一種用于衛(wèi)星裝配姿態(tài)調(diào)整的智能裝備

□ 戴 璐 □ 齊向軍 □ 賈春雨 □ 張 健 □ 郭宇元

北京衛(wèi)星制造廠有限公司 北京 100094

1 設(shè)計背景

為了滿足衛(wèi)星單艙總裝、測試需求,需要通過用于衛(wèi)星裝配姿態(tài)調(diào)整的智能裝備實現(xiàn)艙體姿態(tài)的調(diào)整。用于衛(wèi)星裝配姿態(tài)調(diào)整的智能裝備可以停放和翻轉(zhuǎn)衛(wèi)星單艙,在衛(wèi)星單艙儀器、電纜安裝等工況下作為停放架車使用。

在衛(wèi)星單艙總裝期間,按照現(xiàn)有的用于衛(wèi)星裝配姿態(tài)調(diào)整的裝備的狀態(tài),需要操作的最大高度超過5 000 mm。艙體高度過高,艙段體積增大,艙內(nèi)的大質(zhì)量設(shè)備增多,導(dǎo)致衛(wèi)星單艙空間內(nèi)總裝時操作人員需求的探伸量增大,總裝操作困難,部分位置采用常規(guī)手段無法進(jìn)行總裝。

另一方面,需要翻轉(zhuǎn)衛(wèi)星單艙,并且調(diào)整衛(wèi)星單艙的高度,方便操作人員進(jìn)入衛(wèi)星單艙空間內(nèi)進(jìn)行總裝操作。

對此,在設(shè)計中考慮升級姿態(tài)調(diào)整裝備,在普通姿態(tài)調(diào)整裝備上增加升降結(jié)構(gòu)。衛(wèi)星單艙翻轉(zhuǎn)時,將艙體升高,以滿足回轉(zhuǎn)空間需要。衛(wèi)星單艙總裝操作時,將衛(wèi)星單艙降低,以適應(yīng)操作高度需求。

筆者基于衛(wèi)星總裝期間衛(wèi)星單艙垂直升降作業(yè)的需求,設(shè)計了一種用于衛(wèi)星裝配姿態(tài)調(diào)整的智能裝備——帶升降功能的翻轉(zhuǎn)架車。

2 功能分析

2.1 行走轉(zhuǎn)運(yùn)功能

行走轉(zhuǎn)運(yùn)功能主要用于實現(xiàn)智能裝備在廠房內(nèi)的工位轉(zhuǎn)換。設(shè)計腳輪,方便智能裝備在廠房內(nèi)移動、轉(zhuǎn)運(yùn)。

2.2 停放功能

在衛(wèi)星單艙儀器、電纜安裝時,智能裝備作為停放架車使用。

2.3 翻轉(zhuǎn)功能

保證衛(wèi)星單艙能繞Y軸旋轉(zhuǎn)360°進(jìn)行調(diào)姿。

2.4 升降功能

設(shè)計垂直升降功能,實現(xiàn)衛(wèi)星單艙360°任意角度停放時在高度方向的調(diào)節(jié)。

3 升降系統(tǒng)設(shè)計

3.1 升降結(jié)構(gòu)選型

目前比較成熟的升降結(jié)構(gòu)主要有液壓式、螺旋升降式、卷索鏈條式三種。三種升降結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)和應(yīng)用方向見表1。

表1 主要升降結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和應(yīng)用方向

考慮到智能裝備需結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量小,并且衛(wèi)星單艙保持架為近似剛體結(jié)構(gòu),各向變形量均小于1 mm,受側(cè)向力小,初步選用螺旋升降式結(jié)構(gòu)。

螺旋升降式結(jié)構(gòu)有一側(cè)升降另一側(cè)隨動、螺母固定式升降、雙絲杠固定式升降、單絲杠固定式升降四種形式,特點(diǎn)見表2。根據(jù)各形式的優(yōu)缺點(diǎn),筆者最終選定單絲杠固定式升降形式。

表2 螺旋升降式結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)

3.2 升降范圍確定

衛(wèi)星單艙保持架外形尺寸為3 088 mm×2 438 mm×3 390 mm。根據(jù)衛(wèi)星單艙保持架的外形尺寸,確定衛(wèi)星單艙保持架的外包絡(luò)尺寸及轉(zhuǎn)軸位置。衛(wèi)星單艙保持架尺寸如圖1所示。

