CN107255449B - 一种不同重力取向条件下含间隙铰质心运动轨迹实验分析方法 - Google Patents

一种不同重力取向条件下含间隙铰质心运动轨迹实验分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种不同重力取向条件下含间隙铰质心运动轨迹实验分析方法，该方法基于重力取向旋转台的微重力环境模拟装置，该装置包括转台支架、电机及减速器、承重平台以及固定于承重平台上含间隙铰的二连杆机构，该旋转台能够实现180度连续转动并自锁，保证试验机构旋转铰能够处于不同重力势之下。本发明的实验方法对于旋转铰运动副间隙的测量采用基于应变测量技术的应变片间隙测量方法，实现不同重力取向条件下含间隙二连杆机构运动过程中待测轴承质心运动轨迹的获取。在本发明的重力取向旋转台，还可进行不同重力取向条件下的柔性空间机构的关节柔性、臂杆柔性和振动谱的研究。

Description

一种不同重力取向条件下含间隙铰质心运动轨迹实验分析 方法
技术领域
本发明涉及一种不同重力取向条件下含间隙铰质心运动轨迹实验分析方法。
背景技术
随着航天技术的发展，各种空间机构的使用将越来越普遍。任何空间机构在设计、装配和使用过程中，因机构必要的动配合、制造过程中的误差和使用过程的磨损等因素，空间机构铰间间隙是必然存在的。含铰间间隙的空间机构必然会遇到重力及其释放条件下运动行为差异的问题。
针对空间机构微重力环境问题，国际上研制出一批空间机构地面模拟试验装置，现有的微重力环境地面模拟试验方法主要包括吊丝配重、气浮和水浮等，这些模拟方法在一定程度上取得了工程应用。但附带的实验装置及测控系统设备庞大且控制复杂，而且因绳索柔性及干涉，致使模拟的运动空间受限。因此设计一种简单的重力取向装置并给出相应的实验方法对于进行不同重力取向条件下的空间机构运动行为差异研究具有重要实际意义。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种不同重力取向条件下含间隙铰质心运动轨迹实验分析方法：该方法利用基于重力取向旋转台的微重力环境模拟试验装置以及含间隙旋转铰的二连杆机构，提出一种不同重力取向条件下含间隙铰质心运动轨迹实验分析方法，实现不同重力取向条件下含间隙空间机构运动行为的实验研究，能够克服现有技术中采用悬吊、气浮等方法进行微重力环境模拟的不足。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：
一种不同重力取向条件下含间隙铰质心运动轨迹实验分析方法，包括一用于模拟空间机械臂中存在于转动关节中的运动副间隙的含间隙铰的二连杆机构，一用于模拟含间隙铰的二连杆机构的旋转铰处于不同重力势之下状态的重力取向旋转台；实验分析过程为：利用重力取向旋转台模拟不同的重力取向，测量含间隙铰的二连杆在不同重力取向、不同间隙大小以及不同运行速度下二连杆的旋转铰运动副间隙，将运动副间隙转换为间隙铰质心运动轨迹，并根据测量结果进行间隙铰质心运动轨迹分析。
进一步的，在实验分析过程中，旋转铰运动副间隙的测量方法是应变片间隙测量方法或激光位移传感器间隙测量方法或者上述两种方法的组合；其中应变片间隙测量方法是将含间隙铰的质心位移量转化为应变片的形变量，通过测量应变片的应变量来得出质心位移量变化。
其中在应变片间隙测量方法中，所用的测量机构为两片贴有应变片的黄铜弹片，两片黄铜弹片呈正交位置固定于夹持具上，且弹片的一端始终与待测轴表面保持接触。
进一步的，所述重力取向旋转台包括承重平台，固定承重平台的转台支架，驱动承重平台转动的电机及减速器，所述承重平台能够在180°范围内连续转动并自锁。所述重力取向旋转台的减速器采用蜗轮蜗杆减速器，蜗轮蜗杆减速器的螺旋升角使旋转台可以在承重状态下保持自锁，在电机停止的情况下锁死转轴，保证平台的稳定性。
