阅读说明：本技术 一种航天在轨自由弯曲成形系统及成形方法和远程控制方法 (Aerospace on-orbit free bending forming system and forming method and remote control method ) 是由 郭训忠 胡胜寒 于 2020-04-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种航天在轨自由弯曲成形系统及成形方法和远程控制方法,在轨子系统和地面子系统；在轨子系统包括弯曲模(1)、弯曲模控制模块、轴向进补料模块、在轨通讯模块；地面子系统包括地面通讯模块、工艺控制模块、数字孪生模块；弯曲模控制模块包括3-RPSR并联机构、末端伺服电机(11)、中心伺服电机(12),其中末端伺服电机(11)、中心伺服电机(12)用于驱动3-RPSR并联机构运动；地面技术人员可通过数字孪生模块模拟成形系统在轨运行全过程、通过工艺控制模块、地面通讯模块、在轨通讯模块实现对成形系统的远程实时控制,经在轨子系统和地面子系统的实时配合与信息共享实现自由弯曲成形系统在轨服役。(The invention discloses an aerospace on-orbit free bending forming system, a forming method and a remote control method, wherein an on-orbit subsystem and a ground subsystem are provided; the on-orbit subsystem comprises a bending die (1), a bending die control module, an axial feeding and supplementing material module and an on-orbit communication module; the ground subsystem comprises a ground communication module, a process control module and a digital twinning module; the bending die control module comprises a 3-RPSR parallel mechanism, a tail end servo motor (11) and a center servo motor (12), wherein the tail end servo motor (11) and the center servo motor (12) are used for driving the 3-RPSR parallel mechanism to move; ground technicians can simulate the whole in-orbit operation process of the forming system through the digital twin module, realize remote real-time control on the forming system through the process control module, the ground communication module and the in-orbit communication module, and realize in-orbit service of the free bending forming system through real-time coordination and information sharing of the in-orbit subsystem and the ground subsystem.)

一种航天在轨自由弯曲成形系统及成形方法和远程控制方法

技术领域

本发明属于在轨制造技术领域，具体涉及一种航天在轨自由弯曲成形系统及成形方法和远程控制方法。

背景技术

在轨长期运行的航天器特别是空间站和在轨服务平台等，运行时间长，系统复杂，运行期间不可避免地会发生故障。如空间复杂环境下热控管路系统的导管类部件具有复杂二维平面及三维空间轴线和复杂截面，长期在特殊环境下服役，采用现有技术制造的弯曲构件无法同时满足壁厚均匀性、截面畸变率、三维轴线精度、成形整体性等关键技术指标，在实际服役过程中经常会由于强烈振动、腐蚀或机械损伤等因素发生磨损及横截面畸变，严重影响管路介质输送效率和导管使用寿命。

目前，服役于空间环境的热控管路系统一旦出现导管类部件的突发性故障或损坏，则必须依靠地面制造系统进行重新制造、运送、维修和更换，整个过程耗时较长，且需耗费大量人力物力，对于需要快速再次服役的零件无法做到应急响应，严重影响相关设备和系统在空间环境的工作，这已成为空间制造技术亟待解决的问题之一。

发明内容

本发明针对现有的空间环境的热控管路系统导管类部件制造技术的不足，提供了一种航天在轨自由弯曲成形系统及成形方法和远程控制方法。

本发明采用以下技术方案：

一种航天在轨自由弯曲成形系统，包括：在轨子系统和地面子系统；在轨子系统包括弯曲模(1)、弯曲模控制模块、轴向进补料模块、在轨通讯模块；弯曲模控制模块包括3-RPSR并联机构、末端伺服电机(11)、中心伺服电机(12)；3-RPSR并联机构包括动平台(2)、驱动连杆(3)、滑块(4)、导轨(5)、螺杆(6)、支撑座(7)、静平台(8)、环形导轨(9)、中心齿轮(10)；轴向进补料模块包括导向机构(13)、夹持机构(14)、供料弹簧(15)、填充弹簧(16)、弹舱式储料机构(17)、润滑槽(18)、Y向伺服电机(19)、直线导杆(20)、推进机构(21)；在轨通讯模块包括内置CCD高速相机(22)，外置CCD高速相机(23)，在轨计算机(24)；地面子系统包括地面通讯模块；工艺控制模块；数字孪生模块。

