空间站机械臂末端执行器用导轨设计与验证.pdf

空间站机械臂末端执行器用导轨设计与验证张文明，杨旭，王储，胡成威（北京空间飞行器总体设计部 空间智能机器人系统技术与应用北京市重点实验室，北京100094）摘 要：针对滚珠直线导轨用于空间机构时的空间环境适应性问题，提出了空间机构用导轨设计方案，经导轨地面试验和产品在轨试验验证，该设计方案可以满足在轨使用要求，实现了导轨在真空、高低温等空间复杂环境下的长寿命应用.以空间站机械臂末端执行器用滚珠直线导轨研制为例，开展了导轨设计，并进行了导轨试验验证，确定了导轨采用滚珠溅射沉积 MoS2复合薄膜的固体润滑方案，间隙为 0.040.05 mm，满足末端执行器在轨工作 2 000次以上的使用寿命要求.通过末端导轨试验可知，固体润滑的导轨载荷能力和使用寿命均显著下降，在空间机构用导轨研制过程中，须进行专项寿命试验，以验证导轨能否满足在轨使用要求.关键词：机械臂；末端执行器；导轨；设计；验证中图分类号：V476.1 文献标志码：A 文章编号：1001-0645(2024)02-0182-07DOI：10.15918/j.tbit1001-0645.2023.059Design and Experimental Verification for Ball Linear Guide Rail ofRobotic Arms End Effector in China Space StationZHANG Wenming，YANG Xu，WANG Chu，HU Chengwei（Beijing Key Laboratory of Intelligent Space Robotic System Technology and Applications,Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China）Abstract：A design scheme was proposed for the ball linear guide rail used in space mechanisms to improve theadaptability to the space environment.Testing the product of guide rail on ground and on-orbit,the resultsshow that the design scheme can meet the requirements of on-orbit use and achieve long life applications of theguide rail in complex space environments such as vacuum and high and low temperatures.Taking the develop-ment of a ball linear guide rail for the end effector of a space station robotic arm as an example,the guide raildesign and guide rail experimental verification were carried out.A solid lubrication scheme was determined,tak-ing ball sputtering deposition of MoS2 composite film for the guide rail,with a gap of 0.04 0.05 mm,being meet the service life requirements of the end effector working in orbit for more than 2 000 times.But theresults of the guide rail test show that the load capacity and service life of the solid lubricated guide rail can sig-nificantly decrease.So the development process of guide rails for space mechanisms,the special life tests mustbe conducted to verify whether the guide rail can meet the requirements for on-orbit use.Key words：robotic arm；end effector；guide rail；design；experimental verification 近年来，随着航天器机构的快速发展，对各类长寿命、高精度直线传动机构应用需求日渐旺盛.