王亞軍，徐志剛，李 峰，童小艷,4，張治娟

（1.沈陽理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，沈陽 110159；2.中國科學(xué)院沈陽自動化研究所，沈陽 110016；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100039；4.東北大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，沈陽 110819）

0 引言

太陽翼是航天器動力和能源的主要提供裝置[1]，其能否正常展開是航天器能否正常運行的關(guān)鍵。因此，太陽翼展開機構(gòu)展開性能的地面測試非常必要。國內(nèi)對太陽翼展開機構(gòu)的測試方案主要采用吊掛式平衡重力[2～5]，測試中由于高低溫環(huán)境對展開機構(gòu)的影響[6]，未研制出適應(yīng)高低溫環(huán)境的實時力加載機構(gòu)來對其展開過程的阻力進(jìn)行模擬[7～9]。由于展開機構(gòu)分多級進(jìn)行展開，故在展開過程中需對其逐節(jié)進(jìn)行自動掛鉤式吊掛來平衡重力，但在密閉高低溫箱中，很難保證每個掛鉤都自動準(zhǔn)確掛到要求位置，常常出現(xiàn)脫鉤現(xiàn)象，影響測試效果。另外為克服太陽翼施加在展開機構(gòu)上的慣性阻力以及展開機構(gòu)自身的摩擦力，需要測試其在不同阻力狀態(tài)下的展開性能以保證其可靠性，但目前由于無合適的傳動及力加載機構(gòu)可適應(yīng)高低溫環(huán)境，導(dǎo)致測試機構(gòu)無法測試此部分性能，只能擴大展開機構(gòu)的驅(qū)動能力，大幅增加成本及機構(gòu)重量。

針對以上問題，本文提出了一種柔性太陽翼展開機構(gòu)空間力學(xué)性能測試系統(tǒng)（簡稱測試系統(tǒng)），采用多個彈性跟隨移動小車的托舉式重力平衡裝置平衡展開機構(gòu)重力，克服了吊掛方式無法依次可靠自動脫鉤掛鉤的缺點，提高了全自動展開過程中重力平衡的可靠性和穩(wěn)定性；文中設(shè)計了基于鋼絲繩的大距離高精度伺服力加載裝置，解決了高低溫環(huán)境下傳動機構(gòu)變形大而無法精確傳動及加載的問題，可實現(xiàn)柔性桁架展開機構(gòu)高低溫和微重力空間環(huán)境下展開過程的模擬進(jìn)而考核其高低溫展開性能。

1 測試系統(tǒng)的設(shè)計及其原理

該測試系統(tǒng)的主要功能是在高低溫試驗間內(nèi)對展開機構(gòu)展開過程中的展開力、展開傳動效率等指標(biāo)進(jìn)行測試，以考核展開機構(gòu)的高低溫展開性能。測試系統(tǒng)主要指標(biāo)為：加載力大小為0～3000N，加載力精度優(yōu)于±5%；水平摩擦阻力：≤40N。

測試系統(tǒng)在無人的高低溫試驗間中進(jìn)行測試，設(shè)計難點為：1）高低溫（-110℃～+110℃）環(huán)境下重力平衡機構(gòu)隨著展開機構(gòu)逐級展開及收攏而實現(xiàn)可靠的自動收放；2）適應(yīng)高低溫環(huán)境的大運動范圍下高精度力加載機構(gòu)及方法。運動機構(gòu)的熱變形及累積誤差是影響力加載精度的關(guān)鍵因素[6]。

