Методы обеспечения работоспособности многоопорной робототехнической системы космического назначения

Волов, Валерий Анатольевич

автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.05, диссертация на тему:Методы обеспечения работоспособности многоопорной робототехнической системы космического назначения

кандидата технических наук: Волов, Валерий Анатольевич
город: Санкт-Петербург
год: 1998
специальность ВАК РФ: 05.02.05
цена: 450 рублей

Диссертация по машиностроению и машиноведению на тему «Методы обеспечения работоспособности многоопорной робототехнической системы космического назначения»

Автореферат диссертации по теме "Методы обеспечения работоспособности многоопорной робототехнической системы космического назначения"

На правах рукописи

ВОЛОВ Валерий Анатольевич

МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ МНОГООПОРНОЙ РОБОТОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Специальность 05.02.05 - Роботы, манипуляторы и робототехнические системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

У

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в ОАО "Всероссийский научно-исследовательский институт транспортного машиностроения".

Научный руководитель: кандидат технических наук,

старший научный сотрудник Маленков Михаил Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Тимофеев Андрей Николаевич;

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Котенев Виктор Дмитриевич

Ведущая организация - РКК "Энергия"

Защита диссертации состоится "_"_ 1998 г. в_часов на

заседании диссертационного Совета К 063.38.28 в Санкт-Петербургском государственном техническом университете по адресу: С-Петербург, ул. Политехническая, 29, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке С-Петербургского государственного технического университета.

Автореферат разослан "_"_1998 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью, просим направлять ученому секретарю диссертационного Совета.

Ученый секретарь диссертационного Совета, .

кандидат технических наук, доцент (у — Н.М.Чесноков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие практической космонавтики тесно связано с созданием и применением робототехнических систем. 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 п ударных перегрузок на разных этапах работы космического корабля.

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, ИПМех. РАН, ИКИ РАН и др.

Круг задач, в решении которых находят свое применение роботы, 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 крупногабаритными объектами. Анализ возможного эффективного применения для этих целей группы манипуляторов, параллельно замкнутых на общую нагрузку, показывает, что согласованной работой приводов такой компаундной системы обеспечивается точность позиционирования объекта и адекватное распределение моментов в шарнирах звеньев и сил, приложенных к захватным устройствам. В том числе решение задачи сохранения конфигурации протяженной балки при действии

транспортных перегрузок, выполнении операций ее разворота в рабочее или транспортировочное положение закономерно связано с применением "многоопорной робототехни ческой системы". Данная терминология используется автором по аналогии с общепринятыми в научной литературе терминами, как многорукие роботы и многоногие шагающие машины и механизмы.

Опоры многоопорной системы в структурном плане можно рассматривать как кинематические звенья плоского манипулятора, не смотря на их функциональные и конструктивные различия. Поэтому анализ многорукого робота и многоопорной робототехнической 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. В диссертации рассматриваются задачи и проблемы в этой области, применительно к анализу многоопорной робототехнической системы космического назначения и разработке методов обеспечения ее работоспособности.

Предметом исследования является система крепления и развертывания бортовых манипуляторов (СКРБМ, рабочее название в конструкторской и эксплуатационной документации - СКБМ) орбитального корабля (ОК) "Буран", в частности, особенности взаимодействия в многозвенной, многоприводной механической системе, которую представляют разнесенные по длине планера опоры и манипулятор с распределенными массово-жесткостными характеристиками.

Цель работы. Разработка методов и научно-технических решений обеспечения работоспособности многоопорной робототехнической системы космического назначения.

Задачи исследования. В диссертационной работе были поставлены и решались следующие задачи:

1. Анализ принципов построения многоопорных робототехнических 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-теоретических 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 теоретических и экспериментальных исследований были получены следующие практические 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 оборудования выполнена экспериментальная отработка и подтверждена работоспособность системы аварийного разделения СКРБМ при выполнении операций отделения бортового манипулятора.

4. Выполнена 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 ОК "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".

Апробация работы. 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.

Публикации. Результаты работы изложены в 10 трудах, в том числе в б печатных.

Личный вклад автора. 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 "ВНИИТРАНСМАШ", монтажные и наладочные испытания и сдача Заказчику летного образца СКРБМ на техническом комплексе космодрома "Байконур" проводились под руководством автора.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ГЛАВА 1. КОНСТРУКЦИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ МНОГООПОРНОЙ РОБОТОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Рассмотрены характерные особенности построения многоопорной робототехнической системы на основе сравнительного анализа системы с индивидуальными приводами опор и аналогичной системы с групповым приводом. Под групповым приводом понимается схема соединения опор с помощью механической передачи (длинным валом от общего привода).

