基于多姿态使用、多工位集成的智能装备研究

赵琳娜 吴时雨 张加波 冯 伟 曾 婷 李 云

基于多姿态使用、多工位集成的智能装备研究

赵琳娜1吴时雨1张加波1冯 伟2曾 婷1李 云1

（1. 北京卫星制造厂有限公司，北京 100094；2. 总装与环境工程部，北京 100094）

针对某航天器产品总装、电测、内外场试验期间需要多姿态频繁拆装舱内设备的特点，设计了一种多姿态使用、多工位集成的智能装备。提出了采用特殊形状翻转架与自动化翻转架车集成的方式解决多工位融合的问题，减小了航天器产品对场地工位及移动的需求，提高了产品研制效率。翻转架车控制系统集成了角度编码器、电机编码器、电磁接触器等设备，能够实现转向可视、转速可调、转角数显等功能，且具备自锁及任意位置止停功能。给出了装备带载、空载翻转极限位置工况下受力情况及惯性矩情况分析，结果表明，该装备具有足够的强度和刚度来满足航天器对集成精度的需求。该装备已投入使用并取得了良好效果。

多姿态；自动化；多工位集成；智能装备；控制系统

1 引言

随着宇航任务增多，航天器产品结构越来越复杂，航天器产品地面装配集成及试验测试过程越来越繁琐，航天器产品整个研制生命周期中需要使用大量的地面装备，地面装备的性能较大程度地影响着工件和产品的装配精度，高效、高可靠性的装备可以极大地提高产品装配和调试的效率[1，2]。针对某型号航天器总装、电测、内外场试验期间需要多姿态、多次频繁进行舱内设备拆装，且拆装过程由基于KUKA机器人的机械臂完成的特点，深入研究可适用产品多姿态下多次反复拆装并具备停放转运功能的智能装配。目前，很多产品在装配调试过程中需要频繁翻转，而现有对产品部装、总装过程中通过吊装的方式来实现翻转[3]，仍需人工配合。这种方法自动化水平低，生产效率低下；且对吊具的需求大，对生产调度有较大影响；工人参与起吊工作，容易发生安全事故。

提出了一种多姿态使用、多工位集成的智能装备，该装备采用特殊形状翻转架与自动化翻转架车集成的方式解决多工位融合的问题，减小了航天器产品对场地工位及移动的需求，提高了产品研制效率，同时设计驱动组件控制系统自动化操作设备的翻转、止停功能，大大提高了装配过程中自动化水平和可靠性[4～6]。

2 智能翻转停放系统的构建

某航天器智能翻转停放系统如图1所示，主要由翻转架、支撑架车、翻转驱动组件三部分组成，装配集成及试验过程中，通过控制柜实现翻转架的转动调整功能和升降平台的升降功能。

1—翻转架 2—转轴安装座 3—模拟件 4—联轴器 5—减速器 6—伺服电机 7—控制柜 8—脚轮 9—支撑架 10—螺旋升降机 11—升降平台 12—备件箱

2.1 翻转架

翻转架包含有主框架、主动轴、被动轴及聚四氟乙烯套等组成部分，如图2所示。作为星体模拟部件，翻转架设计有4个产品与星体连接接口。同时，为了兼顾产品总装、电测、内外场试验时需拆装的部件大小和基于KUKA机器人的机械臂活动空间，设计了翻转架主框架。翻转架的主动轴端由伺服电机控制翻转，并通过电磁接触器反馈转动角度及圈数的实际状态，实现翻转架整体的自动翻转及精度补偿。

1—主动轴 2—主体结构 3—被动轴 4—四氟乙烯垫片

2.2 支撑架车

支撑架车主要由支撑架、主动轴安装座、被动轴安装座、控制柜安装板、驱动组件安装板、升降机组成，如图3所示。其中控制柜安装在控制柜安装板上，通过触摸面板操控翻转驱动组件控制产品的转动。

1—转轴安装座 2—支撑架 3—驱动组件安装板 4—控制柜安装板

2.3 翻转驱动组件

翻转驱动组件由电机、减速器、控制柜等组成。电机驱动减速器转动，减速器带动翻转架转轴转动，实现翻转架的双向180°翻转。减速器采用具有自锁功能的蜗轮蜗杆传动方式。传动轴的两侧分别安装电机和手轮，可实现电动和手动两种驱动模式。

3 极限工况翻转载荷分析

翻转架在翻转过程中所受阻力矩主要来自于翻转架及工件回转惯性力矩、轴承摩擦力矩和转动部分偏心矩[7，8]，如式（1），其中，M为工件回转惯性力矩，为承摩擦力矩，为转动部分偏心矩，保证电机最大功率条件下满足最大转速为90°/min，即平均速度v为1.5°/s，转180°的总时长为150s，安全系数按1.25倍计算。

