第一章緒論1.1課題研究背景當下,隨著各國為了在政治和軍事博弈上取得優勢，世界上越來越多的國家致力于發展航天航空技術，空間站的建立更是一個國家的太空實力強弱的體現。空間機械臂是目前已經成功應用于太空，比較主流的一種大型機構，它一般重量和體積較大，適用于空間站等大型航天器的捕獲、維修等任務[1]。圖1.1空間機械臂目前涉及到的空間活動大都涉及到空間機械臂的運用，其作為空間機械臂的執行部件,鎖緊釋放機構發揮著不可或缺的作用。空間在軌重復鎖緊釋放機構的運用不僅可以大量的節省國民經濟，而且少次多量的運輸可以很好的建設空間站所以世界上的航天強國都在加快這方面的研發。然而如今各國的鎖緊機構大都采用一次性鎖緊、火工解鎖的方法，這種方法雖然方便但是并不能重復使用，而且釋放過程中沖擊過大，會對航天器造成影響，穩定性較差。由此設計一種可以重復使用、穩定性高的重復鎖緊釋放機構迫在眉睫。圖1.2空間機械臂圖1.3空間機械臂1.2空間在軌重復鎖緊釋放機構的發展狀況如今空間技術處于現代高技術信息化戰爭的制高點,是世界上各個強國都想占領的軍事戰略核心高峰。隨著科技的快速發展，各種高精度儀器的發明，航天科技者都迫切的希望更多的大型的、高精度的、集成技術的緊密機械發射到太空中去加強本國的科技優勢。1.2.1國內研究現狀國內的空間在軌重復鎖緊釋放技術相對于美國、俄羅斯、歐洲等航天強國還有一定的距離，此項技術還處于不斷的發展探索中，目前大量使用的是一種包帶鎖緊[3]和火工解鎖[2]相結合的鎖緊釋放機構[4]，如圖1.2所示。此技術目前主要應用在航空器與有效載荷的鎖緊與分離方面，目前對于此技術的掌握比較成熟，但是此技術也存在著致命的缺點，火工解鎖時產生的沖擊會比較大,安全系數相對來說較低，穩定性也較差。1.2.2國外研究現狀目前國外現在采用的是包帶鎖緊和記憶合金套筒相結合的鎖緊機械臂，此技術目前剛開始使用，雖然技術上還不是很成熟，但是其可以多次重復使用，并且可以解決火工解鎖沖擊過大的問題，經濟性上有了巨大的提升。如圖1.5所示，衛星在被發射到太空中后使用記憶金屬制造的帆板在經過和拉桿的鎖緊-釋放配合后[4]，衛星的帆板可以重復的展開收縮，十分的經濟、實用。雖然在這里拉桿的鎖緊-釋放機構比較方便、效率高，但是其也有缺點，當衛星的帆板全部展開后如果想要重新將帆板折疊比較困難。圖1.4包帶鎖緊和火工解鎖相結合的鎖緊釋放機構圖1.5采用記憶金屬制作的衛星鎖緊釋放后的效果圖1.3主流鎖緊-釋放機構介紹如前文所介紹的，目前主流的鎖緊-釋放機構為火工解鎖和包帶鎖緊相結合的機械臂[5]裝置。其中火工解鎖裝置是通過裝置通電從而點燃倉內的燃料，產生作用力切斷作用元件，以此來達到工作要求。圖1.3所介紹的是火工分離螺母裝置，其承載能力十分強，螺母鎖緊后提供預緊力，當被連接件要分離時，腔體內的燃料爆炸[6]從而產生推力推動元件，實現其鎖緊-釋放的功能。其優點是鎖緊能力強，可靠性比較高，且完成釋放過程后其并不會脫離，不會對整個航天過程產生影響。缺點是由于爆炸時會產生沖擊，對于需要高精度連接的儀器來說不太適合，但是由于其技術較為成熟，目前大部分國家都采用這種方法。圖1.6一種火工分離螺母裝置1.3.1包帶鎖緊目前，世界上主要的運載火箭都是采用包帶鎖緊裝置作為星箭連接和分離機構。其中包帶鎖緊裝置的組成部分為兩個半帶、限位簧、拉簧、V形塊、爆炸螺栓。航天器在運行過程中會經歷嚴酷復雜的振動、噪聲和沖擊力環境，且其中的沖擊環境主要來自于分離過程[7],由此航天器中的高精度敏感元件可能會失去作用。為了解決這一難題，包帶式鎖緊裝置的提出很好的解決了這一難題，在包帶預緊力的作用下，星箭對接框已經儲存了應變能，只有等解鎖分離時，包帶才會解除對于對接框的束縛。