一种精密测量仪器的快速对接机构.pdf

宇航计测技术2024 年2024 年 4 月第 44 卷 第 2 期宇航计测技术Journal of Astronautic Metrology and MeasurementApr.2024Vol.44No.2文章编号:1000-7202(2024)02-0074-04DOI:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.02.13一种精密测量仪器的快速对接机构王 军,宋小艳,张海燕(北京航天发射技术研究所,北京 100076)摘要:为了保证两精密测量仪器快速对接与分离的高精密性和稳定性,设计了一种高精密重复定位的快速对接机构。采用三点支撑1的方式,保证需要对接的两仪器拥有较高的重复定位误差,并且误差恒定。通过紧扣机构和旋钮构成对接紧扣装置,实现两仪器六自由度锁紧的高可靠性和稳定性,并且实现对接与分离的快速性。设计安装限位功能,以保证安装位置的重复性。分析了对接机构原理,并对重复定位误差的不确定度因素进行了简要分析。最后,通过设计试验来检测两精密测量仪器重复定位的误差,试验结果表明,快速对接机构具有较高的重复定位误差,证明设计合理。关键词:重复定位;三点支撑;快速对接;锁紧中图分类号:TH122,V241.0文献标识码:A收稿日期:2023-11-13;修回日期:2023-12-25作者简介:王军(1970-),女,工程师,学士,主要研究方向:精密仪器。A Fast Docking Mechanism for Precision Measuring InstrumentsWANG Jun,SONG Xiaoyan,ZHANG Haiyan(Beijing Institute of Space Launch Technology,Beijing 100076,China)Abstract:In order to ensure the high precision and stability of fast docking and separation of two precision measuringinstruments,a fast docking mechanism with high precision repeated positioning is designed.The three-point support method isadopted to ensure that the two instruments that need to be connected have high repeated positioning accuracy and constanterror.The butt locking mechanism is formed by locking chuck and adjusting button,which realizes the high reliability andstability of the six degrees of freedom locking of two instruments,and realizes the rapidity of butt and separation.Theinstallation limit function is designed to ensure the repeatability of the installation position.The principle of butt jointmechanism and the uncertainty factor of repeated positioning error is analyzed in brief.Finally,the design test is carried outto test the repeatable positioning accuracy of the two precision measuring instruments.The test results show that the fastdocking mechanism has high repeatable positioning accuracy,which proves the design is reasonable.Keywords:Repeated positioning;Three-point support;Fast docking;Locking0 引 言在精密测量领域中,为了实现精密测量仪器之间对接的便捷,需要设置一种快速对接机构。