金弘哲，印 鴻，王彬巒，鞠楓嘉，趙 杰

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001)

0 引 言

隨著人類對(duì)太空探索的不斷深入和發(fā)展，對(duì)航天器的功能和性能提出了更高的要求。對(duì)接機(jī)構(gòu)是航天器上關(guān)鍵的零部件，決定了航天器整機(jī)的工作性能和可靠性[1]。航天對(duì)接機(jī)構(gòu)的剛度測(cè)試技術(shù)雖然是一項(xiàng)比較成熟的技術(shù)，但以往的測(cè)試設(shè)備存在通用性差、成本高、資源配置重復(fù)等問(wèn)題，并且沒(méi)有充分模擬太空的環(huán)境，如高低溫、真空等客觀條件[2-5]。因此，設(shè)計(jì)一款在高低溫環(huán)境下對(duì)航天對(duì)接機(jī)構(gòu)中進(jìn)行力—直線剛度測(cè)試的性能測(cè)試儀，并建立完整的軟硬件系統(tǒng)，形成專業(yè)的共享數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)于我國(guó)的地面航天測(cè)試平臺(tái)的研制具有重要的意義[6-9]。

本文針對(duì)高低溫環(huán)境下的航天對(duì)接機(jī)構(gòu)的力—直線剛度測(cè)試進(jìn)行研究。①介紹力—直線剛度測(cè)速平臺(tái)的測(cè)試原理；②介紹平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣系統(tǒng)及軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)；③對(duì)系統(tǒng)整體的不確定度進(jìn)行分析計(jì)算;④通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)的測(cè)試精度能夠滿足航天用的指標(biāo)要求。

1 平臺(tái)工作原理

該力—直線剛度測(cè)試平臺(tái)主要針對(duì)±100 ℃溫度環(huán)境下的航天對(duì)接機(jī)構(gòu)。根據(jù)剛度的定義，剛度是零件在外力作用下變形量大小的度量。對(duì)元件剛度進(jìn)行測(cè)試的方法是通過(guò)對(duì)元件施加一個(gè)預(yù)壓力，記錄此時(shí)的預(yù)壓力和位移作為初值，然后繼續(xù)施加有效壓力，并產(chǎn)生位移，再記錄此時(shí)的有效壓力和位移的數(shù)值；分別計(jì)算出有效壓力和位移的差值，將壓力差值除以位移差值，得到剛度值，即

(1)

式中:F為作用于被測(cè)件的外力;x為檢測(cè)工件的變形量，即為直線距離的變化量。

被測(cè)件壓力的測(cè)量公式為

N=F1-F2

(2)

式中:N為被測(cè)件的實(shí)際壓力；F1為被測(cè)件下壓和回彈過(guò)程中的測(cè)量壓力;F2為空載狀態(tài)下壓和回彈過(guò)程的摩擦阻力。

測(cè)試位移是由置于高低溫箱外的直線光柵尺間接測(cè)量被測(cè)件的壓縮位移。穿箱軸的受壓變形引起了位移測(cè)量的系統(tǒng)誤差，需要將此部分變形量進(jìn)行計(jì)算并對(duì)位移測(cè)量值進(jìn)行修正。

將計(jì)算值修正到測(cè)試結(jié)果中，即

x=Δx-ΔlN

(3)

式中:Δx為直線光柵尺的位移讀數(shù);ΔlN為軸系的壓縮變形量;x為修正過(guò)的測(cè)試結(jié)果。

軸系的壓縮變形量根據(jù)軸向彈性變形公式為

(4)

式中:N為軸向力;l為軸長(zhǎng);E為軸材料的彈性模量;A為光軸的橫截面積。

2 技術(shù)方案

高低溫環(huán)境下力—直線剛度測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)主要包含：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)和平臺(tái)軟件的設(shè)計(jì)。

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案見圖1。由圖1可見，機(jī)械系統(tǒng)由6個(gè)部分組成：①基礎(chǔ)平臺(tái)，包含基礎(chǔ)大底板、穿箱立柱結(jié)構(gòu)和軸系輔助調(diào)整結(jié)構(gòu)、高低溫箱內(nèi)被測(cè)對(duì)象、箱外支撐、調(diào)整平臺(tái)的基礎(chǔ)；②被測(cè)組件，包含根據(jù)被測(cè)對(duì)象設(shè)計(jì)的工裝；③高低溫箱，用于實(shí)現(xiàn)高低溫±100 ℃測(cè)試環(huán)境；④支撐模塊，穿箱軸的支撐座，包含直線軸承；⑤直線驅(qū)測(cè)一體化單元，該模塊包含直線電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)模塊，直線位移測(cè)量模塊以及力測(cè)量模塊；⑥調(diào)整模塊，用于微調(diào)電氣系統(tǒng)高度，適配高低溫箱內(nèi)被測(cè)對(duì)象，保證同軸度。

