基于尺寸鏈原理的樣品轉移過程容差設計與分析

傅麗佳，劉 洲，王衛(wèi)軍，鄭云青

（上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海201109）

1 引言

我國探月工程分為“繞、落、回”三個階段，三期工程“回”即指月球自動采樣返回［1］。作為嫦娥5號探測器關鍵機構之一，在完成軌道器與返回器組合體（簡稱軌返組合體）與上升器的在軌對接之后，轉移機構須將裝有月壤的樣品容器從上升器轉移到返回器樣品艙內指定位置，為返回器實現樣品容器的返回打下基礎。

這種采用先通過月球軌道交會對接、然后進行樣品轉移的方式與美國的有人月面采樣返回［2］和蘇聯的無人月面采樣方式［3］均不同。 根據探測器系統(tǒng)論證和設計結果，整個轉移過程涉及上升器、軌道器、返回器等多器，行程長達620 mm，且需適應上升器與軌返組合體對接后的對接精度、軌道器與返回器的位置偏差、轉移過程中的各類加工安裝精度及高低溫下的結構變形等。為保證轉移通道通暢，需對轉移過程進行容差設計。

本文采用尺寸鏈公差計算方法［4?6］，根據轉移過程分階段進行轉移導向精度分析及計算，通過精度分配迭代及容器受力分析，獲得導向精度最優(yōu)設計結果，并通過轉移容差試驗驗證容差設計與分析的正確性。

2 容差分析對象

樣品轉移過程是在完成對接功能后，通過軌道器主動件的2套轉移機構，依靠轉移通道上的3套導向結構對樣品容器進行位姿約束，將圖1所示的樣品容器從上升器經過軌道器，最后轉移至返回器樣品艙內。導向結構如圖2。

圖1 樣品容器示意圖Fig．1 Diagram of the sample container

圖2 導向結構示意圖Fig．2 Diagram of the guide structures

導向塊為梯形槽結構（安裝在被動件、主動件、樣品艙上），導向條為半圓式結構（安裝在樣品容器上）。轉移機構與導向結構的布局見圖3。

初始狀態(tài)樣品容器安裝在上升器上，轉移機構安裝在軌道器主動件上，如圖4所示。兩套轉移機構與＋Y向的夾角均為60°。正常工況下兩套轉移機構共同工作完成轉移任務。當一套轉移機構故障時，另一套轉移機構也可單獨完成轉移任務。

圖3 導向結構與轉移機構的布局Fig．3 Layout of the guide structures and the trans?fer mechanism

圖4 轉移機構在主動件上布局圖Fig．4 Layout of the transfer mechanism

3 容差設計與分析

3.1 容差設計

轉移過程容差設計與分析主要考慮幾何尺寸相容性要求，保證在主動件與被動件的對接精度、軌道器主動件中心與返回器樣品艙中心的位置偏差和零件自身的加工及裝配精度（導向塊、導向條安裝及加工精度、高低溫變形等）下不出現機械干涉，實現導向精度設計。三段導向安裝在不同的位置，相互獨立，且彼此之間存在一定的距離。因此容差分析與導向精度設計時分單獨導向階段和聯合導向階段兩種情形開展。

3.1.1 單獨導向階段

單獨導向階段的導向精度需滿足導向塊之間精度包容樣品容器導向之間精度。以被動件導向為例，其與樣品容器位置關系如圖5。

根據圖5，可知被動件導向精度要求如式（1）：

式中Tb為被動件導向之間尺寸精度，Tr為樣品容器導向之間尺寸精度。樣品容器導向尺寸鏈見圖6。被動件導向尺寸鏈如圖7所示。

圖6 樣品容器導向條之間尺寸鏈［7?8］Fig．6 The dimensional chain between guide struc?tures of the sample container

圖7 被動件導向塊之間尺寸鏈［7?8］Fig．7 The dimensional chain between guide struc?tures of the passive component［7?8］

考慮導向結構的加工精度、高低溫變形等，被動件單獨導向階段精度設計要求如式（2）：

式中ΔT為溫度變化引起的最大變形量。

3.1.2 聯合導向階段

根據輕小型對接機構設計方案及整器系統(tǒng)布局設計結果，主動件與被動件的對接精度為0.5 mm，遠小于返回器樣品艙中心相對軌道器主動件中心的位置偏差5 mm，因此聯合導向階段容差設計主要考慮軌道器主動件中心與返回器樣品艙中心的位置偏差以保證轉移通道的通暢性。

假定軌道器主動件中心與返回器樣品艙中心的偏差出現在左側，轉移機構位置安裝如圖3所示，且II號轉移機構不工作，I號轉移機構工作。在該狀態(tài)下，樣品容器受到轉移作用力后產生姿態(tài)偏轉。為了減小樣品容器的姿態(tài)偏轉，需保證導向精度盡可能小。假設極限情況——在軌道器主動件導向與返回器樣品艙導向共同導向階段樣品容器呈直線狀態(tài)進行轉移。此時樣品容器導向右側與返回器樣品艙導向右端接觸，樣品容器導向左側與軌道器主動件導向左側接觸，位置關系示意圖見圖8。

