成，四角使用三角板進行加強增強抗扭轉能力，下方開孔用于測力裝置傳輸線出孔口。焊接成型后對外形進行加工保證與安裝底座孔尺寸一致；在固定方箱兩側使用數(shù)控銑床進行定位加工安裝懸臂梁的螺紋孔，以達到懸臂梁安裝后的對稱性，同時加工用于同步齒帶通過的長孔。

2.1.3 懸臂梁設計

懸臂梁是承載質(zhì)量產(chǎn)生慣量主要部件，主梁使用Q235方管，根部使用鋼板焊接，在根部加斜支撐提高加載時其抗彎曲能力，從而使塊滑在直線滑軌上滑移順暢。根部鋼板在數(shù)控銑床上打孔定位，保證與固定方箱連接時位置準確。主梁在數(shù)控銑床上定位直線滑軌安裝孔位，以保證加載質(zhì)量沿主梁中心線移動，避免質(zhì)心偏移產(chǎn)生力矩干擾，影響測試精度。

2.1.4 承載架設計

承載架由上下板、側板、U型支架和螺桿組成。下板與側板采用螺栓連接，便于安裝與調(diào)整。上下板中心加工螺紋孔用于安裝螺桿以固定質(zhì)量砝碼，沿中心線按滑塊安裝孔尺寸加工安裝孔用于安裝滑塊。側板中間加工有螺紋孔用于定點測試時固定載荷。

2.1.5 直線滑軌選擇

在慣量調(diào)節(jié)過程中為減少摩擦引入新的干擾力矩，使用直線滑軌作為滑移軌道。直線滑軌有承載力大，摩擦系數(shù)小的特點，其摩擦系數(shù)≤0.01。慣量調(diào)節(jié)砝碼上下對稱加載，全部載荷通過承載架作用在直線滑軌滑塊上。

2.2 驅(qū)動模塊設計

驅(qū)動機構由Sada 電機A 軸和B 軸、電機掛架、桁架連接板、A軸輸出連接盤、B軸輸出連接盤組成。其中Sada 電機A軸和B軸為被測目標。

Sada 電機是驅(qū)動測試剛性太陽電池帆板展開的動力源，其接口精度高，在安裝時不允許因傾斜和不同軸引起外力矩干擾影響測試精度。

為保證Sada 電機輸出軸與電機連接柱保持高度同軸設計了A 軸輸出連接盤、B 軸輸出連接盤，連接盤與Sada電機輸出軸采用小過盈配合，連接盤采用鋁合金2A12 材料，其目的是在裝配時避免對對Sada 電機產(chǎn)生損壞，同時對連接盤端面的平面度、平行度進行約束。

電機掛架、桁架連接板均采用鋁合金2A12 材料，在數(shù)控銑床加工時一次定位，保證兩面的平面度和平行度，防止安裝時出現(xiàn)傾斜。

2.3 測力模塊設計

測力裝置是測量Sada 電機A 軸和B 軸在慣量勻速變化和加速變化時數(shù)據(jù)的輸出裝置。安裝時必須與單軸氣浮臺同心。測力裝置由多元測力計、多元測力計安裝板、芯軸組成。

多元測力計安裝板用于保證多元測力計中心與單軸氣浮臺同心，多元測力計安裝板采用鋁合金2A12 材質(zhì)。首先對多元測力計外形尺寸進行精確測量，依據(jù)測量尺寸在多元測力計安裝板上加工一個凹槽，與多元測力計外形尺寸采用小過盈配合，多元測力計安裝板加工有中心孔用于與氣浮臺安裝時同心，中心孔倒角便于裝配時對中，同時加工安裝多元測力計的螺紋孔和與單軸氣浮臺連接的沉頭孔。多元測力計安裝板使用數(shù)控銑床一次定位加工以保證中心孔的位置度和上下面的平面度與平行度。

芯軸與多元測力計安裝板中心孔和單軸氣浮臺中心孔采用小過盈配合，芯軸采用鋁合金2A12 材質(zhì)，中心加工有螺紋孔，便于安裝及實驗結束后取出，兩端倒角用于多元測力計安裝板和單軸氣浮臺裝配時對中。多元測力計通過多元測力計安裝板和芯軸達到與單軸氣浮臺同心要求。

2.4 電機連接柱設計

電機連接柱是保證Sada 電機與單軸氣浮臺同軸的關鍵零件。Sada 電機通過電機連接柱與測力裝置和單軸氣浮臺連接在一起。

電機連接柱采用Q235 材料，防止在Sada 電機驅(qū)動時的剛度不足對測試精度的影響。電機連接柱一端法蘭盤上加工有弧形安裝孔，便于與測力裝置連接與水平方向位置調(diào)整；另一端法蘭盤加工有凸臺與連接盤小過盈配合。同時對電機連接柱的同軸度、垂直度、兩端面平面度、凸臺端的圓度進行嚴格的公差約束。

