沈亮，李舒揚(yáng)，詹軍海，周墨淵，余豪華，徐慶

(上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109)

0 引言

在國(guó)內(nèi)，關(guān)于索網(wǎng)結(jié)構(gòu)各索段的連接方法尚處于人工連接階段，在索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的找形設(shè)計(jì)階段，根據(jù)各索段工作狀態(tài)時(shí)的長(zhǎng)度與應(yīng)力，以找形算法求出索段的預(yù)張力和無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度[9]，并在索段的無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行人工連接。人工連接方法不僅工作量巨大，效率低下，而且由于繩索的力學(xué)性能復(fù)雜[10]，無(wú)法滿足網(wǎng)面的高精度要求，嚴(yán)重阻礙了我國(guó)大型可展天線的發(fā)展。因此，本文研制了一套索段精密測(cè)控與自動(dòng)連接設(shè)備，實(shí)現(xiàn)索網(wǎng)中各索段長(zhǎng)度與張力的高精度控制，使各索段在實(shí)際工作長(zhǎng)度與張力狀態(tài)下進(jìn)行連接，對(duì)于提高索網(wǎng)的整體精度和制造效率具有重要意義。

1 索段連接系統(tǒng)設(shè)計(jì)

索網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)可靠連接是通過(guò)索段在節(jié)點(diǎn)零件中穿引回繞后，利用夾套壓緊繩索實(shí)現(xiàn)的。索段一端的節(jié)點(diǎn)零件固定在固定端，另一端固定在可調(diào)端，配套拉力傳感器及位移傳感器實(shí)現(xiàn)索段的高精度連接。將長(zhǎng)度控制技術(shù)、張力加載技術(shù)以及索段連接技術(shù)實(shí)現(xiàn)所需的模塊集成，形成總體機(jī)械系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)由位移電機(jī)、張力電機(jī)、拉力傳感器、激光位移傳感器、光柵傳感器、直線導(dǎo)軌、滾珠絲杠、液壓鉗頭、液壓油缸等配套附件和結(jié)構(gòu)件組成，如圖1所示。

圖1 索段連接設(shè)備示意圖

位移電機(jī)、滾珠絲杠、直線導(dǎo)軌、光柵傳感器、激光位移傳感器等組成長(zhǎng)度控制模塊；張力電機(jī)、拉力傳感器等組成張力控制模塊；液壓鉗頭、液壓油缸等組成壓接模塊。設(shè)備工作流程如下：索段準(zhǔn)備—索段長(zhǎng)度調(diào)節(jié)—索段張力調(diào)節(jié)—索段力位混合調(diào)節(jié)—索段壓接—索段(質(zhì)量)測(cè)試—索段剪斷。

2 索段高精度連接技術(shù)

2.1 索段長(zhǎng)度高精度控制技術(shù)

1)索段長(zhǎng)度控制方案

索段長(zhǎng)度控制受到節(jié)點(diǎn)零件安裝精度、結(jié)構(gòu)件變形、設(shè)備測(cè)量精度等因素的影響，因此需要對(duì)節(jié)點(diǎn)零件和裝夾零件安裝精度提出控制要求，對(duì)相關(guān)安裝部位進(jìn)行有限元分析，得出結(jié)構(gòu)變形量，最后通過(guò)索段連接設(shè)備實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度的高精度控制。

如圖2所示，利用光柵尺對(duì)滾珠絲杠的大范圍位移進(jìn)行測(cè)量，利用激光傳感器對(duì)節(jié)點(diǎn)零件的微小變形位移進(jìn)行測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)索段長(zhǎng)度的精確測(cè)量。圖中：l1為初始狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)零件中心到光柵尺起點(diǎn)距離；l2為光柵尺測(cè)量位移；l3為右側(cè)節(jié)點(diǎn)零件中心到光柵尺末點(diǎn)距離；l4為左側(cè)激光傳感器測(cè)量位移；l5為右側(cè)激光傳感器測(cè)量位移，則索段實(shí)際長(zhǎng)度為

圖2 測(cè)量原理圖

l=l1+l2+l3-l4-l5

(1)

索段長(zhǎng)度控制誤差為

Δl=Δl1+Δl2+Δl3-Δl4-Δl5

(2)

2)索段長(zhǎng)度控制結(jié)果

抓取系統(tǒng)由一個(gè)四自由度可折疊機(jī)械臂及控制系統(tǒng)構(gòu)成，如圖3所示，通過(guò)單片機(jī)對(duì)五路舵機(jī)的脈沖控制，實(shí)現(xiàn)精確到達(dá)軌跡范圍內(nèi)空間任意一點(diǎn)位置的功能.

如圖3所示，節(jié)點(diǎn)零件通過(guò)定位面與可更換裝夾件完成間隙配合定位，可更換裝夾件與節(jié)點(diǎn)裝夾塊通過(guò)錐形圓柱和錐形孔完成配合定位。

在索網(wǎng)自動(dòng)連接設(shè)備工作時(shí)，節(jié)點(diǎn)零件與可更換裝夾件需要拆卸及更換，這時(shí)節(jié)點(diǎn)零件安裝誤差無(wú)法進(jìn)行標(biāo)定補(bǔ)償。如圖3所示，節(jié)點(diǎn)零件的定位面為圓盤(pán)下方的圓柱面，其公差等級(jí)為IT5，以此圓柱面中心軸作為節(jié)點(diǎn)零件中心線，可更換裝夾件的內(nèi)孔定位面進(jìn)行鉸孔加工，公差等級(jí)為IT6，節(jié)點(diǎn)零件與可更換裝夾件之間為間隙配合，最大間隙為0.015mm，因此Δl1=Δl3=(±0.015)mm。