进一步的，所述含间隙铰的二连杆机构包括用于模拟空间机械臂与基座相连臂杆的下连杆，用于模拟空间机械臂完成动作执行臂杆的上连杆，上连杆固定于连杆轴一端，连杆轴通过间隙轴套和下连杆连接，下连杆通过联轴器和驱动电机连接；其中连杆轴和间隙轴套构成的旋转铰运动副用于模拟实际机械臂中存在于转动关节中的运动副间隙。
更进一步的，所述联轴器为弹性柱销联轴器，所述驱动电机为力矩电机。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
1.本发明的重力取向旋转台，可180度旋转并在任意位置自锁，可使其承载的空间机构获得不同的重力取向，从而进行不同重力取向下的空间机构运动行为分析。
2.本发明将空间机械臂简化为二连杆结构，通过连杆轴和间隙轴套之间的旋转铰运动副来构造模拟实际机械臂中存在于转动关节中的运动副间隙。采用弹性柱销联轴器，使得连杆轴在被电机驱动的同时，又能够在间隙的影响下，实现和间隙轴套的运动碰撞过程。
3.本发明提出一种应变间隙测量方法。两片贴有应变片的黄铜弹片呈正交位置固定于待测轴夹持具上，并且保证机构运动过程中两黄铜弹片始终与待测轴表面保持接触。建立以间隙轴套质心为中心的笛卡尔坐标系，即可十分便利地表述待测轴承的质心位置。
4.本发明将空间机械臂置于重力取向旋转台上，进行不同重力取向条件下含间隙空间机构间隙铰质心运动轨迹实验研究。
5.在本发明的重力取向旋转台上，还可进行不同重力取向条件下的柔性空间机构的关节柔性、臂杆柔性和振动谱的研究。虽然不能完全模拟空间微重力，但对重力对典型空间机构运动行为的影响研究也能起到较有效的模拟及实验效果。
附图说明
图1是本发明的重力取向旋转平台机械结构示意图；
图2是本发明的二连杆机构铰间间隙具体机械结构设计图；
图3a是本发明应变间隙测量方法原理图；
图3b是本发明应变片安装示意图；
图4是本发明的重力取向旋转平台测控系统组成；
图5a是本发明的空间机构实验方法的重力取向旋转平台对地角度为0°的示意图；
图5b是本发明的空间机构实验方法的重力取向旋转平台对地角度为45°的示意图；
图5c是本发明的空间机构实验方法的重力取向旋转平台对地角度为90°的示意图；
图6a是本发明的含间隙二连杆机构在重力取向为0°时轴心轨迹变化曲线；
图6b是本发明的含间隙二连杆机构在重力取向为45°时轴心轨迹变化曲线；
图6c是本发明的含间隙二连杆机构在重力取向为90°时轴心轨迹变化曲线。
其中：1、试验机构，2、承重平台，3、电机及减速器，4、转台支架，5、上连杆，6、连杆轴，7、螺栓，8、下连杆，9、间隙轴套，10、挡圈，11、弹性柱销联轴器，12、电机支架，13、力矩电机，14、待测轴，15、X轴方向分位移，16、Y轴方向分位移，17、中心距，18、X轴弹片夹持具，19、Y轴弹片夹持具。
具体实施方式
下面结合附图对发明做进一步详细描述：
本发明是一种不同重力取向条件下含间隙铰质心运动轨迹实验分析方法，该方法基于微重力环境模拟试验装置，试验装置包括一用于模拟空间机械臂中存在于转动关节中的运动副间隙的含间隙铰的二连杆机构，一用于模拟含间隙铰的二连杆机构的旋转铰处于不同重力势之下状态的重力取向旋转台；实验分析过程为：利用重力取向旋转台模拟不同的重力取向，测量含间隙铰的二连杆在不同重力取向、不同间隙大小以及不同运行速度下二连杆的旋转铰运动副间隙，将运动副间隙转换为间隙铰质心运动轨迹，并根据测量结果进行间隙铰质心运动轨迹分析。
