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用于轴承跑合的运动机构设计与控制方法研究,用于,轴承,运动,机构,设计,控制,方法,研究
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单位代码 10006 学 号 ZY1307312 1分类号 TP242 1密 级 公开 硕士研究生开题报告用于轴承跑合的运动机构设计与控制方法研究 院（系）名称 机械工程及自动化学院 专业名称机械工程 学生姓名仇稳钧 指导教师郭卫东 教授北京航空航天大学硕士研究生开题报告目录1. 论文选题依据11.1 课题来源11.2 课题背景及意义11.3 国内外研究现状分析21.3.1轴承跑合设备的国内外研究现状101.3.2球面并联机构的国内外研究现状122. 论文研究方案142.1 课题研究的主要目标142.2 研究内容152.3 关键问题152.4 研究方法及技术路线152.5 预期的创新点153. 论文研究预期目标163.1 课题研究的主要目标163.2 预期研究成果164. 论文工作计划16参考文献171. 论文选题依据1.1 课题来源本课题来源于和中国空间技术研究院（航天五院）的预研。1.2 课题背景及意义关节轴承是一种球面滑动轴承，其结构比滚动轴承简单，主要有一个有外球面的内圈和一个有内球面的外圈组成。关节轴承一般用于低速的摆动运动（即角运动），由于内外圈接触表面为球面形，故能在一定角度范围内作倾斜运动，若支撑轴和轴壳孔不同心度较大时，仍然正常工作。关节轴承作为通用机械零部件，其特点是结构简单、体积小、承载力大、转动灵活、易于拆装，而且还具有摩擦系数小、耐冲击、耐腐蚀、适用温度范围广，寿命长等优异特性1。根据不同的类型和结构，可以承受径向载荷、轴向载荷或径向、轴向并存的联合载荷。由于内圈的外球面上镶有复合材料，故该轴承在工作中可产生自润滑。关节轴承广泛用于工程液压油缸、锻造机床、工程机械、自动化设备、汽车减震器、水利机械等行业。随着科技进步发展，关节轴承在某些尖端领域也广泛使用，如国防军事、航天航空、机器人技术等领域。常规轴承通常使用油润滑或脂润滑在有些环境下（比如真空低温）难以达到润滑要求，而固体润滑比油脂润滑的化学稳定性好，不会因为辐射而发生变质，而且结构设计容易、温度不敏感，故采用固体润滑轴承是比较好的选择2。本文研究的向心关节轴承采用的是共溅射MoS2（二硫化钼）基固体薄膜对内外圈进行润滑。共溅射MoS2基固体薄膜指的是以MoS2为主体，添加少许的软金属或其合金、稀土等复合材料为靶材，在高真空中溅射沉积于指定基体上而形成的具有自润滑性能的薄膜。因为不同MoS2分子层之间的硫（S）原子和钼（Mo）原子之间的结合力较弱，容易在一个较小的剪切力使分子层间断裂，从而产生滑移面。可以看出MoS2的润滑性是由其特别的层状晶体结构决定的，这种特性将原来两金属表面的相对滑移直接转化成MoS2分子层间的相对滑移。但是MoS2经射频溅射后与沟道基体形成的层状结构并不均匀，通常分为致密层、过渡层和柱状层。其中致密层和过渡层称为有效润滑镀层，而柱状层往往需要我们消除，因为其结构疏松，且容易吸潮、氧化、剥落。经过溅射处理后的轴承内外圈，其表面的MoS2（二硫化钼）基固体薄膜使接触表面粗糙度升高，摩擦力矩和振动随之增大。故MoS2固体润滑轴承需要进行跑合试验。我国的关节轴承生产起步较晚，20世纪末才得到迅速发展，并已经初步形成一定出口规模。有关关节轴承的试验，国内目前已经做了一些工作。而有关轴承跑合的设备大多是用于跑合角接触轴承和球轴承的，这是因为这两类轴承使用的频率比较高、范围比较大。当前轴承跑合设备大多采用的是一自由度转动及一维施加力的方法，而这种方法对于关节轴承跑合有很大的局限性。这些问题体现在关节轴承的内外圈之间的相对运动可以是3维转动，而上述方法仅仅采用的是沿轴向方向的一维转动，若采取该方法则导致关节轴承的接触面跑合不均匀，不能有效达到预期目的。轴承跑合从机理上讲就是磨合内外圈接触表面，降低摩擦系数，从而达到减小摩擦力矩，降低相互运动产生的热，使轴承在安装后直接进入工作状态。轴向方向上的转动和施加力不能有效降低径向方向上的摩擦系数以其带来的问题，而直接在径向方向上施加一个力也同样解决不了问题。所以第一步需要解决的问题是设计出至少产生二维旋转的机构，使关节轴承在跑合的过程中不断有规律地改变内外圈的相对位置，从而尽可能地实现接触表面均匀磨合。能满足上述要求的机构有很多，初步设想采用球面并联机构。球面机构是联系平面机构与空间机构的桥梁，它是一类特殊类型的机构。当机构运动时，其机构上所有点在一个与固定点保持不变距离的球面上运动。球面机构具有结构紧凑、灵活可靠等众多优点3。而并联机构相对于传统的串联机构而言，具有高刚度、高精度、高承载能力、结构简单紧凑以及易于实现高速运动等一系列优点，其应用也几乎涉及了现代尖端技术的各个领域4。而球面并联机构具备两者的优点。由于向心关节轴承套圈之间是一种球面接触副，故向心关节轴承首先考虑应用与高载荷以及轴承套圈之间相对速度较低条件下，服役工况经常出现往复式的倾斜运动和旋转运动。关节轴承具有滚动轴承无可比拟的优良特性，其广泛应用于工程机械、载重汽车、水利设施、军工机械等方面。同时也用于矿山、冶金、电力、交通、航天、轻工、食品、医药、卫星地面接收设备、火箭发射架和纺织等各类机械设备中，而且也用于多用途拖船、靶吸式挖泥船、交通艇和观光游览艇等民用船舶以及喷水推进的猎潜艇、扫雷艇、巡逻艇等军用舰船上，如美国的第一艘军用深浸自控水翼艇（1968 年）和“飞马座”导弹巡逻艇（1975 年）。有资料统计，我国近年来引进的机械设备中，凡属连接操纵系统、调节装置及要求抗污染、耐高低温、在真空场合传递力或力矩的设备中，70%以上采用了关节轴承。值得一提的是美国波音公司制造的波音系列飞机和法国生产的海豚、超黄峰飞机的操纵传动系统中关节轴承的使用率几乎达到了100%。尤其航空航天、国防军事等重要部门对高质量、高可靠性关节轴承的需求更为迫切5-6。向心关节轴承主要承受径向（向心）载荷，最小动载荷（内径为4mm的向心关节轴承）可为2kN，最大（内径为300mm的向心关节轴承）可达3800kN，以上轴承为福建龙溪轴承股份有限公司生产。图1 向心关节轴承 向心关节轴承的主要运动形式有两种：（1）单向旋转运动，沿着某一个固定的轴做简单的旋转运动；（2）往复摆动运动；往复摆动运动又包括旋转摆动（图2）、倾斜摆动（图3）以及由旋转摆动和倾斜摆动叠加而成的复合摆动。图2图3按照我国的国家标准，向心关节轴承主要承受径向载荷和不大的轴向载荷，公称接触角为0。本文研究的向心关节轴承为自润滑型，且采用共溅射MoS2基固体薄膜，其突破了油膜润滑极限，能适应多种特殊工况的要求，如高速、重载荷、复合摆动难以形成润滑油膜的场合，长期处于恶劣环境、润滑油膜容易老化、室外作业加油润滑失效的场合，超高温、超低温状态下润滑效果难以发挥的场合，以及海水和药业介质难以形成润滑的场合7。机械零部件的磨损一般分为三个阶段，即跑合磨损（初期磨损或磨合磨损）、稳定磨损（正常磨损）和剧烈磨损。A.跑合磨损阶段这个阶段实际上是一种研磨过程，运转初期，磨损速度较快，经过短时间跑合后，磨损速度减缓，为正常运行的稳定磨损创造条件。B.稳定磨损阶段这一阶段磨损缓缓稳定，磨损速度基本不变。经过较长时间的稳定磨损后，进入了剧烈磨损阶段。C.