空间弱撞击对接机构对接过程运动学分析

以空间弱撞击对接机构（LIDS ）对接过程为研究对象,通过运用Pro/ENGINEER软件建立机构的三维模型,采用矢量方法建立运动学模型,对其位置和姿态进行了分析。运用Newton -Raphson迭代法对空间弱撞击对接机构进行了位置正解分析,表明该方法可以迅速求解。以对接机构的三维模型和运动学模型为基础,通过MATLAB和ADAMS软件进行联合仿真分析,得到了满足设计要求的运动轨迹曲线,从而验证了运动学模型。对弱撞击对接机构进行了动力学仿真,得到了机构传力构件的最大受力情况。     

并联机构中运动/力传递功率最大值的评价

并联机构的本质作用之一是在机构的输入端和输出端之间传递运动和力。对并联机构的性能分析需要从该本质功能出发,考虑机构运动和力的传递特性。在螺旋理论中,当运动旋量和力旋量进行互易积运算时,其结果表示该力在运动方向上的瞬时传递功率。结合能效系数法,可将瞬时传递功率和可能的最大传递功率之比定义相关的评价指标,用以分析并联机构的运动/力传递特性。该指标能否实用的关键问题之一是如何理解和求解可能的传递功率的最大值。根据并联机构中可能存在的不同形式的运动旋量和力旋量的组合,将功率最大值的求解问题分为五种情况,对每种情况的计算模型进行详细的推导与解释,尤其是当刚体的力和运动均为浮动的旋量(力旋量/运动旋量)时,提出改进后的特征点法,建立有效的求解模型。此外,以三个常见的并联机构为例,对机构中运动/力传递功率的最大值进行求解,以进一步说明所提计算模型的合理性和实用性。     

高频响空间直线驱动机构方案设计与研究

弱撞击式对接机构作为控制式对接机构,兼具对接、停靠等多种功能,其特点是采用碰撞力主动柔顺控制技术实现飞行器在轨对接,在降低传统对接机构复杂度的同时,可显著提高对接机构灵活性,适应后续载人登月和深空探测发展的需要。目前国内对于弱撞击对接机构的直线驱动机构研究还处于起步阶段,前期研制样机频响太低、无法满足使用需求,需要对其进行全面系统的研究。以弱撞击对接机构中的高频响直线驱动机构为对象,对其性能影响因素分析、方案比对、设计验证等方面进行研究,取得了良好的效果,为弱撞击对接机构原理样机研制奠定基础。     

高运动/力传递性能移动并联机构分析*

基于螺旋理论求解移动并联机构在单个分支驱动下的分支传递力螺旋和机构输出运动螺旋,给出机构分支在不同位姿下传递功率恒定及其实现最大功率传递的条件。通过分析移动并联3-CPU机构的运动/力传递性能,给出分支将输入功率全部转化为动平台输出功率,即运动/力传递性最大时的主动副配置方式。在此基础上,对移动并联3-PRPU机构进行运动/力传递性能分析,总结其结构参数对分支传递功率的影响规律,得到了其传递性最大时的参数设置。所做工作为分析与综合具有高传递能力的并联机构提供了理论参考。     

空间弱撞击对接机构工作空间与精度分析

空间弱撞击对接机构(LIDS)的工作空间以及对接精度是对接机构对接能力和质量的保证。以空间弱撞击对接机构的工作空间及工作空间内的精度为研究对象,分析了影响LIDS工作空间的主要因素,如执行推杆长度的限制、转动副转角的限制及结构框的限制,并给出了约束条件。同时,推导了工作空间内精度分析模型。在此基础上,以LIDS的初步设计仿真模型为例,进行了仿真分析,得到了机构的工作空间边界曲线,并得出了工作空间内位姿精度偏差最大值及其所处位置,验证了模型满足设计要求。     