所述的航天在轨自由弯曲成形系统，弯曲模(1)的中心点与导向机构(13)前端的间距由常规自由弯曲设备中通常设置的1.5d(d为管坯外径)减小至1d，以使弯曲模(1)在绕X/Z轴旋转较小角度、沿Z/X轴偏移较小偏心距即可成形R/D＝3的小弯曲半径构件，确保结构紧凑的同时提高该成形系统的成形极限。

所述的航天在轨自由弯曲成形系统，其中动平台(2)与弯曲模1固定连接，可以带动弯曲模运动，动平台(2)通过三组驱动连杆(3)、三组滑块(4)、三组导轨(5)、三组螺杆(6)和三组静平台(8)形成三条闭环运动链，每条闭环运动连的结构为：驱动连杆(3)一端铰接在动平台(2)上，另一端通过球面副铰接在滑块(4)上，滑块(4)通过导轨(5)与支撑座(7)滑动连接，末端伺服电机(11)通过螺杆(6)驱动滑块(4)在支撑座(7)上滑动；支撑座(7)固定在静平台(8)上，静平台(8)一端固定在中心齿轮(10)上，另一端通过滑槽与环形导轨9滑动连接，中心齿轮(10)转动后驱动静平台(8)沿环形导轨9转动。

所述的航天在轨自由弯曲成形系统，弯曲模控制模块中的三条闭环运动链、支撑座(7)、末端伺服电机(11)围绕Y轴呈相差120°平均分布，以提高成形系统整体结构刚度和稳定性，服役于空间环境时可发挥其短时抗振性能。

所述的航天在轨自由弯曲成形系统，所述弹舱式储料机构(17)可通过在轨机械臂辅助上料并预存储多根管坯，管坯通过处于压缩状态的供料弹簧(15)压入夹持机构(14)的上料段。

所述的航天在轨自由弯曲成形系统，所述导向机构(13)外形为锥形，锥形的锥顶一端与弯曲模(1)相邻，以确保弯曲模(1)在绕X/Z轴最大角度旋转时不发生干涉，导向机构(13)内设置润滑槽(18)，储有以硅油为基础油的润滑剂，使得空间高低温环境下管材与弯曲模(1)和导向机构(13)间保持良好润滑效果。

所述的航天在轨自由弯曲成形系统，弯曲模(1)、动平台(2)、滑块(6)、支撑座(7)、静平台(8)、导向机构(13)、夹持机构(14)、推进机构(21)均采用航空航天用具有高比强度和比刚度的钛合金为原材料，并采用3D打印的方式制造，支撑座(7)采用镂空结构以保证零件在减重的同时具有良好的力学性能。

根据任一成形系统的成形方法，包括以下步骤：

1)电源启动，内置CCD高速相机(22)激活，在轨计算机(24)控制成形系统；

2)处于压缩状态的供料弹簧(15)将弹舱式储料机构(16)中的管坯压入夹持机构(14)的上料段；

3)Y向伺服电机(19)驱动推进机构(21)沿直线导杆(20)送料，经导向机构(13)内润滑槽(17)自润滑后送至弯曲模(1)的中心点并固定，同时推进机构(21)带动填充弹簧(16)伸长并填补夹持机构(14)上料段空位；

4)末端伺服电机(11)和中心伺服电机(12)根据编程信息驱动3-RPSR并联机构产生相应的运动，通过动平台(2)带动弯曲模(1)产生相应的移动和转动，同时Y向伺服电机(19)根据编程信息驱动推进机构(21)使管材继续沿送料方向运动，成形目标管件；

5)管件成形完成后，Y向伺服电机(19)驱动推进机构(21)推出管件并由在轨机械臂取出，Y向伺服电机(19)驱动推进机构(21)和填充弹簧(16)复位；

6)若无其余需成形管件，电源关闭；若需继续成形管件，重复步骤2)～5)。

根据任一成形系统进行远程控制的方法，包括以下步骤：

1)成形系统在轨运行前，构建成形系统在轨运行的数字孪生模型；

2)成形系统在轨运行后，在轨平台中的外置CCD高速相机(23)快速稳定获取所需成形目标管件的图像数据，传输至在轨计算机(24)后，由在轨计算机(24)传输至地面通讯模块；

