0 引言

    航天飛行器通常采用伺服系統(tǒng)為舵機(jī)的作動(dòng)裝置，通過伺服作動(dòng)器內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)伺服機(jī)構(gòu)的復(fù)雜機(jī)械運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)翼舵舵軸轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使翼舵轉(zhuǎn)動(dòng)，最終通過翼舵等活動(dòng)部件實(shí)現(xiàn)飛行器的姿態(tài)控制。在飛行器結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)時(shí)，飛行器內(nèi)部的艙體空間有限，艙體內(nèi)部安放電氣設(shè)備較多，舵機(jī)伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)包絡(luò)較大，這些問題都會造成舵機(jī)伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)干涉。因此舵機(jī)伺服系統(tǒng)在根據(jù)翼舵的使用要求確定尺寸和力矩之后，還要根據(jù)其安放在飛行器的位置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干涉分析檢查。常用的運(yùn)動(dòng)干涉分析軟件如ADAMS、NX、Creo和CATIA等，由于CATIA軟件在三維建模時(shí)具有強(qiáng)大的曲面設(shè)計(jì)功能和實(shí)體建模功能，同時(shí)CATIA軟件具有良好的運(yùn)動(dòng)仿真分析功能，因而廣泛在飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電器設(shè)備設(shè)計(jì)中使用。

    本文基于CATIA軟件詳細(xì)介紹航天飛行器艙體包絡(luò)和舵機(jī)伺服系統(tǒng)模型創(chuàng)建、舵機(jī)伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)現(xiàn)過程和干涉檢查方法。

1 艙體包絡(luò)和伺服系統(tǒng)布局

    舵機(jī)伺服系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)干涉檢查前，需要確定飛行器的艙內(nèi)包絡(luò)，并根據(jù)翼舵在飛行器的實(shí)際位置確定舵機(jī)伺服系統(tǒng)在飛行器艙內(nèi)位置，如圖1所示。在運(yùn)動(dòng)干涉檢查時(shí)，當(dāng)伺服舵機(jī)與艙體包絡(luò)面干涉，表明伺服舵機(jī)布局不合理或伺服舵機(jī)設(shè)計(jì)不滿足要求。

2 舵機(jī)伺服系統(tǒng)數(shù)模

    利用CATIA軟件建立好舵機(jī)伺服系統(tǒng)的三維數(shù)模，其中包括翼舵軸、連接桿、伺服作動(dòng)器的活塞桿、伺服作動(dòng)器的主殼體和支座。三維數(shù)模示意圖如圖2所示。根據(jù)建立好的舵機(jī)伺服系統(tǒng)三維模型和伺服機(jī)構(gòu)的裝配關(guān)系，在CATIA軟件的裝配模塊中對各個(gè)零件進(jìn)行裝配，可以根據(jù)需要建立各個(gè)零件的約束關(guān)系，也可以在后續(xù)的運(yùn)動(dòng)仿真中建立接合時(shí)，軟件自動(dòng)建立各個(gè)零件之間的連接約束關(guān)系。

3 舵機(jī)伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程

    伺服作動(dòng)器在內(nèi)部作動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，推動(dòng)與作動(dòng)器殼體連接的活塞桿，使活塞桿產(chǎn)生水平運(yùn)動(dòng)，活塞桿推動(dòng)連接桿，連接桿帶動(dòng)翼舵軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)活塞桿也給伺服作動(dòng)器主殼體一個(gè)向后的反作用力，使得伺服作動(dòng)器主殼體繞支座轉(zhuǎn)動(dòng)。支座固定在飛行器上，翼舵軸除轉(zhuǎn)動(dòng)外，相對飛行器無平動(dòng)。

4 運(yùn)動(dòng)干涉檢查方法

    舵機(jī)伺服系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過程中主要有2種運(yùn)動(dòng)副:一種是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副，另一^種是棱形運(yùn)動(dòng)副，除此還有剛性副。其中需要?jiǎng)?chuàng)建旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副的零件有翼舵軸與飛行器、連接桿與活塞桿、主殼體與支座;需要?jiǎng)?chuàng)建棱形運(yùn)動(dòng)副的零件是活塞與主殼體;需要?jiǎng)?chuàng)建剛性副有連桿與翼舵軸。運(yùn)動(dòng)副創(chuàng)建完成后，根據(jù)運(yùn)動(dòng)副之間的運(yùn)動(dòng)函數(shù)關(guān)系利用程序控制完成命令項(xiàng)的創(chuàng)建，利用干涉分析模塊檢查舵機(jī)伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)時(shí)的干涉狀況。

