于春旭，李睿，國鋒

(北京控制工程研究所，北京100190)

一種微型空間驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及力學(xué)仿真驗(yàn)證

于春旭，李睿，國鋒

(北京控制工程研究所，北京100190)

提出一種基于超聲電機(jī)、諧波減速器及角位置傳感器的輕量化微型空間驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)方案.該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有高精度、大扭矩/質(zhì)量比、結(jié)構(gòu)緊湊、雙角度測量備份等優(yōu)點(diǎn).對(duì)軸承、諧波減速器等關(guān)鍵部件建模方的法進(jìn)行探討，并通過對(duì)整機(jī)的模態(tài)分析及振動(dòng)試驗(yàn)仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性.該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以被應(yīng)用于輕型機(jī)械臂、太陽帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等空間執(zhí)行機(jī)構(gòu).

微型;驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);力學(xué)仿真

0 引言

空間驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)作為空間機(jī)電產(chǎn)品的核心部件，是由電機(jī)、減速器、軸系以及位置傳感器等部件通過機(jī)電一體化設(shè)計(jì)完成的.隨著空間飛行器技術(shù)的發(fā)展，空間驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)也走過了漫長的年頭，被應(yīng)用在不同的空間機(jī)構(gòu)上，如:太陽帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、天線指向機(jī)構(gòu)、機(jī)械臂等.

而針對(duì)現(xiàn)今越來越多的微小型航天器的研制與發(fā)射以及即將到來的深空探測熱潮，微型空間驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)日益成為一個(gè)重要的研究課題.

在微型空間驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)這一領(lǐng)域內(nèi)，包括美國的MOOG公司及瑞士的RUAG公司等在內(nèi)的國外公司都有成型的產(chǎn)品.其中MOOG公司的Type 2型旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器，重1.3 kg(不包含角位置傳感器)，最大輸出轉(zhuǎn)矩為20 N·m［1］.RUAG公司的SARA 21型旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器，重1.8 kg，輸出轉(zhuǎn)矩為45 N·m［2］.二者如圖1所示.

圖1 Type2型旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器(左)及SARA21型旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器(右)Fig.1Type2 rotary actuator(left)and SARA21 rotary actuator(right)

目前國內(nèi)在微型空間驅(qū)動(dòng)器的研制上還較少，在質(zhì)量、驅(qū)動(dòng)能力、可靠性等方面與國外技術(shù)存在差距.本文提出了一種基于超聲電機(jī)、諧波減速器及角位置傳感器的微型空間驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)方案并對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證.相較于國外的扭矩質(zhì)量比為20 N·m/kg的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，文中設(shè)計(jì)微型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)扭矩質(zhì)量比可達(dá)35 N·m/kg以上，同時(shí)具有角度傳感器備份.

1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮到在緊湊的結(jié)構(gòu)內(nèi)獲得較大的輸出轉(zhuǎn)矩和較高的角位置輸出精度，整機(jī)質(zhì)量小于1 kg的情況下，輸出轉(zhuǎn)矩大于18.2 N·m.

在驅(qū)動(dòng)電機(jī)與傳動(dòng)方案的選擇中，國外同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)［1-2］，主要有如下兩種方案:

1)微型直流力矩電機(jī)配多級(jí)傳動(dòng);

2)微型超聲電機(jī)配一級(jí)諧波減速器.

本文考慮上述指標(biāo)要求，根據(jù)國外同類產(chǎn)品提出兩種設(shè)計(jì)方案，得出兩種方案的輸出轉(zhuǎn)矩、總質(zhì)量等特性，電機(jī)及減速器選擇和對(duì)比結(jié)果如表1所示.

表1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方案對(duì)比表Tab.1Comparison of different drive assembly designs

從表1可以看出，采用傳統(tǒng)微型直流力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)需要行星齒輪、諧波齒輪多級(jí)減速，其減速比大，對(duì)電機(jī)壽命要求高，且無斷電自鎖功能.

