CN114035595B - 一种深空探测指向机构多自由度大范围运动线束控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种深空探测指向机构多自由度大范围运动线束控制方法，通过运动学分析、线束集成、固定限位点与导向限位点设置、预应力赋形与变刚度绑扎、无约束防护装置包覆、线束阻力矩测试等步骤，能够实现多种线型、电缆光纤混合下不同承载能力、变形能力的线束的统一布线，同时实现了大直径线束的多自由度、大范围、低阻力矩布线，实现全线束防护措施对线束阻力矩的近零影响，并通过高保真的线束阻力矩测试使整个线束管理方法完整闭环。
Description
技术领域
本发明涉及一种深空探测指向机构多自由度大范围运动线束控制方法，属于运动线束管理方法设计领域。
背景技术
地面设备的运动线束管理已形成导电滑环、排线、随动线束等较为成熟的方式，通常不涉及航天器运动线束经历严苛的力学载荷、长时间高低温交变的使用环境，因此在承载、热防护等方面存在着显著的差异。
我国现有月球车指向机构线束，分布式连接各有效载荷、电机、传感器，汇集成束后进行严密绑扎并缠绕热控多层，整体360°盘绕在转动轴上，通过电缆的整体弯扭适应指向机构的不同指向位置，适用于线束类型一致、线束直径较小、允许线束动静包络较大、附近无干涉风险的情况。
随着载荷技术的发展，引入铠装光纤、包覆聚酰亚胺的电缆等多种新类型线束，深空探测轻量化、集成化要求运动线束承载能力强、多类型线束混合布置、在特定方向运动范围进一步增大、线束整体运动包络进一步减小、阻力矩进一步降低，现有线束管理方法难以满足上述新需求。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，现有线束管理方法难以满足载荷技术发展趋势需求的问题，提出了一种深空探测指向机构多自由度大范围运动线束控制方法。
本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：
一种深空探测指向机构多自由度大范围运动线束控制方法，步骤如下：
(1)对深空探测指向机构进行运动学分析；
(2)对深空探测指向机构进行线束集成；
(3)在步骤(2)的基础上进行固定限位点与导向限位点设置；
(4)在步骤(3)的基础上进行预应力赋形与变刚度绑扎；
(5)在步骤(4)的基础上进行无约束防护装置包覆；
(6)在步骤(5)的基础上进行线束阻力矩测试，完成深空探测指向机构的控制管理。
所述步骤(1)中，运动学分析具体包括：
线束自由度分析、运动范围分析、运动包络分析、力学载荷分析、线束类型分析，其中：
对深空探测指向机构进行运动学分析后，获取运动线束的自由度、特定自由度的运动最小范围、运动过程中整个线束的最大允许包络、线束在特定形状下需要抵抗的力学载荷大小，以所得数据作为输入条件及边界条件。
所述线束类型分析具体为：
对深空探测指向机构所用线束的牌号、数量、折弯半径、抗拉强度、弯扭刚度信息进行收集分析。
所述步骤(2)中，线束集成具体步骤为：
(2-1)将所有线束的起始电连接器插接到位；
(2-2)将所有线束原绑扎点打开；
(2-3)对表面存在硬凸起的线束采取柔性包覆措施；
(2-4)将铠装光纤、包覆聚酰亚胺的电缆置于所有线束的中性区；
(2-5)将瑞侃22号线及以下的线束置于整个线束的承载区；
(2-6)将瑞侃24号线及以上的线束置于整个线束的随动区。
所述步骤(2-4)、步骤(2-5)、步骤(2-6)中，中性区位于线束中心，承载区位于中性区外侧，随动区位于承载区外侧，占线束直径比例分别为20％、70％、10％。
所述步骤(3)中，固定限位点由C型固定环、双向转接座、C型约束环组成，固定限位点用于进行稳定支撑，导向限位点由W型固定座、W型约束环拼接组成，固定限位点与导向限位点设置步骤具体为：
(3-1)在距离线束起始电连接器处，指定范围内设置固定限位点，防止线束整体运动牵扯电连接器引起焊点脱开；