智能裝備設(shè)計的翻轉(zhuǎn)軸最大高度需保證衛(wèi)星單艙保持架有足夠翻轉(zhuǎn)空間,翻轉(zhuǎn)軸最小高度需保證衛(wèi)星單艙保持架平行停放時與地面距離盡量小。

通過對智能裝備的使用工況進(jìn)行逐一分析,得出升降系統(tǒng)的最小高度、最大高度及行程范圍。

▲圖1 衛(wèi)星單艙保持架尺寸示意

衛(wèi)星單艙保持架最大旋轉(zhuǎn)半徑為衛(wèi)星單艙保持架半寬1 544 mm與翻轉(zhuǎn)軸高1 760 mm組成的斜邊長度2 342 mm。在這一基礎(chǔ)上,增加200 mm的安全距離。翻轉(zhuǎn)軸高度在滿足2 542 mm的情況下,可以保證衛(wèi)星單艙保持架安全翻轉(zhuǎn)。因此,翻轉(zhuǎn)軸距智能裝備上表面的最大距離需不小于2 542 mm。

在智能裝備使用工況下,衛(wèi)星單艙對地板水平或豎直停放,衛(wèi)星單艙保持架需盡可能接近智能裝備上表面。衛(wèi)星單艙保持架高3 390 mm,翻轉(zhuǎn)軸高1 760 mm,衛(wèi)星單艙保持架半寬為1 544 mm,考慮到衛(wèi)星單艙保持架與主框架上表面留有安全距離50 mm,翻轉(zhuǎn)軸與主框架上表面的最小距離為1 810 mm。

綜上所述,初定翻轉(zhuǎn)軸的最小高度為1 650 mm,最大高度為3 150 mm,能夠滿足使用要求。

3.3 升降結(jié)構(gòu)原理

升降結(jié)構(gòu)由絲杠、導(dǎo)軌、驅(qū)動電機(jī)、升降平臺組成,如圖2所示。

為確保衛(wèi)星單艙南北片連接點(diǎn)受力均勻,在智能裝備兩側(cè)各設(shè)置一套升降結(jié)構(gòu),需保證兩側(cè)同步驅(qū)動。升降結(jié)構(gòu)工作過程為,電機(jī)驅(qū)動絲杠完成指定轉(zhuǎn)動,通過固定在升降平臺上的螺母使升降平臺升降。升降平臺通過兩側(cè)的滑塊與導(dǎo)軌連接,整個運(yùn)動過程中,由導(dǎo)軌提供導(dǎo)向,確保在承受偏心力時,絲杠不產(chǎn)生彎曲。

▲圖2 升降結(jié)構(gòu)

3.4 絲杠選型

根據(jù)技術(shù)要求,升降系統(tǒng)額定載荷為2 000 kg,安全因數(shù)為3。

對絲杠進(jìn)行分析,兩組絲杠受載2 000 kg,單絲杠受載1 000 kg,即10 kN。考慮1 500 mm行程內(nèi)的穩(wěn)定性,選擇S200系列絲杠,包括400 mm升降平臺高度,在1 900 mm范圍內(nèi)可承受30 kN載荷,屬于4倍安全因數(shù)受載。

升降結(jié)構(gòu)中絲杠選用M80梯形齒絲杠,螺紋段長度為1 900 mm。絲杠與螺母間隙為0.1 mm,根據(jù)兩側(cè)同步誤差不大于絲杠間隙,兩側(cè)跨距不大于絲杠直徑,當(dāng)兩側(cè)同步誤差在4.75 mm以內(nèi)時,不會出現(xiàn)卡頓。

由于梯形齒絲杠為損耗件,并且螺母為黃銅件,更易損耗引起故障,因此絲杠磨損可根據(jù)目測觀察,及時進(jìn)行保養(yǎng)更換。螺母具有內(nèi)螺紋,不易觀察,所以螺母設(shè)計為安全螺母,如圖3所示。安全螺母安裝在主螺母下方,正常工作狀態(tài)不承受軸向載荷,且只對單向負(fù)載起保護(hù)作用。螺母磨損失效,安全螺母將承擔(dān)全部載荷。當(dāng)絲杠磨損,即間隙X變化量超過絲杠螺距的20%時,需立刻更換螺母。

