一种用于宇航机械臂关节寿命验证的地面综合试验系统的制作方法

1.本公开一般涉及航天器环境试验领域，具体涉及一种用于宇航机械臂关节寿命验证的地面综合试验系统。


背景技术：

2.我国未来的空间站为多模块化组合空间站，具有不同用途及功能设备的舱体通过节点舱来实现与核心舱的对接。宇航机械臂作为舱段对接操作中重要的空间机构之一，在空间站舱体转位过程中机械臂将起到关键作用，同时可提供在轨维修与回收等服务。关节是宇航机械臂的核心产品，是机械臂灵活运动，实现各项运动功能的基础，是保证机械臂运动精度、连接刚度、输出力矩等的关键。
3.宇航机械臂为舱外设备，其关节的工作环境处于真空环境，并且随着空间站不断交替经历日照区与地影区，产品外热流的大小出现周期性变化。由于真空环境的特殊性，关节的换热条件对比常压环境下会出现较大的差异。在常压环境下进行产品各项功能和性能指标的寿命验证会由热形变情况的差异而导致试验结果出现偏差，也不能满足宇航机械臂关节热设计准确的验证。
4.目前，传统的综合试验系统所使用的器件均囊括在其真空容器内部，需要足够大的真空容器才能满足试验和安装需求，并且，在试验过程中需要调试真空容器内部的器件，以使器件可针对宇航机械关节各种性能，进行精确验证，但是频繁打开真空容器，一方面易使真空环境被破坏，导致相应的性能验证结果出现偏差，另一方面由于真空容器较大，调试后需要长时间的等待才可使容器满足所需的真空环境。因此，现有的综合试验系统亟待改进。


技术实现要素：

5.鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种便于安装、调试，提高各性能验证的准确性，结构简单且易于实现的用于宇航机械臂关节寿命验证的地面综合试验系统。
6.第一方面，本技术提供一种用于宇航机械臂关节寿命验证的地面综合试验系统，包括：
7.真空系统，其具有真空容器，用于提供真空试验环境；
8.工装系统，其与所述真空系统相邻设置，用于改变所述真空系统中的试验件的综合应力；所述工装系统包括：支撑机构、设置在所述支撑机构上的传动机构和负载机构；
9.所述传动机构包括：设置在所述支撑机构上的磁流体密封传动装置和设置在所述真空容器上的磁流体密封传动装置对接装置；所述磁流体密封传动装置与所述磁流体密封传动装置对接装置连接，且所述磁流体密封传动装置的穿舱轴通过联轴器与所述试验件的输出轴连接；
10.所述负载机构包括：与所述磁流体密封传动装置连接的力矩加载件、与所述力矩加载件连接的反向驱动件和与所述反向驱动件连接的惯量盘组件；
11.通过所述力矩加载件、所述反向驱动件以及所述惯量盘组件配合，控制所述试验件的力矩载荷。
12.根据本技术实施例提供的技术方案，所述力矩加载件包括：设置在所述支撑机构上的力矩加载装置和设置在所述力矩加载装置上的力矩负载轴。
13.根据本技术实施例提供的技术方案，所述反向驱动件包括：设置在所述支撑机构上的反向驱动负载轴和设置在所述反向驱动负载轴上的转盘；所述反向驱动负载轴通过所述联轴器与所述力矩负载轴连接；所述转盘上缠绕有牵引钢丝，所述牵引钢丝的自由端设有吊篮，且其内安装有配重。
14.根据本技术实施例提供的技术方案，所述惯量盘组件包括：设置在所述支撑机构上的减速器和设置在所述减速器输入轴上的惯量盘组；所述减速器的输出轴通过所述联轴器与所述力矩负载轴的端部连接。
15.根据本技术实施例提供的技术方案，还包括：控制系统；
16.所述控制系统包括：
17.扭矩传感器，其设置在所述磁流体密封传动装置与所述反向驱动负载轴之间，用于检测所述磁流体密封传动装置传动轴的实时扭矩；
18.上位机，其设置在所述工装系统远离所述真空容器的一侧，用于接收所述扭矩传感器发出的实时力矩信号，并将实时力矩信号转换为实时力矩值；
