Методы обеспечения работоспособности многоопорной робототехнической системы космического назначения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.05, кандидат технических наук Волов, Валерий Анатольевич

• Волов, Валерий Анатольевич
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Волов, Валерий Анатольевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список используемых сокращений

Введение

Глава 1. Конструкция и характеристики многоопорной робототехнической системы космического назачения

1.1. Принципы построения и применения многоопорных робототехнических систем

1.2. Особенности конструкции системы крепления и развертывания бортовых манипуляторов ОК "Буран"

1.3. Анализ жесткостных характеристик структурных элементов системы

1.4. Анализ динамической модели привода поворота опоры

1.5. Анализ режимов работы природа поворота

опоры

1.6. Анализ проблем и методов обеспечения работоспособности многоопорной робототехнической системы Космического назначения

Выводы по главе 1

Глава 2. Метод определения предельных отклонений расположения кинематических звеньев многоопорной робототехнической системы

2.1. Основные предпосылки метода

2.2. Структурный анализ многоопорной системы

2.3. Кинематический анализ механизма поворота опоры

2.4. Анализ реактивных сил взаимодействия

многоопорной системы с объектом

2.5. Определение деформаций при взаимодействий многоопорной системы с объектом

2.6. Составление и анализ уравнения баланса

сил

Выводы по главе 2

Глава 3. Расчетный анализ монтажных параметров системы крепления и развертывания бортовых манипуляторов ОК "Буран"

3.1. Анализ исходных данных

3.2. Анализ жесткостных характеристик и определение матриц коэффициентов податливости бортового манипулятора

3.3. Результаты расчета предельных монтажных погрешностей системы крепления и развертывания бортовых манипуляторов ОК "Буран"

Выводы по главе 3

Глава 4. Экспериментальные исследования многопор-ной робототехнической системы

4.1. Описание установки и методики испытаний

4.2. Сравнительный анализ результатов расчетных и экспериментальных исследований

4.3. Разработка методики монтажа и наладки системы крепления и развертывания бортовых манипуляторов на борту ОК "Буран"

4.4. Анализ результатов монтажных испытаний

4.5. Экспериментальная отработка системы аварийного разделения СКРБМ и отделения бортового манипулятора

4.6. Результаты испытаний опор СКРБМ на статическую прочность и стойкость к

циклическим нагружениям

Выводы по главе 4

Заключение

Список литературы

Приложение 1. Протокол проверки функционирования технологической системы СКБМ с технологическим БМ на изд. "Буран"

Приложение 2. Заключение о готовности системы крепления и развертывания бортовых манипуляторов к натурным испытаниям в составе изделия 11Ф35. N2K1

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

БМ - бортовой манипулятор; БУ - блок управления; ДС - датчик синхронизации; ГТ - Гистерезисный тормоз; КДИ - конструкторско-доводочные испытания; КПЭО - комплексная программа экспериментальной отработки ;

КС - комплексный стенд;

ЛОИ - лабораторно-отработочные испытания;

ЛОИС - лабораторно-отработочные испытания системы;

ЛП - ложемент плечевой;

ЛЛ - ложемент локтевой;

ЛК - ложемент кистевой;

МКК - многоразовый космический корабль;

ОК - орбитальный корабль;

ПК - пульт контроля;

ПОН - программа обеспечения надежности; ПП - привод поворота; ПФ - привод фиксации; РП - рабочее положение;

СКРБМ - система крепления и развертывания бортовых манипуляторов ;

ТК - технический комплекс;

ТП - транспортировочное положение;

УК - узел корневой;

УВК - управляющий вычислительный комплекс.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы обеспечения работоспособности многоопорной робототехнической системы космического назначения»

ВВЕДЕНИЕ

Интенсивное освоение космического пространства представляет собой одну из фундаментальных задач, решаемых современной наукой и техникой. В последние десятилетия развитие практической космонавтики тесно связано с созданием и применением робототехнических систем для работы в экстремальных условиях, поскольку открытый космос является опасной средой для пребывания человека, требующей специальных средств его защиты и поддержания автономной жизнедеятельности. К их числу можно отнести системы автоматической стыковки космических аппаратов, автоматические подвижные аппараты для исследования поверхности Луны и планет, платформы точного наведения пилотируемых и автоматических орбитальных станций, космические манипуляторы и т.д. Особенностью условий их эксплуатации являются глубокий вакуум или особая газовая среда, широкий диапазон температур, космическая радиация, отличное от земного ускорение свободного падения, воздействие больших виброперегрузок, а также линейных и ударных перегрузок на разных этапах работы космического корабля [ \ ], [2 ], [46]-

Проблемы космической робототехники нашли отражение в научных школах, известных работами В.С.Сыромятникова, А.Л.Кемурджиана, Д.Е.Охоцимского и др.

Среди отечественных предприятий, занимающих ведущие позиции, имеющих большой практический опыт и научно-технический потенциал в этой области, можно назвать РКК "Энергия", ОАО "ВНИИТРАНСМАШ", ГНЦ ЦНИИРТК, МВТУ им.Баумана, НПО им.Лавочкина, ИПМ РАН, ИКИ РАН и др.

Круг задач, в решении которых находят свое применение робототехнические системы, постоянно расширяется. Создание

космических многоразовых транспортных систем, способных выводить грузы большой массы, а также проектирование и строительство космических станций нового поколения выявило необходимость выполнения на орбите монтажных и других технологических операций с крупными объектами. Данная точка зрения так характеризуется в известной книге [52] Р.Эйриса и С.Миллера: "В создании крупных сооружений в космосе, которые определенно будут требоваться при осуществлении широкомасштабных космических программ, помощь окажут универсальные монтажные системы для космических операций CUS1^. Как неудобство работы для космонавтов в скафандрах, так и желание уменьшить их облучение космическими лучами (солнечными и галактическими) ускоряют интерес к разработке универсальных роботов, которые могли бы помочь в создании и ремонте космических сооружений1'. В ходе дальнейшего изложения авторы считают, что монтажная система для космических операций должна независимо перемещаться в ограниченном пространстве вокруг главной конструкции, находящейся на околоземной орбите. Как один из вариантов авторами рассматривается робот, имеющий две "ноги" для перемещения вдоль балок конструкции. Каждая из ног имеет четыре степени подвижности. Робот имеет три "руки". Две из них используются для перемещения или удержания больших грузов. Каждая из рук имеет пять степеней подвижности. Третья рука может быть облегченным манипулятором с шестью степенями подвижности. Робот может выполнять технологические операции по обслуживанию искусственных спутников и сборке космических конструкций.

Такого класса многорукие роботы привлекают внимание

специалистов в связи с возможностью использования нескольких

1 )

CUS - Construction units for Space

синхронизированных (согласованных) манипуляторов при выполнении монтажных и сборочных работ. Главным образом, это объясняется тем, что согласованная работа, например, Двух и более манипуляторов может обеспечить адекватное распределение моментов и точность позиционирования при оперировании с крупными объектами (протяженными фермами, представляющими элементы каркаса новых орбитальных станций и др.) и сборке сложных деталей. Как отмечается в работе [Г7], двурукие ро-бототехнические структуры позволяют добиться улучшения обоих этих параметров путем разумного манипулирования нагрузкой при различных положениях стойки и захватного устройства. Работа одного манипулятора сопряжена с некоторыми сложностями, связанными с необходимостью поворота высокоинерционной нагрузки или точного позиционирования свободного (второго) конца балки. В то время как двурукая структура позволяет осуществить надежный поворот балки в результате приложения поступательных сил к захватным устройствам. Кроме того, при наличии второй руки точность позиционирования второго конца балки определяется числом звеньев на одно меньше, чем в схеме с одним манипулятором, так как в этом случае сама балка образует искусственное дополнительное звено- Таким образом, использование параллельных кинематических структур с замыканием силовых потоков приводит к увеличению грузоподъемности, жесткости и точности позиционирования объекта. А проведенные исследования показывают, что при взаимодействии рук, путем передачи усилий через объект получается значительная экономия энергии [51 ] • Еще более значительная экономия энергии по сравнению со случаем переноса объекта одной рукой получается, когда моменты определены заранее заданной траекторией.

Приведенные примеры доказывают рациональность использо-

вания многозвенных кинематических структур, Параллельно замкнутых на общую нагрузку, при оперировании с крупногабаритными объектами. В том числе, при решении задачи сохранения конфигурации протяженной балки при действии транспортных перегрузок и выполнения ее разворота в рабочее или транспортировочное положение закономерным является

применение "многоопорной робототехнической системы". Данная терминология используется автором по аналогии с такими общепринятыми в научной литературе терминами, как многорукие роботы и многоногие шагающие машины и механизмы [3]>

Применение многоопорной робототехнической системы связано с выполнением операций крепления и позиционирования крупногабаритных объектов с распределенными массово-жест-костными характеристиками. Для этих объектов, из-за их протяженности и податливости, для придания их конструкции требуемой жесткости, необходимы промежуточные точки крепления (опорные элементы). При ¡этом грузоподъемность системы реализуется равномерным распределением силовых потоков по параллельным ветвям. Согласованное движение опор обеспечивается системой синхронизации, которая может быть механической, когда опоры связаны механической передачей, либо построенной на принципе программного управления. В этом случае опоры имеют индивидуальные приводы, датчики синхронизации и объединены общей системой управления с заданным алгоритмом.

