基于真空负压吸附的太阳翼重力卸载技术

空间可展开机构在地面装配和模拟展开试验过程中受到重力作用而产生应力或变形,在太空环境下重力消失引起应力释放,造成空间机构的性能发生变化影响其在轨可靠运行。针对太阳翼等空间可展开机构地面装配和展开试验的重力卸载需求,提出基于真空负压吸附的重力卸载方法,通过对太阳翼的展开动力学分析,建立卸载重力的太阳翼动力学模型;分析摩擦因数对真空负压吸附系统运动性能的影响规律和重力补偿系统的跟随响应特性,实现重力卸载系统在水平面内的自由移动和快速跟随。试验结果表明,真空负压吸附重力卸载系统的接触界面摩擦因数小于0.08,在40N的太阳翼载荷下重力补偿系统的响应误差为±5%,综合重力卸载精度可以达到94.6%。因此,基于真空负压吸附的重力卸载方法具有很高的自由度和跟随响应速度,能够满足太阳翼等空间可展开机构精密装配和模拟展开试验的需求。     

空间高精度谐波减速器的应用及其发展趋势

谐波减速器作为一种结构紧凑、质量轻、体积小而减速比大、传动效率高、传动精度高传动刚度高的高性能减速器,在工业机器人和航天领域得到了广泛的应用。通过对谐波减速器在太阳翼展开机构、天线指向机构、扫描机构、行星着陆器行进轮驱动机构、空间机器人驱动关节以及导弹舵机等空间机构的应用的研究,提出了空间高精度谐波减速器的关键技术和发展趋势,并对未来谐波减速器在空间机器人、精确定位指向机构以及太阳翼帆板展开机构中的应用进行了展望。此外,也从材料、加工工艺、热处理以及优化设计技术等多角度对谐波减速器的研制技术进行了分析和研究,并从空间环境出发,对空间谐波减速器的润滑方式、使用寿命,以及在真空、强辐射和大温差环境下的传动特性进行了分析,为空间谐波减速器的研发提供了借鉴。     

空间对接缓冲试验台对接环重力平衡技术

在空间对接机构地面缓冲实验平台上,为了模拟空间失重状态,研制了一种高精度、高响应速度的主动对接环重力平衡装置.介绍了对接环重力平衡装置的机构原理.对对接过程随动装置的随动性对系统的干扰进行了详细分析.进行了重力平衡器相关实验,从实验数据和理论分析可以得出:所设计的重力平衡装置完全满足对摩擦阻力和惯性阻力设计指标的要求,重力平衡达到1.1%的精度.     

蜗轮蜗杆副的空间操作器应用研究

随着机器人技术在空间领域的发展,需要有一种结构紧凑、简单可靠的机械机构用于机器人末端操作器的传动。蜗轮蜗杆副具有传动简便等优点,特别适于作为对夹式操作器的传动机构。针对蜗轮蜗杆副空间环境适应性研究尚不充分的问题,采用分析和试验相结合的方法对蜗轮蜗杆在机器人操作器中的安装实现、润滑、振动、高低温及寿命进行了研究。利用热真空罐、振动台等测试手段模拟空间环境对研制的蜗轮蜗杆副进行了空间环境适应性测试。研究结果表明通过合理的设计,蜗轮蜗杆副可以具备空间应用的能力,能够满足空间环境要求。     

大行程纳米分辨率加载机构的研制

对微构件力学性能测试的微力微位移装置的重要组成部分－－大位移高分辨率加载机构进行了研究。根据微力微位移装置的要求,提出了一种通过结构变形进行加载的载体式两级加载机构,该机构的第一和第二级分别通过压电陶瓷驱动器和直线电机进行加载,输出位移通过电容测微仪检测。加载机构的第一级是一个位移放大机构,采用柔性铰链连接的杠杆放大,第二级通过柔性杆进行输出位移的缩小。采用遗传算法优化设计了两级整体式结构,用有限元进行分析,并对加载机构的第一级进行了实验。有限元分析和实验结果表明,所设计的结构能够实现最1mm的输出位移,并在压电驱动器和直线电机的驱动下,获得小于10nm的理论位移增量和纳米级位移分辨率。该机构满足了最大加载为20N的要求。该加载机构的研制成功解决了微力微位移位置的一个关键问题。     