19.控制器，用于根据实时力矩值，调节相应的所述力矩加载件的力矩载荷、所述反向驱动件的反向驱动载荷以及所述惯量盘组的惯量载荷。
20.根据本技术实施例提供的技术方案，还包括：与所述真空容器连接的抽真空组件；
21.所述抽真空组件包括：
22.低真空泵，其进气口通过粗抽管路与所述真空容器连通，用于将所述真空容器的空气抽出；
23.粗抽阀门，安装在所述粗抽管路上，用于控制所述低真空泵的工作状态。
24.根据本技术实施例提供的技术方案，所述真空容器内设有低温机构；
25.所述低温机构包括：独立设置的液氮储槽、设置在所述真空容器内壁的热沉和设置在所述真空容器上的高阀；
26.所述液氮储槽位于所述真空容器远离所述工装系统的一侧，且其底部通过液氮进液管路与所述热沉连通；所述液氮进液管路上安装有液氮进液阀；所述液氮储槽底部还设有液氮气化器，且其与所述液氮储槽的连接管路上安装有液氮增压阀；所述液氮气化器通过液氮增压管路与所述液氮储槽顶部连接；
27.所述热沉的出液口连接有液氮放空管路，且其延伸至所述真空容器外部；所述高阀连接有高真空泵。
28.根据本技术实施例提供的技术方案，还包括：温控机构；
29.所述温控机构包括：与所述真空容器相邻设置的控温仪和设置在所述真空容器上的法兰；所述控温仪连接有电源；所述法兰处设有穿舱插头组，且其通过传输线缆分别与所述控温仪、所述电源连接。
30.根据本技术实施例提供的技术方案，所述真空容器内设有与所述磁流体密封传动装置的穿舱轴垂直设置的导轨；所述导轨上设有用于放置所述试验件的试验件工装；
31.所述试验工装件上设有加热器件，且其通过供电线缆与所述电源连接；所述试验件上设有测温传感器，且其与所述传输线缆连接。
32.根据本技术实施例提供的技术方案，所述支撑机构包括：配合使用的前地台和后地台；所述前地台相对所述后地台靠近所述真空容器，且所述前地台与所述后地台之间具有空隙，用于容纳所述配重自由移动；
33.所述前地台上依次设有磁流体密封传动装置支撑架、扭矩传感器支撑架和反向驱动系统前端支撑架，且所述磁流体密封传动装置支撑架相对靠近所述真空容器；
34.所述后地台上依次设有反向驱动系统末端支撑架、力矩加载装置支撑架和惯量加载系统支撑架，且所述反向驱动系统末端支撑架相对靠近所述反向驱动系统前端支撑架。
35.综上所述，本技术方案具体地公开了一种用于宇航机械臂关节寿命验证的地面综合试验系统的具体结构。本技术具体地设计真空系统，其具有真空容器，提供真空试验环境，并设计与真空系统相邻设置的工装系统，其位于真空系统外部，以便于调试、安装工装系统，避免破坏真空容器内的真空环境，另外，真空容器内的设备部件相对减少，可有效降低真空容器内设备的总热容和对试验件的遮挡，以提高控温效率与精度，保证各性能验证的准确性；进一步地，通过在工装系统的支撑机构上设置磁流体密封传动装置，利用真空容器上的磁流体密封传动装置对接装置与其对接，力矩加载件与磁流体密封传动装置连接，反向驱动件与力矩加载件连接，惯量盘组件与反向驱动件连接，再将磁流体密封传动装置对接装置的穿舱轴通过联轴器与试验件的输出轴连接，利用力矩加载件与磁流体密封传动装置连接，反向驱动件与力矩加载件连接，惯量盘组件与反向驱动件连接，通过力矩加载件、反向驱动件以及惯量盘组件配合，形成扭矩，利用磁流体密封传动装置传动至试验件，真空容器与传动机构的内外传动，以控制试验件的力矩载荷，实现提供力矩 惯量综合应力试验环境的目的。
附图说明
36.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
