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        用于桁架在軌裝配的單向觸發(fā)搭接機構(gòu)建模與仿真

        2021-07-09 06:41:30許煥賓張敬堯周玉林姚建濤李德勇李京濤
        載人航天 2021年3期

        許煥賓 ,張敬堯 2,周玉林 2,姚建濤 2,李德勇 3,李京濤

        (1.北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094;2.燕山大學(xué)機械工程學(xué)院,秦皇島 066004;3.北京衛(wèi)星制造廠有限公司,北京 100190)

        1 引言

        隨著航天技術(shù)的發(fā)展,大型空間結(jié)構(gòu)不斷增加,由于運載工具所能提供的裝載能力有限,空間重型或大型結(jié)構(gòu)必須在太空實施在軌裝配。從20世紀(jì)70年代起,研究機構(gòu)開始探索大型結(jié)構(gòu)在軌構(gòu)建技術(shù),構(gòu)建方式包括航天員手動或采用輔助裝置裝配、空間機器人裝配,但由于裝配過程的復(fù)雜性,截止到目前,大型空間結(jié)構(gòu)在軌組裝尚未實現(xiàn)工程化。

        大型空間結(jié)構(gòu)在軌構(gòu)建方法主要分為3種:可展開結(jié)構(gòu)構(gòu)建、太空成型結(jié)構(gòu)構(gòu)建和可直立結(jié)構(gòu)構(gòu)建。其中可直立結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法具有緊湊包裝、可擴展能力強和結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用。

        采用模塊化設(shè)計方法,可以降低制造與發(fā)射成本以及裝配任務(wù)的實施難度,使大型空間結(jié)構(gòu)向大規(guī)模擴展,如2010年德國宇航中心(Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt,DLR)提出的iBOSS項目、2011年美國鳳凰計劃提出的細胞化衛(wèi)星技術(shù)均基于模塊化設(shè)計理念。模塊化構(gòu)建方法在大型桁架結(jié)構(gòu)天線的在軌構(gòu)建領(lǐng)域同樣具有廣闊前景。采用模塊化設(shè)計的關(guān)鍵是結(jié)構(gòu)劃分、單元的安裝方式和對安裝接口進行優(yōu)化設(shè)計問題。

        采用模塊化搭接可直立結(jié)構(gòu)裝配桁架結(jié)構(gòu)時,需對桁架結(jié)構(gòu)目標(biāo)子單元進行搭接,即首先將多個桁架接頭依次固定在基座上,在接頭間連接桁架桿,形成子單元桁架結(jié)構(gòu);然后將上述桁架接頭同步解鎖釋放、脫離基座、并運送至指定位置;最后完成大型結(jié)構(gòu)的分步拼接。NASA蘭利研究中心在早期研制的遙控機器人空間桁架搭接系統(tǒng)中設(shè)計了一種插銷機構(gòu)來實現(xiàn)桁架接頭的固定或釋放。但當(dāng)需要固定的桁架接頭數(shù)目較大時,為每個接頭單獨配置一個主動驅(qū)動來解鎖會極大地增加復(fù)雜度,而采用單一驅(qū)動器依次實現(xiàn)解鎖的方法效率較低,且同步性較差。

        本文提出一種單向觸發(fā)實現(xiàn)鎖緊/解鎖功能切換的搭接機構(gòu),對單向觸發(fā)結(jié)構(gòu)的運動導(dǎo)向曲面進行參數(shù)化設(shè)計,并通過Adams軟件對單向觸發(fā)結(jié)構(gòu)的運動原理進行仿真分析與驗證,為復(fù)雜大型桁架結(jié)構(gòu)中搭接機構(gòu)的設(shè)計提供新的思路。

        2 工作原理

        2.1 組成

        單向觸發(fā)搭接機構(gòu)(簡稱搭接機構(gòu))主要由主動部分和被動零件組成,如圖1所示,二者分別安裝在桁架接頭和輔助工裝裝置上。其中,主動部分包括鎖頭部件、運動導(dǎo)向部件、運動復(fù)位部件以及桁架接頭轉(zhuǎn)接部件;被動零件與鎖頭部件裝配。

