回到六十年代为国家添砖加瓦 第310章 空间机械臂的研究

开研讨会的时候，就有研究院问道，，“院长，由一般的力学性质可以得知，减少质量可以降低惯量、提高操作速度、增加刚度可以降低扰度；增加材料的阻尼可以减少稳态时间，但是我要如何做达到这些要求呢？”

“这就是我们这次要研究的方向，你们只管提出自己的想法，然后一起来验证。”

唐欣自然是有解决办法，但她不想就这样直接说出来，她还是想培养年轻人的学习积极性，开阔他们的思维。

这些特性的改进有利于提高控制精度，合理地利用碳纤维复合材料的材料特性与几何尺寸的设计，可以制造出满足使用需求的机械臂装置。

只不过，大家的思维还是被固有的框架圈住了，要想完成这个实验，那些想法都要不得。

唐欣道，“我们先解决机械臂材料的轻量化。”

“好的，院长。”以小徐为首的青年研究员接到任务，都跃跃欲试。

他们都是空间机械臂研究实验室的研究员，这些年除了改进研发机械臂的功能外，在材料上着实还在原地踏步，使用的还是院长当时提供的碳纤维复合材料技术。

现在终于轮到院长带着他们研究空间机械臂，大家都很高兴。

大家都是有经验的研究员，了解轻量化要从哪里开始。

轻量化设计必须从全面、整体的角度出发，将材料的轻量化和机器人结构的轻量化结合起来。

在设计阶段就要将材料的轻量化思想融入到结构设计中，

通过运用有限元分析技术得出各设计参数对各部位性能和重量的影响规律，推断出可行的轻量化较优方案。

关于材料方面的选择，能选择的不多。

铝合金的比重是2.7g/cm3，

碳纤维比铝合金要轻，

它的比重仅有1.5-2.0g/cm3，

利用碳纤维材料制成的机械臂也是目前所有不同材质的机械臂中最轻的。

只是局部单一的减重很难体现出碳纤维应用的较高效率。

只有综合考虑多方面因素所产生的共同效应，将机器人所有结构作为一个整体系统，

考虑到各部件之间的拓扑关系、截面尺寸、位置、材料强度与厚度对机器人本身各项性能的综合性作用，才能将碳纤维材料的优势性能充分发挥出来。

但是唐欣觉得现有的碳纤维材质性能还不够，还想研制更轻更有力的复合材料。

大家一起讨论着设计出他们需要的设计图。

除了轻量化，碳纤维机械臂的设计还需要考虑到机械性能。

唐欣选了T300作为增强材料，

该碳纤维原丝拉伸强度为2746MPa，

拉伸模量为3920MPa，

伸长率仅为0.7%，

比重为1.81g/cm3。

基体则选用648酚醛环氧树脂，这个材料是一位年轻的研究员提出来的，他正好研究过这个材料。

唐欣根据机器人性能要求，确定了碳纤维复合材料的铺层方向、铺层顺序和铺层总层数。

过多的铺层角度取向会给设计工作及制件成型增加难度，

因此在不影响设计要求的情况下尽可能减少铺层方向数。

在铺层设计时，铺层角度一般多选0°、 45°、-45°、90°这四种。

具体铺层时一般复合材料制件的铺层均采取对称均衡铺设，其特点是在整体的铺层中，上下铺层关于中间面对称。

但是唐欣设计的却是另一种非对称均衡铺层，而且还将这类非均衡铺层布置于靠近整体铺层中间的位置，

这种方式能有效避免复合材料制件经历拉-弯耦合、拉-剪耦合之后发生翘曲形变。

铺层顺序的改变可以减少按照相同的方式铺放的相邻两层分层开裂的可能性，

唐欣提醒大家在实验中，“大家记住了，连续的相同铺层不超过四层，对性能要求更高的复合材料制造不超过两层，

铺层角度尽量将0°层或90°层，布置在±45°层中间，

将 45°层或-45°层布置在0°层与90°层中间，大家都记清楚了吗？”

“记清楚了。”

“这样做的目的是降低机械臂的层间应力，你们一定要注意，这是我们能否成功的关键因素。”

“明白，院长。”

在大家齐心协力的努力下，新型材料这样研制成功。

制作好材料之后，唐欣现场跟这个项目的研究员一起开始制作机械臂。

在制作前，她还提醒大家，“在保证机械臂原有自由度和性能的前提下，维持外部尺寸大小不变，

机械臂内部同时要给布线以及控制电路的安装留有足够的空间，

机械臂的壳体厚度值在维持原有性能的最低值不超过原结构臂厚度之间，这是这次实验任务。”