37.图1为一种用于宇航机械臂关节寿命验证的地面综合试验系统的侧视结构示意图。
38.图2为一种用于宇航机械臂关节寿命验证的地面综合试验系统的正视结构示意图。
39.图中标号：1、液氮储槽；2、液氮放空管路；3、高阀；4、法兰；5、穿舱插头组；6、控制器；7、传输线缆；8、供电线缆；9、真空容器；10、控温仪；11、电源；12、上位机；13、液氮进液管路；14、液氮进液阀；15、液氮增压阀；16、液氮气化器；17、液氮增压管路；18、低真空泵；19、粗抽管路；20、粗抽阀门；21、高真空泵；22、热沉；23、导轨；24、加热器件；25、试验件；26、试验工装件；27、测温传感器；28、前地台；29、后地台；30、联轴器；31、磁流体密封传动装置对接装置；32、磁流体密封传动装置；33、磁流体密封传动装置支撑架；34、扭矩传感器；35、扭矩传感器支撑架；36、反向驱动系统前端支撑架；37、反向驱动系统末端支撑架；38、反向驱动负载轴；39、转盘；40、配重；41、力矩加载装置；42、力矩负载轴；43、力矩加载装置支撑架；44、减速器；45、惯量加载系统支撑架；46、惯量盘组。
具体实施方式
40.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
41.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
42.实施例一
43.请参考图1所示的本技术提供的一种用于宇航机械臂关节寿命验证的地面综合试验系统的第一种实施例的结构示意图，包括：
44.真空系统，其具有真空容器9，用于提供真空试验环境；
45.工装系统，其与所述真空系统相邻设置，用于改变所述真空系统中的试验件25的综合应力；所述工装系统包括：支撑机构、设置在所述支撑机构上的传动机构和负载机构；
46.所述传动机构包括：设置在所述支撑机构上的磁流体密封传动装置32和设置在所述真空容器9上的磁流体密封传动装置对接装置31；所述磁流体密封传动装置32与所述磁流体密封传动装置对接装置31连接，且所述磁流体密封传动装置32的穿舱轴通过联轴器30与所述试验件25的输出轴连接；
47.所述负载机构包括：与所述磁流体密封传动装置32连接的力矩加载件、与所述力矩加载件连接的反向驱动件和与所述反向驱动件连接的惯量盘组件；
48.通过所述力矩加载件、所述反向驱动件以及所述惯量盘组件配合，控制所述试验件25的力矩载荷。
49.在本实施例中，如图1所示，设计配合使用的真空系统和工装系统，并且工装系统与真空系统相邻设置，即工装系统位于真空系统的外部，以便安装与调试设备，另外，真空容器9内的设备部件相对减少，可有效降低真空容器9内设备的总热容和对试验件25的遮挡，以提高控温效率与精度；
50.真空容器9，作为真空系统的基础部件，可形成密闭空间，保持容器内的真空度，以提供良好的真空试验环境；此处，真空容器9的材质例如为不锈钢，确保负载较大时其不会出现形变；其外形例如为卧式圆柱型结构；并且，根据实际需求可通过地脚螺栓将真空容器9安装在专用试验场地的地面上；
51.如图1所示，工装系统具有传动机构、负载机构以及支撑机构；
52.传动机构，设置在支撑机构上；具体地，磁流体密封传动装置32，设置在支撑机构上，对真空容器9起到密封作用，并且，磁流体密封传动装置32的穿舱轴通过联轴器30与试验件25的输出轴连接，以保证真空容器9与传动机构的内外传动；磁流体密封传动装置对接装置31，设置在设置在真空容器9上，其与磁流体密封传动装置32对接，作为真空容器9与磁流体密封传动装置32的连接介质，并且对磁流体密封传动装置32的位置也起到固定作用；此处，联轴器30可采用膜片联轴器，从而降低安装难度与同轴调试对传动轴的损伤；
