異型部件裝配的位姿調(diào)整機構(gòu)設(shè)計范文

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《北京交通大學(xué)學(xué)報》2015年第四期

隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，對飛行器速度的要求越來越高，飛行器形狀由傳統(tǒng)的規(guī)則結(jié)構(gòu)逐漸向異型面復(fù)雜結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，而飛行器表面的防熱問題成為決定飛行器的安全及順利完成各項任務(wù)的最關(guān)鍵因素之一．防熱套主要依靠輻射方式散熱，其為飛行器的主要組成部分，套裝在飛行器的金屬殼體之外并且能保證飛行器在飛行載荷和熱載荷的作用下安全可靠．由于飛行器熱結(jié)構(gòu)部段為異型面復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在裝配金屬殼體與防熱套前，對兩部件進行位姿調(diào)整是精確定位裝配的關(guān)鍵．并聯(lián)機構(gòu)由于剛度大、精度高、逆解容易等特點被廣泛用于位姿調(diào)整中，尤其是少自由度并聯(lián)機構(gòu)還具有控制方便、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，成為調(diào)姿機構(gòu)領(lǐng)域中研究的熱點．但是并聯(lián)機構(gòu)由于桿長約束等因素，工作空間較小，往往無法滿足一些特殊機器人大工作空間、結(jié)構(gòu)緊湊等要求，而混聯(lián)機構(gòu)則彌補了并聯(lián)機構(gòu)在該方面的不足．關(guān)于并聯(lián)機構(gòu)結(jié)構(gòu)綜合方法的研究，有金瓊等提出的單開鏈法，Hunt提出的螺旋法等．2002年，方躍法和Tsai［7］運用線幾何理論和螺旋理論對純力或純力偶約束的支鏈進行了研究，并在此基礎(chǔ)上提出了多種具有對稱結(jié)構(gòu)的四、五自由度并聯(lián)機器人機構(gòu)．房海蓉等利用螺旋理論對少自由度并聯(lián)機構(gòu)進行了分析和結(jié)構(gòu)綜合，并利用反螺旋理論對三自由度并聯(lián)機器人機構(gòu)進行了奇點分析．基于此研究背景，本文作者提出了一種位姿調(diào)整機構(gòu)的設(shè)計方案，用于飛行器金屬殼體和防熱套裝配前位置與姿態(tài)的調(diào)整，并重點對帶有中心鏈的2R2T金屬殼體位姿調(diào)整機構(gòu)進行了設(shè)計與分析（其中：R表示機構(gòu)具有的轉(zhuǎn)動自由度；T表示機構(gòu)具有的移動自由度）．

1位姿調(diào)整機構(gòu)的組成

根據(jù)金屬殼體和防熱套精確裝配的要求，必須保證兩部件在裝配完成后位置與姿態(tài)完全一致、對接間隙均勻且無應(yīng)力．由于飛行器金屬殼體與防熱套的形狀不規(guī)則，為滿足精確裝配的要求，需要在裝配開始前對兩部件進行位姿調(diào)整，確保在位姿調(diào)整完成后金屬殼體和防熱套在位置上是對中的、姿態(tài)上是一致的．再對兩部件進行套裝加壓．由此可見，金屬殼體位姿調(diào)整機構(gòu)還需具有較高的強度和剛度，且結(jié)構(gòu)上應(yīng)具有對稱性和可靠性．根據(jù)位姿調(diào)整機構(gòu)的功能分析，確定位姿調(diào)整機構(gòu)的基本組成如圖1所示，主要包括金屬殼體位姿調(diào)整機構(gòu)、防熱套位姿調(diào)整機構(gòu)、移動裝配裝置、數(shù)據(jù)檢測與采集裝置和控制系統(tǒng)．金屬殼體位姿調(diào)整機構(gòu)主要用于調(diào)整金屬殼體的位姿，防熱套位姿調(diào)整機構(gòu)主要用于調(diào)整防熱套的位姿，通過兩個位姿調(diào)整機構(gòu)的共同調(diào)整使金屬殼體和防熱套的姿態(tài)完全一致，x、y軸位置一致．位姿調(diào)整到位后，移動裝配裝置將攜帶防熱套沿z軸移動，從而完成金屬殼體和防熱套的裝配工作．由于并聯(lián)機構(gòu)具有剛度大、精度高、動態(tài)性能優(yōu)越、逆解容易等特點，本文作者采用并聯(lián)機構(gòu)作為金屬殼體和防熱套的位姿調(diào)整機構(gòu)。