一种用于太阳翼快速装配展开的智能装备设计

太阳翼产品主要由电池阵基板及可收展机构组成,是空间航天器的能源提供者。为满足相关航天器地面快速响应的需要,针对目前常见的双板太阳翼产品,设计研制了可满足应急快速响应任务的太阳翼快速装调装置。介绍了可辅助太阳翼快速智能对位、调整及展开的装置系统组成及实现形式,并着重对快速装配展开装置进行了详细分析及模拟试验。试验结果表明,装置可满足太阳翼快速装调需求,操作时间大大减少,人工操作风险降低。展开-收拢过程太阳翼工作稳定,关键部件性能完好可靠,装配及展开时间缩短近半。     

机械臂重力平衡机构的设计与实验研究

传统无重力平衡机械臂因自重影响致使机械臂控制难度增大、动态特性变差,以被动重力平衡原理为基础,综合弹簧平衡机构和凸轮平衡机构进行机械臂重力平衡装置的设计。通过理论分析,推导出双关节机械臂的势能方程。建立机械臂三维模型并对其进行简化,简化后的模型导入ADAMS中进行动力学仿真。通过等比例缩小设计和制造双关节机械臂样机,搭建实验平台,对重力平衡装置进行实验验证。将仿真和实验结果导入MATLAB中进行数据处理。结果表明:该重力平衡装置能够有效实现机械臂的重力平衡。     

柔性触觉传感阵列力觉标定及加载系统

为解决现有触觉力标定系统不易实现对柔性触觉传感阵列中任意触觉单元进行标定,且存在精度低、不易操作等弊端,设计并研制了一种柔性触觉传感阵列力觉标定及加载系统。利用STM32F103VET6高性能微处理器控制步进电机以联动S型高精度压力传感器实现二维力的精确加载与标定,并将标定信息于上位机实时图形化显示。介绍了标定平台的结构特点、工作原理及系统软硬件设计,通过对系统误差分析及平台标定测试,可实现二维力加载范围0~50 N,法向与切向精确度为0.18%FS。触觉力加载应用实验表明,该加载平台具有较高的测量精度和较强的实用性,为不同结构单元的柔性触觉传感阵列二维力标定及加载提供了便利。     

多级离心泵创建压力室平衡轴向力的试验研究

可靠的轴向力平衡装置是高压多级离心泵实现长期安全运行的重要机构。针对高压离心泵对运行可靠性和使用寿命的要求,创新设计了一种压力室平衡装置自动平衡高压离心泵的轴向力。在流力基本理论指导下基于试验流体力学方法研究了3个阻尼孔直径对整机效率、流量、压力、功率的影响。针对D25-30×5多级离心泵,通过试验确定了在阻尼孔直径为ф4~6mm时,得到了较高的整机效率η=0.701~0.802,效率比原平衡盘结构最大提高18%。机组运行振动小、噪声低,能长时间平稳可靠工作。     

空间机械臂微重力装配系统研究

针对现有的几种地面微重力装配技术存在装调效率低、多自由度重力卸载实施困难、卸载效率无法评定、辅助工装附加阻力大和适应性差等不足,设计了一种适用于空间机械臂的微重力柔性装配系统,描述了系统的方案和工作原理,并进行了试验验证。研究表明,该系统能够实现空间展开机构的多自由度装调、重力卸载效率在线监测和复杂轨迹地面模拟试验。     