=M++（1）

设计算加速度为，启动时间为，为装备相对转轴的总旋转惯量，通过式（2）可计算出M。

1/2εt+vp×(150-2)+εt=180 andp（2）

M=λ（3）

主要是作用在翻转架支撑轴承上的重力载荷作用于钢球上的径向力产生，通过下式可算出，其中为摩擦系数，为作用在滚珠上的最大径向力，为转轴半径。

=（4）

翻转架收拢时翻转台质心通过回转轴线，展开时质心位置下移位移为10mm造成偏心，转动部分偏心力矩计算式如下，其中为翻转架总重量。

=λ（5）

空载工况下翻转总的阻力矩为650Nm，满载工况下翻转总的阻力矩为82.5Nm，因此按650Nm条件选取驱动电机。

4 极限工况结构强度分析

翻转架在负载状态下翻转、水平、竖直放置过程中受到静载荷作用，从而导致翻转架产生相应变形，其中翻转架水平、竖直工况为极限位置，会导致翻转架产生最大变形，因此利用ANSYS分别静力学分析计算翻转架的水平、竖直工况以及翻转架车负载工况。

采用六面体单元网格划分翻转架及支撑架车，局部细化接触和易出现应力集中的小孔处。翻转架及支撑架车均为钢质材料，弹性模量=206GPa，泊松比=0.3，密度=7800kg/m3。

将产品简化为质点，加载在质心位置，质量设置为300kg；升降平台亦简化为质点，加上操作人员重量，质量设为400kg；支撑车架底面设为固定约束，整个模型处于1个重力加速度作用下，边界条件如图4所示。

图4 翻转架水平放置工况下边界条件

4.1 翻转架水平工况下仿真分析

图5 翻转架水平放置工况下应力分布

翻转停放装备的应力分析结果如图5所示，翻转停放装备的所受最大应力位于翻转架转轴安装位置，大小为29.4MPa。支撑架车的变形情况分析结果如图6所示，支撑架车的最大变形处位于翻转架车支撑轴位置，大小为0.55mm。

图6 转架车水平负载工况下变形情况

翻转架的变形情况分析结果，向最大变形量为0.11mm，最大变形处集中在翻转架边框，向最大变形为0.80mm，最大变形处集中在连接接口处。分析结果表明，在水平工况下，最大应力和最大变形发生在翻转架与支撑架车的连接处，即翻转架支撑轴，这是由于翻转架在水平状态下，主框架厚度较薄，而翻转架支撑轴相对于主框架较厚，且位于翻转架中心处，所以该位置承担了主要载荷，也导致该位置出现了最大变形量。单独分析翻转架的变形情况，发现方向和方向最大变形量发生在翻转架与产品的连接接口处，这是由于该区域连接产品或工件，其连接螺钉所嵌受的压力来自产品和翻转架的主要载荷，因此出现相对较大的变形量。综合以上分析，最大应力远小于许用应力，最大变形量也均满足设计要求，说明该翻转装备在水平负载的工况下满足强度和刚度要求。

4.2 翻转架竖直工况下仿真分析

图7为翻转装备应力分析结果，由计算分析结果可知，最大应力为19.97MPa，远小于材料的许用应力，满足设计要求，最大应力处位于支撑架车底盘位置。图8为支撑架车的变形情况，最大变形量为0.76mm，最大变形处为支撑架车底盘位置。

图7 翻转架竖直负载工况下应力分布情况

图8 支撑架车竖直负载工况下变形情况

a 翻转架竖直负载工况下轴方向变形情况

b 翻转架竖直负载工况下轴方向变形情况

图9 翻转架竖直负载工况下，竖直面上变形情况

图9为翻转架变形情况，方向最大变形量为0.39mm，最大变形处集中在翻转架边框，4个接口处的最大相对变形为0.155mm；方向最大变形为0.64mm，最大变形处集中在产品连接接口的连接梁上，4个接口的最大相对变形为0.60mm。从应力云图和变形云图可以看出，在竖直工况下，最大应力和最大变形发生在支撑架车的底盘位置，这是由于翻转架竖直负载时，产品重量加上装备自身重力导致重心降低，支撑架车底盘区域较大，所以该位置承受了主要载荷，也出现了最大变形量。翻转架的变形情况与水平工况下类似，方向和方向最大变形量发生在翻转架与产品的连接接口处，是由于该位置承担了产品和翻转架的主要载荷。最大应力和最大变形量均满足设计要求，说明该翻转装备在竖直负载的工况下同样满足强度和刚度要求。