剧烈磨损阶段此阶段摩擦表面之间的间隙和表面形态发生了变化，产生了表面疲劳，磨损速度急剧增长，从此机械效率下降，精度丧失，出现异常的噪音和振动，摩擦副温度迅速升高，最终导致零部件的失效。新加工的机械零部件其初始摩擦表面尽管都经过精加工，但是仍然会留有加工痕迹或几何形状误差、位置误差，存在一定的微观不平度，再加上配合件的装配误差，所以配合表面的接触是极不均匀的，实际上仅仅是少数几个尖峰相接触，真实接触面积较小。在如此微小的面积上，如果直接承受载荷，则单位接触面积承受的实际载荷较大，在局部接触点上可能会引起超过屈服点的巨大接触应力，或者引起不平度凸峰的相互嵌入，接触点会由弹性变形进而发展为塑性变形，接触的尖峰被压溃后，使接触面更加接近，在分子间的引力作用下，会使接触点发生粘着 当两接触表面作相对运动时，由于存在很大的摩擦系数，会引起大量发热，可能产生接近材料熔点的高温，导致严重的粘着磨损或表面直接擦伤，由此造成机械零部件的早期损坏。拉缸、抱轴、齿轮或蜗轮的粘着、胶合等事故就是典型的例子。有些零部件虽然不会产生烧蚀、抱轴等事故，但在高压、高速下工作，磨损十分严重。如果磨下来的金属屑不能及时清除，反而作为磨料夹杂在零部件之间，会使磨损更加剧烈，零部件的工作寿命将大大缩短。为了防止上述问题的发生，必须采取行之有效的措施，而其中控制好跑合磨损阶段则是一种非常重要的方法。所谓跑合，就是将装配好的摩擦副，使用一定的润滑材料，在空载或逐渐加载、加速的条件下进行运转，使摩擦表面的不平度凸峰被逐渐膳掉，从而增大两接触表面的实际接触面积，使摩擦表面保持最适宜的间隙和最佳的表面接触状态，降低接触面上的接触应力，摩擦表面的物理机械性能从初始状态过渡到使用状态的过程。通过跑合，原由机械加上造成的初始粗糙度的形状、大小和方向得到了改变，形成了新的、平衡的显微尖峰和凹谷，其不平度的方向是沿着滑动摩擦的方向，保证了摩擦副表面良好的接触面积，能完全贴合。同时，减小了表面相互作用产生的法向和切向应力。通过跑合，使表面增加了油膜比厚，降低了塑性指数，有利于表面向流体动力润滑方向发展，有利于接触状态向弹性接触状态过渡，提高表面的抗粘着能力，形成耐久的满滑膜。使整个工作表面产生稳定而有效的润滑。通过跑合，使工作表面的磨损速度、摩擦系数和温度均稳定在较低的水平上。通过跑合，可以及时发现装配中的问题，及时加以解决，避免大的事故发生；可以弥补因加工制造受到设备、工艺、技术水平等条件的限制出现的质量问题，从而使机械零部件或整机降低磨损速度、提高使用性能、延长了工作寿命。通常研究轴承的跑合技术时，润滑方式是必须考虑的。润滑方式对选择跑合环境、机械结构设计、电路控制系统等诸多方面有着重要影响。目前固体润滑使用较为流行，一方面，固体润滑使结构设计简化，相对于油润滑和脂润滑而言，不需要出油口和入油口等结构；另一方面，其能适用于较大温度变化，在航空航天等真空领域更具优势。目前，能从互联网查询的文献中，射频共溅射二硫化钼基（MoS2）薄膜无论是寿命试验机还是跑合设备，使用频率都很高。射频共溅射二硫化钼基（MoS2）薄膜具有良好的减摩性、耐磨性、耐潮性以及较高的承载能力，根本在于多组元之间的协同效应使得润滑膜的表面和断面组织变得更加致密。而射频共溅射薄膜实际上是一种沉积过程，在薄膜与基材交界处形成的薄膜最为致密，而达到一定厚度后，薄膜的生长方式也发生变化，最后在膜的顶层存在的是柱状或针状疏松组织。及影响其润滑性能，又易吸潮、氧化和剥落。对于溅射好的轴承进行加载跑合则可以使得这一状态得到改善，并进一步改善薄膜的润滑性能。特别是针对太空中的设备（如卫星）中驱动机构，轴系的旋转状况直接影响着整个设备的生命。轴承可能存在的故障主要是润滑失效、冷焊或因多余物卡死，而这都会导致机构停转，从而直接危害到设备的能源供应。跑合作为改善轴承性能的一种手段，已成为太空设备驱动机构生产中一道必不可少的工序，这对于提高机构的整机可靠性也是极为必要和重要的。1.3 国内外研究现状分析球面并联机构（SPM）是一种所有转动副都相交于一个固定点的并联机构，该点是球面机构的转动中心，每个杆件都绕其转动且不存在滑动副，具有机构精简、杆件数量少、操作灵活且控制简便等优点，是并联机构中的重要部分，具有广阔的发展前景。由于向心关节轴承运动的特殊性，简单的二自由度或三自由度球面并联结构即可，不需多自由度球面结构。一方面是少自由度（自由度为2或3）结构简单，精度容易保证；另一方面是少自由度机构的正反解相对容易，同时设计控制系统也会比较方便。二自由度和三自由度的球面并联机构一般用于机器人的肩关节、腕关节、腰关节和髋关节。图4为Gosselin的两自由度转动机构，该球面二自由度并联机构为空间五杆机构，所有的运动副均为转动副，各轴线交于球心O。两个主动转动副即旋转电机放置于同一平面且固定，电机轴相互垂直，相交于球心O。弧AB和弧BC分别对应90的圆心角，DF垂直于OC，动平台只能做围绕球心O的旋转运动。图4 Gosselin的两自由度转动机构三自由度球面并联机构属于少自由度并联机构的范畴，其动平台与静平台一般通过三个分支来连接，动平台可绕空间一个固定点相对于静平台做三维转动，此固定点称为三自由度球面并联机构的转动中心，通常记为点O。三自由度球面机构相对于二自由度球面机构而言，应用更为广泛，例如可以做机器人的肩关节、腕关节、电子灵敏眼、卫星天线的空间方位跟踪系统等等8-9。三自由度球面并联机构有多种结构形式，目前国内外研究较多的是3-RRR球面并联机构，对其他类型的球面机构研究则比较少。在20实际90年代，加拿大谢布鲁克大学的Gosselin教授利用3-RRR球面机构做成了电子灵敏眼，天津大学的黄田教授等人也采用该机构研制出数控回转台，四川大学的张济等人对可调球面三自由度并联机构的位置进行了符合求解并建立了机构动态仿真模型，进行了运动学和动力学仿真分析10-12。文献13只是针对非对称、非过约束的三自由度球面并联机构进行了结构综合, 文献14则采用螺旋理论对三自由度球面并联机构进行类型综合。1.3.1轴承跑合设备的国内外研究现状轴承跑合设备一般包括机械系统、电路控制系统和软件15。机械系统执行跑合功能。控制电路实现跑合平台的加载电动机和跑合电动机的控制以及压力传感器的数据采集。软件部分实现跑合平台与人的接口，操作者通过PC机发出加载、跑合等指令，观测加载压力和跑合圈数等。（一）机械部分跑合平台机械部分按结构，可分为立式和卧式跑合设备，可参考图5和图6。为了使轴承不受到径向力的影响，常规轴承跑合设备一般都采用立式结构。机械部分主要包括加载、跑合两部分。通常使用的加载方式有重力、气动、电动、液压、螺纹等方式。其中气动加载方式结构复杂，实现及维护成本较高；重力加载过于笨重，操作复杂。电动加载方式结构简单，操作也较为方便，故多数跑合设备采用电动加载方式。加载电动机通过加载丝杠驱动力传感器组件实现对轴承组件的加载。另外液压加载适用于大型轴承；而螺纹加载需要通过手动扭转螺母实现径向施加载荷，难以实现跑合自动化，其中原理如图7。图5 立式跑合平台机械结构图图6 卧式跑合平台机械结构图图7 螺纹径向加载工作原理图1.加载环 2.关节轴承 3.芯棒 4.传感器 5.螺母 6.螺杆（二）电路控制系统哈尔滨工业大学的朱奎等人设计的轴承跑合系统以GT_400运动控制卡为核心，通过运动控制卡驱动直流电机，并实现不同驱动口所驱动的电动机的电子齿轮运动。两个驱动口分别控制加载电机和跑合电机。传感器数据采集卡使用的是PCI8735数据采集卡。这套设备中的步进电机采用开环控制，对于跑合电机而言，其负载转矩较小，正常情况下电机不会出现失步现象，故其采用开环控制。