基于圆柱凸轮机构的模块化航天器接口研究

摘要

随着航天事业的快速发展，各种航天任务对航天器性能要求越来越高，航天器结构日趋复杂，航天器性能、使用寿命、研制和维护成本成为航天器设计的主要考虑因素。因此，国内外对在轨组装技术和航天器模块化设计具有迫切需求，而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。国内外已纷纷对航天器模块化接口形式展开大量研究。本文通过分析并总结国外模块化航天器接口及其设计特点，提出一种基于圆柱凸轮机构的机械连接接口，通过原理构建、结构参数设计、圆柱凸轮曲线设计与优化、静力学和动力学仿真分析等，研制接口装置样机并进行试验测试分析。
　　本研究通过对接口装置锁紧和解锁过程的分析，提出了三种曲线槽设计方案，并通过对比分析，选出最优方案，并进行细化设计;在保证装置尺寸和功能的前提下，通过ANSYS Workbench软件对主要承载部件进行分析。以凸轮机构的最大速度Vm、最大加速度Am和最大跃度Jm的值都比较合理为优化目标，分别对五次项修正等速运动规律和摆线修正等速运动规律进行优化设计，最终选择更适合的五次项修正等速运动规律作为本文凸轮曲线形式。利用ADAMS软件对接口装置进行动力学仿真。仿真结果比较直观的显示了接口装置锁紧与解锁过程，以及运动过程中位移、速度和加速度等参数的变化情况。仿真结果表明，所设计的接口装置能够快速锁紧和解锁;该接口装置从动件速度和加速度值均比较合理，在接口锁紧时间为2s时，锁紧钩最大速度为0.016m/s，最大加速度为1.53m/s2。研制的接口装置原理样机可以很好的实现锁紧与解锁功能，在电机转速为240rad/min时，测得接口装置的锁紧时间为1.8 s;设计了轴向承载力加载系统，测量出接口装置锁紧后的承载能力可达到1000N;通过与第一代原理样机进行比较，该方案在锁紧和解锁过程中的速度冲击明显小于第一代原理样机，运动过程也更加平稳;接口装置样机质量为1216.44g，满足质量的设计要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 基于模块化航天器及其接口装置的国外研究现状

1．2．1 智能模块化平台(SMARTBus)

1．2．2 美国SWARM模块及接口

1．2．3 东京大学CellSat结构及接口

1．2．4 德国亚琛大学的iBOSS项目

1．3 基于模块化航天器及其接口装置的国内研究现状

1．4 其他机械接口

1．5 空间凸轮机构发展概况

1．6 课题研究的主要内容和意义

第2章 模块化接口装置方案设计和结构参数计算

2．1 模块化航天器接口方案设计

2．2 模块化航天器接口装置结构设计

2．3 主要部件设计

2．3．1 锁紧钩设计

2．3．2 滚子设计

2．3．3 驱动大齿轮设计

2．3．4 导向座设计

2．3．5 外壳设计

2．4 齿轮参数确定

2．5 轴承选型

2．6 基于ANSYS Workbench的接口装置承载分析

2．7 本章小节

第3章 圆柱凸轮机构从动件运动规律设计与优化

3．1 凸轮的优化设计简介

3．2 凸轮机构从动件基本运动规律及特性

3．2．1 优化摆线修正等速运动规律

3．2．2 优化五次项修正等速运动规律

3．3 圆柱凸轮机构参数计算

3．3．1 基圆半径的确定

3．3．2 圆柱凸轮工作轮廓曲线方程

3．4 曲线槽的优化设计

3．4．1 驱动大齿轮曲线槽设计

3．4．2 导向座曲线槽设计

3．5 本章小结

第4章 接口装置的仿真分析

4．1 ADAMS软件简介

4．2 ADAMS软件分析过程综述

4．3 基于ADAMS的接口装置动力学仿真

4．4 动力学仿真结果与分析

4．5 本章小结

第5章 接口装置的地面试验

5．1 电机控制系统方案设计

5．2 接口装置锁紧与解锁功能和时间试验

5．3 接口装置轴向承载力测试

5．4 接口装置冲击测试试验

5．4．1 第一代原理样机的简单介绍

5．4．2 冲击测试试验与试验结果分析

5．5 接口装置质量测试试验

5．6 本章小结

结论

参考文献

致谢