空间机械臂集中式锁解机构的设计与分析

论文摘要

为了拓展功能以及完成特殊的作业任务,航天飞行器广泛使用了机械臂。机械臂通常在低重力或微重力的太空环境中工作,对强度要求不高,为减轻发射的有效载荷,一般都做成薄壁构件,但在运输和发射过程中要承受静力过载以及振动、冲击等复杂的力学环境,同时为实现所需运动功能,机械臂通常装有电机、减速器等部件,质量较为集中,发射过程中会产生较大的惯性力,为了避免机械臂损坏,因此需要对机械臂的薄弱部位进行支撑和锁定。通过对机械臂具体结构、收拢状态和尺寸以及外部环境的分析,提出了一种集中解锁的可回收包带式锁解机构。该机构可以保证机械臂在运载发射直至定轨过程中安全、可靠地固定,不至于发生振动、变形以及其它对机械臂产生破坏性影响的作用,在卫星发射时对机械臂进行可靠的锁紧,同时当卫星进入预定轨道后又可以释放机械臂,使机械臂完成预定功能。考虑航天产品发射成本以及对高刚度、高强度、高可靠性等要求,完成了整套锁解机构的设计并利用MATLAB对锁紧和解锁过程中所采用的非标准棘轮机构进行了优化设计,该套机构在使用的过程中不会产生任何太空垃圾。基于ADAMS建立了刚柔耦合系统,分析了不同条件下包带回收的时间、回收的轨迹以及包带回收过程中对周围其他对象产生的碰撞力,通过分析还可以为簧盒的设计提供指导。基于ANSYS对集中式锁解机构中的关键部件进行了动力学分析,并通过参数化建模完成了锁解控制支座的优化分析。完成了集中式锁解机构原理样机的制造,并用样机进行了锁定、解锁、振动等试验。通过对空间机械臂集中式锁解机构的静力学计算、运动学动力学分析以及试验分析,该锁解机构可以对机械臂实现可靠的锁定与释放。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景、研究的目的及意义
• 1.1.1 课题背景
• 1.1.2 课题研究的目的及意义
• 1.2 锁解机构的研究现状
• 1.2.1 一次性锁解机构
• 1.2.2 可重复性锁解机构
• 1.2.3 分立式锁解机构
• 1.2.4 集中式锁解机构
• 1.3 课题主要研究内容
• 第2章 集中式锁解机构的结构设计
• 2.1 集中式锁解机构的方案分析
• 2.1.1 锁解机构的技术要求
• 2.1.2 锁解机构的总体方案
• 2.2 锁解子机构的结构设计
• 2.2.1 锁解子机构的组成及工作原理
• 2.2.2 包带的选型分析
• 2.2.3 包带回收装置设计
• 2.2.4 棘轮机构设计
• 2.2.5 扭转弹簧设计
• 2.3 绳索的选择及固定
• 2.4 导向组件设计
• 2.5 锁解控制装置设计
• 2.6 润滑及防冷焊处理
• 2.7 集中式锁解机构的加载及测量方法
• 2.8 本章小结
• 第3章 集中式锁解机构的动力学仿真
• 3.1 没有外力驱动时棘轮机构解锁过程仿真分析
• 3.2 包带回收过程的动力学仿真
• 3.2.1 刚柔耦合系统的建立
• 3.2.2 包带回收过程的仿真分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 集中式锁解机构的有限元分析
• 4.1 钢丝绳的预应力模态分析
• 4.1.1 钢丝绳各参数确定
• 4.1.2 钢丝绳预应力模态分析
• 4.2 棘轮机构的应力变形分析
• 4.2.1 棘轮的应力应变分析
• 4.2.2 棘爪的应力应变分析
• 4.3 拉杆的应力变形分析
• 4.4 导向组件的应力变形分析
• 4.5 锁解控制支座的应力应变分析及结构优化
• 4.5.1 锁解控制支座的应力应变分析
• 4.5.2 锁解控制支座的结构优化
• 4.6 本章小结
• 第5章 样机研制及实验
• 5.1 样机研制
• 5.2 集中式锁解机构锁定与解锁试验
• 5.3 振动实验
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