圖1 力—直線剛度測(cè)試平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig.1 Mechanical structure of force-straight stiffness test platform

由于平臺(tái)有高低溫試驗(yàn)環(huán)境的特殊要求，采取了以下幾點(diǎn)適應(yīng)性設(shè)計(jì)：①選取穿箱軸的材料為殷鋼，熱膨脹系數(shù)約為碳鋼的1/10；②平臺(tái)采用的Thomson直線軸承材料為軸承鋼，根據(jù)材料熱膨脹計(jì)算，在±100 ℃的溫差內(nèi)直徑最多收縮0.06 mm；③ 4模塊與5模塊之間設(shè)計(jì)酚醛層壓玻璃布板材料的隔熱墊，防止穿箱軸的熱傳導(dǎo)影響力傳感器的測(cè)試精度。

2.2 電氣系統(tǒng)方案

平臺(tái)的電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。力傳感器為德國(guó)HBM傳感器公司的拉壓力傳感器U3系列，額定量程2 kN。經(jīng)校準(zhǔn)，該傳感器測(cè)試擴(kuò)展不確定度為0.1%(k=2)。搭配HBM配套信號(hào)放大器ClipX，放大器可為傳感器應(yīng)變電橋提供激勵(lì)電壓，并將毫伏電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為±10 V模擬電壓信號(hào)。

圖2 力—直線剛度測(cè)試平臺(tái)電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Electrical system structure of force-straight stiffness test platform

位移傳感器選擇海德漢公司的LIF 401R開放式增量型直線光柵尺，該光柵尺的測(cè)量基準(zhǔn)是SUPRADUR玻璃基體光柵，用干涉掃描方法，具有高精度、高重復(fù)精度及安裝簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，可提供限位開關(guān)和回零軌。選擇直線光柵尺量程為170 mm，配套LIF 47讀數(shù)頭，掃描頻率50 kHz，內(nèi)部100倍細(xì)分，分辨率為0.04 μm，測(cè)量精度±3 μm，最大測(cè)量速度為12 m·min-1，滿足位移測(cè)量精度指標(biāo)。

測(cè)試模塊中拉壓力傳感器信號(hào)采集使用NI 9215模擬量采集模塊，NI 9215模塊是16位同步模擬輸入模塊，提供4路±10 V差分模擬信號(hào)采集接口，適配ClipX信號(hào)放大器±10 V電壓輸出。

增量型直線光柵尺讀數(shù)頭LIF 47輸出ABZ增量型TTL信號(hào)，選擇NI 9411差分?jǐn)?shù)字輸入模塊，該模塊提供6通道±5 V或24 V差分?jǐn)?shù)字信號(hào)輸入接口，更新頻率500 ns，讀數(shù)頭ABZ信號(hào)共使用3通道，同時(shí)模塊為讀數(shù)頭提供5 V供電。使用配套NI 9935壓接15針D-sub接插件與讀數(shù)頭連接。

平臺(tái)加載選用直線電動(dòng)缸，由伺服電機(jī)與絲杠機(jī)構(gòu)組成，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)絲杠輸出后，電機(jī)出力被放大，且絲杠具有一定的緩沖能力，對(duì)震動(dòng)有良好的抑制作用。選擇上海格吉電動(dòng)缸SEC61-L121型電動(dòng)缸缸體，配合LS邁克彼恩伺服電機(jī)APM-SB04AMK2。電動(dòng)缸缸體額定出力1 kN，行程100 mm，額定速度250 mm·s-1，300 mm內(nèi)精度為0.012 mm。

平臺(tái)總控制器為NI 公司的CRIO-9043嵌入式控制器。該控制器分為Real-Time實(shí)時(shí)處理器和FPGA可重新配置機(jī)箱，具備雙核1.3 GHz的CPU以及20萬(wàn)門的FPGA。FPGA時(shí)鐘頻率為60 MHz,可實(shí)現(xiàn)高性能的信號(hào)采集以及數(shù)字濾波。

