CN109483221A - 一种空间机械臂低应力装配系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种用于空间机械臂低应力装配系统及方法，系统包括装配平台、肩部关节支撑装置、左臂杆支撑装置、肘部关节支撑装置、右臂杆支撑装置和腕部关节支撑装置；装配平台上放置肩部关节支撑装置、左臂杆支撑装置、肘部关节支撑装置、右臂杆支撑装置和腕部关节支撑装置；肩部关节支撑装置放置安装肩部关节，用于卸载肩部关节的重力；左臂杆支撑装置有两个，其上面放置左臂杆，用于卸载左臂杆的重力；肘部关节支撑装置上面放置肘部关节，用于卸载肘部关节的重力；右臂杆支撑装置有两个，其上面放置右臂杆，用于卸载右臂杆的重力；腕部关节支撑装置上面放置腕部关节，用于卸载腕部关节的重力。

Description

一种空间机械臂低应力装配系统及方法

技术领域

本发明属于机械工程领域，具体涉及一种空间机械臂低应力装配系统及方法。

背景技术

空间机械臂是用于太空探测活动的特种机器人，主要完成空间站的组建与维护、失效航天器的捕获与维修、航天员舱外活动的支持、在轨科学实验的实施等重大任务。空间机械臂机构复杂、自由度多、回转轴系多、运动范围大、精度要求高，具有尺寸大、轻型材料多、刚度弱的特点，其任务种类多样，包括展开、爬行、收拢、捕获、对接等复杂的在轨操作。

空间机械臂长期运行在微重力、高温差、强辐射的太空环境中，必须经过地面精密装调才能可靠在轨工作。在地面装配时，重力环境引起空间机械臂的弱刚度构件结构变形，产生附加应力；在太空服役时，失重环境引起附加应力的释放，结构变形的恢复改变装配面接触状态，引起机械臂性能的变化。因此，空间机械臂在地面的装配精度和试验性能并不能完全反映在太空的状态。因此，需要采用低应力装配方法来提高空间机械臂的地面装配性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种用于空间机械臂低应力装配系统及方法，实现空间机械臂在装配过程中的重力卸载，降低空间机械臂的装配应力，提高空间机械臂的装配精度和服役性能。

本发明包括如下技术方案：一种用于空间机械臂低应力装配系统，包括装配平台、肩部关节支撑装置、左臂杆支撑装置、肘部关节支撑装置、右臂杆支撑装置和腕部关节支撑装置；装配平台上放置肩部关节支撑装置、左臂杆支撑装置、肘部关节支撑装置、右臂杆支撑装置和腕部关节支撑装置；肩部关节支撑装置放置安装肩部关节，用于卸载肩部关节的重力；左臂杆支撑装置有两个，其上面放置左臂杆，用于卸载左臂杆的重力；肘部关节支撑装置上面放置肘部关节，用于卸载肘部关节的重力；右臂杆支撑装置有两个，其上面放置右臂杆，用于卸载右臂杆的重力；腕部关节支撑装置上面放置腕部关节，用于卸载腕部关节的重力。

各关节支撑装置底部安装有气足，用于在装配平台的水平方向上无摩擦任意移动；各关节支撑装置内部安装有气压监测系统，用于监测气压大小，通过控制系统控制气压大小调整关节支撑装置的高低位置。

各臂杆支撑装置底部安装有气足，用于在装配平台的水平方向上无摩擦任意移动；臂杆支撑装置内部有气压监测系统，用于监测气压大小，通过控制系统控制气压大小调整臂杆支撑装置的高低位置。

各臂杆支撑装置上部安装有支撑臂杆的滚轮，用于使臂杆在支撑装置上绕臂杆中心轴线任意转动。

一种空间机械臂低应力装配方法，步骤如下：

1)将肩部关节支撑装置、左臂杆支撑装置、肘部关节支撑装置、右臂杆支撑装置、腕部关节支撑装置放置在装配平台上，将肩部关节、左臂杆、肘部关节、右臂杆、腕部关节分别对应放置在肩部关节支撑装置、左臂杆支撑装置、肘部关节支撑装置、右臂杆支撑装置、腕部关节支撑装置上；

2)打开气压控制开关，使支撑装置的气足充气；

3)安装肩部关节和左臂杆，测量肩部关节和左臂杆连接位置的高度差值，并反馈到控制系统，控制系统自动调节肩部关节支撑装置气足和左臂杆支撑装置气足的气压，使左臂杆和肩部关节的安装位置重合满足装配要求，将左臂杆和肩部关节安装在一起；

4)安装左臂杆和肘部关节，测量左臂杆和肘部关节连接位置的高度差值，并反馈到控制系统，控制系统分别自动调节左臂杆支撑装置气足和肘部关节支撑装置气足的气压，使肘部关节和左臂杆的安装位置重合满足装配要求，将肘部关节和左臂杆安装在一起；