而采用超聲電機(jī)方案，總質(zhì)量相對(duì)較大，但減速比小，對(duì)電機(jī)壽命要求低.同時(shí)，與傳統(tǒng)電機(jī)相比，超聲電機(jī)有如下特性［3］:

1)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，轉(zhuǎn)矩/質(zhì)量比大;

2)響應(yīng)速度快，可實(shí)現(xiàn)斷電自鎖;

3)閉環(huán)條件下速度位置控制性好，分辨率高;

4)不產(chǎn)生磁場，不受外界磁場干擾.

由此，本文提出了一種采用基于超聲電機(jī)的微型空間驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案.角度傳感器選擇旋轉(zhuǎn)變壓器和電位計(jì)，其中旋轉(zhuǎn)變壓器位于電機(jī)輸出端，粗級(jí)電位計(jì)位于輸出法蘭處，驅(qū)動(dòng)器位置控制精度優(yōu)于0.05°.

雙角度測量裝置互為備份.備份關(guān)系及角度測量方式如下:

1)由電位器提供基準(zhǔn)角度，具體角度由旋轉(zhuǎn)變壓器的角度除以減速比得到;

2)當(dāng)旋轉(zhuǎn)變壓器失效時(shí)電位計(jì)給出絕對(duì)角度，但有一個(gè)死區(qū);

3)電位器失效的情況下，旋轉(zhuǎn)變壓器每旋轉(zhuǎn)一圈，由驅(qū)動(dòng)線路記一個(gè)數(shù)，由此旋轉(zhuǎn)變壓器每旋轉(zhuǎn)一圈，對(duì)應(yīng)輸出端旋轉(zhuǎn)3.6°扇形范圍.通過線路計(jì)數(shù)器對(duì)旋變旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的記錄，得到絕對(duì)角度.同時(shí)在機(jī)構(gòu)上設(shè)置機(jī)械零位以保證旋變測角基準(zhǔn)位置的獲取.

為減輕驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)整機(jī)質(zhì)量，關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)，諸如輸出法蘭、主殼體、主軸等采用鈦合金材料.其余零件非承力結(jié)構(gòu)，諸如后殼體等采用鋁合金材料.經(jīng)過建模計(jì)算可以得到整機(jī)質(zhì)量為約為670 g.整機(jī)設(shè)計(jì)圖如圖2所示.

圖2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.2Overall structure of drive assembly

基于以上組合設(shè)計(jì)，可以得到力矩大(≥21 N·m)、體積小(140 mm×70 mm×65 mm)、質(zhì)量輕(670 g)、輸出近似無回差的空間驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu).該機(jī)構(gòu)的技術(shù)指標(biāo)能夠滿足一般輕型機(jī)械臂及微小型太陽帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的技術(shù)需求.

2 整機(jī)建模

由于空間驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)整機(jī)包含30余個(gè)零件，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，若不進(jìn)行簡化而直接建立模型，在有限元分析的mesh(畫網(wǎng)格線)階段會(huì)增加復(fù)雜程度，進(jìn)而增加模型解算難度.

因此，在不影響整體仿真分析精度的基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行如下簡化:

1)去除整機(jī)線纜，只對(duì)零件進(jìn)行研究;

2)整機(jī)螺紋孔改為通孔;

3)非關(guān)鍵部位的倒角抹平;

4)通過螺釘連接的零件之間默認(rèn)為bonded約束(不存在切向的相對(duì)滑動(dòng)或法相的相對(duì)分離).

此外，與單個(gè)零件仿真分析不一樣的是，整個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包含諧波減速器及軸系等復(fù)雜接觸狀態(tài).在進(jìn)行模態(tài)分析，隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析等仿真時(shí)，對(duì)于這幾個(gè)關(guān)鍵部組件的建模將很大程度影響最終仿真結(jié)果的準(zhǔn)確度.因此，對(duì)于這幾個(gè)關(guān)鍵部位的建模，也是本文研究分析的重點(diǎn).

2.1 軸承接觸建模

軸承及其接觸問題會(huì)影響整機(jī)的有限元分析，因此這一部分是建模中主要解決的問題之一.

在整機(jī)裝配完成后，通過軸系的公差調(diào)節(jié)，對(duì)軸承部分施加預(yù)緊力，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)微型空間驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)軸承施加50 N的預(yù)緊力.

