許紅亮，王 宏，張永杰，胡 斌，徐 慶

（上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109）

0 引言

太陽(yáng)翼是衛(wèi)星能源系統(tǒng)的重要組成部分，太陽(yáng)翼的成功展開(kāi)與否是關(guān)系到衛(wèi)星發(fā)射成敗的關(guān)鍵。太陽(yáng)翼地面裝配生產(chǎn)需搭建展開(kāi)試驗(yàn)裝置，模擬太空零重力環(huán)境，驗(yàn)證太陽(yáng)翼的釋放、展開(kāi)及鎖定功能。展開(kāi)試驗(yàn)裝置主要由桁架、縱向?qū)к?、橫向?qū)к墶⒒嚱M件和懸掛單元等組成。其中，橫向?qū)к壨ㄟ^(guò)帶有滾輪的滑車組件可在縱向?qū)к壣匣瑒?dòng)，懸掛單元通過(guò)帶有滾輪的滑車組件可在橫向?qū)к壣匣瑒?dòng)。展開(kāi)試驗(yàn)裝置存在一些影響展開(kāi)試驗(yàn)可靠性的固有因素，包括滑車組件與導(dǎo)軌之間的摩擦力、橫導(dǎo)軌及小車的質(zhì)量、導(dǎo)軌自身變形等。通過(guò)對(duì)展開(kāi)試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析和太陽(yáng)翼展開(kāi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出滑車組件與導(dǎo)軌之間的摩擦力影響最大。

針對(duì)太陽(yáng)翼地面零重力展開(kāi)可靠性驗(yàn)證，必須對(duì)展開(kāi)試驗(yàn)裝置導(dǎo)軌摩擦力進(jìn)行精確、量化測(cè)量。若導(dǎo)軌摩擦力測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，導(dǎo)軌實(shí)際摩擦力大于產(chǎn)品展開(kāi)力矩，將有可能導(dǎo)致太陽(yáng)翼展開(kāi)試驗(yàn)異常。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)展開(kāi)試驗(yàn)裝置導(dǎo)軌摩擦力主要采用人工手持測(cè)力計(jì)測(cè)量，該測(cè)量方法存在如下問(wèn)題：1）測(cè)量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，一致性較差；2）測(cè)量結(jié)果不精確，數(shù)據(jù)可信度不高；3）只能測(cè)量離散靜態(tài)點(diǎn)，無(wú)法進(jìn)行導(dǎo)軌全程摩擦力測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)離散、不連續(xù)；4）手持測(cè)力計(jì)方式測(cè)量效率低等。

因此，為滿足太陽(yáng)翼地面零重力展開(kāi)可靠性驗(yàn)證，需研制一套精度高、效率高且具有吊掛導(dǎo)軌全行程測(cè)量的太陽(yáng)翼展開(kāi)試驗(yàn)裝置導(dǎo)軌摩擦力自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)功能和原理

太陽(yáng)翼展開(kāi)試驗(yàn)裝置導(dǎo)軌摩擦力自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的主要功能，是對(duì)展開(kāi)試驗(yàn)裝置的滑車組件與縱向?qū)к壷g的摩擦力進(jìn)行高精度、高效率的測(cè)量，并得到縱向?qū)к壢谐痰哪Σ亮η€。

展開(kāi)試驗(yàn)裝置的桁架和縱向?qū)к壯b調(diào)完成后，將模擬太陽(yáng)翼的配重連接到滑車組件下方，如圖1所示。當(dāng)滑車組件沿導(dǎo)軌方向做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，在豎直方向上受到自身的重力

G

和導(dǎo)軌對(duì)滑塊的支承力

F

作用，在運(yùn)動(dòng)方向上受到外界施加的驅(qū)動(dòng)力

F

以及其沿運(yùn)動(dòng)相反方向上的滑車阻力

F

作用。當(dāng)滑車組件在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下沿導(dǎo)軌做勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，此時(shí)滑車組件受力狀態(tài)如圖2 所示。由牛頓經(jīng)典力學(xué)定律可知：

