侯文偉，楊 臻，高碧祥，黃劍斌

（1.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051；2.中國空間技術(shù)研究院，北京 100094）

0 引言

空間技術(shù)的飛速發(fā)展促使空間在軌服務(wù)技術(shù)成為一個(gè)新的、獨(dú)立的研究方向，基于OSV（on-orbit/orbital service vehicle，OSV）技術(shù)的自主式在軌服務(wù)已成為發(fā)展低成本、高可靠空間維護(hù)和服務(wù)技術(shù)的必然選項(xiàng)，也是各國航天領(lǐng)域的研究重點(diǎn)［1-3］。而空間對接裝置作為保證兩個(gè)航天器之間剛性連接的機(jī)電裝置，是對接系統(tǒng)中最為重要的傳動(dòng)部件之一，它的性能直接決定對接過程的動(dòng)力學(xué)特性以及對接的成?。?-5］。現(xiàn)有的空間對接機(jī)構(gòu)多采用周邊式對接機(jī)構(gòu)，應(yīng)提供可靠的剛性機(jī)械連接，具有吸收沖擊動(dòng)能的能力，保證機(jī)構(gòu)不發(fā)生碰撞［6］。

基于我國衛(wèi)星需完成在軌維護(hù)或維修、在軌加注、在軌功能擴(kuò)展和軟件升級等在軌服務(wù)任務(wù)的迫切需求，本文采用空間凸輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種對接裝置，可實(shí)現(xiàn)服務(wù)衛(wèi)星與目標(biāo)衛(wèi)星之間的在軌剛性對接，裝置能夠只在一臺電機(jī)提供動(dòng)力的基礎(chǔ)上在軌可靠鎖緊兩航天器，具有結(jié)構(gòu)成熟、碰撞接觸力小、鎖緊力大、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)可靠等優(yōu)點(diǎn)。

1 空間對接機(jī)構(gòu)工作原理

1.1 空間對接裝置結(jié)構(gòu)

分析文獻(xiàn)［3-9］中的各種對接裝置，可知凸輪作為精確傳動(dòng)的主動(dòng)件，在航天器上常有應(yīng)用，用凸輪驅(qū)動(dòng)鎖銷來實(shí)現(xiàn)對鄰接物體的運(yùn)動(dòng)自由度，可以達(dá)到很高的精度，本設(shè)計(jì)的對接裝置采取了這種機(jī)械方式，對接裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示:

圖1 對接裝置結(jié)構(gòu)

其各部分的功能如下:

1）鎖緊組件。包括抱緊環(huán)、抱緊環(huán)滑座、十字銷軸、抱緊座導(dǎo)軌等，實(shí)現(xiàn)抱緊和下壓功能。抱緊環(huán)實(shí)現(xiàn)對對接環(huán)的抱緊；抱緊環(huán)滑座作為抱緊環(huán)的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，并在十字銷軸的作用下帶動(dòng)抱緊環(huán)軸向運(yùn)動(dòng)；十字銷軸作為傳動(dòng)件，通過抱緊環(huán)的曲線槽實(shí)現(xiàn)抱緊環(huán)及抱緊環(huán)滑座的規(guī)定運(yùn)動(dòng)；抱緊座導(dǎo)軌作為抱緊環(huán)滑座軸向運(yùn)動(dòng)的直線導(dǎo)軌。

2）驅(qū)動(dòng)組件。包括弧形齒條、驅(qū)動(dòng)環(huán)、轉(zhuǎn)動(dòng)座組件等，為抱緊組件和鎖緊組件的運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力。

3）緩沖器組件。用于減小目標(biāo)星與對接裝置接觸時(shí)的剛性撞擊，降低目標(biāo)星的運(yùn)動(dòng)速度。

4）底架組件。用于連接服務(wù)星和對接裝置。

1.2 空間凸輪機(jī)構(gòu)工作原理

空間凸輪機(jī)構(gòu)的工作過程分為抱緊、下壓、壓緊板后撤和釋放4個(gè)過程。工作過程的運(yùn)動(dòng)簡圖如圖2所示:

圖2 凸輪機(jī)構(gòu)工作過程簡圖

當(dāng)目標(biāo)星被捕獲拉回到預(yù)定范圍內(nèi)時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)座隨驅(qū)動(dòng)環(huán)以恒定的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)。從圖2可以看出:當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)座運(yùn)動(dòng)到抱緊動(dòng)作1段時(shí)，下壓動(dòng)作運(yùn)動(dòng)到xa段，抱緊動(dòng)作、下壓動(dòng)作保持初始狀態(tài)；當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)座運(yùn)動(dòng)到抱緊動(dòng)作2段時(shí)，抱緊環(huán)實(shí)施對對接環(huán)的抱緊；當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)座運(yùn)動(dòng)到抱緊動(dòng)作3段時(shí)，對接環(huán)完全被抱緊，下壓動(dòng)作運(yùn)動(dòng)到xb段，實(shí)施對對接環(huán)的下壓；當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)座運(yùn)動(dòng)到下壓動(dòng)作xc段時(shí)，下壓到位，完成整個(gè)鎖緊過程。同時(shí)，在鎖緊過程中，緩沖組件會(huì)被對接環(huán)壓縮，此動(dòng)作有效地減少了對接環(huán)在對接過程中的撞擊，并且為對接環(huán)的釋放儲存了必要的能量。

在完成對目標(biāo)星的服務(wù)任務(wù)后，對接裝置中的電機(jī)被激活繼續(xù)正轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)座運(yùn)動(dòng)到抱緊動(dòng)作4段時(shí)，抱緊環(huán)快速后撤，在緩沖組件所儲能量的作用下，對接環(huán)被釋放。至此，鎖緊與釋放動(dòng)作全部完成。

2 空間凸輪曲線傳動(dòng)特性數(shù)學(xué)建模

2.1 數(shù)學(xué)模型的假設(shè)

對接裝置的運(yùn)動(dòng)和受力較為復(fù)雜，為了有效地將復(fù)雜問題簡單化，便于分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，對模型進(jìn)行一定的簡化和假設(shè)。

1）不考慮空間低溫環(huán)境對運(yùn)動(dòng)件的影響；

2）不考慮各零部件的公差和誤差；

3）忽略電機(jī)啟動(dòng)的加速過程，僅對該裝置的位移、速度及加速度進(jìn)行分析。

2.2 運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析

凸輪機(jī)構(gòu)要求壓緊板沿徑向的位移為30 mm，沿對接環(huán)軸向位移為40 mm，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律由從動(dòng)件的位移、速度、加速度來表示。通過對對接裝置整個(gè)工作過程的分析，可以計(jì)算出抱緊及下壓動(dòng)作中各部分構(gòu)件所對應(yīng)基礎(chǔ)構(gòu)件（驅(qū)動(dòng)環(huán)）的位移，其具體位移如圖3所示。

圖3 對接裝置的工作循環(huán)圖

2.3 數(shù)學(xué)模型的建立

由于凸輪機(jī)構(gòu)都在驅(qū)動(dòng)環(huán)的帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)，故兩條凸輪曲線的數(shù)學(xué)模型均以圓柱坐標(biāo)系為基礎(chǔ)建立，并且在各曲線段之間采用倒圓角過渡。首先對下壓凸輪曲線槽式（1）、抱緊凸輪曲線槽式（2）分別建立關(guān)于轉(zhuǎn)角θ的數(shù)學(xué)模型。

式中z2表示下壓凸輪曲線槽位移，R表示抱緊凸輪曲線槽位移，θ表示驅(qū)動(dòng)環(huán)的轉(zhuǎn)角，它是關(guān)于時(shí)間t和驅(qū)動(dòng)環(huán)角速度ω的函數(shù)，即θ=ω·t；c表示凸輪弧度到角度之間轉(zhuǎn)換。

2.4 運(yùn)動(dòng)特性求解

用時(shí)間 t分別對式（1）、式（2）中 θ進(jìn)行一次微分和二次微分，利用Matlab求解，可以得出兩函數(shù)的速度和加速度曲線。

圖4 凸輪曲線從動(dòng)件理論傳動(dòng)特性曲線

計(jì)算結(jié)果表明，在對接過程中，抱緊、下壓動(dòng)作可按要求運(yùn)動(dòng)到位，抱緊動(dòng)作最大速度為0.16 m/s，最大加速度為1.2 m/s2；下壓動(dòng)作最大速度為0.065 m/s，最大加速度為0.35 m/s2，凸輪機(jī)構(gòu)可平穩(wěn)可靠地鎖緊目標(biāo)星。

