柔性太陽翼展開機構力學性能測試系統設計

王亞軍，徐志剛，李 峰，童小艷,4，張治娟

（1.沈陽理工大學 機械工程學院，沈陽 110159；2.中國科學院沈陽自動化研究所，沈陽 110016；3.中國科學院大學，北京 100039；4.東北大學 機械工程與自動化學院，沈陽 110819）

0 引言

太陽翼是航天器動力和能源的主要提供裝置[1]，其能否正常展開是航天器能否正常運行的關鍵。因此，太陽翼展開機構展開性能的地面測試非常必要。國內對太陽翼展開機構的測試方案主要采用吊掛式平衡重力[2～5]，測試中由于高低溫環境對展開機構的影響[6]，未研制出適應高低溫環境的實時力加載機構來對其展開過程的阻力進行模擬[7～9]。由于展開機構分多級進行展開，故在展開過程中需對其逐節進行自動掛鉤式吊掛來平衡重力，但在密閉高低溫箱中，很難保證每個掛鉤都自動準確掛到要求位置，常常出現脫鉤現象，影響測試效果。另外為克服太陽翼施加在展開機構上的慣性阻力以及展開機構自身的摩擦力，需要測試其在不同阻力狀態下的展開性能以保證其可靠性，但目前由于無合適的傳動及力加載機構可適應高低溫環境，導致測試機構無法測試此部分性能，只能擴大展開機構的驅動能力，大幅增加成本及機構重量。

針對以上問題，本文提出了一種柔性太陽翼展開機構空間力學性能測試系統（簡稱測試系統），采用多個彈性跟隨移動小車的托舉式重力平衡裝置平衡展開機構重力，克服了吊掛方式無法依次可靠自動脫鉤掛鉤的缺點，提高了全自動展開過程中重力平衡的可靠性和穩定性；文中設計了基于鋼絲繩的大距離高精度伺服力加載裝置，解決了高低溫環境下傳動機構變形大而無法精確傳動及加載的問題，可實現柔性桁架展開機構高低溫和微重力空間環境下展開過程的模擬進而考核其高低溫展開性能。

1 測試系統的設計及其原理

該測試系統的主要功能是在高低溫試驗間內對展開機構展開過程中的展開力、展開傳動效率等指標進行測試，以考核展開機構的高低溫展開性能。測試系統主要指標為：加載力大小為0～3000N，加載力精度優于±5%；水平摩擦阻力：≤40N。

測試系統在無人的高低溫試驗間中進行測試，設計難點為：1）高低溫（-110℃～+110℃）環境下重力平衡機構隨著展開機構逐級展開及收攏而實現可靠的自動收放；2）適應高低溫環境的大運動范圍下高精度力加載機構及方法。運動機構的熱變形及累積誤差是影響力加載精度的關鍵因素[6]。

針對以上難點，設計的測試系統主要由以下部分組成：1）重力平衡小車及小車自動輸送機構，用于展開過程中自動輸送小車來平衡展開機構的重力，實現微重力環境模擬；2）展開阻力模擬加載機構，用于模擬加載展開機構在高低溫環境下的展開阻力，測試展開機構的適應能力；3）效率測試機構，用于測試展開機構的驅動效率；4）收藏桶安裝機構，用于安裝和定位展開機構；5）高低溫環境箱，用以模擬空間高低溫環境。如圖1～圖4所示，小車輸送機構由倍速鏈、異步電機、升降機構等組成；展開阻力模擬加載機構由鋼絲繩、張緊裝置和卷揚裝置及跟隨導軌組成。收藏筒安裝機構由收藏筒安裝架、收藏筒和桁架組成。該裝置可實現高低溫環境下的高精度實時力控制及全自動無人參與的循環試驗。

圖1 柔性太陽翼展開機構力學性能測試系統結構簡圖

圖2 小車輸送機構局部示圖

1.1 重力平衡

1.1.1 重力平衡流程

展開機構逐節向外展開，小車輸送機構由異步電機進行驅動，在展開過程中，小車輸送機構處于定速運轉狀態，通過擋停器的擋停和釋放來控制重力平衡小車的推出頻率（桁架總長約30m，每三節一支撐）。工作時擋停器放行的小車運動至升降機構圓形導軌的上方，并停止于固定限位擋塊處。此時升降機構提升，小車在自重的作用下可以自動歸正落在升降機圓形導軌上。隨著升降機的升高，平衡小車的托舉工裝接觸桁架且其上的彈簧被壓縮，小車在桁架與托舉工裝的摩擦力作用下開始跟隨桁架的展開運動。升降機構提升到最高點后，圓形導軌對準跟隨導軌，平衡小車從圓形導軌上運動至跟隨導軌上并繼續跟隨桁架運動，完成桁架小分段的重力平衡。輸送機構上的平衡小車依次重復以上工作過程，進而實現對整個展開機構的重力平衡。當試驗結束桁架收回時，逆向重復以上工作過程，平衡小車會隨著桁架的回收被傳輸至小車輸送機構上的初始位置。

