李保平，徐 華，何 慶

（1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京，210094；2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海，201109）

某加注連接器位姿補(bǔ)償機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

李保平1，徐 華2，何 慶2

（1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京，210094；2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海，201109）

針對(duì)自動(dòng)對(duì)接和隨動(dòng)過(guò)程中連接器對(duì)接裝置與箭體之間產(chǎn)生的位姿偏差問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種連接器位姿補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，并對(duì)機(jī)構(gòu)的彈簧參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。驗(yàn)證了該機(jī)構(gòu)滿(mǎn)足對(duì)接要求的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上，建立需要優(yōu)化的設(shè)計(jì)參數(shù)、優(yōu)化所需目標(biāo)函數(shù)；利用ADAMS/View軟件提供的優(yōu)化計(jì)算方法，分析了各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響，確定一組合理的彈簧設(shè)計(jì)參數(shù)。研究結(jié)果表明：該機(jī)構(gòu)能很好地滿(mǎn)足自動(dòng)對(duì)接要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)接裝置與箭體之間的位姿補(bǔ)償。

自動(dòng)對(duì)接；位姿補(bǔ)償；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引 言

運(yùn)載火箭自動(dòng)對(duì)接技術(shù)，可極大地縮短火箭等航天器的燃料加注準(zhǔn)備時(shí)間，提高發(fā)射效率，消除工作人員直接參與對(duì)自身安全帶來(lái)的危險(xiǎn)[1,2]。

國(guó)外經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究，形成以美國(guó)為代表的“箭棲”對(duì)接技術(shù)和以俄羅斯為代表的“架棲”對(duì)接技術(shù)[3]?！凹龡睂?duì)接技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)脫落后再次對(duì)接，而“架棲”對(duì)接技術(shù)則屬于剛性裝配，加注口只能位于箭體尾端。目前，中國(guó)仍采用人工對(duì)接方式，若要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)接并克服以上對(duì)接技術(shù)的不足，在采用“架棲”對(duì)接技術(shù)的同時(shí)利用位姿補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的方法是一種可行的選擇。

運(yùn)載火箭在加注時(shí)，會(huì)受到風(fēng)載荷的影響導(dǎo)致未知的隨機(jī)晃動(dòng)[4]，造成箭上連接器面板具有6個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)存在制造誤差、控制誤差和延遲誤差等，因此造成對(duì)接裝置相對(duì)于箭體存在一定的滯后量，該滯后量需由位姿補(bǔ)償機(jī)構(gòu)補(bǔ)償。由于3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的轉(zhuǎn)角很小，自動(dòng)對(duì)接執(zhí)行機(jī)構(gòu)選用具有3個(gè)平動(dòng)自由度的3-PSS結(jié)構(gòu)。位姿補(bǔ)償機(jī)構(gòu)在總體結(jié)構(gòu)中的位置如圖1所示。

1 位姿補(bǔ)償機(jī)構(gòu)

1.1 位姿補(bǔ)償機(jī)構(gòu)主要技術(shù)要求

a）位姿補(bǔ)償機(jī)構(gòu)需具有6個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)全方位的補(bǔ)償功能。根據(jù)誤差分析，誤差補(bǔ)償機(jī)構(gòu)在3個(gè)平移方向補(bǔ)償量取±8 mm，3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向角度補(bǔ)償量取±0.5°。

b）位姿補(bǔ)償機(jī)構(gòu)對(duì)地面連接器面板具有一定的承載能力。在對(duì)接之前，地面連接器面板、鎖緊機(jī)構(gòu)、各種單體連接器以及管路的總質(zhì)量為35 kg左右，加上加注時(shí)液氧的質(zhì)量可達(dá)50 kg左右。

c）根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，在對(duì)接和隨動(dòng)過(guò)程中，箭上連接器面板受到的最大接觸碰撞力不超過(guò)3 kN。

d）由于地面連接器面板質(zhì)量較大，在對(duì)接過(guò)程中會(huì)相對(duì)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)平臺(tái)晃動(dòng)產(chǎn)生一定位置偏差，該偏差量越小越有利于對(duì)接。

1.2 位姿補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與工作原理

位姿補(bǔ)償機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由圖2可知，該機(jī)構(gòu)主要由動(dòng)平臺(tái)、4條相同結(jié)構(gòu)的CCC（C指圓柱副）運(yùn)動(dòng)支鏈、地面連接器面板等組成。

