压紧杆式太阳翼自动化加载设备设计与验证

胡亚航，全齐全，吴跃民，王国星，臧梓轶，杜博迟，程 泽

(1. 北京卫星制造厂有限公司，北京 100094；2. 哈尔滨工业大学机电工程学院，哈尔滨 150001；3. 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

0 引 言

为保证航天器发射过程中太阳翼可靠压紧在器体侧壁，且不对航天器工作产生不良影响，发射前需要用专门的设备将太阳翼压紧释放机构工作件的预紧力控制在合理范围之内[1]。根据压紧释放机构的不同，太阳翼分为半刚性带状式太阳翼、分离螺母式太阳翼和压紧杆式太阳翼[2]。

半刚性带状式太阳翼这一技术已经属于一项较为成熟的技术，我国与其他主要的航天国家均掌握了该项技术，其太阳翼压紧方式通过压紧测试仪和压紧框进行加载，并具备实时监测、精确测量的功能，但此方法耗人耗时，效率较低[3-5]。分离螺母式太阳翼也是目前国际上应用比较成熟的一种太阳翼，较典型的是国外INTELSAT-V卫星的太阳翼，我国已经在实践二十号卫星上采用了该类型的太阳翼，该太阳翼采用液压螺栓拉伸器进行加载；液压螺栓拉伸器的优点是精度高，无扭转应力、无摩擦损伤、可同步预紧多个螺栓，缺点是需要足够的伸长量，因而在轴向空间狭窄的使用场合受到很大限制[6-8]。压紧杆式太阳翼占比约为75%，广泛应用于卫星平台，其加载方式采用特制压紧扳手手动拧紧压紧螺母，通过旋转压紧螺母角度将预紧力控制在一定范围内，压紧扳手加载操作简便，但预紧力不容易精确控制[9-11]。

宣明等[12]在2017年开展了微小卫星太阳帆板压紧释放机构的设计，得到扭矩是预紧力的2倍关系，给出了预紧力的确定方法，并开展了真空环境下的可靠性验证试验，但预紧过程的自动化和精度控制并未体现。郭一竹等[13]在2019年开展了新型柔索式杆束结构压紧释放装置的设计工作，建立了装置的力学模型，分析了静态压紧和考虑惯性载荷情况下预紧力变化的情况，得到了满足可靠压紧的预紧力设计值，但并未涉及压紧释放装置预紧工程应用的情况。结合国内外文献调研，同行对压紧释放机构的设计、布局、可靠性分析等均有论述，但迄今为止,未见压紧释放机构预紧力自动化加载的公开报道。

本文借鉴液压螺栓拉伸器预紧的设计思路，结合压紧杆式太阳翼高精度控制的需求，设计了太阳翼压紧杆自动化加载设备，同时满足压紧杆预紧力施加的安全性和预紧力实时监测的功能，最后设计了一种应变测量的地面验证方法，为设备的应用提供了实践依据。

1 总体设计

太阳翼压紧杆的安装空间狭小，压紧杆杆头为边长4 mm的六方柱，压紧螺母为M5螺母，两者的材料均为TC4R，加载时的间距为3.5 mm。自动化加载设备需要在特别狭窄的空间内进行压紧杆的拉伸和压紧螺母的拧紧操作,设计具有足够承载能力的快速夹紧接口是设备研制的首要环节。

为实现AIT现场操作的便利性，设备须为手持式便携设备，因此，小型化、轻量化也是其重要特点。设计时首先确定了设备内部通用组件(如驱动电机、减速器、传感器、显示设备、电池组件等)，然后根据技术指标选择质量最轻、包络最小的成熟产品，再据此开展专用传力组件的设计，解决能量储存、动力输出、减速增扭、测量显示等一系列问题，实现内部空间布局以及力传递路线的优化。

另外，由于航天产品的特殊性，自动化加载设备需要具有很高的安全性、可靠性。因此，设备动力采用可充电电池供电，避免拖线操作。同时，设备还具有安全保护功能，避免在操作过程中损坏太阳翼。

自动化加载设备爆炸示意图如图1所示，自动化加载设备包括压紧杆夹紧单元、压紧杆拉伸单元、压紧螺母拧紧单元、运动控制单元以及人机交互界面五部分。

图1 自动化加载设备爆炸示意图

图中，压紧杆夹紧单元、压紧杆拉伸单元、压紧螺母拧紧单元并称设备机械系统，是设备运行的核心系统，也是本文详细介绍的内容。

机械系统运行时将夹紧单元拨杆拨下夹住压紧杆头部；驱动拉伸单元的电机将压紧杆拉伸至期望的预紧力；程序控制拧紧单元旋转压紧螺母，完成压紧螺母的拧紧动作；拉伸单元反向驱动释放压紧杆；之后将夹紧单元拨杆拨开，完成压紧杆自动预紧动作[14]，其原理示意图如图2所示。

