索段精密測控與自動連接技術(shù)研究

沈亮，李舒揚(yáng)，詹軍海，周墨淵，余豪華，徐慶

(上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109)

0 引言

在國內(nèi)，關(guān)于索網(wǎng)結(jié)構(gòu)各索段的連接方法尚處于人工連接階段，在索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的找形設(shè)計(jì)階段，根據(jù)各索段工作狀態(tài)時的長度與應(yīng)力，以找形算法求出索段的預(yù)張力和無應(yīng)力長度[9]，并在索段的無應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行人工連接。人工連接方法不僅工作量巨大，效率低下，而且由于繩索的力學(xué)性能復(fù)雜[10]，無法滿足網(wǎng)面的高精度要求，嚴(yán)重阻礙了我國大型可展天線的發(fā)展。因此，本文研制了一套索段精密測控與自動連接設(shè)備，實(shí)現(xiàn)索網(wǎng)中各索段長度與張力的高精度控制，使各索段在實(shí)際工作長度與張力狀態(tài)下進(jìn)行連接，對于提高索網(wǎng)的整體精度和制造效率具有重要意義。

1 索段連接系統(tǒng)設(shè)計(jì)

索網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)可靠連接是通過索段在節(jié)點(diǎn)零件中穿引回繞后，利用夾套壓緊繩索實(shí)現(xiàn)的。索段一端的節(jié)點(diǎn)零件固定在固定端，另一端固定在可調(diào)端，配套拉力傳感器及位移傳感器實(shí)現(xiàn)索段的高精度連接。將長度控制技術(shù)、張力加載技術(shù)以及索段連接技術(shù)實(shí)現(xiàn)所需的模塊集成，形成總體機(jī)械系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)由位移電機(jī)、張力電機(jī)、拉力傳感器、激光位移傳感器、光柵傳感器、直線導(dǎo)軌、滾珠絲杠、液壓鉗頭、液壓油缸等配套附件和結(jié)構(gòu)件組成，如圖1所示。

圖1 索段連接設(shè)備示意圖

位移電機(jī)、滾珠絲杠、直線導(dǎo)軌、光柵傳感器、激光位移傳感器等組成長度控制模塊；張力電機(jī)、拉力傳感器等組成張力控制模塊；液壓鉗頭、液壓油缸等組成壓接模塊。設(shè)備工作流程如下：索段準(zhǔn)備—索段長度調(diào)節(jié)—索段張力調(diào)節(jié)—索段力位混合調(diào)節(jié)—索段壓接—索段(質(zhì)量)測試—索段剪斷。

2 索段高精度連接技術(shù)

2.1 索段長度高精度控制技術(shù)

1)索段長度控制方案

索段長度控制受到節(jié)點(diǎn)零件安裝精度、結(jié)構(gòu)件變形、設(shè)備測量精度等因素的影響，因此需要對節(jié)點(diǎn)零件和裝夾零件安裝精度提出控制要求，對相關(guān)安裝部位進(jìn)行有限元分析，得出結(jié)構(gòu)變形量，最后通過索段連接設(shè)備實(shí)現(xiàn)長度的高精度控制。

如圖2所示，利用光柵尺對滾珠絲杠的大范圍位移進(jìn)行測量，利用激光傳感器對節(jié)點(diǎn)零件的微小變形位移進(jìn)行測量，可以實(shí)現(xiàn)索段長度的精確測量。圖中：l1為初始狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)零件中心到光柵尺起點(diǎn)距離；l2為光柵尺測量位移；l3為右側(cè)節(jié)點(diǎn)零件中心到光柵尺末點(diǎn)距離；l4為左側(cè)激光傳感器測量位移；l5為右側(cè)激光傳感器測量位移，則索段實(shí)際長度為

圖2 測量原理圖

l=l1+l2+l3-l4-l5

(1)

索段長度控制誤差為

Δl=Δl1+Δl2+Δl3-Δl4-Δl5

(2)

2)索段長度控制結(jié)果

抓取系統(tǒng)由一個四自由度可折疊機(jī)械臂及控制系統(tǒng)構(gòu)成，如圖3所示，通過單片機(jī)對五路舵機(jī)的脈沖控制，實(shí)現(xiàn)精確到達(dá)軌跡范圍內(nèi)空間任意一點(diǎn)位置的功能.

如圖3所示，節(jié)點(diǎn)零件通過定位面與可更換裝夾件完成間隙配合定位，可更換裝夾件與節(jié)點(diǎn)裝夾塊通過錐形圓柱和錐形孔完成配合定位。

在索網(wǎng)自動連接設(shè)備工作時，節(jié)點(diǎn)零件與可更換裝夾件需要拆卸及更換，這時節(jié)點(diǎn)零件安裝誤差無法進(jìn)行標(biāo)定補(bǔ)償。如圖3所示，節(jié)點(diǎn)零件的定位面為圓盤下方的圓柱面，其公差等級為IT5，以此圓柱面中心軸作為節(jié)點(diǎn)零件中心線，可更換裝夾件的內(nèi)孔定位面進(jìn)行鉸孔加工，公差等級為IT6，節(jié)點(diǎn)零件與可更換裝夾件之間為間隙配合，最大間隙為0.015mm，因此Δl1=Δl3=(±0.015)mm。

