壓緊桿式太陽翼自動化加載設(shè)備設(shè)計與驗證

胡亞航，全齊全，吳躍民，王國星，臧梓軼，杜博遲，程 澤

(1. 北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150001；3. 北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

0 引 言

為保證航天器發(fā)射過程中太陽翼可靠壓緊在器體側(cè)壁，且不對航天器工作產(chǎn)生不良影響，發(fā)射前需要用專門的設(shè)備將太陽翼壓緊釋放機(jī)構(gòu)工作件的預(yù)緊力控制在合理范圍之內(nèi)[1]。根據(jù)壓緊釋放機(jī)構(gòu)的不同，太陽翼分為半剛性帶狀式太陽翼、分離螺母式太陽翼和壓緊桿式太陽翼[2]。

半剛性帶狀式太陽翼這一技術(shù)已經(jīng)屬于一項較為成熟的技術(shù)，我國與其他主要的航天國家均掌握了該項技術(shù)，其太陽翼壓緊方式通過壓緊測試儀和壓緊框進(jìn)行加載，并具備實時監(jiān)測、精確測量的功能，但此方法耗人耗時，效率較低[3-5]。分離螺母式太陽翼也是目前國際上應(yīng)用比較成熟的一種太陽翼，較典型的是國外INTELSAT-V衛(wèi)星的太陽翼，我國已經(jīng)在實踐二十號衛(wèi)星上采用了該類型的太陽翼，該太陽翼采用液壓螺栓拉伸器進(jìn)行加載；液壓螺栓拉伸器的優(yōu)點是精度高，無扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、無摩擦損傷、可同步預(yù)緊多個螺栓，缺點是需要足夠的伸長量，因而在軸向空間狹窄的使用場合受到很大限制[6-8]。壓緊桿式太陽翼占比約為75%，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星平臺，其加載方式采用特制壓緊扳手手動擰緊壓緊螺母，通過旋轉(zhuǎn)壓緊螺母角度將預(yù)緊力控制在一定范圍內(nèi)，壓緊扳手加載操作簡便，但預(yù)緊力不容易精確控制[9-11]。

宣明等[12]在2017年開展了微小衛(wèi)星太陽帆板壓緊釋放機(jī)構(gòu)的設(shè)計，得到扭矩是預(yù)緊力的2倍關(guān)系，給出了預(yù)緊力的確定方法，并開展了真空環(huán)境下的可靠性驗證試驗，但預(yù)緊過程的自動化和精度控制并未體現(xiàn)。郭一竹等[13]在2019年開展了新型柔索式桿束結(jié)構(gòu)壓緊釋放裝置的設(shè)計工作，建立了裝置的力學(xué)模型，分析了靜態(tài)壓緊和考慮慣性載荷情況下預(yù)緊力變化的情況，得到了滿足可靠壓緊的預(yù)緊力設(shè)計值，但并未涉及壓緊釋放裝置預(yù)緊工程應(yīng)用的情況。結(jié)合國內(nèi)外文獻(xiàn)調(diào)研，同行對壓緊釋放機(jī)構(gòu)的設(shè)計、布局、可靠性分析等均有論述，但迄今為止,未見壓緊釋放機(jī)構(gòu)預(yù)緊力自動化加載的公開報道。

本文借鑒液壓螺栓拉伸器預(yù)緊的設(shè)計思路，結(jié)合壓緊桿式太陽翼高精度控制的需求，設(shè)計了太陽翼壓緊桿自動化加載設(shè)備，同時滿足壓緊桿預(yù)緊力施加的安全性和預(yù)緊力實時監(jiān)測的功能，最后設(shè)計了一種應(yīng)變測量的地面驗證方法，為設(shè)備的應(yīng)用提供了實踐依據(jù)。

1 總體設(shè)計

太陽翼壓緊桿的安裝空間狹小，壓緊桿桿頭為邊長4 mm的六方柱，壓緊螺母為M5螺母，兩者的材料均為TC4R，加載時的間距為3.5 mm。自動化加載設(shè)備需要在特別狹窄的空間內(nèi)進(jìn)行壓緊桿的拉伸和壓緊螺母的擰緊操作,設(shè)計具有足夠承載能力的快速夾緊接口是設(shè)備研制的首要環(huán)節(jié)。