空间弱撞击对接机构对接精度分析

以空间弱撞击对接机构(LIDS)的对接精度为研究对象,参考并联空间六自由度机构的反解方程,推导了LIDS对接过程的精度分析模型。通过Matlab软件对机构对接过程中对接环的位置和姿态偏差特性进行了仿真分析,讨论了对接环铰点圆半径对机构精度的影响。以LIDS的初步设计仿真模型为例,得出了工作空间内位姿精度偏差最大值及其所处位置,验证了模型满足精度设计要求。     

一类恒定雅可比矩阵移动并联机构的判定与综合

为得到雅可比矩阵恒定的移动并联机构,基于螺旋理论利用机构的主运动螺旋和传递力螺旋求解机构的雅可比矩阵,给出了移动并联机构在不同位置下雅可比矩阵保持恒定的判定条件。在此基础上,基于约束螺旋理论对具有该特性的分别包含三自由度、四自由度和五自由度分支的这类三自由度移动并联机构进行构型综合,构造并得到了多种雅可比矩阵恒定的移动并联机构。分析3-PPRU和3-CPU两种并联移动机构,由得到的机构在工作空间内不同位置下的输出速度、力变化曲线图可以看出在给定确定的输入情况下,机构的同一输出参数曲线在不同位置时相互重合,从而验证了该类型移动并联机构雅可比矩阵始终保持恒定。     

基于3-RRP并联机构的腕关节设计与分析

针对球面3-RRP并联机构的理论分析不足以致运动学与动力学特性不明确的问题,设计了该构型的具体结构,分析了其运动学传递约束与驱动力矩特性。根据关于位置反解的Panda-Kahan理论,明确了灵活姿态空间与可达姿态空间的分布情况。基于旋量互易积,建立了关节的运动传递与约束能效系数。在此基础上,应用多参数平面模型技术,进一步揭示了参数尺度、姿态空间、性能指标之间的耦合关系,从而确定了参数取值,明晰了优质姿态空间范围和性能指标分布趋势。并基于虚功原理,建立了动力学模型,定性分析了驱动力矩特性。研究结果表明：该腕关节机构兼具机构紧凑、姿态空间大、完全的运动约束性能与优秀的运动传递性能、大负载重量比的特点,符合人体腕关节功能特性。     

履带车辆传动机构实现转向再生功率传递的构型特征研究

对于电驱动履带车辆传动机构,基于双独立式方案的中间功率耦合行星传动机构可以实现转向再生功率的高效传递。针对由两个行星排组成的功率耦合机构,研究了能实现转向再生功率传递的构型特征。为了进行一般性的研究,提出一种新的行星传动的图论模型,这种模型使得构件的属性能用其特征参数表达。对于具有两个运动自由度的功率耦合机构,其拓扑结构只有一种类型。根据输入和输出的构件的选择,可以分为两个子类。针对这两类构型进行理论分析,得出了实现转向再生功率传递的参数特征。根据参数特征,可以得到实际构型。仿真结果与理论分析吻合。分析方法可以进一步用来分析由多个行星排组成的功率耦合机构,为履带车辆传动机构的构型设计提供理论依据。     

3-PSU&S并联机构的运动学分析与优化设计

面向卫星天线定位/跟踪重要需求,研究3转动自由度并联机构3-PSUS的运动学设计问题。应用闭环矢量法建立机构位置逆解模型,并推导关节空间与操作空间的速度映射模型。借助力螺旋与运动螺旋的互易积定义机构功率传递系数,并以其在工作空间内的均值作为机构运动学性能评价指标。以上述评价指标最大化为目标,涉及相关的几何、工程约束,采用遗传算法实现3-PSUS机构的尺度综合。该研究成果可为3-PSUS并联机构样机的设计和制造奠定理论和技术基础。     

Design and characteristic research of a novel electromechanical-hydraulic hybrid actuator with two transmission mechanisms