(3-2)在线束固定转折点处、线束固定段间隔指定范围处、线束运动段两端设置固定限位点；
(3-3)在线束力学振动静包络限幅点位置设置单向或多向导向限位点；
(3-4)在线束动包络易干涉点设置单向或多向导向限位点。
所述步骤(4)中，预应力赋形与变刚度绑扎的具体步骤如下：
(4-1)根据深空探测指向机构实际工作的零位位置确定线束运动段的中立位置；
(4-2)根据深空探测指向机构实际工作的零位位置最大角度或最远距离处确定线束内应力最大位置；
(4-3)若线束在线束初始曲线所在面内弯折，在弯折位置两端设置低刚度绑扎点；若线束在面外扭动，在扭动中心位置设置低刚度绑扎点，采用低热膨胀系数绑扎线，绑扎指定长度；
(4-4)运动线束经过固定限位处设置高刚度绑扎点，采用低热膨胀系数绑扎线，绑扎至少1.5倍固定限位点宽度；
(4-5)运动线束经过导向限位点处设置低刚度绑扎点，采用低热膨胀系数绑扎线，绑扎宽度与导向限位点宽度相同；
(4-6)针对静包络约束，通过设置对线束整体施加扭转或弯曲应力，并在需要变形位置加入绑扎点、限位点。
所述步骤(5)中，无约束防护装置包括波纹状、多段搭接的热控多层、编制型宽温域柔韧外套，无约束防护装置包覆步骤如下：
(5-1)测量线束最大变形处直径；
(5-2)以最大变形状态线束为模板，针对防漏热需求线束，分为大变形段、基本不变形段，对应分段裁剪热控多层，多次折叠形成波纹，包覆于线束表面并在分段处搭接；
(5-3)针对防尘需求线束，以最大变形处直径的1.5倍选取直径的宽温域柔韧外套，并将线束套入；
(5-4)热控多层两端与固定限位点粘接，宽温域柔韧外套直接压入固定点，以保护编制线断点并防止脱线。
所述步骤(6)中，线束阻力矩测试步骤如下：
(6-1)模拟线束固定限位点的刚度、出线方向、限位点间的相对位姿及绑扎、包覆措施；
(6-2)使用高低温箱模拟线束在轨工作温度环境；
(6-3)使用力矩电机驱动线束，模拟线束在轨工作角度、角速度；
(6-4)测量线束往复转动或拖动过程中的力、力矩。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明提供的一种深空探测指向机构多自由度大范围运动线束控制方法，通过输入条件分析、线束集成，相较于现有航天器线束管理方法，实现了多种线型、电缆光纤混合下不同承载能力、变形能力的线束的统一布线，同时通过合理的预应力赋形、固定限位点与导向限位点、变刚度绑扎，相较于现有航天器线束管理方法，实现了大直径线束的多自由度、大范围、低阻力矩布线；
(2)本发明综合采用波纹状、多段搭接的热控多层，编制型宽温域柔韧外套，实现了全线束防护措施下对线束阻力矩的近零影响，并通过高保真的线束阻力矩测试，真实模拟线束在轨行为，使整个线束管理方法完整闭环。
附图说明
图1为发明提供的深空探测指向机构多自由度大范围运动线束控制方法流程图；
图2为发明提供的多自由度及大范围运动线束外形示意图；
图3为发明提供的线束分区示意图；
图4为发明提供的固定限位点外形示意图；
图5为发明提供的导向限位点外形示意图；
具体实施方式
一种深空探测指向机构多自由度大范围运动线束控制方法，适用于运动自由度多、包络紧凑、转动范围大、线径较粗、线型差异较大的深空探测指向机构的线束布置与防护，具体步骤包括：
(1)对深空探测指向机构进行运动学分析；
运动学分析具体包括：
线束自由度分析、运动范围分析、运动包络分析、力学载荷分析、线束类型分析，其中：
对深空探测指向机构进行运动学分析后，获取运动线束的自由度、特定自由度的运动最小范围、运动过程中整个线束的最大允许包络、线束在特定形状下需要抵抗的力学载荷大小，以所得数据作为输入条件及边界条件；
线束类型分析具体为：
对深空探测指向机构所用线束的牌号、数量、折弯半径、抗拉强度、弯扭刚度信息进行收集分析；
(2)对深空探测指向机构进行线束集成；
线束集成具体步骤为：
(2-1)将所有线束的起始电连接器插接到位；
(2-2)将所有线束原绑扎点打开；
(2-3)对表面存在硬凸起的线束采取柔性包覆措施；