而对于加载电机，由于需要精准的压力值，因此采用闭环控制，如图8所示。图8 跑合平台加载电机控制图（三）软件系统为了得到良好的人机界面，编写一款控制软件可以提高工作效率和控制难度。控制软件为VC+ 6.0基于对话框所编写的程序，主要有手动跑合和自动跑合两大功能16。手动跑合适用于研究载荷、跑合圈数等与轴承跑合效果的关系。而上述研究过后，可以得到一套良好的跑合方案，将其编写成固定的跑合条件文件。自动跑合读取该文件，无需手动调节便可直接实现轴承跑合一步到位。有些跑合设备为了简化系统，并没有采用软件系统，直接采用预定的方案直接跑合。图9为北京控制工程研究所研究的轴承跑合装置简图，该装置针对太阳帆板驱动机构固体润滑轴承的跑合。该装置中，每次可同时跑合一对轴承，轴承以背靠背方式安装，预载首先直接施加在上轴承的内套圈上，两套被跑合轴承形成“O”形受力形式（途中轴承虚线为受力方向）。这种安装方式及受力形式同实际使用是一致的。跑合时轴承内套圈旋转，外套圈通过轴承座限位而静止。如果轴承座没有限位，轴承外套圈将在摩擦力矩的作用下随内套圈一同旋转。所以如图9所示，在轴承座上安装一个测量臂，配以测力传感器，则可以测量出被跑合的这对轴承的摩擦力矩，这个力矩测量装置同时起到了对轴承座的限位作用。跑合时，旋转轴是竖直的，这样避免了因重力造成的径向加载不均匀。跑合时需要确定的两个重要参数是跑和速度及跑合累计时间。图9 轴承跑合装置简图跑合速度可以按照工作转速或以加速跑合即高于工作转速的形式进行。对于太阳帆板驱动机构这种低速旋转部件来说，需要采用加速跑合，并且这种方式对固体润滑轴承室适宜有效的。加速跑合时的速度选择主要考虑如下因素：A. 固体润滑在不同速度下的润滑效果、润滑材料转移情况；B. 轴承在不同速度下的摩擦学性能、温升情况。一般而言，1r/s仍属于低俗范围。基于以上考虑，太阳帆板驱动机构跑合时就选取了这个速度。而且对于上述因素来讲，这个速度都是知识进行了运行寿命上的一个加速，而没有工作机理上的明显不同。跑合累计时间主要关系到轴承寿命（累计转数）。一般设备都是在寿命中期阶段具有最好的工作状态。跑合的目的在于使轴承提前达到良好的工作状态，而不能明显影响到轴承的使用寿命。对于太阳帆板驱动机构来说，轴承的在轨寿命需要远低于轴承的额定寿命，据此一般确定轴承的跑合时间达到工作预载下的额定寿命的20%左右即可。故一般跑合设备上有显示转数的功能，以便提高工作效率。图5为哈尔滨工业大学机器人技术与国家重点实验室研究的固体润滑轴承的变预载跑合系统。同样也是采用MoS2薄膜，文献中详细介绍了所设计的变预载轴承跑合系统，并进行了轴承的变载荷跑合试验，简要分析了结果。该跑合系统包括了机械系统、电路控制系统和软件。机械系统如图5所示，采用立式结构，实现跑合功能。其为了提高加载载荷的分辨率，在力传感器组件与加载螺母之间设有压缩弹簧，由于压缩弹簧刚度相对较低，其可以讲加载螺母的加载行程进行放大，从而提高加载载荷的分辨率。另外，直线轴承支架和跑合平台上支撑板之间装有4根拉簧，用于平衡直线轴承支架和力传感器组件的自重。在保证最大载荷的前提下，加载弹簧的刚度应该尽量小，以提高加载时的灵敏度。直线轴承和直线导轨保证了载荷方向与直线导轨轴向平行，且加载时，加载压头与轴承工装为点接触，加载螺杆的旋转运动不会引起压力传感器的侧向位移，避免侧向力导致的加载不准确。跑合部分主要包括跑合电动机和轴承组件。跑合电动机用过弹性联轴器与安装有被跑合轴承的轴相连，降低了电动机的波动对轴承的影响。待跑合的一对轴承以面对面方式安装，与载荷通过加载圆盘施加到轴承外圈上。轴承组件采用模块化设计，通过标准的平台接口对于不同型号的轴承只需要设计相应的轴承安装组件。上述设计的变预载轴承跑合系统可以满足航天用轴承的跑合要求。通过跑合，轴承固体润滑膜的润滑效果得以改善，进而提高了轴承工作的可靠性。但该轴承跑合系统无法实时采集轴承的摩擦力矩，故因而可能出现轴承过跑合或者跑合不够的情况，而经验给定的跑合圈数对于不同的轴承不可能完全适宜。1.3.2球面并联机构的国内外研究现状机构的构型设计即型综合，是根据给定机构自由度设计的要求，在设计新机器时把一定数量的构件和运动副进行排列组合，组成多种可能的机构类型综合的研究方法。它是并联机构设计的重要环节，是机械创新设计的基础。在对球面并联机构的最初研究主要是集中于球面四杆和五杆机构的研究，C.H.Chiang等通过对球面四杆机构结构性能的分析，在Grashof定理基础上，对四杆机构的曲柄存在条件进行了讨论17。三自由度球面并联机构属于少自由度并联机构的范畴，它的动平台和静平台是通过三个支链来连接的，动平台绕空间一固定点相对静平台做三维的转动，这个固定点就是球面并联机构的转动中心。三自由度球面并联机构有多种结构形式，目前国内外研究较多的是3-RRR球面并联机构，对其他类型的球面并联机构的研究则比较少。Gosselin等利用3-RRR球面并联机构研制了电子灵捷眼，曾宪菁等研制出了3-RRR数控回转台，Mourad Karouia等对非对称、非过约束的三自由度球面机构进行了结构综合；杭鲁滨等通过对一种球面并联机构的解耦性分析，基于拓扑解耦准则构造了一种更为一般情况的球面并联机构，为具有拓扑特性的并联机构的创新设计提供了理论基础18-21。罗玉峰等以单开链支路为单元，对三自由度球面机构进行了型综合，为三自由度球面并联机构的选择提供了理论依据22。在球面并联机构运动学研究方面，主要的研究方法有数值法和解析法，国内外在这些方面取得了很多的研究成果。张立杰等借助球面解析几何理论，建立了球面2自由度5R并联机构的约束方程，通过解析法求得了机构的正逆运动学，通过算例得到了正逆解的装配图，验证了理论建模的正确性23。杨加伦等基于旋量理论对一种正交三自由度球面并联机构位置正、反解进行了分析，并且利用指数积公式直观地得到了机构的位置正解，然后通过反解验证了正解的正确性24。 在球面并联机构的动力学研究方面，李成刚等基于螺旋理论建立球面并联机构的动力学模型，得到球面并联机构的驱动转矩方程，并且通过对动力学模型的变换，得到动力学模型的行位空间表达模型和相关系数25。张均富等借助螺旋理论建立球面五杆机构的动力学解析模型，并且得到了机构的一、二阶影响系数和构件的尺寸参数、惯性参数对机构驱动力矩的影响26。王跃灵等通过Lagrange法建立球面3-RRR并联机构的动力学模型，并且在此基础上设计了鲁棒-自适应迭代学习控制器27。刘海涛等通过对一种五自由度TriVariant-B机械手其中一二自由度球面并联机构支链逆动力学模型的研究，提出一种可根据对机构末端执行器速度和加速度要求预估机构伺服电机转子惯量、额定转速及峰值转矩的方法，并且结合虚拟样机验证了这种方法的有效性28。近年来球面并联机构的应用研究已经成为国际上一个研究的热门领域，在这方面也取得了一定的研究成果。王德伦等通过运动刚体的二次鞍点的近似原点定义，建立了球面四杆机构近似函数综合的自适应拟合方法，基于遗传算法对机构的运动综合问题进行了优化29。孙建伟等借助快速傅里叶级数建立球面四杆连杆机构的轨迹综合模型，通过谐波特征参数图谱解决了机构的轨迹综合问题30。Yang Suixian等通过数值插值方法对球面4R机构函数综合问题中精确点的优化选择进行了分析，并得到了优化模型的初始解，并通过分形算法得到了机构的全局最优解31。Landen A.Bowen等提出折纸机构应用在球面机构上32。