1.1.2 重力平衡小車

圖3 升降機構示意圖

圖4 重力平衡小車示意圖

圖5 重力平衡小車受力分析簡圖

重力平衡小車能夠實時平衡和調整展開機構的重力，在二維方向上適應展開機構的運動，保證在全過程中不對展開機構造產生損壞。為了保證控制精度和運動的連續性，控制小車的整體重量，減小跟隨運行的摩擦阻力是非常關鍵的。當小車在桁架展開的啟停時刻受到最大水平力時，需保證其不發生翻轉。

桁架機構展開后，水平軸向摩擦阻力完全來自于重力平衡小車的軸承的摩擦阻力。大桁架機構完全展開后的摩擦阻力為：

小桁架機構完全展開后的摩擦阻力：

式中：G01為大桁架總重；G02為支撐大桁架的小車的總重；g01為小桁架總重；g02為支撐小桁架的小車的總重；μ為小車的軸承的摩擦系數。代入數值計算得：f1=38.8N，f2=16.2N，小于指標要求的40N，故滿足性能要求。

平衡小車的受力分析如圖5所示，當小車處于翻轉的臨界條件時：

要使小車保持平穩不發生翻轉的條件為所有外力對重心產生的和力矩0M∑≥0，即：

式中：F為桁架機構對小車的水平力，F=ma；a桁架機構運動的加速度；m為三節桁架機構的質量；G1為三節桁架施加在小車上的重力；G2為小車自重；N1、N2為平衡小車受到的導軌的支撐力；f為小車在導軌上的滑動摩擦力。

由分析可知，適當減小桁架機構運動的加速度、加大小車的寬度都可有效防止小車傾倒。

1.2 展開阻力模擬加載裝置

1.2.1 負載力施加原理

負載力調節分為粗調和精調兩部分。粗調機構由鋼絲繩、卷揚裝置和張緊裝置構成，克服了機構內各部分摩擦力，實現了力加載機構與展開機構運行的大致同步；精調機構主要由力加載機構來完成。由于鋼絲繩傳動能夠很好的適應高低溫環境[10]，本測試系統采用鋼絲繩傳動來完成對軸向負載力的粗調，鋼絲繩精密驅動機構結構如圖6所示。

粗調過程：力加載機構整體在鋼絲繩的驅動下，以與桁架機構展開速度相等的速度跟隨桁架做同步跟隨運動，克服了鋼絲繩、滾輪、滑軌等機構的摩擦力影響。

精調過程：力精調過程屬于局部位置閉環控制系統，可微調壓緊力。當壓緊力達到設定值Fd時，力加載機構在鋼絲繩的作用下跟隨展開機構運動，保證負載力始終保持在設定值；當力的大小超過設定誤差時，用位移傳感器的值做閉環來控制力加載機構的運動，使壓緊力回復到設定值，從而保證負載力的準確。

當精調機構即將超程時，系統自動調整粗調機構的鋼絲繩的牽引速度，實現對精調機構的位移補償。

圖6 鋼絲繩精密驅動機構結構

1.2.2 力精調結構及控制原理

力精調電機能夠帶動基座相對于施力頭運動，改變其間彈簧的壓縮量，壓縮量由位移傳感器測出，可改變負載力的大小，瞬時負載力由力傳感器測出。力精調過程能彌補力加載機構跟隨桁架運動不精確而產生的誤差，大大降低對了鋼絲繩傳動的精度要求。如圖7所示，桁架機構的末端與施力頭連接，將展開力施加于力傳感器并壓縮彈簧，此時位移傳感器的示數隨之發生變化。將力傳感器的壓力值記為Fs，位移傳感器的位移變化值記為Δxxs，根據公式F=k?Δx，可得：

Fd為預設的負載力。只要保證，就可以保證，力精調的過程也就是使始終無限接近的過程。

由式(5)可知，彈簧系數k對測試系統的調節精度沒有影響，在實際應用中，彈簧系數往往是不精確的，測試系統采用位移傳感器避免了由k帶來的誤差。力精調電機借助齒輪齒條傳動，根據位移傳感器和力傳感器實時反饋的彈簧壓縮量Δxxs和力Fs來微調基座的位置，從而調整作用在桁架機構末端的負載力。

圖7 力加載機構的組成

為了實現高低溫環境下的高精度實時力控制，測試系統的控制系統采用一個大閉環（粗調）和一個小閉環（精調）來進行控制。通過大范圍的跟隨運動和小范圍的精確調整來控制彈簧的壓縮量，從而控制負載力的大小。其控制系統原理圖和控制框圖分別如圖8和圖9所示。

基于加載力偏差的直接PID控制算法對加載力偏差的消除需要較長的時間，通常在3～5秒鐘，在這段時間內力的跟隨誤差較大。引入自適應變增益PID控制方法，設置三個控制閾值分別對應偏差大、中、小三種誤差，不同的閾值對應的PID算法P的增益不同，可將力的調節時間降低至1～3秒，提高了力的控制精度。此外，縮短壓力傳感器的采樣時間，可減小調節時間，提高力的控制精度。