1.3.2火工解鎖如圖1.7所示，航天器作為一種自動化程度很高的儀器，里面包含了許多的火工分離裝置來執行關鍵程序的運行[8]。這些裝置都是靠腔內的火藥的爆炸來分離的，火工解鎖的用途十分廣泛，這也是其至今在航天航空中都大量使用的原因。它的優點很多（1）他可以直接讓零件在指定的地方分離（2）爆炸產生的推力很大，能夠克服負載較大的影響（3）使用方便，至今為止該技術比較成熟，在航空航天中使用可靠性較高。圖1.71.4空間在軌重復鎖緊釋放機構的意義和展望近幾十年來隨著科技的快速進步，各國對于太空的探索都加快了腳步，載人航天、探月之旅、火星的開發等等無一不顯示出各國未來對于太空資源的獲取的決心。但是整體上而言人類對于太空的探索由于受到技術的限制，還不能隨心所欲的遨游太空。例如，作為空間在軌中的關鍵技術之一，機械臂[9]的研究對于航天事業的影響有著十分重要的作用，其可以用來對空間站大型部件的建造、日常的維修、使空間站的壽命得到進一步的延長。但是當機械臂在運輸中時需要承受巨大的慣性力、振動，當其到達正確位置后[10]，重復鎖緊釋放機構釋放，其才能正常的工作。然而，我國目前才用的基本上都是以火工解鎖的方式，此方式雖然技術成熟但是重復利用率低，產生的沖擊載荷較大，對于精密儀器的連接來說是不太合適的，本論文中所提及的空間在軌重復鎖緊釋放機構機構恰好是解決此類問題的。為此此課題中的空間在軌重復鎖緊釋放機構恰好能解決上述問題，對比現在常使用的機器而言其有下列幾種優點。(1)產品的精度高，可以完成在各種空間操作平臺在軌無沖擊釋放精度有效載荷的任務。(2)操控性好，成本低，重復利用率高，與傳統的一次性鎖緊技術和火工解鎖裝置相比，其可以滿足在天地往返系統對所運輸器材的高精度、高靈敏度、高穩定性的需求，在航空航天領域具有重大作用。(3)振動低、沖擊力小，與傳統爆炸螺栓與火工切割器等火工裝置相比，它的工作過程中并不會產生巨大的沖擊，對空間操作平臺的平穩控制幾乎不產生產生影響。(4)內部結構簡單、緊湊，這機構由鎖緊耳軸機構、壓緊鎖鉤機構、鎖緊底座機構、曲柄搖桿機構和驅動齒輪機構交叉布置，如果被產業化生產，可以大大的縮減生產周期、提高了生產效率進而對我國的航天事業的發展也起到了促進的作用。目前我國航天航空正處在快速發展的過程中，空間在軌重復鎖緊-釋放機構的發明對于我國即將展開的登月計劃有著十分重要的現實意義、經濟意義，而且如果空間在軌重復鎖緊機構[11]能夠應用到航天活動中，這也就意味著我們在同樣的時間中可以取得更多的實驗結果，對于科研的經費也是得到了巨大的節省。此外由于航空資源本就是一種稀缺資源，此機構對于節約稀有資源也有著及其重要的價值，這對于我國在政治、軍事的博弈中取得優勢也起到了十分關鍵的作用。第二章傳動機構2.1傳動機構的種類與特點正如我們所理解的，傳動機構就是將動力從機器的一個地方轉移到另外一個地方，從而實現機構的運轉[12]。我們將機器或者機器部件運轉的構件或者機構叫做傳動機構，傳動機構的作用有下面這幾種[13]：（1）改變提供動力的元件的輸出轉矩，從而達到工作機的要求;（2）將提供，動力的元件所輸出的運動變成工作機所需要的形式，如將圓周運動改變成直線運動同樣也可以將直線運動轉換成圓周運動；（3）通過將一個提供動力元件的機械能傳輸到另外幾個工作機上，亦或是將幾個提供動力的元件的機械能傳送到一個工作機上；（4）其他特殊作用，如有利于機器的控制、裝配、安裝、維護和安全等而設置傳動裝置。