基于拱形片弹簧的具有容差能力的电器接口设计

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随着地球轨道上的航天器的日益增多，在轨维护技术正在成为各国空间机器人研究的重点 。在空间机器人执行在轨维护任务时，有些大型工具和ORU需要来自机械臂端的控制信号和电能供给。针对日益复杂的空间任务，多种专用工具的使用必不可少。通过设计连接机械臂末端执行器和工具端的标准接口，可以大大降低维护设备的发射成本，同时满足空间任务多样性的要求。

现阶段，解决空间使用的电器接口在对接过程中出现的小偏差问题主要有两种方法：(1)电器接口自身具有容差导向能力。

(2)通过设计具有弹性元件的辅助装置使本身不具备容差能力的电器插头具备-定的备容差能力 。

具有容差能力的电器接口成为机械标准接口的重要组成部分，利用拱形片弹簧作为关键部件设计了-种满足容差指标的电器接口座∠之国外设计的具有容差能力的电器座，该结构紧凑性上大大增强。

2拱形片弹簧容差电器接口的组成空间小型机械臂操纵的机械接口尺寸较小，要想实现机械与电器的同步连接需要设计更加紧凑的外围浮动座。带有容差能力的电器座的机械接口整体效果，如图 1所示。

图 1带容差能力的电器座的机械接口Fig.1 The Mechanical Interface of Electrical Seatwith Tolerance Ability每-个机械接口最多可以携带三个这样插针浮动座，每个浮动座可以安装-个IMC 60807-3标准的 15个接头的插针接头。该来稿日期：2012-04-12基金项目：国家 863计划资助项目(2006AAo4z228)作者简介：任利学，(1985)，男，河北张家口，硕士研究生，主要研究方向：空间机器人技术；刘 宏，(1966)，男，博士，教授，主要研究方向：仿人机器人灵巧手，机器人宏，微操作56 机械设 计 与制 造No.2Feb.2013经过受力分析，得知径向最大受力为 30N，为了快速找出并确定弹簧片各参数的合适取值，简化为单向受力模型，如图8所示。

图8浮动块单方向接触受力模型Fig.8 Floating Singk Direction Contact Force Model弹簧片两端固定 既不可以移动也不可以转动，浮动块只能沿-个方向( 或 l，)移动，在径向力作用下浮动块与径向弹簧片接触挤压，引起弹簧片的变形。

对于接触分析，还没有快速的解析方法，而采用有限元方法分析时，往往计算量大，速度较慢 。为了快速选定参数范围，根据弯曲拱梁的接触受力小变形经验，选如度长度的(1，3～l，2)的对中区域采用均布载荷代替浮动块施加给片弹簧的挤压力，进行变形量分析。得到弹簧片变形趋势后，初步选取参数。材料选用弹簧常用材料 60Si2Mn.参数如表 1所示。

表1片弹簧材料参数Tab.1 Spring material Parameters以弹簧片宽度 /，U，弹簧片厚度t，和切缝倾角 A等参数为变量，使用有限元软件的设计算例方法，可以得到-系列等间隔的以上述参数为变化量的变形结果，如图9、图10所示。

图 9短弹簧片局部分布载荷变形量Fig.9 ShorSpring Leaf Local Distributed Load Deformation。麟 。

图 1O长弹簧片局部分布载荷变形量Fig.10 Long Le af Spring Local Distributed Load Deformation由于在该种载荷作用下，其变形形状呈 形，拱片最高点变形量应当略大于接触时的变形量〖虑 ( -<0.50turn，AY≤0.55ram)的 向和y向容差范围指标。由此，选定了长短弹簧片的参数，如表 2所示。

表2弹簧片参数初定Tab.2 Leaf Spring PreIimina Parameters对上述选定参数的弹簧片进行接触分析，在接触变形过程中，弹簧片的顶点始终保持与浮动块的表面接触，接触区域的面积也逐渐随着力的增大而不断增大。最终得到二者的刚度曲线，如图 11所示。

； ；lr/ 位移(mm)(b)图II弹簧片刚度曲线Fig.11 Le af Spring Stiffness Curve4弹簧片动态响应性能对于质量弹簧阻尼系统有：[ ]童[c] I[K] F (2)圆弧拱形片弹簧的刚度是非线性的，为了提高浮动块的动态响应性能真实性，需要模拟各片弹簧刚度的非线性特性。因此，首先利用多项式对刚度曲线进行拟合。

4.1刚度曲线的多项式拟合对给定的数据(%y，)(i-O，1，，m)，使用函数-厂( )进行拟合，误差平方和，：∑ ：∑ ( ) ) (3)/0 iO偏差的平方和s：s2 ( )- ) (4)式中： 的平均值。

决定系数 ，1-妻 (5))对-个完美的拟合，JO，则产：1。因而，r2越接近于1，那么曲线拟合的越好。s的值指示了数据在均值周围的散布程度，而-，的值则指示了有多少数据散布不能由模型来解释。因此，比率品 ㈨0No.2Feb.2013 机械设计与制造 57指示了不能由模型解释的百分比数据变化。实际经验表明，-个好的拟合至少可以解释99%的数据变化，即值r2≥0.99 。

基于最小二乘准则，利用四次多项拟合长短弹簧片的刚度曲线，结果如表3所示。

表 3刚度曲线拟合品质Tab.3 Stifness Cuwe Fiting Quality从表 3可以看出，拟合结果几乎趋于完美，将上述两拟合曲线以横坐标等间隔人百个点，保存为数表后读人 ADAMS中作为非线性弹簧的刚度特性曲线。

