考虑摩擦与间隙的空间机械臂轨迹跟踪控制

以空间机械臂在轨服务的高精度要求为背景,研究不同重力环境下考虑摩擦与间隙的空间机械臂轨迹跟踪控制。以二连杆空间机械臂为研究对象,建立基于轻杆模型的含间隙等效模型,使用Kane方程、力矩平衡原理建立摩擦模型,并运用拉格朗日方程建立机械臂动力学方程,设计无模型控制器。在此基础上分析不同重力环境下摩擦与间隙对机械臂关节驱动力、机械臂末端轨迹跟踪精度的影响,并与比例微分(PD)算法控制的机械臂末端轨迹跟踪效果相比较,验证在不改变控制器参数与结构的条件下,在不同重力环境下无模型控制算法的优越性。

空间滚动轴承MoS_(2)薄膜润滑分子动力学模拟

针对空间滚动轴承往复运动状态下二硫化钼薄膜润滑失效机理不明的难题,提出了采用分子动力学对薄膜润滑过程进行分析的方法。建立了单层二硫化钼薄膜摩擦原子模型,针对载荷和环境温度这2个空间滚动轴承的重要影响因素展开了二硫化钼薄膜的往复摆动模拟,得到了摩擦过程中二硫化钼薄膜的摩擦力、粘附力和磨损情况。模拟结果表明:Fe-Ni-Cr合金探针在单层二硫化钼薄膜上的摩擦为黏滑运动,载荷在20~100 nN范围内探针的摩擦过程不会对薄膜造成磨损,但在往复运动过程中润滑性能有所提高;载荷从200 nN开始探针的摩擦过程会对薄膜造成磨损,往复运动过程中摩擦系数不断提高,润滑性能下降;400 nN为单层薄膜的载荷极限,在该载荷下探针会刺穿薄膜与基底接触此时薄膜迅速磨损失去润滑作用。环境温度在1 773.15 K以下对薄膜的润滑作用影响不明显,但达到该温度后薄膜边界处开始缓慢熔化,当环境温度达到二硫化钼熔点时薄膜的熔化速度加快并失去润滑作用。从这些发现得到如下结论:二硫化钼单层薄膜在接触载荷8 GPa以下拥有优异的耐磨性和润滑性;在薄膜未破损的条件下,反复摩擦过程提升了润滑性能;二维层状结构对单层二硫化钼薄膜润滑性能有重要的影响,高温和重载都会对薄膜层状结构造成破坏。

摩擦力对空间非导电绳系释放动力学的影响

当前空间非导电绳系释放过程因摩擦力数据缺乏,导致释放动力学仿真结果不能有效反映真实情况。为此,基于绳系地面释放平台,开展非导电绳系释放摩擦力测量实验,研究了系绳材料、直径、缠绕方向和释放速度对系绳释放所受摩擦力的影响,阐明非导电绳系释放过程影响球形效应不稳定现象的主要因素,确定非导电绳系释放摩擦力与释放条件之间的定量关系。进一步建立考虑摩擦力的绳系释放动力学模型。仿真结果表明,非导电绳系释放摩擦力对释放过程影响较大,对于500 m长的系绳,初始释放速度为2 m/s,在未考虑释放摩擦力时,绳系释放完成时间与考虑摩擦力的实际情况相差约20%。

基于KUKA重载机器人的柔性搅拌摩擦焊接系统开发与试验研究

为实现铝合金复杂结构产品的高效率高质量搅拌摩擦焊接成形,开展了基于KUKA重载机器人与新型搅拌摩擦焊技术结合的柔性焊接系统研究,通过自主研制多功能搅拌摩擦焊主机单元和试验工装,开发机器人柔性焊接专用控制系统实现集成控制,以此为基础开展了平板焊接试验试片接头组织性能研究及空间曲线轨迹的搅拌摩擦焊试验验证。研究结果表明:该重载机器人搅拌摩擦焊接系统可稳定实现6 mm厚2219 C10S铝合金平板试片和3 mm厚S形空间曲线焊接试验件的焊接,当搅拌头为转速n=800 r/min,焊接速度υ=200 mm/min时,试片接头抗拉强度和延伸率等力学性能较好,对试样焊缝进行超声相控阵及X光检测,未发现焊缝内部存在孔洞、裂纹等超标缺陷,验证了机器人搅拌摩擦焊接系统和工艺方法的适用性。