滚珠直线导轨具有定位精度高、摩擦磨损小、传递效率高、使用寿命长等优点而广泛应用在精密机械、数控机床等各类直线机构中1 2，地面应用广泛，技术成熟，但在空间机构产品中应用相对较少.与地面应用相比，空间机构用导轨需综合考虑在轨高低温、真空、原子氧、电子辐照、单粒子、紫外和红外辐照等空间环境因素，为此，其导轨不能直接引用地面产品技术状态，需依据航天器发射环境、空间应用环境等 收稿日期：2023 03 14基金项目：国家自然科学基金资助项目（51927809）作者简介：张文明（1979），男，高级工程师，E-mail：.第 44 卷第 2 期北 京 理 工 大 学 学 报Vol.44No.22024 年 2 月Transactions of Beijing Institute of TechnologyFeb.2024因素，进行再设计，并通过全面的试验验证，确保其功能性能满足在轨使用要求.滚动直线导轨主要包括导轨、滑块、滚珠及返向器等组件，通过滚珠在导轨与滑块组成的滚道内滚动，进行直线运动，运动过程中可同时承受 2 个方向的横向力和 3 个方向的力矩.在正常工作的状态中，滚珠在滚道和返向器所围成的闭合区间内做循环运动，滚珠在受载状态下的运动较为复杂，主要运动包括直线运动、纯滚动、陀螺运动和自旋运动3.林敏4、耿宝龙5对导轨副摩擦力、磨损机理以及动态特性进行了研究.龚灿6在对导轨滚道表面形貌测试的基础上，建立了滚道表面波纹度模型计算了滚珠与滚道接触力，并分析了承载区内因接触状态的变化引起的摩擦特性的变化.李隽等7对滚动直线导轨副寿命分析、试验以及失效模式等方面进行了研究，分析了直线导轨的失效模式，主要是接触疲劳剥离与磨损，与其使用环境条件、负载和工作寿命相关.以上均是基于导轨在地面油脂润滑状态下的分析研究，在油脂润滑状态下直线导轨受力、使用寿命以及磨损失效模式有较成熟的分析方法与试验结果.针对空间机构中的导轨，因其会常期暴露在真空环境下，油脂易在真空中挥发，失去润滑作用，所以不宜用油脂润滑，通常采用固体润滑.本文以空间站机械臂末端执行器导轨研制为例，给出了滚珠直线导轨设计与试验方法，对空间机构用导轨的设计、承载能力、寿命及其试验验证等内容进行了研究.结合试验结果，探讨了空间机构用导轨设计及使用建议，供航天器机构研制人员参考.1 锁紧机构导轨设计 1.1 锁紧机构设计状态末端执行器是空间站机械臂在轨执行任务的关键设备，安装在机械臂的两端，用于对合作目标的抓取与释放.末端采用钢丝绳缠绕方式进行大容差、低冲击捕获，采用粗、精分级定位方案，实现高精度对接，采用 4 套独立的锁紧机构对目标适配器进行锁紧，以实现高刚度锁紧8.其中，锁紧机构中采用了滚珠直线导轨作为其直线运动导向组件.锁紧机构安装在末端执行器外壳上的，见图 1所示，在末端外围共分布有 4 套锁紧机构，图中仅表示出 1 套.在末端执行器与对应的目标适配器完成对接后，分布在末端外壳上的 4 套锁紧机构同步动作，对目标适配器进行锁紧，并实现二者之间的电连接器连接.锁紧机构主要由滚珠丝杠、碟簧组件、固定支架、活动组件、连杆、锁紧支撑架和导轨等零部件组成.在锁紧过程中，由锁紧驱动组件通过 1 个大齿轮同时驱动 4 套锁紧组件的滚珠丝杠螺母转动，滚珠丝杠连同锁紧支撑架沿导轨作直线运动，进而实现对目标适配器的锁紧与电连接器连接.其锁紧过程如图 2 所示，初始状态，连杆下端滚轮与固定支架侧面部分接触，见图 2（a）；在锁紧过程中，在丝杠螺杆的推动下，锁紧支撑架、连杆和活动组件一起移动；当连杆下端滚轮移动至固定支架斜面处时，连杆慢慢张开，其下端滚轮逐渐与固定支架斜面部分脱离，上端滚轮沿目标适配器锁紧槽斜面运动，在此过程中，碟簧组件与固定支架下端面接触并压缩，碟簧所提供的锁紧力将通过活动组件、连杆传递到目标适配器，见图 2（b）.