目前在對(duì)機(jī)構(gòu)整機(jī)分析中的軸承建模時(shí)多將軸承鋼球等效為圓周并聯(lián)的彈簧阻尼系統(tǒng)［4］，但這種等效分析方式無法精確反映軸承對(duì)整機(jī)振動(dòng)過程中的影響.對(duì)此，本文分別應(yīng)用傳統(tǒng)的Hertz接觸理論和預(yù)載荷加載的方法對(duì)軸承進(jìn)行整體建模，并用Hertz接觸理論的計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證預(yù)載荷加載建模方法的準(zhǔn)確性，并在后文模態(tài)分析中進(jìn)一步驗(yàn)證并對(duì)比了兩種方法的優(yōu)劣.

2.1.1 Hertz接觸等效建模法

根據(jù)Hertz接觸理論，對(duì)模型做出如下假設(shè):

1)接觸物體的材料是各項(xiàng)同性、均質(zhì)的;

2)接觸物體的表面是絕對(duì)光滑的;

3)接觸面積的大小遠(yuǎn)小于接觸物體表面;

4)接觸變性在彈性極限范圍內(nèi).

由Hertz接觸理論［5］可得接觸橢圓參數(shù)如下:

式中，a、b為接觸橢圓長、短半軸(mm);δ為彈性趨近量(mm);μ、ν為與曲率函數(shù)F(ρ)有關(guān)的橢圓積分;為材料的彈性模量和泊松比;Q為矢量接觸體壓緊的法向載荷，在滾動(dòng)軸承中為滾動(dòng)體載荷(N);∑ρ為接觸處主曲率之和.

滾動(dòng)軸承接觸函數(shù):

式中ρI1、ρI2、ρII1、ρII2為兩彈性體接觸曲率關(guān)系參數(shù).

將所用軸承71904AC的參數(shù)代入式(1)、(2)后，計(jì)算可以得到軸承鋼球與內(nèi)外圈的接觸關(guān)系.接觸對(duì)參數(shù)如表2所示.

表2 軸承接觸橢圓表Tab.2Contact ellipse of bearings

參照上面接觸計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行軸承接觸建模.

依照接觸理論，軸承鋼球在受到外載荷時(shí)，由于產(chǎn)生微小形變而與軸承溝道接觸面為橢圓.但在建模過程中，軸承鋼球模型依然為球體，而與溝道接觸面為圓形.因此對(duì)接觸狀態(tài)進(jìn)一步等效為圓形，根據(jù)之前得到的接觸橢圓的參數(shù)，計(jì)算可得內(nèi)外溝道接觸圓半徑:R內(nèi)圈=0.082 2 mm、R外圈=0.083 9 mm.等效后的接觸狀態(tài)如圖3所示，在有限元分析中，接觸區(qū)為bonded約束，代入整機(jī)模型進(jìn)行仿真分析.

2.1.2 預(yù)載荷變形建模法

首先建立存在游隙的軸承三維模型，然后通過有限元仿真分析軟件，在軸承模型上施加預(yù)緊力，分析軸承在受力狀態(tài)下的接觸狀態(tài)，最后將軸承的有預(yù)載荷的變形分析結(jié)果模型作為前置量代入后續(xù)有限元分析中去(在實(shí)際仿真過程中，則是將載荷加載到軸承兩端后，首先進(jìn)行靜力學(xué)變形分析，然后進(jìn)行后續(xù)的模態(tài)分析、振動(dòng)分析等).

如圖4所示，為加載50 N預(yù)緊力于軸承內(nèi)圈之后的力學(xué)有限元分析結(jié)果.

如結(jié)果所示，軸承及內(nèi)圈溝道的變形量之和為2.130 5×10－4mm，和通過Hertz接觸理論簡化計(jì)算結(jié)果(5.854 6×10－4mm)在同一數(shù)量級(jí)上.二者區(qū)別主要在于Hertz接觸理論是對(duì)軸承接觸部分的理想建模，而本方法是對(duì)軸承整體的三維建模分析.

