對接鎖索驅(qū)輪系傳動同步性及補(bǔ)償研究

許春田，段永強(qiáng)，徐德瀅，李 琳，吳鑫楊，2，宗 旭

（1.遼寧科技大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；2.中國水利水電十二工程局有限公司，浙江 杭州 310030；3.鞍山鋼鐵集團(tuán)有限公司 冷軋廠，遼寧 鞍山 114021）

空間對接機(jī)構(gòu)［1-2］是由兩套鎖系組成的一個閉環(huán)傳動系統(tǒng)。每套鎖系內(nèi)含有六把鎖，只有一把為主動，且以鋼索作為連接件與其它被動鎖通過輪系相互串接，如圖1所示。對接鎖系運動同步性是涉及兩航天器平穩(wěn)交會對接的一項關(guān)鍵技術(shù)［3］。

圖1 對接鎖系結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure sketch of docking locks

受空間環(huán)境條件的制約，鎖系對接同步性主要通過裝配過程中，對鋼索施加預(yù)緊載荷的調(diào)節(jié)來保證。由于在這方面缺少相關(guān)理論指導(dǎo)，鎖系裝配主要憑經(jīng)驗、反復(fù)操作來保證，不僅效率低、成本高，而且同步性難以保證。針對這一問題，國內(nèi)學(xué)者開展了大量研究。其中，黃鐵球等［4］、張華等［5］、鄭云青等［6］針對鎖系運動同步性影響因素，分別從不同方面開展研究，提出相應(yīng)改進(jìn)方法。張崇峰等［7］研究對接捕獲和緩沖過程以及對接機(jī)構(gòu)連接時的可靠性問題。劉志全等［8］分別對空間鎖系運動性能和力學(xué)特性展開研究。上述研究主要從鎖系對接的運動動力學(xué)方面開展，并沒有涉及裝配過程鋼索形變的影響。雖然文獻(xiàn)［9］對鎖系裝配過程中輪系的傳動誤差進(jìn)行建模與補(bǔ)償研究，但主要針對單把鎖輪系傳動，而且和現(xiàn)場一樣，都采用目測法采集輪系同步性數(shù)據(jù)，難免影響數(shù)據(jù)采集的精度與效率。

虛擬儀器是儀器技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。隨著科技進(jìn)步及計算機(jī)性能的不斷提高，基于LabVIEW 虛擬儀器技術(shù)迅速發(fā)展，目前已廣泛應(yīng)用于過程控制及高精測試中。張驍龍等［10］基于LabVIEW 軟件開發(fā)測試平臺，采集超導(dǎo)磁體運行過程參數(shù)并進(jìn)行相關(guān)研究。張中振［11］針對串?dāng)_、信號處理等問題，進(jìn)行柔性壓力傳感器陣列數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)，并驗證了其可行性。秦程等［12］提出改進(jìn)負(fù)壓波與流量平衡法聯(lián)合監(jiān)測與定位算法，在LabVIEW 中實現(xiàn)對管道流量的實時監(jiān)測和定位。王健等［13］為防止電解加工時陰極短路燒傷，以LabVIEW 為開發(fā)環(huán)境研制電解機(jī)床保護(hù)系統(tǒng)。總之，結(jié)合先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)已成為目前提高測試水平和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的一種有效方式。

針對鎖系裝配面臨的問題，本文基于Lab-VIEW進(jìn)行鎖系同步性測試系統(tǒng)的開發(fā)，并提出一種運動同步性補(bǔ)償與控制方法，為空間鎖系裝配效率的提高提供參考。

1 同步性測試系統(tǒng)的LabVIEW設(shè)計

LabVIEW創(chuàng)建的VI主要由前面板、程序框圖及連線與圖表組成，用戶通過前面板與系統(tǒng)進(jìn)行交互，完成數(shù)據(jù)的輸入與輸出顯示［14］。本文設(shè)計的鎖系同步性測試系統(tǒng)用戶界面如圖2所示，主要由參數(shù)設(shè)置、實時數(shù)據(jù)顯示以及歷史數(shù)據(jù)三部分組成。參數(shù)設(shè)置主要包括串口端口的選擇、波特率、采樣時間的設(shè)定及按鈕控件操作等功能。數(shù)據(jù)顯示主要用儀表和波形圖分別實時顯示測量的六個繩輪轉(zhuǎn)角及對應(yīng)鋼索張力值。歷史數(shù)據(jù)以數(shù)值格式記錄不同時間采集的繩輪角度值，并將其儲存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，以便用戶使用。