(2-4)将铠装光纤、包覆聚酰亚胺的电缆置于所有线束的中性区；
(2-5)将瑞侃22号线及以下的线束置于整个线束的承载区；
(2-6)将瑞侃24号线及以上的线束置于整个线束的随动区；
步骤(2-4)、步骤(2-5)、步骤(2-6)中，中性区位于线束中心，承载区位于中性区外侧，随动区位于承载区外侧，占线束直径比例分别为20％、70％、10％；
(3)在步骤(2)的基础上进行固定限位点与导向限位点设置；
固定限位点由C型固定环、双向转接座、C型约束环组成，固定限位点用于进行稳定支撑，导向限位点由W型固定座、W型约束环拼接组成，固定限位点与导向限位点设置步骤具体为：
(3-1)在距离线束起始电连接器处，指定范围内设置固定限位点，防止线束整体运动牵扯电连接器引起焊点脱开；
(3-2)在线束固定转折点处、线束固定段间隔指定范围处、线束运动段两端设置固定限位点；
(3-3)在线束力学振动静包络限幅点位置设置单向或多向导向限位点；
(3-4)在线束动包络易干涉点设置单向或多向导向限位点；
(4)在步骤(3)的基础上进行预应力赋形与变刚度绑扎；
预应力赋形与变刚度绑扎的具体步骤如下：
(4-1)根据深空探测指向机构实际工作的零位位置确定线束运动段的中立位置；
(4-2)根据深空探测指向机构实际工作的零位位置最大角度或最远距离处确定线束内应力最大位置；
(4-3)若线束在线束初始曲线所在面内弯折，在弯折位置两端设置低刚度绑扎点；若线束在面外扭动，在扭动中心位置设置低刚度绑扎点，采用低热膨胀系数绑扎线，绑扎指定长度；
(4-4)运动线束经过固定限位处设置高刚度绑扎点，采用低热膨胀系数绑扎线，绑扎至少1.5倍固定限位点宽度；
(4-5)运动线束经过导向限位点处设置低刚度绑扎点，采用低热膨胀系数绑扎线，绑扎宽度与导向限位点宽度相同；
(4-6)针对静包络约束，通过设置对线束整体施加扭转或弯曲应力，并在需要变形位置加入绑扎点、限位点；
(5)在步骤(4)的基础上进行无约束防护装置包覆；
无约束防护装置包括波纹状、多段搭接的热控多层、编制型宽温域柔韧外套，无约束防护装置包覆步骤如下：
(5-1)测量线束最大变形处直径；
(5-2)以最大变形状态线束为模板，针对防漏热需求线束，分为大变形段、基本不变形段，对应分段裁剪热控多层，多次折叠形成波纹，包覆于线束表面并在分段处搭接；
(5-3)针对防尘需求线束，以最大变形处直径的1.5倍选取直径的宽温域柔韧外套，并将线束套入；
(5-4)热控多层两端与固定限位点粘接，宽温域柔韧外套直接压入固定点，以保护编制线断点并防止脱线；
(6)在步骤(5)的基础上进行线束阻力矩测试，完成深空探测指向机构的控制管理；
线束阻力矩测试步骤如下：
(6-1)模拟线束固定限位点的刚度、出线方向、限位点间的相对位姿及绑扎、包覆措施；
(6-2)使用高低温箱模拟线束在轨工作温度环境；
(6-3)使用力矩电机驱动线束，模拟线束在轨工作角度、角速度；
(6-4)测量线束往复转动或拖动过程中的力、力矩。
下面根据具体实施例进行进一步说明：
在当前实施例中，对深空探测指向机构进行运动学分析，包括线束自由度分析、运动范围分析、运动包络分析、力学载荷分析、线束类型分析，并在运动学分析基础上，进行线束集成、固定限位点与导向限位点设置、预应力赋形与变刚度绑扎、无约束防护装置包覆、线束阻力矩测试等步骤。
在自由度分析、运动范围分析、运动包络分析、力学载荷分析中，给出运动线束的自由度，特定自由度的运动最小范围、运动过程中整个线束的最大允许包络、线束在特定形状下需要抵抗的力学载荷大小等输入条件、边界条件。
在线束类型分析中，明确线束的牌号、数量、折弯半径、抗拉强度、弯扭刚度等信息。
如图1所示，线束集成包括以下步骤：
(1)将所有线束的起始电连接器插接到位；
(2)将所有线束原绑扎点打开；
(3)对铠装光纤等表面存在硬凸起的线束采取柔性包覆措施；
(4)将铠装光纤、包覆聚酰亚胺的电缆等变形能力较差的线束置于整个线束的中性区，中性区位于线束中心，约占线束直径的20％；