根據工作原理的不同，傳動方式可分為：機械傳動、流體傳動、電氣傳動、復合傳動（其中復合運動指的是含有兩種以上的傳動方式）2.2傳動方案的確定此課題講述的是靠箱體內的機構完成鎖鉤橫軸與卡爪的鎖緊與釋放，由于箱體內有電機提供動力，且在太空中沒有重力所以不用考慮流體傳動，由此可見此處使用的是機械運動和電氣傳動組成的復合傳動。機械傳動有帶傳動、鏈傳動、蝸桿傳動、齒輪傳動，結合上面的分析，我們可以清楚的知道，由于箱體的尺寸較小，且鎖鉤與卡爪做的都是不完全的圓周運動，依靠微動開關、齒輪、卡爪的作用來完成對于鎖鉤的鎖緊與釋放，至于箱體內選擇哪種傳動方式比較合適，將通過優缺點的對比來決定。方案A:這里如果選用帶傳動的話，雖然帶傳動在整體結構上比較簡單，而且傳動效率比較高、此外其還能達到緩沖吸振的功能，但是在箱體內帶輪做的并不是連續同向的圓周運動，而是不連續的持續變向的圓周運動，但是時間長了之后傳送帶會出現彈性滑動，從而導致傳動比的改變，由于此機器是運行在太空中的航天飛機上，經常性的更換傳送帶或者使用張緊輪是不經濟的更是不貼合實際的，并且帶傳動一般都是適合用于較長距離的場合，由此可見此處不能用帶傳動。方案B:這里如果使用鏈傳動的話，與前面的帶傳動相比雖然鏈傳動不會有彈性滑動和整體打滑的現象，且能夠保持較準確的平均傳動比，此外其所要求的工作環境比較一般，惡劣的環境都能夠進行工作，而且比較適合在整體尺寸較小的箱體里進行工作，照常理來說鏈傳動是比較適合在此箱體里工作的，但是其有幾個致命的缺點由于空間在軌重復鎖緊釋放機構是依靠箱體里面的機構進行鎖鉤橫軸與卡爪的鎖緊與釋放的，從而要求我們的機構必須可以滿足變向、承受載荷較大的的變化、且尺寸不能過大的情況，但是鏈傳動不宜使用在載荷變化很大以及急速反向的情況，并且長時間的使用鏈傳動會受到一定程度的磨損從而發生跳齒，這在航空器中是萬萬不能出現的，所以鏈傳動不適合。方案C:這里如果使用蝸桿傳動的話，由于渦桿傳動的傳動比較高從而導致其摩擦損失很大、效率很低，除此之外摩擦與磨損會引起連接處過度發熱，使潤滑情況惡化。在航空航天中，我們所需要的是能夠滿足長時間工作、零件之間配合緊湊、工作可靠。由此可見，蝸桿傳動并不滿足這幾點。方案D:如果此處使用齒輪傳動，齒輪傳動適應性廣，它的傳遞功率為從0.1W到10kW;傳遞的圓周速度能達到300m/s以上;最大直徑可達25m左右，傳動比恒定齒輪傳動能保證兩輪瞬時傳動比恒等于內常數；齒輪傳動是上述幾種傳動方案中效率最高的，其傳動效率一般都在95%以上；其工作可靠，壽命相比于上述傳動機構來說也是最長的；其可以傳遞空間中任意兩軸間的運動，所以其完全能滿足上面所說的要求。雖然齒輪傳動有著制造與安裝精度要求較高、價格偏貴、且不適用于傳動距離較遠的場合的缺點，但對于空間在軌重復鎖緊釋放機構來說這些都不會影響其工作，由表2.1可見，選擇齒輪傳動更為合適，所以空間在軌鎖緊釋放機構箱體內的結構布局如圖2.1所示。帶傳動√√鏈傳動√√√蝸桿傳動√齒輪傳動√√√√表2.1圖2.1

第三章機體三維建模3.1solidworks簡介SolidWorks軟件[14]是世界上首個在Windows上運行的三維CAD系統,憑借其技術創新符合世界技術的發展潮流,SolidWorks公司逐漸成為三維操作軟件中中獲利最高的公司。由于使用了WindowsOLE技術、最為直觀的視覺技術、還有和良好的其他軟件的集成技術,SolidWorks成為全世界最受歡迎的三維軟件。3.2零件介紹3.2.1微動開關圖3.1（微動開關）簡介:微動開關上面包括微小接點間隔和快動機構,通過之前定好的行程和規定的力來開關,微動開關的外面覆蓋著一層外殼，由于其外部有驅動桿的一種開關并且它開關的接觸點間距較小,所以叫做微動開關,也被稱為靈敏開關[15]。