53.进一步地，力矩加载件与磁流体密封传动装置32连接，反向驱动件与力矩加载件连接，惯量盘组件与反向驱动件连接，通过力矩加载件、反向驱动件以及惯量盘组件配合，形成扭矩，利用磁流体密封传动装置32传动至试验件25，进而控制试验件25的力矩载荷；
54.具体地，力矩加载件，如图1所示，力矩加载装置41，设置在支撑机构上，用于施加
力矩；此处，力矩加载装置41的类型，例如为磁粉制动器或伺服电机；力矩负载轴42，设置在力矩加载装置41上，用于承受力矩加载装置41施加的载荷，并传递到传动系统中；
55.具体地，反向驱动件，如图1所示，反向驱动负载轴38，设置在支撑机构上，用于固定反向驱动系统的转盘39，并承受其施加的载荷，并传递到传动系统中；转盘39，设置在反向驱动负载轴38上，作为反向驱动力矩的力臂；配重40，设置在缠绕在转盘39上的牵引钢丝的自由端的吊篮内，用于提供重力；此处，牵引钢丝一端通过c型夹固定于转盘39边缘的安装孔上，另一端通过挂钩连接吊篮，利用吊篮承载配重40，将重力转化为牵引力；
56.具体地，惯量盘组件，如图2所示，减速器44，设置在支撑机构上，用于为试验件25提供所需的惯量载荷，减速器44利用相应的减速比可以减小惯量盘所需的质量；此处，减速器44的类型，例如为齿轮减速器，通过调节齿轮组合改变减速比；惯量盘组46，设置在减速器44的输入轴上，根据减速器44的减速比与试验所需的惯量载荷计算所需惯量盘载荷，从惯量盘组46选择符合要求的惯量盘组合，将惯量盘安装到减速器44输入轴上，利用联轴器30连接力矩负载轴42的端部与减速器44输出轴，调整减速器44输出轴与力矩负载轴42同轴度后，通过传动系统为试验件25提供需要的惯量载荷；
57.进一步地，扭矩传感器34，设置在磁流体密封传动装置32与反向驱动负载轴39之间，用于检测磁流体密封传动装置32传动轴的实时扭矩，并将扭矩数据通过电信号传递至上位机12；上位机12，设置在工装系统远离真空容器9的一侧，用于接收扭矩传感器34发出的实时力矩信号，并将实时力矩信号转换为实时力矩值；控制器6，用于根据实时力矩值，调节相应的力矩加载件的力矩载荷、反向驱动件的反向驱动载荷以及惯量盘组的惯量载荷；通过控制系统对工装系统进行闭环控制，以便调节力矩载荷；
58.进一步地，支撑机构，如图1所示，前地台28与后地台29，配合使用，起到支撑作用；二者可均通过地脚与地面连接，并且前地台28与后地台29均可调节高度，以使其上相应的器件达到所需的试验高度，以保证试验正常进行；前地台28与后地台29的台面都具有沿磁流体密封传动装置32传动轴方向的t型槽用于安装、固定相应的各个支撑架；并且，前地台28与后地台29之间具有空隙，形成容纳空间，以便配重40在其内可自由移动；
59.磁流体密封传动装置支撑架33、扭矩传感器支撑架35和反向驱动系统前端支撑架36，依次设置在前地台28上，且磁流体密封传动装置支撑架33相对靠近真空容器9；磁流体密封传动装置支撑架33用于支撑磁流体密封传动装置32；扭矩传感器支撑架35用于支撑扭矩传感器34；反向驱动系统前端支撑架36用于与反向驱动系统末端支撑架37配合支撑反向驱动负载轴38相应的轴承；
60.反向驱动系统末端支撑架37、力矩加载装置支撑架43和惯量加载系统支撑架45，依次设置在后地台29上，且反向驱动系统末端支撑架37相对靠近反向驱动系统前端支撑架36；力矩加载装置支撑架43用于支撑力矩加载装置41；惯量加载系统支撑架45用于支撑减速器44。
