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《北京交通大學學報》2015年第四期

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

1位姿調整機構的組成

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

2位姿調整機構的自由度分析

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

3金屬殼體并聯位姿調整機構的設計

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

3．2并聯機構CF支鏈的結構配置螺旋理論被廣泛應用于空間機構分析和結構配置．根據螺旋理論可知，空間任何一條直線可以用一個旋量來，并聯機構的每條支鏈也可以用運動螺旋表示出來．若兩個螺旋S／和S／r的互易積等于零，那么這兩個螺旋互為反螺旋．根據反螺旋理論可知，當S／1，S／2，…，S／n表示并聯機構某一支鏈的運動螺旋系時，其反螺旋S／r表示該支鏈運動螺旋系施加給動平臺的結構約束螺旋，即支鏈機械結構對動平臺的約束力和力偶．對于2R2T并聯機器人機構，動平臺需要具有2個移動（沿x、y軸）、2個轉動（繞x、y軸）共4個自由度，平臺將失去沿z軸方向的1個移動自由度和繞z軸方向的1個轉動自由度，因此必須有1個約束力螺旋和1個約束力偶同時作用在動平臺上，即中間CF支鏈約束力螺旋的基礎。由于CF支鏈的自由度運動是一個4階運動螺旋系，其線性無關零節距運動螺旋數目最多為4，所以支鏈中的線性無關轉動副的數目最多為4．在三維空間中，線性無關且節距為無窮大的運動螺旋數目最為3．由運動螺旋分析可知，CF支鏈移動副的軸線總垂直于z軸，所以支鏈中線性無關的移動副的數目最多為2．所以，如將基本副R和P作為組成支鏈的運動副，則可以得到3桿4副的基本支鏈類型有4R、3R1P和2R2P型，運動副符號前面的數字表示機構中線性無關的運動副的數目．應用運動副等效替換的方法，還可以得到2R1U，1R1U1P，2R1C，1R1C1P和1U2P的2桿3副分支類型．圖3為幾種CF支鏈配置的舉例．本文作者選擇如圖4所示的4－UPS／UPP作為金屬殼體調姿機構．其有以下幾點優勢：1）4－UPS／UPP機構的各條支鏈上都有且僅有3個運動副，其結構簡單且符合金屬殼體調姿機構的自由度要求．2）飛行器金屬殼體的質量較重，可達到數噸重且調姿完成后還有加壓要求，可以增加設計好的UPS支鏈的數量來適應載荷的增加，并且增加UPS支鏈的數量會增加系統的支撐剛度，并且不影響整體機構的自由度．3）中間UPP支鏈既約束了兩個不需要的自由度，同時也增加了系統的剛度，提高整體機構的承載能力．4）每條支鏈結構簡單、驅動容易、控制簡單．

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

4結論

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

作者：房海蓉 王楠 單位：北京交通大學 機械與電子控制工程學院