針對以上難點，設(shè)計的測試系統(tǒng)主要由以下部分組成：1）重力平衡小車及小車自動輸送機構(gòu)，用于展開過程中自動輸送小車來平衡展開機構(gòu)的重力，實現(xiàn)微重力環(huán)境模擬；2）展開阻力模擬加載機構(gòu)，用于模擬加載展開機構(gòu)在高低溫環(huán)境下的展開阻力，測試展開機構(gòu)的適應(yīng)能力；3）效率測試機構(gòu)，用于測試展開機構(gòu)的驅(qū)動效率；4）收藏桶安裝機構(gòu)，用于安裝和定位展開機構(gòu)；5）高低溫環(huán)境箱，用以模擬空間高低溫環(huán)境。如圖1～圖4所示，小車輸送機構(gòu)由倍速鏈、異步電機、升降機構(gòu)等組成；展開阻力模擬加載機構(gòu)由鋼絲繩、張緊裝置和卷揚裝置及跟隨導(dǎo)軌組成。收藏筒安裝機構(gòu)由收藏筒安裝架、收藏筒和桁架組成。該裝置可實現(xiàn)高低溫環(huán)境下的高精度實時力控制及全自動無人參與的循環(huán)試驗。

圖1 柔性太陽翼展開機構(gòu)力學(xué)性能測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 小車輸送機構(gòu)局部示圖

1.1 重力平衡

1.1.1 重力平衡流程

展開機構(gòu)逐節(jié)向外展開，小車輸送機構(gòu)由異步電機進(jìn)行驅(qū)動，在展開過程中，小車輸送機構(gòu)處于定速運轉(zhuǎn)狀態(tài)，通過擋停器的擋停和釋放來控制重力平衡小車的推出頻率（桁架總長約30m，每三節(jié)一支撐）。工作時擋停器放行的小車運動至升降機構(gòu)圓形導(dǎo)軌的上方，并停止于固定限位擋塊處。此時升降機構(gòu)提升，小車在自重的作用下可以自動歸正落在升降機圓形導(dǎo)軌上。隨著升降機的升高，平衡小車的托舉工裝接觸桁架且其上的彈簧被壓縮，小車在桁架與托舉工裝的摩擦力作用下開始跟隨桁架的展開運動。升降機構(gòu)提升到最高點后，圓形導(dǎo)軌對準(zhǔn)跟隨導(dǎo)軌，平衡小車從圓形導(dǎo)軌上運動至跟隨導(dǎo)軌上并繼續(xù)跟隨桁架運動，完成桁架小分段的重力平衡。輸送機構(gòu)上的平衡小車依次重復(fù)以上工作過程，進(jìn)而實現(xiàn)對整個展開機構(gòu)的重力平衡。當(dāng)試驗結(jié)束桁架收回時，逆向重復(fù)以上工作過程，平衡小車會隨著桁架的回收被傳輸至小車輸送機構(gòu)上的初始位置。

1.1.2 重力平衡小車

圖3 升降機構(gòu)示意圖

圖4 重力平衡小車示意圖

圖5 重力平衡小車受力分析簡圖

重力平衡小車能夠?qū)崟r平衡和調(diào)整展開機構(gòu)的重力，在二維方向上適應(yīng)展開機構(gòu)的運動，保證在全過程中不對展開機構(gòu)造產(chǎn)生損壞。為了保證控制精度和運動的連續(xù)性，控制小車的整體重量，減小跟隨運行的摩擦阻力是非常關(guān)鍵的。當(dāng)小車在桁架展開的啟停時刻受到最大水平力時，需保證其不發(fā)生翻轉(zhuǎn)。

桁架機構(gòu)展開后，水平軸向摩擦阻力完全來自于重力平衡小車的軸承的摩擦阻力。大桁架機構(gòu)完全展開后的摩擦阻力為：

小桁架機構(gòu)完全展開后的摩擦阻力：

式中：G01為大桁架總重；G02為支撐大桁架的小車的總重；g01為小桁架總重；g02為支撐小桁架的小車的總重；μ為小車的軸承的摩擦系數(shù)。代入數(shù)值計算得：f1=38.8N，f2=16.2N，小于指標(biāo)要求的40N，故滿足性能要求。