当碟簧组件压缩到位，且安装在锁紧支撑架上的电连接器与目标适配器对应的电连接器对接完成后，触发到位开关，完成与目标适配器的锁紧与电连接.(a)初始状态(b)锁紧到位状态图 1 锁紧机构安装示意图Fig.1 Schematic diagram of locking mechanism installation 目标适配器卡爪锁紧支撑架导轨连杆固定支架活动组件碟簧组件滚珠丝杠(a)初始状态(b)锁紧到位状态图 2 锁紧机构工作过程示意图Fig.2 Working diagram of locking mechanism第 2 期张文明等：空间站机械臂末端执行器用导轨设计与验证183锁紧机构工作过程中，由导轨承受直线运动过程中的弯曲/扭转以及横向载荷，保证锁紧支撑架及安装在其上的电连接器在运动过程中的位置精度，确保末端锁紧及电气连接正常.在进行该导轨设计时，首先根据末端在轨工作模式，进行载荷分析，确定导轨所受力/力矩；然后，根据载荷、接口尺寸等，确定导轨型号规格，此处应选用通用规格产品；接着根据机构工作剖面、使用环境条件等，进行导轨适应设计与分析；最后，进行导轨承载力和寿命试验，验证其是否满足设计及使用要求.1.2 导轨载荷分析对图 1 所示的锁紧机构模型进行受力分析，图 3是建立的 Adams 动力学模型，锁紧组件的运动方向为+Y 向，Y 轴过两根导轨的对称轴；X 向与 Y 向垂直水平向右，X 轴过锁紧支撑架中面；Z 轴方向与 X 轴和 Y 轴垂直且遵循右手定则；坐标原点位于导轨滑块安装面上.YX左侧卡爪右侧卡爪支撑架组件锁紧丝杠上连接件固定支架碟簧滚珠丝杠导轨连接件活动支架图 3 锁紧机构 Adamas 动力学模型Fig.3 Adamas dynamic model of locking mechanism 建立锁紧机构各活动零件之间约束关系，在固定支架下端面与活动支架之间建立弹簧连接，弹簧刚度 1 700 N/mm.设置无偏差和有偏差 2 种工况进行仿真分析，根据末端执行器锁紧机构尺寸链分析，支撑架组件与左右卡爪位置偏差最大为 0.1 mm，即X 向偏差 0.1 mm.仿真时，滚珠丝杠沿 Y 向作直线运动，进行锁紧动作.导轨在 Ty 方向的扭矩可以等效为导轨的拉压力，对导轨寿命影响较小，故应着重考虑 Tx、Tz 方向弯矩对导轨的影响.分析结果见图 4图 7 所示，汇总结果见表 1 所示，由表中数据可知导轨连接件受最大力矩为 1.546 Nm，由 2 个导轨承担，取不均匀系数为 0.6，安全系数取 2，则单个导轨设计载荷为：1.5462/(20.6)=2.58 Nm，据此取设计值为 3 Nm.Joint36_Fx0.500.51.01.52.02.5力/N050100t/s150图 4 无偏差工况导轨连接件 X 方向受力Fig.4 Force in the X direction of the guide adapter with unbiased 050100t/s1500.500.51.01.52.02.5力矩/(Nm)JOINT_36.TxJOINT_36.TyJOINT_36.Tz图 5 无偏差工况导轨连接件受力矩Fig.5 Moment in the guide adapter with unbiased 050100t/s150100102030力/NJOINT_36.Fx图 6 有偏差工况导轨连接件 X 方向受力Fig.6 Force in the X direction of the guide adapter with bias 050100t/s1502 0001 5001 00050005001 0001 500力矩/(Nm)JOINT_36.TxJOINT_36.TyJOINT_36.Tz图 7 有偏差工况导轨连接件受力矩Fig.7 Moment in the guide adapter with bias 表 1 导轨连接件受力分析结果Tab.1 Force and Moment in the guide adapter状态Fx/NFz/NTx/(Nm)Ty/(Nm)Tz/(Nm)无偏差2.400.030.0990.138偏差0.1 mm26.800.031.0961.546 1.3 导轨设计方案航天器机构导轨设计时，尽可能选用标准规格导轨，并根据导轨载荷分析，考虑一定的设计余量，184北 京 理 工 大 学 学 报第 44 卷然后进行适应性设计，以满足在轨空间环境要求9.