Примерами практической реализации многоопорной робототехнической системы являются системы крепления и развертывания бортовых манипуляторов многоразовых космических кораблей серии "Буран" и "Шаттл". Эти системы размещены по бортам отсека полезного груза (ОПГ). Объектами позиционирования для

этих систем являются бортовые манипуляторы (БМ). Обслуживание отсека возможно только после выноса бортовых манипуляторов за его пределы. Данная операция выполняется с помощью четырех поворотных опор.

Опоры многоопорной системы в структурном плане можно рассматривать как кинематические звенья плоского манипулятора, не смотря их на функциональные и конструктивные различия. Поэтому, анализ многорукого робота и многоопорной робо-тотехнической системы связан с решением задач одного класса.

Теории, проектированию и применению роботов и манипуляторов посвящено значительное количество статей и отдельных трудов. Из их числа особого внимания заслуживают работы Е.И.Юревича, А.Н.Тимофеева, И.Б.Челпанова, Е.П.Попова, М.В.Игнатьева и др. [4-1], 1^7], , [•$"/]• В диссертации

рассматриваются задачи и проблемы в этой области, применительно к анализу многоопорной робототехнической системы космического назначения и методам обеспечения ее работоспособности .

Анализируя структурно-кинематические схемы многоопорных робототехнических систем по способу размещения приводных устройств, можно выделить следующие группы компоновочных схем (см. рис.В.1):

1) робототехническая система с индивидуальными приводами опор;

2) робототехническая система с групповым приводом опор (под групповым приводом понимается соединение опор общей механической передачей от одного привода);

Определенный интерес с точки зрения решения задач компоновки на борту космического корабля, экономии массы, возможностей оптимизации распределения нагрузки и т.д. преде-

Рис.В.1. Схемы многоопорных робототехнических систем с инбибибуальными прибобами опор (а) и с группобым прибобом (б):

1. 2, I, 4 - поборотные опоры: 5 - обьект позициониробания; 6 - механическая передача.-ПП - прибоб поборота: БУ - блок управления : ДС - датчик синхронизации

тавляет первая схема.

Особенность ее анализа заключается в том, что при сопряжении объекта (упругой балки) с опорами образуется механизм с замкнутой кинематической цепью, у которого число степеней свободы меньше общего числа приводов и при заданной нагрузке объекта для моментов в шарнирах получается бесконечное множество решений.

В условиях невесомости основными нагрузками на приводы опор, если не рассматривать силы инерции, являются реактивные силы и моменты, возникающие при отклонениях расположения кинематических звеньев многоопорной системы от номинального положения. Указанные отклонения определим как кинематические параметры, определяющие фактические траектории движения опор, которые в общем случае отличается от номинальной. Результирующие отклонения компенсируются деформациями упругой системы. Следовательно, для обеспечения надежного функционирования многоопорной системы с индивидуальными приводами необходимо обеспечить правильное задание отклонений расположения ее кинематических звеньев с учетом закономерностей, отражающих влияние всей совокупности кинематических параметров на режимы работы приводов опор. Исходя из этого возникает задача определения предельных значений кинематических параметров, удовлетворяющих условию баланса активных и реактивных сил для некоторой предельной схемы деформаций упругой системы.

Предметом исследования диссертационной работы является система крепления и развертывания бортовых манипуляторов (СКРБМ) орбитального корабля (ОК) "Буран", и в частности особенности взаимодействия в многозвенной, многоприводной механической системе, которую представляют собой разнесенные

по длине планера опоры и манипулятор с распределенными мас-сово-жесткостйыми характеристиками. В конструкторской и эксплуатационной документации на СКРБМ было принято сокращенное название - СКЁМ.

Система ¡крепления и развертывания состоит из четырех поворотных опйр (трех ложементов и узла корневого), обеспечивающих путе*1 синхронного разворота вынос 16-метрового бортового манипулятора орбитального корабля из внутренней части отсека полезного груза (транспортировочного положения (ТП)) за его предел^ (рабочее положение (РП)) и соответствующее возвращение ёГо обратно. Все опоры имеют индивидуальные электромеханические приводы поворота. Манипулятор жестко крепится к корневому узлу, в поворотные части ложементов встроены механизмы фиксации звеньев манипулятора, имеющие также индивидуальные электромеханические приводы. Механизмы фиксации взаимодействуют с бандажами, которые устанавливаются и крепятся на звеньях бортового манипулятора. Каждая опора имеет механизм аварийного разделения, что позволяет производить отделение манипулятора в аварийных ситуациях.

Несмотря на то, что методы обеспечения работоспособности основных узлов, входящих в состав системы, достаточно хорошо отработаны, решение задач, связанных с многоразовым применением, а следовательно многократным воздействием на систему наиболее опасных стартовых и посадочных перегрузок, потребовало разработки специальных стендов и методик испытаний опор на статическую прочность и стойкость к циклическим нагружениям.

Важной с точки зрения успешного выполнения программы полета орбитального корабля и безопасности экипажа является операция разйорота бортового манипулятора в рабочее или

транспортировочное положение, поскольку закрытие створок отсека полезного груза и посадка орбитального корабля могут быть выполнены только в транспортировочном положении СКРБМ.

Работоспособность многоопорной робототехнической системы при выполнении операций разворота во многом зависит от ее структурных свойств, взаимодействия звеньев и влияния сопряженных систем, в частности, планера и бортового манипулятора.

Сопряжение опор и манипулятора характеризуется линейными и угловыми отклонениями расположения. Кроме того, необходимо учитывать монтажные отклонения расположения осей поворота опор и влияние подвижного основания, на котором смонтированы опоры. Подвижность основания связана с возможными изменениями параметров геометрии продольной формы бортового лонжерона вследствие тепловых деформаций планера и различия гравитационных нагрузок на Земле и в орбитальном полете.

Наличие указанных монтажных отклонений и параметров геометрии лонжерона, что ранее было определено как кинематические параметры, приводит к деформации упругой системы, в результате чего на исполнительных механизмах поворота опор возникают нагрузки, величина которых изменяется при повороте. Решение задачи определения этих нагрузок связано с анализом движения многократной статически неопределимой системы. Ее силовой анализ может быть выполнен путем составления дополнительных уравнений упругих деформаций, число которых определяется степенью статической неопределимости. При этом существует предельное деформированное состояние системы, характеризующееся определенной схемой деформаций, в которой реактивные моменты на приводах будут наибольшими. Зная такую схему деформаций и задаваясь величиной предельных, к приме-

ру, линейных перемещений, для этой схемы можно определить связанные с ними реактивные моменты на опорах. С помощью уравнения баланса максимально допустимого момента привода поворота опоры с одной стороны и максимальных реактивных моментов сопротивления повороту от изгиба и кручения упругой системы с другой стороны определяются максимально допустимые моменты, связанные с деформациями кручения упругой системы. Исходя из их величины, может быть решена задача определения предельных угловых отклонений. Решение этой задачи существенно усложняется в случае переменной функции передаточного отношения в механизме поворота опоры, т.к. появляется зависимость величины максимально допустимого момента опоры от угла поворота.

В общем плане, анализ характеристик взаимодействия опор СКРБМ с бортовым манипулятором связан с исследованием работы приводов при совмещении движений кинематически связанных звеньев. Насколько можно судить по литературным и другим источникам, в этой области проводились исследования по проблемам совместного использования группы синхронизированных роботов, манипулирующих с одним объектом. Известны работы, посвященные управлению многорукими конструкциями, где рассматриваются вопросы согласования работы совмещенного движения манипуляторов и оптимального распределения сил при перемещении нагрузки. Например, задача переноса одного объекта несколькими руками робота рассмотрена в работе [5<£], а в работе - более общие проблемы, включая и такие конфигурации, как многоногие шагающие машины.

Задаче оптимального распределения сил при позиционировании объекта с помощью нескольких манипуляторов посвящена публикация [//], где рассматривается методика параметричес-

кой оптимизации, позволяющая определить действие сил на объект, переносимый по заданной траектории одновременно двумя руками плоского манипулятора. Методика заключается в преобразовании вырожденных уравнений динамики для двурукого робо-тотехнического переносного устройства к системе обычных дифференциальных уравнений и последующем получении соотношения между моментами, прикладываемыми каждой манипулирующей рукой. Это соотношение затем используется для квадратичной оценки затрат моментов, Которая в дальнейшем минимизируется для получения оптимального распределения моментов. В этом же аспекте, вопросам исследования оптимальных алгоритмов распределения нагрузки для двух синхронизированных манипуляторов, Позволяющих минимизировать прикладываемые к объекту силы, посвящена работа [¿j1/]« Иллюстрация работы алгоритмов рассматривается на примере двух роботов типа PUMA 560.

Определенным недостатком большинства рассматриваемых методов является то обстоятельство, что вывод уравнений движения для объекта и манипулирующего с ним робота осуществляется при допущении, что объект является идеальным твердым телом, имеющим только массово-инерционные характеристики. Не рассматриваются также погрешности позиционирований роботов. В реальной практике, такой подход приемлем лишь при небольших габаритах объекта или его высокой степени жесткости и отсутствии статической неопределимости системы.