平衡小車的受力分析如圖5所示，當(dāng)小車處于翻轉(zhuǎn)的臨界條件時：

要使小車保持平穩(wěn)不發(fā)生翻轉(zhuǎn)的條件為所有外力對重心產(chǎn)生的和力矩0M∑≥0，即：

式中：F為桁架機構(gòu)對小車的水平力，F(xiàn)=ma；a桁架機構(gòu)運動的加速度；m為三節(jié)桁架機構(gòu)的質(zhì)量；G1為三節(jié)桁架施加在小車上的重力；G2為小車自重；N1、N2為平衡小車受到的導(dǎo)軌的支撐力；f為小車在導(dǎo)軌上的滑動摩擦力。

由分析可知，適當(dāng)減小桁架機構(gòu)運動的加速度、加大小車的寬度都可有效防止小車傾倒。

1.2 展開阻力模擬加載裝置

1.2.1 負(fù)載力施加原理

負(fù)載力調(diào)節(jié)分為粗調(diào)和精調(diào)兩部分。粗調(diào)機構(gòu)由鋼絲繩、卷揚裝置和張緊裝置構(gòu)成，克服了機構(gòu)內(nèi)各部分摩擦力，實現(xiàn)了力加載機構(gòu)與展開機構(gòu)運行的大致同步；精調(diào)機構(gòu)主要由力加載機構(gòu)來完成。由于鋼絲繩傳動能夠很好的適應(yīng)高低溫環(huán)境[10]，本測試系統(tǒng)采用鋼絲繩傳動來完成對軸向負(fù)載力的粗調(diào)，鋼絲繩精密驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

粗調(diào)過程：力加載機構(gòu)整體在鋼絲繩的驅(qū)動下，以與桁架機構(gòu)展開速度相等的速度跟隨桁架做同步跟隨運動，克服了鋼絲繩、滾輪、滑軌等機構(gòu)的摩擦力影響。

精調(diào)過程：力精調(diào)過程屬于局部位置閉環(huán)控制系統(tǒng)，可微調(diào)壓緊力。當(dāng)壓緊力達(dá)到設(shè)定值Fd時，力加載機構(gòu)在鋼絲繩的作用下跟隨展開機構(gòu)運動，保證負(fù)載力始終保持在設(shè)定值；當(dāng)力的大小超過設(shè)定誤差時，用位移傳感器的值做閉環(huán)來控制力加載機構(gòu)的運動，使壓緊力回復(fù)到設(shè)定值，從而保證負(fù)載力的準(zhǔn)確。

當(dāng)精調(diào)機構(gòu)即將超程時，系統(tǒng)自動調(diào)整粗調(diào)機構(gòu)的鋼絲繩的牽引速度，實現(xiàn)對精調(diào)機構(gòu)的位移補償。

圖6 鋼絲繩精密驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)

1.2.2 力精調(diào)結(jié)構(gòu)及控制原理

力精調(diào)電機能夠帶動基座相對于施力頭運動，改變其間彈簧的壓縮量，壓縮量由位移傳感器測出，可改變負(fù)載力的大小，瞬時負(fù)載力由力傳感器測出。力精調(diào)過程能彌補力加載機構(gòu)跟隨桁架運動不精確而產(chǎn)生的誤差，大大降低對了鋼絲繩傳動的精度要求。如圖7所示，桁架機構(gòu)的末端與施力頭連接，將展開力施加于力傳感器并壓縮彈簧，此時位移傳感器的示數(shù)隨之發(fā)生變化。將力傳感器的壓力值記為Fs，位移傳感器的位移變化值記為Δxxs，根據(jù)公式F=k?Δx，可得：

Fd為預(yù)設(shè)的負(fù)載力。只要保證，就可以保證，力精調(diào)的過程也就是使始終無限接近的過程。

由式(5)可知，彈簧系數(shù)k對測試系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度沒有影響，在實際應(yīng)用中，彈簧系數(shù)往往是不精確的，測試系統(tǒng)采用位移傳感器避免了由k帶來的誤差。力精調(diào)電機借助齒輪齒條傳動，根據(jù)位移傳感器和力傳感器實時反饋的彈簧壓縮量Δxxs和力Fs來微調(diào)基座的位置，從而調(diào)整作用在桁架機構(gòu)末端的負(fù)載力。