折纸机构在工程解决方案方面是一个很有前途的领域，但在很大程度上还有待开发。球面并联机构在医疗器械方面有着广泛的应用前景。Erdman等提出将四自由度混联球面机构用在牙颌模型激光扫描仪上的应用，并提出了可调球面四杆机构在踝关节修复中的应用33。徐礼钜等将球面五杆机构应用在踝关节康复训练中。这些应用研究成果进一步证明了球面并联机构在某些精细操作场合所表现出的优良特性，为球面并联机构的广泛推广应用提供了重要理论基础和现实参考价值34。2. 论文研究方案2.1 课题研究的主要目标在当前球面并联机构研究的基础上，熟悉该机构的运动学和动力学，完成对向心关节轴承跑合设备的运动系统设计。本论文将不对加载系统展开研究。技术指标指标内容备注整体尺寸不大于500mm500mm500mm暂定径向载荷2000N3000N可跑合向心关节轴承的尺寸范围内径12mm50mm轴承跑合的环境封闭2.2 研究内容1) 更换轴承模块的设计：该设备跑合的向心关节轴承的内径从12mm到50mm，故需要相应的模块，模块包含两部分，与关节轴承内圈固连的内圈模块以及固连在关节轴承外圈的外圈模块。2) 球面并联机构的设计：比较2自由度和3自由度球面并联机构的优缺点，确定后设计合适的机构参数，完成运动学和动力学的仿真和有限元分析。3) 跑合平台的变化轨迹设计：设计程序控制平台位姿轨迹变化实现最优跑合。2.3 关键问题(1) 设计球面并联机构轴承跑合平台以及固定轴承外圈的卡紧装置(2) 由于控制器选用嵌入式的系统，所以需要探索运算速度更快的运动学解算和力解算的方法，以满足实时性要求。(3) 找到合理的运动控制方法，以便更有效率地完成跑合任务。2.4 研究方法及技术路线 本课题涉及到理论研究与工程实际，需要几种方案进行研究，可以将课题分为如下几部分：球面并联机构和轴承安装模块设计以及运动控制方法研究。首先阅读相关文献，对国内外的研究现状有较深刻的了解。然后，采用CAD软件进行建模、有限元软件仿真、动力学仿真软件分析，循环以上步骤直到得到比较理想的结果。随后，得到机械设计图纸，加工、装配得到物理样机。最后修正改良得到最终样机。2.5 预期的创新点（1）轴承安装模块设计：该设备可以跑合不同内径的关节轴承，故需要设计对应不同轴承的安装模块，注意安装的便捷性和稳定性。（2）将球面并联机构应用于轴承跑合设备：与以往跑合设备不一样的是，此次设计基于球面并联机构，需要注意满足结构强度与刚度。3. 论文研究预期目标3.1 课题研究的主要目标 完成运动机构设计以及控制方法的研究。3.2 预期研究成果（1）机械系统相关图纸。（2）轴承跑合设备的运动机构物理样机以及控制系统。（3）发表论文12篇。4. 论文工作计划序号工作内容2014年2015年11121234567891011121调研文献，确定研究路线2进行机构构型综合，确定使用的构型3进行运动学分析，求解正解、反解4进行机构工作空间、奇异性的分析5初步概念设计， Adams仿真验证，并进行优化6进行详细设计，包括尺寸的确定、关键部件的选型7绘制二维图，进行零件的加工和采购，及整体的装配8完成控制系统的设计9进行控制算法研究和实现10总体调试11撰写论文，准备答辩参考文献1 周境, 朱海明, 周坤. 自润滑向心关节轴承J. 轴承, 2003 (7): 11-12.2 梁波, 葛世东, 席颖佳. 宇航固体润滑轴承技术J. 轴承, 2001, 5: 8-12.3 刘艳芳, 杨随先. 球面机构研究动向J. 机械设计与研究, 2010 (1): 32-35.4 彭忠琦. 并联机构的发展及应用J. 光机电信息, 2012, 28(12): 45-50.5 吕新圃. E06-12 型自润滑杆端关节轴承试验机J. 轴承, 1997(3): 29-31.6 刘六井. 大型推力关节轴承结构有限元分析及试验研究D. 武汉: 华中科技大学, 2004.7 丁琦， 吴来译. 自润滑轴承M. 合肥： 合肥工业大学, 1990.8 战丽娜, 金振林. 一种基于球面并联机构的肩关节的分析与设计J. 燕山大学学报, 2006, 30(1): 14-17.9 孙立宁, 刘宇, 祝宇虹. 一种用于腕关节的球面三自由度并联解耦机构位置分析J. 中国机械工程, 2003, 14(10): 831-833.10 Gosselin C, St Pierre E, Gagne M. On the development of the agile eyeJ. Robotics & Automation Magazine, IEEE, 1996, 3(4): 29-37.11 曾宪菁, 黄田. 基于三自由度球面并联机构数控回转台的机械设计J. 机器人技术与应用, 2000 (4): 23-26.12 张济, 林光春, 徐礼钜, 等. 可调球面三自由度并联机构的位置分析与动态仿真J. 机床与液压, 2007, 35(6): 176-179.13 Karouia M, Herv J M. Asymmetrical 3-dof spherical parallel mechanismsJ. European Journal of Mechanics-A/Solids, 2005, 24(1): 47-57.14 Kong X, Gosselin C M. Type synthesis of 3-DOF spherical parallel manipulators based on screw theoryJ. Journal of Mechanical Design, 2004, 126(1): 101-108.15 朱奎, 史士财, 司圣洁, 等. 固体润滑轴承的变预载跑合系统设计与试验J. 轴承, 2010 (8): 35-39.16 吴剑威, 史士财, 刘宏. 空间机械臂关节固体润滑轴承的跑合实验与分析J. 机械与电子, 2009 (1): 3-5.17 Chiang C H. 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European Journal of Mechanics-A/Solids, 2005, 24(1): 47-57.21 杭鲁滨, 王彦, 吴俊, 等. 基于拓扑解耦准则的球面并联机构解耦条件研究J. 机械工程学报, 2006, 41(9): 28-32.22 罗玉峰, 李剑秀, 石志新, 等. 三自由度球面并联机构的型综合J. 南昌大学学报: 工科版, 2008, 30(2): 150-153.23 张立杰, 李永泉, 黄真. 球面二自由度 5R 并联机器人的运动学分析J. 中国机械工程, 2006, 17(4): 343-346.24 杨加伦, 高峰, 戚开诚, 等. 正交三自由度球面并联机构的位置正反解新方法J. 机械设计与研究, 2008, 24(3): 30-32.25 李成刚, 吴洪涛, 朱剑英. 球面并联机构动力学模型构成项对比研究J. 机械科学与技术, 2011, 30(5): 807-812.26 张均富, 王进戈, 徐礼钜. 基于螺旋理论的球面并联机构动力学解析模型 JJ. 农业机械学报, 2007, 38(4): 122-126.27 王跃灵, 金振林, 李研彪. 球面 3-RRR 并联机构动力学建模与鲁棒-自适应迭代学习控制J. 机械工程学报, 2010 (1): 68-73.28 刘海涛, 梅江平, 赵学满, 等. 一种 2 自由度球面并联机构动力学建模与伺服电机参数预估J. 