孫 科，汪俊亮，謝溪凌，陳定方

（武漢理工大學(xué)智能制造和控制研究所，湖北 武漢430063）

隨著航天事業(yè)的發(fā)展，空間可展開支撐臂在航空領(lǐng)域的應(yīng)用得到了普遍關(guān)注.空間可展開式支撐臂分為可存儲管狀伸展桿式支撐臂、伸縮套筒式支撐臂、充氣剛化式支撐臂、整體張拉式支撐臂、構(gòu)架式空間可展開支撐臂等5類，其中構(gòu)架式空間可展開支撐臂具有收攏率小、承載能力強等優(yōu)點，更能適應(yīng)大尺寸和高強度的航天器發(fā)展趨向，是目前最為先進(jìn)的可展開式支撐臂之一［1］.

1 新型剛化原理

1.1 常見鉸接式伸展臂的剛化原理

鉸接式伸展臂由橫向框架和縱向連接梁組成，兩橫向框架之間由柔性鋼索連接.當(dāng)伸展臂伸展到位之后，鋼索處于拉伸狀態(tài)，產(chǎn)生預(yù)緊力，整個單元剛化，單元之間疊加之后連接于空間飛行器使整個鉸接式伸展臂處于超靜定狀態(tài).

目前，索桿式剛化方式是鉸接式伸展臂的常見方式［2］.柔性鋼索一般由兩條定長鋼、一條連續(xù)鋼索組成.定長鋼索連接對角鎖定裝置和橫架處的鉸點，連續(xù)鋼索上固定一鋼球.在伸展臂的伸展過程中，連續(xù)鋼索拉動，鋼球進(jìn)入對角鎖定裝置的彈性卡槽內(nèi)鎖定.此時定長鋼索和連續(xù)鋼索都處于繃緊狀態(tài)，產(chǎn)生預(yù)緊力，伸展臂處于超靜定狀態(tài).

該方案采用的鋼絲鎖具有一定的柔性，易出現(xiàn)鋼絲索纏繞、斷裂現(xiàn)象，在航天器的工作環(huán)境中可靠性較差.

1.2 新型剛化處理

新型伸展臂整體圖和局部圖如圖1所示.本文采用兩個旋轉(zhuǎn)副來代替球鉸.縱梁和橫架之間由一齒輪軸體連接，該齒輪軸嵌與橫架之中，可繞中心軸轉(zhuǎn)動，其和縱梁由一鉸接相連.通過運動分析可知，鉸接式盤壓桿通過橫架的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)伸展和壓縮，而橫架的旋轉(zhuǎn)運動必然帶來縱梁的扭轉(zhuǎn)，縱梁的扭轉(zhuǎn)又會促使齒輪軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn).通過每層齒輪軸實現(xiàn)聯(lián)動，控制一端單元的橫架轉(zhuǎn)動可實現(xiàn)整體鉸接式伸展臂的伸展運動.

圖1 新型伸展臂整體和局部圖

本文所采用的新型構(gòu)架式伸展臂采用兩個旋轉(zhuǎn)自由度代替球鉸的傳動方式，避免了球鉸帶來的不可靠性.伸展臂采用齒輪傳動實現(xiàn)每個單元的連動，控制末端單元的伸展?fàn)顟B(tài)即可輕松實現(xiàn)伸展臂整體的變化.齒輪傳動不完全齒的限位功能可以實現(xiàn)伸展臂極限角度控制，確保系統(tǒng)工作的安全性.新型鉸接接頭見圖2.

圖2 新型鉸接接頭圖

本結(jié)構(gòu)采用剛體實現(xiàn)鉸接式伸展臂的伸展控制，采用齒輪軸實現(xiàn)伸展聯(lián)動，在航天環(huán)境中具有較強的可靠性.

2 新型盤壓桿仿真分析

根據(jù)本文提出的新型剛化原理，采用Adams軟件［3］對該構(gòu)架式伸展臂的伸展原理進(jìn)行動力學(xué)仿真驗證.

首先在Solidworks軟件中建立該構(gòu)架式伸展臂的3d模型，然后通過軟件接口導(dǎo)入動力學(xué)軟件Adams中，對構(gòu)架式伸展臂的運動特性進(jìn)行分析.

在Adams環(huán)境下定義部件和運動副，然后對伸展臂收縮運動進(jìn)行仿真，其具體環(huán)境和變量定義見圖3.從圖中可以看到伸展臂的鉸接點的運動軌線呈一螺旋線性，驗證伸展臂通過旋轉(zhuǎn)橫架來實現(xiàn)壓縮的運動特性.

圖3 ADAMS鉸接接頭運動軌線圖

在伸展臂收縮的過程中，其鉸接位置銷軸的速度和角速度如圖4所示.在其運動過程中角速度和速度都存在一定的突變，說明在整個運動過程中存在著一定的沖擊.在伸展過程中銷軸的運動軌線為螺旋曲線，其旋轉(zhuǎn)角接近90°，高度為伸展臂單元伸展長度.其加速度和位置曲線見圖5.

3 模態(tài)分析

通過模態(tài)分析可以得到伸展臂的自然頻率及其振型.由于盤壓桿機構(gòu)工作在低頻環(huán)境下，故選取模態(tài)分析的頻段為0～50Hz.通過solidworks軟件計算［4］，在該頻段內(nèi)（3單元系統(tǒng)），系統(tǒng)前4階模態(tài)見圖6.

第一階模態(tài)（頻率為1.1961Hz）為末端單元相對首段單元橫向移動模態(tài).單元齒輪間隙晃動所激發(fā).

第二階模態(tài)（頻率為7.2826Hz）為軸向伸縮模態(tài).每單元軸向縱梁伸縮引起了較大的位移.

第三階模態(tài)（頻率為16.276Hz）為單元扭轉(zhuǎn)模態(tài).伸展臂每單元橫架之間存在一定的扭轉(zhuǎn)，從而出現(xiàn)一定變形.

第四階模態(tài)（頻率為16.701Hz）為橫架竄動模態(tài).伸展臂橫架和齒輪間存在一定的竄動，會在伸展臂末端產(chǎn)生較大的位移，這是模態(tài)激發(fā)的原因.

通過模態(tài)分析可知，齒輪軸的間隙對整體震動影響較大，在設(shè)計制造過程中要嚴(yán)格保證其精度.

圖6 前四階系統(tǒng)模態(tài)振型

4 結(jié)束語

與傳統(tǒng)伸展臂對比，該新型伸展臂具有以下優(yōu)勢：

1）采用兩旋轉(zhuǎn)自由度替代了了傳統(tǒng)球鉸，傳動可靠，控制簡單，制造方便；

2）設(shè)計齒輪軸實現(xiàn)聯(lián)動和剛化鎖緊，替代了原有索桿式剛化，伸展可靠，驅(qū)動簡單.

綜合來看，該新型伸展臂在伸展可靠性、控制難度上都有所提高，并能夠?qū)崿F(xiàn)原伸展臂的伸展運動特性.

［1］郭宏偉，劉榮強，鄧宗全.空間索桿鉸接式伸展臂性能參數(shù)分析與設(shè)計［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報.2008，34（10）：1 186－1 190.

［2］蘇 斌，關(guān)富玲.索桿式伸展臂的驅(qū)動展開設(shè)計與動力學(xué)分析［J］.空間科學(xué)學(xué)報，2004，24（4）：312－320.

［3］邱海飛.基于ADAMS的四連桿打緯機構(gòu)動態(tài)設(shè)計與仿真［J］.機械傳動.2011，36（7）：52－55.

［4］陳超祥，葉修梓.Solidworks高級教程簡編［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2010.