4.2径向动态响应性能- 般认为，阶跃输入对系统来说是最严峻的工作状态 。弹簧缓冲装置径向的加载过程近似于以最大径向力为幅值的阶跃信号输入。为了比较线性压缩弹簧与圆拱形片弹簧在动态响应性能上的差异，设置线性压缩弹簧的当量刚度为轴向载荷达到最大径向力时与各片弹簧具有相同变形量的刚度。以初始时刻浮动块质心所在位置为坐标原点，建立该模型的动力学模型。

fk。( )0 0 ] 1 (f)]l 0 k2(，)0 1Y l1 (f) (6) 0 0 ，( )j J l ( )J对于摩擦阻尼，由于涉及到材料类型，接触方式，内部能量耗散，材料表面参数等影响因素，所以现在还没有建立-套完善的理论模型。在接触分析中，基于分形接触理论，提出了结合面法向接触参数的预估方法目。法向接触刚度随法向载荷的增大而逐渐增加，但法向载荷对结合面的法向阻尼特性影响较校qzx/ o- (7)采用片弹簧的当量刚度计算各阻尼常数预估值：Cl2、/ 2×/3×丽 而 2.68Ns/mmc 2、/ 2×、/3×露 2.58Ns/mm为了弥补阻尼常数预估的粗糙性，扩大 C 和 C 的范围，使其在(O.01004.ooo)之间等间隔取值。几何条件限制了其绕z轴的转动范围(-1.2～1.2)。，因此在外部无力矩输入的情况下，可以不考虑其转动自由度。当浮动块受到沿 轴和 y轴之间的径向力作用时，质心位置偏移引起两轴向弹性力在坐标原点处的微小转动力矩，可能引起浮动块微小幅度的自由振动，仿真实验中也验证了这-现象。与线性弹簧的比较结果，如图 l2、图 13所示。

较之与短弹簧片刚度系数当量相同的线性压缩弹簧，在相同的阻尼条件下，短圆弧拱形片弹簧的超调量明显减小，上升时间大约缩短了-倍左右，调节时间也几乎缩短了-倍左右。这说明了以短片弹簧作为 方向的弹性支承，不仅在结构尺寸上，而且在动态响应的快速性和稳定性能上都优于普通圆柱螺旋压缩弹簧。长弹簧片的动态响应性质与之相似。在机械设计中，非线性弹簧还具有可以较好地避免共振的发生的优点。

l l I II l I l lI I I l Il。 l l I Il - - I I l lIJ - ：- E - r- r j ，V， / ， / ，-f， ，，. ， ，- - c0.0100，， /5" c0 8080 f --c1.6O6o lI； ltf - c：2.4040t磕 .--c3.2020F c4。

图 12短弹簧片当量线性弹簧动态响应曲线Fig.12 Dynamic Response Curve of Short Spring I afEquivalent Linear SpringNon linear Spring Dymamic Response(X)- c：2.4040·- c3.20200～ c4 0M00.1 0.2 O.3 0.4 O.5Time(sec)图 13短弹簧片动态响应曲线Fig.13 Dynamic Response Curve of Short Spring Leaf当受到介于 轴与 y轴之间的径向力作用时，由于小阻尼条件更为苛刻，故选取了两种小阻尼情形对-般径向力问题进行了分析。

(-3o)Y(-30)(CO.05)l xRESPON S E [I 。 JI ：，：：： ：：1 ～ ～ lL，- l l l J I r ～ ～ Il(b)图 14-般径向力动态响应挣陛Fig.14 General Radial Force Dynamic Response Characteristics7 6 5 4 3 20 0 。 - - 勘 。

O 0 q0 钇 0C O 0 y 0 O 0 m 0m 0 O58 机 械设 计 与制 造No.2Feb.201 3可以看出阻尼足够的情况下，会迅速进入稳定状态。当阻尼状态非常小时，在响应初始阶段，会出现绕z轴微小浮动的振动。

5模态分析在电器接口的插接过程中还应考虑到外围设备的引入带来的振动的影响。因此对长短弹簧片分别应用壳体单元和实体单元进行了模态分析，二者偏差小于 1%。二者的前五阶共振频率，如图 15所示。其频率远远高于电器接口的测试插接频率(5Hz)，可以安全使用。

0000gO00。0o萎4o02O0oO6Ooo50004000婺3oo200010000短弹簧片共振频率l 2 3 4 5模式号-壳体单元分析 实体单元分析(a)长弹簧片共振频率1 2 3 4 5模式号壳体单元分析 -实体单元分析(b)图 15长短弹簧片共振频率Fig.15 Long and Short LeM Spring Resonance Frequency(上接 第 53页)[6]苏乾益.振动磨机介质运动规律及参数设计[J].南方冶金学院学报，2002(1)：13-28。

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(Chen Yu-dong.Structure Vibration Analysis [M]Changchun：JilinUniversitv Press.2008：50-53.)6总结以圆拱形片弹簧作为普通电器接N#b同容差装置的核心部件，得到了-种结构更加紧凑的设计方案。通过有限元软件的参数化设计方法，初步选定了片弹簧各参数的合理范围。然后通过合理简化模型，使用接触分析得到了选定弹簧片的刚度曲线。使用多项式拟合刚度曲线后 ，导人 ADAMS中，与当量线性弹簧的动态响应特性进行了对比，证明了片弹簧在动态响应的快速性和稳定性上都得到了增强。最后通过模态分析验证了设计的安全可靠性。