Основные принципы построения многоопорной робототехнической системы с индивидуальными приводами опор были реализованы при создании системы крепления и развертывания бортовых манипуляторов OK "Буран".

Ее ближайшим аналогом является механизм позиционной установки системы дистанционно управляемого манипулятора американского многоразового космического корабля "Шаттл". К работам зарубежных авторов, посвященных этой системе, следует отнести публикации Б.Логана, Р.Равиндрана, Г.Гриффина, П.Нгуена. Принципиальными отличиями аналога являются групповой привод механизма поворота опор и большее количество структурных связей манипулятора с опорами.

Система крепления и развертывания была разработана во ВННИТРАНСМАШ по заказу НПО "Энергия" (РКК "Энергия"), на основании решения ВПК при Совете Министров СССР. Работы по ее созданию выполнялись по руководством главного конструктора М.И.Маленкова. В 1993 г. летный образец СКРБМ был смонтирован на борту второго корабля "Буран" и допущен к летным испытаниям.

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 манипулятора в рабочее или транспортировочное положение, фиксацию и расфиксацию его звеньев, а также отделение манипулятора путем разрыва механических и электрических связей с бортом орбитального корабля при аварийных ситуациях.

СКРБМ создавалась для обслуживания двух манипуляторов, расположенных по бортам отсека полезного груза. В состав СКРБМ одного борта входит комплект опор, бандажи, блок управления и бортовая кабельная сеть (см. рис.1).

На основе рассмотрения проектно-конструкторских решений, принципа действия и функций системы при доставке OK на орбиту, при посадке и в орбитальном полете выполнен анализ конструктивных особенностей и режимов работы приводов опор, системы синхронизации, обеспечения теплового режима, аварийного разделения и информационного обеспечения.

Рис. 1. 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

Выполнен анализ научно-технических проблем, решенных при создании СКРБМ. Исходя из практического опыта, задача обеспечения работоспособности многоопорной робототехнической системы включает множество аспектов, в том числе решение проблем нормального функционирования системы с параметрами, установленными требованиями технического задания и технических условий.

Важной с точки зрения успешного выполнения программы полета орбитального корабля и безопасности экипажа является операция разворота 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. При этом работоспособность многоопорной робототехнической системы во многом зависит от ее структурных свойств, взаимодействия звеньев и влияния сопряженных систем, в частности, планера и бортового манипулятора. На основе изучения физических процессов взаимодействия многоопорной системы с упругой балкой и подвижным основанием выполнен анализ характеристик основных элементов системы с целью обоснования расчетных схем и разработки математической модели. В качестве исходной для анализа использовалась разработанная специалистами НПО "Энергия" схема для расчета внешних нагрузок узлов крепления бортового манипулятора при действии вибрационных и линейных перегрузок на этапе старта и посадки орбитального корабля. При рассмотрении операций разворота системы, на основании сравнительного анализа экспериментальных данных по жесткостным характеристикам опор и манипулятора принята упрощенная схема, где опоры считаются абсолютно жесткими телами. Бортовой манипулятор, длиной около 16 м, рассматривается в виде упругой балки, податливость которой определяется жесткостью соответствующих участков между опорами. Геометрия бортового лонжерона может изменяться из-за температурных деформаций планера и различия гравитационных нагрузок на Земле и в орбитальном полете и характеризуется максимальной стрелой прогиба от 40 до 100 мм на длине 18 м.

Исходя из соотношения приведенных моментов инерции массы манипулятора и двигателя привода поворота (< 1/20), малой скорости поворота опор (< 0,25 град/с), и учитывая большое передаточное отношение редуктора (>7190), режимы нагружения приводов в значительной степени определяются реакциями на опорах от изгиба и кручения упругой связи. Закон изменения этих реакций рассматривается как квазистатический. Максимально допустимый момент привода характеризуется его работой в режиме буксования гистерезисного тормоза (см. рис.2), выполняющего роль муфты предельного момента. Эта муфта обеспечивает работу электродвигателя в номинальных режимах при поджатии поворотной части к упорам и исключает поломку манипулятора и опор при аварийном заклинивании какого-либо механизма.