        圖1 單向觸發(fā)搭接機構(gòu)Fig.1 One way trigger docking mechanism

        2.2 工作原理

        主動部分中的運動導(dǎo)向部件分為前端導(dǎo)向零件、后端導(dǎo)向零件和中心鎖柱,中心鎖柱兩側(cè)設(shè)有對稱圓柱突臂,圖2所示中心鎖柱在驅(qū)動力和運動復(fù)位部件提供的彈簧力作用下,圓柱突臂依次沿前端、后端導(dǎo)向件運動,后端導(dǎo)向零件設(shè)有高低2個限位位置,用于實現(xiàn)鎖緊與解鎖的切換。

        圖2 運動導(dǎo)向部件結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of motion guide part

        圖3(a)所示為按照柱坐標(biāo)進行描述的坐標(biāo)系,其中,設(shè)中心鎖柱位于后端導(dǎo)向零件的最低位置為運動初始位置,中心鎖柱軸線指向前端導(dǎo)向側(cè)為+

        z

        軸,設(shè)圓柱突臂初始位置軸線所指方向為極角

        θ

        的0°線,則上述兩線的交點為坐標(biāo)系原點

        O

        。圖3(b)所示為中心鎖柱沿軸向移動Δ

        z

        到達位置

        O

        ,并繞

        z

        軸旋轉(zhuǎn)Δ

        θ

        時的情況。

        圖3 運動導(dǎo)向部件坐標(biāo)系Fig.3 Coordinate system of motion guide parts

        鎖頭部件與被動零件的配合關(guān)系見圖4。其中圖4(a)為被動零件剖視圖,圖4(b)為鎖頭部件結(jié)構(gòu)圖,鎖緊軸與中心鎖柱之間為固定連接,鎖套設(shè)有內(nèi)錐面孔,內(nèi)大外小,因此鎖緊球僅可部分伸出鎖套,但不能整體脫離。圖4(c)為解鎖初始狀態(tài),鎖緊軸小徑段位于鎖緊球下方。當(dāng)沿+

        z

        向施加外力時,鎖緊軸大徑段將鎖緊球向外側(cè)擠壓至內(nèi)錐面孔處,此時鎖緊球部分暴露于鎖套外部被動部分的凹槽配合,實現(xiàn)鎖緊,如圖4(d)所示。

        圖4 鎖頭部件結(jié)構(gòu)與被動零件的配合關(guān)系Fig.4 The matching relationship between the structure of lock head parts and passive parts

        中心鎖柱相對導(dǎo)向零件的預(yù)估運動導(dǎo)向關(guān)系如圖5所示。設(shè)中心鎖柱的鎖緊位置的縱坐標(biāo)值為

        z

        ,

        z

        為點

        A

        的縱坐標(biāo),

        z

        z

        時為解鎖狀態(tài),

        z

        z

        時為鎖緊狀態(tài),

        A

        A

        點曲線為中心鎖柱的一個運動周期,運動過程包括解鎖狀態(tài)->鎖緊狀態(tài)->解鎖狀態(tài)。具體描述如下:①中心鎖柱由初始點

        A

        (解鎖狀態(tài))出發(fā),在外部驅(qū)動力的作用下向+

        z

        運動;②當(dāng)運動至

        A

        點時,中心鎖柱的圓柱突臂與上端導(dǎo)向零件的導(dǎo)向曲面接觸,并沿上端導(dǎo)向零件運動;③當(dāng)中心鎖柱運動至

        A

        點(上端導(dǎo)向零件限位位置)時,撤消外部驅(qū)動力,中心鎖柱受彈簧回復(fù)力作用沿-

        z

        運動;④當(dāng)運動至

        A

        點時,中心鎖柱圓柱突臂與下端導(dǎo)向零件的導(dǎo)向曲面接觸,并沿下端導(dǎo)向零件運動至

        A

        點(下端導(dǎo)向零件限位位置),此時中心鎖柱位于鎖緊位置

        z

        上方,處于鎖緊狀態(tài)。

        A

        ~A

        階段與

        A

        ~A

        階段運動過程原理相同,區(qū)別在于

        A

        點位于鎖緊位置下方,此時實現(xiàn)搭接機構(gòu)的解鎖。

        圖5 中心鎖柱運動規(guī)律圖Fig.5 Movement law of central lock pillar

        A

        點到

        A

        點坐標(biāo)確定方法如下:①假設(shè)