Очевидно, что задача анализа движения многоопорной системы может решаться только с учетом ее структурных свойств и податливости связей. При этом существуют особенности этой проблемы, связанные с компоновочной схемой размещения приводов опор.

Каждая поворотная опора системы крепления и развертыва-

ния бортовых манипуляторов ОК "Буран" в целом представляет кинематическую пару пятого класса, снабженную индивидуальным приводом поворота. С точки зрения анализа динамики работы приводов такой системы известна работа [Зч] В.Л.Горбунова, М.В.Миронова и др., посвященная вопросам исследования режима поворота системы крепления и развертывания, в которой представлена математическая модель поворота опор с учетом массово-инерционных характеристик бортового манипулятора и его податливости. Однако нужно отметить, что влияние кинематических параметров на процесс поворота опор в работе не рассматривалось. Тем не менее, некоторые ее результаты и выводы использованы при разработке математической модели и анализе силового взаимодействия опор и бортового манипулятора с целью оценки граничных значений монтажных параметров, а также для исследования закономерностей влияния этих параметров на характер нагружения приводов поворота опор.

В некоторой степени, аналогом системы крепления и развертывания бортовых манипуляторов ОК "Буран" может считаться механизм позиционной установки системы дистанционно управляемого манипулятора многоразовых космических кораблей (МКК) серии "Шаттл". К работам зарубежных авторов, посвященных анализу этой системы, следует отнести публикации Б.Логана, Р.Равиндрана, Г.Д.Гриффина, П.Нгуена. Однако, на основании материалов [¿¡0], [£#] можно установить, что компоновка привода механизма позиционной установки манипулятора МРМ1^ имеет групповую схему распределения механической энергии к опорам от единого привода, т.е. эта система относится ко второму из рассмотренных ранее типов структурно-кинематических

схем. Поэтому анализ взаимодействия МРМ и бортового манипу-

1) . .

МРМ - Manipulator positmung mechanism

лятора МКК "Шаттл" с точки зрения рассматриваемой проблемы имеет несколько иной аспект.

Таким образом, необходимость разработки методов и научно-технических решений обеспечения работоспособности многоопорной робототехнической системы, а также уникальность конструкции системы крепления и развертывания бортовых манипуляторов ['201 определяют новизну и актуальность данной работы.

На основании изложенного, в рамках рассматриваемой проблемы были поставлены и решались следующие задачи:

1) Анализ принципов построения многоопорных робототех-нических систем и конструктивных особенностей системы крепления и развертывания бортовых манипуляторов ОК "Буран".

2) Анализ научно-технических проблем, решенных при создании СКРБМ.

3) Разработка и анализ расчетных схем и математической модели силового взаимодействия многоопорной робототехнической системы с объектом при повороте опор.

4) Разработка метода определения предельных отклонений расположения кинематических звеньев многоопорной робототехнической системы, исходя из условия реализации максимально допустимых моментов приводов поворота опор.

5) Разработка стендового оборудования и методик испытаний для подтверждения работоспособности СКРБМ на разных этапах функционирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) Выполнен сравнительный анализ структурно-кинематических схем механизмов поворота и фиксации СКРБМ ОК "Буран" и аналогичной системы многоразового космического корабля "Шаттл".

2) Разработаны расчетные схемы и математическая модель

для расчетно-тёоретических исследований характеристик взаимодействия многоопорной робототехнической системы с объектом (упругой балкой) при повороте опор.

3) Разработан метод определения предельных отклонений расположения кинематических звеньев многоопорной робототехнической системы на основе составления и анализа уравнения баланса сил для предельной схемы деформаций.

4) Проведены расчетные и экспериментальные исследования режимов нагружения приводов СКРБМ при повороте опор с зафиксированным манипулятором.

5) Разработано стендовое оборудование и методики испытаний системы аварийного разделения СКРБМ при выполнении операций безимпульсного отделения бортового манипулятора, зафиксированного на опорах, с имитацией условий эксплуатации в невесомости.

6) Разработано стендовое оборудование и методики испытаний опор на жесткость, статическую прочность и стойкость к циклическим нагрузкам.

Практическая ценность работы заключается в том, что на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований были получены следующие результаты:

1) В соответствии с разработанным методом определения предельных отклонений расположения кинематических звеньев выполнена расчетная оценка монтажных параметров СКРБМ ОК "Буран".

2) Выполнен анализ условий адаптации к упругим деформациям при сопряжении опор СКРБМ с бортовым манипулятором, на основании которого разработана методика монтажа, наладки и монтажных испытаний СКРБМ на борту ОК "Буран".

3) С помощью разработанных методик и стендового обору-

дования выполнена экспериментальная отработка и подтверждена работоспособность системы аварийного разделения СКРБМ при выполнении операций отделения бортового манипулятора.

4) Выполнёна экспериментальная отработка и подтверждена работоспособность опор СКРБМ по критериям жесткости, статической прочности и стойкости к циклическим нагружениям.

5) По результатам экспериментальной отработки даны рекомендации по корректировке конструкторской документации на отдельные элементы конструкции СКРБМ (кривошипно-шатунный механизм поворота, корпусную деталь ложемента, плату механизма разделения транзитных кабелей).

6) В соответствии с разработанными методиками проведены наземные испытания летного образца СКРБМ на борту OK "Буран" .

Результаты работы реализованы в конструкторской документации на СКРБМ, в разработках экспериментального оборудования и методического обеспечения испытаний, в инструкции по монтажу СКРБМ и внедрены на предприятиях РКК "Энергия", ОАО "ВНИТРАНСМАШ", ГНЦ ЦНИИРТК, НПО "Краснознаменец".

В то же время, результаты работы могут быть полезны для создателей других подобных робототехнических систем, а также для исследователей, занимающихся вопросами анализа многозвенных структур в операциях позиционирования крупногабаритных объектов.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на технических совещаниях и секциях НТС ОАО "ВНИИТРАНСМАШ", РКК "Энергия", ГНЦ ЦНИИРТК, ЦНИИМАШ, БГТУ им.Устинова, МВТУ им.Баумана, а также на отраслевых и международных научно-технических конференциях.

Результаты работы изложены в 10 трудах, в том числе в б

печатных.

Работы по указанному направлению велись с 1989 г. в рамках договора на создание СКРБМ между ВНИИТРАНСМАШ и Генеральным Заказчиком - НПО "Энергия" (РКК "Энергия").

Все научные результаты работы получены лично автором самостоятельно. Для подтверждения теоретических результатов была проведена серия экспериментов. Разработка стендов, методик испытаний, наземная экспериментальная отработка, экспериментальные исследования взаимодействия СКРБМ с бортовым манипулятором на специальном стенде ОАО "ВНИИТРАНСМАШ", мон-тажно-наладочные работы и сдача Заказчику летного образца СКРБМ на техническом комплексе космодрома "Байконур" проводились под руководством автора.

Рассматриваемый в данной работе метод определения предельных отклонений расположения кинематических звеньев многоопорной робототехнической системы космического назначения содержит как общетеоретические положения, выполненные на основе методов теоретической и прикладной механики, сопротивления материалов и математического анализа, так и конкретные инженерные решения, обобщающие результаты теоретического анализа и проведенных экспериментальных исследований.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

Первая Глава посвящена рассмотрению общеконструктивных особенностей многоопорных робототехнических систем. Исходя из общих методов конструирования и в частности метода компаундирования проводится сравнительный анализ системы с индивидуальными приводами и аналогичной системы с групповым приводом. Анализируются конструктивные и технические характеристики системы крепления и развертывания бортовых манипуля-

торов ОК "Буран". Рассмотрены функции опор при доставке орбитального корабля на орбиту, при посадке и в орбитальном полете, при аварийном разделении опор и отделении бортового манипулятора.

На основе изучения физических процессов взаимодействия многоопорной системы с упругой балкой и подвижным основанием выполнен анализ основных элементов системы с целью обоснования расчетных схем и разработки математической модели.

На основании практического опыта создания СКРБМ выполнен анализ научно-технических проблем обеспечения работоспособности многоопорной робототехнической системы космического назначения. Рассмотрена схема экспериментальной отработки, составленная на основе требований программы обеспечения надежности (ПОН) и комплексной программы экспериментальной отработки (КПЭО).

Во второй главе сформулированы предпосылки и рассмотрены логически самостоятельные задачи метода определения предельных отклонений расположения кинематических звеньев многоопорной робототехнической системы. Разработаны расчетные схемы, определяющие характер распределения связей, а также схему сил взаимодействия опор СКРБМ с бортовым манипулятором .

Рассмотрено применение матричного метода для описания кинематических параметров многоопорной системы, геометрических размеров звеньев и координат кинематических пар.

Определение предельных отклонений расположения кинематических звеньев производится с помощью уравнения баланса сил на основе уравнений статики, упругих деформаций и уравнений связи между упругими деформациями и кинематическими параметрами. Для решения этого уравнения анализируются необ-

ходимые условия существования предельных отклонений, в соответствии с которыми вводятся понятия схемы деформации и плоскости деформации изгиба упругой системы, соответствующих максимальному реактивному моменту на опорах. Выводится уравнение для определения углового положения плоскости деформации в системе координат, определяющей жесткостные характеристики объекта.

