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(jì)部,北京 100094;2.燕山大學(xué)機(jī)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)
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(yùn)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(shí)施在軌裝配。從20世紀(jì)70年代起,研究機(jī)構(gòu)開(kāi)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(dòng)或采用輔助裝置裝配、空間機(jī)器人裝配,但由于裝配過(guò)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(shí)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(kāi)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(kuò)展能力強(qiáng)和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用。
采用模塊化設(shè)計(jì)方法,可以降低制造與發(fā)射成本以及裝配任務(wù)的實(shí)施難度,使大型空間結(jié)構(gòu)向大規(guī)模擴(kuò)展,如2010年德國(guó)宇航中心(Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt,DLR)提出的iBOSS項(xiàng)目、2011年美國(guó)鳳凰計(jì)劃提出的細(xì)胞化衛(wèi)星技術(shù)均基于模塊化設(shè)計(jì)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(jì)的關(guān)鍵是結(jié)構(gòu)劃分、單元的安裝方式和對(duì)安裝接口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。
采用模塊化搭接可直立結(jié)構(gòu)裝配桁架結(jié)構(gòu)時(shí),需對(duì)桁架結(jié)構(gòu)目標(biāo)子單元進(jìn)行搭接,即首先將多個(gè)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(yùn)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(jī)器人空間桁架搭接系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一種插銷(xiāo)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)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(shí),為每個(gè)接頭單獨(dú)配置一個(gè)主動(dòng)驅(qū)動(dòng)來(lái)解鎖會(huì)極大地增加復(fù)雜度,而采用單一驅(qū)動(dòng)器依次實(shí)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(shí)現(xiàn)鎖緊/解鎖功能切換的搭接機(jī)構(gòu),對(duì)單向觸發(fā)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向曲面進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì),并通過(guò)Adams軟件對(duì)單向觸發(fā)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理進(jìn)行仿真分析與驗(yàn)證,為復(fù)雜大型桁架結(jié)構(gòu)中搭接機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供新的思路。
單向觸發(fā)搭接機(jī)構(gòu)(簡(jiǎn)稱(chēng)搭接機(jī)構(gòu))主要由主動(dòng)部分和被動(dòng)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(dòng)部分包括鎖頭部件、運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向部件、運(yùn)動(dòng)復(fù)位部件以及桁架接頭轉(zhuǎn)接部件;被動(dòng)零件與鎖頭部件裝配。
圖1 單向觸發(fā)搭接機(jī)構(gòu)Fig.1 One way trigger docking mechanism
主動(dòng)部分中的運(yùn)動(dòng)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(duì)稱(chēng)圓柱突臂,圖2所示中心鎖柱在驅(qū)動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng),后端導(dǎo)向零件設(shè)有高低2個(gè)限位位置,用于實(shí)現(xiàn)鎖緊與解鎖的切換。
圖2 運(yùn)動(dòng)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(jìn)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(yùn)動(dòng)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?yàn)闃O角θ
的0°線,則上述兩線的交點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn)O
。圖3(b)所示為中心鎖柱沿軸向移動(dòng)Δz
到達(dá)位置O
,并繞z
軸旋轉(zhuǎn)Δθ
時(shí)的情況。圖3 運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向部件坐標(biāo)系Fig.3 Coordinate system of motion guide parts
鎖頭部件與被動(dòng)零件的配合關(guān)系見(jiàn)圖4。其中圖4(a)為被動(dòng)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(shí),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(shí)鎖緊球部分暴露于鎖套外部被動(dòng)部分的凹槽配合,實(shí)現(xiàn)鎖緊,如圖4(d)所示。圖4 鎖頭部件結(jié)構(gòu)與被動(dòng)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(duì)導(dǎo)向零件的預(yù)估運(yùn)動(dòng)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(diǎn)A
的縱坐標(biāo),z
<z
時(shí)為解鎖狀態(tài),z
>z
時(shí)為鎖緊狀態(tài),A
到A