如图1所示，本发明的重力取向旋转台，包括承重平台2，固定承重平台2的转台支架4，驱动承重平台2转动的电机及减速器3，所述承重平台2能够在180°范围内连续转动并自锁，以保证试验机构旋转铰能够处于不同重力势之下。重力取向旋转台的功能是为固定在其上的试验设备提供不同角度的重力指向，从而模拟微重力环境。这就要求平台不仅能实现平稳转动，还需要平台能够在任意角度位置保持稳定状态。其中，重力取向旋转台的传动系统采用的是交流电机与减速器，并通过变频器进行二级减速。为了保证实验结果不受转台所承载的实验机构因运动而产生的振动等因素的影响，重力取向旋转台承重平台在设计时有意将质量加大。在保证正常实验的同时，为使其能够转动并自锁，使用常规传动系统难以实现。因此重力取向旋转机构采用交流电机配合蜗轮蜗杆减速机构的传动形式。蜗轮蜗杆减速器选取合适的螺旋升角，使得其可以在承重状态下保持自锁，从而能在电机停止的情况下锁死转轴，保证平台的稳定性。同时蜗轮蜗杆减速机构的减速比达到了300，并通过变频器控制，可使电机转速从1500r/min减小到1r/min，从而保证位置角度精度满足实验需求。为了固定实验装置，在承重平台上开了若干条安装槽，以适应不同实验机构底座的固定。
如图2所示，本发明的含间隙铰的二连杆机构包括用于模拟空间机械臂与基座相连臂杆的下连杆8，用于模拟空间机械臂完成动作执行臂杆的上连杆5，上连杆5固定于连杆轴6一端，连杆轴6另一端通过联轴器和驱动电机连接，连杆轴6通过间隙轴套9和下连杆8连接；其中连杆轴6和间隙轴套9构成的旋转铰运动副用于模拟实际机械臂中存在于转动关节中的运动副间隙。由于旋转关节需要靠电机直接驱动，在间隙存在时，为了不影响连杆轴和间隙轴套间的径向碰撞，联轴器采用弹性柱销联轴器11，使得连杆轴6在被电机驱动的同时，又能够在间隙的影响下，实现和间隙轴套9的运动碰撞过程。所述驱动电机采用力矩电机。
在实验分析过程中，旋转铰运动副间隙的测量方法是应变片间隙测量方法或激光位移传感器间隙测量方法或者上述两种方法的组合；其中应变片间隙测量方法是将含间隙铰的质心位移量转化为应变片的形变量，通过测量应变片的应变量来得出质心位移量变化。其中在应变片间隙测量方法中，所用的测量机构为两片贴有应变片的黄铜弹片，两片黄铜弹片呈正交位置固定于夹持具上，并且弹簧片的固定处是贴有应变片的位置，两片黄铜弹片的一端始终与待测轴表面保持接触。
如图3a和图3b所示是应变间隙测量方法原理图及应变片安装示意图。参见图3a，待测轴14与间隙轴套9接触时两者的中心距17，定义中心距17为运动副间隙大小。当待测轴14在间隙轴套9内运动到某一位置时，可测定待测轴14的质心相对于间隙轴套9的X轴方向分位移15和Y轴方向分位移16，若建立以间隙轴套9质心为中心的笛卡尔坐标系，即可十分便利地表述待测轴14的质心位置。当空间机构运动过程中待测轴14的质心位置被连续记录时，即可得到含间隙铰质心运动轨迹。参见图3b，两片贴有应变片的黄铜弹片呈正交位置固定于已设计好固定位置的夹持具18和19上，并保证机构运动过程中两黄铜弹片始终与待测轴14表面保持接触。当含间隙二连杆机构运动时，待测轴14的质心位置会改变，通过测量二连杆机构运动过程中待测轴14质心相对于间隙轴套的位移大小，即可快速地得到含间隙铰质心相对于间隙轴套质心的运动轨迹。
图4所示是不同重力取向条件下的空间机构测控系统组成框图。由变频器控制重力取向旋转台，使其固定于不同的对地角度，工控机上的测控软件系统完成对安川电机和大族电机的控制，实现旋转台上的试验机构的运转。实验机构运转过程中，黄铜弹片发生不同程度的形变，其上的应变片应变量经过应变仪转换为电压信号，与此同时，激光位移传感器(固定于间隙轴套或者与间隙轴套位置相对固定的其它部件上)测得间隙轴套的位移数据，且安川伺服驱动器反馈电机转速和力矩数据，三组数据经数据采集卡1710上传至工控机储存。再通过测控系统软件完成数据图像显示和数据处理。
图5a—图5c所示是空间机构实验方法的重力旋转平台不同对地角度示意图。重力取向旋转平台采用交流电机配合蜗轮蜗杆减速机构的传动形式，能够实现在电机停止的情况下锁死转轴，保证平台在任意的对地角度均可保持稳定状态。进行不同重力取向条件下的空间机构实验时，首先将固定有实验机构的重力取向旋转平台调整至实验规定的对地角度，随后即可进行相应对地角度下的空间机构实验。