Таким образом, основными нагрузками приводов опор при работе в невесомости, если пренебречь силами инерции, являются реактивные силы и моменты, возникающие при отклонениях кинематических звеньев от номинального положения. Указанные отклонения определены как кинематические параметры, задающие фактические траектории движения опор, которые в общем случае отличаются от номинальной. Результирующие отклонения компенсируются деформациями упругой системы. Поэтому анализ режимов нагружения приводов должен учитывать влияние монтажных погрешностей, характеристики подвижного основания, на котором расположены опоры, и податливость связей. Для исследования влияния этих параметров на нагружение приводов опор при повороте многоопорной робототехнической системы, с целью анализа их максимально допустимых значений разработан метод определения предельных отклонений расположения кинематических звеньев, рассмотренный в главе 2.

Рис.2. Кинематическая схема привода поворота

1- вал кривошипа, 2- планетарный ряд, 3- червяк, 4- червячное колесо, 5- рядный редуктор, 6- вал ручного привода, 7- двухрядный планетарный редуктор, 8- ведомая шестерня, 9- термоизолирующая плита, 10- гистерезисный тормоз, 11-теплопроводный кронштейн, 12- блок электронагревателей, 13- термоизолирующая прокладка, 14- стакан, 15- электродвигатель, 16- датчик температуры, 17- блок термореле, 18- соединитель

ГЛАВА 2. МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛЬНЫХ ОТКЛОНЕНИЙ РАСПОЛОЖЕНИЯ КИНЕМАТИЧЕСКИХ ЗВЕНЬЕВ МНОГООПОРНОЙ РОБОТОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Метод предназначен для расчетно-аналитической оценки граничных значений монтажных параметров опор и погрешностей их сопряжения с объектом. При этом учитываются геометрические параметры подвижного основания, характер распределения избыточных связей в узлах сопряжения и жесткостные характеристики объекта.

С учетом принятых допущений, метод включает структурный, кинематический и силовой анализ, определение зависимости между деформациями объекта и кинематическими параметрами многоопорной робототехнической системы, а также составление и анализ уравнения баланса сил.

Задачей структурного анализа является определение количества звеньев и кинематических пар, их классификация и определение степени подвижности (изменяемости) многоопорной системы. Для определения степени изменяемости существуют структурные формулы, впервые предложенные П .Л .Чебышевым.

В процессе кинематического анализа определяется передаточная функция механизма поворота опоры в зависимости от ее углового положения.

Задача анализа реактивных сил при взаимодействии многоопорной системы с объектом заключается в определении зависимости между деформациями объекта и реакциями избыточных связей. При определении усилий в статически неопределимой системе необходимо составлять дополнительные уравнения деформаций. Например, для СКРБМ система этих уравнений в матричной форме имеет вид:

Ry = Ayl ДУ

Rz = Az"1 AZ , (1)

Мл = К«-' Дсс

где Ry, Rz, M.t, - матрицы реактивных сил и моментов в узлах сопряжения манипулятора с ложементами;

Ау , Аг, К« - матрицы коэффициентов податливости; Ау-', Аг'1, Ка*1 - матрицы, обратные матрицам Ау, Аг, К«; АУ, Да - матрицы изгибных деформаций и деформаций кручения. Отклонения расположения кинематических звеньев в конечном счете определяют геометрическую схему относительного расположения опор и перемещаемого объекта или определенную схему деформаций при сопряжении опор с объектом. Эти отклонения обусловлены следующими кинематическими параметрами: линейными и угловыми погрешностями монтажа опор и геометрией подвижного основания, на котором смонтированы опоры. Для СКРБМ рассматривались следующие величины этих параметров: несоосность и непараллельность осей поворота опор; отклонения опор от номинального положения на уровне продольной оси манипулятора;

угловые отклонения опор и манипулятора в плоскости поворота; прогибы бортового лонжерона.

Для определения зависимости между кинематическими параметрами многоопорной системы и деформациями объекта используется метод матриц.

Рассмотрим расчетную схему положений систем координат кинематических звеньев СКРБМ, показанную на рис.3. В соответствии с этой схемой приняты следующие исходные данные:

введена единая для многоопорной системы неподвижная система координат ОХУ2;

с подвижным основанием (бортовым лонжероном) связаны системы координат Л^Х^У^п р - номер опоры);

с осями поворота опор - системы координат Д1 Хд У2! Ъъ ; с поворотной частью каждой опоры - системы координат Д, Х31 Уз! Ъъ ; с узлами сопряжения опор на уровне продольной оси манипулятора -системы координат Ео, Хл У« Ъл\;

со звеньями манипулятора - системы координат Ей Х51 У51 Z5¡.