        A

        點位于坐標(biāo)原點,根據(jù)鎖緊軸各軸段的

        z

        軸方向長度尺寸,可以計算出鎖緊位置

        z

        ;②設(shè)

        A

        ~A

        運動周期內(nèi)轉(zhuǎn)過角度為π,

        A

        ~A

        運動周期內(nèi)含有4個導(dǎo)向過程,將4個導(dǎo)向過程平均分配角度,可得到點

        A

        A

        點的

        θ

        值;③為保證鎖緊軸將球形鎖緊珠向外擠壓過程中無導(dǎo)向反力,

        A

        點的

        z

        軸坐標(biāo)值應(yīng)高于鎖緊位置;④根據(jù)鎖緊軸與鎖套的

        z

        軸方向長度尺寸,可以確定

        A

        點的最大

        z

        軸尺寸;⑤中心鎖柱在

        A

        點位置時,搭接機構(gòu)為鎖緊狀態(tài),

        A

        點的

        z

        軸坐標(biāo)值應(yīng)高于鎖緊位置,

        A

        點的

        z

        軸坐標(biāo)值應(yīng)位于

        A

        點與

        A

        點間,且距離

        A

        、

        A

        均有一定距離,以防止中心鎖柱的圓柱突臂與導(dǎo)向零件發(fā)生不必要的碰撞。

        A

        點到

        A

        點的確定方法同理。設(shè)

        A

        點到

        A

        點坐標(biāo)如表1所示,其中

        A

        點、

        A

        點、

        A

        點位置影響搭接機構(gòu)的鎖緊/解鎖狀態(tài),為確定點,其余點為運動過程點,為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供尺寸參考,在保證單向觸發(fā)功能的前提下,除

        A

        、

        A

        、

        A

        點以外,點坐標(biāo)可適當(dāng)調(diào)整。

        表1 中心鎖柱的預(yù)期運動特征點坐標(biāo)表Table 1 Coordinate table of motion characteristic points of central locking pillar

        為保證搭接機構(gòu)可靠使用,中心鎖柱在使用中應(yīng)具有順滑的運動過程與穩(wěn)定的鎖緊狀態(tài)。由于中心鎖柱的運動是通過導(dǎo)向零件的導(dǎo)向?qū)崿F(xiàn)的,故需要將導(dǎo)向零件作為重點零件進行參數(shù)化設(shè)計。

        2.3 導(dǎo)向零件參數(shù)化建模設(shè)計

        搭接機構(gòu)的單向觸發(fā)功能實現(xiàn)需要建立符合幾何特征、對接原理的運動導(dǎo)向部件幾何模型,需要確定導(dǎo)向零件的設(shè)計參數(shù)。

        導(dǎo)向零件應(yīng)能夠滿足如下條件:當(dāng)中心鎖柱受沿+

        z

        的周期性驅(qū)動力和沿-

        z

        的彈簧力作用時,中心鎖柱在導(dǎo)向零件的導(dǎo)向下,具有確定且唯一的運動方向,且中心鎖柱在相鄰2個運動周期的停止位置分別位于所設(shè)置的鎖緊位置的上端與下端。

        導(dǎo)向零件的導(dǎo)向曲面是一個復(fù)雜曲面,可通過導(dǎo)向曲線控制導(dǎo)向曲面,導(dǎo)向曲線與導(dǎo)向曲面的關(guān)系如圖6所示。

        圖6 導(dǎo)向曲線與導(dǎo)向曲面的對應(yīng)關(guān)系Fig.6 Corresponding relationship between guide parts and guide curves

        采用具有良好極值特性和逼近特性的三次多項式函數(shù)對導(dǎo)向曲線進行插值。將中心鎖柱的圓柱突臂簡化為圓,當(dāng)圓與導(dǎo)向曲線相切時,代表發(fā)生接觸,通過中心鎖柱與導(dǎo)向曲線幾何關(guān)系可大致確定插值點,如表2所示。

        表2 未優(yōu)化的導(dǎo)向曲線插值點Table 2 Guide curve interpolation points before optimization