點(diǎn)曲線為中心鎖柱的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期,運(yùn)動(dòng)過(guò)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(diǎn)A
(解鎖狀態(tài))出發(fā),在外部驅(qū)動(dòng)力的作用下向+z
運(yùn)動(dòng);②當(dāng)運(yùn)動(dòng)至A
點(diǎn)時(shí),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(yùn)動(dòng);③當(dāng)中心鎖柱運(yùn)動(dòng)至A
點(diǎn)(上端導(dǎo)向零件限位位置)時(shí),撤消外部驅(qū)動(dòng)力,中心鎖柱受彈簧回復(fù)力作用沿-z
運(yùn)動(dòng);④當(dāng)運(yùn)動(dòng)至A
點(diǎn)時(shí),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(yùn)動(dòng)至A
點(diǎn)(下端導(dǎo)向零件限位位置),此時(shí)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(yùn)動(dòng)過(guò)程原理相同,區(qū)別在于A
點(diǎn)位于鎖緊位置下方,此時(shí)實(shí)現(xiàn)搭接機(jī)構(gòu)的解鎖。圖5 中心鎖柱運(yùn)動(dòng)規(guī)律圖Fig.5 Movement law of central lock pillar
A
點(diǎn)到A
點(diǎn)坐標(biāo)確定方法如下:①假設(shè)A
點(diǎn)位于坐標(biāo)原點(diǎn),根據(jù)鎖緊軸各軸段的z
軸方向長(zhǎng)度尺寸,可以計(jì)算出鎖緊位置z
;②設(shè)A
~A
運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)角度為π,A
~A
運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)含有4個(gè)導(dǎo)向過(guò)程,將4個(gè)導(dǎo)向過(guò)程平均分配角度,可得到點(diǎn)A
到A
點(diǎn)的θ
值;③為保證鎖緊軸將球形鎖緊珠向外擠壓過(guò)程中無(wú)導(dǎo)向反力,A
點(diǎn)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(zhǎng)度尺寸,可以確定A
點(diǎn)的最大z
軸尺寸;⑤中心鎖柱在A
點(diǎn)位置時(shí),搭接機(jī)構(gòu)為鎖緊狀態(tài),A
點(diǎn)的z
軸坐標(biāo)值應(yīng)高于鎖緊位置,A
點(diǎn)的z
軸坐標(biāo)值應(yīng)位于A
點(diǎn)與A
點(diǎn)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(diǎn)到A
點(diǎn)的確定方法同理。設(shè)A
點(diǎn)到A
點(diǎn)坐標(biāo)如表1所示,其中A
點(diǎn)、A
點(diǎn)、A
點(diǎn)位置影響搭接機(jī)構(gòu)的鎖緊/解鎖狀態(tài),為確定點(diǎn),其余點(diǎn)為運(yùn)動(dòng)過(guò)程點(diǎn),為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(diǎn)以外,點(diǎn)坐標(biāo)可適當(dāng)調(diào)整。表1 中心鎖柱的預(yù)期運(yùn)動(dòng)特征點(diǎn)坐標(biāo)表Table 1 Coordinate table of motion characteristic points of central locking pillar
為保證搭接機(jī)構(gòu)可靠使用,中心鎖柱在使用中應(yīng)具有順滑的運(yùn)動(dòng)過(guò)程與穩(wěn)定的鎖緊狀態(tài)。由于中心鎖柱的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)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(diǎn)零件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。
搭接機(jī)構(gòu)的單向觸發(fā)功能實(shí)現(xiàn)需要建立符合幾何特征、對(duì)接原理的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向部件幾何模型,需要確定導(dǎo)向零件的設(shè)計(jì)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(dòng)力和沿-z
的彈簧力作用時(shí),中心鎖柱在導(dǎo)向零件的導(dǎo)向下,具有確定且唯一的運(yùn)動(dòng)方向,且中心鎖柱在相鄰2個(gè)運(yùn)動(dòng)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(gè)復(fù)雜曲面,可通過(guò)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(duì)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(xiàng)式函數(shù)對(duì)導(dǎo)向曲線進(jìn)行插值。將中心鎖柱的圓柱突臂簡(jiǎn)化為圓,當(dāng)圓與導(dǎo)向曲線相切時(shí),代表發(fā)生接觸,通過(guò)中心鎖柱與導(dǎo)向曲線幾何關(guān)系可大致確定插值點(diǎn),如表2所示。
表2 未優(yōu)化的導(dǎo)向曲線插值點(diǎn)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(diǎn),使用插值函數(shù)對(duì)導(dǎo)向曲線進(jìn)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(guò)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(diǎn)的斜率方向繼續(xù)運(yùn)動(dòng),當(dāng)導(dǎo)向曲線上前一點(diǎn)斜率的絕對(duì)值大于后一點(diǎn),中心鎖柱的圓柱突臂將不會(huì)立即與導(dǎo)向曲線的后一點(diǎn)接觸,影響運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。當(dāng)導(dǎo)向曲線的插值點(diǎn)僅包括極值點(diǎn)時(shí),會(huì)出現(xiàn)上述問(wèn)題,所以需要對(duì)曲線進(jìn)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(diǎn)B
、B
間增加一個(gè)特征點(diǎn)B
,B
點(diǎn)位于B
點(diǎn)與B
點(diǎn)的連接直線上方,且B
的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(xiàng)式插值結(jié)果為一條光滑曲線,所以使用B
、B
、B