5)安装肘部关节和右臂杆，测量肘部关节和右臂杆连接位置的高度差值，反馈到控制系统，控制系统分别自动调节肘部关节支撑装置气足和右臂杆支撑装置气足的气压，使右臂杆和肘部关节的安装位置重合满足装配要求，将右臂杆和肘部关节安装在一起；

6)安装右臂杆和腕部关节，测量右臂杆和腕部关节连接位置的高度差值，反馈到控制系统，控制系统分别自动调节右臂杆支撑装置气足和腕部关节支撑装置气足的气压，使腕部关节和右臂杆的安装位置重合满足装配要求，将腕部关节和右臂杆安装在一起。

所述步骤2)中，打开气压控制开关，使支撑装置的气足充气，调节气压大小，使支撑装置与装配平台之间的间隙为0.5mm。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1)本发明解决了空间机械臂各零部件在装配过程中受重力和装配应力作用产生的变形影响机械臂的装配精度难题。

2)本发明采用气浮装置卸载重力的方法，避免机械臂在装配过程中由于零部件受重力作用产生变形；并且气浮装置和装配平台之间无摩擦移动，可以使关节和臂杆在连接时能够随配合面的接触任意移动，减少了由于螺栓预紧造成的零部件配合面之间的应力，提高了机械臂的装配精度和效率，实现空间机械臂的低应力装配。

3)本发明的装配方法能够满足长度4米范围内的机械臂装配后末端位置精度≤0.2mm，角度精度≤0.015°，展开重复精度≤0.005°的精度要求。

附图说明

图1表示本发明所述的空间机械臂低应力装配方法布局示意图；

图2表示本发明所述的关节支撑装置示意图；

图3表示本发明所述的臂杆支撑装置示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的装配过程进行详细说明，这些说明仅仅是示意性的，并不旨在对本发明的保护范围进行任何限制。

图1为空间机械臂低应力装配方法布局示意图，将肩部关节支撑装置2、左臂杆支撑装置3、肘部关节支撑装置4、右臂杆支撑装置5、腕部关节支撑装置6放置在装配平台1上，将肩部关节、左臂杆、肘部关节、右臂杆、腕部关节分别放置在肩部关节支撑装置2、左臂杆支撑装置3、肘部关节支撑装置4、右臂杆支撑装置5、腕部关节支撑装置6上。

图2为关节支撑装置示意图，关节支撑装置底部安装气足7，充气之后与装配平台1之间形成间隙，使关节支撑装置在装配平台1上无摩擦的向任意方向移动；关节支撑装置内部有气压监测系统8，用于监测气压大小，通过控制系统控制气压大小调整关节支撑装置与装配平台的间隙。

图3为臂杆支撑装置示意图，臂杆支撑装置底部安装有气足7，充气之后与装配平台1之间形成间隙，使臂杆支撑装置在装配平台1上无摩擦的向任意方向移动；臂杆支撑装置内部有气压监测系统8，用于监测气压大小，通过控制系统控制气压大小调整臂杆支撑装置的与装配平台的间隙；臂杆支撑装置上部安装有支撑臂杆的滚轮9，用于使臂杆在支撑装置上绕臂杆中心轴线任意转动。

打开气压控制开关，使支撑装置的气足充气，调节气压大小，使支撑装置与装配平台之间的间隙大约0.5mm。

首先安装肩部关节和左臂杆，把肩部关节和左臂杆的连接位置对齐，通过转动左臂杆使左臂杆和肩部关节的连接孔对齐，由测量系统测量肩部关节和左臂杆连接位置的高度差值，反馈到控制系统，控制系统分别自动调节肩部关节支撑装置2气足和左臂杆支撑装置3气足的气压，使左臂杆和肩部关节的安装位置重合。再通过测量系统进行测量和调整，直到满足装配要求为止，将左臂杆和肩部关节安装在一起。

然后安装左臂杆和肘部关节，把左臂杆和肘部关节的连接位置对齐，通过转动左臂杆使左臂杆和肘部关节的连接孔对齐，由测量系统测量左臂杆和肘部关节连接位置的高度差值，反馈到控制系统，控制系统分别自动调节肩部关节支撑装置2气足、左臂杆支撑装置3气足和肘部关节支撑装置4气足的气压，使肘部关节和左臂杆的安装位置重合。再通过测量系统进行测量和调整，直到满足装配要求为止，将肘部关节和左臂杆安装在一起。

再次安装肘部关节和右臂杆，把肘部关节和右臂杆的连接位置对齐，通过转动右臂杆使右臂杆和肘部关节的连接孔对齐，由测量系统测量肘部关节和右臂杆连接位置的高度差值，反馈到控制系统，控制系统分别自动调节肩部关节支撑装置2气足、左臂杆支撑装置3气足、肘部关节支撑装置4和右臂杆支撑装置5气足的气压，使右臂杆和肘部关节的安装位置重合。再通过测量系统进行测量和调整，直到满足装配要求为止，将右臂杆和肘部关节安装在一起。