圖1 展開(kāi)試驗(yàn)裝置Fig.1 Schematic diagram of the deployment test facility

圖2 摩擦力測(cè)量原理Fig.2 Schematic diagram of friction measurement

式中：

f

為導(dǎo)軌摩擦力；

F

為滑車驅(qū)動(dòng)力；

F

為滑車阻力。

滑車組件的前端和后端分別通過(guò)轉(zhuǎn)接連接了2個(gè)高精度測(cè)力傳感器，分別測(cè)量出滑車組件兩端的拉力，同時(shí)保持滑車組件在測(cè)量過(guò)程中作勻速運(yùn)動(dòng)。將2個(gè)力相減，得到導(dǎo)軌的摩擦力，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理可以得到導(dǎo)軌全行程摩擦力——位移曲線。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

導(dǎo)軌摩擦力自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、測(cè)試軟件和機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，如圖3 所示。

圖3 導(dǎo)軌摩擦力測(cè)量系統(tǒng)Fig.3 Schematic diagram of the friction measurement system for guide rail

縱向?qū)к墸ɑ驒M向?qū)к墸┥习惭b了滑車組件，滑車組件下面安裝有太陽(yáng)翼模擬配重和無(wú)線通信模塊。導(dǎo)軌兩端分別固定了幾個(gè)定滑輪，電機(jī)通過(guò)凱夫拉繩牽引滑車組件在導(dǎo)軌上勻速運(yùn)動(dòng)?；嚱M件的前端和后端分別連接了2 個(gè)測(cè)力傳感器，測(cè)量時(shí)，測(cè)力傳感器與在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)的滑車組件固定，分別測(cè)量出由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供給滑車組件的驅(qū)動(dòng)力

F

和由尾端配重塊提供的控制阻力

F

。拉力傳感器通過(guò)傳感器變送器轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號(hào)，無(wú)線通信模塊對(duì)模擬量信號(hào)進(jìn)行濾波等處理后發(fā)送至無(wú)線接收模塊，之后無(wú)線接收模塊上傳數(shù)據(jù)至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)在經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的濾波降噪處理后，基于軟件（軟件原理是依據(jù)牛頓經(jīng)典力學(xué)定律

f

=

F

-

F

）完成摩擦力的計(jì)算。當(dāng)滑車組件勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，2 個(gè)測(cè)力傳感器的測(cè)力差值即為摩擦力

f

，由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)處理和顯示出摩擦力-位移曲線，生成測(cè)試報(bào)告，并將測(cè)量數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

根據(jù)測(cè)量原理，滑車組件的運(yùn)行加速度要盡可能小，所以采用速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，筆記本電腦通過(guò)USB 與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通信，實(shí)時(shí)獲取電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息，通過(guò)PID 算法控制電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。

通過(guò)分析，拉力傳感器若采用電纜供電和傳輸信號(hào)，太陽(yáng)翼模擬配重與滑車組件處于軟連接，電纜在滑車運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致滑車組件發(fā)生周期性擺動(dòng)，從而導(dǎo)致摩擦力曲線震蕩，造成摩擦力測(cè)量失真。因此，系統(tǒng)方案采用無(wú)線測(cè)量方案。

2.2 測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)量系統(tǒng)由拉力傳感器、拉力傳感器變送器、無(wú)線通信模塊和計(jì)算機(jī)軟件組成，如圖4 所示。拉力傳感器LRF400 的信號(hào)通過(guò)配套拉力傳感器變送器CSG110 轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號(hào)，由系統(tǒng)級(jí)芯片（System on Chip，SOC）微控制器C8051F340 負(fù)責(zé)采集模擬電壓信號(hào)，并進(jìn)行濾波等處理。由2.4 GHz 無(wú)線通信芯片CC2530 組成ZIGBEE 網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行無(wú)線互聯(lián)。無(wú)線通信模塊將模擬量信號(hào)發(fā)送至無(wú)線接收模塊，之后無(wú)線接收模塊上傳數(shù)據(jù)至計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)在經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的濾波降噪處理后，基于軟件完成摩擦力的計(jì)算。當(dāng)滑車勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器的差值即為摩擦力，由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)處理并顯示出摩擦力——位移曲線，并將測(cè)量數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖4 無(wú)線測(cè)力傳感器節(jié)點(diǎn)Fig.4 Schematic diagram of the wireless load cell nodes