选用南京工艺装配制造有限公司的 GGC9BA 微型滚动导轨.该导轨采用二列式滚珠循环设计，滚道为哥德式结构，接触角为 45，可实现四方向等载荷效果.该导轨可承受额定力矩 6.58 Nm，见表 210，大于锁紧机构导轨设计值的 2 倍.根据滚动直线导轨额定寿命计算公式7，L(CF)350（1）式中：L 为额定寿命，km；C 为额定动载荷；F 为计算载荷，kN.表 2 GGC9BA 微型滚动导轨参数Tab.2 GGC9BA miniature ball linear guide parameters型号额定动载C/kN额定力矩/(Nm)MAMBMCGGC9BA1.716.586.5810.8 可计算得到在上述使用条件下，导轨使用寿命大于 100 km，导轨承载示意见图 8 所示.确定导轨型号规格后，进行适应性设计，主要包括润滑设计、材料选择以及机械接口设计等.应用于空间机构中的导轨会常期暴露在真空环境下，油脂易在真空中挥发，失去润滑作用，不易采用油脂润滑，因此通常采用固体润滑.固体润滑膜厚度约为 12 s，与基体间附着力强，耐磨寿命长，运动过程中产生的磨屑少，适用于小间隙的滚动直线导轨.空间常用的固体润滑膜见表 3 所示，根据表中所述各润滑膜特点，确定对滚珠采用溅射沉积 MoS2复合薄膜，该固体润滑膜可单独使用，具有很低的真空摩擦系数.受太空原子氧、粒子辐照等因素影响，导轨材料不宜采用非金属材料，因此，需将返向器改为金属材料，同时受高低温影响，宜采用与滑块相同的金属材料.产品需经历地面运输、存储、发射环境影响，进行环境适应性设计，包括地面运输、加速度、冲击、盐雾等.宜选用具有防腐蚀性能的不锈钢材料.因此，导轨、滑块、滚珠及返向器均选用 G95Cr18 不锈钢材料.表 3 固体润滑膜层分类Tab.3 Classification of solid lubricating film序号固体润滑膜层主要特点1溅射沉积MoS2复合薄膜a)具有很低的真空摩擦系数，与基体间附着力强，耐磨寿命长，运动过程中产生的磨屑少，适用于真空环境中使用的精密零件.b)大气潮湿环境中发生氧化性能下降.2反应溅射沉积WC:H薄膜a)在真空环境中与润滑油脂配伍使用，具有减摩耐磨的协同效应，适用于长寿命、高承载精密零件.b)在真空环境中摩擦系数高.3等离子体增强化学气相沉积aC:H薄膜a)硬度高，大气环境中摩擦系数低，耐磨损，防腐蚀性能好，适用于精密零件.b)在真空环境中摩擦系数高.滚珠直线导轨在正常工作的状态中，滚珠在滚道和返向器所围成的闭合区间内做循环运动，所通过的区域按照受力状态可以分为承载区、非承载区和过渡区，见图 9.承载区内的滚珠分担了滑块上的主要载荷.非承载区内的滚珠处于卸载状态，主要是保证滚珠能够连续的返回承载区，实现滑块的连续运动.过渡区连接着承载区和非承载区，区间内的滚珠从受载状态进入卸载状态（入口处为空载状态进入承载状态），此过程要保证滚珠运动顺畅，不存在过渡区变形，影响滚珠运动现象.在返向器与滑块、MAFAFBMBMC图 8 导轨承载示意图Fig.8 Schematic diagram of the guide loading 返向器过渡区滚珠运动方向承载区图 9 导轨工作示意图Fig.9 Working diagram of the ball linear guide第 2 期张文明等：空间站机械臂末端执行器用导轨设计与验证185导轨组成的滚道中，返向器的安装位置会影响滚珠在过滚区的运动状态，如偏差过大，会对滚珠运动产生阻力，挤压返向器直至将其破坏，因此，需在返向器与滑块之间配打定位孔，保证返向器的安装精度.综上所述，确定锁紧机构导轨采用 GGC9BA 微型滚动导轨，其中导轨、滑块和返向器材料均采用为 G95Cr18 不锈钢，滚珠采用溅射沉积 MoS2复合薄膜.根据导轨安装的具体状态进行接口适应性设计.优化返向器的安装精度及导轨间隙，令导轨间隙可调.最后根据试验结果确定导轨的最终状态.2 导轨试验验证相对油脂润滑，固体润滑效率较低，对产品使用载荷及使用寿命影响较大，所以空间机构用导轨不能直接引用产品手册中给出的载荷、寿命等使用数据，需单独进行试验验证，验证其能否满足载荷、寿命要求.针对材料空间环境适应性，一般可通过与已有的型号在轨数据进行比对，分析是否满足要求，若没有相同材料在轨飞行经历，则应进行空间环境适应性试验验证.