空間站機械臂末端執行器用導軌設計與驗證

張文明，楊旭，王儲，胡成威

（北京空間飛行器總體設計部 空間智能機器人系統技術與應用北京市重點實驗室，北京 100094）

近年來，隨著航天器機構的快速發展，對各類長壽命、高精度直線傳動機構應用需求日漸旺盛.滾珠直線導軌具有定位精度高、摩擦磨損小、傳遞效率高、使用壽命長等優點而廣泛應用在精密機械、數控機床等各類直線機構中[1-2]，地面應用廣泛，技術成熟，但在空間機構產品中應用相對較少.與地面應用相比，空間機構用導軌需綜合考慮在軌高低溫、真空、原子氧、電子輻照、單粒子、紫外和紅外輻照等空間環境因素，為此，其導軌不能直接引用地面產品技術狀態，需依據航天器發射環境、空間應用環境等因素，進行再設計，并通過全面的試驗驗證，確保其功能性能滿足在軌使用要求.

滾動直線導軌主要包括導軌、滑塊、滾珠及返向器等組件，通過滾珠在導軌與滑塊組成的滾道內滾動，進行直線運動，運動過程中可同時承受2 個方向的橫向力和3 個方向的力矩.在正常工作的狀態中，滾珠在滾道和返向器所圍成的閉合區間內做循環運動，滾珠在受載狀態下的運動較為復雜，主要運動包括直線運動、純滾動、陀螺運動和自旋運動[3].林敏[4]、耿寶龍[5]對導軌副摩擦力、磨損機理以及動態特性進行了研究.龔燦[6]在對導軌滾道表面形貌測試的基礎上，建立了滾道表面波紋度模型計算了滾珠與滾道接觸力，并分析了承載區內因接觸狀態的變化引起的摩擦特性的變化.李雋等[7]對滾動直線導軌副壽命分析、試驗以及失效模式等方面進行了研究，分析了直線導軌的失效模式，主要是接觸疲勞剝離與磨損，與其使用環境條件、負載和工作壽命相關.以上均是基于導軌在地面油脂潤滑狀態下的分析研究，在油脂潤滑狀態下直線導軌受力、使用壽命以及磨損失效模式有較成熟的分析方法與試驗結果.針對空間機構中的導軌，因其會常期暴露在真空環境下，油脂易在真空中揮發，失去潤滑作用，所以不宜用油脂潤滑，通常采用固體潤滑.本文以空間站機械臂末端執行器導軌研制為例，給出了滾珠直線導軌設計與試驗方法，對空間機構用導軌的設計、承載能力、壽命及其試驗驗證等內容進行了研究.結合試驗結果，探討了空間機構用導軌設計及使用建議，供航天器機構研制人員參考.

1 鎖緊機構導軌設計

1.1 鎖緊機構設計狀態

末端執行器是空間站機械臂在軌執行任務的關鍵設備，安裝在機械臂的兩端，用于對合作目標的抓取與釋放.末端采用鋼絲繩纏繞方式進行大容差、低沖擊捕獲，采用粗、精分級定位方案，實現高精度對接，采用4 套獨立的鎖緊機構對目標適配器進行鎖緊，以實現高剛度鎖緊[8].其中，鎖緊機構中采用了滾珠直線導軌作為其直線運動導向組件.

鎖緊機構安裝在末端執行器外殼上的，見圖1所示，在末端外圍共分布有4 套鎖緊機構，圖中僅表示出1 套.在末端執行器與對應的目標適配器完成對接后，分布在末端外殼上的4 套鎖緊機構同步動作，對目標適配器進行鎖緊，并實現二者之間的電連接器連接.

圖1 鎖緊機構安裝示意圖Fig.1 Schematic diagram of locking mechanism installation

鎖緊機構主要由滾珠絲杠、碟簧組件、固定支架、活動組件、連桿、鎖緊支撐架和導軌等零部件組成.在鎖緊過程中，由鎖緊驅動組件通過1 個大齒輪同時驅動4 套鎖緊組件的滾珠絲杠螺母轉動，滾珠絲杠連同鎖緊支撐架沿導軌作直線運動，進而實現對目標適配器的鎖緊與電連接器連接.其鎖緊過程如圖2 所示，初始狀態，連桿下端滾輪與固定支架側面部分接觸，見圖2（a）；在鎖緊過程中，在絲杠螺桿的推動下，鎖緊支撐架、連桿和活動組件一起移動；當連桿下端滾輪移動至固定支架斜面處時，連桿慢慢張開，其下端滾輪逐漸與固定支架斜面部分脫離，上端滾輪沿目標適配器鎖緊槽斜面運動，在此過程中，碟簧組件與固定支架下端面接觸并壓縮，碟簧所提供的鎖緊力將通過活動組件、連桿傳遞到目標適配器，見圖2（b）.當碟簧組件壓縮到位，且安裝在鎖緊支撐架上的電連接器與目標適配器對應的電連接器對接完成后，觸發到位開關，完成與目標適配器的鎖緊與電連接.