2.3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)組件由電機(jī)、編碼器、減速器、繩索卷盤(pán)等部分組成，如圖5 所示。

圖5 運(yùn)動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)示意圖Fig.5 Schematic diagram of the motion control nodes

根據(jù)展開(kāi)試驗(yàn)裝置相關(guān)參數(shù)，滑輪組配重質(zhì)量為0.2 kg，滑車移動(dòng)速度最大值為0.02 m/s?？紤]定滑輪靜摩擦力（0.3 N）及繩索傳動(dòng)損失為10%，因此驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)繩索牽引力為

式中：

F

為滑車驅(qū)動(dòng)力；

m

為滑輪組配重質(zhì)量。

繩索繞在驅(qū)動(dòng)裝置的圈盤(pán)上，繩索卷盤(pán)直徑為200 mm，因此驅(qū)動(dòng)裝置輸出扭矩、功率和轉(zhuǎn)速為

式中：

M

為驅(qū)動(dòng)裝置輸出扭矩；

P

為驅(qū)動(dòng)裝置輸出功率；

ω

為驅(qū)動(dòng)裝置輸出轉(zhuǎn)速；

d

為繩索卷盤(pán)有效直徑；

V

為滑車組件的運(yùn)動(dòng)速度。

驅(qū)動(dòng)裝置牽引力較大，運(yùn)動(dòng)速度較慢，因此適合選一款功率較小的電機(jī)與減速機(jī)方案。考慮到配重懸掛在空中，必須保證其不會(huì)在驅(qū)動(dòng)裝置斷電故障情況下失速掉落。因此，采用抱閘制動(dòng)器的方式，避免了因電機(jī)斷電、配重拖動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生危險(xiǎn)的情況。

繩索卷盤(pán)直徑200 mm，槽寬30 mm，深度15 mm。直徑1 mm、長(zhǎng)6 m 的凱夫拉繩在環(huán)繞卷盤(pán)時(shí)僅需纏繞10 圈，繩索不會(huì)發(fā)生疊加纏繞，不會(huì)產(chǎn)生纏繞直徑的變化?；嚱M件在導(dǎo)軌上位移

S

可直接由電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算：

式中：

n

為凱夫拉繩在繩索卷盤(pán)中的纏繞圈數(shù)；

L

為凱夫拉繩長(zhǎng)；

S

為滑車組件在導(dǎo)軌上的運(yùn)動(dòng)位移；

t

為滑車組件在導(dǎo)軌上的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。

配重端滑輪組由2 個(gè)定滑輪和1 個(gè)動(dòng)滑輪組成。根據(jù)動(dòng)滑輪的特性，配重運(yùn)動(dòng)行程為凱夫拉繩移動(dòng)行程的1/2，這樣配重運(yùn)動(dòng)行程就小于展開(kāi)試驗(yàn)裝置凈高，避免配重落地失效。同時(shí)2 個(gè)定滑輪將凱夫拉繩在遠(yuǎn)端拉開(kāi)，避免繩子由于纏繞而產(chǎn)生測(cè)量誤差。同時(shí)3 個(gè)定滑輪以及滑車匹配件在設(shè)計(jì)上保證凱夫拉繩的水平性，保證了滑車在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的水平性，以及電機(jī)拉力的方向性，也避免由于繩索不水平而產(chǎn)生的測(cè)量誤差。

2.4 測(cè)量軟件設(shè)計(jì)