為實現(xiàn)AIT現(xiàn)場操作的便利性，設(shè)備須為手持式便攜設(shè)備，因此，小型化、輕量化也是其重要特點。設(shè)計時首先確定了設(shè)備內(nèi)部通用組件(如驅(qū)動電機(jī)、減速器、傳感器、顯示設(shè)備、電池組件等)，然后根據(jù)技術(shù)指標(biāo)選擇質(zhì)量最輕、包絡(luò)最小的成熟產(chǎn)品，再據(jù)此開展專用傳力組件的設(shè)計，解決能量儲存、動力輸出、減速增扭、測量顯示等一系列問題，實現(xiàn)內(nèi)部空間布局以及力傳遞路線的優(yōu)化。

另外，由于航天產(chǎn)品的特殊性，自動化加載設(shè)備需要具有很高的安全性、可靠性。因此，設(shè)備動力采用可充電電池供電，避免拖線操作。同時，設(shè)備還具有安全保護(hù)功能，避免在操作過程中損壞太陽翼。

自動化加載設(shè)備爆炸示意圖如圖1所示，自動化加載設(shè)備包括壓緊桿夾緊單元、壓緊桿拉伸單元、壓緊螺母擰緊單元、運動控制單元以及人機(jī)交互界面五部分。

圖1 自動化加載設(shè)備爆炸示意圖

圖中，壓緊桿夾緊單元、壓緊桿拉伸單元、壓緊螺母擰緊單元并稱設(shè)備機(jī)械系統(tǒng)，是設(shè)備運行的核心系統(tǒng)，也是本文詳細(xì)介紹的內(nèi)容。

機(jī)械系統(tǒng)運行時將夾緊單元撥桿撥下夾住壓緊桿頭部；驅(qū)動拉伸單元的電機(jī)將壓緊桿拉伸至期望的預(yù)緊力；程序控制擰緊單元旋轉(zhuǎn)壓緊螺母，完成壓緊螺母的擰緊動作；拉伸單元反向驅(qū)動釋放壓緊桿；之后將夾緊單元撥桿撥開，完成壓緊桿自動預(yù)緊動作[14]，其原理示意圖如圖2所示。

圖2 自動化加載設(shè)備機(jī)械系統(tǒng)原理示意圖

1.1 夾緊單元設(shè)計

1.1.1夾緊單元結(jié)構(gòu)設(shè)計

夾緊單元負(fù)責(zé)夾緊被拉伸壓緊桿的桿頭，在整個拉伸過程中一直處于夾緊狀態(tài)，是拉伸單元能夠正常工作的基礎(chǔ)，其由夾緊接口、接口支架、轉(zhuǎn)盤、接口軸、鏈接件組成，如圖3所示。

圖3 夾緊單元機(jī)械系統(tǒng)組成

夾緊單元三維示意圖如圖4所示，夾緊單元轉(zhuǎn)盤一端與接口軸連接，中間位置由導(dǎo)向柱與轉(zhuǎn)盤連接；轉(zhuǎn)盤上有導(dǎo)向槽，利用凸輪原理控制夾緊接口開閉的位置；當(dāng)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤時，在導(dǎo)向槽的作用下，夾緊接口由打開狀態(tài)逐漸關(guān)閉，通過夾緊接口內(nèi)部凹槽夾緊壓緊桿。

圖4 夾緊單元三維示意圖

1.1.2夾緊單元結(jié)構(gòu)件計算分析

夾緊接口工作時和太陽翼壓緊桿接合，極限承受10 kN拉力，需要進(jìn)行部件受力分析，計算應(yīng)力大小及變形量。用solidworks對夾緊接口進(jìn)行受力分析，圓形通孔處固定，和圓軸配合處施加5 kN的拉力。分析結(jié)果表明最大應(yīng)力為9.72×108N/m2,小于許用應(yīng)力10.2×108N/m(材料選用65 Si2Mn)，最大的變形為0.055 mm。因此半圓柱體設(shè)計合理,可以滿足安全性能要求。