圖2 鎖緊機構工作過程示意圖Fig.2 Working diagram of locking mechanism

鎖緊機構工作過程中，由導軌承受直線運動過程中的彎曲/扭轉以及橫向載荷，保證鎖緊支撐架及安裝在其上的電連接器在運動過程中的位置精度，確保末端鎖緊及電氣連接正常.在進行該導軌設計時，首先根據末端在軌工作模式，進行載荷分析，確定導軌所受力/力矩；然后，根據載荷、接口尺寸等，確定導軌型號規格，此處應選用通用規格產品；接著根據機構工作剖面、使用環境條件等，進行導軌適應設計與分析；最后，進行導軌承載力和壽命試驗，驗證其是否滿足設計及使用要求.

1.2 導軌載荷分析

對圖1 所示的鎖緊機構模型進行受力分析，圖3是建立的Adams 動力學模型，鎖緊組件的運動方向為+Y向，Y軸過兩根導軌的對稱軸；X向與Y向垂直水平向右，X軸過鎖緊支撐架中面；Z軸方向與X軸和Y軸垂直且遵循右手定則；坐標原點位于導軌滑塊安裝面上.

圖3 鎖緊機構Adamas 動力學模型Fig.3 Adamas dynamic model of locking mechanism

建立鎖緊機構各活動零件之間約束關系，在固定支架下端面與活動支架之間建立彈簧連接，彈簧剛度1 700 N/mm.設置無偏差和有偏差2 種工況進行仿真分析，根據末端執行器鎖緊機構尺寸鏈分析，支撐架組件與左右卡爪位置偏差最大為0.1 mm，即X向偏差0.1 mm.仿真時，滾珠絲杠沿Y向作直線運動，進行鎖緊動作.

導軌在Ty方向的扭矩可以等效為導軌的拉壓力，對導軌壽命影響較小，故應著重考慮Tx、Tz方向彎矩對導軌的影響.分析結果見圖4～圖7 所示，匯總結果見表1 所示，由表中數據可知導軌連接件受最大力矩為1.546 N·m，由2 個導軌承擔，取不均勻系數為0.6，安全系數取2，則單個導軌設計載荷為：1.546×2/(2×0.6)= 2.58 N·m，據此取設計值為3 N·m.

表1 導軌連接件受力分析結果Tab.1 Force and Moment in the guide adapter

圖4 無偏差工況導軌連接件X 方向受力Fig.4 Force in the X direction of the guide adapter with unbiased

圖5 無偏差工況導軌連接件受力矩Fig.5 Moment in the guide adapter with unbiased

圖6 有偏差工況導軌連接件X 方向受力Fig.6 Force in the X direction of the guide adapter with bias

圖7 有偏差工況導軌連接件受力矩Fig.7 Moment in the guide adapter with bias

1.3 導軌設計方案

航天器機構導軌設計時，盡可能選用標準規格導軌，并根據導軌載荷分析，考慮一定的設計余量，然后進行適應性設計，以滿足在軌空間環境要求[9].選用南京工藝裝配制造有限公司的GGC9BA 微型滾動導軌.該導軌采用二列式滾珠循環設計，滾道為哥德式結構，接觸角為45°，可實現四方向等載荷效果.該導軌可承受額定力矩6.58 N·m，見表2[10]，大于鎖緊機構導軌設計值的2 倍.根據滾動直線導軌額定壽命計算公式[7]，

表2 GGC9BA 微型滾動導軌參數Tab.2 GGC9BA miniature ball linear guide parameters

式中：L為額定壽命，km；C為額定動載荷；F為計算載荷，kN.

可計算得到在上述使用條件下，導軌使用壽命大于100 km，導軌承載示意見圖8 所示.

確定導軌型號規格后，進行適應性設計，主要包括潤滑設計、材料選擇以及機械接口設計等.

應用于空間機構中的導軌會常期暴露在真空環境下，油脂易在真空中揮發，失去潤滑作用，不易采用油脂潤滑，因此通常采用固體潤滑.固體潤滑膜厚度約為1～2 μs，與基體間附著力強，耐磨壽命長，運動過程中產生的磨屑少，適用于小間隙的滾動直線導軌.空間常用的固體潤滑膜見表3 所示，根據表中所述各潤滑膜特點，確定對滾珠采用濺射沉積MoS2復合薄膜，該固體潤滑膜可單獨使用，具有很低的真空摩擦系數.