(5)将瑞侃22号线及以下的线束置于整个线束的承载区，承载区位于中性区外侧，约占整个线束直径的70％；
(6)将瑞侃24号线及以上的线束置于整个线束的随动区，随动区位于承载区外侧，约占整个线束直径的10％。
线束分区如图3所示。
多自由度、大范围运动线束外形图如图2所示，如图4、图5所示，固定限位点由C型固定环、双向转接座、C型约束环组成。固定限位点沿线束方向的长度不小于线束直径的60％，以提供稳定的支承；C型约束环内圈摩擦系数大于0.5，且与线束压紧后应在两侧使用Redux420粘接防松。导向限位点由W型固定座、W型约束环拼接组成。导向限位点沿线束方向的长度不小于线束直径的40％；0型内圈镶嵌非金属自润滑材料可以组成内衬，例如聚酰亚胺，降低摩擦、减少钩挂。
固定限位点与导向限位点设置包括以下步骤：
(1)在距离线束起始电连接器处，50mm～100mm处设置固定限位点，防止线束整体运动牵扯电连接器引起焊点脱开；
(2)在线束固定转折点处、线束固定段间隔200mm处、线束运动段两端设置固定限位点；
(3)在线束力学振动静包络限幅点位置设置单向或多向导向限位点；
(4)在线束动包络易干涉点设置单向或多向导向限位点。
预应力赋形与变刚度绑扎包括以下步骤：
(1)按照指向机构实际工作的零位位置确定线束运动段的中立位置，该位置下线束内应力最小；
(2)按照指向机构实际工作的距零位位置最大角度或最远距离处确定线束内应力最大位置，在该位置下，线束承载区处于张紧状态起到承载作用，线束随动区处于松弛状态；
(3)若线束在线束初始曲线所在面内弯折，在弯折位置两端设置低刚度绑扎点；若线束在面面外扭动，在扭动中心位置设置低刚度绑扎点，采用低热膨胀系数绑扎线，绑扎5mm左右。绑扎点两侧线束为离散状态，具有较小的刚度，约等于各独立线束的刚度之和，可初步预计线束转动阻力矩，易于运动变形；
(4)运动线束经过固定限位处设置高刚度绑扎点，采用低热膨胀系数绑扎线，绑扎至少1.5倍固定限位点宽度；此处线束为一整体，具有较大的刚度,约等于线束承载区、中性区的整体刚度，具备较强的承载能力；
(5)运动线束经过导向限位点处设置低刚度绑扎点，采用低热膨胀系数绑扎线，绑扎宽度与导向限位点宽度相同，防止钩挂、减少线束磨损；
(6)针对静包络约束，通过设置对线束整体施加扭转或弯曲应力，并在需要变形位置加入绑扎点、限位点，可实现线束形状调整，并可抵抗发射过程中的力学载荷；
无约束防护装置包括波纹状、多段搭接的热控多层，编制型宽温域柔韧外套。无约束防护装置包覆包括以下步骤：
(1)测量线束最大变形处直径；
(2)对于有防漏热需求的线束，以最大变形状态线束为模板，分为大变形段、基本不变形段，对应分段裁剪热控多层，多次折叠形成波纹，包覆于线束表面并在分段处搭接；
(3)对于有防尘需求的线束，以最大变形处直径的1.5倍选取直径的宽温域柔韧外套，并将线束套入；
(4)热控多层两端与固定限位点粘接，宽温域柔韧外套直接压入固定点，以保护编制线断点，防止脱线。
线束阻力矩测试包括以下步骤：
(1)模拟线束固定限位点的刚度、出线方向、限位点间的相对位姿及绑扎、包覆措施；
(2)使用高低温箱模拟线束在轨工作温度环境；
(3)使用力矩电机驱动线束，模拟线束在轨工作角度、角速度；
(4)测量线束往复转动或拖动过程中的力、力矩。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。
Claims (6)
1.一种深空探测指向机构多自由度大范围运动线束控制方法，其特征在于步骤如下：
(1)对深空探测指向机构进行运动学分析；
(2)对深空探测指向机构进行线束集成；
(3)在步骤(2)的基础上进行固定限位点与导向限位点设置；
(4)在步骤(3)的基础上进行预应力赋形与变刚度绑扎；
(5)在步骤(4)的基础上进行无约束防护装置包覆；
(6)在步骤(5)的基础上进行线束阻力矩测试，完成深空探测指向机构的控制管理；
所述步骤(1)中，运动学分析具体包括：
线束自由度分析、运动范围分析、运动包络分析、力学载荷分析、线束类型分析，其中：