1.2 拉伸單元設(shè)計

1.2.1拉伸單元結(jié)構(gòu)設(shè)計

拉伸單元是整個設(shè)備的主要動力來源，由電機(jī)、諧波減速器、支撐座、滾珠絲杠、拉力傳感器、直線導(dǎo)軌、連接件組成，如圖5所示。該單元將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運動通過滾珠絲杠轉(zhuǎn)換成直線運動，為拉伸壓緊桿提供動力。

圖5 拉伸單元機(jī)械系統(tǒng)組成

電機(jī)通過諧波減速器降速增扭，為絲杠螺母支撐座提供足夠的旋轉(zhuǎn)扭矩；支撐座與絲杠螺母固連在一起，并通過軸承與外殼連接；絲杠前段與拉力傳感器連接，并通過直線導(dǎo)軌與外殼連接，這樣就限制了絲杠的旋轉(zhuǎn)運動；當(dāng)電機(jī)輸出動力時，通過諧波減速器將旋轉(zhuǎn)扭矩傳遞給支撐座，支撐座帶動絲杠螺母旋轉(zhuǎn)，使絲杠只能沿軸線方向運動，即產(chǎn)生軸向拉力，拉力傳感器將信號反饋給控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，控制系統(tǒng)控制電機(jī)是否輸出扭矩。

1.2.2拉伸單元選用件計算分析

1) 滾珠絲杠選用和計算

由于絲杠提供的拉伸力較大，應(yīng)選擇摩擦力較小的滾珠，減少電機(jī)的負(fù)荷。拉伸造成的被拉伸壓緊桿伸長量為：

1.63×10-3m=1.63 mm

(1)

式中：極限拉力F為10 kN；壓緊桿長度L為226.5 mm；壓緊桿彈性模量E為110 GPa；壓緊桿截面積A為4π mm2。

絲杠的彈性模量是被拉伸壓緊桿的兩倍，對應(yīng)的形變量約為1 mm。所以絲杠的導(dǎo)程要大于1 mm，防止絲杠受到損壞。綜上，選擇型號為SCI 101605的滾珠絲杠。

2)大電機(jī)選取和計算

通過查手冊和公式計算得出滾珠絲杠的導(dǎo)程角β為5.4°，較小的導(dǎo)程角可以提供較大扭矩。

初步選定MAXON電機(jī)DCX系列。查直線運動系統(tǒng)手冊得到滾珠絲杠效率η1=0.9，當(dāng)絲杠輸出拉力為10 kN時，電機(jī)需要給絲杠提供扭矩為:

(2)

式中：絲杠輸出拉力F為10 kN；導(dǎo)程Ph為5 mm；滾珠絲杠效率η1為0.90。

按照工具機(jī)無沖擊選取安全系數(shù)2.5，得出大電機(jī)應(yīng)該需要提供的扭矩為：

T大=8.85×2.5=22.13 N·m

(3)

根據(jù)計算結(jié)果選取型號為DCX 26 L的直流電機(jī)，由于DCX系列中沒有合適的減速器與大電機(jī)相配合，因此在原有基礎(chǔ)上增加一個諧波減速器。

3)回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速校核

拉伸單元能夠達(dá)到的最大回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為：

T1=TMiGηGiHηH=25.24 N·m

(4)

式中：大電機(jī)最大回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩TM為57.8 mN·m；行星齒輪減速器的減速比iG為16；行星齒輪減速器的工作效率ηG為 0.78；諧波齒輪減速器的減速比iH為50；諧波齒輪減速器的工作效率ηH為0.70；末端輸出轉(zhuǎn)速為：

n=9690÷16÷50=12.1 r/min

均符合使用要求。

1.3 擰緊單元設(shè)計

1.3.1擰緊單元結(jié)構(gòu)設(shè)計

在夾緊單元和拉伸單元完成工作后，壓緊螺母擰緊單元開始工作，主要負(fù)責(zé)把太陽翼壓緊桿末端的壓緊螺母擰緊。擰緊后，使得拉伸單元緩慢釋放壓緊桿時，保證壓緊桿上的預(yù)緊力不會同時消失。