2位姿調(diào)整機構(gòu)的自由度分析

為保證位姿調(diào)整的準確性，要求整個位姿調(diào)整機構(gòu)至少具有6個相對自由度．在實際裝配時，移動裝配加壓過程只能沿鉛垂方向進行，因此必須保證移動裝配前兩個工件的中軸線完全垂直于水平面．考慮到將工件固定在平臺時，工件會因受力不均勻而出現(xiàn)不同程度的輕微偏轉(zhuǎn)，為保證移動裝配過程順利進行，要求金屬殼體和防熱套的位姿調(diào)整機構(gòu)同時具有繞x軸和y軸轉(zhuǎn)動的2個調(diào)平自由度．根據(jù)上述分析，可以得到8種位姿調(diào)整機構(gòu)的自由度組合方案，如表1所示．確定具體位姿調(diào)整及裝配過程如下：1）位置調(diào)整．以防熱套位置為基準，利用金屬殼體位姿調(diào)整機構(gòu)調(diào)整金屬殼體的位置，使其在x、y軸兩個方向與防熱套基準保持一致．因此，金屬殼體位姿調(diào)整機構(gòu)須具有沿x、y軸移動兩個平動自由度．2）姿態(tài)調(diào)整．利用金屬殼體位姿調(diào)整機構(gòu)調(diào)整金屬殼體的姿態(tài)，直至其中軸線垂直于水平面；再以金屬殼體姿態(tài)為基準，利用防熱套位姿調(diào)整機構(gòu)調(diào)整防熱套3個方向的姿態(tài)，直至與金屬殼體姿態(tài)達到完全一致．3）移動裝配．位姿調(diào)整到位后，移動裝配裝置將攜帶防熱套沿z軸移動，從而完成金屬殼體和防熱套的裝配工作．根據(jù)上述位姿調(diào)整過程，確定選擇方案五3R－P－2R2T作為位姿調(diào)整機構(gòu)的自由度組合方案．以下將重點對2R2T金屬殼體位姿調(diào)整機構(gòu)進行設(shè)計與分析．

3金屬殼體并聯(lián)位姿調(diào)整機構(gòu)的設(shè)計

3．1并聯(lián)機構(gòu)組成金屬殼體位姿調(diào)整并聯(lián)機構(gòu)采用2R2T并聯(lián)機構(gòu)，基本組成如圖2所示，由上平臺（動平臺）、下平臺（基礎(chǔ)平臺）及連接上下平臺的若干條支鏈組成．在對2R2T四自由度并聯(lián)機構(gòu)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可分3種情況：①2R2T四自由度非對稱并聯(lián)機構(gòu)，即連接并聯(lián)機構(gòu)的上下平臺各個支鏈結(jié)構(gòu)不完全相同；②2R2T四自由度完全對稱并聯(lián)機構(gòu)，即組成并聯(lián)機構(gòu)所有支鏈的結(jié)構(gòu)配置均完全相同；③由一個中間支鏈即約束支鏈加上若干個六自由度無約束驅(qū)動支鏈組成的帶中間支鏈的四自由度對稱并聯(lián)機構(gòu)．由于非對稱并聯(lián)機構(gòu)穩(wěn)定性較差，滿足自由度要求的四自由度完全對稱并聯(lián)機構(gòu)無法綜合出來，本文作者采用帶有中間支鏈的2R2T四自由度對稱并聯(lián)機構(gòu)進行設(shè)計與分析．六自由度無約束支鏈有RRRRRR、SPS、UPS、URS、CPS等多種配置方案，由于UPS支鏈具有結(jié)構(gòu)簡單，運動副少，控制方便等優(yōu)點，本文將選擇其作為無約束支鏈．2R2T并聯(lián)機構(gòu)的動平臺需具有2個轉(zhuǎn)動自由度和2個移動自由度，這決定了中間約束支鏈必須為提供一個力約束和一個力偶約束的四自由度運動支鏈，即CF支鏈．