測(cè)量系統(tǒng)上位機(jī)軟件主界面如圖6 所示，上位機(jī)軟件采用LabVIEW 進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要完成電機(jī)控制、傳感器電信號(hào)采集、電信號(hào)變換以及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示存儲(chǔ)功能。主界面主要由3 個(gè)區(qū)域組成，分別為測(cè)試實(shí)時(shí)曲線顯示區(qū)（圖6 中的①區(qū)）、程序控制器區(qū)（圖6 中的②區(qū)）、測(cè)試控制區(qū)（圖6 中的③區(qū)）。

圖6 軟件主界面Fig.6 Schematic diagram of the main interface of the software

圖6 中的①區(qū)的1.1 為摩擦力-位移的實(shí)時(shí)曲線繪制，1.2 為滑車前向拉力值實(shí)時(shí)曲線，1.3 為滑車后向拉力值實(shí)時(shí)曲線。②區(qū)中的“開(kāi)始”“停止”按鈕可用于啟動(dòng)和停止滑車移動(dòng)；“配置”按鈕可用于配置測(cè)量傳感器端口配置、電機(jī)端口配置、電機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)配置和測(cè)量項(xiàng)目參數(shù)配置等；“生成報(bào)告”按鈕可用于自動(dòng)根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)生成測(cè)試報(bào)告。③區(qū)中的“滑車復(fù)位”按鈕用于自動(dòng)完成滑車復(fù)位。

3 系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 樣機(jī)測(cè)試驗(yàn)證

為了驗(yàn)證測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)其主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)分析。在某衛(wèi)星型號(hào)太陽(yáng)翼展開(kāi)試驗(yàn)裝置進(jìn)行了導(dǎo)軌摩擦力測(cè)試，導(dǎo)軌摩擦力自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)樣機(jī)如圖7 所示。

圖7 導(dǎo)軌摩擦力測(cè)量系統(tǒng)樣機(jī)照Fig.7 Pictures of the friction measurement system for guide rail

按照衛(wèi)星型號(hào)太陽(yáng)翼要求進(jìn)行軟件配置完成后，點(diǎn)擊主界面“開(kāi)始”按鈕，測(cè)試軟件自動(dòng)控制電機(jī)運(yùn)行，實(shí)時(shí)采集拉力傳感器輸出，并根據(jù)位移、拉力數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)繪制摩擦力-位移曲線。導(dǎo)軌摩擦力自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的軟件測(cè)試過(guò)程如圖8 所示。

圖8 測(cè)試過(guò)程Fig.8 Test process

采用導(dǎo)軌摩擦力自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)某衛(wèi)星型號(hào)太陽(yáng)翼展開(kāi)試驗(yàn)裝置導(dǎo)軌摩擦力進(jìn)行測(cè)試，為測(cè)試自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)相關(guān)測(cè)量性能，分別采用5 mm/s 的運(yùn)動(dòng)速度從導(dǎo)軌的左端到右端和采用20 mm/s 的運(yùn)動(dòng)速度從導(dǎo)軌的右端到左端進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，摩擦力測(cè)量結(jié)果如圖9 和圖10 所示。

圖9 5 mm/s 速度時(shí)導(dǎo)軌摩擦力-位移曲線Fig.9 Friction-displacement curve of the guide rail at 5 mm/s

圖10 20 mm/s 速度時(shí)導(dǎo)軌摩擦力-位移曲線Fig.10 Friction-displacement curve of the guide rail at 20 mm/s

由測(cè)試結(jié)果可知：摩擦力曲線啟動(dòng)階段有1 段波峰，由于電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，滑車組件處于加速階段，存在輕微沖擊力；由于太陽(yáng)翼展開(kāi)測(cè)試不會(huì)使用導(dǎo)軌起始段和末尾端，這段摩擦力啟動(dòng)波峰可忽略不計(jì)。通過(guò)對(duì)同一根導(dǎo)軌進(jìn)行不同速度的性能測(cè)試，測(cè)量結(jié)果表明自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量重復(fù)性良好。太陽(yáng)翼展開(kāi)試驗(yàn)裝置導(dǎo)軌有效行程6 m 范圍內(nèi)摩擦力測(cè)量結(jié)果最大值為0.422 5 N，且吊掛導(dǎo)軌摩擦力測(cè)量峰值為導(dǎo)軌右端末尾，可根據(jù)導(dǎo)軌摩擦力-位移曲線，定位展開(kāi)試驗(yàn)裝置導(dǎo)軌摩擦力峰值位置，并進(jìn)行精確調(diào)試，保證太陽(yáng)翼地面零重力展開(kāi)可靠性。