3 對接裝置試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)的假設(shè)與簡化

對接裝置工作時(shí)所處太空環(huán)境較為復(fù)雜，在地面環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，作出以下假設(shè)。

1）不考慮空間低溫環(huán)境對運(yùn)動(dòng)件的影響；

2）忽略太空中電磁波等輻射對電子元器件的影響。

3.2 原理樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，開展了原理樣機(jī)的試制加工，完成了對接裝置的原理樣機(jī)加工和裝配。樣機(jī)材料主要采用鋁合金以及不銹鋼等，且實(shí)現(xiàn)了對抱緊環(huán)、轉(zhuǎn)動(dòng)座等關(guān)鍵件尺寸的精確控制。

圖5 對接裝置加工原理樣機(jī)圖

為進(jìn)一步研究對接裝置凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在已有的物理樣機(jī)上，分別在其抱緊與下壓凸輪曲線從動(dòng)件正面合理位置上貼標(biāo)記點(diǎn)（具體位置如圖6所示）。此外需合理調(diào)節(jié)高速攝像機(jī)的位置以及攝像機(jī)的焦距，攝像機(jī)放置時(shí)使攝像頭正對凸輪曲線從動(dòng)件，調(diào)節(jié)焦距時(shí)要保證能拍攝到電機(jī)正轉(zhuǎn)的全過程。試驗(yàn)時(shí)驅(qū)動(dòng)環(huán)以3.5 r/min的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，利用高速攝像機(jī)拍攝凸輪曲線從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)過程，攝像頻率為 250 幀 /s，并用 Zootracer［10］視頻圖像處理軟件追蹤并繪制凸輪曲線從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)軌跡（如圖7所示），最終以點(diǎn)的坐標(biāo)形式輸出。使用Matlab軟件繪制凸輪曲線從動(dòng)件的實(shí)際位移、速度以及加速度，并與理論曲線進(jìn)行比較。

圖6 凸輪曲線從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)軌跡

試驗(yàn)結(jié)果表明，抱緊、下壓動(dòng)作可精確運(yùn)動(dòng)到位，運(yùn)動(dòng)過程中無卡滯現(xiàn)象，實(shí)際抱緊動(dòng)作最大速度為0.146 m/s，最大加速度為1.6 m/s2；實(shí)際下壓動(dòng)作最大速度為0.075 m/s，最大加速度為0.48 m/s2，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平緩、穩(wěn)定性高。

將試驗(yàn)結(jié)果與建模理論結(jié)果進(jìn)行比較，試驗(yàn)的凸輪曲線從動(dòng)件位移及速度與仿真的凸輪曲線從動(dòng)件位移及速度高度吻合，由此可以看出對接裝置運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)可靠，速度最大值誤差在15%之內(nèi)，加速度最大值誤差在37%之內(nèi)。產(chǎn)生誤差的主要原因:1）零部件之間不可避免地會(huì)存在間隙；2）零部件之間相對運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生碰撞；3）零部件表面粗糙度大，潤滑差；4）使用Zootracer視頻圖像分析軟件時(shí)，標(biāo)記點(diǎn)的拾取存在誤差。

圖7 凸輪曲線從動(dòng)件的實(shí)際傳動(dòng)特性曲線

4 結(jié)論

為完成某種新型GEO衛(wèi)星在軌服務(wù)對接技術(shù)要求，本文使用凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的對接裝置在只有一臺電機(jī)提供動(dòng)力的條件下，能夠通過空間凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行時(shí)序控制，從而能使對接裝置可靠地對目標(biāo)衛(wèi)星配合完成抱緊和下拉鎖緊等動(dòng)作。緩沖件在碰撞時(shí)能有效地起到緩沖作用，減小了對各機(jī)構(gòu)的損壞。建立了機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，通過求解分析初步證明了所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的可行性。同時(shí)，利用高速攝像和視頻圖像處理技術(shù)對對接裝置物理樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)特性測試試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本一致，證明了此對接裝置運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、可靠性高，可以達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，也為此對接裝置的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。