“明白。”大家回应之后就开始埋头做实验，三五成群的一起完成这次实验任务。

然后就是通过实验研究，确定机械臂工作的载荷和速度，末端操作器的弹性动力学响应，机械精度、重复性、末端操作器的稳态时间等特性，这些问题都必须经过多次实验才能完成。

本小章还未完，请点击下一页继续阅读后面精彩内容！“我们现在制作的机械臂的工作环境恶劣而且经常要在温差变化很大的环境中作业，受不同因素的影响，

碳纤维机械臂必须保持良好的导热效果，能够保证其在吸收能量时能将其以热能的形式迅速传导到外界，避免局部过热而发生断裂，大家接下来就开始进行温差实验。”

唐欣现场指挥研究员执行实验任务，“把T2碳纤维机械手臂与同等体积T1碳纤维机械臂放置在在室温变化120℃的环境中。”

“院长，T1碳纤维材质机械臂变化0.05mm，T2碳纤维机械臂没有产生任何蠕变，我们的研究成功了。”

大家都非常开心，事实证明，优化设计碳纤维机械臂的铺层和方向，可以达到接近0的热变形效果，一般碳纤维符合材料无法达到的效果。

经过一系列的实验验证之后，终于确定就用这款材料制作太空中转站的机械臂。

T2碳纤维的力学性能在低温状态下几乎保持不变，抗疲性能优秀，在恶劣气候下还能够正常发挥吸能作用，在韧性上也比T1碳纤维表现的更好。

因此，从碳纤维复合材料被研制成功到现在，一直被列为制造机械臂的最佳材料。

这个也是要经过实验，有了实验数据才更有说服力。

“T2碳纤维复合材料运转速度加快，不惧外界的冲击力，使生产效率提高，并且碳纤维复合材料的重量轻，减少能源消耗，搬运也方便，简直是为制造太空机械臂而生的材料。”

唐欣自然早就知道碳纤维复合材料的抗振性能有多优秀，碳纤维复合材料热膨胀系数小，既可以保证生产过程中的稳定性，不会因为温度的变化而产生蠕变影响操作精度的问题。

碳纤维复合材料还具有防火阻燃的作用，无烟无毒，可以保障一个安全的工作环境。

不然，她也不会从一开始做空间站实验研究的时候，就直接拿出碳纤维材料交给机械臂实验室来研制空间机械臂。

有了这次研究新型碳纤维材料的经验，相信这群研究员以后也会研究出其他的碳纤维材料。

为满足多学科、多系统高度集成的要求，系统的体积重量和精度要求尽可能的小而高。

为此，唐欣特意找了芯片设计实验室的工程师帮忙制作了特殊芯片，

计算机程序实验室的研究员也帮着设计了多种型号的太空机械臂操作程序。

随着这次的研究成果出来的同时，许多的先进技术也出现了，这大概就是大家喜欢跟着唐欣院长做实验的原因。

不仅可以研究新项目，还可以学的新技术，增长见识，专业能力可以得到提升。

比如这款新型机械臂的出现可是引起了许多科学家的兴趣，还特意过来找参与这个项目的研究员进行友好学术交流。

这次实验成功提高了空间精密驱动与控制技术，这两个技术可以使得空间电机、空间传动、空间精密位置、速度测量、伺服控制等多项工程技术的发展得到很大的提升和推动作用。

还有它的特殊动力学特性，也会令空间机构的运动规划与仿真、多体非线性动力学分析与仿真技术的发展得到提升。

还有就是空间机械臂作为空间机电技术的综合载体，可以通过研究与发展该项技术促进提升空间机电技术和相关产业与技术的发展。

以后随着空间机械臂技术的提高，将促进空间科学试验、空间维护与建设、深空探测等空间技术的发展。

实验成果刚出来，研究这些专业的科学家们就找上门来了。

唐欣对国内的科学家是非常友好的，她从来不拒绝内部的学习交流，有一群同样纬度的战友共同进步，总比跟着一群猪队友工作要好吧！

她希望在她开始实施南天门计划时，国内的科学家都能跟上她实验的脚步，不然，她一个人不是累死在实验室，就是怄死在实验室。

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