导轨承载试验和寿命试验前，需确定试验实施方案、试验次数等内容.锁紧机构选用的材料有在轨飞行经历，满足空间环境要求，无须进行材料空间环境适应性试验.2.1 试验次数按照航天器机构设计与验证通用要求QJ207122018 规定11，地面寿命试验次数确定方法见表 4.表 4 航天器机构寿命试验持续时间因子Tab.4 Spacecraft mechanism life test duration factor类型预计工作次数系数地面试验11 0004在轨11010111 00041 001100 0002100 0001.25 n运用预计正常地面试验周期和在轨运行周期之和乘以表中对应的系数，计算地面寿命试验次数.针对末端执行器锁紧机构，地面使用次数 100，在轨使用次数 2 000，据此计算地面寿命试验次数：n=100 4+10 10+990 4+1000 2=6 460，依此确定锁紧机构导轨的试验次数不少于 6 460 次，试验时取 7 000 次.2.2 试验方案根据锁紧机构导轨工作状态，确定导轨承载和寿命试验方案见图 10 所示，由力矩加载工装、导轨、滚珠丝杠和电机等组成12.试验时，由电机驱动滚珠丝杠正转或者反转，丝杠螺母带动与其固连的滑块作直线往复运动，试验速度为 80 mm/min，行程为 80 mm，进行往复运动.通过吊挂配重对导轨滑块施加对应的使用载荷，加载力矩 3 Nm，配重加载可保证加载力矩的稳定一致.导轨力矩加载工装F1M滑块力矩加载工装F1图 10 导轨加载试验示意图Fig.10 Schematic diagram of the guide loading test 试验前后，测试导轨滑块在空载下的运行阻力，试验过程中，监测滑块运动时的阻力变化，并对导轨运动状态进行监视，如有异常，应停止试验，然后对导轨、滑块、滚动体表面进行检测，检查滚珠润滑膜是否脱落，导轨、滑块滚道表面磨损情况.当导轨运行阻力未发生明显变化，则认为导轨通过试验验证，反之，未通过.2.3 试验结果与分析试验过程中，根据导轨间隙、润滑及跑合状态，共设计 4 种导轨，见表 5.状态一、状态二和状态三均为滚珠固体润滑，润滑膜厚度均为 0.0010.002 mm，状态一、状态二间隙相同，均为 0.040.05 mm，只是状态二未进行跑合；状态三无间隙，滚珠与导轨、滑块之间为过盈配合，不进行地面跑合；状态四滚珠为陶瓷球，导轨和滑块滚道均未润滑.跑和按照寿命试验次数的 10%进行加载跑和，即加载 3 Nm，跑合700 次.4 种状态导轨试验件各加工 1 件，然后分别进行寿命试验，若试验未通过则终止此状态下的试验；186北 京 理 工 大 学 学 报第 44 卷若试验通过，则再增加 2 件同种状态的试验件进行验证.状态一导轨(编号：1-a)顺利通过 7 000 次试验，累计行程 0.56 km，每完成 1 000 次试验，对导轨卸载进行空载下阻力测试，测试结果见表 6 所示；试验前后，分别进行 2 Nm、3 Nm 和 4 Nm 载荷下的阻力测试，结果见表 7，由表中数据可知，试验前后，导轨在加载情况下的阻力变化最大为 2.2 N，未发生明显变化.接着采用 2 件同种状态的导轨(编号：1-b、1-c)，进行寿命试验，顺利完成 7 000 次承载试验，测试结果见表 6，由表中数据可以看出，状态一导轨可以满足在设计载荷下工作 7 000 次的使用需求.表 6 导轨试验过程中空载测试结果汇总Tab.6 Summary of no-load test results of the guide试件编号间隙/mm初始力1 000 次2 000 次3 000 次4 000 次5 000 次6 000 次7 000 次1-a0.040.10.10.10.10.10.10.10.11-b0.040.10.10.10.10.10.10.10.11-c0.040.10.10.10.10.10.10.10.1 表 7 导轨试验前后加载测试结果汇总Tab.7 Summary of loading test results before and after the guide test试件编号试验前测试结果试验后测试结果间隙/mm2 Nm3 Nm4 Nm间隙/mm2 Nm3 Nm4 Nm1-a0.046.67.19.19.511.812.30.0327.47.710.310.713.414.01-b0.045.57.2710.49.512.60.046118.711.412.814.81-c0.046.378.49.910.511.90.0467.27.89.611.411.812.8 状态二导轨试验进行至 6 713 次时，导轨运动时抖动，有异响，空载下导轨的运动阻力增大至 3.54.6 N.