小型可對接采樣器容差性設計與仿真分析

石小斌，段振云，張春光，孫鳳，唐鈞躍，王儲

小型可對接采樣器容差性設計與仿真分析

石小斌1，段振云1，張春光1，孫鳳1，唐鈞躍2，王儲3

（1.沈陽工業(yè)大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110021；2.哈爾濱工業(yè)大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150006；3.航天五院，北京 100094）

針對深空探測領域中微量采樣的要求，設計了一種多功能小型可分離和對接機構。該機構主要由主動端和被動采樣端組成，主動端換向軸的花鍵設計可在一定范圍內通過滾動角度調整實現容差對接，最終通過波珠螺絲與鍵和采樣接口鎖緊，被動采樣端渦盤和卡爪可實現采樣前將整個采樣結構提出和空管后回收鎖緊的功能。動力學仿真表明，主動端結構能在最大位姿容差條件下實現與被動采樣端的對接，且摩擦系數是影響對接效率的主要因素之一，主動端的碰撞過程接觸力為弱碰撞對接，并得到不同位姿偏差對主動端接觸力的影響。

自動對接機構；采樣器；容差性；接觸碰撞

目前，人類對航天的探索目標已經不局限于近地行星，而發(fā)展到了深空領域，其中無論是在軌衛(wèi)星還是大型空間站的建立，都與對接機構息息相關。在深空探測對接機構的發(fā)展過程中，桿錐式機構是最早應用于航天領域的機構[1]，其在早期登月計劃中發(fā)揮了重大作用。歐洲各國的航天部門也進行了一系列在軌對接服務項目，如ROGER、ROTEX、TECS-AS[2-5]等，早期日本研究了ETS-VII末端執(zhí)行對接機構ERA和ARH[6-8]，此類對接機構是世界上首批出現的擁有自主對接功能的機構。早期的航天對接機構主要指大型航天器在軌對接，但隨著人類向深空領域探索以及對對接機構的壽命要求越來越長[9]，需要一種小型便攜多功能的微量采樣機構對月球以及一些小天體行星進行地表深層取樣研究，其主要優(yōu)勢是通過機械臂進行自動對接，且能多次重復采樣使用，即在完成工作需求的同時，也能實現對采樣部分結構的回收，可避免人類采樣器對天體地表的金屬污染，在保證對接可靠性的基礎上還能實現預定的壽命要求[10-11]。國內的馬如奇等[12]設計了一款小型三爪型無人對接機構，其姿態(tài)容差性最小可達到4°，橫向位移達到50 mm。王添民[13]設計了一款柔性桿式對接機構，位移偏差容差性達到300 mm，姿態(tài)角容差性達到9°，這些對接機構容差設計偏差精度過大，無法適用于小型對接機構，所以針對提高對接容差性精度的研究顯得尤為重要。

本文為嫦娥探月某期工程實現八年采樣的要求，設計一種小型可適應容差能力的高精度對接機構，該機構主要通過驅動軸與接頭傳遞動力，換向軸上的六個波珠螺絲與采樣管接口凹槽鎖緊。根據任務要求，用雙面渦盤和卡爪實現被動采樣單元提出與回收鎖緊的連接與分離過程，實現鉆采分離與對接一體化。

1 對接機構容差性設計

1.1 對接口

該自動對接機構包括主動對接端的鎖緊和驅動軸接口容差設計，被動端的采樣接口和接頭。采樣接口左端面設計成喇叭口，以適應徑向偏差5 mm以及姿態(tài)角4°時的容差能力。主動端換向軸上安裝六個波珠螺絲實現鎖緊的同時，驅動軸和接頭也完成對接，可實現主被動的動力傳遞，其中驅動軸的右端面與接頭對接配合處設計成錐口形狀，在主動端結構換向軸先與采樣接口完成位姿容差調整后，被動端的接頭利用其端面的錐形結構與驅動軸完成導向對接，并且四個平面的配合在驅動組件發(fā)生轉動時能將驅動軸的動力由接頭傳遞給整個被動采樣結構。主被動端對接口的設計如圖1所示。

1.2 主動機構接口容差

如圖2所示，主動端的設計由三部分組成：掘進鉆、驅動組件和主動端換向軸。

圖1 深空對接結構

如圖3所示，換向軸圓周上均布6個波珠螺絲和花鍵，波珠螺絲和花鍵與被動機構采樣接口上的圓形凹槽和內圓周上分布的六個鍵配合，使得換向軸能利用棘輪棘爪單向轉動原理帶動采樣接口進行轉動，并將動力傳遞給被動采樣單元。如圖4所示，兩個花鍵中心軸線的夾角為60°，采樣接口上的鍵寬為10°，兩個鍵產生偏差時采樣接口上的鍵寬中心到換向軸上的花鍵邊緣剛好能實現滾動對接的角度為55°，此時兩個花鍵能使采樣接口上的鍵對接成功的角度為45°，所以其滾動容差角度為±22.5°，均布六個花鍵為270°，具體參數如表1所示。因此，在一個圓周上換向軸沿軸向最多旋轉兩個滾動角，便可實現無視覺下的容差性對接。