61.进一步地，如图2所示，抽真空组件，与真空容器9连通，使得真空容器9形成试验所需的真空环境；具体地，低真空泵18，其进气口通过粗抽管路19与真空容器9连通，用于将真空容器9内的空气抽出；粗抽管路19，设置在低真空泵18与真空容器9之间，作为导气管路；粗抽阀门20，设置在粗抽管路19上，用于控制低真空泵18的工作状态；当需要对真空容器9进行抽气时，粗抽阀门20开启，粗抽管路19导通，低真空泵18对真空容器9抽气，当真空容器
9内真空度满足试验要求时，关闭粗抽阀门20、低真空泵18，停止工作。
62.进一步地，如图2所示，液氮储槽1，独立设置，其可通过预埋地基安装在专用试验场地的地面上，并且，其位于真空容器9远离工装系统的一侧，用于存储液氮；
63.高真空泵21与高阀3连接，且高阀3设置在真空容器9上，用于控制真空容器9内压力；具体地，利用高真空泵21内温度低于10k的冷头组件对真空容器9内剩余的气体分子进行吸附捕捉，使真空容器9内的压力达到10
‑
2pa水平；此处，高真空泵21的类型，例如为低温泵或分子泵；
64.液氮气化器16，其与液氮储槽1底部连通，并且其还通过液氮增压管路17与液氮储槽1的顶部连接，用于将液氮储槽1内的液氮进行气化；并且液氮气化器16上安装有液氮增压阀15，开启液氮增压阀15，使液氮储槽1内的液氮经液氮增压管路17流入液氮气化器16，在液氮气化器16中通过与外界空气的充分换热气化为氮气，自身压力升高，并经液氮增压管路17流回液氮储槽1的顶部，达到为液氮储槽1内增压的目的；
65.进一步地，液氮储槽1的底部通过液氮进液管路13与热沉22连通，热沉22，设置在真空容器9的内壁，液氮在热沉22的管路中充分流动后经液氮放空管路2气化排出，从而为热沉22降温，即可实现在真空容器9内建立低温冷背景的目的；此处，热沉22可采用黄铜材料制成；并且，液氮进液阀14，安装在液氮进液管路13上，用于控制液氮进液管路13的开启或闭合，以控制管路内液氮的流动。
66.进一步地，温控机构，如图2所示，控温仪10，其与真空容器9相邻设置，用于发出控制信号；电源11，其与控温仪10连接，用于提供电能；穿舱插头组5，设置在真空容器9的法兰4处，且其通过传输线缆7与控温仪10、电源11连接，用于将测温传感器27的测温信号传输至控温仪10；
67.导轨23，设置在真空容器9内，且其与磁流体密封传动装置32的穿舱轴垂直设置，用于承载、安装试验件25；此处，导轨23可采用不锈钢制作，具备较强比刚度，确保负载较大时不会出现形变；试验件工装26，设置在导轨23上，用于放置试验件25；加热器件24，设置在试验工装件26上，且其供电线缆8与电源11连接，当加热器件24通电时，在真空容器内的冷黑背景环境下对试验件25表面输出特定的辐射热流，从而改变试验件25表面温度，改变测温传感器27的测量信号；此处，加热器件24的类型，例如为红外笼、红外灯或两者的组合；测温传感器27，设置在试验件25上，且其与传输线缆7连接，用于检测试验件25表面温度，利用测量信号将温度数据传输至控温仪10；此处，测温传感器27的类型，例如为t型热电偶或铂电阻。
68.本试验系统的具体操作过程如下：
69.在真空容器9大门关闭、容器内形成封闭空间的情况下，开启粗抽阀门20和低真空泵18，利用低真空泵18将真空容器9内的空气向外抽出，使真空容器9内压力达到优于3pa的水平；此时，关闭粗抽阀门20和低真空泵18，开启高真空泵21和高阀3，利用高真空泵21内温度低于10k的冷头组件对真空容器9内剩余的气体分子进行吸附捕捉，使真空容器9内的压力达到10
‑2pa水平。在此基础上，开启液氮增压阀15，使液氮储槽1内的液氮经液氮增压管路17流入液氮气化器16，在液氮气化器16中通过与外界空气的充分换热气化为氮气，自身压力升高，并经液氮增压管路17流回液氮储槽1的顶部，达到为液氮储槽1内增压的目的。此时，开启液氮进液阀14，增压后液氮储槽1内的液氮在压力作用下经液氮进液管路13流入热