Рис.3. Расчетная схема положений систем координат кинематических звеньев СКРБМ

Учитывая малую величину угловых перемещений осей поворота опор, обусловленных непараллельностью и прогибами бортового лонжерона, результирующие значения этих параметров определяются путем последовательных преобразований соответствующих систем координат.

Для определения погрешностей расположения опор на уровне продольной оси манипулятора рассматривается выражение

?=r(qB), n=l...N, (2)

где г - радиус-вектор произвольной точки положения опоры на уровне продольной оси манипулятора;

qn - обобщенные координаты;

N - число обобщенных координат.

В качестве обобщенных координат рассматриваются погрешность, связанная с несоосностью Дг, и погрешность углового положения опоры Дер.

В совокупности все системы координат образуют несколько параллельных замкнутых контуров. При сопряжении манипулятора с опорами соответствующие деформации будут определяться матрицами перехода МД, характеризующими положение систем координат узлов сопряжения опор Eoí Х41 Y4¡ Zjí в системах координат звеньев манипулятора Ей Х51 Ysi Zsí .

Рассмотрим матричное уравнение замкнутости контура

(Meo)Í= (Mei)i МЛ , (3)

где (Meo)í - матрица, определяющая координаты опор на уровне продольной оси манипулятора;

(Mei)¡ - матрица, определяющая координаты положений звеньев манипулятора.

Для определения поперечных деформаций системы уравнений (1) из матричного уравнения (3) выразим МД.

МД1 = (Ме1)."1 (Meo),

(4)

где (Mei)í-1 - матрица, обратная матрице (Mei).

Таким образом, матричное уравнение (4) позволяет определить деформации изгиба манипулятора при повороте опор. Деформации кручения манипулятора определяются в плоскости поворота угловыми отклонениями расположения систем координат узлов сопряжения ложементов и манипулятора. Поскольку поворот опор синхронизирован, то деформации кручения остаются постоянными при повороте, т.е. не зависят от угла поворота опор.

Схемы деформаций упругой системы могут быть различными. Но для любой из них необходимо, чтобы выполнялось условие:

Мои«» >= Ryi Li + R¿ L2 + Мя, (5)

где Ryi, Ra, Мя- реактивные силы и моменты сопротивления повороту i-й опоры;

Li, Li - плечо действия реактивных сил относительно оси поворота опоры;

Мопмах - максимально допустимый момент поворота, приложенный к опоре со стороны привода.

Очевидно, что всегда имеется возможность такого сочетания реакций, когда они суммируются. С учетом этого запишем условие, в соответствии с которым определяются предельные отклонения расположения кинематических звеньев многоопорной системы:

Моама* = М®»и + Micpi"" , (б)

где Мшм" - максимальный реактивный момент сопротивления повороту опоры от деформаций изгиба упругой связи;

Mkpímm - максимальный реактивный момент сопротивления повороту опоры от деформаций кручения упругой связи.

Т.к. в уравнении (6) в левой части представлены активные силы, а в правой - реактивные, оно получило название уравнения баланса сил. Методика определения предельных отклонений расположения кинематических звеньев основана на решении уравнения баланса сил для предельной схемы деформаций.

Установлены и доказаны условия существования такой схемы, связанные с последовательным симметричным смещением опор относительно номинального положения, для случая расположения опор на линейном основании. Получено выражение для определения положения плоскости деформации изгиба упругой системы, соответствующего максимальному реактивному моменту сопротивления повороту опоры. Угловое положение этой плоскости зависит от жесткости упругой системы и геометрического положения ее системы координат относительно оси поворота опоры.

Учитывая сложность расчетных соотношений (4) между линейными отклонениями расположения кинематических звеньев и деформациями изгиба, для оценки линейных и угловых предельных отклонений целесообразно задаться линейными предельными отклонениями и определять Мшма*. Далее, с учетом (6), определяется МкР1ыа*.

После этого решается обратная задача, связанная с определением предельных угловых отклонений, соответствующих полученным реактивным моментам на опорах от кручения упругой связи.

