對接鎖索驅輪系傳動同步性及補償研究

許春田，段永強，徐德瀅，李 琳，吳鑫楊，2，宗 旭

（1.遼寧科技大學 機械工程與自動化學院，遼寧 鞍山 114051；2.中國水利水電十二工程局有限公司，浙江 杭州 310030；3.鞍山鋼鐵集團有限公司 冷軋廠，遼寧 鞍山 114021）

空間對接機構［1-2］是由兩套鎖系組成的一個閉環傳動系統。每套鎖系內含有六把鎖，只有一把為主動，且以鋼索作為連接件與其它被動鎖通過輪系相互串接，如圖1所示。對接鎖系運動同步性是涉及兩航天器平穩交會對接的一項關鍵技術［3］。

圖1 對接鎖系結構簡圖Fig.1 Structure sketch of docking locks

受空間環境條件的制約，鎖系對接同步性主要通過裝配過程中，對鋼索施加預緊載荷的調節來保證。由于在這方面缺少相關理論指導，鎖系裝配主要憑經驗、反復操作來保證，不僅效率低、成本高，而且同步性難以保證。針對這一問題，國內學者開展了大量研究。其中，黃鐵球等［4］、張華等［5］、鄭云青等［6］針對鎖系運動同步性影響因素，分別從不同方面開展研究，提出相應改進方法。張崇峰等［7］研究對接捕獲和緩沖過程以及對接機構連接時的可靠性問題。劉志全等［8］分別對空間鎖系運動性能和力學特性展開研究。上述研究主要從鎖系對接的運動動力學方面開展，并沒有涉及裝配過程鋼索形變的影響。雖然文獻［9］對鎖系裝配過程中輪系的傳動誤差進行建模與補償研究，但主要針對單把鎖輪系傳動，而且和現場一樣，都采用目測法采集輪系同步性數據，難免影響數據采集的精度與效率。

虛擬儀器是儀器技術與計算機技術相結合的產物。隨著科技進步及計算機性能的不斷提高，基于LabVIEW 虛擬儀器技術迅速發展，目前已廣泛應用于過程控制及高精測試中。張驍龍等［10］基于LabVIEW 軟件開發測試平臺，采集超導磁體運行過程參數并進行相關研究。張中振［11］針對串擾、信號處理等問題，進行柔性壓力傳感器陣列數據采集系統的設計與開發，并驗證了其可行性。秦程等［12］提出改進負壓波與流量平衡法聯合監測與定位算法，在LabVIEW 中實現對管道流量的實時監測和定位。王健等［13］為防止電解加工時陰極短路燒傷，以LabVIEW 為開發環境研制電解機床保護系統?？傊?，結合先進的虛擬儀器技術已成為目前提高測試水平和數據準確性的一種有效方式。

針對鎖系裝配面臨的問題，本文基于Lab-VIEW進行鎖系同步性測試系統的開發，并提出一種運動同步性補償與控制方法，為空間鎖系裝配效率的提高提供參考。

1 同步性測試系統的LabVIEW設計

LabVIEW創建的VI主要由前面板、程序框圖及連線與圖表組成，用戶通過前面板與系統進行交互，完成數據的輸入與輸出顯示［14］。本文設計的鎖系同步性測試系統用戶界面如圖2所示，主要由參數設置、實時數據顯示以及歷史數據三部分組成。參數設置主要包括串口端口的選擇、波特率、采樣時間的設定及按鈕控件操作等功能。數據顯示主要用儀表和波形圖分別實時顯示測量的六個繩輪轉角及對應鋼索張力值。歷史數據以數值格式記錄不同時間采集的繩輪角度值，并將其儲存在系統數據庫中，以便用戶使用。

圖2 測試系統用戶界面Fig.2 User interface of test system

程序框圖是實現測試系統功能的核心。程序框圖包含前面板上相關控件，包括數值、數組、布爾、字符串等操作函數以及循環結構、條件結構、順序結構、公式節點等。根據通訊流程，結合采集卡內部庫函數DLL 中的各函數參數，設計的測試系統與數據采集卡通信程序如圖3所示。

圖3 系統與數據采集卡通信程序框圖Fig.3 Communication program block diagram between system and data acquisition card

2 輪系同步性測試實驗

2.1 實驗原理

實驗測試平臺組成如圖4 所示。六根鋼索分別在六個繩輪間通過鎖緊螺母串接。減速電機通過聯軸器與主動繩輪組件連接，驅動輪系實現鋼索張力的施加。張力值由兩導向輪間鋼索上裝有的三滑輪傳感器記錄，并由高精度儀表顯示。

