基于尺寸链的圆柱凸轮接口优化设计方法及其结构技术

本发明专利技术提供一种基于尺寸链理论和遗传算法的圆柱凸轮式机械接口失效分析和优化设计方法，对曲线槽尺寸链进行了计算，找到引起失效的设计因素，通过遗传算法优化尺寸，最后通过蒙特卡洛模拟对已有圆柱凸轮式机械接口和本发明专利技术进行了可靠性计算，计算结果显示本发明专利技术容差能力极强，运动可靠，并提出了对应的优化结构。

【技术实现步骤摘要】
基于尺寸链的圆柱凸轮接口优化设计方法及其结构
本专利技术涉及航天器模块化接口设计
，具体而言，尤其涉及机械式可重复连接分离的接口组件，圆柱凸轮接口组件的优化设计方法及其结构。
技术介绍
随着人类对空间研究、开发与利用的不断深入，航天器模块化设计成为满足快速响应、延长使用寿命、降低研制和维护成本等航天开发需求的关键技术。接口是模块组合在一起的纽带，是模块间进行物质、能量和信息传输的通道。因此，接口标准化是模块化设计和在轨组装的关键，引起世界各国的重视。德国亚琛大学提出了iBOSS(intelligentBuildingBlocksforOn-OrbitSatelliteServicing)项目，提出了五种接口方案：具有独立连接单元的接口、磁性接口、螺纹接口、挂钩接口、卡鞘式接口。其中，卡鞘式接口性能最优。本申请基于专利公开号CN109229432A一种多功能一体化接口组件这一类卡鞘式接口设计原理，进行改进并提出对应的优化方法。专利公开号CN109229432A的技术方案中的圆柱凸轮式机械接口通过曲线槽和销轴的间歇配合完成锁紧动作；其核心机构如图1所示，包括：推进筒(1)、驱动环(2)、外销轴(3)、锁钩(4)、内销轴(5)和中心块(6)。该机构通过电机驱动驱动环匀速转动，驱动环带动内外销轴和曲线槽配合完成锁钩上升-回转-下降的锁紧动作以及推进筒的二次推进动作。接口装置的工作过程可以分解成几个串联的序列动作，也可以看做是一系列间歇动作，如图2所示。这一系列动作可分为六个步骤：(1)销轴在两个曲线槽上升段的作用下上升；(2)销轴在两个曲线槽平直段高度差的作用下被推上中心块平直段；(3)销轴受到中心块平直段凸起的阻挡而渡过驱动环平直段；(4)销轴在驱动环平直段末端的阻挡下越过凸起；(5)销轴在两个曲线槽下降段的作用下下降；(6)销轴进入驱动环最后一个平直段，销轴停留在中心块下降段的锁紧位置，驱动环外销轴完成二次推进动作阶段。圆柱凸轮式机械接口设计面临以下问题：当主动端锁钩执行锁紧动作的“水平旋转”阶段时，锁钩组件有小概率因为外界振动等因素影响，导致锁钩组件上的销轴未进入期望的曲线槽区间中。这会引发装置出现卡滞(功能失效)，无法执行后续的其他连接动作，且无法通过电机反转自行排除，这显然不符合该类产品的使用场景对装置性能的要求。经过分析该接口装置曲线槽尺寸链在销轴上升阶段、下降阶段以及二次推进阶段，销轴受力连续，动作连贯；但是在回转阶段销轴间歇受力，运动存在不确定性，加工尺寸的误差累积以及销轴在曲线槽中的振动等可能会引起接口装置的失效现象，即销轴卡死在曲线槽中。有两种失效类型如图3所示。本专利提出了一种基于尺寸链的圆柱凸轮式机械接口优化设计方法及其结构，接口工作可靠。接口包含主动端和被动端，在应用时成对使用。主动端与被动端靠近后，主动端一侧的电机运转，带动传动机构执行预定动作，完成锁钩锁紧和后续推进动作。接口利用电机的正转和反转，可实现多次重复的连接与分离，从而实现航天器在轨组装。
技术实现思路