不同结构飞矛对铝蜂窝板侵彻深度的仿真与试验

飞矛作为一种空间碎片清理方式已有许多相关研究,但目前飞矛对目标的附着大多依靠目标对飞矛的挤压摩擦,为能够使飞矛更好地附着到目标上,该研究设计一种光滑型飞矛和一种倒刺型飞矛并对铝蜂窝板进行冲击试验,分析对比飞矛侧面有无倒刺2种情况下对侵彻速度、嵌入深度等的影响。根据试验结果修正仿真模型,并利用仿真继续进行分析。最终结果表明,倒刺型结构的飞矛能够附着到目标上;另外在使用相同速度对铝蜂窝板侵彻时,倒刺型飞矛的嵌入深度先是小于光滑型飞矛,而后又大于光滑型飞矛,并且弹道极限低于光滑型飞矛。

BOUNDARY MIXED VARIATIONAL INEQUALITYIN FRICTION PROBLEM

In this paper, with the use of the friction problem in elasticity as the background, the existence and uniqueness for the solution of the nonlinear, indifferentiable mixed variational inequality are discussed. Its corresponding boundary variational inequality and the existence and uniqueness, of solution are given. This provides the theoretical basis for using boundary element method to solve the mixed variational inequality.

考虑界面摩阻的加筋垫层状态空间分析方法

目的 快速求解加筋垫层的力学响应,为加筋垫层的设计提供一种新的解析分析方法。方法 基于Euler-Bernoulli梁理论,将加筋垫层视作Winkler地基上的欧拉直梁,考虑加筋垫层顶部与底部接触界面的摩阻作用,建立在任意竖向荷载作用下加筋垫层静力响应问题的状态空间方程;通过与已有文献、有限元的计算结果对比,验证解析方法的有效性。结果 界面摩阻作用能减小加筋垫层的变形,且其对集中荷载作用点的变形影响较大;增大垫层的厚度与弹性模量可以减小结构的变形,但随着数值的增大,减小的效果逐渐减弱;垫层的厚度与弹性模量仅对集中荷载作用点的变形影响较大,而地基反力系数对所有位置的竖向位移及集中荷载作用处的截面转角影响均较大。结论 界面摩阻对集中荷载作用处的变形影响较大,在计算分析时不能忽略;在实际工程中,可通过选择合适的弹性模量和厚度、提高地基反力来减小结构变形。

基于状态空间法的桩承加筋路堤分析方法

为快速求解桩承加筋路堤力学响应问题进而评价其路用性能,引入状态空间法,基于弹性地基梁理论将加筋垫层视作弹性地基上的欧拉直梁,建立考虑接触界面水平摩阻和非均匀刚度地基的解析模型,将位移和内力同时作为状态向量建立状态方程,求得任意竖向荷载下桩承加筋路堤解析模型的内力和变形。通过与已有文献、有限元的计算结果对比,验证了解析结果。参数分析表明,垫层厚度的变化对结构变形的影响大于垫层模量;路堤填土高度的增大使得土拱效应和拉膜效应充分发挥,但导致桩土差异沉降变大;适当增加垫层厚度,提高垫层模量可以有效地降低路堤沉降,改善桩土应力比。

沟槽形织构对镍铝熔覆层摩擦性能的影响

为提高零件表面的摩擦学性能,采用激光熔覆技术与激光织构技术结合在镍铝(NiAl)涂层表面制备沟槽形织构图案,对织构图案宽度及摩擦角度(沟槽形织构条纹与摩擦副运动方向所成的角度)对涂层的摩擦学性能的影响进行了研究。结果表明:随织构间距增大,涂层的摩擦系数和磨损体积均先增加后降低,主要受到磨球与织构的接触面积及织构对磨屑捕捉能力的影响。随摩擦角度的增加,涂层的摩擦系数和磨损体积均增加,主要是因为大的摩擦角度破坏了织构原有的结构,使其减摩效果降低。研究发现,涂层与织构结合能显著提高零件的摩擦学性能。