運(yùn)動(dòng)支鏈間的連接方式為：前后滑移桿一端與half結(jié)構(gòu)螺紋連接，一端與前后彈簧相連，同時(shí)前后滑移桿可沿筒軸線(xiàn)移動(dòng)和繞筒軸線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，而筒軸通過(guò)螺栓組固定連接在動(dòng)平臺(tái)上。上下滑移桿穿過(guò)half結(jié)構(gòu)，上端與half結(jié)構(gòu)間連有上下彈簧，可相對(duì)于half結(jié)構(gòu)沿自身軸線(xiàn)移動(dòng)和繞自身軸線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。左右滑移桿穿過(guò)上下滑移桿中間的孔結(jié)構(gòu)，且兩端通過(guò)雙頭螺柱固定連接在地面連接器面板上。左右彈簧一端連在左右滑移桿上，一端與上下滑移桿中間結(jié)構(gòu)相連。左右滑移桿相對(duì)于上下滑移桿可沿自身軸線(xiàn)移動(dòng)和繞自身軸線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。

在每條運(yùn)動(dòng)支鏈中，彈簧都被套在滑移桿上，根據(jù)彈簧安裝位置，將彈簧分為前后、上下和左右3組。機(jī)構(gòu)的初始狀態(tài)由3組彈簧的預(yù)載決定，而預(yù)載的調(diào)節(jié)則是通過(guò)調(diào)節(jié)螺母（調(diào)節(jié)端蓋）實(shí)現(xiàn)。

其工作原理是當(dāng)?shù)孛孢B接器面板相對(duì)于動(dòng)平臺(tái)發(fā)生位姿變化時(shí)，4條運(yùn)動(dòng)支鏈內(nèi)的滑移桿會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，壓縮或拉伸與之相連的彈簧，實(shí)現(xiàn)位姿補(bǔ)償。

1.3 位姿補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的自由度

位姿補(bǔ)償機(jī)構(gòu)具有6個(gè)自由度，能在各個(gè)方向?qū)崿F(xiàn)位姿誤差的補(bǔ)償。作為計(jì)算機(jī)構(gòu)的自由度，可根據(jù)構(gòu)件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，其簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3中的件1、件2、件3、件4對(duì)應(yīng)位姿補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的4根前后滑移桿，件5、件6、件7、件8對(duì)應(yīng)位姿補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的4根上下滑移桿，位姿補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的4根左右滑移桿和地面連接器面板之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，作為一個(gè)整體對(duì)應(yīng)件9。

根據(jù)三維機(jī)構(gòu)的Grubler˙公式[5]，可得機(jī)構(gòu)的自由度公式，即：

式中 l為機(jī)構(gòu)中包含基座在內(nèi)的構(gòu)件總數(shù)，l=10；n為關(guān)節(jié)總數(shù)， 12=n ；id為關(guān)節(jié)i的自由度，id=2。

2 彈簧設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化

2.1 ADAMS參數(shù)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化計(jì)算簡(jiǎn)介

模型的參數(shù)化是將模型中關(guān)鍵的具體數(shù)值用設(shè)計(jì)變量代替，通過(guò)修改設(shè)計(jì)變量來(lái)改變對(duì)應(yīng)的數(shù)值量。優(yōu)化設(shè)計(jì)是以模型的參數(shù)化為基礎(chǔ)，優(yōu)化過(guò)程是當(dāng)設(shè)計(jì)變量滿(mǎn)足一定約束要求和在設(shè)定范圍變化時(shí)，使目標(biāo)設(shè)計(jì)達(dá)到最大、最小或最優(yōu)。

ADAMS/View軟件提供了設(shè)計(jì)研究、試驗(yàn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化分析3種優(yōu)化計(jì)算方法。設(shè)計(jì)研究是研究單個(gè)設(shè)計(jì)變量對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響；試驗(yàn)設(shè)計(jì)是研究多個(gè)設(shè)計(jì)變量在不同組合的情況下對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響；優(yōu)化分析是設(shè)計(jì)變量在滿(mǎn)足約束方程的情況下，從設(shè)計(jì)目標(biāo)的計(jì)算結(jié)果中選取最優(yōu)結(jié)果[6]。

2.2 彈簧預(yù)壓力的確定

由于地面連接器面板及其附加質(zhì)量很大，位姿補(bǔ)償機(jī)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定的偏轉(zhuǎn)，為了使地面連接器面板平行于動(dòng)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了3組彈簧的預(yù)拉力，以地面連接器面板及與其相連的左右、上下滑移桿整體為研究對(duì)象，在yz平面的受力情況如圖4所示。