        將導(dǎo)向曲線上的

        θ

        坐標(biāo)分為間隔為π/180的若干坐標(biāo)點,使用插值函數(shù)對導(dǎo)向曲線進行插值,并繪制插值曲線,在鎖緊與解鎖位置處繪制與圓柱突臂相切的槽結(jié)構(gòu),并在通過插值得到的下方導(dǎo)向曲線中將與槽結(jié)構(gòu)相干涉的部分切除,得到未優(yōu)化的導(dǎo)向曲線,如圖7所示。

        圖7(a)中,中心鎖柱的圓柱突臂與導(dǎo)向曲線接觸后,圓柱突臂將沿著接觸點的斜率方向繼續(xù)運動,當(dāng)導(dǎo)向曲線上前一點斜率的絕對值大于后一點,中心鎖柱的圓柱突臂將不會立即與導(dǎo)向曲線的后一點接觸,影響運動的穩(wěn)定性。當(dāng)導(dǎo)向曲線的插值點僅包括極值點時,會出現(xiàn)上述問題,所以需要對曲線進行優(yōu)化。

        圖7 未優(yōu)化的導(dǎo)向曲線圖Fig.7 Unoptimized guide curve

        以曲線

        B

        B

        為例,在特征點

        B

        B

        間增加一個特征點

        B

        B

        點位于

        B

        點與

        B

        點的連接直線上方,且

        B

        z

        軸坐標(biāo)不高于

        B

        。直線

        B

        B

        的斜率大于直線

        B

        B

        的斜率,如圖8所示。由于Matlab三次多項式插值結(jié)果為一條光滑曲線,所以使用

        B

        、

        B

        、

        B

        點作為特征點進行插值,所得到的曲線

        C

        上各點間也能夠滿足前一點斜率小于后一點斜率。

        圖8 補充特征點位置示意Fig.8 Location of supplementary feature points

        根據(jù)上述方法,補充導(dǎo)向曲線導(dǎo)向區(qū)域插值點,并將點

        B

        B

        、

        B

        B

        B

        z

        軸坐標(biāo)值增加10 mm,防止中心鎖柱的圓柱突臂在沿上端導(dǎo)向零件運動過程中,由于碰撞產(chǎn)生的反力改變運動方向,與下端導(dǎo)向零件接觸。優(yōu)化后的導(dǎo)向曲線插值點如表3所示,插值得到的導(dǎo)向曲線如圖9所示。

        表3 優(yōu)化后的導(dǎo)向曲線插值點Table 3 Optimized interpolation points of guide curve

        圖9 優(yōu)化后的導(dǎo)向曲線圖Fig.9 Optimized guide curve

        3 運動仿真驗證

        3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

        將建立好的三維模型導(dǎo)入Adams仿真平臺,如圖10所示:

        圖10 仿真模型導(dǎo)入Fig.10 Simulation modeling

        在Adams前端導(dǎo)向零件、后端導(dǎo)向零件與中心鎖柱之間添加接觸力(Contact),并分別添加材料特性,設(shè)置摩擦力,對中心鎖柱設(shè)置驅(qū)動力與彈簧反力,在中心鎖柱圓柱突臂外表面選取中心點作為標(biāo)記點,用于測量運動過程中的位置變化。外部驅(qū)動施加于輸入零件,輸入零件與中心鎖柱間施加接觸約束,以實現(xiàn)外部驅(qū)動僅輸出沿+

        z

        的驅(qū)動力,中心鎖柱沿-

        z

        的運動驅(qū)動力僅由彈簧反力提供。

        將中心鎖柱與后端導(dǎo)向零件解鎖最低位置接觸狀態(tài)設(shè)為初始位置,Adams仿真參數(shù)如表4所示。

        表4 Adams運動驗證仿真參數(shù)表Table 4 Table of main simulation parameters

        設(shè)置輸入零件的驅(qū)動函數(shù)如式(1)所示:

        式中,

        v

        為外部驅(qū)動沿

        z

        軸方向速度,

        t

        為時間,單位s。0~2.6 s為鎖緊階段,4~6.6 s為解鎖階段。其中,0~1.1 s為外部驅(qū)動輸入零件第1次沿+

        z

        推動中心鎖柱運動;1.5~2.6 s為外部驅(qū)動零件向-

        z

        撤出;4~5.1 s為外部驅(qū)動輸入零件第2次沿+

        z

        推動中心鎖柱運動;5.5~6.6 s為外部驅(qū)動零件向-

        z

        撤出。速度驅(qū)動函數(shù)曲線如圖11所示。

        圖11 速度驅(qū)動函數(shù)曲線圖Fig.11 Speed driving function curve

        3.2 仿真分析

        根據(jù)仿真結(jié)果,繪制中心鎖柱標(biāo)記點的角度-位移關(guān)系圖,如圖12所示,中心鎖柱在鎖止點

        A

        與解鎖點

        A

        位置分別位于鎖緊位置的上下兩側(cè),與圖5中的預(yù)期結(jié)果相同,證明該結(jié)構(gòu)能夠滿足預(yù)期運動。

        圖12 Adams柱坐標(biāo)系θ-z下的仿真路徑圖Fig.12 Simulation path diagram in Adams cylindrical coordinate systemθ-z

        由于運動過程中的碰撞為彈性碰撞,在發(fā)生碰撞后會使中心鎖柱短暫的離開導(dǎo)向曲面,以此可以解釋圖中運動軌跡并非光滑曲線。

        仿真運動過程如圖13所示:①中心鎖柱由仿真位置1(中心鎖柱運動特征點

        A

        )開始運動,在外部驅(qū)動的作用下向+

        z

        方向運動;②當(dāng)運動到仿真位置3(中心鎖柱運動特征點

        A

        )時,中心鎖柱的圓柱突臂與上端導(dǎo)向零件接觸,開始沿上端導(dǎo)向零件的導(dǎo)向曲面運動;③當(dāng)運動到仿真位置5(中心鎖柱運動特征點

        A

        )時,中心鎖柱的圓柱突臂到達上端導(dǎo)向零件的限位位置,此時外部驅(qū)動向-

        z

        撤出,中心鎖柱在彈簧力的作用下,向-

        z

        方向運動;④當(dāng)運動至仿真位置7(中心鎖柱運動特征點

        A

        )時,中心鎖柱的圓柱突臂與下端導(dǎo)向零件的導(dǎo)向曲面接觸,沿下端導(dǎo)向曲面運動,繼續(xù)運動至仿真位置8(中心鎖柱運動特征點

        A

        ),到達鎖緊位置,完成運動導(dǎo)向部件的鎖緊動作仿真。解鎖動作過程與鎖緊動作過程類似,在此不再贅述。

        圖13 仿真運動過程位置示意Fig.13 Position diagram of movement simulation process

        輸入零件

        z

        向位移與中心鎖柱

        z

        向位移關(guān)系如圖14所示。當(dāng)中心鎖柱運動到1.95 s時,外部驅(qū)動撤出,速度高于受彈簧作用并沿-

        z

        運動的中心鎖柱的運動速度,輸入零件與中心鎖柱脫離;運動到3.26 s時,中心鎖柱在彈簧力作用下運動至鎖緊位置,證明搭接機構(gòu)的回程運動過程不需要外部驅(qū)動;運動到4 s時,外部驅(qū)動再次接入,推動中心鎖柱運動離開鎖緊位置并完成解鎖動作。

        圖14 輸入零件z向位移與中心鎖柱z向位移關(guān)系圖Fig.14 Relationship between z-direction displacement of input part and z-direction displacement of central lock column

        4 結(jié)論

        1)本文提出了一種用于桁架裝配的單向觸發(fā)搭接機構(gòu),該機構(gòu)可以實現(xiàn)多搭接機構(gòu)采用單一觸發(fā)力解鎖的特性,為桁架結(jié)構(gòu)在軌裝配過程中桁架與工裝設(shè)備的多觸點同時解鎖提供了一種新的解決方案。

        2)完成搭接機構(gòu)參數(shù)化設(shè)計,對導(dǎo)向運動的實現(xiàn)情況進行仿真,結(jié)果驗證了導(dǎo)向結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性,證明其能夠在單向驅(qū)動觸發(fā)下實現(xiàn)被導(dǎo)向零件的唯一確定運動軌跡,并完成解鎖與鎖定狀態(tài)的順次切換。

        3)本文主要關(guān)注于所述搭接機構(gòu)的功能與運動特性,仿真參數(shù)為暫定的參考值,后續(xù)會根據(jù)實際工程需要對參數(shù)進行調(diào)整,以防止外界擾動對搭接機構(gòu)造成影響。

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