圖4 實驗平臺Fig.4 Experimental platform

根據鎖系實際裝配需求，預緊載荷作用下的傳動誤差用兩繩輪轉角之間的差值，即轉角偏差表示，其最大值必須滿足鎖系對接同步性指標要求才能確保兩航天器成功對接。本實驗平臺六個繩輪轉角值分別由繩輪軸連接的編碼器采集，再通過數據采集卡輸送給測試系統。鋼索預緊載荷及驅動過程中鋼索張力變化分別通過六個三滑輪傳感器實時測量，并通過高精顯示儀表上的接口將其輸送給測試系統。

2.2 實驗樣本

鋼索在預緊載荷作用下會發生彈性、粘彈性、粘塑性及塑性等復雜形變，在鎖系裝配過程中，如果不加以控制，將導致其串聯鋼索在驅動過程中出現松弛而影響鎖系對接同步性。不同結構材質的鋼索在預緊載荷作用下所表現出的形變行為存在著較大區別［15］，本文采用航天用6×19s+IWS 鋼索［16］。

2.3 實驗步驟

（1）調節輪系各繩輪轉角，使其處于同一初始角度基準；

（2）調節各鋼索兩端的鎖緊螺母，直至六臺高精度顯示儀表顯示的鋼索預緊載荷均為400 N；

（3）減速電機驅動輪系從初始角度基準運動到終止角度基準，測試系統采集數據；

（4）重復上述步驟，分別完成鋼索在預緊載荷500 N、600 N、700 N作用下采集數據。

為降低因鋼索性能差異及裝配精度引起的測量誤差影響，相同預緊載荷作用下分別測試五組數據，取平均值進行分析。從主動繩輪開始，沿順時針驅動方向，將繩輪及鋼索依次命名為1#～6#。鋼索張力變化如圖5 所示。整個輪系鋼索張力變化規律大體分為兩種情況。

圖5 預緊載荷作用下鋼索張力變化規律Fig.5 Tension change law of steel cable under preload

隨著轉動時間的增加，1#、2#、3#鋼索張力先上升后下降。因為在減速電機作用下，1#主動繩輪先發生轉動，依次帶動2#～6#被動繩輪，致使同一時間1#鋼索張力最大。因驅動過程受繩輪與鋼索間摩擦影響，2#和3#鋼索張力依次減小，而且預緊載荷越大，鋼索與繩輪間摩擦力也相應變大，導致驅動力變大，從而使鋼索張力增大。因鎖系為閉環傳動，在1#鋼索拉緊的同時，另一側與1#主動繩輪相連的6#鋼索發生松弛，從而依次影響5#～1#鋼索張力，因力傳遞的延滯性，導致繩輪轉動一段時間后1#～3#三根鋼索張力下降，直至輪系正常傳動后，三根鋼索張力基本保持穩定。

隨著轉動時間增加，4#、5#、6#鋼索張力先下降再上升。因為整個輪系驅動為閉環雙向，當1#主動繩輪驅動時，另一側與6#被動繩輪相連的6#鋼索存在松弛趨勢，因力傳遞的延滯性，逐漸影響到5#與4#鋼索張力的變化，使6#鋼索受松弛影響最大，所受張力最小。而且預緊載荷越小，松弛趨勢越明顯，當預緊載荷為最小400 N 時，同一時間對應鋼索張力最小。

預緊載荷作用下輪系傳動誤差詳見表1。預緊載荷越小，輪系傳動誤差越大；因鋼索松弛引起的張力變化范圍越大，引起的輪系同步性誤差（Δθmax）越大。經計算，在預緊載荷為400 N時，同步性誤差最大值為1.41°。隨著預緊載荷的增大，輪系中鋼索松弛現象逐步得到改善，在預緊載荷為600 N 時，4#鋼索略有松弛，但當預緊載荷增大到700 N 時，其基本上不發生松弛現象，對應的傳動誤差也相應變小，輪系同步性得到明顯提高，同步性誤差已減小到0.75°，說明通過鋼索預緊載荷的調節可實現鎖系對接同步性精度的控制。