Servo-hydraulic actuators (SHAs) are widely used in mechanical equipment to drive heavy-duty mechanisms. However, their energy efficiency is low, and their motion characteristics are inevitably affected by uncertain nonlinearities. Electromechanical actuators (EMAs) possess superior energy efficiency and motion characteristics. However, they cannot easily drive heavy-duty mechanisms because of weak bearing capacity. This study proposes and designs a novel electromechanical-hydraulic hybrid actuator (EMHA) that integrates the advantages of EMA and SHA. EMHA mainly features two transmission mechanisms. The piston of the hydraulic transmission mechanism and the ball screw pair of the electromechanical transmission mechanism are mechanically fixed together through screw bolts, realizing the integration of two types of transmission mechanisms. The control scheme of the electromechanical transmission mechanism is used for motion control, and the hydraulic transmission mechanism is used for power assistance. Then, the mathematical model, structure, and parameter design of the new EMHA are studied. Finally, the EMHA prototype and test platform are manufactured. The test results prove that the EMHA has good working characteristics and high energy efficiency. Compared with the valve-controlled hydraulic cylinder system, EMHA exhibits a velocity tracking error and energy consumption reduced by 49.7% and 54%, respectively, under the same working conditions.     

一种并/混联汽车电泳涂装输送机构运动/力传递效率性能分析

针对一种新型汽车电泳涂装输送机构,提出一种表征并/混联式输送机构输入输出端之间的运动/力传递效率的分析评价方法。首先采用旋量形式导出输送机构的运动学和动力学,再根据旋量的Klein型即李代数e(3)的双线性形式,建立了以输送机构末端执行器的瞬时运动功率与输入端瞬时运动功率的比值作为表征机构输入输出的运动/力瞬时传递效率的瞬态分析评价指标。基于所提出的分析评价方法,得出机构在三种典型期望运动轨迹下从输入端到输出端的运动/力瞬时传递效率随时间变化的曲线,并求得其运动/力平均传递效率。最后利用MATLAB软件对机构进行实例仿真,仿真结果表明了评价指标的合理性和有效性。     

基于电动机能效的螺杆空压机能效水平研究

分析电动机能效对螺杆空压机能效的影响,比较螺杆空压机能效限定值提高的比例值,提出螺杆空压机能效进步既要重视电动机能效的影响,更要重视螺杆空压机关键技术的进步 同时对螺杆空压机能效分段与电动机效率非对应关系进行阐述,指出螺杆空压机能效管理应逐步向精细化方向发展.     

基于FIS理论的Myard环形组网机构运动学分析

为揭示折展机构连续与瞬时运动的本质与代数关联,将有限瞬时旋量理论(FIS理论)应用于一类过约束折展机构的分析中,提出包括折展单元及其组网机构的运动学分析方法。首先介绍了FIS理论的基本原理、Myard机构和Myard环形组网机构的组成原理。其次对于Myard机构,通过选定合适的初始位形,以构建有限旋量闭环方程的方式解决了折展单元的关节运动参数映射,基于旋量三角积与螺旋运动的定义提出了基于有限旋量的轨迹求解方法,随后由有限与瞬时旋量的微分映射关系得到Myard机构的速度模型。在此基础上,结合参数化的等效广义副将3-Myard环形组网机构简化为单闭环机构,以求解机构的参数映射关系,随后借助与Myard机构相同的分析流程便得到组网机构的位移与速度模型。提出折展单元及其环形组网机构的关节参数映射、运动轨迹和速度模型的分析方法,丰富了折展机构的运动学分析理论,为解决折展单元及其组网机构的运动学分析问题提供了新选择。     