圖2 測試系統(tǒng)用戶界面Fig.2 User interface of test system

程序框圖是實現(xiàn)測試系統(tǒng)功能的核心。程序框圖包含前面板上相關(guān)控件，包括數(shù)值、數(shù)組、布爾、字符串等操作函數(shù)以及循環(huán)結(jié)構(gòu)、條件結(jié)構(gòu)、順序結(jié)構(gòu)、公式節(jié)點等。根據(jù)通訊流程，結(jié)合采集卡內(nèi)部庫函數(shù)DLL 中的各函數(shù)參數(shù)，設(shè)計的測試系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集卡通信程序如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集卡通信程序框圖Fig.3 Communication program block diagram between system and data acquisition card

2 輪系同步性測試實驗

2.1 實驗原理

實驗測試平臺組成如圖4 所示。六根鋼索分別在六個繩輪間通過鎖緊螺母串接。減速電機(jī)通過聯(lián)軸器與主動繩輪組件連接，驅(qū)動輪系實現(xiàn)鋼索張力的施加。張力值由兩導(dǎo)向輪間鋼索上裝有的三滑輪傳感器記錄，并由高精度儀表顯示。

圖4 實驗平臺Fig.4 Experimental platform

根據(jù)鎖系實際裝配需求，預(yù)緊載荷作用下的傳動誤差用兩繩輪轉(zhuǎn)角之間的差值，即轉(zhuǎn)角偏差表示，其最大值必須滿足鎖系對接同步性指標(biāo)要求才能確保兩航天器成功對接。本實驗平臺六個繩輪轉(zhuǎn)角值分別由繩輪軸連接的編碼器采集，再通過數(shù)據(jù)采集卡輸送給測試系統(tǒng)。鋼索預(yù)緊載荷及驅(qū)動過程中鋼索張力變化分別通過六個三滑輪傳感器實時測量，并通過高精顯示儀表上的接口將其輸送給測試系統(tǒng)。

2.2 實驗樣本

鋼索在預(yù)緊載荷作用下會發(fā)生彈性、粘彈性、粘塑性及塑性等復(fù)雜形變，在鎖系裝配過程中，如果不加以控制，將導(dǎo)致其串聯(lián)鋼索在驅(qū)動過程中出現(xiàn)松弛而影響鎖系對接同步性。不同結(jié)構(gòu)材質(zhì)的鋼索在預(yù)緊載荷作用下所表現(xiàn)出的形變行為存在著較大區(qū)別［15］，本文采用航天用6×19s+IWS 鋼索［16］。

2.3 實驗步驟

（1）調(diào)節(jié)輪系各繩輪轉(zhuǎn)角，使其處于同一初始角度基準(zhǔn)；

（2）調(diào)節(jié)各鋼索兩端的鎖緊螺母，直至六臺高精度顯示儀表顯示的鋼索預(yù)緊載荷均為400 N；

（3）減速電機(jī)驅(qū)動輪系從初始角度基準(zhǔn)運動到終止角度基準(zhǔn)，測試系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)；

（4）重復(fù)上述步驟，分別完成鋼索在預(yù)緊載荷500 N、600 N、700 N作用下采集數(shù)據(jù)。

為降低因鋼索性能差異及裝配精度引起的測量誤差影響，相同預(yù)緊載荷作用下分別測試五組數(shù)據(jù)，取平均值進(jìn)行分析。從主動繩輪開始，沿順時針驅(qū)動方向，將繩輪及鋼索依次命名為1#～6#。鋼索張力變化如圖5 所示。整個輪系鋼索張力變化規(guī)律大體分為兩種情況。