5 控制系统设计

考虑到产品实际使用状态并兼顾人机工程原理，设计一款便于操作、检修的控制系统，使翻转架整体实现转向可视、转速可调、转角数显等功能，并具备自锁及任意位置止停功能，能够实现360°范围内任意翻转。其中角度精度能够控制在0.5°并设置有旋转前归置零位功能，支持自动和手工两种操控模式。当系统断电情况下，连接电机电缆，连接角度传感器，确认断路器、伺服电源开关处于关状态，再连接交流输入电缆；合断路器，触摸屏上电；打开伺服电源，控制回路（K2闭合）先上电，警报复位后，主电源上电（K1闭合），选择档位开关，通过触摸屏操作向PLC发送脉冲输出指令，PLC根据档位和方向输入，执行相应流程，向驱动器输出指定的频率脉冲和方向信号，驱动器根据输入完成对电机的控制；PLC高速脉冲计数输入与编码器反馈连接，临控电机的转动速度和转向，并在触摸屏显示。

机箱内部布线布局采用直流、交流分开走线方式，互不交叉、互不干扰。为了增加抗干扰性，实际电装时，直流线与交流线最小间隔距离为30mm。信号线均为数字信号，采用多芯屏蔽电缆单独走线，提高抗干扰性，机箱内部整体布局简洁美观。

考虑到断电后仍然可手动操作的工况，电机选用无抱闸模式的电机。当电机通电时，无法使用手动模式；当电机断电时，无力矩，可使用手摇轮手动操作。因此手动模式切换必须在设备整体断电情况下进行。

6 翻转、承载情况试验验证

智能翻转停放系统在制造过程中与分析数据存在差异，为了此智能装备的可靠性和稳定性，全面验证翻转停放系统的使用工况并精测各工况下接口位置，同时验证产品过载、插锁定销后启动转动等特殊情况。

表1 竖直工况下数据对比

架车竖直工况下，满载时4个产品接口处用激光跟踪仪精测数据与分析值对比，见表1，误差控制在5%以内，证明分析方法有效。

表2 水平工况下数据对比

架车翻转180°工况下，满载时4个产品接口处用激光跟踪仪精测数据与分析值对比，见表2，误差控制在5%以内，证明分析方法有效。

7 结束语

基于多姿态使用、多工位集成的智能装备具有以下突出优点：

a. 实现自动化，翻转功能由驱动电机实现，提高了产品部装以及总装效率；

b. 通过力学计算分析可知，在水平工况下翻转架车所受的最大应力为29.4MPa；翻转架在向上最大变形量为0.11mm，在向上最大变形量为0.80mm；在竖直工况下翻转架车所受的最大应力为19.97MPa；翻转架在向上最大变形量为0.39mm，在向上最大变形量为0.64mm。能够满足3倍安全系数的使用需求；

c. 具备转向可视、转速可调、转角数显功能，且翻转驱动组件具备自锁功能，翻转到位即可停止，避免了人工翻转带来的误差，有效提高了可靠性和装配精度；

d. 在翻转试验验证过程中保持平稳，不会出现抖动和摆动现象，产品接口精度与分析值匹配，满足设计要求，使用效果良好，为航天器产品的自动化、智能化装配集成提供了一种新思路。

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8 Sun Jun, Zhu Wei, Tang Hailun. The motion simulation and analysis of reinforced flip device based on UG NX7.5[J]. Advanced Materials Research, 2013(9): 97～101

Research on Intelligent Equipment Based on Multi-Attitude Use and Multi-station Integration

Zhao Linna1Wu Shiyu1Zhang Jiabo1Feng Wei2Zeng Ting1Li Yun1

(1. Beijing SpaceCraft, Beijing 100094；2. Assembly and Environmental Engineering Department, Beijing 100094)

Aiming at the characteristics of frequent disassembly and assembly of in-cabin equipment during the assembly, electrical measurement and field test of a spacecraft product, intelligent equipment with Multi-attitude and multi-station integration was designed, and the problem of multi-station integration was solved by the integration of special shape overturning frame and automatic overturning frame vehicle. It reduces the requirement of space station and mobile for spacecraft products, and it improves the efficiency of product development. Theturning frame control system integrates angle encoder motor encoder, electromagnetic contactor and other equipment, which can realize the functions of steering visualization, speed adjustable, angel digital display, and has self-locking and stopping function at any position. The force and inertial moment of the turning frame under the condition of no-load and on-load turning limit position are analyzed. The results show that the equipment has enough strength and stiffness to meet the requirement of integration accuracy for spacecraft. The equipment has been put into use and achieved good results.

multi-attitude；automation；multi-station integration；intelligent equipment；control system

国防基础科研计划（JCKY2016203B081）。

赵琳娜（1988），工程师，星船机电产品设计专业；研究方向：大型空间展开机构地面试验装备研发。

2019-07-19