3 模擬裝置安裝調(diào)試工藝設計

3.1 總體安裝調(diào)試流程

若使裝置能夠滿足精度要求，需要對太陽翼慣量連續(xù)調(diào)整模擬裝置安裝過程的整體順序進行合理布置。因此，總體安裝調(diào)試順序為：測力裝置，電機連接柱，慣量模擬器，Sada 電機連接盤，Sada 電機，電機掛架，連接架，桁架式龍門架。

3.2 多元測力計安裝工藝

把芯軸壓入單軸氣浮臺中心孔，不能敲擊。多元測力計安裝板中心孔與芯軸對齊，使用螺栓與氣浮臺面連接，螺栓緊固后使用高精度水平尺檢測凹槽表面水平度，如有傾斜使用墊片調(diào)整，直至水平。把多元測力計與多元測力計安裝板邊緣對齊，使用螺栓與多元測力計安裝板擰緊，再次校正水平度。

圖3 多元測力計安裝工藝

3.3 電機連接柱安裝調(diào)整工藝

以多元測力計中心處的四個螺紋孔為基本安裝基準，電機連接柱與多元測力計使用螺栓連接。此時連接螺栓不要擰緊。

3.3.1 電機連接柱端面跳動度測量與調(diào)整方法

千分表固定于桁架上，千分表觸頭與電機連接柱上端面接觸，轉動氣浮臺觀察電機連接柱上端面千分表顯示的誤差量，在電機連接柱下端使用薄墊片調(diào)整，直到表針的跳動在0.02 mm之內(nèi)為止。

3.3.2 電機連接柱與氣浮臺同軸度測量與調(diào)整方法

千分表固定于桁架上，千分表觸頭與電機連接柱上端連接法蘭外圓接觸，轉動氣浮臺觀察電機連接柱上端法蘭盤外圓千分表顯示的誤差量，調(diào)整電機連接柱X、Y 軸的方向，直到表針的跳動在0.02 mm之內(nèi)為止。此時連接螺栓要用力緊固，不能有任何松動。

4 測試結果

如圖4 所示，3.3.2 小節(jié)說明了電機連接柱與單軸氣浮臺同軸度的測試方法，測試結果如表1 所示。

圖4 端面同軸度測試

表1 端面同軸度測試結果

在單軸氣浮臺外同時架設2 臺Radian Pro 激光跟蹤儀（測量精度0.03mm），分別在兩端質(zhì)量承載架上中心位置粘貼標定點，使激光跟蹤儀對準標定點，測量標定點與單軸氣浮臺中心距離。伺服驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動質(zhì)量承載架移動，此時激光跟蹤儀始終跟蹤標定點，當質(zhì)量承載架移動到按設計位置時，即可測出設計位置與定點位置的誤差值。

對該定點位置進行多次往復重復定位，記錄每次定位的測量值，然后進行平均計算，即可得出定點位置實測值和重復定位的誤差值。如表2 所示。

表2 慣量定點測試結果

以質(zhì)量承載架距單軸氣浮臺最近端為初始位置，伺服電機以最小轉速移動到設定位置，測量移動距離，記錄移動時間，即可得出最小移動速度。同理伺服電機以最大轉速移動到設定位置，即可得出最大移動速度，如表3 所示。

表3 配重移動速度測試結果

表1，2，3 分別給出了裝置的核心部位的測試結果，結果顯示同軸度誤差小于≤0.02mm，慣量定點測試結果的重復位置誤差小于≤0.2mm，轉動慣量誤差小于≤3kgm2。由于該裝置是模擬微重力下航天器的太陽電池板展開時Sada電機輸出力矩變化，因此，模擬裝置同軸度的誤差及慣量定點測結果誤差已經(jīng)可以表明該模擬裝置的有效性。

5 結論

本文對一種太陽翼慣量連續(xù)調(diào)整的模擬裝置的結構與工藝設計方法進行了研究，并完成該裝置的研制與安裝調(diào)試工作，并得到結論：

5.1 該模擬裝置配重的位置控制精確，移動速度均勻，可準確模擬真實太陽翼慣量的連續(xù)變化；可有效用于研究Sada 電機驅(qū)動太陽帆板展開過程中的驅(qū)動特性。

5.2 工藝設計使該模擬裝置精準實現(xiàn)了Sada 電機與氣浮臺的高同軸度要求。

5.3 性能測試結果顯示，慣量定點測試誤差和電機驅(qū)動機構的同軸度誤差均很小，證明了該模擬器裝置功能的有效性，在后續(xù)真實帆板驅(qū)動電機地面測試試驗中，發(fā)揮了良好效果。