空间机械臂关节零部件对关节总刚度的影响分析

《空间机械臂关节零部件对关节总刚度的影响分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology2013年10月第5期空间机械臂关节零部件对关节总刚度的影响分析危清清王耀兵刘志全(中国空间技术研究院，北京100094)摘要大型空间机械臂关节用大传动比多级行星齿轮传动的复杂性给刚度分析和减小质量都带来了困难，用传统的有限元法进行关节刚度分析还需解决复杂的建模问题。文章针对上述问题，采用集中参数法和刚度串联原理建立了复杂传动系统关节等效刚度的计算模型，分析了各级齿轮扭转刚度对关节总扭转刚度的影响，为空间机械臂大传动比关节的轻量化高刚度优化设计提供了技术途径。关键词空间机械臂关

2、节传动系统刚度航天器DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2013．05．0121引言空间机械臂主要由臂杆和关节组成，臂杆材料一般采用低密度、高模量的碳纤维复合材料，自身质量不大，而关节一般由金属材料制成，是空间机械臂减小质量的重点对象。另一方面，空间机械臂关节是空间机械臂动力提供、位置感知和机械连接的核心部件，是保证机械臂运动能力、运动精度和运动平稳性的关键。关节刚度对整个机械臂刚度的影响很大[1j，所以空间机械臂关节既是保证机械臂整体刚度的关键环节，又是有效减小质量的重点对象，而保持刚度与减小质量在一定程度上又相互矛盾。空间机械臂关

3、节电机仅能提供几牛顿米以内的输出力矩，若电机直接驱动，输出力矩无法满足机械臂辅助转位、对接等任务中所需几百到上千牛顿米的力矩需求，这使得空间机械臂关节传动系统必须具备较大的传动比来提高关节的输出力矩。然而，在空间机械臂中广泛应用的大传动比多级行星齿轮传动系统的结构复杂性[21给刚度分析和减小质量都带来了困难。加拿大机械臂关节[2j主要通过试验、参数辨识来实现刚度分析，此方法较为接近实际，但是无法反映关节各部件刚度对于关节总刚度的影响，对于关节减小质量及优化的指导作用不大。针对上述问题，本文采用集中参数法和刚度串联原理，建立复杂关节等效刚度模型，分析各级齿轮

4、刚度对关节总刚度的影响，从而找出对总刚度影响不大的零部件，对其实施减小质量，为大传动比空间机械臂关节的小质量高刚度优化设计提供指导。2空间机械臂关节传动系统刚度模型建立传动系统的刚度分析方法主要有有限元法与集中参数法。针对图1所示的大传动比齿轮传动系统，用有限元法建模，虽然求解精度高，适用于已定型传动系统的刚度校核，但建模较为复杂、计收稿日期：2013—02—20。收修改稿日期：2013—05—24!!!!至!!旦主旦窒间型兰堇垄!!算量大、耗时多[3]，用于关节传动系统减小质量、优化设计的反复迭代分析不方便。集中参数法将传动系统构件简化为集中质量，将齿轮

5、啮合力简化为集中力，构件之间的连接简化为弹簧。文献[3]证明了此方法的有效性。本文采用集中参数法来分析图1所示的多级行星齿轮传动系统各级齿轮对于传动系统总刚度的影响，探寻提高传动系统总刚度的方法，给关节减小质量及优化提供参考。图1所示为一种典型的空间机械臂关节传动系统。根据每个齿轮及其所在的轴可以将其分为9组(见表1)，对照图1和表1，这9组的转速随着序号的增加而依次降低，1、2、3组为高速级，4、5、6组为中速级，7、8、9组为低速级。电机提供的动力由输入轴1，经行星轮系A—B-C—h。，传递到定轴轮系H-I，然后通过定轴轮系J—K—L及差动轮系M—N(

6、O。，0，)一Q—h。，由齿轮Q带动输出轴输出。其中，LM为含内齿圈L和外齿圈M的大齿轮。O，与O，为齿数、模数均相同的两个同轴齿轮。下文分别对周转轮系与定轴轮系进行刚度建模与分析。Cl‘Z“一一LZW-WI烂匿匕么勿石正1焉。‘。。。。一B行星架hl一o一——丽}入抽K／／／／／／髟夕∥乡勿L1lV／／／／／1．眵彩彩么；翻H；——V／／／／勿1业3一K叨励J5I；——J一行星架髟／／／／Zh，沥；勿T14觋l，77777E；上；PiP，／历T]；；；月％图1关节齿轮传动系统Fig．1Geartransmissionsystemofthejoint表1传

7、动系统各齿轮组相对于输出齿轮Q的传动比与等效刚度输出轴序号组成传动比基圆半径比等效刚度1齿轮A、轴l。2AQtbAQiAQ"／bAQE。A2齿轮B、轴l。ZBQZbBQiBQ如BQ^。B3行星架h。、齿轮H、轴1。2HQZbHQZHQibHQk。H4齿轮I，J、轴1。z1Q“IQilQibIQk。I5齿轮K、轴l。zK0ZbKQZ‘KQibKQk。K6齿轮LZLQ“LQZ’LQ“lJQ＆n7行星架h：、齿轮0、轴1。ZOQ2hOQz‘oozbOQkso8齿轮NZNQ2bNQZ‘NQZ’bNQ女sN9齿轮Qk。Q2．1周转轮系的刚度模型对于图1中“A—B—C

8、—h，”组成的行星轮系，将轮齿的啮合力简化为集中力，同时将轮齿啮合