空间机械臂关节制动器的研制与实验研究

论文摘要

随着空间在轨服务技术的不断发展,面向太空作业的空间机械臂已经在国际空间站上得到成功应用。作为机械臂安全保障设备的关节制动器,其功能与性能直接关系到机械臂本体与末端负载的安全。制动器工作在恶劣的太空环境中,本文针对空间环境提出了一套关节制动器的设计与测试方法,并研制了一个可用于空间环境的机械臂关节制动器。首先,本文总结了国内外工业制动器与空间机械臂制动器的研究现状,概括了国内外各类制动器测试平台与测试方法。其次,本文根据某空间机械臂的性能参数与工作环境明确了技术指标,确定了盘式失电制动器的结构形式。同时,选择了制动器各部件材料,并对其中关键零部件进行了有限元校核,保证了安全性与可靠性。根据制动器的结构形式设计了与之匹配的制动器性能测试平台。在实验室现有设备的基础上,建立了具有热真空测试能力的实验平台,并设计了相应了控制系统。再次,结合现有电磁线圈设计方法,设计制动器的关键零部件——电磁线圈。使用Ansoft Maxwell软件对电磁线圈参数进行了二维稳态与三维瞬态的有限元仿真,验证了设计的合理性与可靠性。并使用遗传算法,对制动器进行了线圈参数的优化,降低了线圈的温升值。最后,在所设计的测试平台上对制动器的制动性能进行了测试与验证。针对电磁线圈进行了电磁吸力测试与温升测试实验。实验结果表明电磁铁设计符合设计要求,可保证制动器部件正常工作。针对制动性能进行了常温常压下的制动力矩测试与热真空条件下的制动力矩测试。实验结果表明,制动器在常温常压与空间环境下均可以正常工作,其制动性能满足设计指标要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 制动器研究现状和分析
• 1.2.1 制动器概述
• 1.2.2 空间机械臂关节制动器研究现状
• 1.2.3 制动器优化现状
• 1.2.4 制动器实验设备与手段
• 1.3 课题来源及研究的目的和意义
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 关节制动器及其测试平台结构设计
• 2.1 引言
• 2.2 设计指标分析
• 2.2.1 制动器工作条件
• 2.2.2 制动器工作指标
• 2.3 制动器本体结构设计
• 2.3.1 制动副方案设计
• 2.3.2 制动器结构布置与部件的设计
• 2.3.3 关键零件的校核分析
• 2.4 制动器测试平台设计
• 2.4.1 测试平台结构设计
• 2.4.2 测试平台电气设计
• 2.5 本章小结
• 第3章 电磁线圈设计及其优化
• 3.1 引言
• 3.2 电磁线圈设计
• 3.2.1 电磁铁设计基本原理
• 3.2.2 电磁铁设计要求
• 3.2.3 电磁铁设计计算
• 3.3 电磁仿真与校验
• 3.3.1 二维静态磁场分析
• 3.3.2 三维动态磁场分析
• 3.4 电磁线圈优化
• 3.4.1 制动器线圈优化方法的确定
• 3.4.2 强搜索方法的选取
• 3.4.3 制动器线圈优化模型
• 3.4.4 基于强搜索方法的遗传算法约束化问题求解
• 3.5 本章小结
• 第4章 制动器性能测试与实验验证
• 4.1 引言
• 4.2 电磁线圈测试实验
• 4.2.1 电磁力测定实验
• 4.2.2 电磁线圈温升实验
• 4.3 制动性能实验
• 4.3.1 实验条件
• 4.3.2 常温常压制动实验
• 4.3.3 热真空制动实验
• 4.3.4 制动实验对比分析
• 4.4 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
• 致谢