圖7 力加載機構(gòu)的組成

為了實現(xiàn)高低溫環(huán)境下的高精度實時力控制，測試系統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用一個大閉環(huán)（粗調(diào)）和一個小閉環(huán)（精調(diào)）來進(jìn)行控制。通過大范圍的跟隨運動和小范圍的精確調(diào)整來控制彈簧的壓縮量，從而控制負(fù)載力的大小。其控制系統(tǒng)原理圖和控制框圖分別如圖8和圖9所示。

基于加載力偏差的直接PID控制算法對加載力偏差的消除需要較長的時間，通常在3～5秒鐘，在這段時間內(nèi)力的跟隨誤差較大。引入自適應(yīng)變增益PID控制方法，設(shè)置三個控制閾值分別對應(yīng)偏差大、中、小三種誤差，不同的閾值對應(yīng)的PID算法P的增益不同，可將力的調(diào)節(jié)時間降低至1～3秒，提高了力的控制精度。此外，縮短壓力傳感器的采樣時間，可減小調(diào)節(jié)時間，提高力的控制精度。

圖8 控制系統(tǒng)原理圖

圖9 控制系統(tǒng)框圖

1.3 效率測試原理

系統(tǒng)通過在展開過程中測量其展開力、展開速度、驅(qū)動力矩與驅(qū)動轉(zhuǎn)速來測試其效率。力加載機構(gòu)跟隨桁架機構(gòu)的展開一起運動，負(fù)載力通過力傳感器測量其數(shù)值。

展開機構(gòu)的輸出功率P0：

采用效率測試伺服電機和扭矩傳感器相結(jié)合的方式，實時讀取輸入轉(zhuǎn)速n和扭矩T來計算輸入功率。輸入功率為Pi：

展開機構(gòu)展開過程中的傳動效率：

式中：Fd為負(fù)載力的大小，N；vd為展開機構(gòu)的展開速度，m/s；T為輸入扭矩，N.m；n為輸入轉(zhuǎn)速，r/min；Pi為輸入功率；P0為輸出功率。

2 高低溫環(huán)境下關(guān)鍵部件的適應(yīng)性分析

測試系統(tǒng)要求在-110℃～+110℃的高低溫環(huán)境中正常工作，對于電氣部分，為了適應(yīng)高低溫環(huán)境，選用耐高低溫環(huán)境的元器件。同時，在低溫時輔以局部隔溫和電伴熱帶加熱對元器件進(jìn)行保護(hù)，保證元器件局部溫度在其正常工作溫度范圍內(nèi)。

由于熱脹冷縮，在高低溫環(huán)境下系統(tǒng)機械部分會發(fā)生變形，從而影響系統(tǒng)運行精度及性能，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常運行。對于小車輸送機構(gòu)及升降機構(gòu)，只要能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，就可完成其功能，機構(gòu)變形對其影響不大。下面針對暴露在高低溫箱中的關(guān)鍵部件進(jìn)行變形分析。

測試系統(tǒng)由多個相同的跟隨導(dǎo)軌機構(gòu)鏈接而成，保證跟隨導(dǎo)軌在高低溫環(huán)境下不干涉是測試系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵。相鄰兩跟隨導(dǎo)軌機構(gòu)對應(yīng)的零部件相同，理論上它們會同步伸縮，不會產(chǎn)生額外的熱應(yīng)力，但實際上由于熱傳導(dǎo)、制造加工誤差以及裝配精度的影響，部件變形會出現(xiàn)先后次序等不利因素，若它們之間不預(yù)留足夠的間隙，就極有可能產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，進(jìn)而破壞整體結(jié)構(gòu)。選取其中的一個跟隨導(dǎo)軌機構(gòu)進(jìn)行分析，變形分析結(jié)果如圖10所示。