圖4中，F(xiàn)1為單根上下彈簧的拉力，F(xiàn)2為筒內(nèi)單根前后彈簧的拉力，G為地面連接器面板、附加結(jié)構(gòu)以及上下、左右滑移桿的重力，A、B兩點(diǎn)在z方向的距離為b，在y方向的距離為L(zhǎng)。由此建立靜力學(xué)平衡方程為

由式（2）、式（3）可得：

由于單根前后彈簧的預(yù)載為11 N，上下彈簧的預(yù)載為101 N，在x方向的地面連接器面板不受力，所以左右彈簧拉（壓）力為零。

2.3 在A(yíng)DAMS/View軟件中建立機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型

2.3.1 定義約束和驅(qū)動(dòng)

將位姿補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的三維模型導(dǎo)入ADAMS軟件，并添加各個(gè)構(gòu)件的材料屬性、質(zhì)量屬性以及各構(gòu)件之間的約束關(guān)系。彈簧分為3組，同一組彈簧的參數(shù)相同。具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件之間存在摩擦力，根據(jù)工程實(shí)際情況，取靜摩擦系數(shù)為0.11，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.08。

在對(duì)接過(guò)程中，動(dòng)平臺(tái)會(huì)跟隨箭體做同樣的運(yùn)動(dòng)，而箭體擺動(dòng)最嚴(yán)苛的情況是箭上連接器面板在 3個(gè)方向都做最大范圍的擺動(dòng)。為了便于分析，假設(shè)箭體的擺動(dòng)是一個(gè)周期運(yùn)動(dòng)。根據(jù)對(duì)箭體在最苛刻環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析，可得到動(dòng)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)。驅(qū)動(dòng)函數(shù)為

2.3.2 參數(shù)化設(shè)計(jì)變量

由于純彈簧的阻尼非常小，在仿真過(guò)程中，不考慮該參數(shù)，因此該參數(shù)取ADAMS軟件中的默認(rèn)值。3組彈簧具有3組剛度系數(shù)，因此設(shè)立3個(gè)設(shè)計(jì)變量DV_1、DV_2和 DV_3，分別對(duì)應(yīng)前后組彈簧、左右組彈簧和上下組彈簧。由于箭體單向受到最大作用力小于3 kN，考慮到摩擦力、慣性力等，為了安全起見(jiàn)，假設(shè)彈簧處于最大位移補(bǔ)償量時(shí)，前后組、左右組彈簧的合力應(yīng)不超過(guò)最大作用力的 50%，由此可計(jì)算出前后組、左右組彈簧中單根彈簧剛度的取值范圍。

參數(shù)化設(shè)計(jì)變量的初始值及取值變化范圍如表 1所示。

表1 設(shè)計(jì)變量初始值及取值變化范圍

2.3.3 定義技術(shù)指標(biāo)的測(cè)量（函數(shù)）

由1.1節(jié)所述，在對(duì)接過(guò)程中，為提高對(duì)接精度，地面連接器面板與動(dòng)平臺(tái)之間的偏差（相對(duì)位置變化量）越小越好。考慮到實(shí)際對(duì)接工況，在對(duì)接過(guò)程中，首先產(chǎn)生接觸碰撞的點(diǎn)在中導(dǎo)桿的最前端，因此取兩導(dǎo)桿前端點(diǎn)連線(xiàn)中心坐標(biāo)點(diǎn)Marker_576與動(dòng)平臺(tái)的中心點(diǎn)的偏差作為實(shí)際研究偏差，這樣既考慮了位置偏差，又考慮了地面連接器面板姿態(tài)偏差。

建立一個(gè)測(cè)量函數(shù)作為目標(biāo)函數(shù)，其目標(biāo)是找到實(shí)際研究偏差在x，y，z 3個(gè)方向分量的最大值。測(cè)量函數(shù)設(shè)置如圖5所示。

2.4 在A(yíng)DAMS/View軟件中進(jìn)行設(shè)計(jì)研究

箭體在x，y，z 3個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)周期相同，而在豎直方向運(yùn)動(dòng)范圍非常小，相應(yīng)的速度較緩慢，所以地面連接器面板在豎直方向受慣性力影響較小。為確定上下組彈簧的合理數(shù)值，在前后組、上下組彈簧取初始值的情況下，研究上下組彈簧的變化對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響。設(shè)計(jì)研究結(jié)果如表2所示。

表2 上下組彈簧剛度對(duì)偏差的影響

由表2可知，上下組彈簧的剛度對(duì)最大偏差量影響非常小。在豎直方向，為減小對(duì)箭體的作用力，上下組彈簧的剛度越小越好；而上下組彈簧要承載地面連接器面板及其附加結(jié)構(gòu)的全部重力，對(duì)彈簧剛度要求較大。綜合考慮以上因素及其彈簧的可壓縮長(zhǎng)度，上下彈簧的剛度選為11 N/mm。

