高精度机构在轨应用的柔性球关节

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高精度机构在轨应用的柔性球关节中国空间技术研究院（航天五院）隶属于中国航天科技集团有限公司，成立于1968年2月20日。自1970年4月24日成功发射我国第一颗人造地球卫星以来，研究院已抓总研制并成功发射了300余颗航天器，实现200余颗航天器在轨运行，研制的航天器覆盖载人航天、月球与深空探测、导航定位、对地观测、通信广播、空间科学与技术试验六大系列航天器，实现了大、中、小、微型航天器的系列化、平台化发展。研究院圆满完成载人航天工程、探月工程、北斗工程、高分工程为代表的重大航天任务，为实现我国航天三大里程碑跨越发展做出了突出贡献。研究院充分发挥航天技术的优势和辐射带动作用，不断将航天新技术成果推广到国民经济多个领域。聚焦卫星应用、智能装备、空间生物三大优势业务板块，打造了中国卫星、康拓红外、航天生物三大业务发展主体平台，形成了以京津冀、长三角和粤港澳大湾区三大重点区域为主的区域布局。

目录

简介

研究院坚持国际化发展战略，积极践行“一带一路”倡议，推动构建人类命运共同体，先后与俄罗斯、法国、巴西等100多个国家和地区的宇航公司及空间研究机构建立了良好的合作关系。2004年实现了首颗商业卫星出口合同签署。截至2020年底，已向国际用户交付了20颗商业卫星，出口产品覆盖通信卫星、遥感卫星、卫星应用、航天器研制基础设施、宇航单机部组件和宇航元器件等。

研究院打造了北京、天津、怀来、西安、兰州、烟台、深圳、内蒙古、杭州等产业基地，拥有空间飞行器总体设计、分系统研制生产、系统集成、总装测试、环境试验、地面设备制造及卫星应用、服务保障等配套完整的研制生产体系。研究院现有中国科学院和中国工程院院士9人，国际宇航科学院院士11人，俄罗斯宇航科学院院士9人，国家级突出贡献专家15人，全国技术能手40人，高级以上职称人员7200余人。研究院获得国家科学技术奖84项，其中特等奖9项；授权专利7700余件，荣获中国专利金奖3项；省部级奖3000余项。研究院先后荣获全国文明单位、全国创先争优先进基层党组织、全国模范职工之家等荣誉称号。

二、技术要点

（解决的技术难题、技术指标等）

球关节一般指关节轴承，它由内圈和外圈组成，内圈外表面和外圈内表面为配合球面，实现相互连接的两个物体之间的三自由度相对运动。由于关节轴承的内圈和外圈之间存在间隙，使其难以满足高精度机构的需要。因此，人们又提出了利用特殊结构形式的弹性变形，实现两个物体之间的三自由度相对运动，以满足高精度机构的微小、高精度运动。该方法虽然解决了由关节轴承间隙带来的运动误差，但关节的结构形式复杂，对关节材料的疲劳性要求高，大大增加了加工的难度和成本。

本案例是一种适合航天器高精度机构在轨应用的柔性球关节，柔性球关节包括两个球面体、张紧绳、张紧螺柱和锁紧螺母。两个球面体为球体的一部分，球面体上开有圆孔和槽，张紧绳从圆孔中穿过。两个球面体通过张紧绳、张紧螺柱和锁紧螺母连接，二者接触面为球面。通过两个球面体的接触面和张紧绳对球关节的运动进行约束，并承受相应的作用力。张紧绳与张紧螺柱保证二者之间的可靠连接。张紧螺柱和对应锁紧螺母之间的连接为螺接，根据球关节预期承受的拉力确定张紧绳的张力，再由张紧绳的张力大小，确定锁紧螺母的拧紧力矩。两个球面体的接触部分构成球关节，二者之间可以实现三自由度、无间隙的高精度运动。

三、成果形式

（专利、著作权、新产品、新技术等）

本项目是专利技术

四、应用领域及应用场景

航空航天

五、当前应用成效

本发明提供了一种适合航天器高精度机构在轨应用的柔性球关节，结构简单，精度高，加工方便，能适应航天器机构在轨应用。通过张紧绳使两个球面体压紧，实现三维运动的同时，消除了球关节的间隙。由球面体承受关节所受的压力，由张紧绳承受关节所受的拉力。如果关节所承受的拉力很小，那么张紧绳的张力就可以很小，这几乎完全可以消除驱动球关节所需的额外的力矩。所有零件均采用热膨胀系数相近的金属材料制造，使得空间环境的变化对运动精度的影响可以忽略，因此，该球关节特别适合高精度、微小位移机构的在轨使用。