В третьей главе рассматривается применение метода определения предельных отклонений расположения кинематических звеньев при решении задачи оценки монтажных погрешностей СКРБМ. Выполнен анализ структуры монтажных погрешностей. На основании исходных данных по жесткости плечевого, локтевого и кистевого звеньев бортового манипулятора, с помощью интеграла Мора определена матрица коэффициентов податливости упругой системы, необходимая для решения уравнения совместности сил и деформаций. Рассмотрены результаты расчета монтажных отклонений. Показано, что временное устранение при монтаже дополнительных связей, наложенных на кручение бортового манипулятора способствует адаптации взаимодействующих систем. Положения этого анализа стали основой новой методики монтажа и наладки СКРБМ на борту ОК "Буран", которая была успешно апробирована при лабораторно-отработочных испытаниях системы и сдаче Заказчику летного образца СКРБМ.

В четвертой главе представлены материалы экспериментальных исследований многоопорной робототехнической системы. Приведено описание методики совместных испытаний системы крепления и развертывания с бортовым манипулятором при имитации прогибов бортового лонжерона. Экспериментальные исследования проводились с целью исследования режимов работы СКРБМ при взаимодействии с бортовым манипулятором и оценки

степени идеализации расчетных соотношений рассматриваемого метода по отношению к реальной конструкции. Анализируются результаты испытаний СКРБМ на аварийное отделение бортового манипулятора с точки зрения решения проблем безимпульсного отделения с учетом факторов статической неопределимости системы.

Основная часть экспериментальных исследований была выполнена в процессе испытаний системы с бортовым манипулятором, проведенных во ВНИИТРАНСМАШ на специальной установке, позволяющей имитировать прогибы бортового лонжерона планера. Рассмотрена методика определения реакций связей.

По результатам испытаний оценивалась корректность принятых допущений теоретического анализа и обоснованность результатов расчета граничных значений монтажных параметров СКРБМ. Кроме того, при испытаниях производилась отработка методики адаптивной технологии монтажа и наладки опор СКРБМ на борту орбитального корабля, основные положения которой были разработаны в результате теоретического анализа.

Рассмотрены вопросы обеспечения работоспособности опор СКРБМ на основе экспериментальных методов по критериям жесткости, прочности и стойкости к циклическим нагрузкам.

В заключительной части сделана обобщенная итоговая оценка проделанной работы, указаны важные научные результаты, полученные в результате проведенных исследований.

1. КОНСТРУКЦИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ МНОГООПОРНОЙ РОБОТОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ

1.1. Принципы построения и применения многопорных робо-тотехнических систем

Рассмотрим характерные особенности построения многоопорной робототехнической системы на основе сравнительного анализа системы с индивидуальными приводами опор и аналогичной системы с групповым приводом (в соответствии с существующими типами структурно-кинематических схем) с точки зрения общих методов конструирования.

В основе построения и принципа работы многоопорной робототехнической системы с индивидуальными приводами опор лежит известный принцип образования производственных унифицированных машин методом компаундирования Термин компаундирование в технике означает определенную компоновку машин или механизмов, реализующую составной или смешаный принцип их действия.

Обычное применение такой системы имеет целью увеличение ее общей мощности, грузоподъемности или производительности. Упрощается задача дробления и передачи энергии от источника при любом количестве параллельных механизмов такой системы. В определенных случаях может быть получен выигрыш по весовым параметрам, что особенно важно для космических изделий, так как их создание связано с жесткими требованиями ограничения по массе. Кроме того, более широкие возможности предоставляются при решении задачи оптимизации взаимодействия с нагрузкой .

Компаундные схемы нашли широкое применение, например, в

конструкциях движителей транспортных роботов и планетоходов. Модульный принцип компоновки движителя обеспечивает повышенную проходимость многоприводного робота при движении вне дорог по неподготовленной поверхности со сложным рельефом и разнообразными грунтами [25], [30], [51], возможность выполнять пр&ктически любые алгоритмы управления, в частности индивидуальное регулирование скорости приводов.

Основные положительные свойства метода компаундирования реализуются в многоопорной робототехнической системе с индивидуальными приводами опор. Ее достоинством, по сравнению с многоопорной системой, имеющей групповой привод, можно назвать отсутствие сложных передаточных механизмов с длинными кинематическими цепями. Значительная протяженность механической передачи, разнесенной между опорами и соизмеримой с габаритом перемещаемого объекта, ведет к увеличению массы такой системы. Кроме того, в этом случае возникает проблема размещения опор на подвижном основании. При размещении необходимо иметь свободные зоны для прокладки сквозной механической передачи к опорам от группового привода и учитывать возможные изменения геометрии продольной формы основания. Возникает также задача дробления подведенной к опоре механической энергии в зависимости от степени ее подвижности и выполняемых функций.

Сложность проблем, связанных с компоновкой опор и прокладкой механической передачи, которые неизбежно возникают для цногоопорной системы с групповым приводом подверждается примером, приведенным на рис.1.1, где показаны зоны размещения системы крепления и развертывания бортовых манипуляторов на борту ОК "Буран", которые были заданы при ее проектировании. Из рис.1.1 следует, что зоны размещения опор очень ог-

раничены. Кроме того отсутствует свободная (сквозная) зона между опорами на линии установки приводов.

Рассмотренные преимущества многоопорной робототехничес-кой системы с индивидуальными приводами опор определяют ряд требований, и прежде всего по управлению синхронной работой приводов поворота опор, кинематически объединенных упругой связью.

Многоопорная система по своей структуре является статически неопределимой. За счет конструктивного внесения дополнительных связей решается проблема жесткости крепления объекта. Связи образуют параллельные кинематические цепи, которые замыкаются на приводы опор. Алгоритмы управления такой системой требуют согласования работы приводов. Анализ режимов наГружения приводов должен учитывать влияние погрешности сборки и характеристики подвижного основания, на котором расположены опоры.

При наличии погрешностей сборки возникают деформации упругой системы и соответствующие реакции связей. В зависимости от жесткостных характеристик объекта и степени статической неопределимости многоопорной системы, а также величины погрешностей взаимного положения опор и объекта, эти силы могут быть значительными.

В соответствии с основами конструирования, в статически неопределимой системе выполнение условия отсутствия защемления кинематических пар решается за счет точности изготовления, а также за счет компенсаторов или зазоров в узлах с избыточными связями. Наличие зазоров является рациональным в тех направленях связей, где жесткость значительная. Компенсация влияния кинематических параметров в направлении, где жесткость мала, обеспечивается за счет податливости связей и

А-А

Б-Б

-I а

А Рис. 1.1. Зоны размещения на борту ОК "Буран": Б

СКРБМ (а), узла корневого (б), ложемента (в)

N3 03

исключения возможности защемления на малых базах.

Основные принципы построения многоопорной робототехни-ческой системы с индивидуальными приводами опор были реализованы в конструкции системы крепления и развертывания бортовых манипуляторов OK "Буран". Система крепления и развертывания была разработана во ВНИИТРАНСМАШ по заказу НПО "Энергия" (РКК "Энергия"). Работы по ее созданию были поручены ВНИИТРАНСМАШ в 1983 г. решением ВПК при Совете Министров СССР.

Главным конструктором этой системы был назначен Маленков М.И. Значительный вклад в создание СКРБМ внесли ведущие конструкторы основных узлов и блоков Владыкин С.А., Воробьев A.B., Горбунов В.Л., Конколович А.Г., Марагин В.Г., Мирошни-чейко A.B., Кляцкин Д.Я. В НПО "Энергия" работы по этой теме курировали специалисты подразделения В.Н.Живоглотова.

Для ВНИИТРАНСМАШ это была первая работа, завершившаяся поставкой изделия на пилотируемый корабль. А это означает новый уровень ответственности по сравнению с системами автоматических космических аппаратов.

В 1993 г. летный образец СКРБМ был смонтирован на борту OK "Буран", прошел все необходимые наземные проверки и испытания и был допущен к летным испытаниям в составе второго орбитального корабля. Несмотря на консервацию работ по проекту "Энергия-Буран", опыт, полученный при создании СКРБМ, имеет большое значение для развития практической космонавтики. Многие отработанные новые технические решения и технолог гии, в том числе и рассматриваемые в данной работе, нашли более широкую область применения.

1.2. Особенности конструкции системы крепления и развертывания бортовых манипуляторов ОК "Буран"

Система крепления и развертывания предназначена для механического сопряжения бортового манипулятора с несущей конструкцией планера и электрического сопряжения с информационными и управляющими системами орбитального корабля на всех этапах его полета и во время межполетного обслуживания. Система обеспечивает выполнение операций разворота для приведения манипулятора в рабочее или транспортировочное положение, его фиксацию и расфиксацию, а также разделение манипулятора с бортом планера в аварийных ситуациях путем разрыва механических и электрических связей.

Как отмечено в [24], при разработке СКРБМ анализировался опыт американских и канадских специалистов, создавших аналогичные корабли серии "Шаттл". В силу идентичности ряда определяющих характеристик этих кораблей и советских "Буранов" во многом сходными оказались и требования в частности к взаимному расположению опор СКРБМ внутри планера, количеству и назначению этих опор. Однако имеются принципиальные отличия в схеме компоновки приводов поворота опор. Так у кораблей серии "Шаттл" силовой привод механизма позиционной установки манипулятора единый для всех опор. Одновременный поворот опор осуществляется с помощью механической передачи от общего привода так же, как это сделано и в механизме поворота створок отсека полезного груза многоразовых кораблей

[40].