圖10 跟隨機構(gòu)單元變形分析結(jié)果

分析結(jié)果顯示，在裝配時兩相鄰跟隨導(dǎo)軌之間應(yīng)該預(yù)留不小于6.254mm的間隙，才能保證相鄰跟隨導(dǎo)軌機構(gòu)在高低溫時不發(fā)生擠壓變形。由于滑塊長度較長，導(dǎo)軌間留有該間隙時，不會影響滑塊的通過及運行精度。

力加載機構(gòu)基座橫向最大變形為3.517mm，故其基座固定孔需預(yù)留至少3.517活動量。對于力加載小車，其采用一端固定，一端浮動的組合滑塊進(jìn)行導(dǎo)向，固定端保證力加載小車按預(yù)定軌道運動，浮動端可適應(yīng)高低溫環(huán)境下導(dǎo)軌的橫向變形。所選用的滑塊為高低溫環(huán)境專用滑塊，浮動端適應(yīng)量為6mm，適應(yīng)溫度為-100℃～+150℃，大于實際最大變形范圍，可補償高低溫環(huán)境導(dǎo)軌的變形量。

3 試驗及分析

太陽翼展開機構(gòu)正樣產(chǎn)品的測試過程為展開及收攏一個往復(fù)過程[11,12]，測試溫度為-110℃～+110℃，啟動測試程序后，展開機構(gòu)以1.5m/min的速度展開，測試系統(tǒng)接收到測試指令后開始測試工作。

試驗過程中，測試系統(tǒng)能夠根據(jù)展開過程實現(xiàn)重力平衡小車的逐節(jié)自動地托舉平衡，收攏過程中能夠自動實現(xiàn)重力平衡小車逐節(jié)自動解除托舉，實現(xiàn)了高精度重力平衡功能。通過電子秤測量所有小車質(zhì)量，將所有小車連接在一起，并加載與太陽翼等重的質(zhì)量塊于小車上，利用彈簧秤拉動所有小車及質(zhì)量塊在跟隨導(dǎo)軌上運動測得其摩擦阻力為29N，小于要求的40N，滿足重力平衡要求。

試驗結(jié)果顯示，軸向負(fù)載力最大值能夠達(dá)到3000N，實際測量曲線如圖11所示；當(dāng)預(yù)設(shè)負(fù)載力為Fd=1000N時，展開負(fù)載力加載誤差小于±5%，實際加載力曲線如圖12所示。可見滿足展開機構(gòu)測試要求。

圖11 軸向負(fù)載力加載曲線

圖12 Fd=1000N時實際負(fù)載力曲線

4 結(jié)論

柔性太陽翼展開機構(gòu)空間力學(xué)性能測試系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)測試方法不足，滿足了展開機構(gòu)測試性能要求，主要表現(xiàn)為：

1）測試系統(tǒng)中托舉重力平衡方案可實現(xiàn)展開機構(gòu)展開和收攏過程中逐節(jié)可靠支撐和脫離，達(dá)到高精度重力平衡，重力平衡后展開機構(gòu)的摩擦阻力小于要求40N；

2）基于鋼絲繩傳動的展開阻力模擬加載裝置，可實現(xiàn)高低溫環(huán)境下的大范圍實時高精度負(fù)載力加載，力加載誤差小于±5%，滿足系統(tǒng)精度測試要求；

3）測試系統(tǒng)可有效實現(xiàn)柔性桁架展開機構(gòu)的展開傳動效率測試；

試驗結(jié)果表明，測試系統(tǒng)能滿足柔性太陽翼展開機構(gòu)空間高低溫失重環(huán)境下的測試要求。系統(tǒng)測試方法對柔性太陽翼展開機構(gòu)空間性能的測試具有一定借鑒意義。

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