圖8 控制系統原理圖

圖9 控制系統框圖

1.3 效率測試原理

系統通過在展開過程中測量其展開力、展開速度、驅動力矩與驅動轉速來測試其效率。力加載機構跟隨桁架機構的展開一起運動，負載力通過力傳感器測量其數值。

展開機構的輸出功率P0：

采用效率測試伺服電機和扭矩傳感器相結合的方式，實時讀取輸入轉速n和扭矩T來計算輸入功率。輸入功率為Pi：

展開機構展開過程中的傳動效率：

式中：Fd為負載力的大小，N；vd為展開機構的展開速度，m/s；T為輸入扭矩，N.m；n為輸入轉速，r/min；Pi為輸入功率；P0為輸出功率。

2 高低溫環境下關鍵部件的適應性分析

測試系統要求在-110℃～+110℃的高低溫環境中正常工作，對于電氣部分，為了適應高低溫環境，選用耐高低溫環境的元器件。同時，在低溫時輔以局部隔溫和電伴熱帶加熱對元器件進行保護，保證元器件局部溫度在其正常工作溫度范圍內。

由于熱脹冷縮，在高低溫環境下系統機械部分會發生變形，從而影響系統運行精度及性能，嚴重時甚至導致系統無法正常運行。對于小車輸送機構及升降機構，只要能保證系統穩定運行，就可完成其功能，機構變形對其影響不大。下面針對暴露在高低溫箱中的關鍵部件進行變形分析。

測試系統由多個相同的跟隨導軌機構鏈接而成，保證跟隨導軌在高低溫環境下不干涉是測試系統正常運行的關鍵。相鄰兩跟隨導軌機構對應的零部件相同，理論上它們會同步伸縮，不會產生額外的熱應力，但實際上由于熱傳導、制造加工誤差以及裝配精度的影響，部件變形會出現先后次序等不利因素，若它們之間不預留足夠的間隙，就極有可能產生很大的熱應力，進而破壞整體結構。選取其中的一個跟隨導軌機構進行分析，變形分析結果如圖10所示。

圖10 跟隨機構單元變形分析結果

分析結果顯示，在裝配時兩相鄰跟隨導軌之間應該預留不小于6.254mm的間隙，才能保證相鄰跟隨導軌機構在高低溫時不發生擠壓變形。由于滑塊長度較長，導軌間留有該間隙時，不會影響滑塊的通過及運行精度。

力加載機構基座橫向最大變形為3.517mm，故其基座固定孔需預留至少3.517活動量。對于力加載小車，其采用一端固定，一端浮動的組合滑塊進行導向，固定端保證力加載小車按預定軌道運動，浮動端可適應高低溫環境下導軌的橫向變形。所選用的滑塊為高低溫環境專用滑塊，浮動端適應量為6mm，適應溫度為-100℃～+150℃，大于實際最大變形范圍，可補償高低溫環境導軌的變形量。

3 試驗及分析

太陽翼展開機構正樣產品的測試過程為展開及收攏一個往復過程[11,12]，測試溫度為-110℃～+110℃，啟動測試程序后，展開機構以1.5m/min的速度展開，測試系統接收到測試指令后開始測試工作。

試驗過程中，測試系統能夠根據展開過程實現重力平衡小車的逐節自動地托舉平衡，收攏過程中能夠自動實現重力平衡小車逐節自動解除托舉，實現了高精度重力平衡功能。通過電子秤測量所有小車質量，將所有小車連接在一起，并加載與太陽翼等重的質量塊于小車上，利用彈簧秤拉動所有小車及質量塊在跟隨導軌上運動測得其摩擦阻力為29N，小于要求的40N，滿足重力平衡要求。

試驗結果顯示，軸向負載力最大值能夠達到3000N，實際測量曲線如圖11所示；當預設負載力為Fd=1000N時，展開負載力加載誤差小于±5%，實際加載力曲線如圖12所示。可見滿足展開機構測試要求。

圖11 軸向負載力加載曲線

圖12 Fd=1000N時實際負載力曲線

4 結論

柔性太陽翼展開機構空間力學性能測試系統克服了傳統測試方法不足，滿足了展開機構測試性能要求，主要表現為：

1）測試系統中托舉重力平衡方案可實現展開機構展開和收攏過程中逐節可靠支撐和脫離，達到高精度重力平衡，重力平衡后展開機構的摩擦阻力小于要求40N；

2）基于鋼絲繩傳動的展開阻力模擬加載裝置，可實現高低溫環境下的大范圍實時高精度負載力加載，力加載誤差小于±5%，滿足系統精度測試要求；

3）測試系統可有效實現柔性桁架展開機構的展開傳動效率測試；

試驗結果表明，測試系統能滿足柔性太陽翼展開機構空間高低溫失重環境下的測試要求。系統測試方法對柔性太陽翼展開機構空間性能的測試具有一定借鑒意義。

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