圖5 預(yù)緊載荷作用下鋼索張力變化規(guī)律Fig.5 Tension change law of steel cable under preload

隨著轉(zhuǎn)動時間的增加，1#、2#、3#鋼索張力先上升后下降。因為在減速電機(jī)作用下，1#主動繩輪先發(fā)生轉(zhuǎn)動，依次帶動2#～6#被動繩輪，致使同一時間1#鋼索張力最大。因驅(qū)動過程受繩輪與鋼索間摩擦影響，2#和3#鋼索張力依次減小，而且預(yù)緊載荷越大，鋼索與繩輪間摩擦力也相應(yīng)變大，導(dǎo)致驅(qū)動力變大，從而使鋼索張力增大。因鎖系為閉環(huán)傳動，在1#鋼索拉緊的同時，另一側(cè)與1#主動繩輪相連的6#鋼索發(fā)生松弛，從而依次影響5#～1#鋼索張力，因力傳遞的延滯性，導(dǎo)致繩輪轉(zhuǎn)動一段時間后1#～3#三根鋼索張力下降，直至輪系正常傳動后，三根鋼索張力基本保持穩(wěn)定。

隨著轉(zhuǎn)動時間增加，4#、5#、6#鋼索張力先下降再上升。因為整個輪系驅(qū)動為閉環(huán)雙向，當(dāng)1#主動繩輪驅(qū)動時，另一側(cè)與6#被動繩輪相連的6#鋼索存在松弛趨勢，因力傳遞的延滯性，逐漸影響到5#與4#鋼索張力的變化，使6#鋼索受松弛影響最大，所受張力最小。而且預(yù)緊載荷越小，松弛趨勢越明顯，當(dāng)預(yù)緊載荷為最小400 N 時，同一時間對應(yīng)鋼索張力最小。

預(yù)緊載荷作用下輪系傳動誤差詳見表1。預(yù)緊載荷越小，輪系傳動誤差越大；因鋼索松弛引起的張力變化范圍越大，引起的輪系同步性誤差（Δθmax）越大。經(jīng)計算，在預(yù)緊載荷為400 N時，同步性誤差最大值為1.41°。隨著預(yù)緊載荷的增大，輪系中鋼索松弛現(xiàn)象逐步得到改善，在預(yù)緊載荷為600 N 時，4#鋼索略有松弛，但當(dāng)預(yù)緊載荷增大到700 N 時，其基本上不發(fā)生松弛現(xiàn)象，對應(yīng)的傳動誤差也相應(yīng)變小，輪系同步性得到明顯提高，同步性誤差已減小到0.75°，說明通過鋼索預(yù)緊載荷的調(diào)節(jié)可實現(xiàn)鎖系對接同步性精度的控制。

表1 預(yù)緊載荷作用下輪系傳動誤差Tab.1 Transmission error of sheaves under preload

3 同步性補(bǔ)償與控制

3.1 輪系傳動誤差組成及分配

對接鎖索驅(qū)輪系裝配同步性主要通過預(yù)緊載荷控制鋼索形變、蠕變及運動形變引起的傳動誤差來保證。因裝配中傳動誤差不易控制，本文采用對稱分配法［16］將其轉(zhuǎn)換為繩輪轉(zhuǎn)角值。由于鋼索形變和蠕變是索驅(qū)輪系在靜態(tài)預(yù)緊載荷作用下產(chǎn)生的，兩者均不會受索驅(qū)輪系串聯(lián)關(guān)系的影響，具有相對的獨立性，因而在對傳動誤差對稱分配時，只需采用單把鋼索形變即可。而鋼索運動形變引起的傳動誤差在預(yù)緊載荷施加到一定值，接近剛性傳動條件下，主要由驅(qū)動過程中摩擦引起，其值可由測試系統(tǒng)測定，在分配傳動誤差時，按照驅(qū)動順序，將其疊加到鋼索形變及蠕變引起的傳動誤差上，并不影響其作為檢驗鎖系對接同步性是否滿足指標(biāo)要求的功能。經(jīng)上述轉(zhuǎn)換后，裝配中鎖系同步性控制就轉(zhuǎn)變?yōu)閷喯道K輪轉(zhuǎn)角值的控制，便于操作，提高裝配效率。