拆下导轨并分解，检查导轨、滑块和滚珠表面状态，发现已有多个滚珠表面为光亮状态，表明润滑膜已脱落；导轨、滑块滚道有磨损痕迹，表明润滑膜已磨损，露出基体材料，见图 11.在滑块端面磨损尤为显著，此处为滚珠由承载区至非承载区的过渡段，接触应力大，易磨损.端面磨损端面磨损右滚道左滚道(a)滚珠表面状态(b)导轨滚道表面状态(c)滑块滚道表面状态图 11 状态二试验后各状态Fig.11 The state after the test of specimen 2 状态三导轨试验进行至 3 465 次时，导轨运动时抖动，有异响，空载下导轨运动阻力增大至 23 N.导轨在工作过程中固体润滑膜会有脱落，脱落的润滑膜堆积在导轨滚道内部，会影响滚珠运动，增大滚珠与导轨、滑块之间的磨损，缩短导轨使用寿命，因此，固体润滑导轨不宜采用过盈配合.状态四导轨仅进行了 416 次，运动阻力便明显增大，表明导轨若不润滑，则其滚道极易磨损，导致运动受阻，即便采用表面硬度、光洁度较高的陶瓷球，也不能适应导轨受载状态下的长时间运动.比较状态一、状态二试验结果，可知固体润滑的导轨可满足有限寿命次数的使用，加载跑合会消耗 表 5 导轨试验件分类Tab.5 Classification of the guide specimens试件状态润滑膜厚度间隙滚珠是否跑合状态一0.0010.0020.040.05钢珠否状态二0.0010.0020.040.05钢珠是状态三0.0010.0020.010钢珠否状态四/0.040.05陶瓷否第 2 期张文明等：空间站机械臂末端执行器用导轨设计与验证187导轨工作寿命.由状态三试验结果可知，固体润滑的导轨不宜采用过盈配合，合理的间隙设计可以减小脱落润滑膜对滚珠运动的影响，延长固体润滑导轨的使用寿命.状态四结果表明，在导轨使用时必须做润滑处理.根据上述试验结果，可确定末端执行器锁紧机构导轨采用状态一方案，即滚珠采用溅射沉积 MoS2复合薄膜，导轨间隙 0.040.05 mm，滚珠润滑后不进行跑合.3 结论与建议受空间高低温、真空、原子氧、电子辐照、单粒子、紫外和红外辐照等环境因素影响，滚珠直线导轨不能直接应用于空间机构中，须进行空间适应性设计并通过验证后才能使用.暴露在外太空的导轨只能采用固体润滑，固体润滑会使导轨负载能力及使用寿命明显下降.通过总结空间站机械臂末端执行器导轨设计、试验过程与结果，可得到结论如下：相比地面用油脂润滑，采用固体润滑的导轨承载能力及使用寿命显著下降，为此，应根据在轨使用工况，分析导轨工作载荷，进行专项寿命试验，验证其在使用载荷条件的寿命是否满足要求；固体润滑膜使用寿命有限，因此，采用固体润滑的活动部件，应在润滑前进行跑和，润滑后进行空载少量跑和，不建议进行加载跑和，否则会影响其在轨使用寿命；针对固体润滑的导轨，不宜采用过盈配合，合理的间隙设计可以延长导轨在轨使用寿命.参考文献：徐起贺.滚动直线导轨副的特点、现状及发展方向 J.现状趋势战略,2001(2):19 21.XU Q H.Characteristics,present situation and developmentdirection of rolling linear guide pairJ.Present Situation,Trends,Strategy,2001(2):19 21.(in Chinese)1 屈重年,伍良生,肖毅川,等.机床导轨技术研究综述 J.制造技术与机床,2012(1):30 36.QU Z N,WU L S,XIAO Yichuan et al.Summary of researchon machine tool guideway technologyJ.ManufacturingTechnology and Machine Tool,2012(1):30 36.(in Chinese)2 张沈生.直线导轨的原理及其应用 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