根据上述提出的技术问题，提供一种工作更为可靠的接口设计方法以及具体结构。本专利技术主要利用主动端与被动端靠近后，主动端一侧的电机运转，带动传动机构执行预定动作，完成锁钩锁紧和后续推进动作。接口利用电机的正转和反转，可实现多次重复的连接与分离，从而实现航天器在轨组装。本专利技术采用的技术手段如下：一种基于尺寸链的圆柱凸轮接口优化设计方法，包括以下步骤：步骤一，基于尺寸链理论分析接口失效机理，分考虑振动和不考虑振动两种情况进行分析。(1)不考虑振动时，建立接口核心部件曲线槽尺寸链模型分析失效原因，发现驱动环平直段与中心块平直段高度差A0为关键尺寸，当A0过大时，销轴在中心块上升段顶点处被卡住，将发生第一种失效；当A0过小时，凸起对销轴起不到阻挡作用，将发生第二类失效。选取A0、A1、A2、A3、A4作为一条尺寸链的闭环，H1为内外销轴半径差，H2为凸起高。与驱动环和中心块平直段高度差A0有关的尺寸，计有驱动环销轴起始高度A2、驱动环上升段高度A1、中心块销轴起始高度A3、中心块上升段高度A4，形成封闭的尺寸组，其中A0是封闭环，A1～A4为组成环，且A1和A2为减环，传递系数ξ1＝ξ2＝-1，A3和A4为增环，传递系数ξ3＝ξ4＝+1，尺寸链方程为：A0＝A3+A4-(A1+A2)(1)根据失效原因，A0的极限偏差应为-(A0-H1+H2)→+(H1-A0)，组成环的公差累积可能偏离所期望的封闭环尺寸公差，加工曲线槽时，刀具初始定位误差、走刀路径偏差都会影响A0的大小。公差设计计算：已知封闭环极限偏差：ES0＝H1-A0，EI0＝-(A0-H1+H2)。封闭环公差：T0＝H1-A0+A0-H1+H2＝H2。各组成环平均极值公差为：采用等公差法分配各组成环尺寸公差：计算结果显示各组成环允许的偏差范围只与凸起高度H2有关，凸起要足够高，才能保证能暂时阻止销轴，但是凸起也不能太大，若凸起太大，销轴越过凸起很艰难，而且接口尺寸也会变大。(2)考虑振动时，建立接口曲线槽尺寸链模型销轴在曲线槽中位于平直段时，销轴可向上跳动的尺寸为0到H0；将销轴的跳动距离等效成A0的一个组成环，设为A5，A5的公称尺寸在理想状态下为0，公差为H0，尺寸为选取A0、A1、A2、A3、A4、A5作为一条尺寸链的闭环，分析失效原因，当销轴位于两个曲线槽上升段与平直段过渡处时，销轴向上跳动，曲线槽高度差会不起作用，销轴同时跳上两个曲线槽平直段，会发生第一类失效；当销轴位于凸起处时，销轴向上跳动，凸起将不起作用，销轴会越过凸起发生第二类失效。这两个位置的A5对A0的传递系数可以通过求偏导数得到。为了分析失效机理、验证应用效果，本专利以接口初始设计方案作为算例，求出算例这两个位置A5对A0的传递系数：销轴位于这两个位置时，传递系数分别为0.3和-0.5，分别用极值法和概率法对这两个位置的封闭环公差进行计算，计算结果如下表所示。经过比较，该接口曲线槽尺寸链组成环的误差累积会导致封闭环尺寸公差不满足要求，在考虑振动的尺寸链计算中发现在传递系数0.3位置一封闭环的上偏差不满足要求，而在传递系数-0.5位置二封闭环下偏差不满足要求，这两个偏差主要是A5和A5′引起的，可见销轴的可跳动距离是造成误差的主要原因，需要减小曲线槽间隙。步骤二，根据尺寸链失效机理分析结果，通过增高凸起、减小中心块曲线槽宽，确定合适的曲线槽线型。步骤三，以驱动环在上升段末端对销轴施加的推进力最大和凸起高度最小为优化目标，建立曲线槽尺寸多目标优化模型。(1)销轴上升段末端受力分析电机驱动力F分解之后对销轴的有效推进力为F2，F2是决定销轴先上中心块曲线槽平直段的关键，F2需要尽可能大，保证销轴回转动作的顺本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于尺寸链的圆柱凸轮接口失效机理分析及优化设计方法，其特征在于通过分析接口尺寸链，确定接口失效机理，对尺寸链中易失效因素进行针对性设计，通过多目标优化确定最优方案，最后通过蒙特卡洛法进行验证，包括以下步骤：/n步骤一，基于尺寸链理论分析接口失效机理，分考虑振动和不考虑振动两种情况进行分析；/n(1)不考虑振动时，建立接口核心部件曲线槽尺寸链模型/n分析失效原因，发现驱动环平直段与中心块平直段高度差A