擰緊單元機(jī)械系統(tǒng)組成如圖6所示，擰緊單元由小電機(jī)、大齒輪、小齒輪、螺母接口組成。當(dāng)拉伸單元完成工作后，擰緊單元起作用，通過驅(qū)動螺母接口擰緊壓緊螺母；擰緊螺母僅需要克服螺母與壓緊桿自身的摩擦力，所需要的扭矩很?。徊⑶铱梢员ＷC壓緊桿預(yù)緊力的準(zhǔn)確性。

圖6 擰緊單元機(jī)械系統(tǒng)組成

1.3.2擰緊單元選用件計算分析

1) 齒輪選用和計算

因為大小齒輪的尺寸受到設(shè)備集約化限制，又因為大齒輪需要與壓緊螺母配合，因此采用自研齒輪。大小齒輪具體的尺寸和加工參數(shù)如表1所示。

表1 齒輪參數(shù)

2) 小電機(jī)選用和計算

小電機(jī)主要克服齒輪轉(zhuǎn)動壓緊桿上的壓緊螺母時產(chǎn)生的摩擦力，還有在螺母即將碰到太陽翼末端接觸面時克服的摩檫力，需要克服的摩擦力不大。為了安全考慮，按照拉伸單元數(shù)值的5%計算擰緊單元的工作扭矩。所以需要大齒輪提供的扭矩如下：

T′=22.125×5%=1.1 N·m

(5)

需要小齒輪和小電機(jī)提供的扭矩如下：

(6)

式中：傳動比z為2.52；根據(jù)結(jié)果選擇型號為DCX 16 S的直流電機(jī)。

3)回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速校核

擰緊單元能夠達(dá)到的最大回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為：

T1=TMiGηG=5.43×186×0.65=0.657 N·m

(7)

式中：小電機(jī)最大回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩TM為5.43 mN·m；行星齒輪減速器的減速比iG為186；行星齒輪減速器的工作效率ηG為0.65；末端輸出轉(zhuǎn)速為：

n=9430÷186÷2.52=20.1 r/min

均符合使用要求。

2 試驗驗證

使用自動化加載設(shè)備進(jìn)行太陽翼壓緊時，預(yù)緊力施加精度主要受以下3方面因素的影響：1)設(shè)備內(nèi)置拉力傳感器的精度；2)小電機(jī)通過擰緊單元擰緊壓緊螺母的一致性；3)設(shè)備拆除后，壓緊桿與被壓緊太陽翼之間進(jìn)行變形協(xié)調(diào)，導(dǎo)致壓緊桿預(yù)緊力出現(xiàn)了一定量級的松弛(簡稱松弛載荷)[15]。

自動化加載設(shè)備內(nèi)拉力傳感器的精度可以通過計量檢定(由第三方專業(yè)計量院所進(jìn)行)獲取，其偏差通常在2‰左右。壓緊螺母擰緊狀態(tài)一致性主要通過小電機(jī)的驅(qū)動力矩實現(xiàn)(專用電路控制)，但由于零件加工狀態(tài)、螺紋潤滑狀態(tài)等差異的存在，仍會存在一定的偏差，但由于壓緊螺母的擰緊力矩較小，在壓緊桿軸線上產(chǎn)生的載荷變動不超過2 N(加載設(shè)備拉力傳感器可感知)，因此，對該誤差不再進(jìn)行補(bǔ)償。

針對由變形協(xié)調(diào)引入的松弛載荷，需在張力施加時進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償量由試驗確定，具體方法如下：

1)在壓緊桿上粘貼應(yīng)變片，并連接測試電路。

2)按照規(guī)定程序使用加載設(shè)備對壓緊桿進(jìn)行加載，記錄壓緊過程中壓緊桿上應(yīng)變與設(shè)備拉伸張力之間的對應(yīng)關(guān)系，直至加載力達(dá)到不小于預(yù)定壓緊載荷的某一數(shù)值。