2.5 在A(yíng)DAMS/View軟件中進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在上下組彈簧剛度確定的情況下，研究前后組、左右組彈簧剛度在不同取值條件下目標(biāo)函數(shù)值的變化情況，根據(jù)最大位置偏差量的大小擇優(yōu)選取彈簧的剛度。該優(yōu)化是對(duì)多個(gè)設(shè)計(jì)變量產(chǎn)生變化時(shí)，研究設(shè)計(jì)變量不同組合時(shí)目標(biāo)函數(shù)的取值情況應(yīng)選擇試驗(yàn)設(shè)計(jì)。兩個(gè)設(shè)計(jì)變量變化水平數(shù)均取8，需要進(jìn)行64次試驗(yàn)設(shè)計(jì)。將測(cè)量函數(shù)作為試驗(yàn)設(shè)計(jì)的目標(biāo)，其最大偏差量變化情況如圖6所示。

圖6中，每8個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)為一組，共有8組，每組數(shù)據(jù)代表在DV_1中的數(shù)值不變，DV_2以等差數(shù)列遞增的情況下，最大偏差的取值情況。

由圖6可知，每組數(shù)據(jù)前4個(gè)數(shù)值變化較大，說(shuō)明DV_2值在該數(shù)值范圍影響較大，而后4個(gè)數(shù)值相差不大，DV_2值應(yīng)從后4個(gè)數(shù)值對(duì)應(yīng)的范圍選取。由于剛度越小，箭體受力越小，所以DV_2選數(shù)組中對(duì)應(yīng)的第5個(gè)數(shù)值。而DV_1的確定可只對(duì)比每組數(shù)據(jù)的第5個(gè)值，從圖6中看到從第3組開(kāi)始，數(shù)值之間變化相差較小。最終確定DV_1、DV_2的參數(shù)為第3組第5個(gè)數(shù)值，即第21次仿真結(jié)果對(duì)應(yīng)的取值。查對(duì)應(yīng)的仿真數(shù)據(jù)表（見(jiàn)表3），可知DV_1=18 N/mm，DV_2=34 N/mm。

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)仿真數(shù)據(jù)

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)位姿補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的分析和對(duì)建立的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，可以得到如下結(jié)論：

a）該位姿補(bǔ)償機(jī)構(gòu)能滿(mǎn)足對(duì)接的技術(shù)指標(biāo)要求；

b）得到了一組較合理的彈簧設(shè)計(jì)參數(shù)，使機(jī)構(gòu)的綜合性能得到進(jìn)一步提高；

c）本文描述的位姿補(bǔ)償機(jī)構(gòu)為解決在對(duì)接和隨動(dòng)過(guò)程中，對(duì)接裝置與箭上連接器面板間產(chǎn)生位姿誤差問(wèn)題，提供了參考方法。

[1] 王立興. 俄羅斯火箭臍帶自動(dòng)對(duì)接技術(shù)評(píng)析[J]. 航天發(fā)射技術(shù), 2003(1):45-50.

[2] Gosselin A M. Automated ground umbilical systems project[R]. GOE Launch Site Design Engineering, 2007

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[4] 鄭國(guó)昆, 王小軍, 李道平. 基于運(yùn)載火箭加泄連接器自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)的控制流程研究[J]. 導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù), 2015(1): 25-26.

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Design and Optimization of a Position and Pose Compensation Mechanism of Fuel Loading Connector

Li Bao-ping1, Xu Hua2, He Qing2
(1.School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science & Technology, Nanjing, 210094;2. Shanghai Institute of Aerospace Systems Engineering, Shanghai, 201109)

A connector position and pose compensation mechanism is designed and the spring parameters of it are optimized， the position and pose deviation between connector docking device and rocket in the process of auto-docking and follow-up is eliminated.The related technical indicators is verified , the design parameters is determind and the objective function is optimized. Then with the optimization calculation method provided by ADAMS/View, the influence of design parameters is analyzed. A series of reasonable design parameters are determined. The results show that the mechanism can meet the requirements of automatic docking and realize the compensation of the position and pose between the docking device and the arrow.

Automatic docking; Position and pose compensation; Optimization design

TP65

A

1004-7182(2017)05-0080-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20170520

2016-01-21；

2017-09-02

上海航天科技創(chuàng)新基金（SAST201410）

李保平（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖6 最大偏差量變化情況