孔繁征 杜江山 黃鐵球*

（北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044）

Sada 電機(jī)作為帆板展開(kāi)的驅(qū)動(dòng)力矩輸出機(jī)構(gòu)，對(duì)其力矩進(jìn)行有效控制是影響帆板順利展開(kāi)的核心因素。該驅(qū)動(dòng)力矩受帆板展開(kāi)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)特性影響較大，因此開(kāi)展剛性太陽(yáng)帆板展開(kāi)過(guò)程中力學(xué)動(dòng)態(tài)特性的全物理仿真試驗(yàn)，需要準(zhǔn)確模擬裝置慣量的連續(xù)變化。

為測(cè)試真實(shí)Sada 電機(jī)在驅(qū)動(dòng)剛性太陽(yáng)帆板展開(kāi)過(guò)程中的力學(xué)特性，本文設(shè)計(jì)了一種太陽(yáng)翼慣量連續(xù)調(diào)整的模擬裝置，給出了剛性太陽(yáng)帆板慣量可調(diào)模擬裝置的功能、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、慣量連續(xù)變化及加速變化功能的實(shí)現(xiàn)方法等關(guān)鍵設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。同時(shí)基于Sada 電機(jī)在工作時(shí)與單軸氣浮臺(tái)同軸度高的技術(shù)難點(diǎn)，對(duì)關(guān)鍵零件設(shè)計(jì)要求，加工技術(shù)要求，以及安裝調(diào)試工藝方法進(jìn)行了重點(diǎn)設(shè)計(jì)說(shuō)明。

1 模擬裝置結(jié)構(gòu)及功能

太陽(yáng)翼慣量連續(xù)調(diào)整模擬裝置如圖1 所示。1- 單軸氣浮平臺(tái)；2- 慣量模擬裝置；3- 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；4- 測(cè)力裝置；5- 電機(jī)連接柱；6- 連接架；7- 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；8- 配重砝碼；9- 桁架式龍門(mén)架。單軸氣浮臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)慣量模擬裝置重力卸載，慣量模擬裝置模擬剛性太陽(yáng)帆板的真實(shí)慣量，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)作為帆板展開(kāi)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力也是實(shí)驗(yàn)被測(cè)試的目標(biāo)，測(cè)力裝置測(cè)量帆板展開(kāi)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)力的變化，電機(jī)連接柱用于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與測(cè)力裝置連接，連接架作用是把驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝到桁架式龍門(mén)架上，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)慣量連續(xù)可調(diào)、加速移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置，配重砝碼用于調(diào)整慣量模擬裝置的慣量，桁架式龍門(mén)架作為系統(tǒng)外設(shè)備主要功能是驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)固定裝置，需要有足夠剛性。

圖1 模擬裝置結(jié)構(gòu)示意圖

Sada 電機(jī)有A、B兩個(gè)軸，測(cè)試A軸時(shí)通過(guò)連接盤(pán)與電機(jī)連接柱連接。測(cè)試B軸時(shí)，更換連接盤(pán)與電機(jī)連接柱連接。使用Sada 電機(jī)A 軸驅(qū)動(dòng)模擬剛性太陽(yáng)帆板展開(kāi)過(guò)程時(shí)，測(cè)量Sada 電機(jī)在慣量勻速變化時(shí)的驅(qū)動(dòng)力的變化。使用Sada 電機(jī)B 軸驅(qū)動(dòng)模擬剛性太陽(yáng)帆板展開(kāi)過(guò)程，測(cè)量Sada 電機(jī)在慣量加速變化時(shí)的力學(xué)動(dòng)態(tài)特性。

2 模擬裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 慣量模擬裝置設(shè)計(jì)

采用對(duì)稱懸臂結(jié)構(gòu)形式，懸臂結(jié)構(gòu)采用Q235 方鋼管材。如圖2 所示，由安裝底座、固定方箱、懸臂梁、直線滑軌、質(zhì)量承載架等組成。安裝底座與固定方箱采用焊接方法，懸臂梁與固定方箱使用螺栓連接，其目的是避免焊接帶來(lái)的應(yīng)力變形影響對(duì)稱度。

圖2 慣量模擬裝置

2.1.1 安裝底座設(shè)計(jì)

為保證與單軸氣浮臺(tái)安裝同心，安裝底座設(shè)計(jì)成圓形，安裝孔與氣浮臺(tái)安裝螺紋孔在同一分度圓上，圓形安裝底座使用數(shù)控銑床精確加工確保安裝孔位置度準(zhǔn)確。為確保懸臂梁中心對(duì)稱，安裝底座設(shè)計(jì)了與固定方箱尺寸相同的方孔。