整个精密测量系统在使用操作时,各个精密测量仪器或单机设备通过该机构实现高精密对接;而在设备撤收、贮存或运输时,脱开该机构使各个单机设备可以单独装箱。第 2 期一种精密测量仪器的快速对接机构同时,精密测量工作时常处于复杂的环境中,因而这种对接机构的锁紧需要实现高可靠性和稳定性2。对于高精密测量类设备,锁紧机构的重复对接误差对设备测量误差影响很大,为了控制设备的测量误差,要求对接机构的重复误差保持在一定范围内3,同时部分设备对对接的快速性及对接位置的唯一性也提出了较高的要求。最后,针对重复装卡误差如何检测的问题,利用高精密光学经纬仪检测设备的功能结构和工作原理,设计了针对其重复定位误差的简便有效的测试和分析方法4,利用该试验方法安排试验,并对试验结果进行分析,确定了快速对接机构具有较高的重复定位误差,证明设计合理。1 对接机构设计在需要对接的两精密测量仪器之间,设计安装一种高精重复定位的快速对接机构,以满足需要对接的两仪器之间拥有较高的定位误差重复性、锁紧的高可靠性和稳定性、对接与分离的快速性、对接位置唯一性等。对接机构示意图如图 1 所示,对接机构剖视图如图 2 所示。图 1 对接机构示意图Fig.1 Schematic diagram of docking mechanism1.1 三点支撑方式在上仪器底部固联三个圆销,沿径向均匀分布;在下仪器顶部固联三个精密 V 槽,沿径向均匀分布。上仪器与下仪器对接时,将上仪器底座上的三个圆销分别对准下仪器顶部的三个 V 槽上。图 2 对接机构剖视图组Fig.2 Cut-away view group of docking mechanism1.2 锁紧机构上仪器底部设计三个支腿,支腿上设计一定角度的螺旋斜槽。压圈与下仪器联接,卡盘设计有一定角度的螺旋斜面,该螺旋斜面安装在下仪器顶部和压圈之间,卡盘以压圈为轴进行旋转。拨钮设计在下仪器上,旋转拨钮可以使卡盘沿压圈进行自由旋转。上仪器与下仪器对接时,将上仪器底部的三个圆销安装座落在准下仪器的三个 V 槽上,然后旋转拨钮,使卡盘的螺旋斜面与支腿的螺旋槽紧密结合,使每个圆销压紧在对应的 V 槽上,从而上仪器的六个自由度5被限定,实现上仪器与下仪器的快速对接。上仪器与下仪器脱离时,旋转拨钮使螺旋斜面与支脚的螺旋槽脱开,使圆销与 V 槽之间的作用力消失,快速实现上仪器与下仪器的脱离。1.3 限位保护为了实现对接位置的重复性,在上仪器底座的底面设置限位孔,在下仪器的端面对应位置设计一个螺钉。对接时,只有该螺钉插入对应孔中后,卡盘才能锁紧,从而实现对接位置的重复性。1.4 对接机构原理分析快速对接机构主要由两部分组成,一部分是由三对圆柱和 V 槽组成的三点支撑结构,另一部分是锁紧机构。三点支撑结构方式,在上、下仪器对接过程中,首先限制住了五个自由度:沿水平方向的平移及旋转自由度、沿横滚方向的平移及旋转自由度,以及沿铅垂方向的旋转自由度。上、下仪器对接时,上仪器底座上的三个圆销先与下仪器上的三个 V 槽57宇航计测技术2024 年完全接触,此时便完成了上述五个自由度的约束。而剩余一个沿铅垂方向的平移自由度的约束,则由锁紧机构来完成。锁紧机构示意图如图 3 所示。图 3 锁紧机构示意图Fig.3 Schematic diagram of locking mechanism顺时针旋转拨扭带动凸轮转动,当凸轮贴合卡盘凹槽的左侧,并持续推进卡盘沿压圈旋转至极限位置时,带有一定斜角的卡盘凸台同时旋入支腿的螺旋槽内,即实现锁紧上仪器三个支腿的功能。反之,当逆时针旋转拨扭带动凸轮转动,使凸轮贴合卡盘凹槽的右侧并持续推进至极限位置时,卡盘凸台旋出支腿的螺旋槽,此时锁紧机构与上仪器的支腿完全脱开,实现上、下仪器分离的功能。2 重复定位误差不确定度分析上、下两仪器对接后,上仪器的理想垂直轴线理论上应保证与下仪器的理想垂直轴线相重合,该两轴线的重合精准度称为定位误差。上、下两仪器分离后再次重复对接,此时检测出来的定位误差与上次定位误差的差值,即为重复定位误差。而快速对接机构在上、下两仪器对接后,已将上、下两仪器的六个自由度完全限定。