石墨与MoS_2配比对空间对接用摩擦材料性能的影响

采用粉末冶金技术制备含石墨与MoS2的空间对接机构用铜基摩擦材料,研究石墨与MoS2的配比(石墨与MoS2的质量比)对材料的显微组织、物理性能和摩擦学性能的影响。结果表明:随着MoS2含量的增加(石墨含量相应地减少),材料的显微组织逐渐趋向均匀,其密度与表观硬度逐渐增加;当石墨与MoS2的质量比为4:8时,摩擦材料具有较高的摩擦因数、较高的摩擦因数稳定度和较小的磨损量,且大气与低真空中的摩擦因数相差较小;大气与低真空下的对比实验验证了材料具有良好的真空摩擦学性能。

空间摩擦学及其材料的研究进展

综述了空间苛刻服役环境及其对空间摩擦学材料性能影响的研究,深入分析了空间环境对空间摩擦材料、空间耐磨材料和空间减摩材料摩擦磨损机理的影响。空间摩擦材料主要应用于空间对接机构及空间机械臂中,应具有稳定的摩擦力矩与优良的抗黏着磨损性能。空间耐磨材料主要应用于空间轴承、齿轮和密封件等部件中,如FeAl金属间化合物在高温下抗蠕变性急剧下降,常通过添加金属元素(Ce,Cr,Mn,Mo,Nb,W等)及固体润滑剂提高材料抗蠕变性能;Ti及其合金常通过表面改性改善黏着性;与基体结合性良好的耐磨涂层可以较大程度的改善材料的耐磨性。空间减摩材料主要指润滑剂与自润滑材料,如软金属Pb、高分子材料PI和PTFE等,以及某些金属的氧化物,氟化物和硫化物等,能较好地降低材料表面的摩擦因数。随着航天科技的发展,亟须开发新型高性能空间摩擦学材料,建立摩擦学材料数据库,以应对国际航天技术发展的挑战。

钛在模拟空间环境下的摩擦学性能

为了明确钛及其合金在空间环境下的摩擦磨损行为,利用中科院兰州化学物理研究所自主研发的空间摩擦学试验系统对钛在模拟空间环境(高真空、原子氧和紫外辐照)下的摩擦磨损性能进行了研究。用X光电子能谱仪(XPS)分析了钛在原子氧辐照后表面元素价态的变化。采用扫描电镜(SEM)对磨损后试样和对偶钢球的磨痕形貌进行分析,利用能量色散光谱仪(EDS)对钢球磨痕元素面分布进行分析,揭示了钛在模拟空间环境下的摩擦磨损失效机理。结果表明:钛在原子氧辐照后表面发生了氧化;钛在大气环境条件下的摩擦磨损机理主要为磨粒磨损和粘着磨损,在高真空、原子氧和紫外辐照模拟空间环境下的磨损机理主要为严重的粘着磨损、磨粒磨损和塑性变形。相比于大气环境条件下,钛在高真空、原子氧和紫外辐照下的粘着磨损加剧,摩擦因数增加。

提高环空摩阻法测量井漏位置精度的方法

分析了引起环空摩阻法测量漏层位置误差较大的原因 ,提出了在钻进中 ,按一定井深间隔 ,将计算的循环摩阻与测量的循环摩阻按最小二乘法回归 ,并随着井深的增加 ,利用较新数据继续回归 ,据此可以建立较准确的环空摩阻计算公式 ,从而提高环空摩阻法测量井漏位置的精度。新疆油田现场应用表明 。

航天轴承摩擦力矩的最大熵概率分布与bootstrap推断

滚动轴承摩擦力矩具有不确定的波动和趋势变化,属于概率分布与趋势规律都未知的乏信息系统。这是一个重要问题,它阻碍了对轴承摩擦力矩的小样本分析与总体把握。为了解决这个问题,根据最大熵原理,从小样本入手建立航天轴承摩擦力矩的概率密度函数。以此为基础,在讨论了摩擦力矩的时域特征与概率分布特征后,用bootstrap对摩擦力矩总体的分布参数进行统计推断。试验研究表明,推断结果和试验结果之间的误差很小,满足工程要求。因此,用小样本可以描述航天轴承摩擦力矩总体的统计特征。