中国科学: E 辑, 2008, 38(1): 111-124.29 王德伦, 王淑芬, 张保印. 球面四杆机构近似函数综合的自适应方法J. 机械工程学报, 2004, 40(2): 45-49.30 孙建伟, 褚金奎. 用快速傅里叶变换进行球面四杆机构连杆轨迹综合J. 机械工程学报, 2008, 44(7): 32-37.31 Suixian Y, Hong Y, Tian G Y. Optimal selection of precision points for function synthesis of spherical 4R linkageJ. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 2009, 223(9): 2183-2189.32 Bowen L A, Grames C L, Magleby S P, et al. A classification of action origami as systems of spherical mechanismsJ. Journal of Mechanical Design, 2013, 135(11): 111008.33 Hong B, Erdman A G. Spherical linkage apparatus: U.S. Patent 6,355,048P. 2002-3-12.34 徐礼钜, 张均富, 徐雪梅. 踝关节康复训练装置P. 2007.- 19 - 单位代码 10006 学 号 ZY1307312 分类号 TP242 密 级 公开 硕士研究生文献综述用于轴承跑合的运动机构设计与控制方法研究 院（系）名称 机械工程及自动化学院 专业名称机械工程 学生姓名仇稳钧 指导教师 郭卫东 教授2014年11月28日北京航空航天大学硕士研究生文献综述摘要随着关节轴承在航天航空、国防军事等众多尖端领域的广泛应用，对关节轴承的研究也变得流行起来。由于关节轴承在实际应用中工作工况比较复杂，同时刚生产出来的关节轴承在使用一段时间后才能达到最佳工作状态，为了迅速达到最佳工作状态，提高生产效率和机械设备的安全性，需要提前对轴承进行跑合试验。本文涉及到的跑合机械设备针对的是向心关节轴承，当然也可设计其他类型的轴承的套件，也能实现多种类型轴承的跑合。由于关节轴承的外圈和内圈为球面接触，传统的轴承跑合设备不能达到有效跑合，所以必然需要提供2个以上的旋转自由度以保证其充分跑合。本文将采用并联球面机构实现上述运动要求。本文将介绍设备中运动系统中的结构参数、零件、电机等选择或设计，同时也会简单介绍运动系统的控制部分和施加载荷部分。关键词：关节轴承；跑合；并联球面机构；AbstractWith the wide application of joint bearing in aerospace、national defense military and other cutting-edge fields, the research about joint bearing is also becoming more and more popular. Because practical application condition of the joint bearing is more complex as well as joint bearing which produced out of the plant soon should pass the running test before application so that it can improve production efficiency and mechanical equipment safety. This paper relates to the device for running of centripetal joint bearing. The device can also finish the running of other kinds of bearings by designing and using other types of the kits. The traditional bearing running equipment cannot run in the bearings effectively because of spherical joint between the outer ring and the inner ring of joint bearing. For full running-in, it is obvious that the running-in devices need 2 or more rotational degrees of freedom. The spherical parallel mechanism will be used in the running-in device in this paper for realization of motion requirement. The design of structure parameters and choosing motor in the kinematics system of running-in device will be explained as well as control system of kinematics.Keywords: joint bearing，running-in，spherical parallel mechanism目录1.引言12.概述23.研究现状与发展模式64.主要参考文献151. 引言关节轴承是一种球面滑动轴承，其结构比滚动轴承简单，主要有一个有外球面的内圈和一个有内球面的外圈组成。关节轴承一般用于低速的摆动运动（即角运动），由于内外圈接触表面为球面形，故能在一定角度范围内作倾斜运动，若支撑轴和轴壳孔不同心度较大时，仍然正常工作。关节轴承作为通用机械零部件，其特点是结构简单、体积小、承载力大、转动灵活、易于拆装，而且还具有摩擦系数小、耐冲击、耐腐蚀、适用温度范围广，寿命长等优异特性1。根据不同的类型和结构，可以承受径向载荷、轴向载荷或径向、轴向并存的联合载荷。由于内圈的外球面上镶有复合材料，故该轴承在工作中可产生自润滑。关节轴承广泛用于工程液压油缸、锻造机床、工程机械、自动化设备、汽车减震器、水利机械等行业。随着科技进步发展，关节轴承在某些尖端领域也广泛使用，如国防军事、航天航空、机器人技术等领域。常规轴承通常使用油润滑或脂润滑在有些环境下（比如真空低温）难以达到润滑要求，而固体润滑比油脂润滑的化学稳定性好，不会因为辐射而发生变质，而且结构设计容易、温度不敏感2，故采用固体润滑轴承是比较好的选择。本文研究的向心关节轴承采用的是共溅射MoS2（二硫化钼）基固体薄膜对内外圈进行润滑。共溅射MoS2基固体薄膜指的是以MoS2为主体，添加少许的软金属或其合金、稀土等复合材料为靶材，在高真空中溅射沉积于指定基体上而形成的具有自润滑性能的薄膜。因为不同MoS2分子层之间的硫（S）原子和钼（Mo）原子之间的结合力较弱，容易在一个较小的剪切力使分子层间断裂，从而产生滑移面。可以看出MoS2的润滑性是由其特别的层状晶体结构决定的，这种特性将原来两金属表面的相对滑移直接转化成MoS2分子层间的相对滑移。