在對(duì)整機(jī)仿真過程中，將預(yù)載荷(50 N)加載到軸承內(nèi)圈上，軸承內(nèi)圈與主軸接觸關(guān)系設(shè)置為:no separation約束(法向方向固連，切線方向可發(fā)生無摩擦滑動(dòng))，保證接觸變形可以加載到模型中去.有限元分析接觸設(shè)置示意圖如圖5所示.

圖3 軸承接觸狀態(tài)示意圖Fig.3Sketch of the bearing contact

圖4 有預(yù)載荷的軸承接觸變形結(jié)果Fig.4Total deformation of a pre-loaded bearing

圖5 軸承主軸接觸關(guān)系示意圖Fig.5Contact sketch of the bearing and spindle

2.2 諧波齒輪接觸建模

諧波齒輪傳動(dòng)是一種依靠中間柔性構(gòu)件的彈性變形來傳遞運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置.諧波齒輪由波發(fā)生器、柔性軸承、柔輪、鋼輪組成.諧波齒輪傳動(dòng)的原理就是在柔性齒輪構(gòu)件中，通過波發(fā)生器的作用，產(chǎn)生一個(gè)移動(dòng)變形波，并與剛輪齒相嚙合，從而達(dá)到傳動(dòng)目的.在嚙合過程中，柔輪輪齒與鋼輪輪齒存在嚙入、完全嚙合、嚙出、完全脫開4種情況，當(dāng)波發(fā)生器轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)，柔輪向相反方向轉(zhuǎn)過兩個(gè)齒的角度，從而實(shí)現(xiàn)大減速比.

在目前的研究中，大多數(shù)是諧波齒輪獨(dú)立地進(jìn)行分析，在對(duì)鋼輪柔輪接觸關(guān)系的建模過程中，文獻(xiàn)［6］保留了鋼輪、柔輪的輪齒，但這種方法網(wǎng)格劃分復(fù)雜，不適用于驅(qū)動(dòng)器整機(jī)建模;文獻(xiàn)［7］采用直接抹平輪齒，將鋼輪柔輪接觸視為全接觸，這種簡化方法缺失了鋼輪柔輪的真實(shí)接觸狀態(tài).

綜合考慮上述兩種方案的優(yōu)劣，在對(duì)諧波齒輪的建模中，針對(duì)整機(jī)有限元仿真的要求，參考諧波減速器輪齒實(shí)際接觸狀態(tài)，將柔輪與鋼輪的輪齒接觸關(guān)系簡化為兩大部分:一、全接觸區(qū)，在這一區(qū)域，簡化的柔輪輪齒面與鋼輪內(nèi)圈全接觸;二、非接觸區(qū)，在這一區(qū)域，簡化后的柔輪輪齒面與鋼輪內(nèi)圈完全脫開無接觸關(guān)系，非接觸區(qū)采取直接銑去柔輪突出外圈的方式.根據(jù)諧波齒輪參數(shù)，鋼輪柔輪輪齒嚙合數(shù)量占總輪齒數(shù)的30%.因此，簡化模型中全接觸區(qū)域占柔輪外圈的30%，其余非接觸區(qū)，

同時(shí)，在對(duì)柔輪建模過程中，忽略微小形變量，將柔輪及波發(fā)生器仍視為圓形.

鋼輪柔輪接觸狀態(tài)示意圖如圖6所示.

圖6 諧波齒輪鋼輪柔輪接觸建模示意圖Fig.6Sketch of the harmonic gear contact model

3 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)模態(tài)分析

空間驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的固有頻率是完成整機(jī)設(shè)計(jì)之后要考察的整機(jī)特性之一.為避免固有頻率過低而易被引起振動(dòng)損壞，在設(shè)計(jì)完成后，需對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行模態(tài)分析，驗(yàn)證整機(jī)性能.

為了對(duì)比不同建模方案對(duì)整機(jī)模態(tài)的影響，本文根據(jù)軸承建模的兩組方案，分別對(duì)兩種方案的軸承建模方法對(duì)應(yīng)的不同整機(jī)狀態(tài)進(jìn)行模態(tài)仿真分析.在仿真分析中固定約束選取在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主殼體法蘭上.

對(duì)整機(jī)的振動(dòng)性能影響主要關(guān)心的是驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的一階模態(tài)，因此在仿真分析中，只取前4階模態(tài)進(jìn)行分析.驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)固有頻率仿真分析結(jié)果如表3所示.