Рассмотрим некоторые особенности конструкции СКРБМ, важные с точки зрения решения проблем обеспечения работоспо-

собности многоойорной робототехнической системы космического назначения.

СКРБМ создавалась для обслуживания двух манипуляторов, расположенных по бортам отсека полезного груза орбитального корабля. В состав СКРБМ одного борта входит комплект опор, блок управления и бортовая кабельная сеть.

Блок управления СКРБМ состоит из коммутаторов приводов поворота корневого узла и ложементов, коммутаторов приводов фиксации ложементов, блоков синхронизации, защиты, квитирования команд и формирователя импульсов. Все платы размещены в едином герметичном контейнере, который устанавливается на термостатированной плите в ОПГ.

Комплект опор каждого борта (рис.1.2) включает корневой узел, обеспечивающий постоянную жесткую связь манипулятора с бортовым лонжероном корабля, три ложемента для фиксации плечевого, локтевого и кистевого звеньев манипулятора и три бандажа, которые являются узлами сопряжения ложементов с бортовым манипулятором.

Функции опор при доставке ОК на орбиту, при посадке, а также в орбитальном полете, когда закрыты створки отсека полезного груза, заключаются в обеспечении целостности как самого бортового манипулятора, так и рядом расположенных элементов конструкции планера. Это транспортировочное положение СКРБМ.

В орбитальном полете створки ОПГ, на внутренней поверхности которых смонтированы солнечные батареи, раскрываются, после чего возможен разворот СКРБМ в рабочее положение. Функционирование бортового манипулятора производится только в этом положении.

Разворот включает два этапа. Первоначально опоры однов-

Рис. 1.2. Конструктивная схема СКРБМ правого борта орбитального корабля "Буран"

а) Размещение опор СКРБМ и манипулятора в отсеке полезного груза

б) Механическое сопряжение опор СКРБМ с лонжероном планера и бортовым манипулятором

1- узел корневой, 2- ложемент плечевой, 3- ложемент локтевой, 4- ложемент кистевой, 5- бандажи, 6- блок управления СКРБМ, 7- бортовая кабельная сеть, 8- бортовой манипулятор, 9- транзитный кабель, 10-связь с комплексом управления кораблем, 11-лонжерон планера

ременно и синхронно поворачиваются на угол 45 , вынося манипулятор за пределы фюзеляжа. Операция осуществляется с помощью индивидуальных электромеханических приводов поворота (ПП), входящих в механизм поворота каждой опоры (рис.1.3). Затем приводы фиксации (ПФ), размещенные на каждом ложементе, одновременно разворачивают крюки механизмов фиксации, освобождая ручки бандажей. После этого, звенья манипулятора могут перемещаться с помощью собственных приводов.

Для приведения бортового манипулятора обратно в ТП выполняется несколько операций. Первоначально, с помощью ПФ происходит поочередная укладка и фиксация звеньев манипулятора на ложементах. Затем, одновременной работой ПП опоры с манипулятором перемещаются во внутренний объем ОПГ, после чего возможно закрытие атворок. Все перечисленные операции могут выполняться в заданной последовательности автоматически по жестким программам. Обратные связи осуществляются с помощью датчиков конечных положений, встроенных в механизмы поворота и фиксации каждой опоры. Включение очередного привода фиксации для подтягивания и фиксации соответствующего звена на ложементах осуществляется по сигналам датчиков касания .

Синхронизация поворота опор производится путем выключения электродвигателя "забегающей" опоры по сигналам датчика синхронизации [5]. Максимальный угол рассогласования опор при повороте около 2°. Логика работы сйстемы синхронизации показана на диаграмме рис.1.4. В соответствии с ней "забегающие" опоры останавливаются через определенный заданный угол до момента синхронизации их угла поворота с "отстающими" опорами. После того как "отстающая" опора повернется на заданный угол, включаются приводы остановленных опор и движе-

Рис.1.3. Структурно-кинематическая схема механизма поворота опоры СКРБМ:

1 - поворотная часть опоры; 2 - кривошипно-шатунный механизм; 3 - привод поворота; 4 - электродвигатель; 5 - гистерезисный тормоз; 6 - нагревательный элемент; 7 - датчик температуры; 8 - блок термореле; 9 червячная передача; 10 - вал ручного привода; 11 -датчик синхронизации; 12 - контактные группы;

13 - потенциометрический датчик.

и

а)

и

б)

и

5)

2)

Рис. 1.4. Примерный биб осциллограммы сигналоб датчиков синхронизации (ДС) при повороте опор с „отстающим,, ложементом кистеВым-. а - сигналы ЛС узла корне&ого; б - сигналы ЛС ложемента плечеВого; В - сигналы ДС ложемента локтевого: г - сигналы ДС ложемента кистевого; t1.t2.t3 - Время забержки „забегающих,, опор.

и

ние системы продолжается. На рис.1.4 "отстающей" опорой является ложемент кистевой. Остальные опоры поворачиваются дискретно, с остановками на время Ь^, tз.

Необходимо отметить, что от безотказной работы СКРБМ Напрямую зависит не только выполнение задач экспедиции, но и безопасность экипажа, поскольку маневрирование и посадка ОК Возможны только при закрытых створках ОПГ. Учитывая особую важность этого обстоятельства, в СКРБМ предусмотрена возможность различных комбинаций аварийного отделения опор и манипулятора с помощью системы аварийного разделения.

В случае отказа манипулятора В произвольном положении звеньев возможно его отделение по корневому узлу, после чего все опоры возвращаются в транспортировочное положение. Если манипулятор зафиксирован, но не выполняется команда на поворот опор, возможно отделение манипулятора одновременно по всем четырем опорам вместе с отделяемыми частями этих опор. Предусмотрена также возможность отделения верхних частей каждого ложемента, если он не возвращается в рабочее положение. Плоскость разделения выбрана таким образом, что после аварийной операции отделения створки ОПГ могут закрыться при любом положении опор.

Аварийное разделение происходит за счет энергии пружин сжатия, освобождаемой после разворота четырех крюков, стягивающих отделяемую и неотделяемую части поворотных корпусов опор. Разворот осуществляется титановыми торсионами, заделка которых освобождается электродетонаторами. Таким образом, непосредственно на отделяемые части газы не действуют. Это позволило достаточно точно рассчитать траекторию движения отделяемых частей после разделения и исключить их касание с близлежащими элементами конструкции корабля. Крюки механиз-

мов разделения после их отбрасывания надежно фиксируются, исключая рикошет. Разделение разрывных плат транзитного кабеля БМ осуществляется до разделения механических частей с помощью специального механизма, также выполненного на основе электродетонатора.

Опоры СКРБМ - корневой узел и ложементы воспринимают все механические нагрузки от бортового манипулятора. Особенности конструкции опор (на рис.1.5 представлена конструкция ложемента, на рис.1.6 - конструкция корневого узла) определялись, с одной стороны, параметрами бортового манипулятора (разработчик ЦНИИРТК, С-Петербург), с другой - конструкцией и свойствами планера (разработчик НПО "Молния", Москва). При выборе конструктивных параметров опор, взаимодействующих со звеньями манипулятора, допускалась возможность его ограниченного изгиба. Одно из важных свойств планера, которое учитывалось при проектировании опор - это изменение его геометрии вследствие тепловых деформаций и различия гравитационных нагрузок на Земле и в орбитальном полете. Так возможные продольные деформации планера по длине манипулятора могли достигать ±50 мм. При этом тепловые деформации манипулятора сравнительно малы, поскольку его звенья, выполненные в форме трубы, изготовлены из углепластика. Возможность такого относительного перемещения БМ и планера обеспечивается конструкцией ложёментов системы крепления и развертывания.

В транспортном положении на опоры действуют значительные взлетно-посадочные перегрузки. Максимальное усилие на плечевой ложемент равно 15 кН. Максимальная сила на корневой узел - 36,8 кН- Плечо действия этих сил относительно плоскости крепления опор к лонжерону составляет 880 мм, относительно оси поворота - 680 мм.

□ б &

Рис.1.5. Конструктивная схема ложемента: а) ложемент 5 транспортиробочном положении, з&ено манипулятора зафиксировано & улобителе, стВорки отсека полезного груза (ОПГ) закрыты (глаВный Виб); б) биб на ложемент из ОПГ: В) ложемент б рабочем положении, фрагмент уклабки збена манипулятора-.

1-зона размещения ложемента В ОПГ: 2-плоскость аварийного разбеления: З-поВоротный корпус: 4-осноВание: 5-приВоб поборота: 6-крюки устройстба абарийного разбеления: 7-отбеляемая часть-. 8-прибоб фиксации-. 9-крюк механизма фиксации: 10-бан-баж: 11-трубчатое зВено манипулятора: 12-батчик синхронизации: 13-батчик касания: 14-лонжерон планера

Рис.1.6. Конструктивная схема узла корневого: 1,2 - кривошипно-шатунный механизм; 3 - опора; 4 - корпус отделяемый; 5 - основание; 6 - привод поворота, 7 - датчик синхронизации; 8 - датчики конечных положений; 9 - транзитный кабель бортового манипулятора.