1.3 被動采樣端

被動端的整體結構如圖5所示，法蘭和末端支撐對整個結構起固定和兩端支撐作用，同時將驅動螺桿定位在采樣管內，接頭與螺桿采用頂絲固定，可使驅動軸傳遞到被動端的動力帶動螺桿使推進螺母將吸納片推出。采樣管導向槽對推進螺母與吸納片進行導向，吸納片外徑上的導向與采樣管圓周內壁分布的導向槽配合進行滑動，內徑與螺桿進行間隙配合且無螺紋，由螺桿驅動推進螺母推動吸納片實現送樣。驅動螺桿末端安裝密封柱，采用左旋螺紋，防止采樣時月壤進入采樣管內影響推出。在飛行、著陸階段，機械臂末端不裝有采樣機構，待開始采樣時，機械臂帶動主動端整體結構與微量采樣單元對接，電機正轉，提出采樣管、鉆進、采樣，電機反轉，進行送樣。

表1 對接機構參數指標

圖2 主動端整體結構

圖3 換向軸容差設計

圖4 換向軸二維平面圖

圖5 微量采樣結構

渦盤和卡爪如圖6所示，渦盤內徑的八個平鍵與采樣接口外徑進行固定配合，使得提管時二者能一起轉動。渦盤兩面分別有四個卡爪，每個卡爪上有三個小爪與渦盤兩面螺旋槽配合可進行轉動，電機正轉驅動雙面渦盤旋轉，雙面渦盤兩面旋向相反。渦盤和卡爪的作用是當采樣器未工作時實現采樣管及其內部組件的鎖緊，當開始工作時將采樣管及其內部組件整體提出，當吸納片消耗完之后將采樣管放回原位并進行鎖緊。

圖6 渦盤和卡爪模型

渦盤和卡爪的工作原理為：當渦盤轉動時，左側卡爪沿渦盤螺旋槽外沿向渦盤內沿移動，右側卡爪沿渦盤螺旋槽內沿向外沿移動（初始狀態(tài)）；渦盤轉動在180°～270°范圍內時可保證左右兩側卡爪的底端在同一平面上，此時渦盤和卡爪對采樣接口解鎖，并進行提管動作；當渦盤旋轉超過270°時左側卡爪繼續(xù)向渦盤螺旋槽內沿移動，右側卡爪繼續(xù)向渦盤螺旋槽外沿移動。利用兩側卡爪的行程差，實現對采樣管的提出與回收鎖緊。

2 自動對接機構對接過程仿真分析

2.1 容差性

為了驗證自動對接機構在不同位置和姿態(tài)角偏差下的對接性能，以及容差性能是否滿足設計指標。利用動力學仿真軟件ADAMS對自動對接機構的容差性能進行仿真，容差條件按照表1中偏轉角、滾動角、擺動角參數的最大值設定，并給定一個沿著采樣接口方向15 N的軸向力，得到主動端換向軸質心在最大位姿偏差下三個方向質心位移隨時間變化曲線，如圖7所示。

圖7 換向軸質心位移變化曲線

由圖7可以看出，和方向上，在0.14 s時完成位姿偏差調整，此時位置為-2.35 mm和-30.15 mm，方向上，0.025 s時主動端和采樣接口開始接觸，在0.025～0.14 s期間利用滾動角進行鍵位置調整，0.14 s時兩鍵開始配合連接，在0.25 s完成主被動端波珠螺絲鋼球與采樣接口內壁凹槽鎖緊，此時的位置為206 mm。三個方向在不同位姿下最后質心位移趨于一致，說明對接完成。同時可以看出，從開始接觸到利用滾動角進行鍵位置調整完成連接的時間占總體仿真時間的46%，對接過程誤差調整時間過長，使得對接效率低下。

進一步分析誤差調整時間過長的原因。以上述軸對接時長作為研究對象，其他條件不變的情況下僅改變對接時主動端換向軸和采樣接口接觸時的摩擦系數，得到不同摩擦系數下方向對接過程質心位移曲線，如圖8所示。

圖8 不同摩擦系數下對接位移曲線

由圖8可以看出，0.025 s主被動端開始接觸，0.25 s對接結束，在摩擦系數分別取0.1、0.2、0.3時，鍵開始連接的時間分別為0.09 s、0.12 s、0.14 s，即摩擦系數越大，鍵開始連接的時間越晚，其占仿真總時間分別為26%、38%、46%，說明摩擦系數是影響對接過程中對接誤差調整時間長短的主要因素之一?？赏ㄟ^減小換向軸外表面和采樣接口內表面的粗糙度來減少對接時的摩擦過大問題，提高對接效率。