如图6a—图6c所示是不同重力取向条件下的空间机构运动副间隙变化实验结果。重力环境下重力项比重大，重力指向作用更加明显，接触力产生点会更加集中于轴套底端；微重力环境下，由于重力释放指向作用消失，轴颈基本沿着轴套圆周运动。采用重力取向旋转台的含间隙二连杆机构关节轴质心运动轨迹与仿真结果相符。从实验数据图像中可以看出，在重力取向为0°时(见图6a)，重力对运动副间隙的影响最严重，间隙轴承沿着间隙圆的下方运动；在重力取向为45°时(见图6b)，重力对运动副间隙的影响减小，与0°情况下相比较而言，45°情况下轴心轨迹曲线整体有向上偏移趋势，这是由于在运动平面方向的重力分量相应减小，所以导致了运动轨迹可以更为均匀的扩散到整个间隙圆范围；在重力取向为90°时(见图6c)，重力对运动副间隙的影响最小，近似于为微重力环境，轴心轨迹已经沿间隙圆均匀分布，在这种情况所发生的碰撞力很小，不足以使得轴心轨迹发生较大变化，机械臂末端轨迹可以等效为指向方向增加间隙长度，也就是可以采用间隙轻杆模型来进行控制。

Claims (8)

1.一种不同重力取向条件下含间隙铰质心运动轨迹实验分析方法，其特征在于：包括一用于模拟空间机械臂中存在于转动关节中的运动副间隙的含间隙铰的二连杆机构，一用于模拟含间隙铰的二连杆机构的旋转铰处于不同重力势之下状态的重力取向旋转台；实验分析过程为：利用重力取向旋转台模拟不同的重力取向，测量含间隙铰的二连杆在不同重力取向、不同间隙大小以及不同运行速度下二连杆的旋转铰运动副间隙，将运动副间隙转换为间隙铰质心运动轨迹，并根据测量结果进行间隙铰质心运动轨迹分析。
2.根据权利要求1所述的不同重力取向条件下含间隙铰质心运动轨迹实验分析方法，其特征在于：在实验分析过程中，旋转铰运动副间隙的测量方法是应变片间隙测量方法或激光位移传感器间隙测量方法或者上述两种方法的组合；其中应变片间隙测量方法是将含间隙铰的质心位移量转化为应变片的形变量，通过测量应变片的应变量来得出质心位移量变化。
3.根据权利要求2所述的不同重力取向条件下含间隙铰质心运动轨迹实验分析方法，其特征在于：应变片间隙测量方法中，所用的测量机构为两片贴有应变片的黄铜弹片，两片黄铜弹片呈正交位置固定于夹持具上，且弹片的一端始终与待测轴表面保持接触。
4.根据权利要求1-3任一项所述的不同重力取向条件下含间隙铰质心运动轨迹实验分析方法，其特征在于：所述重力取向旋转台包括承重平台(2)，固定承重平台(2)的转台支架(4)，驱动承重平台(2)转动的电机及减速器(3)，所述承重平台(2)能够在180°范围内连续转动并自锁。
5.根据权利要求4所述的不同重力取向条件下含间隙铰质心运动轨迹实验分析方法，其特征在于：所述重力取向旋转台的减速器采用蜗轮蜗杆减速器，蜗轮蜗杆减速器的螺旋升角使旋转台可以在承重状态下保持自锁，在电机停止的情况下锁死转轴，保证平台的稳定性。
6.根据权利要求1-3任一项所述的不同重力取向条件下含间隙铰质心运动轨迹实验分析方法，其特征在于：所述含间隙铰的二连杆机构包括用于模拟空间机械臂与基座相连臂杆的下连杆(8)，用于模拟空间机械臂完成动作执行臂杆的上连杆(5)，上连杆(5)固定于连杆轴(6)一端，连杆轴(6)另一端通过联轴器和驱动电机连接，连杆轴(6)通过间隙轴套(9)和下连杆(8)连接；其中连杆轴(6)和间隙轴套(9)构成的旋转铰运动副用于模拟实际机械臂中存在于转动关节中的运动副间隙。
7.根据权利要求6所述的不同重力取向条件下含间隙铰质心运动轨迹实验分析方法，其特征在于：所述联轴器为弹性柱销联轴器(11)，使得连杆轴在被电机驱动的同时，又能够在间隙的影响下，实现和间隙轴套的运动碰撞过程。
8.根据权利要求6所述的不同重力取向条件下含间隙铰质心运动轨迹实验分析方法，其特征在于：所述驱动电机为力矩电机(13)。
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