Исходя из вышеизложенного, конструкция опор имеет высокую жесткость и представляет шарнирный 4-звенный механизм, состоящий из поворотного корпуса, кривошипа, шатуна и основания, закрепляемого на лонжероне планера. Кривошипно-шатун-ный механизм поворота обеспечивает надежную фиксацию опор в ТП, поскольку при этом он находится в "мертвом" положении и привод оказывается разгруженным от больших крутящих моментов на поворотной части опор при взлетно-посадочных перегрузках. Благодаря такой конструкции и малой скорости поворота манипулятора, суммарная мощность электродвигателей ПП не превышает 20 Вт. Время поворота между ТП и РП составляет около 3 минут.

Опоры качания корневого узла и ложементов выполнены на цилиндрических подшипниках скольжения. Шарниры кривошип-но-шатунного механизма представляют собой сферические подшипники скольжения, что исключило работу шатуна на изгиб и кручение при упругих деформациях опор.

В верхней части поворотного корпуса ложементов встроен механизм фиксации и уловитель ручки бандажа бортового манипулятора с упорами сферической формы, исключающими защемление трубы манипулятора. В состав механизма фиксации входит привод фиксации и крюк, имеющий сферическую внутреннюю поверхность . Крюк установлен на сферическом подшипнике кривошипа, соединенного с выходным валом привода.

Приводы поворота и фиксации выполнены на базе электродвигателя постоянного тока Д-118, имеют идентичную конструкцию и отличаются передаточным отношением редуктора. В приводе имеется гистерезисный тормоз, выполняющий роль муфты предельного момента. Гистерезисный тормоз позволяет ПП и ПФ работать после поворота соответствующих кривошипно-шатунных

механизмов до упоров в крайних положениях опор, а также в любом промежуточном положении, если момент сопротивления повороту опоры превысит момент буксования гистерезисного тормоза. В приводах установлена червячная передача [ $ ], исключающая работу двигателя в генераторном режиме и позволяющая опоре сохранять заданное угловое положение под действием внешних сил. Необходимый температурный режим работы (не ниже минус 50 °С) обеспечивается с помощью нагревателей системы обеспечения теплового режима (СОТР). Активные элементы СОТР представляют собой проволочные нагреватели с включенными в их цепь тепловыми реле. Они обеспечивают автоматический подогрев коллекторного двигателя и гистерезисНого тормоза.

1,3. Анализ жесткостных характеристик структурных элементов системы

СКРБМ с зафиксированным манипулятором рассматривается как многоопорная система, установленная на жестком основании (бортовом лонжероне) с изменяемыми параметрами геометрии продольной формы.

На рис.1.7 приведена расчетная схема комплекса "СКРБМ -бортовой манипулятор - планер". Эта схема была разработана для проведения расчетов внешних нагрузок системы бортовых манипуляторов методом конечных элементов при квазиста-

тическом нагружении конструкции, обусловленном инерционными нагрузками и при динамическом нагружении вследствие вибрации узлов крепления бортового манипулятора.

Бортовой манипулятор на схеме представлен в виде грузовой стрелы, состоящей из последовательно расположенных приводов, захватного устройства и соединительных элементов в

¿a. NJ

Puc.1,7. Схема СКРБМ 8ля расчета внешних нагрузок

виде тонкостенных труб. Корневая часть БМ выполнена в виде переходного фланца с отверстиями для крепления последнего к корневому узлу СКРБМ, установленному на несущей конструкции ОПГ.

В транспортировочном положении манипулятор уложен вдоль борта ОПГ на три ложемента. Кроме основной связи в корневой части манипулятор закреплен с помощью механизмов фиксации ложементов, воспринимающих только поперечные нагрузки.

Элементы 1, 31, 34, 37 имитируют жесткость крепления опор БМ к силовой конструкции ОПГ, которая считается абсолютно жесткой. Элемент 2 аппроксимирует корневой узел, элементы 32, 35, 38 - ложементы. Пружинные элементы 3, 33, 36, 39 имитируют жесткость закрепления БМ на опорах. Элементы 4-30 аппроксимируют БМ. Пружинные элементы в расчетной схеме БМ имитируют сосредоточенные жесткости в отдельных сечениях БМ. Элементы 10-14 и 20-23 аппроксимируют соединительные трубы манипулятора.

Очевидно, что анализ расчетных схем такой сложности не позволяет решить задачу определения предельных отклонений расположения кинематических звеньев в виду очень большого количества элементов, каждый из которых имеет степени подвижности по всем обобщенным координатам. В связи с этим необходимо разумное упрощение и переход к схеме, в которой возможные перемещения будут сведены к минимуму с учетом сохранения ее адекватности с точки зрения решения поставленной задачи. Такие упрощения были произведены на основании анализа жесткостных характеристик основных структурных элементов.

Для определения жесткостных характеристик опор СКРБМ был разработан и изготовлен стенд "Основа", разработана методика и проведены статические испытания [<53] • Общий вид

стенда с установленным объектом испытаний (узлом корневым) показан на рис.1.8. Стенд позволяет производить независимое статическое нагружение опор по каждой из трех осей Х,У,г и контролировать соответствующие деформации. Результаты испытаний приведены в табл.1.1. Числовые данные представляют линейные результирующие жесткости опор, приведенные к оси манипулятора .

Таблица 1.1.

Жесткостные характеристики опор СКРБМ

Опора Сх, Н/м Су, Н/М СТ., Н/М

Узел корневой + 2,1*106 8,3*10® -16*10 1,4*10® -0,7*10

Ложемент - 4,0*10® -5,5*10 0,7*10® -0,5*10

Поскольку плоскость поворота опор параллельна плоскости ЧЪ, основные реакции от деформаций упругой системы, являющиеся нагрузками на приводы опор, рассматриваются в плоскости поворота. Учитывая, что расстояния от плоскости крепления опор до оси манипулятора значительно меньше расстояний между опорами, податливость опор в сравнении с результирующей податливостью манипулятора на этих участках будет пренебрежимо мала. Это доказывает сравнительный анализ приведенной жесткости опор и манипулятора (см. табл.1.2). Жесткость манипулятора получена на основании исходных данных ЦНИИРТК по жесткостным и массовым характеристикам БМ.

Таким образом, на основании проведенного анализа опоры в допустимых пределах по сравнению с манипулятором можно считать абсолютно жесткими телами. Бортовой манипулятор бу-

Рис.1.8. Испытания по определению жесткостных характеристик узла корневого СКРБМ на стенде "Основа": 1 - нагружатели стенда; 2 - объект испытаний (корневой узел СКРБМ); 3 - динамометр; 4 - индикатор перемещения ИЧ-10

Таблица 1.2

Жесткость элементов, приведенная к оси манипулятора

Направление действия силы Жесткость, Н/м

опора манипулятор

ось У ось г (5,5-16)Ю6 (5-14)10 я (0,7-8,5)10 я (3,3-20)10

дем рассматривать в виде упругой балки. От переменной жесткости манипулятора перейдем к ее интегральной оценке, определяющей жесткость его соответствующих участков между опорами . Бортовой лонжерон планера считаем аналогично расчетной схеме (рис.1.7), как абсолютно жесткое основание, на котором установлены опоры. При этом геометрия лонжерона может изменяться в известных пределах из-за температурных деформаций планера и различия гравитационных нагрузок на Земле и в орбитальном полете.

1.4. Анализ динамической модели привода поворота опоры

Динамическая модель привода поворота опоры СКРБМ приведена на рис.1.9. В схеме учтены моменты инерции двигателя, гистерезисного тормоза, привода и манипулятора, а также жесткость и диссипативные характеристики редуктора и жесткость опоры.

В режиме поворота опоры гистерезисный тормоз не вращается, т.е. Следовательно, момент инерции 1з не оказывает влияния на работу двигателя. Момент инерции 1гг> представляющий приведенную массу манипулятора, составляет не

Рис.1.9. Динамическая мобель прибоба поборота опоры: 1 - ось ббигателя: 2 - ось бобила: Ъ - ось ГТ: и - момент инерции ббигателя: 13 - момент инерции ГТ: 121- момент инерции при&оба. прибебенный к оси бобила: \гг - момент инерции БМ, прибебенный к оси бобила: С1, Сг - прибебенные коэффициенты жесткости прибоба и опоры: К - коэффициент биссипации прибоба: М1 - момент на балу ббигателя: МТ - момент ГТ: Мн - прибебенный момент нагрузки; W1.W2.CJ3 ~ углобые скорости

более 5% от Iх, поэтому его величиной можно пренебречь.

Особенностью привода является большое передаточное отношение редуктора, а также наличие червячной передачи, что обеспечивает высокие диссипативные свойства, при которых можно не рассматривать влияние упругостей в кинематической цепи привода.

Таким образом, с учетом вышеизложенного, от динамической схемы, приведенной на рис.1.9, перейдем к простой двух-массовой системе, состоящей из и 12 1-

При развороте системы крепления и развертывания обеспечивается синхронизация углового положения опор через каждые два градуса поворота. Такой режим движения характеризуется периодическими остановками "забегающих" опор и последующим их включением после выравнивания с "отстающими" опорами. Для минимизации времени переходных процессов при работе в старт-стопных режимах был выбран двигатель с возбуждением от постоянных магнитов, имеющий малую постоянную времени.