ГЛАВА 3. РАСЧЕТНЫЙ АНАЛИЗ МОНТАЖНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ КРЕПЛЕНИЯ И РАЗВЕРТЫВАНИЯ БОРТОВЫХ МАНИПУЛЯТОРОВ ОК "БУРАН"

Рассмотрены схемы прогибов бортового лонжерона и структура

монтажных параметров СКРБМ.

Идентификация матриц коэффициентов податливости системы матричных уравнений (1) производится с помощью интеграла Мора, на основании данных по жесткостным характеристикам бортового манипулятора на участках между опорами.

В результате расчета требовалось определить:

1) Максимально допустимый момент сопротивления повороту опоры от деформаций кручения бортового манипулятора

Мкр1м" =1ГПП(М0пм:и - Мшм").

2) Предельные угловые отклонения опор и манипулятора в плоскости поворота, соответствующие Мкр."" .

Первая часть задачи решалась численным методом. Производилось исследование экстремумов функции F& ( а Нс2, а Нсз, а m ) для каждой опоры (i=l,2,3,4) в соответствующих угловых положениях (к=1...24). Здесь аНс2 , ос вез , а яп - параметры, определяющие несоосность осей поворота ложементов плечевого и локтевого и непараллельность оси поворота узла корневого. В конечном виде исследуемая функция представляла собой выражение:

F ¡к = (Моп«м - Мш*м )к . (8)

Моя*" определялся в зависимости от угла поворота опоры с учетом соответствующего передаточного отношения кривошипно-шатунного механизма по величине максимально допустимого момента привода (Мпрмм= 201,4 Нм), который обеспечивается режимом буксования гистерезисного тормоза.

Используемый в расчетах градиентный координатный метод основан на применении соответствующего алгоритма пошагового движения в направлении экстремума исследуемой функции.

Результаты расчета (см. рис.4) показали, что монтажные отклонения существенно влияют на характер и величину нагружения приводов опор. В связи с этим были разработаны технические решения, направленные на адаптацию системы к упругим деформациям.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МНОГООПОРНОЙ РОБОТОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Экспериментальные исследования проводились с целью оценки степени адекватности разработанного метода определения предельных отклонений расположения кинематических звеньев многоопорной робототехнической системы, а также подтверждения результатов теоретического анализа.

Основная часть экспериментальных исследований выполнена при испытаниях системы крепления и развертывания совместно с бортовым манипулятором, проведенных во ВНИИТРАНСМАШ на специальном стенде, который позволяет имитировать прогибы бортового лонжерона орбитального

Мпр Нм 20

а)

0

-20

Мпр Нм

100

б)

О

-100

-200

Рис.4. Расчетные зависимости распределения нагрузки на приводы поворота опор СКРБМ при максимальном прогибе бортового лонжерона (а - расположение опор с нулевыми отклонениями; б - расположение опор с максимально допустимыми отклонениями):

1 - узел корневой; 2 - ложемент плечевой; 3 - ложемент локтевой; 4 - ложемент кистевой; к - номер углового положения опоры

ш/ 4 и ч

а г X <> Г J з — -.__^

1 " ~ ...... 4> - ^ . . ✓

1 10 20 к

корабля. Для проведения испытаний был изготовлен комплект опор с блоком управления и кабельной сетью. Поставку бортового манипулятора во ВНИИТРАНСМАШ обеспечил ЦНИИРТК.

При испытаниях производилось исследование режимов работы приводов поворота при различных вариантах смещений опор относительно номинального положения. Величина нагрузки определялась по величине тока двигателя, который записывался одновременно для приводов поворота всех опор на шлейфный осциллограф.

Результаты испытаний показали, что расчетные соотношения метода определения предельных отклонений расположения кинематических звеньев многоопорной робототехнической системы и принятые в нем допущения достаточно хорошо как качественно, так и количественно описывают взаимодействие многоопорной системы с объектом. Следовательно, выполненные в соответствии с этим методом расчетные оценки граничных значений монтажных параметров СКРБМ можно считать в полной мере корректными.

Выполнен анализ результатов испытаний технологического и летного образцов СКРБМ на техническом комплексе космодрома "Байконур". Их проведение стало окончательным этапом проверки выводов теоретических и экспериментальных исследований.