▲圖3 安全螺母

智能裝備升降結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)中,采用兩套交流伺服電機(jī)和交流驅(qū)動控制模塊,構(gòu)成伺服電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)。根據(jù)需求的推力及安全因數(shù),選擇伺服電機(jī)功率為1.8 kW,數(shù)量為兩臺。配套交流驅(qū)動控制模塊額定轉(zhuǎn)速輸出,速度可在0～5 mm/s間調(diào)節(jié)。選擇5 mm/s時,升降全程需5 min。

3.5 導(dǎo)軌選型

為分?jǐn)偵到Y(jié)構(gòu)中絲杠側(cè)向力,提高升降結(jié)構(gòu)使用精度和壽命,每個升降平臺周圍設(shè)置兩條導(dǎo)軌,導(dǎo)軌及滑塊主要承受MA、MB兩種載荷,如圖4所示。

▲圖4 導(dǎo)軌及滑塊載荷

將載荷考慮為剛性體,MA為與滑塊相連的升降平臺受到的力矩,單個升降平臺受載1 000 kg,即10 kN,單個導(dǎo)軌受力5 kN,導(dǎo)軌及升降平臺受力如圖5所示。MA為:

MA=5×0.438=2.19 kN·m

▲圖5 導(dǎo)軌及升降平臺受力

MB為與滑塊相連的升降平臺受到的偏心力矩,系統(tǒng)總偏心力矩不大于2 100 N·m。兩側(cè)共四根導(dǎo)軌,單個導(dǎo)軌的MB為0.525 kN·m。

選擇相應(yīng)規(guī)格導(dǎo)軌配雙滑塊,可承受17 kN·m力矩,屬于3倍安全因數(shù)受載。升降結(jié)構(gòu)中,導(dǎo)軌配雙滑塊與升降平臺相連接。

4 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能裝備在傳統(tǒng)保持架翻轉(zhuǎn)架車的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,除主框架、翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)外,還增加了升降系統(tǒng)。智能裝備結(jié)構(gòu)如圖6所示。升降結(jié)構(gòu)與主框架融合成一體設(shè)計,將翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)與升降結(jié)構(gòu)相連接,實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)軸位置的升降。在主框架底部安裝腳輪及底面升降系統(tǒng),方便智能裝備的移動、轉(zhuǎn)運(yùn)及調(diào)平停放。

智能裝備主框架在繼承傳統(tǒng)保持架翻轉(zhuǎn)架車結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。考慮到升降結(jié)構(gòu)和翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)的剛度、穩(wěn)定性、空間需求,采用空心方鋼管焊接結(jié)構(gòu),在減小質(zhì)量的同時保證智能裝備的整體剛度。主框架如圖7所示。

▲圖6 智能裝備結(jié)構(gòu)

▲圖7 主框架

5 結(jié)束語

用于衛(wèi)星裝配姿態(tài)調(diào)整的智能裝備實質(zhì)是帶升降功能的翻轉(zhuǎn)架車,實現(xiàn)了衛(wèi)星單艙行走轉(zhuǎn)運(yùn)功能、停放功能、翻轉(zhuǎn)功能、升降功能,并且具有垂直升降功能,實現(xiàn)衛(wèi)星單艙在高度方向上的調(diào)節(jié)。在傳統(tǒng)保持架翻轉(zhuǎn)架車上增加升降結(jié)構(gòu),衛(wèi)星單艙翻轉(zhuǎn)時將艙體升高,以滿足回轉(zhuǎn)空間需要。衛(wèi)星單艙總裝操作時,將衛(wèi)星單艙降低,以適應(yīng)操作高度需求。這一智能裝備可以大大提高衛(wèi)星各階段各系統(tǒng)裝調(diào)的可操作性,能夠?qū)崿F(xiàn)高精度航天部件的位姿調(diào)整,并且適應(yīng)不同規(guī)格衛(wèi)星的裝配。增加操作樓梯平臺,優(yōu)化布局,方便人員操作,為這一智能裝備后續(xù)在航天器裝配中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。