工作原理：外面的機械力通過傳動元件（按鈕、杠桿、滾輪等）將力作用于動作簧片上，當動作簧片移動到臨界位置時產生瞬時動作，從而使得動作簧片末端的動觸點與定觸點快速接通或斷開。3.2.2卡爪圖3.2（卡爪平面圖）圖3.3（卡爪拉伸圖）圖3.4（卡爪三維模型）卡爪的作用[16]：殼體、絕緣體、接觸件構成了電連接器，其中接觸體和導線的連接形式由焊接和壓接兩種方式構成。由于焊接式連接容易產生虛焊、假焊等問題,而且不易于檢查,此外還會有質量隱患,并且在外界條件復雜的時候也很不利于焊接,除此之外還容易受到工作條件和周圍環境的限制。不過如果采用卡爪的話可以解決之前的問題,我們可以在不用把絕緣體和殼體分離的情況下，通過使用其他機構可以直接隨時取卸、裝送、更換接觸件,從而完成將之前就已經和導線連好的接觸件放入絕緣體內，卡爪在這里就起到了固定與釋放的作用。3.2.3壓力傳感器圖3.5（傳感器底板的繪制）圖3.6（外形輪廓的拉伸）圖3.7（切除打孔方便固定）圖3.8（壓力傳感器得三維建模）壓力傳感器的作用是感受壓力[17]，并能按[7][8]照一定的規律將壓力信號轉換成有用的輸出的電信號的器件或裝置。這種設備在工業領域應用十分廣泛，在水利、交通、建筑、機床等行業都有所涉及，傳統的壓力傳感器主要以大型器件構成，借助彈性構件的形狀變化來測量壓力的大小，這種傳感器又大又重，使用起來及其不方便，隨著科學技術的迅速發展，半導體壓力傳感器[18]應運而生，它更加輕便、準確、且更加適應環境，逐漸取代了傳統壓力器。3.3.1鎖鉤鎖鉤是通過與齒輪軸的連接，從而獲得動力來實現鎖鉤橫軸與卡爪的鎖緊與釋放。圖3.9（鎖鉤的草圖繪制）圖3.10（鎖鉤拉伸圖）圖3.11（切出鍵槽）3.4.1爆炸圖下圖是整個機構的爆炸圖，其包括下機箱、中機箱、箱頂、以及箱體內部傳動機構。圖3.12（整體結構的爆炸圖）空間在軌重復鎖緊釋放機構的設計與計算4.1空間在軌重復鎖緊釋放機構最大鎖緊力的計算圖4.1（耳軸的受力分析圖）對耳軸進行受力分析，設最大鎖緊力為 F圖4.2（軸1受力分析圖）軸1從左到右的軸長為20mm、80mm、30mm、22mm、38mm、80mm、20mm彎矩圖如下所示圖4.3（軸1彎矩圖)M=19.15F最大許用彎曲應力（4-1）將M=19.15帶入公式得到F≤6672.6N同樣耳軸的校核與軸的校核同出一轍，F≤9152.7N通過查機械設計手冊，得出內徑24mm、外徑46mm的深溝球軸承基本額定靜載荷C=5150NX0=0.5,Y0=0.26[19]當量靜載荷為POr=X0Fr+Y0Fa(4-2)Por=Fr取最大值,得到Por=Fr=0.25FS0=1.2Cor=S0POR求得F≤17676N綜合上面的幾種做法可以得出，最大的鎖緊力為6672.6N4.2.雙搖桿機構的設計計算4.2.1圖解法計算雙搖桿尺寸設雙搖桿配合時短搖桿轉90°，鎖鉤（長搖桿）此時和耳軸鎖緊配合。當雙搖桿機構在初始位置時，鎖鉤與鎖鉤的軸線組成的平面與短搖桿和其軸線組成的平面平行且設短搖桿和鎖鉤的距離為短搖桿的4倍。圖4.4（圖解法）4.2.2雙搖桿機構間比例關系如圖4.3.3.1所示，ABCD為一開始的位置，AB1C1D為鎖緊時候的位置其中AD=160mm,AB=40mmLCD/LAB=162.35/40≈4.06(4-3)LBC/LAB=50/40=1.25(4-4)長搖桿長度284.13mm連桿長度87.5mm機架長度280mm表4.5（已知桿長度）在機械原理中：最長桿與最短桿之和要小于其他兩桿長度之和，組成周轉副的兩桿中必有一桿為最短桿。設短搖桿長度為70mm,帶入（4-3）、（4-4）得到短搖桿長度70mm長搖桿長度300mm連桿長度80mm機架長度270mm表4.6（求得的桿長度）4.2.3驗證雙搖桿機構長度是否合適圖4.7（驗證桿長度是否合適）當短搖桿轉90°時，長搖桿轉過17.41°，可以使用。