點(diǎn)作為特征點(diǎn)進(jìn)行插值,所得到的曲線C
上各點(diǎn)間也能夠滿足前一點(diǎn)斜率小于后一點(diǎn)斜率。圖8 補(bǔ)充特征點(diǎn)位置示意Fig.8 Location of supplementary feature points
根據(jù)上述方法,補(bǔ)充導(dǎo)向曲線導(dǎo)向區(qū)域插值點(diǎn),并將點(diǎn)B
、B
、B
、B
、B
的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(yùn)動(dòng)過(guò)程中,由于碰撞產(chǎn)生的反力改變運(yùn)動(dòng)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(diǎn)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(diǎn)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
將建立好的三維模型導(dǎo)入Adams仿真平臺(tái),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(duì)中心鎖柱設(shè)置驅(qū)動(dòng)力與彈簧反力,在中心鎖柱圓柱突臂外表面選取中心點(diǎn)作為標(biāo)記點(diǎn),用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的位置變化。外部驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)外部驅(qū)動(dòng)僅輸出沿+z
的驅(qū)動(dòng)力,中心鎖柱沿-z
的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)驗(yàn)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(dòng)函數(shù)如式(1)所示:
式中,v
為外部驅(qū)動(dòng)沿z
軸方向速度,t
為時(shí)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(dòng)輸入零件第1次沿+z
推動(dòng)中心鎖柱運(yùn)動(dòng);1.5~2.6 s為外部驅(qū)動(dòng)零件向-z
撤出;4~5.1 s為外部驅(qū)動(dòng)輸入零件第2次沿+z
推動(dòng)中心鎖柱運(yùn)動(dòng);5.5~6.6 s為外部驅(qū)動(dòng)零件向-z
撤出。速度驅(qū)動(dòng)函數(shù)曲線如圖11所示。圖11 速度驅(qū)動(dòng)函數(shù)曲線圖Fig.11 Speed driving function curve
A
與解鎖點(diǎn)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(yùn)動(dòng)。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(yùn)動(dòng)過(guò)程中的碰撞為彈性碰撞,在發(fā)生碰撞后會(huì)使中心鎖柱短暫的離開(kāi)導(dǎo)向曲面,以此可以解釋圖中運(yùn)動(dòng)軌跡并非光滑曲線。
仿真運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖13所示:①中心鎖柱由仿真位置1(中心鎖柱運(yùn)動(dòng)特征點(diǎn)A
)開(kāi)始運(yùn)動(dòng),在外部驅(qū)動(dòng)的作用下向+z
方向運(yùn)動(dòng);②當(dāng)運(yùn)動(dòng)到仿真位置3(中心鎖柱運(yùn)動(dòng)特征點(diǎn)A
)時(shí),中心鎖柱的圓柱突臂與上端導(dǎo)向零件接觸,開(kāi)始沿上端導(dǎo)向零件的導(dǎo)向曲面運(yùn)動(dòng);③當(dāng)運(yùn)動(dòng)到仿真位置5(中心鎖柱運(yùn)動(dòng)特征點(diǎn)A
)時(shí),中心鎖柱的圓柱突臂到達(dá)上端導(dǎo)向零件的限位位置,此時(shí)外部驅(qū)動(dòng)向-z
撤出,中心鎖柱在彈簧力的作用下,向-z
方向運(yùn)動(dòng);④當(dāng)運(yùn)動(dòng)至仿真位置7(中心鎖柱運(yùn)動(dòng)特征點(diǎn)A
)時(shí),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(yùn)動(dòng),繼續(xù)運(yùn)動(dòng)至仿真位置8(中心鎖柱運(yùn)動(dòng)特征點(diǎn)A
),到達(dá)鎖緊位置,完成運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向部件的鎖緊動(dòng)作仿真。解鎖動(dòng)作過(guò)程與鎖緊動(dòng)作過(guò)程類(lèi)似,在此不再贅述。圖13 仿真運(yùn)動(dòng)過(guò)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(yùn)動(dòng)到1.95 s時(shí),外部驅(qū)動(dòng)撤出,速度高于受彈簧作用并沿-z
運(yùn)動(dòng)的中心鎖柱的運(yùn)動(dòng)速度,輸入零件與中心鎖柱脫離;運(yùn)動(dòng)到3.26 s時(shí),中心鎖柱在彈簧力作用下運(yùn)動(dòng)至鎖緊位置,證明搭接機(jī)構(gòu)的回程運(yùn)動(dòng)過(guò)程不需要外部驅(qū)動(dòng);運(yùn)動(dòng)到4 s時(shí),外部驅(qū)動(dòng)再次接入,推動(dòng)中心鎖柱運(yùn)動(dòng)離開(kāi)鎖緊位置并完成解鎖動(dòng)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
1)本文提出了一種用于桁架裝配的單向觸發(fā)搭接機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)多搭接機(jī)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(guò)程中桁架與工裝設(shè)備的多觸點(diǎn)同時(shí)解鎖提供了一種新的解決方案。
2)完成搭接機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì),對(duì)導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)情況進(jìn)行仿真,結(jié)果驗(yàn)證了導(dǎo)向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性,證明其能夠在單向驅(qū)動(dòng)觸發(fā)下實(shí)現(xiàn)被導(dǎo)向零件的唯一確定運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)的功能與運(yùn)動(dòng)特性,仿真參數(shù)為暫定的參考值,后續(xù)會(huì)根據(jù)實(shí)際工程需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,以防止外界擾動(dòng)對(duì)搭接機(jī)構(gòu)造成影響。