航空航天制造机器人高精度作业装备与技术综述

新一代航空航天产品的研制与批产对制造精度与加工质量提出了更高的新要求。以机器人为核心的智能制造技术与装备是解决该难题的有效途径。然而,工业机器人较低的定位精度与弱刚性结构属性严重制约了其在航空航天部件高精度加工作业中的推广应用。本文在阐述国内外机器人装备在航空航天制造业的应用现状的基础上,重点介绍了机器人作业刚度强化策略与定位误差精确补偿方法的研究现状,并分析了现有高精度控制方法存在的问题及技术难点。最后探讨了机器人作业装备在航空航天制造领域的技术发展趋势,为面向航空航天产品的机器人高精度制造技术的研究提供参考与借鉴。     

控制力矩陀螺轴承组件摩擦力矩特性研究

控制力矩陀螺轴承组件是空间飞行器姿态控制系统的核心部件，其轴承的性能直接影响着空间飞行器姿态控制系统的控制精度和使用寿命，甚至危及空间飞行器安全.对于控制力矩陀螺轴承组件，轴承摩擦力矩大小及其波动性是轴承的关键性能指标，针对空间飞行器控制力矩陀螺轴承组件，在滚动轴承摩擦学和动力学基础上，建立六自由度控制力矩陀螺轴承组件非线性动力学微分方程组，并采用预估 校正的GSTIFF(Gear stiff)变步长积分算法进行求解，对其在有/无重力的工作环境、公 自转工况、轴承预紧力以及保持架兜孔间隙对轴承摩擦力矩幅值及其波动性的影响进行分析.分析结果表明：预紧力对轴承组件摩擦力矩影响显著，预紧力过大或过小都不利于降低摩擦力矩及其波动性，对于本文分析的轴承组件最佳预紧力为50~55N；保持架稳定性受重力影响显著，无重力时自转工况下保持架较稳定；过小的兜孔间隙会使摩擦力矩增大，过大的兜孔间隙会使摩擦力矩波动性增大，存在最优兜孔间隙使得摩擦力矩及其波动性都较小，针对本文分析型号的轴承组件，间隙比应控制在0.6~0.8之间.     

多故障转子-滚动轴承系统的动力学特性

为深入研究多故障转子-滚动轴承系统的机理,充分考虑了旋转部件的扭矩、剪切力、转动惯量及陀螺力矩等效应,采用Timoshenko梁单元和转盘单元建立了转子的有限元模型,集成了滚动轴承动力学模型,及不平衡、不对中、碰摩、裂纹及松动等故障模型,得到了多故障转子-滚动轴承系统的动力学方程。采用变步长龙格库塔法,获得了转子-滚动轴承系统的位移响应,研究了系统位移响应随转速变化的分岔图、庞加莱截面,以及故障特征处的时域波形图、轴心轨迹图、相平面图和频谱图,探究了多故障转子-滚动轴承系统的故障特征及其动力学特性和规律。仿真分析结果表明：多故障转子-滚动轴承系统在运行过程中存在周期运动,拟周期运动和复杂的类混沌运动等丰富的非线性行为,且在各非线性行为转速区间内,会呈现不平衡、不对中、碰摩、裂纹和松动等单一故障或耦合故障的特征和现象。     

三轴承矢量喷管红外辐射特性

针对涡扇发动机用三轴承矢量喷管（3BSN）,通过数值模拟的方法研究了在巡航和垂直起降（VTOL）状态即非矢量和90°矢量状态下三轴承矢量喷管的红外辐射空间分布特征,并分析了其影响机理。结果表明,在非矢量状态下由于特殊的几何型面使得喷管下壁面出现了局部高温区,喷流形状也变成椭圆锥形,造成垂直探测面上正探测角壁面红外辐射较负探测角最大增加44.6%,水平探测面上的燃气红外辐射大于垂直探测面;90°矢量状态下,由于偏转的喷管结构对前端高温部件的遮挡,总辐射峰值仅为非矢量状态的43.3%;喷管90°矢量偏转使得远离曲率中心一侧的气流速度降低温度升高,喷管外侧出现了大范围的局部高温区,导致垂直探测面负探测角范围的壁面辐射大于正探测角范围,最大相对差值达到71.9%。喷管偏转也遮挡了部分喷管内部的高温燃气,垂直探测面负探测角的仅能覆盖喷管出口处的高温燃气区域,明显小于正探测角,造成燃气辐射出现了20%的最大相对差值。     