3)地面通讯模块将图像数据传输至工艺控制模块，工艺控制模块对数据图像进行分析处理得到目标管材几何信息；

4)工艺控制模块根据几何信息进行自动编程，编程信息同步至数字孪生模块中预先模拟成形系统在轨运行过程；

5)工艺控制模块将编程信息输送至地面通讯模块，由地面通讯模块传输至在轨计算机(24)；

6)在轨计算机(24)接受编程信息后，启动电源，成形系统开始运行，内置CCD高速相机(22)和外置CCD高速相机(23)同步监控运行过程；

7)成形系统运行完成后，在轨机械臂取出弯曲件，电源关闭。

所述远程控制方法，所述步骤1)中数字孪生模型的构建应包括成形系统从设计、工艺、制造、装配、试验到投入使用的全生命周期的几何、材料、工艺信息。

所述远程控制方法，所述步骤6)中成形系统的运行方式由根据所需成形目标管件几何特征所编程序决定，针对圆形截面平面弯曲构件、圆形截面空间弯曲构件、异形截面弯曲构件运行方式不同。

本发明具有如下有益效果：

1)本发明可以实现空间特殊环境下管路系统中管材的柔性、无模、精确在轨制造，显著提高整体构件的几何精度、复杂程度以及成形极限，实现目标构件的一次精确整体成形。

2)本发明通过构建数字孪生模型并基于智能传感技术，实现了在轨小型化及轻量化自由弯曲成形系统的远程智能化控制，极大提高了自由弯曲系统的精确性和智能化。

3)本发明使自由弯曲设备在空间特殊环境中服役，在面对热控管路系统中的弯曲管件突发性故障或损伤做到应急响应，极大缩短维修系统的周期，节省人力物力。

附图说明

图1、本发明航天在轨小型化、轻量化自由弯曲成形系统总体示意图和成形系统工作坐标系；

图2、本发明成形模块、导向机构和润滑槽位置示意图，图中A表示弯曲模中心点；

图3、本发明弯曲模控制模块示意图；

图4、本发明推进机构工作状态弹舱式储料机构、供料弹簧、填充弹簧、推进机构示意图，图中L表示夹持机构上料段；

图5、本发明推进机构复位状态弹舱式储料机构、供料弹簧、填充弹簧、推进机构示意图；

图中1-弯曲模；2-动平台、3-驱动连杆、4-滑块、5-导轨、6-螺杆、7-支撑座、8-静平台、9-环形导轨、10-中心齿轮、11-末端伺服电机、12-中心伺服电机、13-导向机构、14-夹持机构、15-供料弹簧、16-填充弹簧、17-弹舱式储料机构、18-润滑槽、19-Y向伺服电机、20-直线导杆、21-推进机构、22-内置CCD高速相机，23-外置CCD高速相机，24-在轨计算机；