影响重复定位误差的原因主要有以下三方面:1)卡盘长期重复锁紧操作带来的磨损会影响重复定位误差。磨损是摩擦产生的必然结果,而上仪器支腿的螺旋凹槽与下仪器的卡盘凸台是对接机构中存在相对运动的一组接触表面。合理选择合适的材料及表面处理,以及合理设计凹槽与凸台之间的配合尺寸,可以适当提高耐磨性能;2)长期重复锁紧操作带来的拨扭松动,会影响重复定位误差。合理设计拨扭上凸轮尺寸与卡盘对应凹槽的尺寸,可以有效解决该问题;3)重复定位误差检测过程中,人眼误差及检测操作等也会引起重复定位误差的不确定性。采用多次测量剔除异常值,然后取平均值的方法,可以有效避免该问题。3 试验验证3.1 试验目的通过试验来检测快速对接机构的重复定位误差,以验证设计的合理性。3.2 试验方法1)在高误差经纬仪与底座之间安装快速对接机构,在距经纬仪约 3 m 处悬挂一根铅垂丝(要求铅垂丝细而直),在检测中应保证铅垂丝不动,可以在铅垂丝下端放一杯水或油,把铅垂浸入水或油中,凭借液体阻力使铅垂丝尽快停下来,以控制检测误差;2)将经纬仪精确调平,方位微动经纬仪使自准直望远镜中十字竖线与铅垂丝重合(需调焦),此时方位角显示值 D1归零,并锁紧经纬仪的方位及俯仰;3)拨动快速对接机构中的拨钮以驱动卡盘,使卡盘的螺旋斜面与支脚的螺旋槽分离,实现经纬仪与底座的快速分离,将经纬仪从底座上取出置于其他平台或置物架上,并通过秒表记录拆下经纬仪所用的时间 T;然后再将经纬仪通过快速对接机构,重复安装在底座上,并通过秒表记录时间 T;4)再次方位微动经纬仪使自准直望远镜中十字竖线与铅垂丝重合,并读取此时方位角显示值D2;共检测三次,最后取平均值;该项检测数据为重复定位误差;5)将经纬仪、底座及快速对接机构整体固定在步入式高低温箱的试验平台上,在高低温箱光学玻璃窗口外悬挂铅垂丝,如图4 所示。将经纬仪精确调平,方位微动经纬仪使自准直望远镜中十字竖线与铅垂丝重合(需调焦),此时方位角显示值 1归零,并锁紧经纬仪的方位及俯仰。高低温(-4060)循环三次试验后,再次微动经纬仪方位手轮,使自准直望远镜中十字竖线与铅垂丝重合,并读取此时方位角显示值 2,读取三次,取平均值;6)将经纬仪、底座及快速对接机构整体固定在振动台上,按系统要求进行随机振动试验,然后重复第 2)、3)、4)的操作,并记录方位角显示值 2,读取三次,取平均值。67第 2 期一种精密测量仪器的快速对接机构图 4 环境试验中重复性误差检测示意图Fig.4 Schematic diagram of repeatability error detectionin environmental test3.3 试验结果常温测试数据如表 1 所示,数据表明,快速对接机构的重复定位误差达到 2.3,分离时间为 4 s,安装时间为 6.3 s;环境试验后测试数据如表 2 所示,高低温后检测重复定位误差为 3.3,振动试验后检测重复定位误差为 3。验证了快速对接机构具有较高的重复定位误差,安装及分离的快速性,环境考核后的重复定位稳定性,证明设计合理。表 1 常温测试数据Tab.1 Normal temperature test data重复定位误差序号光学准直D1/()光电准直D2/()(D2-D1)/()平均值/()1022203330222.3分离时间安装时间序号计时 T/s平均值/s计时 T/s平均值/s14233546766.3表 2 环境试验后测试数据Tab.2 Test data after environmental test高低温后检测重复定位误差序号光学准直1/()光电准直2/()(2-1)/()平均值/()1033203330443.3振动试验后检测重复定位误差序号光学准直1/s光电准直2/s(2-1)/s 平均值/s10332022304434 结束语重复定位误差问题是各模块设备重复安装的关键技术之一。本设计采用三点支撑及快速锁紧的方式,实现了快速对接机构具有较高的重复定位误差。分析了对接机构原理,同时对重复定位误差的不确定度因素进行了分析,并通过设计试验来检测两仪器重复定位的误差。试验结果表明,高精密重复定位的快速对接机构的设计是合理的,研究结果可供需要较高误差对接的同类产品参考。参考文献1 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