正交并联多自由度加载试验系统研究

针对传统的单轴加载系统无法实现对接机构组合体疲劳试验所需的多维广义力加载问题,结合六自由度并联机构的特点,提出了一种基于正交并联机构的多轴加载试验系统,并对系统结构组成、动力学关系以及系统整体控制策略等方面进行了研究。利用Newton-Euler法对加载系统静态加载和动态加载进行了动力学建模,并以此建立了广义力反解Simulink模型,实现了广义力到作动器期望输出力的解算。将解算得到的结果输入各作动器驱动力控制系统中,利用PID控制及动压反馈使各作动器响应特性达到了要求。为避免六维力传感器带来的高昂成本,系统采用基于作动器输出力闭环的整体控制方案进行了动态加载试验。试验结果表明,系统加载误差小于1%,能够实现对组合体的精确加载,为其疲劳和可靠性测试提供了精准的试验数据。     

MEMS微型柔性力-位移传动机构设计

为了提高微机电系统中微执行器的作用距离,设计了一种全硅结构的微型柔性力-位移传动机构,用于放大微执行器的输出位移。建立了传动机构的简化力学模型和有限元模型,并对机构性能的影响因素进行了分析。用深层反应离子刻蚀工艺在硅隔离衬底上成功制备了电热微执行器-微型柔性传动机构样机,并进行测试。结果表明,柔性力-位移传动机构能够有效地放大微执行器的输出位移,实测放大倍数达到18.9,可以极大地扩展微机电系统微执行器的应用范围。     

高低温环境下扭矩测量与校准系统研究

针对部分极端条件下不可控的环境温度,提出了一种高低温环境下扭矩测量的方法,并对此进行了理论分析与研究。在传统的扭矩加载装置条件下,增设了一种高低温环境箱,并采用数字PID位置式控制方法,对扭矩特性测试中的电机扭矩进行了精确加载,最后给出了高低温环境下的扭矩测量不确定度评定方法,实现了高低温环境下的扭矩测量与校准。     

二级杠杆式微牛级微力发生机构

针对力传感器标定系统难以精确加载微牛级微力的现状,设计了一种二级杠杆式微力发生机构。首先,在比较了常用柔性铰链精度性能的基础上,介绍了微力发生机构的工作原理。然后,在考虑杆件变形和柔性铰链中心偏转的基础上,分析了各级杠杆和各柔性铰链的受力和能量传递情况,推导了二级杠杆式微力发生机构力缩小倍数的理论计算方法,并以实现某一力缩小倍数为设计目标,据此提出了微力发生机构的优化设计方法。接着,进行有限元仿真分析,得到了不同输入力下的力值响应特性。最后搭建了微力发生机构的性能实验测试平台。结果表明,有限元分析、实验结果与理论力值间的最大误差分别为5.501%和7.391%,实验非线性误差为2.89%,可实现0～500μN的微力加载。认为力缩小倍数满足设计要求,验证了采用该优化设计方法准确设计二级杠杆式力柔顺机构、提高微力加载精度的有效性。     

考虑运动副间隙的齿轮传动效率试验研究

针对齿轮传动系统在空间与地面不同运行环境下的运动试验要求,设计了一种考虑运动副间隙的齿轮运动行为模拟试验平台,并采用工控机开发了一种齿轮行为模拟试验平台测控系统。该试验机的驱动力由伺服电动机提供;齿轮间隙调节系统由伺服电动机配合直线滑台完成;力矩加载方式采用磁粉制动器变载荷加载;重力模拟采用气动变载荷加载;制动器加载和气动加载部分均采用经典PID闭环控制,保证试验要求的加载性能。对系统齿轮副进行多次传动性能试验,证明该试验平台性能稳定,测控系统工作可靠。并且通过在不同加载及转速条件下对齿轮传动系统进行多次重复试验和数据分析来研究齿轮转速、齿轮间隙、负载转矩、模拟重力等因素对齿轮传动系统工作效率的影响。     