3)拆除加載設(shè)備，待壓緊桿及被壓緊太陽翼回彈至變形協(xié)調(diào)狀態(tài)時，再次讀取應(yīng)變片示數(shù)。

4)根據(jù)第2)步獲得的對應(yīng)關(guān)系計算真實預(yù)緊力大小。

5)計算真實預(yù)緊力與加載力之間的偏差，得到該狀態(tài)下的松弛載荷。

2.1 拉力傳感器標(biāo)定試驗

為了方便定期校正加載設(shè)備內(nèi)部的拉力傳感器，現(xiàn)設(shè)計標(biāo)定工作臺如圖7所示，主要由左固定板、左端蓋、標(biāo)準(zhǔn)拉力傳感器、連接件、壓緊桿、右固定板、右端蓋組成。

圖7 標(biāo)定工作臺示意圖

標(biāo)定試驗前，首先按照國際標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定左側(cè)的標(biāo)準(zhǔn)拉力傳感器，使其可以顯示拉力的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，如圖8所示。加載設(shè)備開機(jī)，設(shè)置好預(yù)緊力檔位；將標(biāo)定工作臺與加載設(shè)備連接，啟動設(shè)備加載，然后重復(fù)試驗，對其加載設(shè)備內(nèi)的拉力傳感器進(jìn)行標(biāo)定。

圖8 加載設(shè)備拉力傳感器標(biāo)定試驗

隨機(jī)選取3根壓緊桿，并進(jìn)行標(biāo)號。將壓緊桿安裝在標(biāo)定工作臺上，做8000 N檔位的加載實驗，試驗過程記錄數(shù)據(jù)并計算精度，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 拉力傳感器標(biāo)定實驗數(shù)據(jù)表

附注：相對精度=(加載設(shè)備傳感器示數(shù)-標(biāo)定工裝傳感器示數(shù))/標(biāo)定工裝傳感器示數(shù);絕對精度=(加載設(shè)備傳感器示數(shù)-8000)/8000。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可知，設(shè)備的拉力傳感器與標(biāo)定工作臺上的標(biāo)準(zhǔn)拉力傳感器示數(shù)接近，相對精度最大值1.23%，絕對精度最大值3.7%，滿足精度5%的要求。

2.2 壓緊桿預(yù)緊力與壓緊螺母旋轉(zhuǎn)角度對照試驗

由于實際情況中壓緊釋放機(jī)構(gòu)空間的限制，壓緊桿在工作狀態(tài)中的預(yù)緊力無法使用拉力傳感器直接測量，所以通過在壓緊桿上貼加應(yīng)變片，利用應(yīng)變片的單向壓力應(yīng)變引起電阻值變化實現(xiàn)對太陽翼壓緊桿預(yù)緊力的準(zhǔn)確測量。為保證試驗的成功，現(xiàn)以12 kN的拉力進(jìn)行應(yīng)變片的選取，由材料力學(xué)軸向拉伸或壓縮的變形公式和應(yīng)變公式可得壓緊桿的應(yīng)變值[16]為：

(8)

式中：壓緊桿伸長量Δl為1.63 mm；壓緊桿長度L為226.5 mm。

代入式(8)計算得應(yīng)變值為ε=7.2×10-3，小于中航電測有限公司溫度自補(bǔ)償系數(shù)為8.8×10-6/℃的BF-350-3AA-9系列微型應(yīng)變片的應(yīng)變極限，滿足使用要求。

試驗過程中，利用專用粘結(jié)劑將兩個應(yīng)變片粘貼在被測壓緊桿的截面對稱點上。應(yīng)變片粘貼后做兩組試驗，第一組試驗選取3根壓緊桿進(jìn)行拉伸試驗，得到壓緊桿預(yù)緊力與應(yīng)變之間的關(guān)系，通過最終應(yīng)變換算測出壓緊桿預(yù)緊力;第二組試驗按壓緊釋放機(jī)構(gòu)產(chǎn)品狀態(tài)進(jìn)行壓緊螺母旋轉(zhuǎn)角度操作，得到螺母旋轉(zhuǎn)角度與應(yīng)變之間的關(guān)系。