圖8 聯合導向要求位置示意圖Fig．8 The requirement on location of the combined guide parts

根據圖8所示導向精度要求如式（3）：

式中M01′為返回器樣品艙右側導向與樣品艙中心之間精度，N1′為軌道器主動件導向左側與主動件中心之間精度，Dz為軌道器主動件與返回器樣品艙中心的偏差，ΔT為溫度變化引起的最大變形量。主動件導向尺寸鏈如圖9所示，返回器樣品艙導向尺寸鏈如圖10所示。

圖9 主動件導向塊之間尺寸鏈［7?8］Fig．9 The dimensional chain between guide struc?tures of the actuator

圖10 返回器樣品艙導向塊之間尺寸鏈［7?8］Fig．10 The dimensional chain between guide struc?tures of the return capsule

考慮導向結構的加工及安裝精度、高低溫變形等，間隙設計要求設計如式（4）：

3.2 容差分析

由于轉移機構為偏心安裝，樣品容器受力后姿態(tài)必然產生偏轉，因此須結合轉移過程中樣品容器的受力進行轉移容差分析，避免出現轉移通道通暢但轉移推力要求無限大的情況。考慮最惡劣的工況，即1套轉移機構故障。樣品容器在受力后產生姿態(tài)偏轉，以軌道器主動件和返回器樣品艙聯合導向段為例，樣品容器受力狀態(tài)如圖11所示。

根據受力平衡可以列寫方程如式（5）：

圖11 單套轉移機構在軌受力分析Fig．11 The on?orbit force analysis of a transfer mechanism

圖中F12是轉移機構提供的轉移推力（驅動力）；F1為左側導向面的正壓力，F2為右側兩個導向面的正壓力合力，f1為左側導向面的摩擦力，f2為右側兩個導向面的摩擦力合力，μ為摩擦系數；F3為轉移機構非工作狀態(tài)棘爪的阻力，F4為返回器樣品艙內單向鎖工作的阻力，F5、F6為返回器內鎖定機構阻力；L1為轉移機構非工作狀態(tài)棘爪與返回器左側之間精度，L2為返回器左側導向與主動件右側導向之間精度，L3為返回器左側導向與轉移機構工作狀態(tài)棘爪之間精度，L4為轉移過程中導向長度。

從公式（5）中可知，轉移推力的大小取決于摩擦系數 μ、L1、L2、L3、L4，其中 L4為導向長度，當樣品容器處于單獨導向階段時L4為導向塊長度，當樣品容器處于聯合導向階段時L4為樣品容器導向條長度，所以L4隨轉移行程s的變化而變化；摩擦系數μ由材料和表面處理方式決定，L1、L2、L3為容差設計結果。因此在摩擦系數固定的情況下轉移推力的大小取決于容差設計值。根據轉移機構推力及轉移行程可計算轉移過程機構平均功率見式（6）：

式中，s為轉移行程，t為轉移時間。

4 分析結果

通過上述分析可知轉移容差的設計不僅影響樣品轉移過程的受力，且對轉移通道的通暢性起決定作用，因此結合上述兩點對導向精度進行分析。其中零件的加工及安裝精度均按工程可實現的加工精度確定；高低溫變形量的計算時考慮的溫度范圍為：樣品容器溫度范圍－100～＋100℃，被動件溫度范圍－120～＋120℃，主動件溫度變化－50℃ ～＋50℃，返回器溫度變化范圍－30℃～＋55℃。且被動件與樣品容器的熱環(huán)境條件一致，主動件與返回器的熱環(huán)境條件一致，被動件與主動件考慮極限溫差，主動件與樣品容器考慮極限溫差，返回器與樣品容器考慮極限溫差。主動件中心與返回器樣品艙中心的位置偏差為5 mm。摩擦系數μ取0.3。

通過代入不同的導向精度計算轉移過程中最大推力及轉移機構平均功率，得出在不同的導向精度下轉移過程推理隨轉移行程變化曲線如圖12所示，轉移機構平均功率如表1所示。

通過對比分析可知：

1）增大返回器樣品艙導向精度可以降低最大驅動力的峰值；

2）減小返回器樣品艙導向精度可以降低脫離主動段導向的驅動力峰值，但會導致主動段導向推力顯著增大；

圖12 導向精度變化對轉移推力的影響Fig．12 The effect of guide precision on transfer force

3）減小主動段導向精度可降低轉移機構平均功率。

5 轉移容差驗證試驗

轉移容差能力驗證試驗通過樣品容器模擬件、返回器模擬件配合轉移機構進行轉移功能試驗過程模擬，試驗臺如圖13所示。樣品容器模擬件通過力加載伺服機構進行失重模擬，吊點設置在樣品容器模擬件的質心位置，通過力傳感器將驅動單元的鋼絲繩輸出拉力精確伺服到樣品容器的重量，實現樣品容器模擬件的失重狀態(tài)模擬。返回艙樣品艙模擬件安裝在下平臺的6自由度容差調整機構上，通過容差調整機構可調整返回器樣品艙模擬件相對于主動件的中心偏差，模擬返回器樣品艙中心相對于軌道器主動件中心的位置偏差。返回艙樣品艙模擬件內部安裝有導向結構、單向鎖和鎖定機構。通過導向結構對容器模擬件進行轉移過程導向，通過單向鎖實現容器模擬件進入樣品艙后的單向運動，通過鎖定機構實現容器到位后的鎖定。