2.2 對接過程力學特性

由容差性分析可知，在最大位置偏差時不同姿態(tài)角下主被動端結構能實現對接，表明對接機構滿足設計指標要求。為了研究機構對接時的碰撞力，對驅動軸的受力過程進行分析。如圖9所示，對接過程主要分為三個階段：

（1）穩(wěn)定靠近階段：在0～0.017 s主動機構以勻速靠近，被動機構相對靜止，兩機構間接觸力為0。

（2）調整階段：0.017～0.23 s換向軸接觸到采樣接口，且波珠螺絲鋼球受壓，內部彈簧開始壓縮使鋼球與采樣接口產生激蕩的接觸力，0.25 s鋼球到達采樣接口凹槽完成鎖緊，半個圓周上三個鋼球的接觸力基本趨近于5 N，0.11～0.14 s驅動軸與接頭產生接觸，最大受力20 N，如圖10所示。

（3）穩(wěn)定連接階段：0.23 s以后，在受碰撞位姿調整完成后以勻速進行滑動，此時鋼球受力基本穩(wěn)定，并且主動端換向軸受力為0，直到主動端結構與被動端對接完成。

圖9 最大位姿偏差下鋼球接觸力變化曲線

圖10 徑向偏差5 mm姿態(tài)角4°驅動軸接觸力曲線

為了探究不同位姿偏差對主動端對接接觸力的影響，統計對接過程中最大位置偏差下不同姿態(tài)角的變化在三個方向受碰撞接觸力的峰值，如表2所示。其中，F為軸向碰撞接觸力，F為F和F的合力，為徑向碰撞接觸力，可得到軸向接觸力和徑向接觸力隨位姿變化的趨勢如圖11所示。

表2 主動端受力峰值

由圖11可以看出，主動端的驅動軸與接頭從發(fā)生接觸到對接完成的過程中，在最大偏差5 mm時，隨著姿態(tài)角的增大，軸向接觸力逐漸增大；姿態(tài)角在2°之內與徑向接觸力呈正相關，在2°～4°之間與徑向接觸力呈負相關。圖11表明，并不是位姿偏差越大徑向力越大。

圖11 最大位置偏差時不同姿態(tài)角的接觸力

3 結論

（1）設計了一款鉆－采－送多功能一體的小型自動對接采樣器，可實現主被動端的結構分離，在工作狀態(tài)時可實現一定的容差性對接，設計的渦盤和卡爪的鎖緊結構，可將對接后被動端的采樣管整體提出，并可對空采樣管進行回收鎖緊。

（2）仿真驗證該對接機構徑向位置容差能力達到5 mm，三個方向的姿態(tài)角容差能力為：偏轉角和擺動角的最大容差能力為4°，最小容差能力為1°，滾動角容差能力為±22.5°，滿足設計容差性指標要求。摩擦系數是影響對接效率的主要因素之一。

（3）分析對接過程機構受力特性可以看出，鋼球鎖緊力滿足30 N的設計需求，對不同位姿偏差下機構受力大小的研究發(fā)現，在容差范圍內該對接機構為弱碰撞對接，有效避免了剛性對接過程中碰撞力過大的現象，使整個機構具有較好的重復使用性。

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Tolerance Design and Simulation Analysis of Small Dockable Sampler

SHI Xiaobin1，DUAN Zhenyun1，ZHANG Chunguang1，SUN Feng1，TANG Junyue2，WANG Chu3

( 1.School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110021, China; 2.School of Mechanical and Electrical Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150006, China; 3.China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China )

In order to meet the requirements of micro sampling in the field of deep space exploration, a multi-functional small separable and docking mechanism is designed, which is mainly composed of active end and passive sampling end. The spline design of the reversing shaft at the active end can realize tolerance docking by adjusting the rolling angle within a certain range, and finally locking through the bead screw, key and sampling interface. The vortex disk and claw at the passive sampling end can realize the function of putting forward the whole sampling structure before sampling and recovering and locking when the tube is empty. The dynamic simulation shows that the active end structure can realize the docking with the passive sampling end under the condition of maximum pose tolerance. Friction coefficient is one of the main factors affecting the docking efficiency, and the collision process of the active end has a weak contact force for collision docking. The influence of different pose deviation on the contact force of the active end is obtained.

automatic docking mechanism；sampler；tolerance；contact collision

V526

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.10.001

1006-0316 (2023) 10-0001-06

2023-01-12

國家自然科學基金（52005345，52005344）；國家重點研發(fā)計劃（2020YFC2006701）；遼寧省教育廳項目（LFGD2020002）；遼寧省“興遼英才計劃”項目（XLYC1905003）；中央引導地方科技發(fā)展專項資金項目（2020JH6/10500048）

石小斌（1996－），男，陜西商洛人，碩士研究生，主要研究方向為機械設計，E-mail：15109141236@163.com；

段振云（1971－），男，遼寧沈陽人，博士研究生，教授、博士生導師，主要研究方向為精密加工與測量技術，E-mail：13604045543@139.com。