圖3 節(jié)點(diǎn)零件裝夾示意圖

張力承載部件在索段連接過程中受到繩索拉力而變形，主要承載部位有節(jié)點(diǎn)零件、可更換裝夾件、節(jié)點(diǎn)裝夾塊等。節(jié)點(diǎn)零件的材料為聚酰亞胺，可更換裝夾件和節(jié)點(diǎn)裝夾塊的材料為45#鋼。按索網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)最大載荷180N對設(shè)備張力承載部件進(jìn)行力學(xué)分析，張力測量部件最大變形發(fā)生在節(jié)點(diǎn)零件受拉孔處，最大位移值為0.08mm，節(jié)點(diǎn)零件安裝中心孔處的最大位移為0.03mm。

長度測量采用光柵尺和激光位移傳感器相結(jié)合的方法以保證設(shè)備的精確度。設(shè)備裝配完成后利用激光干涉儀進(jìn)行高精度誤差標(biāo)定，從而補(bǔ)償?shù)舨豢刹鹦读慵圃旌脱b配過程中產(chǎn)生的累積誤差，提高設(shè)備的整體精度。光柵尺和激光位移傳感器測量精度分別為0.005mm和0.002mm。因此，Δl2=(±0.005)mm，Δl4=Δl5=(±0.032)mm。

因此Δl=Δl1+Δl2+Δl3-Δl4-Δl5=0.015+0.005+0.015+0.032+0.032=0.099mm，索段長度控制誤差為0.099mm?？梢?，索段長度可以控制在(±0.1)mm。

2.2 索段張力高精度加載技術(shù)

1)張力加載方案

索段張力加載采用傳感器直接測量的方式進(jìn)行，即傳感器與索段串行連接，從而避免傳感器測量方向與張力方向不一致帶來的誤差。圖4為張力控制模塊示意圖，圖4(a)為張力測量端，節(jié)點(diǎn)零件放置于節(jié)點(diǎn)裝夾塊上，裝夾塊水平安裝于拉力傳感器一端。拉力傳感器通過測出裝夾塊對其水平方向的拉扯力，得出繩索的張力。圖4(b)為張力調(diào)節(jié)端，繩索穿過節(jié)點(diǎn)零件并通過導(dǎo)向柱換向，最終連接至張力電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸，通過拉力傳感器的測量反饋，張力電機(jī)做出響應(yīng)調(diào)節(jié)，通過收卷線繩對其張力進(jìn)行控制，最終實(shí)現(xiàn)張力加載。

圖4 張力控制模塊示意圖

2)張力調(diào)節(jié)精度

張力調(diào)節(jié)電機(jī)編碼器分辨率為20000，滾軸半徑r1=12.5mm，索段采用的凱夫拉繩剛度k=10000～20000N/m。

因此，張力調(diào)節(jié)電機(jī)收繩分辨率為

張力調(diào)節(jié)電機(jī)張力分辨率最大為

張力調(diào)節(jié)電機(jī)分辨率最大為0.079N，可以實(shí)現(xiàn)索段張緊力的高精度加載和控制。

2.3 索段連接技術(shù)

索段連接采用銅套壓接的方式，壓接機(jī)構(gòu)方案如圖5所示。液壓油缸通過液壓油管與分體式液壓鉗相連，提供壓接動力。將穿引好繩索的銅套卡入銅套安裝槽中，凹槽高度固定，確保銅套z向位置；槽口采用限位設(shè)計(jì)，確保銅套x向位置；壓接鉗頭對銅套采用了自適應(yīng)對中擠壓技術(shù)；通過對銅套3個方向上的限制，確保每次壓接時，銅套均在同一位置，壓接最終形態(tài)一致，實(shí)現(xiàn)鎖定索段繩長和張力的作用。

圖5 壓接模塊示意圖

3 索段性能測試

通過對位移電機(jī)和張力電機(jī)的聯(lián)合調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)索段長度和張力的協(xié)同控制。通過比較設(shè)定的長度和張力值與實(shí)測值的差值，驗(yàn)證位移、張力控制模塊的性能。該測試對索段的長度和張力設(shè)定3種不同的參數(shù)組合，每種組合重復(fù)測試3次，具體參數(shù)組合與測試數(shù)據(jù)表如表1所示。

從表1中可看出，在制作成功的索段中，實(shí)測索段長度最大偏差為0.06mm，張力最大偏差為0.18N，并且壓接前后的張力和長度保持穩(wěn)定。

表1 索段性能測試結(jié)果

4 結(jié)語

研制了一套索段精密測控與自動連接設(shè)備，實(shí)現(xiàn)索網(wǎng)中各索段長度與張力的高精度控制。通過對節(jié)點(diǎn)零件安裝精度、結(jié)構(gòu)件變形、設(shè)備測量精度等因素的分析和控制，實(shí)現(xiàn)索段長度精確控制。實(shí)測索段長度最大偏差為0.06mm；通過高精度張力電機(jī)對張力進(jìn)行精準(zhǔn)加載，實(shí)測索段張力最大偏差為0.18N；同時采用液壓壓接的方式保證了夾套壓接前后索段的張力和長度的一致性。