多脉冲异面交会对接转移轨道的优化

针对三维空间交会对接中的异面非圆轨道转移规划问题,提出了一种基于粒子群算法(PSO)的多脉冲异面交会对接能量最优的转移轨道优化算法。该算法以二体动力学方程及脉冲变轨理论构造空间多脉冲异面交会对接优化模型;通过引入Lambert算法处理终端约束条件,减少未知变量的个数从而简化问题。然后,将追踪飞行器变轨过程中脉冲的作用时刻、方向、大小设计成待优化变量,以交会对接过程中消耗能量、终端约束条件等为目标函数,基于PSO优化了最省燃料转移轨道。在MATLAB中对四脉冲交会对接问题进行了仿真测试,并与相同初始条件下,采用Lambert算法的双脉冲交会对接仿真结果进行了对比。结果显示:在本文所给算例条件下,采用PSO优化的四脉冲交会对接过程所需速度增量为4.4243km/s,而采用Lambert算法的双脉冲对接过程所需速度增量为11.2691km/s,前者节省了60%的能量。数据表明,设计方案有效节省了燃料消耗,从而证明了设计方法的有效性。     

双转子活塞发动机功率传输系统理论研究

为大幅度提高活塞式发动机的功率密度,提出一种双转子活塞发动机,其功率传输系统主要由能量转换组件和差速驱动组件构成。能量转换组件包含气缸体以及同轴交叉安装在气缸体中的两个转子,转子上均布有多个叶片活塞,两组叶片活塞在气缸体内相互间隔,与气缸体共同形成多个密闭的独立工作腔。差速驱动组件利用内摆线机构和曲柄摇杆机构组合而成,并负责约束气缸中的两个转子以周期性波动的角速度作差速转动,使得工作腔容积周期性地增大、减小。研究该发动机的构成及工作原理,得出发动机能量转换组件部分的基本几何关系及进、压、爆、排条件,推导出发动机排量和瞬时流量的计算公式,建立差速驱动组件部分的运动学模型并进行分析。分析结果表明,由于具备在主轴旋转一周过程中的较多的做功次数和动态扩容等特点,双转子活塞发动机理论上将比现有活塞式发动机的排量更大、功率密度更高、运转更为平稳。     

螺旋副钢球行星传动机构的运动学与受力分析

本文介绍了输入,输出轴同轴线的螺旋副钢球行星传动机的结构组成与传动原理,推导了该种传动机构的传动比函数,给出了承载钢球空间均布的几何条件,提出了承载钢球处于三点受力的内,外螺旋面的结构参数约束方程,建立了空间力系作用下滚动轴承支反力的计算方法。     

大型空间末端执行器在轨操作运输舱策略

针对空间运输舱具有较大的速度和惯量,在对运输舱的操作过程中存在着冲击和碰撞,严重的时候会影响系统的安全的问题,研制中国大型空间末端执行器,设计大容差柔性钢丝绳捕获机构和基于滚珠丝杠螺旋传动副的拖动机构,并且对其捕获传感器系统进行设计。根据末端执行器机构特点和工作原理,提出基于Loop/Contact控制模型的捕获控制策略,有效地减小了操作对系统的冲击。建立空间微重力环境下末端执行器系统和运输舱系统的动力学模型,推导大型末端执行器在轨操作运输舱的动力学方程。计算机仿真试验证明,捕获过程中捕获力较传统方式降低50%,试验证明捕获力小于700 N,二者验证了末端执行器的实用性和控制策略的可行性,对提高大型空间末端执行器的工作稳定性具有重要意义。     

一种对接机构的纠偏能力分析

对接机构在航天、航空、航海等许多领域都有广泛的应用。其纠偏能力除了与机构的类型相关外,还与对接机构的材质有较大关系,不同材质的材料所能达到的最大纠偏角也不尽相同。本文对一种对接机构在不同状况下的纠偏能力进行了具体的分析,并讨论了纠偏能力与不同材质之间的关系,为对接机构的设计提供了基础。     

磁力金属带传动的试验研究

磁力金属带传动(MBDM)是基于柔性体摩擦传动理论和电磁学理论而构建的一种新型摩擦传动。本文通过试验，验证了MBDM的力学机理，测定了传动效率及弹性滑动率等相关性能参数。结果表明，MBDM是利用磁场吸引力和初拉力的耦合作用产生摩擦力而传递运动和动力的，其传动效率可稳定在95％～98％，最高可达99．5％，而弹性滑动率一般在0．1％以下。