但是MoS2经射频溅射后与沟道基体形成的层状结构并不均匀，通常分为致密层、过渡层和柱状层。其中致密层和过渡层称为有效润滑镀层，而柱状层往往需要我们消除，因为其结构疏松，且容易吸潮、氧化、剥落。经过溅射处理后的轴承内外圈，其表面的MoS2（二硫化钼）基固体薄膜使接触表面粗糙度升高，摩擦力矩和振动随之增大。故MoS2固体润滑轴承需要进行跑合试验。我国的关节轴承生产起步较晚，20世纪末才得到迅速发展，并已经初步形成一定出口规模。有关关节轴承的试验，国内目前已经做了一些工作。而有关轴承跑合的设备大多是用于跑合角接触轴承和球轴承的，这是因为这两类轴承使用的频率比较高、范围比较大。当前轴承跑合设备大多采用的是一自由度转动及一维施加力的方法，而这种方法对于关节轴承跑合有很大的局限性。这些问题体现在关节轴承的内外圈之间的相对运动可以是3维转动，而上述方法仅仅采用的是沿轴向方向的一维转动，若采取该方法则导致关节轴承的接触面跑合不均匀，不能有效达到预期目的。轴承跑合从机理上讲就是磨合内外圈接触表面，降低摩擦系数，从而达到减小摩擦力矩，降低相互运动产生的热，使轴承在安装后直接进入工作状态。轴向方向上的转动和施加力不能有效降低径向方向上的摩擦系数以其带来的问题，而直接在径向方向上施加一个力也同样解决不了问题。所以第一步需要解决的问题是设计出至少产生二维旋转的机构，使关节轴承在跑合的过程中不断有规律地改变内外圈的相对位置，从而尽可能地实现接触表面均匀磨合。能满足上述要求的机构有很多，初步设想采用球面并联机构。球面机构是联系平面机构与空间机构的桥梁，它是一类特殊类型的机构。当机构运动时，其机构上所有点在一个与固定点保持不变距离的球面上运动。球面机构具有结构紧凑、灵活可靠等众多优点 3 。而并联机构相对于传统的串联机构而言，具有高刚度、高精度、高承载能力、结构简单紧凑以及易于实现高速运动等一系列优点，其应用也几乎涉及了现代尖端技术的各个领域4。而球面并联机构具备两者的优点。现在设计的难点为在满足很大负载的情况下，球面并联机构是否具有足够的强度和抗弯特性。这需要接下来的有限元分析和软件仿真。2. 概述2.1 向心关节轴承向心关节轴承是一种球面滑动轴承，主要是由一个外球面内圈和一个内球面的外圈组成，如图1所示。关节轴承作为通用机械零件，其特点是结构简单、体积小、承载力大、转动灵活、易于拆装，而且还具有摩擦系数小、耐冲击、耐腐蚀、适用温度范围广，寿命长等优异特性5-7。由于向心关节轴承套圈之间是一种球面接触副，故向心关节轴承首先考虑应用与高载荷以及轴承套圈之间相对速度较低条件下，服役工况经常出现往复式的倾斜运动和旋转运动。关节轴承具有滚动轴承无可比拟的优良特性，其广泛应用于工程机械、载重汽车、水利设施、军工机械等方面。同时也用于矿山、冶金、电力、交通、航天、轻工、食品、医药、卫星地面接收设备、火箭发射架和纺织等各类机械设备中，而且也用于多用途拖船、靶吸式挖泥船、交通艇和观光游览艇等民用船舶以及喷水推进的猎潜艇、扫雷艇、巡逻艇等军用舰船上，如美国的第一艘军用深浸自控水翼艇（1968 年）和“飞马座”导弹巡逻艇（1975 年）。有资料统计，我国近年来引进的机械设备中，凡属连接操纵系统、调节装置及要求抗污染、耐高低温、在真空场合传递力或力矩的设备中，70%以上采用了关节轴承。值得一提的是美国波音公司制造的波音系列飞机和法国生产的海豚、超黄峰飞机的操纵传动系统中关节轴承的使用率几乎达到了100%。尤其航空航天、国防军事等重要部门对高质量、高可靠性关节轴承的需求更为迫切8-9。向心关节轴承主要承受径向（向心）载荷，最小动载荷（内径为4mm的向心关节轴承）可为2kN，最大（内径为300mm的向心关节轴承）可达3800kN，以上轴承为福建龙溪轴承股份有限公司生产。图1 向心关节轴承 向心关节轴承的主要运动形式有两种：（1）单向旋转运动，沿着某一个固定的轴做简单的旋转运动；（2）往复摆动运动；往复摆动运动又包括旋转摆动（图2）、倾斜摆动（图3）以及由旋转摆动和倾斜摆动叠加而成的复合摆动。图2图3按照我国的国家标准，向心关节轴承主要承受径向载荷和不大的轴向载荷，公称接触角为0。本文研究的向心关节轴承为自润滑型，且采用共溅射MoS2基固体薄膜，其突破了油膜润滑极限，能适应多种特殊工况的要求，如高速、重载荷、复合摆动难以形成润滑油膜的场合，长期处于恶劣环境、润滑油膜容易老化、室外作业加油润滑失效的场合，超高温、超低温状态下润滑效果难以发挥的场合，以及海水和药业介质难以形成润滑的场合10。2.2 球面并联机构 球面并联机构（SPM）是一种所有转动副都相交于一个固定点的并联机构，该点是球面机构的转动中心，每个杆件都绕其转动且不存在滑动副，具有机构精简、杆件数量少、操作灵活且控制简便等优点，是并联机构中的重要部分，具有广阔的发展前景。由于向心关节轴承运动的特殊性，简单的二自由度或三自由度球面并联结构即可，不需多自由度球面结构。一方面是少自由度（自由度为2或3）结构简单，精度容易保证；另一方面是少自由度机构的正反解相对容易，同时设计控制系统也会比较方便。二自由度和三自由度的球面并联机构一般用于机器人的肩关节、腕关节、腰关节和髋关节。2.2.1 二自由度球面并联结构图4为Gosselin的两自由度转动机构，该球面二自由度并联机构为空间五杆机构，所有的运动副均为转动副，各轴线交于球心O。两个主动转动副即旋转电机放置于同一平面且固定，电机轴相互垂直，相交于球心O。弧AB和弧BC分别对应90的圆心角，DF垂直于OC，动平台只能做围绕球心O的旋转运动。图4 Gosselin的两自由度转动机构2.2.2 三自由度球面并联结构三自由度球面并联机构属于少自由度并联机构的范畴，其动平台与静平台一般通过三个分支来连接，动平台可绕空间一个固定点相对于静平台做三维转动，此固定点称为三自由度球面并联机构的转动中心，通常记为点O。三自由度球面机构相对于二自由度球面机构而言，应用更为广泛，例如可以做机器人的肩关节、腕关节、电子灵敏眼、卫星天线的空间方位跟踪系统等等11-12。三自由度球面并联机构有多种结构形式，目前国内外研究较多的是3-RRR球面并联机构，对其他类型的球面机构研究则比较少。在20实际90年代，加拿大谢布鲁克大学的Gosselin教授利用3-RRR球面机构做成了电子灵敏眼13，天津大学的黄田教授等人也采用该机构研制出数控回转台14，四川大学的张济等人15对可调球面三自由度并联机构的位置进行了符合求解并建立了机构动态仿真模型，进行了运动学和动力学仿真分析。文献16只是针对非对称、非过约束的三自由度球面并联机构进行了结构综合, 文献17 则采用螺旋理论对三自由度球面并联机构进行类型综合。3. 研究现状与发展模式3.1 轴承跑合设备的研究现状与发展模式轴承跑合设备一般包括机械系统、电路控制系统和软件18。机械系统执行跑合功能。控制电路实现跑合平台的加载电动机和跑合电动机的控制以及压力传感器的数据采集。软件部分实现跑合平台与人的接口，操作者通过PC机发出加载、跑合等指令，观测加载压力和跑合圈数等。（一）机械部分跑合平台机械部分按结构，可分为立式和卧式跑合设备，可参考图5和图6。为了使轴承不受到径向力的影响，常规轴承跑合设备一般都采用立式结构。机械部分主要包括加载、跑合两部分。通常使用的加载方式有重力、气动、电动、液压、螺纹等方式。其中气动加载方式结构复杂，实现及维护成本较高；重力加载过于笨重，操作复杂。电动加载方式结构简单，操作也较为方便，故多数跑合设备采用电动加载方式。