2.1.2 固定方箱設(shè)計(jì)

固定方箱是懸臂梁安裝的基座，固定方箱采用鋼板焊接而成，四角使用三角板進(jìn)行加強(qiáng)增強(qiáng)抗扭轉(zhuǎn)能力，下方開(kāi)孔用于測(cè)力裝置傳輸線出孔口。焊接成型后對(duì)外形進(jìn)行加工保證與安裝底座孔尺寸一致；在固定方箱兩側(cè)使用數(shù)控銑床進(jìn)行定位加工安裝懸臂梁的螺紋孔，以達(dá)到懸臂梁安裝后的對(duì)稱性，同時(shí)加工用于同步齒帶通過(guò)的長(zhǎng)孔。

2.1.3 懸臂梁設(shè)計(jì)

懸臂梁是承載質(zhì)量產(chǎn)生慣量主要部件，主梁使用Q235方管，根部使用鋼板焊接，在根部加斜支撐提高加載時(shí)其抗彎曲能力，從而使塊滑在直線滑軌上滑移順暢。根部鋼板在數(shù)控銑床上打孔定位，保證與固定方箱連接時(shí)位置準(zhǔn)確。主梁在數(shù)控銑床上定位直線滑軌安裝孔位，以保證加載質(zhì)量沿主梁中心線移動(dòng)，避免質(zhì)心偏移產(chǎn)生力矩干擾，影響測(cè)試精度。

2.1.4 承載架設(shè)計(jì)

承載架由上下板、側(cè)板、U型支架和螺桿組成。下板與側(cè)板采用螺栓連接，便于安裝與調(diào)整。上下板中心加工螺紋孔用于安裝螺桿以固定質(zhì)量砝碼，沿中心線按滑塊安裝孔尺寸加工安裝孔用于安裝滑塊。側(cè)板中間加工有螺紋孔用于定點(diǎn)測(cè)試時(shí)固定載荷。

2.1.5 直線滑軌選擇

在慣量調(diào)節(jié)過(guò)程中為減少摩擦引入新的干擾力矩，使用直線滑軌作為滑移軌道。直線滑軌有承載力大，摩擦系數(shù)小的特點(diǎn)，其摩擦系數(shù)≤0.01。慣量調(diào)節(jié)砝碼上下對(duì)稱加載，全部載荷通過(guò)承載架作用在直線滑軌滑塊上。

2.2 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由Sada 電機(jī)A 軸和B 軸、電機(jī)掛架、桁架連接板、A軸輸出連接盤(pán)、B軸輸出連接盤(pán)組成。其中Sada 電機(jī)A軸和B軸為被測(cè)目標(biāo)。

Sada 電機(jī)是驅(qū)動(dòng)測(cè)試剛性太陽(yáng)電池帆板展開(kāi)的動(dòng)力源，其接口精度高，在安裝時(shí)不允許因傾斜和不同軸引起外力矩干擾影響測(cè)試精度。

為保證Sada 電機(jī)輸出軸與電機(jī)連接柱保持高度同軸設(shè)計(jì)了A 軸輸出連接盤(pán)、B 軸輸出連接盤(pán)，連接盤(pán)與Sada電機(jī)輸出軸采用小過(guò)盈配合，連接盤(pán)采用鋁合金2A12 材料，其目的是在裝配時(shí)避免對(duì)對(duì)Sada 電機(jī)產(chǎn)生損壞，同時(shí)對(duì)連接盤(pán)端面的平面度、平行度進(jìn)行約束。

電機(jī)掛架、桁架連接板均采用鋁合金2A12 材料，在數(shù)控銑床加工時(shí)一次定位，保證兩面的平面度和平行度，防止安裝時(shí)出現(xiàn)傾斜。

2.3 測(cè)力模塊設(shè)計(jì)

測(cè)力裝置是測(cè)量Sada 電機(jī)A 軸和B 軸在慣量勻速變化和加速變化時(shí)數(shù)據(jù)的輸出裝置。安裝時(shí)必須與單軸氣浮臺(tái)同心。測(cè)力裝置由多元測(cè)力計(jì)、多元測(cè)力計(jì)安裝板、芯軸組成。