第五章總裝圖及運動分解圖5.1鎖緊釋放機構的總裝圖圖5.1（機構總裝圖）5.2機構的運動分析當總體的結構設計完成后，在含有扇形齒輪的軸上裝上一個伺服電機，給其動力。如圖5.2所示，剛開始時主動齒輪（扇形齒輪）和齒輪2嚙合時，此時和軸三上的齒輪不嚙合，當扇形齒輪和齒輪2轉過一定的角度時，齒輪2上的軸與耳軸產生運動使其與鎖鉤橫軸牢牢鎖緊，且此時軸三上的齒輪還沒有和軸1上的扇形齒輪嚙合，此時機構一直處于鎖緊狀態。當軸1上的扇形齒輪和軸3上的齒輪嚙合，并轉過一定角度后鎖鉤和耳軸配合，從而鎖緊。電機反轉時，此時扇形齒輪和齒輪3配合，短搖桿轉動，從而使得長搖桿脫離鎖緊位置，扇形齒輪和齒輪2沒有配合，耳軸仍處于鎖緊狀態，等到扇形齒輪1與齒輪3不配合，鎖鉤到達原來位置時，齒輪1和2配合，耳軸回到開始位置，從而完成從鎖緊到釋放的過程。圖5.2（機構剖視圖）

第六章總結本課題所設計的機構是為了解決航天器上大型有效載荷在軌多次鎖緊與釋放的問題。由于以往的技術中通常使用的是一次性鎖緊以及火工解鎖的方式，此方法雖然很方便但是并不能重復使用，穩定性較差在如今的航天技術里并不能達到使用的標準。然而本文所設計的空間在軌重復鎖緊釋放機構里包括了鎖緊耳軸機構、壓緊鎖鉤機構、鎖緊底座機構、曲柄搖桿機構和驅動齒輪機構，鎖緊耳軸機構在鎖緊底座機構的上端，驅動齒輪機構分別與壓緊鎖鉤機構和曲柄搖桿機構連接。此機構與現有的技術相比具有以下的優點（1）本機構中的的鎖緊耳軸機構、壓緊鎖鉤機構、鎖緊底座機構、曲柄搖桿機構和驅動齒輪機構交叉布置，結構簡單、緊湊，能夠使被固定物的所有自由度完全被限制。（2）此機構的曲柄搖桿機構工作在反向死點位置附近，具有大增力比，較小的驅動力矩可在鎖緊耳軸上產生很大的鎖緊力，使鎖緊緊固可靠，可承受數萬牛頓的沖擊振動載荷。（3）本機構可實現重復鎖緊，操控性好，能滿足在軌鎖緊-釋放-再鎖緊的使用需求。（4）此機構解鎖過程沖擊極小，對航天器本體及被分離對象的姿態及穩定性控制無影響。由此可見，凡是涉及到空間上交會對接[20]的任務，空間在軌重復鎖緊釋放機構都可以很好地解決此類問題。除此之外，本文中所設計的空間在軌重復鎖緊釋放機構提高了工作效率，也為廣大的廠商提供了參考價值、縮短了研究周期，對于我國航天技術的發展起到了順水推舟的作用。參考文獻潘冬.空間柔性機械臂動力學建模分析及在軌抓捕控制[D].孫海霞,范瑞祥.星箭包帶鎖緊裝置分離過程動態包絡的動力學仿真[J].導彈與航天運載技術,2004(04):15-18.特能213所兩型火工裝置助力“一箭五星”[J].中國軍轉民,2018(12):88.程靖.空間機器人捕獲航天器過程動力學演化分析與其后控制系統設計[D].2017.王剛.壓力傳感器校準和測控系統研究[D].四川大學,2005.濮良貴紀名剛主編《機械設計》高等教育出版社2005.陳修龍,姜帥,賈永皓,余神合.基于工程軟件的“機械設計基礎”課程設計實踐[J].實驗科學與技術,2020,18(02):53-57.HuaiyuanW.TheEffectofSelf-AssemblyModifiedPotassiumTitanateWhiskersontheFrictionandWearBehaviorsofPEEKComposites[J].Wear,2010,269.[10]Pa