航天轴承摩擦力矩的试验分析

摩擦力矩的大小和波动性是影响航天轴承性能和精度的主要因素。通过对航天轴承摩擦力矩的主要影响因素进行理论分析和试验研究,提出了降低轴承摩擦力矩的一些有效措施。

真空常温下空间用铜基粉末冶金摩擦材料的摩擦学行为及可靠性寿命

在真空常温下,对空间摩擦副进行大负荷服役条件(400 N)可靠性寿命摩擦循环试验,考察空间用铜基粉末冶金摩擦材料的摩擦磨损特性,探讨摩擦材料的可靠性寿命并揭示其摩擦磨损机理。结果表明:铜基摩擦材料在真空常温大负荷摩擦循环试验条件下,摩擦磨损过程可分成三个阶段:第一阶段(1~1 400次试验),摩擦因数由0.28增加到0.61,并趋于稳定,磨损机理以磨粒磨损为主;第二阶段(1 400~2 700次试验),摩擦因数稳定在0.61左右,磨粒磨损和粘着磨损并存;第三阶段(2 700次试验后),摩擦因数逐渐下降,磨损机理转变为较强的粘着磨损和疲劳磨损,材料表现为失效,整个试验过程中,摩擦因数稳定系数均高于0.9。研究表明,研制的铜基摩擦材料在真空常温条件下可满足转位机构和空间机械臂等的可靠性需求。

低地球轨道环境中原子氧对空间润滑油的影响

选择硅油(CPSO)、全氟聚醚油(Fomblin Z25)和硅碳氢油(SiCH)3种典型的空间用润滑油,进行地面模拟原子氧暴露试验,考察了原子氧对这3种润滑油的质量、外观、分子量以及摩擦学性能的影响.结果表明:原子氧辐照会导致润滑油质量损失、产生固体不溶物并导致润滑油分子量增大和分子量分布变宽。同时摩擦试验发现,原子氧辐照后润滑油的摩擦系数变得不稳定,有突然增大的现象.3种润滑油原子氧暴露试验结果综合分析表明Fomblin Z25较容易受原子氧影响,CPSO次之,SiCH油表现最佳.

新型高性能空间摩擦副设计

综合考虑谐波减速器、行星减速器等少齿差传动装置的优缺点,结合研发的新型精密高效传动方式,将精密齿轮传动和轴承组合为一种新型摩擦副进行整体结构设计,对轴承齿轮基本额定静载荷、摩擦机理和摩擦力矩进行了研究;通过对轴承齿轮基本额定静载荷和摩擦力矩双目标函数进行优化设计,确定了轴承齿轮的主要结构参数值;对摩擦副各组件材料进行了选择,所开发出的高精度、高可靠、长寿命、高性能空间摩擦副,减少了传动中间环节,从而使传动系统结构紧凑、体积小、传动效率高、摩擦磨损小和振动噪声低。

两种含氟空间润滑油的真空摩擦磨损行为研究

利用真空四球摩擦试验机系统考察了全氟聚醚(Z25)和甲基氟氯苯基硅油(FCPSO)两种空间润滑油在空气、真空和高纯氮气气氛中的摩擦磨损性能,采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线光电子能谱仪(XPS)分别分析了磨损表面的微观形貌及典型元素的化学状态。结果表明:Z25在3种气氛中均表现出低摩擦高磨损的特性,且真空中摩擦系数最低,这主要是由于Z25对摩擦副具有润滑和腐蚀的双重作用;FCPSO在3种气氛中均表现出高摩擦低磨损的特性,且真空中磨斑直径最小,这主要是由于FCPSO在摩擦副表面形成了FeCl2边界保护膜.

重力作用下的摩擦对空间机械臂运动控制的影响

针对空间机械臂在太空处于微重力环境,在地面装调时需要考虑重力及由重力引起的摩擦的影响的问题,以平面运动的二自由度机械臂为例研究了摩擦补偿控制,提出了一种主动补偿控制方法,用来减小甚至消除由地面重力作用产生的摩擦的影响。该方法首先采用几何方法求解运动学逆解,根据力矩平衡计算摩擦力矩,再结合Kane方程推导出系统的动力学模型,最后运用PD控制算法分别在考虑摩擦和不考虑摩擦两种情况下对机械臂动力学模型进行仿真研究,并在不同关节质量的条件下进行轨迹跟踪仿真研究。仿真结果表明,摩擦对控制机械臂运动的驱动力以及轨迹跟踪精度所产生的影响与重力密切相关,重力越小,影响越小。