驅(qū)動(dòng)器采用以色列Elmo公司Gold系列驅(qū)動(dòng)器GOLD-SOLO-WHI-100-6，伺服電機(jī)編碼器為19位絕對(duì)式編碼器，以BiSS-C協(xié)議與驅(qū)動(dòng)器間進(jìn)行通訊。驅(qū)動(dòng)器與下位機(jī)間用EtherCAT通訊，cRIO-9043為主站，Elmo驅(qū)動(dòng)器為從站，驅(qū)動(dòng)器支持CANopen傳輸協(xié)議，利用PDO映射進(jìn)行運(yùn)動(dòng)命令實(shí)時(shí)更新，對(duì)于無(wú)需實(shí)時(shí)改變以及僅需單次設(shè)置的驅(qū)動(dòng)器參數(shù)采用SDO映射進(jìn)行設(shè)置。

2.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

平臺(tái)軟件主要包括：主操作界面及信息數(shù)據(jù)庫(kù)部分。具備軟件快速搭建向?qū)?、軟件參?shù)自動(dòng)輔助調(diào)整、軟件數(shù)據(jù)分析計(jì)算、軟件專家數(shù)據(jù)庫(kù)、軟件可擴(kuò)展及測(cè)試任務(wù)智能規(guī)劃功能。

在啟動(dòng)測(cè)試前需要填寫操作人員以及測(cè)試對(duì)象等相關(guān)信息，保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，掛起力直線剛度測(cè)試模塊。

軟件完成啟動(dòng)后，進(jìn)入力—直線剛度測(cè)試平臺(tái)軟件測(cè)試主界面進(jìn)行測(cè)試操作，見圖3。測(cè)試主界面包括狀態(tài)管理區(qū)、運(yùn)動(dòng)控制區(qū)、復(fù)位區(qū)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示區(qū)、圖形顯示區(qū)、測(cè)試結(jié)果計(jì)算與分析區(qū)及測(cè)試任務(wù)智能規(guī)劃參數(shù)設(shè)置區(qū)，可滿足直線位置、力及直線剛度測(cè)試內(nèi)容。

圖3 平臺(tái)的測(cè)試主界面Fig.3 Main test interface of the platform

3 系統(tǒng)不確定度評(píng)定

系統(tǒng)的不確定度主要分為力檢測(cè)帶來(lái)的不確定度和位移檢測(cè)帶來(lái)的不確定度。

3.1 力檢測(cè)不確定度

根據(jù)式(2)可知，影響壓力檢測(cè)不確定度的因素主要為傳感器測(cè)試的不確定度分量和修正值測(cè)試的不確定度分量。穿箱軸與傳感器之間設(shè)有隔熱軸，可忽略穿箱軸熱傳導(dǎo)對(duì)傳感器的影響。修正值測(cè)試的不確定度與傳感器測(cè)試不確定度相同。

傳感器測(cè)試不確定度由力傳感器的不確定度和配套的信號(hào)放大器的不確定度來(lái)合成，可表示為

(5)

式中:urel,F1為壓力F1的不確定度；urel,F2為摩擦力F2的不確定度；urel,l1為拉壓力傳感器的不確定度；urel,l2為信號(hào)放大器的不確定度。

根據(jù)不確定度傳播率，由被測(cè)件壓力測(cè)量公式得到的相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算公式為

(6)

取包含因子k=2，則計(jì)算得到平臺(tái)力檢測(cè)的擴(kuò)展不確定度為

Urel=kucrel=0.28%

(7)

因此，平臺(tái)力檢測(cè)精度符合力檢測(cè)精度≤0.5%的指標(biāo)要求。

3.2 位移檢測(cè)不確定度

直線光柵尺位于直線滑臺(tái)上，檢測(cè)滑臺(tái)與滑臺(tái)底座的相對(duì)位移?；_(tái)與被測(cè)件中間為穿箱軸，因此不確定度的主要來(lái)源為穿箱軸受壓壓縮變形計(jì)算的不確定度和光柵尺位移檢測(cè)不確定度。

位移檢測(cè)所用直線光柵尺型號(hào)為L(zhǎng)IF471，量程為150 mm。根據(jù)校準(zhǔn)結(jié)果，傳感器位移測(cè)量不確定度為U=0.003 mm。

軸系壓縮變形計(jì)算的不確定度可以根據(jù)軸系模型壓縮變形計(jì)算(式(4))及不確定度的傳播率[10-12]推導(dǎo)得到,可表示為

(8)

在滿量程2 kN時(shí)，穿箱軸壓縮變形的標(biāo)準(zhǔn)合成不確定度最大，其值為

uc,Δl1=ucrel,Δll1=0.000 65 mm

(9)