Примененный в конструкции привода двигатель Д-118 имеет следующие параметры:

напряжение питания - I/-27 & ;

сопротивление обмотки якоря двигателя - Я = 2.7 Ом •

коэффициент эдс - Се-0,07>>вс ;

коэффициент момента - См - 6,07.5-—

А

ИНДУКТИВНОСТЬ якоря - £ "¿7 02.7 ; момент инерции якоря - ^ -5// /06¡¿Г Мг ; момент потерь холостого хода - МХ\ -6,0-1 Нм Выполним анализ продолжительности переходных процессов при пуске и остановке привода.

Уравнение механических характеристик двигателя

записывается в следующем виде

- У

где Шъх — ~ скорость идеального холостого хода

двигателя.

Максимальный момент на валу двигателя равен

Сё См . Ммм ~ -^-- - (4.2)

Реальная скорость холостого хода с учетом потерь холостого хода равна

Я

¿Дсх.р =а>*х - -"с См М** . (4.3)

С помощью формул (4,1), ( 4.2 ) > ( {.3 ) строится механическая характеристика двигателя (см. рис.1.10). 1) Режим пуска

Для приближенного расчета принимаем момент на Валу двигателя пропорциональным току якоря

Н-См 1} ^м)

где С ~ величина тока.

Момент на валу двигателя при установившемся режиме

равен

Мн '■= Мд + Мхх ,

м

где Мд - полезный момент на валу двигателя. Момент инерции, приведенный к валу двигателя равен

(и)

Рис.1.10. Механическая характеристика ббигателя Л-118:

1 - идеальная характеристика.-

2 - реальная характеристика.

где Зд - момент инерции якоря двигателя;

- коэффициент, учитывающий моменты инерции звеньев передаточного механизма привода (на основании экспериментальных данных [27] принимаем 6 =1,2). Запишем уравнение движения

г с1с0 .. А.

(и)

Уравнение ЭДС для цепи якоря

Заключение диссертации по теме «Роботы, мехатроника и робототехнические системы», Волов, Валерий Анатольевич

Выводы по главе 4

1) Экспериментальные исследования системы крепления и развертывания бортовых манипуляторов показали, что расчетные соотношения метода определения предельных отклонений расположения кинематических звеньев многоопорной робототехнической системы с учетом принятых в нем допущений адекватно описывают физические процессы взаимодействия опор и объекта. Это позволило применить результаты расчетно-теоретических исследований для анализа и решения отдельных проблем обеспечения работоспособности СКРБМ, выявленных на этапе экспериментальной отработки системы.

2) В соответствии с результатами экспериментальных и расчетных исследований разработана методика монтажа и наладки СКРБМ. Работы, проведенные с технологическим и летным образцами СКРБМ на техническом комплексе космодрома "Байконур" подтвердили ее эффективность.

3) Испытания на аварийное разделение подтвердили хорошую адаптацию при силовом взаимодействии опор СКРБМ и манипулятора, которая обеспечивается разработанной методикой монтажа. Об этом можно судить как по отсутствию заедания в узлах аварийного разделения, так и по отсутствию нерасчетных импульсов во время отделения манипулятора.

4) Подтверждение работоспособности опор СКРЁМ по основным критериям, характеризующим их несущую способность выполнено путем проведения экспериментальных исследований жесткостных характеристик, статической прочности и стойкости к циклическим нагружениям. С этой целью разработаны специальные стенды и методики испытаний.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

К наиболее важным для науки и инженерной практики результатам работы относятся следующие:

1. Выполнен сравнительный анализ двух типов структурно-кинематических схем многоопорной робототехничес-кой системы (с индивидуальными приводами опор и с групповым приводом). С учетом специфики создания космической техники показаны преимущества первой схемы. Ее достоинством является более простая компоновка и монтаж при ограниченных зонах размещения на борту космического корабля.

2. Разработана методика и выполнен структурный анализ СКРБМ к По сравнению с аналогом - механизмом позиционной установки системы дистанционно управляемого манипулятора американского многоразового космического корабля "Шаттл", СКРБМ имеет более оптимальную по числу условий связи жесткость крепления манипулятора, что обеспечивает снижение передачи на его звенья и шарнирные соединения погрешностей монтажа опор, тепловых и механических деформаций корпуса планера.

3. На основе методов расчета статически неопределимых систем разработаны расчетные схемы, математическая модель и методика анализа силового взаимодействия многоопорной робототехнической системы с объектом при повороте опор. При решении системы дополнительных уравнений упругие деформации рассматриваются как погрешности взаимного положения опор и объекта и определяются с помощью матричного уравнения кинематической замкнутости контуров соответствующих систем координат.

4. Разработан метод расчетного анализа предельных отклонений расположения кинематических звеньев многоопорной робототехнической системы на основе составления и анализа уравнения баланса сил. Уравнение рассматривается для предельной схемы деформаций и представляет условие равенства максимально допустимого момента, приложенного к опоре со стороны привода, и суммы реактивных моментов сопротивления повороту соответствующих опор От деформаций изгиба и кручения упругой связи. Определены условия существования предельной схемы деформаций в задаче расположения опор на линейном основании. Получена зависимость положения плоскости изгибных деформаций, соответствующих максимальным реактивным моментам сопротивления повороту опор, в системе координат, задающей жесткостные характеристики объекта.

5. С помощью разработанного метода выполнен расчетный анализ монтажных параметров СКРБМ. Анализ показал, что монтажные параметры существенно влияют на режимы нагружения приводов опор, поэтому требуется задание высокой точности углового положения при сопряжении манипулятора с опорами. Такую точность сложно обеспечить технологически, учитывая большие расстояния между опорами и жесткость манипулятора на кручение. В связи с этим разработана методика адаптивной технологии монтажа и наладки СКРБМ на борту ОК "Буран". Необходимая точность монтажа опор обеспечивается путем временного освобождения связей, наложенных на кручение манипулятора. Эта операция позволяет устранить соответствующие внутренние силы и способствует адаптации многоопорной системы к упругим деформациям.

6. Проведены расчетные исследования режимов поворота СКРБМ с бортовым манипулятором, учитывающие влияние погрешностей монтажа опор и прогибы лонжерона планера. Во всех случаях получен положительный баланс моментов у приводов поворота опор, что подтверждает правильность выбора монтажных параметров СКРБМ.

7. Разработано стендовое оборудование и методики испытаний СКРБМ на аварийное разделение. Экспериментально подтверждена работоспособность устройств аварийного разделения как при выполнении операций разделения отдельно взятых опор, так и при отделении бортового манипулятора с имитацией штатных условий эксплуатации в невесомости. Технические решения, заложенные в методику адаптивной технологии монтажа и наладки СКРБМ позволили исключить влияние на процесс отделения нерасчетных реакций, связанных с жесткостью манипулятора на кручение. По результатам испытаний на аварийное разделение откорректирована конструкторская документация на отдельные элементы конструкции, что повысило надежность выполнения этой ответственной операции.

8. Для экспериментального подтверждения работоспособности опор по основным критериям, характеризующим Их прочностные характеристики, разработано стендовое оборудование и методики испытаний. В результате испытаний определены коэффициенты запаса статической прочности, даны рекомендации по доработке конструкции опор в части: повышения стойкости подшипников к действию циклических нагрузок, устранения явлений фреттинг-коррозии контактно-нагруженного соединения шатуна с упором кривошипа и исключения влияния концентраторов напряжений в силовой конструкции ложемента. В целом эти решения обеспечили стойкость опор к циклическим нагрузкам в течение заданного ресурса.

9. Подтверждена работоспособность СКРБМ в процессе наземной экспериментальной отработки, проведены монтажные и наладочные Испытания и сдача Заказчику летного образца СКРБМ на втором орбитальном корабле "Буран", что позволило оформить заключение о готовности системы к летным испытаниям.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Волов, Валерий Анатольевич, 1998 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Автоматические планетные станции / В.В.Андреянов, В.В.Артамонов, И.Т.Атаманов и др. // М.: Наука, 1973. 280 с.

2. Автоматические станции для изучения поверхностного покрова Луны / А.Л.Кемурджиан, В.В.Громов, И.И.Черкасов, В.В.Шварев // М.: Машиностроение, 1976. 199 с.

3. Артоболевский И.И. Некоторые проблемы конструирования шагающих машин // Вестн. АН СССР. 1969. N2. С.82-92.

4. Алешин С.С., Бабич A.B., Баранов А.Г. Проектирование и разработка промышленных роботов // М.: Машиностроение, 1989. 272 с.

5. A.c. N 1305820 (СССР) Устройство для синхронного вращения валов электродвигателей постоянного тока // Л.С.Абрамов, О.И.Бардукова, О.Ю.Бурчик, Д.Я.Кляцкин - Опубл. в БИ, 1987, N 15.

6. Афонин П.М. Беспилотные летательные аппараты // М.: Машиностроение, 1967. 159 с.

7. Беляев Н.М. Сопротивление материалов // М.: Наука, 1976. 608 с.