表1 預緊載荷作用下輪系傳動誤差Tab.1 Transmission error of sheaves under preload

3 同步性補償與控制

3.1 輪系傳動誤差組成及分配

對接鎖索驅輪系裝配同步性主要通過預緊載荷控制鋼索形變、蠕變及運動形變引起的傳動誤差來保證。因裝配中傳動誤差不易控制，本文采用對稱分配法［16］將其轉換為繩輪轉角值。由于鋼索形變和蠕變是索驅輪系在靜態預緊載荷作用下產生的，兩者均不會受索驅輪系串聯關系的影響，具有相對的獨立性，因而在對傳動誤差對稱分配時，只需采用單把鋼索形變即可。而鋼索運動形變引起的傳動誤差在預緊載荷施加到一定值，接近剛性傳動條件下，主要由驅動過程中摩擦引起，其值可由測試系統測定，在分配傳動誤差時，按照驅動順序，將其疊加到鋼索形變及蠕變引起的傳動誤差上，并不影響其作為檢驗鎖系對接同步性是否滿足指標要求的功能。經上述轉換后，裝配中鎖系同步性控制就轉變為對輪系繩輪轉角值的控制，便于操作，提高裝配效率。

3.2 傳動誤差引起的繩輪轉角值確定

在鎖系裝配過程中，通過鋼索兩端鎖緊螺母施加預緊載荷。隨著預緊載荷不斷變大，與鋼索兩端連接的兩繩輪轉角值也不斷朝相反的方向增大。因而，將繩輪轉角方向分別用符號“+”和“-”表示。

在鎖系裝配過程中，主要通過調節嚙合（60°）位置和鎖緊（180°）位置處鋼索預緊載荷來控制鎖系對接同步性［17-18］。為簡化研究，本文僅對嚙合處的輪系傳動同步性進行分析。結合單把輪系形變及蠕變數學模型［16］，可獲得鋼索形變和蠕變值。轉角60o處預緊載荷作用下鋼索形變對應的傳動誤差詳見表2。由于預緊載荷取值較為接近，蠕變值之間誤差極小，因此統一為0.35°。按索驅輪系傳動誤差分配方式和轉角值符號的分布關系，可獲得輪系繩輪轉角60o處預緊載荷作用下對應的繩輪轉角值，如表3所示。

表2 預緊載荷作用下鋼索形變對應傳動誤差（60o）Tab.2 Transmission error corresponding to steel cable deformation under preload（60o）

表3 預緊載荷作用下傳動誤差對應繩輪轉角值（60o）Tab.3 Rope sheave angle corresponding to transmission error under preload（60o）

3.3 同步性補償

在傳動誤差以轉角值分配到各繩輪后，因輪系各組成部件位置固定，在裝配中則體現在繩輪圓弧段鋼索伸長量的變化，其值可通過鋼索兩端的鎖緊螺母進行調節，兩者之間關系式

式中：θ為傳動誤差轉換的繩輪轉角值，rad；R為各繩輪半徑，m；L為鋼索伸長量，m。

鎖緊螺母（單頭）螺距與鋼索繩輪上圓弧段伸長量間關系式為

式中：P為螺母螺距，m；N為旋轉圈數，圈。

聯合式（1）與式（2）得

在裝配過程中，分別控制鋼索兩端鎖緊螺母的圈數，即可實現串聯繩輪轉角的控制，從而控制鋼索預緊載荷，實現鎖系同步性的控制，提高鎖系裝配效率。同步性系統測試數據表明，鎖系同步性明顯得到改善。

4 結 論

（1）針對空間對接鎖系裝配采用目測采集數據，導致誤差大、裝配效率低問題，設計并搭建輪系傳動同步性測試平臺，并基于虛擬儀器Lab-VIEW軟件開發同步性測試系統，實現對輪系傳動數據的精確采集。

（2）輪系同步性實驗表明，隨著轉動時間增加，1#、2#、3#鋼索張力逐漸變大，達到其最大值后，因受張力松弛及力傳遞延滯性影響，又逐漸變小，最后達到穩定狀態；而4#、5#、6#鋼索張力則先減小再逐漸變大，到一定數值后基本保持不變。并且，預緊載荷越小，松弛引起的鋼索張力變化越明顯，輪系傳動同步性誤差越大。

（3）提出一種輪系同步性補償方式，分別將鋼索形變、蠕變及運動形變引起的傳動誤差轉換為鎖緊螺母螺紋圈數，在裝配中通過調節螺紋圈數控制串聯鋼索預緊載荷，實現鎖系同步性補償，為鎖系裝配效率的提高提供參考。