图2 自动化加载设备机械系统原理示意图

1.1 夹紧单元设计

1.1.1夹紧单元结构设计

夹紧单元负责夹紧被拉伸压紧杆的杆头，在整个拉伸过程中一直处于夹紧状态，是拉伸单元能够正常工作的基础，其由夹紧接口、接口支架、转盘、接口轴、链接件组成，如图3所示。

图3 夹紧单元机械系统组成

夹紧单元三维示意图如图4所示，夹紧单元转盘一端与接口轴连接，中间位置由导向柱与转盘连接；转盘上有导向槽，利用凸轮原理控制夹紧接口开闭的位置；当转动转盘时，在导向槽的作用下，夹紧接口由打开状态逐渐关闭，通过夹紧接口内部凹槽夹紧压紧杆。

图4 夹紧单元三维示意图

1.1.2夹紧单元结构件计算分析

夹紧接口工作时和太阳翼压紧杆接合，极限承受10 kN拉力，需要进行部件受力分析，计算应力大小及变形量。用solidworks对夹紧接口进行受力分析，圆形通孔处固定，和圆轴配合处施加5 kN的拉力。分析结果表明最大应力为9.72×108N/m2,小于许用应力10.2×108N/m(材料选用65 Si2Mn)，最大的变形为0.055 mm。因此半圆柱体设计合理,可以满足安全性能要求。

1.2 拉伸单元设计

1.2.1拉伸单元结构设计

拉伸单元是整个设备的主要动力来源，由电机、谐波减速器、支撑座、滚珠丝杠、拉力传感器、直线导轨、连接件组成，如图5所示。该单元将电机的旋转运动通过滚珠丝杠转换成直线运动，为拉伸压紧杆提供动力。

图5 拉伸单元机械系统组成

电机通过谐波减速器降速增扭，为丝杠螺母支撑座提供足够的旋转扭矩；支撑座与丝杠螺母固连在一起，并通过轴承与外壳连接；丝杠前段与拉力传感器连接，并通过直线导轨与外壳连接，这样就限制了丝杠的旋转运动；当电机输出动力时，通过谐波减速器将旋转扭矩传递给支撑座，支撑座带动丝杠螺母旋转，使丝杠只能沿轴线方向运动，即产生轴向拉力，拉力传感器将信号反馈给控制系统进行分析，控制系统控制电机是否输出扭矩。

1.2.2拉伸单元选用件计算分析

1) 滚珠丝杠选用和计算

由于丝杠提供的拉伸力较大，应选择摩擦力较小的滚珠，减少电机的负荷。拉伸造成的被拉伸压紧杆伸长量为：

1.63×10-3m=1.63 mm

(1)

式中：极限拉力F为10 kN；压紧杆长度L为226.5 mm；压紧杆弹性模量E为110 GPa；压紧杆截面积A为4π mm2。

丝杠的弹性模量是被拉伸压紧杆的两倍，对应的形变量约为1 mm。所以丝杠的导程要大于1 mm，防止丝杠受到损坏。综上，选择型号为SCI 101605的滚珠丝杠。

2)大电机选取和计算

通过查手册和公式计算得出滚珠丝杠的导程角β为5.4°，较小的导程角可以提供较大扭矩。

初步选定MAXON电机DCX系列。查直线运动系统手册得到滚珠丝杠效率η1=0.9，当丝杠输出拉力为10 kN时，电机需要给丝杠提供扭矩为:

(2)

式中：丝杠输出拉力F为10 kN；导程Ph为5 mm；滚珠丝杠效率η1为0.90。

按照工具机无冲击选取安全系数2.5，得出大电机应该需要提供的扭矩为：

T大=8.85×2.5=22.13 N·m

(3)

根据计算结果选取型号为DCX 26 L的直流电机，由于DCX系列中没有合适的减速器与大电机相配合，因此在原有基础上增加一个谐波减速器。

3)回转转矩及转速校核

拉伸单元能够达到的最大回转转矩为：

T1=TMiGηGiHηH=25.24 N·m

(4)