表1 容差對轉移阻力的影響Table 1 The effect of tolerance on maximum resistance between guide structures

圖13 轉移試驗設備示意圖Fig．13 The equipment of transfer test

轉移容差能力驗證試驗時，主動件與被動件先完成對接動作，然后控制器驅動轉移機構動作完成樣品轉移過程，模擬樣品容器在軌對接與轉移的全流程動作。

轉移容差驗證試驗進行了軌道器主動件與返回器樣品艙中心偏差為5 mm下的轉移試驗。試驗結果顯示轉移過程順利，轉移機構工作平穩(wěn)，轉移機構工作電流正常，且不同偏差下的轉移電流及轉移機構平均功率相差不大，驗證了轉移容差設計與分析的正確性。試驗數據見表2。

表2 轉移驗證試驗數據Table 2 Data of transfer verification test

6 結論

本文針對國際首次在軌自動樣品容器轉移過程的偏差適應性需求提出了基于尺寸鏈原理的樣品轉移過程容差設計結果，經試驗驗證，可以解決導向結構相互獨立且位置偏差大的轉移容差問題，并為探月三期工程實現樣品容器在軌的順利轉移提供依據。該方法后續(xù)可用于其它深空探測的多器間大行程物品自動轉移任務的容差設計。

（

）

［1］ 葉培建，于登云，孫澤洲，等.中國月球探測器的成就與展望［J］. 深空探測學報，2016， 3（4）：323?336.Ye P J，Yu D Y，Sun Z Z，et al.Achievements and prospect of Chinese lunar probes ［J］.Journal of Deep Space Explora?tion， 2016， 3（4）： 323?336.（in Chinese）

［2］ 張揚眉.國外無人采樣返回任務概述［J］.國際太空，2011（1）： 18?19.Zhang Y M.An overview of foreign unmanned sampling and return task［J］.Space International， 2011（1）： 18?19.（in Chinese）

［3］ 計都.蘇聯無人采樣返回任務取得巨大成就［J］.國際太空， 2011（1）： 20?22.Ji D.Soviet unmanned sampling and return task has made great achievements ［J］.Space International， 2011（1）： 20?22.（in Chinese）.

［4］ 何景熙.復雜尺寸鏈分析計算理論及應用［D］.重慶：重慶大學，2003.He J X.The Theory and Application of Complex Dimensional Chain Analyses and Calculation［D］.Chongqing： Chongqing University， 2003.（in Chinese）

［5］ 楊一帆，莊仲禹.應用尺寸鏈原理計算夾具定位誤差［J］. 機械研究與運用，1994（4）：16?19.Yang Y F， Zhang Z Y.Application of dimension chain princi?ple to calculation of fixture positioning error［J］.Mechanical Research and Application， 1994（4）： 16?19.（in Chinese）

［6］ 張春城.某產品基于尺寸鏈的精度設計［J］.四川兵工學報， 2013， 34（11）： 92?95.Zhang C C.A product design of accuracy based on dimension?al chain［J］.Sichuan Ordnance Journal， 2013， 34（11）： 92?95.（in Chinese）

［7］ 任嘉卉.公差與配合手冊［M］第3版.北京：機械工業(yè)出版社， 2013： 1100?1109.Ren J H.Handbook of Tolerances and Fits［M］.3rdedition.Beijing： China Machine Press， 2013： 1100?1109. （in Chi?nese）

［8］ 廖念釗.互換性與技術測量［M］.第2版.北京：中國計量出版社， 1994： 174?189.Liao N Z.Interchangeability and Technical Measurement［M］.2ndedition.Beijing： China Metrology Press， 1990：174?189.（in Chinese）

［9］ 張開富.飛機部件裝配誤差累積分析與容差優(yōu)化方法研究［D］.西安：西北工業(yè)大學，2006.Zhang K F.Assembly Error Stack?up Analysis and Optimum Tolerancing for Aircraft Assembly［D］.Xi’an： Northwestern Polytechnical University， 2006.（in Chinese）

［10］ 李仲輝.飛機裝配容差優(yōu)化設計方法研究［D］.南京：南京航空航天大學，2010.Li Z H.Research on the Methods of Tolerance Optimal Design for Aircraft Assembly［D］.Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2010.（in Chinese）