3.2 傳動誤差引起的繩輪轉(zhuǎn)角值確定

在鎖系裝配過程中，通過鋼索兩端鎖緊螺母施加預(yù)緊載荷。隨著預(yù)緊載荷不斷變大，與鋼索兩端連接的兩繩輪轉(zhuǎn)角值也不斷朝相反的方向增大。因而，將繩輪轉(zhuǎn)角方向分別用符號“+”和“-”表示。

在鎖系裝配過程中，主要通過調(diào)節(jié)嚙合（60°）位置和鎖緊（180°）位置處鋼索預(yù)緊載荷來控制鎖系對接同步性［17-18］。為簡化研究，本文僅對嚙合處的輪系傳動同步性進(jìn)行分析。結(jié)合單把輪系形變及蠕變數(shù)學(xué)模型［16］，可獲得鋼索形變和蠕變值。轉(zhuǎn)角60o處預(yù)緊載荷作用下鋼索形變對應(yīng)的傳動誤差詳見表2。由于預(yù)緊載荷取值較為接近，蠕變值之間誤差極小，因此統(tǒng)一為0.35°。按索驅(qū)輪系傳動誤差分配方式和轉(zhuǎn)角值符號的分布關(guān)系，可獲得輪系繩輪轉(zhuǎn)角60o處預(yù)緊載荷作用下對應(yīng)的繩輪轉(zhuǎn)角值，如表3所示。

表2 預(yù)緊載荷作用下鋼索形變對應(yīng)傳動誤差（60o）Tab.2 Transmission error corresponding to steel cable deformation under preload（60o）

表3 預(yù)緊載荷作用下傳動誤差對應(yīng)繩輪轉(zhuǎn)角值（60o）Tab.3 Rope sheave angle corresponding to transmission error under preload（60o）

3.3 同步性補(bǔ)償

在傳動誤差以轉(zhuǎn)角值分配到各繩輪后，因輪系各組成部件位置固定，在裝配中則體現(xiàn)在繩輪圓弧段鋼索伸長量的變化，其值可通過鋼索兩端的鎖緊螺母進(jìn)行調(diào)節(jié)，兩者之間關(guān)系式

式中：θ為傳動誤差轉(zhuǎn)換的繩輪轉(zhuǎn)角值，rad；R為各繩輪半徑，m；L為鋼索伸長量，m。

鎖緊螺母（單頭）螺距與鋼索繩輪上圓弧段伸長量間關(guān)系式為

式中：P為螺母螺距，m；N為旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，圈。

聯(lián)合式（1）與式（2）得

在裝配過程中，分別控制鋼索兩端鎖緊螺母的圈數(shù)，即可實現(xiàn)串聯(lián)繩輪轉(zhuǎn)角的控制，從而控制鋼索預(yù)緊載荷，實現(xiàn)鎖系同步性的控制，提高鎖系裝配效率。同步性系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)表明，鎖系同步性明顯得到改善。

4 結(jié) 論

（1）針對空間對接鎖系裝配采用目測采集數(shù)據(jù)，導(dǎo)致誤差大、裝配效率低問題，設(shè)計并搭建輪系傳動同步性測試平臺，并基于虛擬儀器Lab-VIEW軟件開發(fā)同步性測試系統(tǒng)，實現(xiàn)對輪系傳動數(shù)據(jù)的精確采集。

（2）輪系同步性實驗表明，隨著轉(zhuǎn)動時間增加，1#、2#、3#鋼索張力逐漸變大，達(dá)到其最大值后，因受張力松弛及力傳遞延滯性影響，又逐漸變小，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；而4#、5#、6#鋼索張力則先減小再逐漸變大，到一定數(shù)值后基本保持不變。并且，預(yù)緊載荷越小，松弛引起的鋼索張力變化越明顯，輪系傳動同步性誤差越大。

（3）提出一種輪系同步性補(bǔ)償方式，分別將鋼索形變、蠕變及運動形變引起的傳動誤差轉(zhuǎn)換為鎖緊螺母螺紋圈數(shù)，在裝配中通過調(diào)節(jié)螺紋圈數(shù)控制串聯(lián)鋼索預(yù)緊載荷，實現(xiàn)鎖系同步性補(bǔ)償，為鎖系裝配效率的提高提供參考。