对深空探测指向机构进行运动学分析后，获取运动线束的自由度、特定自由度的运动最小范围、运动过程中整个线束的最大允许包络、线束在特定形状下需要抵抗的力学载荷大小，以所得数据作为输入条件及边界条件；
所述线束类型分析具体为：
对深空探测指向机构所用线束的牌号、数量、折弯半径、抗拉强度、弯扭刚度信息进行收集分析；
所述步骤(2)中，线束集成具体步骤为：
(2-1)将所有线束的起始电连接器插接到位；
(2-2)将所有线束原绑扎点打开；
(2-3)对表面存在硬凸起的线束采取柔性包覆措施；
(2-4)将铠装光纤、包覆聚酰亚胺的电缆置于所有线束的中性区；
(2-5)将瑞侃22号线及以下的线束置于整个线束的承载区；
(2-6)将瑞侃24号线及以上的线束置于整个线束的随动区。
2.根据权利要求1所述的一种深空探测指向机构多自由度大范围运动线束控制方法，其特征在于：
所述步骤(2-4)、步骤(2-5)、步骤(2-6)中，中性区位于线束中心，承载区位于中性区外侧，随动区位于承载区外侧，占线束直径比例分别为20％、70％、10％。
3.根据权利要求2所述的一种深空探测指向机构多自由度大范围运动线束控制方法，其特征在于：
所述步骤(3)中，固定限位点由C型固定环、双向转接座、C型约束环组成，固定限位点用于进行稳定支撑，导向限位点由W型固定座、W型约束环拼接组成，固定限位点与导向限位点设置步骤具体为：
(3-1)在距离线束起始电连接器处，指定范围内设置固定限位点，防止线束整体运动牵扯电连接器引起焊点脱开；
(3-2)在线束固定转折点处、线束固定段间隔指定范围处、线束运动段两端设置固定限位点；
(3-3)在线束力学振动静包络限幅点位置设置单向或多向导向限位点；
(3-4)在线束动包络易干涉点设置单向或多向导向限位点。
4.根据权利要求3所述的一种深空探测指向机构多自由度大范围运动线束控制方法，其特征在于：
所述步骤(4)中，预应力赋形与变刚度绑扎的具体步骤如下：
(4-1)根据深空探测指向机构实际工作的零位位置确定线束运动段的中立位置；
(4-2)根据深空探测指向机构实际工作的零位位置最大角度或最远距离处确定线束内应力最大位置；
(4-3)若线束在线束初始曲线所在面内弯折，在弯折位置两端设置低刚度绑扎点；若线束在面外扭动，在扭动中心位置设置低刚度绑扎点，采用低热膨胀系数绑扎线，绑扎指定长度；
(4-4)运动线束经过固定限位处设置高刚度绑扎点，采用低热膨胀系数绑扎线，绑扎至少1.5倍固定限位点宽度；
(4-5)运动线束经过导向限位点处设置低刚度绑扎点，采用低热膨胀系数绑扎线，绑扎宽度与导向限位点宽度相同；
(4-6)针对静包络约束，通过设置对线束整体施加扭转或弯曲应力，并在需要变形位置加入绑扎点、限位点。
5.根据权利要求4所述的一种深空探测指向机构多自由度大范围运动线束控制方法，其特征在于：
所述步骤(5)中，无约束防护装置包括波纹状、多段搭接的热控多层、编制型宽温域柔韧外套，无约束防护装置包覆步骤如下：
(5-1)测量线束最大变形处直径；
(5-2)以最大变形状态线束为模板，针对防漏热需求线束，分为大变形段、基本不变形段，对应分段裁剪热控多层，多次折叠形成波纹，包覆于线束表面并在分段处搭接；
(5-3)针对防尘需求线束，以最大变形处直径的1.5倍选取直径的宽温域柔韧外套，并将线束套入；
(5-4)热控多层两端与固定限位点粘接，宽温域柔韧外套直接压入固定点，以保护编制线断点并防止脱线。
6.根据权利要求5所述的一种深空探测指向机构多自由度大范围运动线束控制方法，其特征在于：
所述步骤(6)中，线束阻力矩测试步骤如下：
(6-1)模拟线束固定限位点的刚度、出线方向、限位点间的相对位姿及绑扎、包覆措施；
(6-2)使用高低温箱模拟线束在轨工作温度环境；
(6-3)使用力矩电机驱动线束，模拟线束在轨工作角度、角速度；
(6-4)测量线束往复转动或拖动过程中的力、力矩。
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