Важное значение в вопросе обеспечения работоспособности СКРБМ уделялось экспериментальной отработке системы аварийного разделения. Специфика этих испытаний была связана с требованиями безопасности при работе с пиротехническими изделиями, а также с имитацией штатных условий работы в невесомости. Рассмотрены структура экспериментального комплекса и схема системы поэлементного обезвешивания бортового манипулятора. Параметры отделения определялись с помощью скоростной киносъемки. В результате испытаний проверена работоспособность устройств аварийного разделения. Установлено, что нерасчетные импульсы при отделении манипулятора отсутствуют, динамические колебания манипулятора

не влияют на процесс его отделения с заданным интервалом времени подачи команд на разделение опор.

Анализ конструктивных особенностей и функциональных характеристик СКРБМ показал, что работоспособность ее основных узлов характеризуется такими критериями, как прочность, жесткость, вибрационная и ударная стойкость, износостойкость и др. на которые накладываются условия эксплуатации в открытом космосе. Несмотря на то, что методы обеспечения работоспособности основных узлов 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. Методики базируются на исходных данных, определенных Заказчиком. Поэтому основная задача заключалась в создании экспериментального оборудования и методического обеспечения для реализации заданных или эквивалентных им режимов. В частности, при испытаниях опор на стойкость к циклическим нагружениям в качестве исходных данных рассматривались значения эксплуатационных нагрузок и расчетные количества циклов нагружений, число которых составляет от 420 при 100% нагрузке до 2,52*10 6 при 10% нагрузке. Для обеспечения стабилизации и программирования режимов нагружений создана автоматизированная система "Пульсатор", разработанная на базе управляющего вычислительного комплекса с крейтом "КАМАК".

ВЫВОДЫ

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

1. Выполнен сравнительный анализ двух типов структурно-кинематических схем многоопорной робототехнической 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. 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 определень[ 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.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

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

2. Волов В.А. Метод определения предельных отклонений расположения кинематических звеньев многоопорной робототехнической системы космического назначения // Труды 9-й научно-технической конференции "Экстремальная робототехника", СПб. 1998.

3. Маленков М.И., Волов В.А., Владыкин С.А., Воробьев A.B. Система крепления и развертывания бортовых манипуляторов орбитального корабля "Буран" II Труды 7-й научно-технической конференции "Экстремальная робототехника", СПб. 1996.

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

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

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

7. Система крепления и развертывания бортовых манипуляторов (11 Ф35.30С 0000-0) // Сводный отчет N 93052037 по орбитальному кораблю "Буран" 11 Ф35.0000Л 1 -0-П3.9. Часть 10. ВНИИТРАНСМАШ, 1993.

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

9. M.Malenkov, S.Vladykin, V.VoIov. Attachement and Deployment System for On-Board Manipulators of the "Buran" Orbital Vehicle. Materials fourth ECPD International Conference on Advanced Robotics, Intelligent Automation and Active Systems. Moscow, 1998.

10. V.Mishkiniouk, M.Malenkov, S.Medvedev, V.Volov, V.Koucherenko. Mobile Robot Chassis Intended to Operate under Comple Environment Conditions. Materials fourth ECPD International Conference on Advanced Robotics, Intelligent Automation and Active Systems. Moscow, 1998.

Подписано к печати Заказ № 35

Тираж 100 экз.

Отпечатано в множительном бюро Всероссийского научно-исследовательского института транспортного машиностроения Адрес: 198323, Санкт-Петербург, ул.Заречная. 2

На правах рукописи

ВОЛОВ Валерий Анатольевич

МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ МНОГООПОРНОЙ РОБОТОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Специальность 05.02.05 - Роботы, манипуляторы и робототехнические системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

У

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в ОАО "Всероссийский научно-исследовательский институт транспортного машиностроения".

Научный руководитель: кандидат технических наук,

старший научный сотрудник Маленков Михаил Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Тимофеев Андрей Николаевич;

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Котенев Виктор Дмитриевич

Ведущая организация - РКК "Энергия"

Защита диссертации состоится "_"_ 1998 г. в_часов на

заседании диссертационного Совета К 063.38.28 в Санкт-Петербургском государственном техническом университете по адресу: С-Петербург, ул. Политехническая, 29, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке С-Петербургского государственного технического университета.

Автореферат разослан "_"_1998 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью, просим направлять ученому секретарю диссертационного Совета.

Ученый секретарь диссертационного Совета, .

кандидат технических наук, доцент (у — Н.М.Чесноков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие практической космонавтики тесно связано с созданием и применением робототехнических систем. 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.