航天器全向重載轉運平臺的設計

□ 張繼民 □ 吳 錫 □ 石震宇 □ 王文宗

1.天津航天機電設備研究所 天津 300458 2.天津市宇航智能裝備技術企業重點實驗室 天津 300458

1 設計背景

大型航天器在廠房內的轉運問題已經成為當下研究的熱點。隨著我國航天事業現代化進程的不斷加快,強大的技術實力和高效的生產力已成為企業的核心競爭力。

航天事業正朝著創新科技化、產業密集化、航天器重型化的方向不斷推進。單體質量在10 t以上的航天器現已常見,如何快速高效地轉運超重大型航天器,逐漸為業內所重視[1-2]。

傳統的重載轉運車在狹小工作場地中往往失去移動能力,在通過廠區路口或者小角度拐角時,需要相關人員在現場指揮調控,轉運車的速度、精度和運輸效率都會受到影響[3]。部分作業現場對轉運車還有一些特殊要求,如在現場能夠實現全方位轉向移動,要求轉運平臺能夠搭載多種其它設備等。對此,需要研制一種承載能力較強的全方位重載轉運平臺,以柔性化、可拓展化的特點解決以上問題[4-5]。

麥克納姆輪是一種全方位輪結構,具有運動靈活、控制簡便等優勢。對于需要在狹小的空間中移動的轉運車而言,選用麥克納姆輪結構具有優勢。筆者基于麥克納姆輪技術,設計了航天器全向重載轉運平臺。

2 麥克納姆輪概述

麥克納姆輪結構如圖1所示。在輪緣上斜向分布許多滾輪,這些成角度的滾輪將一部分轉向力轉化為法向力[6-7]。依靠各自滾輪的方向和速度,這些力最終在任何要求的方向上產生一個合力矢量,從而保證移動平臺在最終合力矢量的方向上能自由移動,且不改變自身的方向,由此麥克納姆輪可以實現橫向滑移。滾輪的母線很特殊,當麥克納姆輪繞著固定的輪轂筒轉動時,各個滾輪的包絡線為圓柱面,所以滾輪能夠連續向前滾動[8-10]。

麥克納姆輪移動系統一般由四套主動麥克納姆輪組成,可以實現平面三個自由度,即X軸方向平動、Y軸方向平動、繞中心垂軸轉動的全方位移動。

每套主動麥克納姆輪都由一臺伺服電機獨立驅動,通過四套主動麥克納姆輪轉速和轉向的適當組合,可以完全控制全向移動平臺在平面運動的三個自由度。與普通差動輪相比,麥克納姆輪能產生一個相對于輪體的軸向分力,通過調節各套主動麥克納姆輪驅動電機的轉向和轉速,形成一個與地面固定坐標系成一定角度的合力,即可實現整個麥克納姆輪移動系統的全方位運動。麥克納姆輪式全向移動平臺的四輪組合及運動分析如圖2所示。圖2中,Fw為滾輪驅動力,Fa為麥克納姆輪滾動時滾輪受到的軸向摩擦力,Fr為滾輪從動滾動時受到的滾動摩擦力,ω為滾輪轉動的角速度,空心箭頭為全向移動平臺運動方向。

▲圖1 麥克納姆輪結構

3 全向重載轉運平臺結構

航天器全向重載轉運平臺由轉運平臺框架、電動升降機構、麥克納姆輪移動系統和控制系統等組成,如圖3所示。全向重載轉運平臺額定承載為12 000 kg,采用四套總承載為18 000 kg的主動麥克納姆輪,具有全向移動功能,可以實現在二維平面內任意方向的移動,包括直行、橫行、斜行、任意曲線移動、零回轉半徑轉動等。