滚珠自转对高速球轴承环下润滑内部流动的影响

高速球轴承正常工作时,处于高速旋转状态,此时油相和气相因重力和离心力的作用在轴承环间剧烈运动。为了更准确地分析轴承环间的两相流动,采取VOF模型进行内部流场的模拟,采用多重旋转坐标系描述部件运动。建立球轴承环下润滑计算模型,分析了考虑滚珠自转因素下轴承内部的流动,并在此基础上探究了转速及供油量对轴承工作状态的影响。结果表明,对比整体模型与滚珠自转模型,发现滚珠自转使得轴承内部油体积分数增大,同时也使得滑油穿透间隙达到外环的能力增加;在考虑滚珠自转情况下,转速的不断增大,使得轴承内部的油相体积分数不断减小,在低转速情况下滚珠自转对流体运动影响较为明显,在高转速情况下公转速度对流体运动起到主导作用,滚珠自转对流体运动影响减弱;供油量不断的增大,使得滚珠自转模型内部的油相体积分数也在不断增大,而且滚珠自转运动会加强滑油在轴承内部的分布。     

基于有限单元热网络法的航空发动机主轴轴承热分析

航空发动机主轴轴承温度场的精准预测对保证发动机润滑系统及整机稳定运转至关重要。针对传统热网络法精度低的问题,提出一种基于有限单元思想的有限单元热网络法。将轴承结构通过网格划分为有限个单元体,每个单元体设置一个温度节点代表该单元体的集总参数,节点间构建热阻关系并形成热网络,通过求解以温度为未知量的大型稀疏矩阵线性方程组来获得滚子轴承横截面的温度分布。该方法可以与轴承局部产热理论相结合,实现轴承局部产热的精准加载,完成温度场的精细化分析。通过与试验结果对比,本文方法对轴承外环表面中心线温度的预测结果与试验结果误差不超过13%。     

燃气轮机周向拉杆转子连接刚度对转子振动特性影响的研究

为研究燃气轮机周向分布式拉杆转子轮盘间存在的连接刚度对轴系转子振动特性产生的影响,本文提出一种基于六自由度的弹簧单元等效方法;首先将轮盘接触刚度与拉杆弯曲刚度同时等效进连接界面,便于使用一维梁单元求解其临界转速与振动响应变化,验证其与全三维有限元法吻合度在3％以内;然后改写了非线性动力学方程,采用谐波平衡法对其进行求解,使用经典Newmark方法验证其准确性;最后使用该等效方法计算了某模拟转子连接刚度对其临界转速、响应特性、非线性特性等的影响。计算结果表明：当连接面剪切刚度与弯曲刚度减小3个数量级,均造成了临界转速的降低和振动响应的提高,而其影响程度可由各阶振型大致推测,且响应幅值受剪切刚度影响较大;使用临界转速趋于收敛时的连接刚度与试验值的对比误差小于2％,较连续模型提升显著;在连接刚度各向异性时,每一阶临界转速均出现两个响应峰值,轴心轨迹变成椭圆;考虑刚度随位移变化（非线性刚度）后,转子的响应峰值发生“歪扭”特性,且该峰值特征随不平衡量、无量纲阻尼等因素变化而呈现“波浪形”变化。     

作动器输出机构刚度优化设计与仿真分析

作动器输出机构的变形可以看作是输出轴体扭转变形与摇臂变截面悬臂梁变形的综合。从材料力学的角度出发,详细推导了作动器输出机构机械刚度的理论计算方法,并以此理论为依据对作动器输出机构的结构进行优化设计。通过仿真对比确定优化设计的正确性,为工程应用提供了有力的理论支撑。     

一种新型陀螺的力矩器非圆性误差补偿方法

为提高磁悬浮控制敏感陀螺（MSCSG）对陀螺载体姿态的敏感精度,基于其洛伦兹力磁轴承（LFMB）的设计结构,提出了一种力矩器非圆性误差补偿方法。首先,针对一种新型双球形包络面转子MSCSG,介绍了MSCSG的结构特点与陀螺载体姿态角速度敏感原理,并分别建立了MSCSG力矩器半径误差模型、转子偏转干扰力矩模型与陀螺载体姿态角速度敏感误差模型。其次,通过实验测量了力矩器的圆度,通过MATLAB进行数据拟合得到了力矩器的非圆特性,采用勒让德多项式级数对力矩器非圆性进行了描述,并有效补偿了因力矩器非圆性误差导致的姿态角速度敏感误差。最后,对误差补偿效果进行了仿真验证,结果表明该补偿方法使陀螺载体姿态角速度敏感误差降低了83.5%。此外,本文方法还可以解决LFMB陀螺的相关共性问题。