表3 機(jī)構(gòu)模態(tài)分析對(duì)比表Tab.3Contrast of modal analysis results

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的一階模態(tài)圖如圖7所示.

圖7 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)一階模態(tài)圖Fig.7First modal of the drive assembly

經(jīng)過仿真計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，兩種方案得出的整機(jī)模態(tài)振型相同，固有頻率偏差在6%以內(nèi)，由此可見兩種方法可得到近似結(jié)果.

同時(shí)，由于第一種軸承鋼球接觸面很小，要求網(wǎng)格劃分更為精細(xì)，會(huì)增加有限元分析計(jì)算量，且第二種的方案仿真結(jié)果更貼合實(shí)際裝配結(jié)果，因此，在整機(jī)諧響應(yīng)和隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析中采用第二種建模方式.

4 低頻諧響應(yīng)分析

航天產(chǎn)品在地面運(yùn)輸、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作、運(yùn)載推進(jìn)系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)耦合(POGO)等過程中會(huì)產(chǎn)生低頻諧振動(dòng)，因此在設(shè)計(jì)仿真階段需要考察產(chǎn)品對(duì)于低頻諧響應(yīng)的耐受性.

在低頻正弦仿真中，主要考察的振動(dòng)頻率范圍為2～100 Hz，載荷幅值為25g(取整為250 m/s2).有限元分析中固定端為主殼體法蘭.

分別對(duì)X、Y、Z方向的正弦振動(dòng)進(jìn)行仿真分析，在頻率范圍內(nèi)找出應(yīng)力最大值，驗(yàn)證整機(jī)性能.

通過仿真分析可以發(fā)現(xiàn)，X、Y、Z方向的諧響應(yīng)分析中，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在振動(dòng)頻率為100 Hz的仿真中，3個(gè)方向上的100Hz諧響應(yīng)應(yīng)力云圖如圖8所示.

圖8 機(jī)構(gòu)諧響應(yīng)應(yīng)力云圖Fig.8Harmonic response of assembly

通過應(yīng)力云圖可以得到，應(yīng)力主要集中在主殼體上，X方向上最大應(yīng)力為5.270 7×107Pa;Y方向上最大應(yīng)力為1.574 6×107Pa;Z方向上最大應(yīng)力為1.664 9×107Pa.

主殼體材料為鈦合金，通過查表可知鈦合金的屈服強(qiáng)度為8.25×108Pa，強(qiáng)度裕度充分，因此整機(jī)可以通過條件選擇最嚴(yán)苛的正弦振動(dòng)試驗(yàn).

5 隨機(jī)振動(dòng)分析

在航天產(chǎn)品發(fā)射過程中，聲環(huán)境激勵(lì)及運(yùn)載器發(fā)動(dòng)機(jī)工作燃燒不穩(wěn)定等情況下的會(huì)產(chǎn)生高頻隨機(jī)振動(dòng)，這些振動(dòng)均有可能對(duì)航天產(chǎn)品產(chǎn)生疲勞損壞.因此在設(shè)計(jì)仿真階段需要考察產(chǎn)品對(duì)于隨機(jī)振動(dòng)的耐受性.

在隨機(jī)振動(dòng)分析中，主要考察頻率范圍為10～2 000 Hz，振動(dòng)加速度概率譜密度表如表4所示.

表4 隨機(jī)振動(dòng)概率譜密度表Tab.4Density of the random vibration’s probability spectrum

在有限元仿真分析中固定端為主殼體法蘭，隨機(jī)振動(dòng)仿真方向?yàn)閄、Y、Z方向(X、Y方向?yàn)槠叫邪惭b面方向，Z方向?yàn)榇怪卑惭b面方向).

輸出概率為95.951%(2σ)的應(yīng)力云圖如圖9所示.

