实验舱机械臂关节快换接口的设计与研究

摘要

空间站是人类探索太空的前哨基地，也是大国科技与经济实力的象征。空间站作为太空实验室能够为物理学与天文学研究提供理想的实验条件。大型空间机械臂是空间站建设与维护的核心设备，随着我国空间站计划的提出与发展，空间机械臂技术也在不断的发展与进步。为了保证大型空间机械臂长期稳定地运行，需要对机械臂关节的核心部件进行备份。由于太空环境十分恶劣，还需要考虑到关节完全失效后进行在轨更换。采用在轨维护技术能显著减少维护费用、缩短研制周期。快换接口是可在轨维护技术的关键。通过对国内外文献的分析与研究，本文研制了一种便于宇航员舱外操作的空间机械臂关节快换接口。
　　本文针对宇航员出舱维护的特点及需求，明确快换接口的设计重点在于空间环境下快速拆装、需要驱动力小，同时保证机械臂的刚度与承载能力。根据技术指标与宇航员的操作步骤，提出机械接口与电气接接口分步独立操作的快换接口总体设计方案，将快换接口分解为容差对接接口本体、初步锁紧装置、机械连接锁紧装置、电连接器推送装置四大功能模块。根据容差指标设计了双圆锥面配合的容差对接凸凹本体结构。为了计算出接口容差以便于修改设计参数，根据对接的特点，将对接成功条件分为空间几何条件和力学摩擦条件，建立数学模型。利用Matlab计算容差范围确定满足指标的接口本体参数。通过 Adamas对快换接口的容差进行测试，验证理论计算的正确性。根据宇航员舱外操作的要求选择了具有平面浮动功能的快换接口电连接器，设计了浮动装置使得电连接器具有超行程量。设计了曲柄滑块结构将操作工具的旋转运动转化为电连接器的直线运动，使得电气接口结构简单紧凑，降低快换接口的插拔力，降低了EVA操作的难度。基于驱动力矩最小的目标确定曲柄滑块的参数。最后考虑摩擦力、插拔力的作用，用Adams软件对电连接器插拔过程中驱动力矩的需求进行了仿真计算。在快换接口上设计了初步锁定装置，该装置可用于在对接完成后机械锁紧前保持接口对接状态，锁紧力通过弹簧来实现。本文采用膨胀锁紧原理设计了快换接口结构连接锁定装置，确定其材料与尺寸，分析膨胀变形和挤压应力与推力的关系。设计了自锁型螺纹传动装置并基于其强度确定机械连接装置所需拧紧力矩大小和快换接口的承载能力。在机械连接锁紧装置中，还设计了限位防脱装置，并对其性能进行分析与校核。基于膨胀销的简化刚度模型，以结构强度与刚度为限制条件对快换接口进行减重设计。分析了预紧力衰减对连接刚度的影响。最后研制了快换接口六维刚度测试台，对不同膨胀销锁紧力矩情况下的快换接口刚度进行了测试，并对测试平台的测试误差进行了分析。

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第1章 绪 论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2大型机械臂关节及其接口研究现状

1.3具有容差能力的机械接口研究现状

1.4具有容差能力的电气接口研究现状

1.5本文的主要研究内容

第2章 关节快换接口总体结构设计

2.1引言

2.2快换接口总体方案设计

2.3初步锁定装置设计及分析

2.4电连接器辅助连接机构设计

2.5本章小结

第3章 关节快换接口容差结构设计与分析

3.1引言

3.2关节快换接口容差结构设计

3.3位姿容差分析与计算

3.4 ADAMS仿真实验

3.5本章小结

第4章 机械连接锁紧装置的设计与研究

4.1引言

4.2机械连接锁紧装置任务分析及设计

4.3弹簧加压定位装置力分析

4.4膨胀环与膨胀套参数确定

4.5机械连接锁紧装置所需拧紧力矩分析与确定

4.6本章小结

第5章 快换接口刚度分析与测试

5.1引言

5.2关节快换接口刚度分析

5.3快换接口刚度测试

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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