协作机器人辅助的空间展开机构桁架铰链微重力装配

针对大型空间展开机构桁架铰链装配中重力卸载过程复杂、需手工反复调整、装配精度一致性差的难题，提出一种采用协作机器人辅助的桁架铰链微重力装配方法。首先提出协作机器人辅助的微重力装系统架构和工艺流程；然后利用视觉引导结合四元数有界偏差关节路径规划法，实现桁架铰链的快速自动抓取；构建基于D-H法的机器人运动学模型，并利用牛顿—拉夫森迭代法在线补偿位姿误差，提高机器人在桁架铰链装配中的绝对定位精度；最后构建桁架铰链的重力卸载等效模型，并利用基于内环位置控制的机器人阻抗控制方法，实现桁架铰链的自动平稳重力卸载。实验表明，该方法的位姿精度满足桁架铰链装配要求，并可使桁架铰链以临界阻尼形式进行平稳重力卸载，为大型空间展开机构关键组件高精度装配和重力卸载提供理论依据和技术支持。     

空间结构节点全方位液压加载装置的研制

空间结构载荷试验在研究结构机械行为及破坏机理等方面具有不可替代的重要作用。传统加载试验装置需要针对空间节点的具体结构形式和载荷特点进行特殊定制,其试验效率低且成本高,已不能满足当前空间结构节点的发展需要。针对该问题,提出了一种多通道三维液压加载装置,其由空心球形自平衡反力架、三维定位机构以及液压控制系统等部分组成,通过水平和垂直导轨调整加载油缸位置,使得加载力方向能在三维空间内进行连续自动调节,从而提高了装置通用性和试验效率。该装置已成功应用于上海世博会世博轴、杭州东火车站等重大工程结构节点加载试验。试验结果表明,该装置能够满足不同结构节点的加载测试需求,具有较好的控制柔性和较高的测试效率。     

空间相机均力输出式调焦机构

为了补偿空间相机因所处复杂运载环境和空间运行环境导致的焦平面偏移,研制了一套利用均力输出组件驱动,正反双曲柄滑块机构传动,直动组件导向的新型高精度调焦机构。介绍了其结构组成和运动原理,并对其误差来源及影响因素进行了深入分析。该调焦机构采用两点支撑方式,两支撑点均力输出且无同步性误差,机构内应力小,运行平稳,调焦精度高;运动副采用预压消间隙措施,有效消除配合间隙,无空回,重复精度高。在模拟空间环境条件下,对其各项参数进行了测试。试验结果表明,该调焦机构可在±1.77mm间调焦,直线定位精度大于±8μm,重复性优于±2μm;同步性误差小于±4μm,重复性优于±3μm;调焦行程范围内调焦反射镜转角精度优于±5″,重复性优于±1.5″。得到的结果能够满足空间相机在复杂空间环境下的成像需求。     

一种速率陀螺组合全温自动测试系统的研制

针对速率陀螺组合在高低温环境下的自动化测试问题,对速率陀螺组合的测试项目及测试方法进行了分析研究,提出了一种全温环境下的速率陀螺组合电性能测试系统。通过采用Lab VIEW模块化软件设计,实现了良好的人机交互界面;通过采用安装在高低温箱内的三轴转台系统,实现了全温环境下陀螺组合各被测敏感轴的自动、快速切换,提高了测试效率;通过采用实时测控系统设计,实现了对速率陀螺组合输出信号的实时和自动采集,保证了测试准确性,最后对高低温三轴转台的精度、测试系统的准确性和一致性进行了验证分析。研究结果表明,该测试系统集具备了良好的测试精度和测试一致性,能够准确测量速率陀螺组合的各项电性能,且具有自动化、高效率和高可靠性等优点。     

双重驱动 2-DOF平面并联机器人系统的研究

研制了一种新颖的高速高精度柔性机器人机构。采用高速精密直线电机驱动2-DOF平面并联压电智能杆机构,针对柔性机器人机构的振动问题,以直线伺服电机作为机器人的主驱动源实现高速精密点位控制并采用脉冲整形技术减小末端残余振动,以压电陶瓷作为从驱动源采用闭环反馈控制策略抑制末端残余振动。实验研究和测试结果表明:机器人系统的最大加速度为2 g,稳定时间小于150 ms,重复定位精度小于±5 μm,实现了高速高精度的点位控制。