同理，計(jì)算隔熱墊的不確定度，相對(duì)合成不確定度為ucrel,Δl=5.002%。

滿量程2 kN時(shí)，隔熱墊壓縮變形的標(biāo)準(zhǔn)合成不確定度最大，其值為uc,Δl2=0.002 5 mm。

穿箱軸和隔熱墊壓縮量都與壓力直接相關(guān)，兩者相關(guān)系數(shù)為1。因此根據(jù)軸系整體受壓變形量公式和不確定度傳播率，軸系壓縮變形量的合成相對(duì)不確定度為

uc,Δl1=uc,Δl1+uc,Δl2=0.003 15 mm

(10)

直線位移測(cè)試結(jié)果由式(3)獲得。根據(jù)不確定度傳播率，位移檢測(cè)的合成不確定度為

(11)

其中:uΔx=0.003 mm，uΔlN=0.003 15 mm，因此位移檢測(cè)的合成不確定度為

(12)

取包含因子k=2，則直線位移的擴(kuò)展不確定度為

U=kuc,x=2×0.004 35=0.008 7mm

(13)

因此，力—直線剛度測(cè)試平臺(tái)位移檢測(cè)精度≤±0.03 mm。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

該力—直線剛度測(cè)試平臺(tái)主要針對(duì)航天對(duì)接機(jī)構(gòu)，選取分離推桿作為典型被測(cè)對(duì)象，在-80 ℃、-60 ℃、50 ℃、100 ℃溫度環(huán)境下對(duì)被測(cè)組件進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證平臺(tái)實(shí)際的測(cè)試不確定度是否滿足指標(biāo)要求。以100 ℃的測(cè)量環(huán)境為例，平臺(tái)總體外觀見圖4。高低溫箱內(nèi)被測(cè)對(duì)象見圖5，平臺(tái)加載系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)見圖6。

圖4 測(cè)試環(huán)境100 ℃時(shí)平臺(tái)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the platform when the test environment is 100 ℃

圖5 高低溫箱內(nèi)被測(cè)對(duì)象Fig.5 Measured object in the high and low temperature box

圖6 平臺(tái)加載系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)Fig.6 Loading system and measurement system of platform

平臺(tái)測(cè)試共分為：尋找初始位置；下壓測(cè)試；軸系摩擦補(bǔ)償測(cè)試。測(cè)試開始前尋找初始位置，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)直線電動(dòng)缸向前，直至拉壓力傳感器示數(shù)出現(xiàn)明顯變化。進(jìn)入下壓測(cè)試，直線電動(dòng)缸以1 mm·s-1的直線速度進(jìn)行下壓至30 mm，而后以相同速率反向回彈至初始位置，同時(shí)記錄位移值和壓力值?；貜椫脸跏嘉恢煤螅M(jìn)行軸系摩擦補(bǔ)償測(cè)試。測(cè)試平臺(tái)采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試摩擦補(bǔ)償?shù)姆椒?。軸系從初始位置回撤至-30 mm位置預(yù)備，開始后以1 mm·s-1的直線速度進(jìn)行下壓至初始位置，再以相同速率反向回彈至-30 mm位置，記錄當(dāng)前環(huán)境中空載狀態(tài)下的軸系摩擦力，測(cè)得的摩擦值見圖7。利用此平臺(tái)在多組溫度下對(duì)典型被測(cè)件分離推桿進(jìn)行剛度測(cè)試，計(jì)算得到的剛度結(jié)果見圖8。被測(cè)對(duì)象不同溫度下力直線剛度值見表1。

圖7 軸系摩擦力曲線Fig.7 Shaft friction curve

圖8 不同溫度下分離推桿的直線剛度Fig.8 Straight-line stiffness of separate push rods at different temperatures

表1 某型號(hào)分離推桿不同溫度下的直線剛度

5 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一種針對(duì)航天對(duì)接機(jī)構(gòu)在高低溫環(huán)境下測(cè)試力直線剛度的平臺(tái)系統(tǒng)。根據(jù)提出的測(cè)試原理，設(shè)計(jì)了與高低溫環(huán)境相適應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，制定完整的電氣系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，搭建與之配套的人機(jī)交互軟件，完成了直線剛度測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)。根據(jù)平臺(tái)的指標(biāo)要求，對(duì)整體系統(tǒng)的不確定度進(jìn)行分析與計(jì)算，并且通過(guò)各個(gè)溫度環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算分析，成功驗(yàn)證了平臺(tái)的測(cè)量精確度。