通過第一組試驗與第二組試驗結(jié)果最后得到兩種壓緊方式的對比情況。

在壓緊桿拉伸試驗中，壓緊桿承受拉力時難免有彎曲應(yīng)力，因此，在數(shù)據(jù)處理時將截面對稱的兩個應(yīng)變片所測應(yīng)變數(shù)值取平均可消除彎曲應(yīng)力而得到桿件在單一拉伸載荷作用下的應(yīng)變值。試驗過程發(fā)現(xiàn)每個壓緊點兩次試驗應(yīng)變測量值重復(fù)性極好。由于數(shù)據(jù)線性度非常好，所以數(shù)據(jù)按線性擬合。壓緊桿拉伸試驗數(shù)據(jù)。從表3測量數(shù)據(jù)可以看出，應(yīng)變值隨載荷的變化呈線性變化，說明壓緊桿處于線彈性階段；另外應(yīng)變加、卸載的回復(fù)性很好，說明壓緊桿未發(fā)生異常。加載設(shè)備卸載后壓緊桿上應(yīng)變回零且壓緊螺母松弛，說明壓緊桿在試驗后沒有產(chǎn)生殘余應(yīng)變，壓緊桿和壓緊螺母表面狀態(tài)無變化，說明加載設(shè)備加、卸載可靠。

表3 壓緊桿拉伸試驗數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)取平均后預(yù)緊力與應(yīng)變關(guān)系擬合曲線如圖9所示。

圖9 預(yù)緊力與應(yīng)變擬合曲線

擬合曲線表達(dá)式為：

P=1.4545με+109.1

(9)

相關(guān)系數(shù)R=0.99997；

加載設(shè)備最終預(yù)緊后所得應(yīng)變根據(jù)曲線表達(dá)式(9)換算后可知，加載設(shè)備滿足名義預(yù)緊力7000 N的要求，相對精度最大值1.09%，絕對精度最大值3.11%，滿足精度要求5%的要求,詳細(xì)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 應(yīng)變換算數(shù)據(jù)

在加載螺母旋轉(zhuǎn)試驗中，不同的壓緊點由不同的操作人員進(jìn)行操作。如表5所示試驗結(jié)果，螺母旋轉(zhuǎn)試驗不同的操作人員進(jìn)行的試驗結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差為259.2，是加載設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)差的4.76倍，數(shù)據(jù)離散。結(jié)果表明，使用壓緊扳手操作嚴(yán)重依賴操作人員的經(jīng)驗和手感，且同一名操作人員進(jìn)行的試驗重復(fù)性也較差。

表5 壓緊螺母旋轉(zhuǎn)試驗數(shù)據(jù)

3 結(jié) 論

1)本文設(shè)計的設(shè)備實現(xiàn)小型化、輕量化、可視化，其質(zhì)量約為3.5 kg，長度約為260 mm，最大加載能力為8000 kN。在集約的約束下，解決能量儲存、動力輸出、減速增扭、測量顯示等一系列問題，實現(xiàn)內(nèi)部空間布局以及力傳遞路線的優(yōu)化。

2)該設(shè)備采用滑槽式夾緊接口設(shè)計，解決了狹小空間內(nèi)夾緊、拉伸壓緊桿的難題，采用力反饋型全自動加載功能將太陽翼壓緊桿預(yù)緊力施加精度控制在5%以內(nèi)。

3)壓緊桿預(yù)緊力和旋轉(zhuǎn)壓緊螺母對照試驗的試驗表明,該設(shè)備加、卸載可靠，壓緊桿充分預(yù)緊，太陽翼無異常。

4)自動化加載設(shè)備還可用于展開式天線、機(jī)械臂等空間機(jī)構(gòu)的壓緊。