加载电动机通过加载丝杠驱动力传感器组件实现对轴承组件的加载。另外液压加载适用于大型轴承；而螺纹加载需要通过手动扭转螺母实现径向施加载荷，难以实现跑合自动化，其中原理如图7。图5 立式跑合平台机械结构图图6 卧式跑合平台机械结构图图7 螺纹径向加载工作原理图1.加载环 2.关节轴承 3.芯棒 4.传感器 5.螺母 6.螺杆（二）电路控制系统哈尔滨工业大学的朱奎等人19设计的轴承跑合系统以GT_400运动控制卡为核心，通过运动控制卡驱动直流电机，并实现不同驱动口所驱动的电动机的电子齿轮运动。两个驱动口分别控制加载电机和跑合电机。传感器数据采集卡使用的是PCI8735数据采集卡。这套设备中的步进电机采用开环控制，对于跑合电机而言，其负载转矩较小，正常情况下电机不会出现失步现象，故其采用开环控制。而对于加载电机，由于需要精准的压力值，因此采用闭环控制，如图8所示。图8 跑合平台加载电机控制图（三）软件系统为了得到良好的人机界面，编写一款控制软件可以提高工作效率和控制难度。控制软件为VC+ 6.0基于对话框所编写的程序，主要有手动跑合和自动跑合两大功能20。手动跑合适用于研究载荷、跑合圈数等与轴承跑合效果的关系。而上述研究过后，可以得到一套良好的跑合方案，将其编写成固定的跑合条件文件。自动跑合读取该文件，无需手动调节便可直接实现轴承跑合一步到位。有些跑合设备为了简化系统，并没有采用软件系统，直接采用预定的方案直接跑合。3.1.1 轴承跑合设备的研究现状机械零部件的磨损一般分为三个阶段，即跑合磨损（初期磨损或磨合磨损）、稳定磨损（正常磨损）和剧烈磨损。A.跑合磨损阶段这个阶段实际上是一种研磨过程，运转初期，磨损速度较快，经过短时间跑合后，磨损速度减缓，为正常运行的稳定磨损创造条件。B.稳定磨损阶段这一阶段磨损缓缓稳定，磨损速度基本不变。经过较长时间的稳定磨损后，进入了剧烈磨损阶段。C.剧烈磨损阶段此阶段摩擦表面之间的间隙和表面形态发生了变化，产生了表面疲劳，磨损速度急剧增长，从此机械效率下降，精度丧失，出现异常的噪音和振动，摩擦副温度迅速升高，最终导致零部件的失效。新加工的机械零部件其初始摩擦表面尽管都经过精加工，但是仍然会留有加工痕迹或几何形状误差、位置误差，存在一定的微观不平度，再加上配合件的装配误差，所以配合表面的接触是极不均匀的，实际上仅仅是少数几个尖峰相接触，真实接触面积较小。在如此微小的面积上，如果直接承受载荷，则单位接触面积承受的实际载荷较大，在局部接触点上可能会引起超过屈服点的巨大接触应力，或者引起不平度凸峰的相互嵌入，接触点会由弹性变形进而发展为塑性变形，接触的尖峰被压溃后，使接触面更加接近，在分子间的引力作用下，会使接触点发生粘着 当两接触表面作相对运动时，由于存在很大的摩擦系数，会引起大量发热，可能产生接近材料熔点的高温，导致严重的粘着磨损或表面直接擦伤，由此造成机械零部件的早期损坏。拉缸、抱轴、齿轮或蜗轮的粘着、胶合等事故就是典型的例子。有些零部件虽然不会产生烧蚀、抱轴等事故，但在高压、高速下工作，磨损十分严重。如果磨下来的金属屑不能及时清除，反而作为磨料夹杂在零部件之间，会使磨损更加剧烈，零部件的工作寿命将大大缩短。为了防止上述问题的发生，必须采取行之有效的措施，而其中控制好跑合磨损阶段则是一种非常重要的方法。所谓跑合，就是将装配好的摩擦副，使用一定的润滑材料，在空载或逐渐加载、加速的条件下进行运转，使摩擦表面的不平度凸峰被逐渐膳掉，从而增大两接触表面的实际接触面积，使摩擦表面保持最适宜的间隙和最佳的表面接触状态，降低接触面上的接触应力，摩擦表面的物理机械性能从初始状态过渡到使用状态的过程。通过跑合，原由机械加上造成的初始粗糙度的形状、大小和方向得到了改变，形成了新的、平衡的显微尖峰和凹谷，其不平度的方向是沿着滑动摩擦的方向，保证了摩擦副表面良好的接触面积，能完全贴合。同时，减小了表面相互作用产生的法向和切向应力。通过跑合，使表面增加了油膜比厚，降低了塑性指数，有利于表面向流体动力润滑方向发展，有利于接触状态向弹性接触状态过渡，提高表面的抗粘着能力，形成耐久的满滑膜。使整个工作表面产生稳定而有效的润滑。通过跑合，使工作表面的磨损速度、摩擦系数和温度均稳定在较低的水平上。通过跑合，可以及时发现装配中的问题，及时加以解决，避免大的事故发生；可以弥补因加工制造受到设备、工艺、技术水平等条件的限制出现的质量问题，从而使机械零部件或整机降低磨损速度、提高使用性能、延长了工作寿命。通常研究轴承的跑合技术时，润滑方式是必须考虑的。润滑方式对选择跑合环境、机械结构设计、电路控制系统等诸多方面有着重要影响。目前固体润滑使用较为流行，一方面，固体润滑使结构设计简化，相对于油润滑和脂润滑而言，不需要出油口和入油口等结构；另一方面，其能适用于较大温度变化，在航空航天等真空领域更具优势。目前，能从互联网查询的文献中，射频共溅射二硫化钼基（MoS2）薄膜无论是寿命试验机还是跑合设备，使用频率都很高。射频共溅射二硫化钼基（MoS2）薄膜具有良好的减摩性、耐磨性、耐潮性以及较高的承载能力，根本杂鱼多组元之间的协同效应使得润滑膜的表面和断面组织变得更加致密。而射频共溅射薄膜实际上是一种沉积过程，在薄膜与基材交界处形成的薄膜最为致密，而达到一定厚度后，薄膜的生长方式也发生变化，最后在膜的顶层存在的是柱状或针状疏松组织。及影响其润滑性能，又易吸潮、氧化和剥落。对于溅射好的轴承进行加载跑合则可以使得这一状态得到改善，并进一步改善薄膜的润滑性能。特别是针对太空中的设备（如卫星）中驱动机构，轴系的旋转状况直接影响着整个设备的生命。轴承可能存在的故障主要是润滑失效、冷焊或因多余物卡死，而这都会导致机构停转，从而直接危害到设备的能源供应。跑合作为改善轴承性能的一种手段，已成为太空设备驱动机构生产中一道必不可少的工序，这对于提高机构的整机可靠性也是极为必要和重要的。图9为北京控制工程研究所研究的轴承跑合装置简图，该装置针对太阳帆板驱动机构固体润滑轴承的跑合。该装置中，每次可同时跑合一对轴承，轴承以背靠背方式安装，预载首先直接施加在上轴承的内套圈上，两套被跑合轴承形成“O”形受力形式（途中轴承虚线为受力方向）。这种安装方式及受力形式同实际使用是一致的。跑合时轴承内套圈旋转，外套圈通过轴承座限位而静止。如果轴承座没有限位，轴承外套圈将在摩擦力矩的作用下随内套圈一同旋转。所以如图9所示，在轴承座上安装一个测量臂，配以测力传感器，则可以测量出被跑合的这对轴承的摩擦力矩，这个力矩测量装置同时起到了对轴承座的限位作用。跑合时，旋转轴是竖直的，这样避免了因重力造成的径向加载不均匀。跑合时需要确定的两个重要参数是跑和速度及跑合累计时间。图9 轴承跑合装置简图跑合速度可以按照工作转速或以加速跑合即高于工作转速的形式进行。对于太阳帆板驱动机构这种低速旋转部件来说，需要采用加速跑合，并且这种方式对固体润滑轴承室适宜有效的。加速跑合时的速度选择主要考虑如下因素：A. 固体润滑在不同速度下的润滑效果、润滑材料转移情况；B. 轴承在不同速度下的摩擦学性能、温升情况。一般而言，1r/s仍属于低俗范围。基于以上考虑，太阳帆板驱动机构跑合时就选取了这个速度。而且对于上述因素来讲，这个速度都是知识进行了运行寿命上的一个加速，而没有工作机理上的明显不同。跑合累计时间主要关系到轴承寿命（累计转数）。一般设备都是在寿命中期阶段具有最好的工作状态。跑合的目的在于使轴承提前达到良好的工作状态，而不能明显影响到轴承的使用寿命。对于太阳帆板驱动机构来说，轴承的在轨寿命需要远低于轴承的额定寿命，据此一般确定轴承的跑合时间达到工作预载下的额定寿命的20%左右即可。