多元測(cè)力計(jì)安裝板用于保證多元測(cè)力計(jì)中心與單軸氣浮臺(tái)同心，多元測(cè)力計(jì)安裝板采用鋁合金2A12 材質(zhì)。首先對(duì)多元測(cè)力計(jì)外形尺寸進(jìn)行精確測(cè)量，依據(jù)測(cè)量尺寸在多元測(cè)力計(jì)安裝板上加工一個(gè)凹槽，與多元測(cè)力計(jì)外形尺寸采用小過(guò)盈配合，多元測(cè)力計(jì)安裝板加工有中心孔用于與氣浮臺(tái)安裝時(shí)同心，中心孔倒角便于裝配時(shí)對(duì)中，同時(shí)加工安裝多元測(cè)力計(jì)的螺紋孔和與單軸氣浮臺(tái)連接的沉頭孔。多元測(cè)力計(jì)安裝板使用數(shù)控銑床一次定位加工以保證中心孔的位置度和上下面的平面度與平行度。

芯軸與多元測(cè)力計(jì)安裝板中心孔和單軸氣浮臺(tái)中心孔采用小過(guò)盈配合，芯軸采用鋁合金2A12 材質(zhì)，中心加工有螺紋孔，便于安裝及實(shí)驗(yàn)結(jié)束后取出，兩端倒角用于多元測(cè)力計(jì)安裝板和單軸氣浮臺(tái)裝配時(shí)對(duì)中。多元測(cè)力計(jì)通過(guò)多元測(cè)力計(jì)安裝板和芯軸達(dá)到與單軸氣浮臺(tái)同心要求。

2.4 電機(jī)連接柱設(shè)計(jì)

電機(jī)連接柱是保證Sada 電機(jī)與單軸氣浮臺(tái)同軸的關(guān)鍵零件。Sada 電機(jī)通過(guò)電機(jī)連接柱與測(cè)力裝置和單軸氣浮臺(tái)連接在一起。

電機(jī)連接柱采用Q235 材料，防止在Sada 電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)的剛度不足對(duì)測(cè)試精度的影響。電機(jī)連接柱一端法蘭盤(pán)上加工有弧形安裝孔，便于與測(cè)力裝置連接與水平方向位置調(diào)整；另一端法蘭盤(pán)加工有凸臺(tái)與連接盤(pán)小過(guò)盈配合。同時(shí)對(duì)電機(jī)連接柱的同軸度、垂直度、兩端面平面度、凸臺(tái)端的圓度進(jìn)行嚴(yán)格的公差約束。

3 模擬裝置安裝調(diào)試工藝設(shè)計(jì)

3.1 總體安裝調(diào)試流程

若使裝置能夠滿足精度要求，需要對(duì)太陽(yáng)翼慣量連續(xù)調(diào)整模擬裝置安裝過(guò)程的整體順序進(jìn)行合理布置。因此，總體安裝調(diào)試順序?yàn)椋簻y(cè)力裝置，電機(jī)連接柱，慣量模擬器，Sada 電機(jī)連接盤(pán)，Sada 電機(jī)，電機(jī)掛架，連接架，桁架式龍門(mén)架。

3.2 多元測(cè)力計(jì)安裝工藝

把芯軸壓入單軸氣浮臺(tái)中心孔，不能敲擊。多元測(cè)力計(jì)安裝板中心孔與芯軸對(duì)齊，使用螺栓與氣浮臺(tái)面連接，螺栓緊固后使用高精度水平尺檢測(cè)凹槽表面水平度，如有傾斜使用墊片調(diào)整，直至水平。把多元測(cè)力計(jì)與多元測(cè)力計(jì)安裝板邊緣對(duì)齊，使用螺栓與多元測(cè)力計(jì)安裝板擰緊，再次校正水平度。

圖3 多元測(cè)力計(jì)安裝工藝

3.3 電機(jī)連接柱安裝調(diào)整工藝

以多元測(cè)力計(jì)中心處的四個(gè)螺紋孔為基本安裝基準(zhǔn)，電機(jī)連接柱與多元測(cè)力計(jì)使用螺栓連接。此時(shí)連接螺栓不要擰緊。

3.3.1 電機(jī)連接柱端面跳動(dòng)度測(cè)量與調(diào)整方法

千分表固定于桁架上，千分表觸頭與電機(jī)連接柱上端面接觸，轉(zhuǎn)動(dòng)氣浮臺(tái)觀察電機(jī)連接柱上端面千分表顯示的誤差量，在電機(jī)連接柱下端使用薄墊片調(diào)整，直到表針的跳動(dòng)在0.02 mm之內(nèi)為止。