沉22，在热沉22的管路中充分流动后经液氮放空管路2气化排出，从而达到为热沉22降温，在真空容器9内建立低温冷背景的目的；同时，温度低于100k的热沉对真空容器9内的气体分子也具有一定的吸附作用，可以使真空容器内的压力达到优于1.33
×
10
‑3pa的水平；另一方面，热沉面对产品的内表面均喷涂黑漆，表面吸收率优于0.9，从而在真空容器9内建立起完整的真空环境和冷黑背景环境。
70.在真空和冷黑背景环境中，利用测温传感器27测量试验件25特定位置处的温度值，测量信号经温度传感器27信号舱内传输线缆、穿舱插头组5和传输线缆7组成的信号通路传入控温仪10，控温仪10将温度的测量值和给定的目标值进行对比，经过计算后产生控制信号传入电源11，使电源11产生一定的直流电流和电压输出，并先后通过加热器件舱外供电线缆8、穿舱插头组5和加热器件24舱内供电线缆形成的完整信号通路传至加热器件24，使加热器件24通电，从而在真空容器内的冷黑背景环境下对试验件25表面输出特定的辐射热流，改变试验件25表面温度，从而改变测温传感器27的测量信号；控温仪10的控制信号随测温传感器27的测量信号实时调整，从而实现闭环控温，使试验件25的温度按照给定的温度值和变温速率实现升温、降温或温度保持，从而为试验件25提供高温、低温或温度变化环境载荷。
71.通过上位机12控制程序设置目标力矩值，启动控制程序，试验件25运行后，试验件25输出轴开始转动带动整个传动系统，扭矩传感器34根据实时扭矩，产生相应的电信号通过线缆传输到上位机12，上位机12将扭矩传感器34传递的信号进行处理转换为实时力矩值，根据设定目标力矩值利用pid控制通过控制器6调节力矩加载装置的载荷，使其达到目标值，为试验件25提供需要的力矩载荷。
72.根据转盘39的半径与试验所需的反向驱动载荷计算所需配重40的质量，将配重码放进吊篮，吊篮通过吊钩挂到牵引钢丝一端，牵引钢丝另一端利用c型夹固定在转盘39边缘，将吊篮和配重40的重力转换为对转盘39的牵引力，转盘39将作用力施加到反向驱动负载轴38，通过传动系统为试验件25提供需要的反向驱动载荷。
73.根据减速器44的减速比与试验所需的惯量载荷计算所需惯量盘载荷，从惯量盘组46选择符合要求的惯量盘组合，将惯量盘安装到减速器44输入轴上，通过传动系统为试验件25提供需要的惯量载荷。
74.上述真空环境载荷、温度载荷、力矩载荷、反向驱动载荷和惯量载荷的控制相互独立，又可同时施加，可为试验件25提供真空 高温/低温/温度变化 力矩 惯量综合应力试验环境，可用于考核宇航机械臂关节的各项功能和性能指标，并可用于宇航机械臂关节的寿命验证。
75.本地面综合试验系统的试验能力：环境压力(真空度)：优于1.33
×
10
‑3pa，冷背景热沉温度：小于100k，热沉背景表面吸收率：大于0.9，试验件最大加热能力：高于120℃，试验件最大降温能力：低于
‑
120℃，试验件最大反作用力矩载荷：大于2000n
·
m，试验件最大反向驱动作用力矩载荷：大于500n
·
m，试验件最大惯量载荷：大于2000kg
·
m2。
76.以上描述仅为本技术的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本技术中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本技术中公开的(但不限于)具有类似功
能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。