图6、圆形截面平面弯曲管件示意图；

图7、圆形截面空间弯曲管件示意图；

图8、异形截面空间弯曲管件示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

如图1、2、3、4、5所示，本发明的航天在轨自由弯曲成形系统包括在轨子系统和地面子系统。在轨子系统包括弯曲模1、弯曲模控制模块、轴向进补料模块、在轨通讯模块；弯曲模1与导向机构13前端的间距由常规自由弯曲设备中通常设置的1.5d减小至1d，d为管坯外径，以使弯曲模1在绕X/Z轴旋转较小角度、沿Z/X轴偏移较小偏心距即可成形R/D＝3的小弯曲半径构件；弯曲模控制模块包括3-RPSR并联机构、末端伺服电机11、中心伺服电机12，3-RPSR并联机构包括动平台2、驱动连杆3、滑块4、导轨5、螺杆6、支撑座7、静平台8、环形导轨9、中心齿轮10，其中动平台2与弯曲模1固定连接，可以带动弯曲模运动，动平台2通过三组驱动连杆3、三组滑块4、三组导轨5、三组螺杆6和三组静平台8形成三条闭环运动链，每条闭环运动连的结构为：驱动连杆3一端铰接在动平台2上，另一端通过球面副铰接在滑块4上，滑块4通过导轨5与支撑座7滑动连接，末端伺服电机11通过螺杆6驱动滑块4在支撑座7上滑动；支撑座7固定在静平台8上，静平台8一端固定在中心齿轮10上，另一端通过滑槽与环形导轨9滑动连接，中心齿轮10转动后驱动静平台8沿环形导轨9转动，通过三条闭环运动链，可以使3-RPSR并联机构运动时产生的几何误差平均分散至三条运动链，避免造成累计误差，三条闭环运动链、支撑座7、末端伺服电机11围绕Y轴呈相差120°平均分布，末端伺服电机11驱动三条闭环运动链产生运动进而带动弯曲模1产生沿X/Z轴的移动和绕Z/X轴的转动，中心伺服电机12用于驱动3-RPSR并联机构绕Y轴在环形导轨9上产生旋转运动；轴向进补料模块包括导向机构13、夹持机构14、供料弹簧15、填充弹簧16、弹舱式储料机构17、润滑槽18、Y向伺服电机19、直线导杆20，推进机构21，其中弹舱式储料机构17可通过在轨机械臂辅助上料并预存储多根管坯，供料弹簧15安装在弹舱式储料机构17内，用于在推进机构21复位后将管坯压入夹持机构14的上料段，填充弹簧16一端与推进机构21底部相连接，另一端与夹持机构14上料段的底面相连接，推进机构21复位或未工作时其处于压缩状态，推进机构21工作时管坯沿送料方向向上移动，管坯初始位置变为待填补空位，填充弹簧16被推进机构21带动沿送料方向伸长并填补空位以防止剩余管坯进入夹持机构14造成推进机构21无法正常复位，Y向伺服电机19用于驱动推进机构21进行轴向送料和复位，推进机构21与管坯接触处的锥形设计可对管坯定位，推进机构20与管坯接触处的锥形设计可对管坯定位，润滑槽18设置在导向机构13内，储有具有高低温性能和黏温性能良好的以硅油为基础油的润滑剂；在轨通讯模块包括内置CCD高速相机22，外置CCD高速相机23，在轨计算机24，其中内置CCD高速相机22，外置CCD高速相机23所拍摄的图像数据可通过在轨计算机24传输至地面通讯模块；地面子系统包括：地面通讯模块；工艺控制模块；数字孪生模块；其中，地面通讯模块用于接收在轨计算机24传输的图像数据并传输至工艺控制模块，工艺控制模块可对图像数据进行分析处理和编程，数字孪生模块可对成形系统在轨运行全过程进行预先模拟和实时还原。

以下结合“圆形截面平面弯曲构件”、“圆形截面空间弯曲构件”、“异形截面空间弯曲构件”的具体实施实例，对本发明进行详细说明。

实施例1

1)、在轨平台中的外置CCD高速相机23快速稳定获取所需成形圆形截面平面弯曲管件的图像数据，传输至在轨计算机24后，由在轨计算机24传输至地面通讯模块；

2)、地面通讯模块将图像数据传输至工艺控制模块，工艺控制模块对数据图像进行分析处理得到目标管材几何信息；

3)、工艺控制模块根据几何信息进行自动编程，编程信息同步至数字孪生模块中预先模拟成形系统在轨运行过程；

4)、工艺控制模块将编程信息输送至地面通讯模块，由地面通讯模块传输至在轨计算机24；

5)、在轨计算机24接受编程信息后，启动成形系统电源，内置CCD高速相机22激活，在轨计算机24控制成形系统；

6)、处于压缩状态的供料弹簧15将弹舱式储料机构16中的圆形截面管坯压入夹持机构14的上料段；

7)、Y向伺服电机19驱动推进机构21沿直线导杆20送料，经导向机构13内润滑槽18自润滑后送至弯曲模1的中心点并固定，同时推进机构21带动填充弹簧16伸长并填补夹持机构14上料段空位；

8)、末端伺服电机11根据编程信息驱动3-RPSR并联机构的闭环运动链产生相应的运动，即滑块4带动驱动连杆3沿导轨5产生移动和固定平面内的转动，进而带动弯曲模1产生绕X轴的转动和沿Z轴的移动或绕Z轴的转动和沿X轴的移动，中心伺服电机13不工作，同时Y向伺服电机19根据编程信息驱动推进机构21使管材继续沿送料方向运动，成形目标管件；