最后安装右臂杆和腕部关节，把腕部关节和右臂杆的连接位置对齐，通过转动右臂杆使右臂杆和腕部关节的连接孔对齐，由测量系统测量右臂杆和腕部关节连接位置的高度差值，反馈到控制系统，控制系统分别自动调节肩部关节支撑装置2气足、左臂杆支撑装置3气足、肘部关节支撑装置4、右臂杆支撑装置5气足和腕部关节支撑装置6气足的气压，使腕部关节和右臂杆的安装位置重合。再通过测量系统进行测量和调整，直到满足装配要求为止，将腕部关节和右臂杆安装在一起。

尽管上文对本发明的具体实施方式进行了详细的描述和说明，但是应该指明的是，对上述实施方式进行各种改变和修改，都不脱离本发明的精神和所附的权利要求记载的范围。

Claims (6)

1.一种用于空间机械臂低应力装配系统，其特征在于：包括装配平台(1)、肩部关节支撑装置(2)、左臂杆支撑装置(3)、肘部关节支撑装置(4)、右臂杆支撑装置(5)和腕部关节支撑装置(6)；装配平台(1)上放置肩部关节支撑装置(2)、左臂杆支撑装置(3)、肘部关节支撑装置(4)、右臂杆支撑装置(5)和腕部关节支撑装置(6)；肩部关节支撑装置(2)放置安装肩部关节，用于卸载肩部关节的重力；左臂杆支撑装置(3)有两个，其上面放置左臂杆，用于卸载左臂杆的重力；肘部关节支撑装置(4)上面放置肘部关节，用于卸载肘部关节的重力；右臂杆支撑装置(5)有两个，其上面放置右臂杆，用于卸载右臂杆的重力；腕部关节支撑装置(6)上面放置腕部关节，用于卸载腕部关节的重力。

2.根据权利要求1所述的一种用于空间机械臂低应力装配系统，其特征在于：各关节支撑装置底部安装有气足(7)，用于在装配平台(1)的水平方向上无摩擦任意移动；各关节支撑装置内部安装有气压监测系统(8)，用于监测气压大小，通过控制系统控制气压大小调整关节支撑装置的高低位置。

3.根据权利要求1所述的一种用于空间机械臂低应力装配系统，其特征在于：各臂杆支撑装置底部安装有气足(7)，用于在装配平台(1)的水平方向上无摩擦任意移动；臂杆支撑装置内部有气压监测系统(8)，用于监测气压大小，通过控制系统控制气压大小调整臂杆支撑装置的高低位置。

4.根据权利要求3所述的一种用于空间机械臂低应力装配系统，其特征在于：各臂杆支撑装置上部安装有支撑臂杆的滚轮(9)，用于使臂杆在支撑装置上绕臂杆中心轴线任意转动。

5.一种空间机械臂低应力装配方法，其特征在于步骤如下：

1)将肩部关节支撑装置(2)、左臂杆支撑装置(3)、肘部关节支撑装置(4)、右臂杆支撑装置(5)、腕部关节支撑装置(6)放置在装配平台(1)上，将肩部关节、左臂杆、肘部关节、右臂杆、腕部关节分别对应放置在肩部关节支撑装置(2)、左臂杆支撑装置(3)、肘部关节支撑装置(4)、右臂杆支撑装置(5)、腕部关节支撑装置(6)上；

2)打开气压控制开关，使支撑装置的气足充气；

3)安装肩部关节和左臂杆，测量肩部关节和左臂杆连接位置的高度差值，并反馈到控制系统，控制系统自动调节肩部关节支撑装置气足和左臂杆支撑装置气足的气压，使左臂杆和肩部关节的安装位置重合满足装配要求，将左臂杆和肩部关节安装在一起；

4)安装左臂杆和肘部关节，测量左臂杆和肘部关节连接位置的高度差值，并反馈到控制系统，控制系统分别自动调节左臂杆支撑装置气足和肘部关节支撑装置气足的气压，使肘部关节和左臂杆的安装位置重合满足装配要求，将肘部关节和左臂杆安装在一起；

5)安装肘部关节和右臂杆，测量肘部关节和右臂杆连接位置的高度差值，反馈到控制系统，控制系统分别自动调节肘部关节支撑装置气足和右臂杆支撑装置气足的气压，使右臂杆和肘部关节的安装位置重合满足装配要求，将右臂杆和肘部关节安装在一起；

6)安装右臂杆和腕部关节，测量右臂杆和腕部关节连接位置的高度差值，反馈到控制系统，控制系统分别自动调节右臂杆支撑装置气足和腕部关节支撑装置气足的气压，使腕部关节和右臂杆的安装位置重合满足装配要求，将腕部关节和右臂杆安装在一起。

6.根据权利要求5所述的一种空间机械臂低应力装配方法，其特征在于：所述步骤2)中，打开气压控制开关，使支撑装置的气足充气，调节气压大小，使支撑装置与装配平台之间的间隙为0.5mm。