关键词:
模块化驱动关节
摆线针轮行星传动
集成设计
接触分析
性能测试
摘要:
进入二十一世纪,伴随着对太空探索的不断深入,在轨服务已成为空间技术发展的一个重点研究领域。空间机械臂具备高效节能,环境适应能力强等优点,备受各国科技工作者青睐,在空间在轨服务任务中得到了广泛应用。驱动关节作为空间机械臂的核心部件,直接决定机械臂的负重比、智能化程度及末端精度等性能。为应对长期工作需求,降低维护成本及难度,实现在轨更换和在轨服务等功能,机械臂关节正朝着模块化方向发展。如何实现高负载、低重量和高集成度的关节是空间机械臂研究的难点与热点。对此,本文设计了一种高输出扭矩、小尺寸的模块化驱动关节。主要研究内容如下:(1)模块化驱动关节的集成设计。根据空间机械臂的功能性需求,提出模块化驱动关节的设计技术指标。基于模块化的设计思路,将关节指标分成结构、控制和电气三大部分。针对模块化关节的高扭矩、小体积的要求,提出一种小型化摆线针轮行星传动减速器内嵌于无刷电机的驱动与传动布置方案。为满足高集成度设计的灵活性,提高关节内部空间利用率,采用了外转子无刷电机、小型化摆线针轮减速器及自主开发的驱动控制板。经多次协调整合内部尺寸,完成模块化驱动关节结构设计。(2)关节内嵌减速器齿廓修形与轮齿承载接触分析。为提高减速器的传动精度及运动平稳性,进行了摆线针轮减速器的齿廓修形及轮齿承载接触分析。首先,应用包络法,通过坐标变换推导出摆线轮参数方程;然后,对比了相同间隙下的三种组合修形方式,得出“负等距+负移距”修形后的啮合段齿形最接近标准齿形,并计算了本文设计的小型化摆线针轮减速器摆线轮齿廓最优组合修形量;最后,建立了修形后减速器的接触分析模型,基于迭代法,分析了减速器实际轮齿接触对及接触力分布、传动比波动和传动误差等主要性能,并利用有限元仿真,验证了分析模型的可行性。(3)模块化关节的电机矢量控制原理与硬件电路搭建。首先,对永磁同步电机分析中常用的三种坐标系进行了介绍,并推导了坐标系之间的正逆变换关系。然后,得出了在d-q两轴旋转坐标系下的永磁同步电机的数学模型,采用矢量控制原理实现电磁转矩的完全解耦,简化电机控制。最后,基于STM32F446RET6主控芯片完成了控制系统硬件搭建。(4)模块化驱动关节样机试制与实验研究。绘制了关节实验样机的整套二维图纸,对加工的零部件及采购的标准件检测合格后完成了实验样机的装配。首先,进行了关节内嵌减速器的性能测试:搭建了小型化摆线针轮减速器试验平台,测试结果表明减速器的传动效率为75.5%、传动误差正转时优于118.5arcsec、反转时优于122.4 arcsec、空程小于1.36 arcmin。然后,将跑合后的减速器组件、无刷电机组件和驱动控制电路板组装成关节模块样机,测得关节的负载自重比为67.4N.m/kg、位置跟踪精度为0.096°、包络尺寸为φ96.47*44.95m。各项指标均符合设计要求。