9)、管件成形完成后，Y向伺服电机19驱动推进机构21推出管件并由在轨机械臂取出，Y向伺服电机19驱动推进机构21和填充弹簧16复位；

10)、电源关闭。

实施例2

1)、在轨平台中的外置CCD高速相机23快速稳定获取所需成形圆形截面空间弯曲管件的图像数据，传输至在轨计算机24后，由在轨计算机24传输至地面通讯模块；

2)、地面通讯模块将图像数据传输至工艺控制模块，工艺控制模块对数据图像进行分析处理得到目标管材几何信息；

3)、工艺控制模块根据几何信息进行自动编程，编程信息同步至数字孪生模块中预先模拟成形系统在轨运行过程；

4)、工艺控制模块将编程信息输送至地面通讯模块，由地面通讯模块传输至在轨计算机24；

5)、在轨计算机24接受编程信息后，启动成形系统电源，内置CCD高速相机21激活，在轨计算机24控制成形系统；

6)、处于压缩状态的供料弹簧15将弹舱式储料机构16中的圆形截面管坯压入夹持机构14的上料段；

7)、Y向伺服电机19驱动推进机构21沿直线导杆20送料，经导向机构13内润滑槽18自润滑后送至弯曲模1中心点并固定，同时推进机构21带动填充弹簧16伸长并填补夹持机构14上料段空位；

8)、末端伺服电机11根据编程信息驱动3-RPSR并联机构的闭环运动链产生相应的运动，即滑块4带动驱动连杆3沿导轨5产生移动和不同方向平面内的转动，进而带动弯曲模1产生绕X轴的转动和沿Z轴的移动或绕Z轴的转动和沿X轴的移动，中心伺服电机13不工作，同时Y向伺服电机18根据编程信息驱动推进机构21使管材继续沿送料方向运动，成形目标管件；

9)、管件成形完成后，Y向伺服电机20驱动推进机构21推出管件并由在轨机械臂取出，Y向伺服电机19驱动推进机构21和填充弹簧16复位；

10)、电源关闭。

实施例3

1)、在轨平台中的外置CCD高速相机22快速稳定获取所需成形异形截面空间弯曲管件的图像数据，传输至在轨计算机23后，由在轨计算机24传输至地面通讯模块；

2)、地面通讯模块将图像数据传输至工艺控制模块，工艺控制模块对数据图像进行分析处理得到目标管材几何信息；

3)、工艺控制模块根据几何信息进行自动编程，编程信息同步至数字孪生模块中预先模拟成形系统在轨运行过程；

4)、工艺控制模块将编程信息输送至地面通讯模块，由地面通讯模块传输至在轨计算机24；

5)、在轨计算机24接受编程信息后，启动成形系统电源，内置CCD高速相机21激活，在轨计算机24控制成形系统；

6)、处于压缩状态的供料弹簧15将弹舱式储料机构16中的异形截面管坯压入夹持机构14的上料段；

7)、Y向伺服电机18驱动推进机构21沿直线导杆20送料，经导向机构13内润滑槽17自润滑后送至弯曲模1的中心点并固定，同时推进机构21带动填充弹簧16伸长并填补夹持机构14上料段空位；

8)、末端伺服电机11根据编程信息驱动3-RPSR并联机构的闭环运动链产生相应的运动，即滑块4带动驱动连杆3沿导轨5产生移动和不同方向平面内的转动，中心伺服电机13根据编程信息驱动3-RPSR并联机构产生绕Y轴的转动，进而带动弯曲模1产生绕X轴的转动和沿Z轴的移动和绕Z轴的转动和沿X轴的移动和绕Y轴的转动，同时Y向伺服电机19根据编程信息驱动推进机构21使管材继续沿送料方向运动，成形目标管件；

9)、管件成形完成后，Y向伺服电机19驱动推进机构21推出管件并由在轨机械臂取出，Y向伺服电机19驱动推进机构21和填充弹簧16复位；

10)、电源关闭。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。