式中：大电机最大回转转矩TM为57.8 mN·m；行星齿轮减速器的减速比iG为16；行星齿轮减速器的工作效率ηG为 0.78；谐波齿轮减速器的减速比iH为50；谐波齿轮减速器的工作效率ηH为0.70；末端输出转速为：

n=9690÷16÷50=12.1 r/min

均符合使用要求。

1.3 拧紧单元设计

1.3.1拧紧单元结构设计

在夹紧单元和拉伸单元完成工作后，压紧螺母拧紧单元开始工作，主要负责把太阳翼压紧杆末端的压紧螺母拧紧。拧紧后，使得拉伸单元缓慢释放压紧杆时，保证压紧杆上的预紧力不会同时消失。

拧紧单元机械系统组成如图6所示，拧紧单元由小电机、大齿轮、小齿轮、螺母接口组成。当拉伸单元完成工作后，拧紧单元起作用，通过驱动螺母接口拧紧压紧螺母；拧紧螺母仅需要克服螺母与压紧杆自身的摩擦力，所需要的扭矩很小；并且可以保证压紧杆预紧力的准确性。

图6 拧紧单元机械系统组成

1.3.2拧紧单元选用件计算分析

1) 齿轮选用和计算

因为大小齿轮的尺寸受到设备集约化限制，又因为大齿轮需要与压紧螺母配合，因此采用自研齿轮。大小齿轮具体的尺寸和加工参数如表1所示。

表1 齿轮参数

2) 小电机选用和计算

小电机主要克服齿轮转动压紧杆上的压紧螺母时产生的摩擦力，还有在螺母即将碰到太阳翼末端接触面时克服的摩檫力，需要克服的摩擦力不大。为了安全考虑，按照拉伸单元数值的5%计算拧紧单元的工作扭矩。所以需要大齿轮提供的扭矩如下：

T′=22.125×5%=1.1 N·m

(5)

需要小齿轮和小电机提供的扭矩如下：

(6)

式中：传动比z为2.52；根据结果选择型号为DCX 16 S的直流电机。

3)回转转矩及转速校核

拧紧单元能够达到的最大回转转矩为：

T1=TMiGηG=5.43×186×0.65=0.657 N·m

(7)

式中：小电机最大回转转矩TM为5.43 mN·m；行星齿轮减速器的减速比iG为186；行星齿轮减速器的工作效率ηG为0.65；末端输出转速为：

n=9430÷186÷2.52=20.1 r/min

均符合使用要求。

2 试验验证

使用自动化加载设备进行太阳翼压紧时，预紧力施加精度主要受以下3方面因素的影响：1)设备内置拉力传感器的精度；2)小电机通过拧紧单元拧紧压紧螺母的一致性；3)设备拆除后，压紧杆与被压紧太阳翼之间进行变形协调，导致压紧杆预紧力出现了一定量级的松弛(简称松弛载荷)[15]。

自动化加载设备内拉力传感器的精度可以通过计量检定(由第三方专业计量院所进行)获取，其偏差通常在2‰左右。压紧螺母拧紧状态一致性主要通过小电机的驱动力矩实现(专用电路控制)，但由于零件加工状态、螺纹润滑状态等差异的存在，仍会存在一定的偏差，但由于压紧螺母的拧紧力矩较小，在压紧杆轴线上产生的载荷变动不超过2 N(加载设备拉力传感器可感知)，因此，对该误差不再进行补偿。

针对由变形协调引入的松弛载荷，需在张力施加时进行补偿，补偿量由试验确定，具体方法如下：

1)在压紧杆上粘贴应变片，并连接测试电路。

2)按照规定程序使用加载设备对压紧杆进行加载，记录压紧过程中压紧杆上应变与设备拉伸张力之间的对应关系，直至加载力达到不小于预定压紧载荷的某一数值。

3)拆除加载设备，待压紧杆及被压紧太阳翼回弹至变形协调状态时，再次读取应变片示数。

4)根据第2)步获得的对应关系计算真实预紧力大小。

5)计算真实预紧力与加载力之间的偏差，得到该状态下的松弛载荷。

2.1 拉力传感器标定试验

为了方便定期校正加载设备内部的拉力传感器，现设计标定工作台如图7所示，主要由左固定板、左端盖、标准拉力传感器、连接件、压紧杆、右固定板、右端盖组成。

图7 标定工作台示意图

标定试验前，首先按照国际标准标定左侧的标准拉力传感器，使其可以显示拉力的标准数值，如图8所示。加载设备开机，设置好预紧力档位；将标定工作台与加载设备连接，启动设备加载，然后重复试验，对其加载设备内的拉力传感器进行标定。