▲圖2 麥克納姆輪式全向移動平臺四輪組合與運動分析

4 獨立懸掛技術

航天器全向重載轉運平臺采用單輪獨立懸掛系統,確保在任何狀態下所有車輪均能著地,保證具備良好的驅動能力,同時保證麥克納姆輪和地面之間有可靠的正壓力。

麥克納姆輪移動系統主要由麥克納姆輪、輪邊減速器、伺服電機等組成,如圖4所示。伺服電機和輪邊減速器為麥克納姆輪移動系統提供動力。筆者選用承載能力強的兩端支撐型麥克納姆輪結構,每套麥克納姆輪承載大于4 t,輪徑為590 mm,車寬為300 mm。滾輪外緣包覆超級聚氨酯材料,具有耐磨性、耐腐蝕性和良好的加工性。

5 多輪系設計

單套麥克納姆輪的承載能力有限,在航天器全向重載轉運平臺車身高度受限或麥克納姆輪尺寸一定時,面對更大航天器的運輸,四輪全向重載轉運平臺將不能滿足工作要求。另一方面,在實際運輸過程中,部分被運航天器載荷不均勻,質心偏移,會加重四輪全向重載轉運平臺部分麥克納姆輪的磨損。一旦發生單個滾輪斷軸的意外情況,將會使整個全向重載轉運平臺癱瘓,嚴重時可能導致側翻等運輸安全事故發生。

▲圖3 全向重載轉運平臺結構

▲圖4 麥克納姆輪移動系統

當四輪全向重載轉運平臺不能滿足重載運輸需求時,可以采用添加麥克納姆輪的方法設計多輪系全向重載轉運平臺,來拓展平臺運載功能。由四輪全向重載轉運平臺拓展至多輪系的方式有多種,可以增加車身長度和兩側麥克納姆輪的套數,也可以將兩臺甚至多臺四輪全向重載轉運平臺剛性連接,進而合并成一個整體。

八輪全向重載轉運平臺舉例如圖5所示。圖5中的虛線框表示全向重載轉運平臺的車體,八個實線框表示麥克納姆輪,實線框中的斜線表示滾輪的軸線方向。麥克納姆輪按照單雙號標記,分別排列在全向重載轉運平臺的兩側。

▲圖5 八輪全向重載轉運平臺舉例

6 控制系統

航天器全向重載轉運平臺控制系統基于M241可編程序控制器、控制器局域網總線設計,采用72 V、200 A·h磷酸鐵鋰電池組為整車供電。

控制系統主要由驅動單元、主控單元、人機交互單元、供配電單元組成,用于實現全向重載轉運平臺的全向移動、車體電動升降,具有速度控制、定位控制、狀態顯示、安全保護等功能?？刂葡到y的原理框圖如圖6所示。

▲圖6 全向重載轉運平臺控制系統原理框圖

驅動單元主要由八套直流伺服電機和直流伺服驅動器組成,通過現場總線接口實現行走、電動升降的調速和定位功能。主控單元采用M241可編程序控制器,綜合處理全向重載轉運平臺各功能單元的工作。接收到人機交互單元的操作指令后,主控單元通過現場總線將運動指令發送至各伺服驅動器執行,并將位置數據和驅動單元運行狀態發送至人機交互單元進行顯示。

人機交互單元主要由手持觸摸屏和操控臺備份按鈕組成,用于將解析后的操作人員控制指令發送至主控單元,并可在手持觸摸屏上顯示運行狀態。

供配電單元主要由72 V、200 A·h磷酸鐵鋰電池組、電池管理系統、充電機、開關、塑殼斷路器、漏電斷路器、直流接觸器、直流-直流開關電源組成,為全向重載轉運平臺提供動力電源和直流24 V控制電源。

7 結束語

筆者基于麥克納姆輪設計了航天器全向重載轉運平臺,可實現航天器的大范圍、狹小空間精準轉運。全向重載轉運平臺結構緊湊,負載性能好,各功能系統以模塊形式安裝在平臺上,通用性和可拓展性較強,拆裝維修方便,維護成本較低。全向重載轉運平臺是一種新興技術,多年來只在航空、航天領域小范圍應用推廣,通過本次全向重載轉運平臺的設計試制,筆者建議可以適當將該技術推廣至民用領域。