受太空原子氧、粒子輻照等因素影響，導軌材料不宜采用非金屬材料，因此，需將返向器改為金屬材料，同時受高低溫影響，宜采用與滑塊相同的金屬材料.產品需經歷地面運輸、存儲、發射環境影響，進行環境適應性設計，包括地面運輸、加速度、沖擊、鹽霧等.宜選用具有防腐蝕性能的不銹鋼材料.因此，導軌、滑塊、滾珠及返向器均選用G95Cr18 不銹鋼材料.

滾珠直線導軌在正常工作的狀態中，滾珠在滾道和返向器所圍成的閉合區間內做循環運動，所通過的區域按照受力狀態可以分為承載區、非承載區和過渡區，見圖9.承載區內的滾珠分擔了滑塊上的主要載荷.非承載區內的滾珠處于卸載狀態，主要是保證滾珠能夠連續的返回承載區，實現滑塊的連續運動.過渡區連接著承載區和非承載區，區間內的滾珠從受載狀態進入卸載狀態（入口處為空載狀態進入承載狀態），此過程要保證滾珠運動順暢，不存在過渡區變形，影響滾珠運動現象.在返向器與滑塊、導軌組成的滾道中，返向器的安裝位置會影響滾珠在過滾區的運動狀態，如偏差過大，會對滾珠運動產生阻力，擠壓返向器直至將其破壞，因此，需在返向器與滑塊之間配打定位孔，保證返向器的安裝精度.

圖9 導軌工作示意圖Fig.9 Working diagram of the ball linear guide

綜上所述，確定鎖緊機構導軌采用GGC9BA 微型滾動導軌，其中導軌、滑塊和返向器材料均采用為G95Cr18 不銹鋼，滾珠采用濺射沉積MoS2復合薄膜.根據導軌安裝的具體狀態進行接口適應性設計.優化返向器的安裝精度及導軌間隙，令導軌間隙可調.最后根據試驗結果確定導軌的最終狀態.

2 導軌試驗驗證

相對油脂潤滑，固體潤滑效率較低，對產品使用載荷及使用壽命影響較大，所以空間機構用導軌不能直接引用產品手冊中給出的載荷、壽命等使用數據，需單獨進行試驗驗證，驗證其能否滿足載荷、壽命要求.針對材料空間環境適應性，一般可通過與已有的型號在軌數據進行比對，分析是否滿足要求，若沒有相同材料在軌飛行經歷，則應進行空間環境適應性試驗驗證.

導軌承載試驗和壽命試驗前，需確定試驗實施方案、試驗次數等內容.鎖緊機構選用的材料有在軌飛行經歷，滿足空間環境要求，無須進行材料空間環境適應性試驗.

2.1 試驗次數

按照《航天器機構設計與驗證通用要求》QJ 20712-2018 規定[11]，地面壽命試驗次數確定方法見表4.

表4 航天器機構壽命試驗持續時間因子Tab.4 Spacecraft mechanism life test duration factor

運用預計正常地面試驗周期和在軌運行周期之和乘以表中對應的系數，計算地面壽命試驗次數.針對末端執行器鎖緊機構，地面使用次數100，在軌使用次數2 000，據此計算地面壽命試驗次數n：n=100 × 4 + 10 × 10 + 990 × 4 + 1000 × 2 = 6 460，依此確定鎖緊機構導軌的試驗次數不少于6 460 次，試驗時取7 000 次.

2.2 試驗方案

根據鎖緊機構導軌工作狀態，確定導軌承載和壽命試驗方案見圖10 所示，由力矩加載工裝、導軌、滾珠絲杠和電機等組成[12].試驗時，由電機驅動滾珠絲杠正轉或者反轉，絲杠螺母帶動與其固連的滑塊作直線往復運動，試驗速度為80 mm/min，行程為80 mm，進行往復運動.通過吊掛配重對導軌滑塊施加對應的使用載荷，加載力矩3 N·m，配重加載可保證加載力矩的穩定一致.

圖10 導軌加載試驗示意圖Fig.10 Schematic diagram of the guide loading test

試驗前后，測試導軌滑塊在空載下的運行阻力，試驗過程中，監測滑塊運動時的阻力變化，并對導軌運動狀態進行監視，如有異常，應停止試驗，然后對導軌、滑塊、滾動體表面進行檢測，檢查滾珠潤滑膜是否脫落，導軌、滑塊滾道表面磨損情況.當導軌運行阻力未發生明顯變化，則認為導軌通過試驗驗證，反之，未通過.