8. Вайсфельд Л.О., Конколович А.Г. Исследование КПД червячной передачи в вакууме // Вестник машиностроения. 1995. N 3. С.16-18.

9. Волов В.А. Исследование автоматической многоопорной системы орбитального корабля // Вестник транспортного машиностроения. 1996. N 3. С.74-77.

10. Волов В.А. Метод определения предельных отклонений расположения кинематических звеньев многоопорной робототех-нической системы космического назначения // Труды 9-й научно-технической конференции "Экстремальная робототехника",

СПб. 1998.

11. Воробьев Е.И., Козырев Ю.Г., Царенко В.И. Промышленные роботы агрегатно-модульного типа // М.: Машиностроение, 1988. 240 с.

12. Гарф М.Э. и др. Машины и приборы для программных испытаний на усталость // Киев: "Наукова думка", 1970. 193с.

13. Динамика планетохода / Е.В.Авотин, И.С.Болховити-нов, А.Л.Кемурджиан и др. // М.: Наука, 1979. 438 с.

14. Изделие 11Ф35. Расчет внешних нагрузок. Часть пятая. Нагружение СБМ. 11Ф35.0000 Л1-0Р03.4.

15. Изучение поверхности Фобоса с помощью подвижного робота / А.Л.Кемурджиан, А.Ф.Богомолов, П.Н.Бродский и др. // Тр. междунар. конф. "Фобос: Научно-методические аспекты исследований" 24-28 ноября 1986 г. СССР, 1988. С.373-382.

16. Иосилевич Г.Б., Строганов Г.Б., Маслов Г.С. Прикладная механика // М.: Высшая шк. 1989. 351 с.

17. Кариньян, Акин. Оптимальное распределение силы при позиционировании объекта с помощью плоского двурукого робота . Пер. с англ. // М.: Современное машиностроение. Сер.Б. 1990. N 1. С.49-55.

18 Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров // М.: Наука, 1984. 795 с.

19. Литвин Ф.Л. Проектирование механизмов и деталей приборов // Л.: Машиностроение, 1973. 696 с.

20. Ложемент 1. Программа и методика предварительных (конструкторско-доводочных) испытаний. 11Ф35.32С 2000-0 ПМ2.

21. Маленков М.И. Создание системы крепления и развертывания бортовых манипуляторов орбитального корабля "Буран" // Вестник транспортного машиностроения. 1996. N 3. С.68-74.

22. Маленков М.И., Волов В.А., Владыкин С.А., Воробьев

A.B. Система крепления и развертывания бортовых манипуляторов орбитального корабля "Буран" // Труды 7-й научно-технической конференции "Экстремальная робототехника", СПб. 1996.

23. Маленков М.И., Волов В.А. Робототехническая система обслуживания бортовых манипуляторов орбитального корабля // Труды международной научной конференции "NOOTECH-97", СПб. 1997.

24. Машины и стенды для испытания деталей / Под ред. Д.Н.Решетова // М.: Машиностроение, 1979. 343 с.

25. Наумов В.Н., Маленков М.И. Моделирование движения многоприводных транспортных средств // Изв. вузов. Сер. "Машиностроение", N5, 1976, с.122-126.

26. Недоступ А.П., Рогачев В.М. Прикладная механика. Основы теории механизмов и машин // СПб.: СЗПИ, 1993.

27. О результатах испытаний Приводов специализированного транспортного робота с коробкой перемены передач // Технический акт N 885277, ВНИИТРАНСМАШ, 1988.

28. Орлов П.И. Основы конструирования. В 2-х кн. Кн.1 // М.:Машиностроение, 1988. 560 с.

29. Патент N2086480 (РФ) "Система крепления бортового многозвенного манипулятора космического аппарата" / М.И.Маленков, А.В.Воробьев, С.А.Владыкин, В.Л.Горбунов, В.Н.Живоглотов, В.С.Сыромятников // Опубл. в БИ, 1997, N22.

30. Передвижение по грунтам Луны и планет / Под ред. А.Л.Кемурджиана // М.: Машиностроение, 1986. 272 с.

31. Планетоходы / А.Л.Кемурджиан, В.В.Громов, И.ф.Кажу-кало и др. // М.: Машиностроение, 1982. 319 с.

32. Планетоходы / А.Л.Кемурджиан, В.В.Громов, И.Ф.Кажу-кало и др.; Под ред. А.Л.Кемурджиана - 2-е изд., перераб. и доп. // М.: Машиностроение, 1993. 400с.

33. Промышленная робототехника / Я.Н.Шифрин и др. // М.: Машиностроение, 1982. 415 с.

34. Разработка методики, алгоритмов и программ для выбора рациональных параметров специальных транспортных средств и робототехнических систем. Математическая модель и программа расчета процесса поворота СКБМ // Отчет о научно-исследовательской работе, ЛГТУ, 1990.

35. Расчетная оценка жесткости узла корневого СКБМ // Научно-технический отчет N 885276, ВНИИТРАНСМАШ, 1988.

36. Расчетный анализ напряженного состояния корпусных деталей корневого узла СКБМ // Научно-технический отчет N8552137, ВНИИТРАНСМАШ, 1985.

37. Результаты лабораторно-отработочных испытаний СКБМ с макетом БМ // Научно-технический отчет N 92052040, ВНИИТРАНСМАШ, 1991.

38. Реклейтис Г., Рейвиндран А., Рэгсдел К. Оптимизация в технике: В 2-х кн. Кн.1. Пер. с англ. // М.: Мир, 1986. 345 с.

39. Серенсен C.B., Гарф М.Э., Кузьменко В.А. Динамика машин для испытаний на усталость // М. : Машиностроение, 1967. 459 с.

40. Система крепления и развертывания бортового манипулятора МКК программы "Спейс-Шаттл" // Информационный обзор ИМ-865248, ВНИИТРАНСМАШ, 1984.

41. Система крепления и развертывания бортовых манипуляторов. Инструкция по монтажу на изделии. 11Ф35.30 С 0000-0 ИМ.

42. Система крепления и развертывания бортовых манипуляторов (11Ф35.30С 0000-0) // Сводный отчет N 93052037 по орбитальному кораблю "Буран" 11Ф35.0000Л1-0-ПЗ.9. Часть 10.

ВНИИТРАНСМАШ, 1993.

43. СКБМ. Программа и методика лабораторно-отработочных испытаний экспериментального комплекса БМ-СКБМ на аварийное разделение. 11Ф35.30С.0000-0 ПМ5.

44. СКБМ. Программа и методика доводочных (лабораторно-отработочных) испытаний. 11Ф35.30С 0000-0 ПМ1.

45. СКБМ. Программа и методика доводочных (лабораторно-отработочных) испытаний с бортовым манипулятором без обезвешивания. 11Ф35.30С 0000-ПМ1А.

46. Сыромятников B.C. Стыковочные устройства космических аппаратов // М.: Машиностроение, 1984. 216 с.

47. Тимофеев А.Н. Расчет и конструирование несущих конструкций модулей степеней подвижности промышленных роботов // Л.: ЛПИ, 1982. 62 с.

48. УКП. Программа и методика предварительных (конс-трукторско-доводочных) испытаний. 11Ф35.32С-1000-0 ПМ2.

49. Челпанов И.Б. Колпашников С.Н. Схваты промышленных роботов // Л.: Машиностроение, 1989. 20 с.

50. Черноусько Ф.Л., Градецкий В.Г., Гукасян A.A. Анализ упругой податливости конструкций манипуляционных роботов // Препринт ИПМ, 1984. N231. 66 с.

51. Чжен, Лю. Оптимальное распределение нагрузки для двух промышленных роботов, манипулирующих с одним объектом. Пер. с англ. // М.: Современное машиностроение. Сер.Б. 1990. N 1. С.55-61.

52. Эйрис Р.У., Миллер С.М. Перспективы развития робототехники. Пер. с англ. // М.: Мир, 1986. 328 с.

53. Экспериментальная отработка опор СКБМ в процессе конструкторских испытаний // Отчет N 90052048, ВНИИТРАНСМАШ, 1990.

54. Экспериментальная и расчетная оценки теплового состояния приводов СКБМ // Научно-технический отчет N 8552/52, ВНИИТРАНСМАШ, 1985.

55. Экспериментально-расчетная отработка системы обеспечения теплового режима СКБМ на этапах ЛОИ и КДИ // Научно-технический отчет N 93052028, ВНИИТРАНСМАШ, 1992.

56. Экспериментально-расчетная отработка системы обеспечения теплового режима СКБМ // Отчет о НИР, ЛГТУ, 1991.

57. Юревич Е.И., Аветиков Б.Г., Корытко О.Б. и др. Устройство промышленных роботов // Л.: Машиностроение, 1988. 333 с.

58. Hayati, S., "Hybrid Position/Force Control of Multi-Arm Cooperating Robots," Proc. of the IEEE Conf. on Robotics and Automation, San Francisco, 1986, pp. 82-89.

59. Orin, D., and Oh, S.Y., "Control of Force Distribution in Robotic Mechanisms Containing Closed Kinematic Chains," ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, Vol. 102, June 1981.

60. HREF = "http://www.ksc.nasa.gov/shuttle/technolo-gy/sts-newsref/sts_asm.html#sts_ov">orbiter<