3．2并聯(lián)機構(gòu)CF支鏈的結(jié)構(gòu)配置螺旋理論被廣泛應(yīng)用于空間機構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)配置．根據(jù)螺旋理論可知，空間任何一條直線可以用一個旋量來，并聯(lián)機構(gòu)的每條支鏈也可以用運動螺旋表示出來．若兩個螺旋S／和S／r的互易積等于零，那么這兩個螺旋互為反螺旋．根據(jù)反螺旋理論可知，當(dāng)S／1，S／2，…，S／n表示并聯(lián)機構(gòu)某一支鏈的運動螺旋系時，其反螺旋S／r表示該支鏈運動螺旋系施加給動平臺的結(jié)構(gòu)約束螺旋，即支鏈機械結(jié)構(gòu)對動平臺的約束力和力偶．對于2R2T并聯(lián)機器人機構(gòu)，動平臺需要具有2個移動（沿x、y軸）、2個轉(zhuǎn)動（繞x、y軸）共4個自由度，平臺將失去沿z軸方向的1個移動自由度和繞z軸方向的1個轉(zhuǎn)動自由度，因此必須有1個約束力螺旋和1個約束力偶同時作用在動平臺上，即中間CF支鏈約束力螺旋的基礎(chǔ)。由于CF支鏈的自由度運動是一個4階運動螺旋系，其線性無關(guān)零節(jié)距運動螺旋數(shù)目最多為4，所以支鏈中的線性無關(guān)轉(zhuǎn)動副的數(shù)目最多為4．在三維空間中，線性無關(guān)且節(jié)距為無窮大的運動螺旋數(shù)目最為3．由運動螺旋分析可知，CF支鏈移動副的軸線總垂直于z軸，所以支鏈中線性無關(guān)的移動副的數(shù)目最多為2．所以，如將基本副R和P作為組成支鏈的運動副，則可以得到3桿4副的基本支鏈類型有4R、3R1P和2R2P型，運動副符號前面的數(shù)字表示機構(gòu)中線性無關(guān)的運動副的數(shù)目．應(yīng)用運動副等效替換的方法，還可以得到2R1U，1R1U1P，2R1C，1R1C1P和1U2P的2桿3副分支類型．圖3為幾種CF支鏈配置的舉例．本文作者選擇如圖4所示的4－UPS／UPP作為金屬殼體調(diào)姿機構(gòu)．其有以下幾點優(yōu)勢：1）4－UPS／UPP機構(gòu)的各條支鏈上都有且僅有3個運動副，其結(jié)構(gòu)簡單且符合金屬殼體調(diào)姿機構(gòu)的自由度要求．2）飛行器金屬殼體的質(zhì)量較重，可達到數(shù)噸重且調(diào)姿完成后還有加壓要求，可以增加設(shè)計好的UPS支鏈的數(shù)量來適應(yīng)載荷的增加，并且增加UPS支鏈的數(shù)量會增加系統(tǒng)的支撐剛度，并且不影響整體機構(gòu)的自由度．3）中間UPP支鏈既約束了兩個不需要的自由度，同時也增加了系統(tǒng)的剛度，提高整體機構(gòu)的承載能力．4）每條支鏈結(jié)構(gòu)簡單、驅(qū)動容易、控制簡單．

3．32R2T并聯(lián)機構(gòu)自由度分析對于4－UPS／UPP并聯(lián)機構(gòu)，U副為萬向絞，其運動可以用2個軸線互相垂直的運動螺旋表示；S副為球鉸，其運動用3個軸線互相垂直并且相交于一點的運動螺旋表示．4－UPS／UPP機構(gòu)中每個運動關(guān)節(jié)的運動用運動螺旋表示如圖5所示．基于螺旋理論可知螺旋的相逆性與坐標系的選擇無關(guān)，可以取分支坐標系的直向上，得出UPS分支所有運動副的運動螺旋。可見UPS分支對動平臺并無非零的約束螺旋，即UPS分支不對并聯(lián)機構(gòu)動平臺運動形成限制．式（9）表明中間UPP支鏈約束了動平臺沿z軸的移動和繞z軸的轉(zhuǎn)動兩個自由度，而UPS支鏈對動平臺無約束，正好符合金屬殼體調(diào)姿系統(tǒng)對運動維數(shù)的要求．

4結(jié)論

1）對異型面飛行器裝配機構(gòu)的功能與要求進行了分析，確定了位姿調(diào)整機構(gòu)的組成和自由度組合原則，提出采用3R－P－2R2T自由度組合方案對位姿調(diào)整機構(gòu)進行設(shè)計．2）對2R2T金屬殼體位姿調(diào)整機構(gòu)中的CF支鏈進行結(jié)構(gòu)的配置，提出了采用帶有中間支鏈的4－UPS／UPP四自由度并聯(lián)機構(gòu)作為金屬殼體調(diào)姿機構(gòu)，采用螺旋理論計算了4－UPS／UPP并聯(lián)機構(gòu)的自由度．

作者：房海蓉 王楠 單位：北京交通大學(xué) 機械與電子控制工程學(xué)院