4.1 旋轉(zhuǎn)副創(chuàng)建

    在DMU運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作臺中，選擇運(yùn)動(dòng)接合模塊中的旋轉(zhuǎn)接合，創(chuàng)建新的機(jī)械裝置。舵機(jī)伺服系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副有翼舵軸與飛行器、連接桿與活塞桿、主殼體與支座三對，在旋轉(zhuǎn)接合對話框中，分別選擇翼舵軸與飛行器、連接桿與活塞桿、主殼體與支座相關(guān)零件一對重合軸線和一對平行平面，完成旋轉(zhuǎn)接合的創(chuàng)建，如圖3所示。

4.2 棱形運(yùn)動(dòng)副創(chuàng)建

    選擇DMU平臺下的棱形接合模塊，舵機(jī)伺服系統(tǒng)棱形運(yùn)動(dòng)副是活塞與主殼體。在棱形接合對話框中，分別選擇活塞與主殼體零件平行一對直線和平行一對平面完成棱形接合創(chuàng)建。棱形接合創(chuàng)建，如圖4所示。

4.3 剛性副創(chuàng)建

    選擇DMU運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)平臺下的剛性接合模塊，舵機(jī)伺服系統(tǒng)剛性副是連桿與舵軸。在剛性接合對話框中，直接選取連桿和舵軸完成剛性接合創(chuàng)建。剛性接合創(chuàng)建，如圖5所示。

    伺服舵機(jī)機(jī)構(gòu)的全部運(yùn)動(dòng)副建立后，在DMU運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)平臺對飛行器的固定件建立固定約束。

4.4 命令創(chuàng)建

    在結(jié)構(gòu)樹中，根據(jù)舵機(jī)伺服系統(tǒng)每一個(gè)運(yùn)動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)范圍，在接合限制文本框輸入具體數(shù)值，完成命令的創(chuàng)建，如圖6所示。

4.5 運(yùn)動(dòng)副函數(shù)關(guān)系創(chuàng)建

    在結(jié)構(gòu)樹下的“命令”，右鍵選擇“編輯命令”，在命令值文本框處點(diǎn)擊右鍵，出現(xiàn)公式編輯器，選擇運(yùn)動(dòng)副的參數(shù)，切換至“知識工程”的“知識顧問工作平臺”選擇“規(guī)則”，根據(jù)舵機(jī)伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)副之間的運(yùn)動(dòng)函數(shù)關(guān)系完成程序控制。編輯命令，如圖7所示。

4.6 干涉檢查功能創(chuàng)建

    在DMU—般動(dòng)畫平臺下，設(shè)置“碰撞模式”為“碰撞檢測停止”模式。選擇運(yùn)動(dòng)模擬的“法則曲線進(jìn)行模擬”并激活傳感器，在傳感器的對話框下設(shè)置檢測碰撞，如圖8所示。播放機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)啟動(dòng)檢測。根據(jù)干涉檢查結(jié)果確定舵機(jī)伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程中與給定的航天飛行器包絡(luò)產(chǎn)生干涉的位置及運(yùn)動(dòng)參數(shù)，用以指導(dǎo)舵機(jī)伺服系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

5 結(jié)果對比

    利用本文所介紹的舵機(jī)伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)干涉檢查方法開展的仿真結(jié)果，與模裝試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比。兩者完全一致。模裝試驗(yàn)如圖9所示。

6 結(jié)語

    本文詳細(xì)介紹了CATIA軟件對航天飛行器舵機(jī)伺服系統(tǒng)數(shù)模建立、裝配、運(yùn)動(dòng)仿真和干涉檢查的全部過程。文中所述方法可為其它機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真和干涉檢查提供參考。

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