圖3 節(jié)點(diǎn)零件裝夾示意圖

張力承載部件在索段連接過(guò)程中受到繩索拉力而變形，主要承載部位有節(jié)點(diǎn)零件、可更換裝夾件、節(jié)點(diǎn)裝夾塊等。節(jié)點(diǎn)零件的材料為聚酰亞胺，可更換裝夾件和節(jié)點(diǎn)裝夾塊的材料為45#鋼。按索網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)最大載荷180N對(duì)設(shè)備張力承載部件進(jìn)行力學(xué)分析，張力測(cè)量部件最大變形發(fā)生在節(jié)點(diǎn)零件受拉孔處，最大位移值為0.08mm，節(jié)點(diǎn)零件安裝中心孔處的最大位移為0.03mm。

長(zhǎng)度測(cè)量采用光柵尺和激光位移傳感器相結(jié)合的方法以保證設(shè)備的精確度。設(shè)備裝配完成后利用激光干涉儀進(jìn)行高精度誤差標(biāo)定，從而補(bǔ)償?shù)舨豢刹鹦读慵圃旌脱b配過(guò)程中產(chǎn)生的累積誤差，提高設(shè)備的整體精度。光柵尺和激光位移傳感器測(cè)量精度分別為0.005mm和0.002mm。因此，Δl2=(±0.005)mm，Δl4=Δl5=(±0.032)mm。

因此Δl=Δl1+Δl2+Δl3-Δl4-Δl5=0.015+0.005+0.015+0.032+0.032=0.099mm，索段長(zhǎng)度控制誤差為0.099mm。可見(jiàn)，索段長(zhǎng)度可以控制在(±0.1)mm。

2.2 索段張力高精度加載技術(shù)

1)張力加載方案

索段張力加載采用傳感器直接測(cè)量的方式進(jìn)行，即傳感器與索段串行連接，從而避免傳感器測(cè)量方向與張力方向不一致帶來(lái)的誤差。圖4為張力控制模塊示意圖，圖4(a)為張力測(cè)量端，節(jié)點(diǎn)零件放置于節(jié)點(diǎn)裝夾塊上，裝夾塊水平安裝于拉力傳感器一端。拉力傳感器通過(guò)測(cè)出裝夾塊對(duì)其水平方向的拉扯力，得出繩索的張力。圖4(b)為張力調(diào)節(jié)端，繩索穿過(guò)節(jié)點(diǎn)零件并通過(guò)導(dǎo)向柱換向，最終連接至張力電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸，通過(guò)拉力傳感器的測(cè)量反饋，張力電機(jī)做出響應(yīng)調(diào)節(jié)，通過(guò)收卷線繩對(duì)其張力進(jìn)行控制，最終實(shí)現(xiàn)張力加載。

圖4 張力控制模塊示意圖

2)張力調(diào)節(jié)精度

張力調(diào)節(jié)電機(jī)編碼器分辨率為20000，滾軸半徑r1=12.5mm，索段采用的凱夫拉繩剛度k=10000～20000N/m。

因此，張力調(diào)節(jié)電機(jī)收繩分辨率為

張力調(diào)節(jié)電機(jī)張力分辨率最大為

張力調(diào)節(jié)電機(jī)分辨率最大為0.079N，可以實(shí)現(xiàn)索段張緊力的高精度加載和控制。

2.3 索段連接技術(shù)

索段連接采用銅套壓接的方式，壓接機(jī)構(gòu)方案如圖5所示。液壓油缸通過(guò)液壓油管與分體式液壓鉗相連，提供壓接動(dòng)力。將穿引好繩索的銅套卡入銅套安裝槽中，凹槽高度固定，確保銅套z向位置；槽口采用限位設(shè)計(jì)，確保銅套x向位置；壓接鉗頭對(duì)銅套采用了自適應(yīng)對(duì)中擠壓技術(shù)；通過(guò)對(duì)銅套3個(gè)方向上的限制，確保每次壓接時(shí)，銅套均在同一位置，壓接最終形態(tài)一致，實(shí)現(xiàn)鎖定索段繩長(zhǎng)和張力的作用。

圖5 壓接模塊示意圖

3 索段性能測(cè)試

通過(guò)對(duì)位移電機(jī)和張力電機(jī)的聯(lián)合調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)索段長(zhǎng)度和張力的協(xié)同控制。通過(guò)比較設(shè)定的長(zhǎng)度和張力值與實(shí)測(cè)值的差值，驗(yàn)證位移、張力控制模塊的性能。該測(cè)試對(duì)索段的長(zhǎng)度和張力設(shè)定3種不同的參數(shù)組合，每種組合重復(fù)測(cè)試3次，具體參數(shù)組合與測(cè)試數(shù)據(jù)表如表1所示。

從表1中可看出，在制作成功的索段中，實(shí)測(cè)索段長(zhǎng)度最大偏差為0.06mm，張力最大偏差為0.18N，并且壓接前后的張力和長(zhǎng)度保持穩(wěn)定。

表1 索段性能測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

研制了一套索段精密測(cè)控與自動(dòng)連接設(shè)備，實(shí)現(xiàn)索網(wǎng)中各索段長(zhǎng)度與張力的高精度控制。通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)零件安裝精度、結(jié)構(gòu)件變形、設(shè)備測(cè)量精度等因素的分析和控制，實(shí)現(xiàn)索段長(zhǎng)度精確控制。實(shí)測(cè)索段長(zhǎng)度最大偏差為0.06mm；通過(guò)高精度張力電機(jī)對(duì)張力進(jìn)行精準(zhǔn)加載，實(shí)測(cè)索段張力最大偏差為0.18N；同時(shí)采用液壓壓接的方式保證了夾套壓接前后索段的張力和長(zhǎng)度的一致性。