2.3 試驗結果與分析

試驗過程中，根據導軌間隙、潤滑及跑合狀態，共設計4 種導軌，見表5.狀態一、狀態二和狀態三均為滾珠固體潤滑，潤滑膜厚度均為0.001～0.002 mm，狀態一、狀態二間隙相同，均為0.04～0.05 mm，只是狀態二未進行跑合；狀態三無間隙，滾珠與導軌、滑塊之間為過盈配合，不進行地面跑合；狀態四滾珠為陶瓷球，導軌和滑塊滾道均未潤滑.跑和按照壽命試驗次數的10%進行加載跑和，即加載3 N·m，跑合700 次.4 種狀態導軌試驗件各加工1 件，然后分別進行壽命試驗，若試驗未通過則終止此狀態下的試驗；若試驗通過，則再增加2 件同種狀態的試驗件進行驗證.

表5 導軌試驗件分類Tab.5 Classification of the guide specimens

狀態一導軌(編號：1-a)順利通過7 000 次試驗，累計行程0.56 km，每完成1 000 次試驗，對導軌卸載進行空載下阻力測試，測試結果見表6 所示；試驗前后，分別進行2 N·m、3 N·m 和4 N·m 載荷下的阻力測試，結果見表7，由表中數據可知，試驗前后，導軌在加載情況下的阻力變化最大為2.2 N，未發生明顯變化.接著采用2 件同種狀態的導軌(編號：1-b、1-c)，進行壽命試驗，順利完成7 000 次承載試驗，測試結果見表6，由表中數據可以看出，狀態一導軌可以滿足在設計載荷下工作7 000 次的使用需求.

表6 導軌試驗過程中空載測試結果匯總Tab.6 Summary of no-load test results of the guide

表7 導軌試驗前后加載測試結果匯總Tab.7 Summary of loading test results before and after the guide test

狀態二導軌試驗進行至6 713 次時，導軌運動時抖動，有異響，空載下導軌的運動阻力增大至3.5～4.6 N.拆下導軌并分解，檢查導軌、滑塊和滾珠表面狀態，發現已有多個滾珠表面為光亮狀態，表明潤滑膜已脫落；導軌、滑塊滾道有磨損痕跡，表明潤滑膜已磨損，露出基體材料，見圖11.在滑塊端面磨損尤為顯著，此處為滾珠由承載區至非承載區的過渡段，接觸應力大，易磨損.

圖11 狀態二試驗后各狀態Fig.11 The state after the test of specimen 2

狀態三導軌試驗進行至3 465 次時，導軌運動時抖動，有異響，空載下導軌運動阻力增大至23 N.導軌在工作過程中固體潤滑膜會有脫落，脫落的潤滑膜堆積在導軌滾道內部，會影響滾珠運動，增大滾珠與導軌、滑塊之間的磨損，縮短導軌使用壽命，因此，固體潤滑導軌不宜采用過盈配合.

狀態四導軌僅進行了416 次，運動阻力便明顯增大，表明導軌若不潤滑，則其滾道極易磨損，導致運動受阻，即便采用表面硬度、光潔度較高的陶瓷球，也不能適應導軌受載狀態下的長時間運動.

比較狀態一、狀態二試驗結果，可知固體潤滑的導軌可滿足有限壽命次數的使用，加載跑合會消耗導軌工作壽命.由狀態三試驗結果可知，固體潤滑的導軌不宜采用過盈配合，合理的間隙設計可以減小脫落潤滑膜對滾珠運動的影響，延長固體潤滑導軌的使用壽命.狀態四結果表明，在導軌使用時必須做潤滑處理.

根據上述試驗結果，可確定末端執行器鎖緊機構導軌采用狀態一方案，即滾珠采用濺射沉積MoS2復合薄膜，導軌間隙0.04～0.05 mm，滾珠潤滑后不進行跑合.

3 結論與建議

受空間高低溫、真空、原子氧、電子輻照、單粒子、紫外和紅外輻照等環境因素影響，滾珠直線導軌不能直接應用于空間機構中，須進行空間適應性設計并通過驗證后才能使用.暴露在外太空的導軌只能采用固體潤滑，固體潤滑會使導軌負載能力及使用壽命明顯下降.通過總結空間站機械臂末端執行器導軌設計、試驗過程與結果，可得到結論如下：

①相比地面用油脂潤滑，采用固體潤滑的導軌承載能力及使用壽命顯著下降，為此，應根據在軌使用工況，分析導軌工作載荷，進行專項壽命試驗，驗證其在使用載荷條件的壽命是否滿足要求；

②固體潤滑膜使用壽命有限，因此，采用固體潤滑的活動部件，應在潤滑前進行跑和，潤滑后進行空載少量跑和，不建議進行加載跑和，否則會影響其在軌使用壽命；

③針對固體潤滑的導軌，不宜采用過盈配合，合理的間隙設計可以延長導軌在軌使用壽命.