图8 加载设备拉力传感器标定试验

随机选取3根压紧杆，并进行标号。将压紧杆安装在标定工作台上，做8000 N档位的加载实验，试验过程记录数据并计算精度，试验结果如表2所示。

表2 拉力传感器标定实验数据表

附注：相对精度=(加载设备传感器示数-标定工装传感器示数)/标定工装传感器示数;绝对精度=(加载设备传感器示数-8000)/8000。

根据试验数据可知，设备的拉力传感器与标定工作台上的标准拉力传感器示数接近，相对精度最大值1.23%，绝对精度最大值3.7%，满足精度5%的要求。

2.2 压紧杆预紧力与压紧螺母旋转角度对照试验

由于实际情况中压紧释放机构空间的限制，压紧杆在工作状态中的预紧力无法使用拉力传感器直接测量，所以通过在压紧杆上贴加应变片，利用应变片的单向压力应变引起电阻值变化实现对太阳翼压紧杆预紧力的准确测量。为保证试验的成功，现以12 kN的拉力进行应变片的选取，由材料力学轴向拉伸或压缩的变形公式和应变公式可得压紧杆的应变值[16]为：

(8)

式中：压紧杆伸长量Δl为1.63 mm；压紧杆长度L为226.5 mm。

代入式(8)计算得应变值为ε=7.2×10-3，小于中航电测有限公司温度自补偿系数为8.8×10-6/℃的BF-350-3AA-9系列微型应变片的应变极限，满足使用要求。

试验过程中，利用专用粘结剂将两个应变片粘贴在被测压紧杆的截面对称点上。应变片粘贴后做两组试验，第一组试验选取3根压紧杆进行拉伸试验，得到压紧杆预紧力与应变之间的关系，通过最终应变换算测出压紧杆预紧力;第二组试验按压紧释放机构产品状态进行压紧螺母旋转角度操作，得到螺母旋转角度与应变之间的关系。

通过第一组试验与第二组试验结果最后得到两种压紧方式的对比情况。

在压紧杆拉伸试验中，压紧杆承受拉力时难免有弯曲应力，因此，在数据处理时将截面对称的两个应变片所测应变数值取平均可消除弯曲应力而得到杆件在单一拉伸载荷作用下的应变值。试验过程发现每个压紧点两次试验应变测量值重复性极好。由于数据线性度非常好，所以数据按线性拟合。压紧杆拉伸试验数据。从表3测量数据可以看出，应变值随载荷的变化呈线性变化，说明压紧杆处于线弹性阶段；另外应变加、卸载的回复性很好，说明压紧杆未发生异常。加载设备卸载后压紧杆上应变回零且压紧螺母松弛，说明压紧杆在试验后没有产生残余应变，压紧杆和压紧螺母表面状态无变化，说明加载设备加、卸载可靠。

表3 压紧杆拉伸试验数据

数据取平均后预紧力与应变关系拟合曲线如图9所示。

图9 预紧力与应变拟合曲线

拟合曲线表达式为：

P=1.4545με+109.1

(9)

相关系数R=0.99997；

加载设备最终预紧后所得应变根据曲线表达式(9)换算后可知，加载设备满足名义预紧力7000 N的要求，相对精度最大值1.09%，绝对精度最大值3.11%，满足精度要求5%的要求,详细数据如表4所示。

表4 应变换算数据

在加载螺母旋转试验中，不同的压紧点由不同的操作人员进行操作。如表5所示试验结果，螺母旋转试验不同的操作人员进行的试验结果标准差为259.2，是加载设备标准差的4.76倍，数据离散。结果表明，使用压紧扳手操作严重依赖操作人员的经验和手感，且同一名操作人员进行的试验重复性也较差。

表5 压紧螺母旋转试验数据

3 结 论

1)本文设计的设备实现小型化、轻量化、可视化，其质量约为3.5 kg，长度约为260 mm，最大加载能力为8000 kN。在集约的约束下，解决能量储存、动力输出、减速增扭、测量显示等一系列问题，实现内部空间布局以及力传递路线的优化。

2)该设备采用滑槽式夹紧接口设计，解决了狭小空间内夹紧、拉伸压紧杆的难题，采用力反馈型全自动加载功能将太阳翼压紧杆预紧力施加精度控制在5%以内。

3)压紧杆预紧力和旋转压紧螺母对照试验的试验表明,该设备加、卸载可靠，压紧杆充分预紧，太阳翼无异常。

4)自动化加载设备还可用于展开式天线、机械臂等空间机构的压紧。