圖9 機(jī)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)應(yīng)力云圖Fig.9Random vibration response of assembly

通過應(yīng)力云圖可以看出，X方向上隨機(jī)振動(dòng)最大應(yīng)力為3.077 3×108Pa，Y方向上隨機(jī)振動(dòng)最大應(yīng)力為1.570 1×108Pa，Z方向上隨機(jī)振動(dòng)最大應(yīng)力為8.474 9×107Pa，主殼體材料為鈦合金，屈服強(qiáng)度為8.25×108Pa，裕度大于1，因此整機(jī)可以通過隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn).

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的微型空間驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有精度高、大扭矩/質(zhì)量比、結(jié)構(gòu)緊湊、雙角度測量備份等優(yōu)點(diǎn).文章探討了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件如:軸承、諧波減速器在整機(jī)仿真中的建模方法問題.

針對(duì)整機(jī)分析中的軸承建模，本文提出了一種基于預(yù)載荷變形的建模方法，并與Hertz接觸等效建模法進(jìn)行了比較，通過有限元仿真分析證明兩種方法的有效性.在對(duì)諧波齒輪的建模上綜合考量模型簡化以及接近實(shí)際裝配的狀態(tài)，提出了折衷的建模方案.在軸承、諧波減速器等建模的基礎(chǔ)上，對(duì)整機(jī)開展了進(jìn)一步仿真分析.整機(jī)的模態(tài)、諧響應(yīng)、隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)的仿真結(jié)果證明整機(jī)強(qiáng)度裕度充分，設(shè)計(jì)合理.

該驅(qū)動(dòng)器可以作為驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)一步被應(yīng)用于輕型機(jī)械臂、太陽帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等空間執(zhí)行機(jī)構(gòu)上.

［1］Moog Inc.Schaeffer magnetics division［M/OL］.Brochure of Rotary Actuators.1999-04-30［2004-07-01］.http://www.moog.com/media/1/Rotary%20Intro.Pdf

［2］RUAG Space.華格宇航公司產(chǎn)品和技術(shù)手冊［M/ OL］.http://www.ruag.com/space.

［3］趙淳生.面向21世紀(jì)的超聲電機(jī)技術(shù)［J］.中國工程科學(xué)，2002，4(2):86-91.ZHAO C S.Ultrasonic motor techniques for 21st century［J］.Engineering Science，2002，4(2):86-91.

［4］司圣潔.空間關(guān)節(jié)的軸承預(yù)緊及其動(dòng)態(tài)特性研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，2010.SI S J.Study on bearing preload of space joint and its dynamic characteristic［D］.Harbin:Harbin Institute of Technology，2010.

［5］劉澤九.滾動(dòng)軸承應(yīng)用手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.1:295-322

［6］彭寶林，王華坤，柳勝.基于Abaqus的諧波齒輪環(huán)形柔輪變形仿真分析［J］.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2011，40(3):85-88.PENG B L，WANG H K，LIU S.Simulative analysis about deformation of ring-flexspline harmonic gear based on Abaqus［J］.Mechine Building and Automation，2011，40(3):85-88.

［7］付軍鋒，董海軍，沈允文.諧波齒輪傳動(dòng)中柔輪應(yīng)力的有限元分析［J］.中國機(jī)械工程，2007，18(18): 2210-2214.FU J F，DONG H J，SHEN Y W.Stress analysis of the flexspline in harmonic gearing by using FEM［J］.China Mechanical Engineering，2007，18(18):2210-2214.

Design and Mechanical Simulation of a Micro Drive Assembly for Space Application

YU Chunxu，LI Rui，GUO Feng
(Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190)

The micro space drive assembly that consists of ultrasonic motor，harmonic gears，angle position sensor is provided.This space drive assembly features:high precision，high torque/weight ratio，compact structure，double angle position sensor.The modeling methods of bearings and harmonic gears are discussed，and then the responsibility of this assembly by modal analysis and mechanical simulation is verified.The assembly can be used in the robotic arm，solar array drive assembly and some other space mechanisms.

micro;drive assembly;structure design; mechanical simulation

V1

A

1674-1579(2016)06-0020-06

10.3969/j.issn.1674-1579.2016.06.004

于春旭(1991—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)楹教炱鲌?zhí)行機(jī)構(gòu)技術(shù);李睿(1981—)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造;國鋒(1984—)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榭臻g電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)線路設(shè)計(jì).

2016-06-20