3.2 對(duì)比測(cè)試驗(yàn)證

為驗(yàn)證導(dǎo)軌摩擦力自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果，采用傳統(tǒng)手持測(cè)力計(jì)測(cè)量摩擦力方法和導(dǎo)軌摩擦力自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)摩擦力方法，分別對(duì)同一根展開(kāi)試驗(yàn)裝置導(dǎo)軌進(jìn)行導(dǎo)軌摩擦力測(cè)量，將速度5 mm/s 時(shí)的導(dǎo)軌摩擦力自動(dòng)測(cè)量值與手動(dòng)測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比。手動(dòng)測(cè)量方法在導(dǎo)軌上間隔0.5 m 依次用彈簧拉力計(jì)緩慢地拉動(dòng)滑車組件使之勻速運(yùn)動(dòng)，拉力計(jì)的讀數(shù)即為該速度下的導(dǎo)軌摩擦力大小。摩擦力測(cè)量結(jié)果如圖11 所示。導(dǎo)軌摩擦力自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度主要包括傳感器測(cè)量精度、滑車組件晃動(dòng)、電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度精度和凱夫拉繩傳動(dòng)摩擦等誤差影響，以上大部分誤差影響分量在信號(hào)采集濾波中被消除。手動(dòng)拉力計(jì)測(cè)量精度主要包括拉力計(jì)測(cè)量精度、手持拉力計(jì)水平度和拉動(dòng)運(yùn)動(dòng)速度精度等誤差影響，除拉力計(jì)測(cè)量精度外，其他誤差影響可忽略。因此對(duì)比2 種測(cè)量方法測(cè)試精度均取測(cè)量傳感器精度進(jìn)行比較。測(cè)量結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 導(dǎo)軌摩擦力測(cè)量結(jié)果對(duì)比Tab.1 Comparison of the friction measurement results of the guide rail

圖11 導(dǎo)軌摩擦力測(cè)量結(jié)果Fig.11 Friction measurement results of the guide rail

將采用傳統(tǒng)手持測(cè)力計(jì)測(cè)量摩擦力方法和導(dǎo)軌摩擦力自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)摩擦力測(cè)量方法，對(duì)相同導(dǎo)軌進(jìn)行導(dǎo)軌摩擦力測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，導(dǎo)軌摩擦力自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果測(cè)點(diǎn)連續(xù)，可覆蓋全部導(dǎo)軌行程，測(cè)量效率更高。根據(jù)測(cè)量結(jié)果可直接定位展開(kāi)試驗(yàn)裝置導(dǎo)軌需要調(diào)試的位置，并進(jìn)行精確調(diào)試，縮短太陽(yáng)翼地面零重力展開(kāi)試驗(yàn)的準(zhǔn)備周期，以及提高太陽(yáng)翼地面零重力展開(kāi)可靠性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)太陽(yáng)翼地面零重力展開(kāi)可靠性驗(yàn)證中導(dǎo)軌摩擦力測(cè)量問(wèn)題，研制了一套自動(dòng)化高精度導(dǎo)軌摩擦力測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、快速、全行程測(cè)量太陽(yáng)翼展開(kāi)試驗(yàn)裝置導(dǎo)軌摩擦力。該系統(tǒng)已經(jīng)在多個(gè)衛(wèi)星型號(hào)太陽(yáng)翼生產(chǎn)中投入使用，性能穩(wěn)定可靠，提高了衛(wèi)星太陽(yáng)翼生產(chǎn)效率。該系統(tǒng)方便攜帶，測(cè)試方便，具有很強(qiáng)的工程實(shí)用性和推廣價(jià)值。