故一般跑合设备上有显示转数的功能，以便提高工作效率。图5为哈尔滨工业大学机器人技术与国家重点实验室研究的固体润滑轴承的变预载跑合系统。同样也是采用MoS2薄膜，文献中详细介绍了所设计的变预载轴承跑合系统，并进行了轴承的变载荷跑合试验，简要分析了结果。该跑合系统包括了机械系统、电路控制系统和软件。机械系统如图5所示，采用立式结构，实现跑合功能。其为了提高加载载荷的分辨率，在力传感器组件与加载螺母之间设有压缩弹簧，由于压缩弹簧刚度相对较低，其可以讲加载螺母的加载行程进行放大，从而提高加载载荷的分辨率。另外，直线轴承支架和跑合平台上支撑板之间装有4根拉簧，用于平衡直线轴承支架和力传感器组件的自重。在保证最大载荷的前提下，加载弹簧的刚度应该尽量小，以提高加载时的灵敏度。直线轴承和直线导轨保证了载荷方向与直线导轨轴向平行，且加载时，加载压头与轴承工装为点接触，加载螺杆的旋转运动不会引起压力传感器的侧向位移，避免侧向力导致的加载不准确。跑合部分主要包括跑合电动机和轴承组件。跑合电动机用过弹性联轴器与安装有被跑合轴承的轴相连，降低了电动机的波动对轴承的影响。待跑合的一对轴承以面对面方式安装，与载荷通过加载圆盘施加到轴承外圈上。轴承组件采用模块化设计，通过标准的平台接口对于不同型号的轴承只需要设计相应的轴承安装组件。上述设计的变预载轴承跑合系统可以满足航天用轴承的跑合要求。通过跑合，轴承固体润滑膜的润滑效果得以改善，进而提高了轴承工作的可靠性。但该轴承跑合系统无法实时采集轴承的摩擦力矩，故因而可能出现轴承过跑合或者跑合不够的情况，而经验给定的跑合圈数对于不同的轴承不可能完全适宜。3.2 球面并联机构的研究现状与发展模式球面并联机构作为一种特殊的并联机构，最初由Kong 、Gosselin、Di Gregorio和 Hess-Coelho共同提出，兼具有并联机构的所有特点，但是在某些方面又有本身的独特处。球面并联机构除了结构简单、工作空间大、不易发生干涉、运动学计算简单、控制容易等优点外，在一些场合有很重要的应用，比如在特殊场合下需要机构在球面上的运动情况等，可以广泛应用于机器人的肩、腕、腰、髋关节，另外还可以用于超精密加工，航天，测绘，仿生学等方面。近几十年来，越来越多的研究者在对球面并联机构理论、性能及应用方面开展了广泛的研究，并且在球面机构的构型、运动学、动力学分析、机构综合应用研究方面取得了一定的研究成果。但是现在关于球面并联机构的研究还仅仅集中在2R、4R、5R机构，研究相对成熟的是3-RRR球面并联机构，其它构型的研究现在还很少。运用现代数字化技术和仿真技术进行机构的设计的研究也不多见，基于可视化的设计方法研究更是屈指可数。3.2.1 球面机构构型研究机构的构型设计即型综合，是根据给定机构自由度设计的要求，在设计新机器时把一定数量的构件和运动副进行排列组合，组成多种可能的机构类型综合的研究方法。它是并联机构设计的重要环节，是机械创新设计的基础。在对球面并联机构的最初研究主要是集中于球面四杆和五杆机构的研究，C.H.Chiang等21通过对球面四杆机构结构性能的分析，在 Grashof 定理基础上，对四杆机构的曲柄存在条件进行了讨论。三自由度球面并联机构属于少自由度并联机构的范畴，它的动平台和静平台是通过三个支链来连接的，动平台绕空间一固定点相对静平台做三维的转动，这个固定点就是球面并联机构的转动中心。三自由度球面并联机构有多种结构形式，目前国内外研究较多的是3-RRR球面并联机构，对其他类型的球面并联机构的研究则比较少。Gosselin22等利用3-RRR球面并联机构研制了电子灵捷眼，曾宪菁等23研制出了3-RRR数控回转台，Mourad Karouia 24等对非对称、非过约束的三自由度球面机构进行了结构综合；杭鲁滨等25通过对一种球面并联机构的解耦性分析，基于拓扑解耦准则构造了一种更为一般情况的球面并联机构，为具有拓扑特性的并联机构的创新设计提供了理论基础。罗玉峰等26以单开链支路为单元，对三自由度球面机构进行了型综合，为三自由度球面并联机构的选择提供了理论依据。3.2.2 球面机构运动学、动力学的研究 在球面并联机构运动学研究方面，主要的研究方法有数值法和解析法，国内外在这些方面取得了很多的研究成果。张立杰等27借助球面解析几何理论，建立了球面2自由度5R并联机构的约束方程，通过解析法求得了机构的正逆运动学，通过算例得到了正逆解的装配图，验证了理论建模的正确性。杨加伦等28基于旋量理论对一种正交三自由度球面并联机构位置正、反解进行了分析，并且利用指数积公式直观地得到了机构的位置正解，然后通过反解验证了正解的正确性。 在球面并联机构的动力学研究方面，李成刚等29基于螺旋理论建立球面并联机构的动力学模型，得到球面并联机构的驱动转矩方程，并且通过对动力学模型的变换，得到动力学模型的行位空间表达模型和相关系数；张均富等30借助螺旋理论建立球面五杆机构的动力学解析模型，并且得到了机构的一、二阶影响系数和构件的尺寸参数、惯性参数对机构驱动力矩的影响；王跃灵等31通过Lagrange法建立球面3-RRR并联机构的动力学模型，并且在此基础上设计了鲁棒-自适应迭代学习控制器；刘海涛等32通过对一种五自由度TriVariant-B机械手其中一二自由度球面并联机构支链逆动力学模型的研究，提出一种可根据对机构末端执行器速度和加速度要求预估机构伺服电机转子惯量、额定转速及峰值转矩的方法，并且结合虚拟样机验证了这种方法的有效性。3.2.3 球面机构综合应用研究 近年来球面并联机构的应用研究已经成为国际上一个研究的热门领域，在这方面也取得了一定的研究成果。王德伦等33通过运动刚体的二次鞍点的近似原点定义，建立了球面四杆机构近似函数综合的自适应拟合方法，基于遗传算法对机构的运动综合问题进行了优化。孙建伟等34借助快速傅里叶级数建立球面四杆连杆机构的轨迹综合模型，通过谐波特征参数图谱解决了机构的轨迹综合问题。Yang Suixian等35通过数值插值方法对球面4R机构函数综合问题中精确点的优化选择进行了分析，并得到了优化模型的初始解，并通过分形算法得到了机构的全局最优解。Landen A. Bowen等36提出了折纸机构在球面机构上的应用。折纸机构在工程解决方案方面是一个很有前途的领域，但在很大程度上还有待开发。球面并联机构在医疗器械方面有着广泛的应用前景。Erdman等37提出将四自由度混联球面机构用在牙颌模型激光扫描仪上的应用，并提出了可调球面四杆机构在踝关节修复中的应用。徐礼钜等38将球面五杆机构应用在踝关节康复训练中。这些应用研究成果进一步证明了球面并联机构在某些精细操作场合所表现出的优良特性，为球面并联机构的广泛推广应用提供了重要理论基础和现实参考价值。184. 主要参考文献1 周境, 朱海明, 周坤. 自润滑向心关节轴承J. 轴承, 2003 (7): 11-12.2 梁波, 葛世东, 席颖佳. 宇航固体润滑轴承技术J. 轴承, 2001, 5: 8-12.3 刘艳芳, 杨随先. 球面机构研究动向J. 机械设计与研究, 2010 (1): 32-35.4 彭忠琦. 并联机构的发展及应用J. 光机电信息, 2012, 28(12): 45-50.5 温诗铸. 材料磨损研究的进展与思考 J. 摩擦学学报, 2008, 28(1): 1-5.6 温诗铸. 摩擦学原理M. 北京: 清华
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