3.3.2 電機(jī)連接柱與氣浮臺(tái)同軸度測(cè)量與調(diào)整方法

千分表固定于桁架上，千分表觸頭與電機(jī)連接柱上端連接法蘭外圓接觸，轉(zhuǎn)動(dòng)氣浮臺(tái)觀察電機(jī)連接柱上端法蘭盤(pán)外圓千分表顯示的誤差量，調(diào)整電機(jī)連接柱X、Y 軸的方向，直到表針的跳動(dòng)在0.02 mm之內(nèi)為止。此時(shí)連接螺栓要用力緊固，不能有任何松動(dòng)。

4 測(cè)試結(jié)果

如圖4 所示，3.3.2 小節(jié)說(shuō)明了電機(jī)連接柱與單軸氣浮臺(tái)同軸度的測(cè)試方法，測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

圖4 端面同軸度測(cè)試

表1 端面同軸度測(cè)試結(jié)果

在單軸氣浮臺(tái)外同時(shí)架設(shè)2 臺(tái)Radian Pro 激光跟蹤儀（測(cè)量精度0.03mm），分別在兩端質(zhì)量承載架上中心位置粘貼標(biāo)定點(diǎn)，使激光跟蹤儀對(duì)準(zhǔn)標(biāo)定點(diǎn)，測(cè)量標(biāo)定點(diǎn)與單軸氣浮臺(tái)中心距離。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量承載架移動(dòng)，此時(shí)激光跟蹤儀始終跟蹤標(biāo)定點(diǎn)，當(dāng)質(zhì)量承載架移動(dòng)到按設(shè)計(jì)位置時(shí)，即可測(cè)出設(shè)計(jì)位置與定點(diǎn)位置的誤差值。

對(duì)該定點(diǎn)位置進(jìn)行多次往復(fù)重復(fù)定位，記錄每次定位的測(cè)量值，然后進(jìn)行平均計(jì)算，即可得出定點(diǎn)位置實(shí)測(cè)值和重復(fù)定位的誤差值。如表2 所示。

表2 慣量定點(diǎn)測(cè)試結(jié)果

以質(zhì)量承載架距單軸氣浮臺(tái)最近端為初始位置，伺服電機(jī)以最小轉(zhuǎn)速移動(dòng)到設(shè)定位置，測(cè)量移動(dòng)距離，記錄移動(dòng)時(shí)間，即可得出最小移動(dòng)速度。同理伺服電機(jī)以最大轉(zhuǎn)速移動(dòng)到設(shè)定位置，即可得出最大移動(dòng)速度，如表3 所示。

表3 配重移動(dòng)速度測(cè)試結(jié)果

表1，2，3 分別給出了裝置的核心部位的測(cè)試結(jié)果，結(jié)果顯示同軸度誤差小于≤0.02mm，慣量定點(diǎn)測(cè)試結(jié)果的重復(fù)位置誤差小于≤0.2mm，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量誤差小于≤3kgm2。由于該裝置是模擬微重力下航天器的太陽(yáng)電池板展開(kāi)時(shí)Sada電機(jī)輸出力矩變化，因此，模擬裝置同軸度的誤差及慣量定點(diǎn)測(cè)結(jié)果誤差已經(jīng)可以表明該模擬裝置的有效性。

5 結(jié)論

本文對(duì)一種太陽(yáng)翼慣量連續(xù)調(diào)整的模擬裝置的結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究，并完成該裝置的研制與安裝調(diào)試工作，并得到結(jié)論：

5.1 該模擬裝置配重的位置控制精確，移動(dòng)速度均勻，可準(zhǔn)確模擬真實(shí)太陽(yáng)翼慣量的連續(xù)變化；可有效用于研究Sada 電機(jī)驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)帆板展開(kāi)過(guò)程中的驅(qū)動(dòng)特性。

5.2 工藝設(shè)計(jì)使該模擬裝置精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了Sada 電機(jī)與氣浮臺(tái)的高同軸度要求。

5.3 性能測(cè)試結(jié)果顯示，慣量定點(diǎn)測(cè)試誤差和電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的同軸度誤差均很小，證明了該模擬器裝置功能的有效性，在后續(xù)真實(shí)帆板驅(qū)動(dòng)電機(jī)地面測(cè)試試驗(yàn)中，發(fā)揮了良好效果。