【技术特征摘要】
1.一种基于尺寸链的圆柱凸轮接口失效机理分析及优化设计方法，其特征在于通过分析接口尺寸链，确定接口失效机理，对尺寸链中易失效因素进行针对性设计，通过多目标优化确定最优方案，最后通过蒙特卡洛法进行验证，包括以下步骤：
步骤一，基于尺寸链理论分析接口失效机理，分考虑振动和不考虑振动两种情况进行分析；
(1)不考虑振动时，建立接口核心部件曲线槽尺寸链模型
分析失效原因，发现驱动环平直段与中心块平直段高度差A0为关键尺寸，当A0过大时，销轴在中心块上升段顶点处被卡住，将发生第一种失效；当A0过小时，凸起对销轴起不到阻挡作用，将发生第二类失效；
选取A0、A1、A2、A3、A4作为一条尺寸链的闭环，H1为内外销轴半径差，H2为凸起高；与驱动环和中心块平直段高度差A0有关的尺寸，计有驱动环销轴起始高度A2、驱动环上升段高度A1、中心块销轴起始高度A3、中心块上升段高度A4，形成封闭的尺寸组，其中A0是封闭环，A1～A4为组成环，且A1和A2为减环，传递系数ξ1＝ξ2＝-1，A3和A4为增环，传递系数ξ3＝ξ4＝+1，尺寸链方程为：
A0＝A3+A4-(A1+A2)(1)
根据失效原因，A0的极限偏差应为-(A0-H1+H2)→+(H1-A0)，组成环的公差累积可能偏离所期望的封闭环尺寸公差，加工曲线槽时，刀具初始定位误差、走刀路径偏差都会影响A0的大小；
公差设计计算：
已知封闭环极限偏差：ES0＝H1-A0，EI0＝-(A0+H1+H2)；
封闭环公差：T0＝H1-A0+A0-H1+H2＝H2；
各组成环平均极值公差为：
采用等公差法分配各组成环尺寸公差：



计算结果显示各组成环允许的偏差范围只与凸起高度H2有关，凸起要足够高，才能保证能暂时阻止销轴，但是凸起也不能太大，若凸起太大，销轴越过凸起很艰难，而且接口尺寸也会变大；
(2)考虑振动时，建立接口曲线槽尺寸链模型
销轴在曲线槽中位于平直段时，销轴可向上跳动的尺寸为0到H0；将销轴的跳动距离等效成A0的一个组成环，设为A5，A5的公称尺寸在理想状态下为0，公差为H0，尺寸为选取A0、A1、A2、A3、A4、A5作为一条尺寸链的闭环，分析失效原因，当销轴位于两个曲线槽上升段与平直段过渡处时，销轴向上跳动，曲线槽高度差会不起作用，销轴同时跳上两个曲线槽平直段，会发生第一类失效；当销轴位于凸起处时，销轴向上跳动，凸起将不起作用，销轴会越过凸起发生第二类失效；这两个位置的A5对A0的传递系数可以通过求偏导数得到；
为了分析失效机理、验证应用效果，本专利以接口初始设计方案作为算例，求出算例这两个位置A5对A0的传递系数：






销轴位于这两个位置时，传递系数分别为0.3和-0.5，分别用极值法和概率法对这两个位置的封闭环公差进行计算，计算结果如下表所示；



经过比较，该接口曲线槽尺寸链组成环的误差累积会导致封闭环尺寸公差不满足要求，在考虑振动的尺寸链计算中发现在传递系数0.3位置一封闭环的上偏差不满足要求，而在传递系数-0.5位置二封闭环下偏差不满足要求，这两个偏差主要是A5和A5′引起的，可见销轴的可跳动距离是造成误差的主要原因，需要减小曲线槽间隙；
步骤二，根...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志杰，杨帅，刘俏，王晓邦，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21