六轴微振动试验平台的研究

摘要

地面振动试验，是检测航天精密设备的性能的有效手段。随着航天精密设备的要求不断提高，需要地面振动试验更加准确的对航天振动环境进行模拟。准确对航天环境进行模拟再现的重要手段就是多轴振动试验。Stewart机构是一种空间六自由度高精度运动平台，将Stewart机构理论与振动技术结合，开展六轴振动技术的研究具有重大战略意义。
　　为此，本文提出了一种基于Stewart平台的六轴微振动试验平台。采用理论与仿真的方式对六轴微振动试验平台进行研究。其主要工作为：
　　1.对Stewart平台的动力学建模的几种方法进行了描述和对比。针对六轴微振动试验平台的设计需求，采用牛顿-欧拉方法在考虑虎克铰的安装位置、铰链摩擦力的情况下，对六轴微振动试验平台的完整动力学模型进行了推导。利用六轴微振动试验平台的动力学模型对铰链摩擦力对平台动力学特性的影响进行了分析。得出了平台运动速度越大铰链摩擦力对平台动力学特性影响越明显的结论。提出了使用柔性铰链代替传统机械铰链的结构设计方案。
　　2.针对六轴微振动试验平台需要在振动试验中始终保持良好的结构刚度的要求，提出了一种以平台最小刚度为优化目标的构型参数优化方案。对平台的最小刚度计算公式进行了推导。利用免疫遗传算法对六轴微振动试验平台的构型参数进行了优化，得到了满足最优最小刚度时平台的构型参数。
　　3.对柔性球铰的特性进行了分析，确定了柔性球铰的抗弯刚度系数、抗扭刚度系数以及屈服强度与其结构参数的关系。利用六轴微振动试验平台的动力学模型，求解出了平台在进行振动试验时球铰的最大转角和最大受力。对六轴微振动试验平台的柔性球铰进行了设计。通过有限元软件HYPERMESH进行强度分析，验证了所设计的柔性球铰满足强度设计要求。
　　4.对六轴微振动试验平台的驱动器（音圈电机）进行了理论建模。以音圈电机的输出位移为反馈设计了PID和鲁棒PID控制系统。将PID和鲁棒PID控制系统的阶跃响应进行对比，得出了鲁棒PID控制系统具有更好性能。针对六轴微振动试验平台，提出了一种基于支腿位移和速度反馈的鲁棒PID控制。通过在SIMULINK对六轴微振动试验平台的控制系统进行仿真，验证了所设计的控制系统具有良好的正弦信号跟踪能力和抗干扰能力。

目录

声明

注释表

第一章 绪论

1.1课题研究背景、目的及意义

1.2多轴振动试验平台的研究现状

1.3 Stewart平台的研究现状

1.4主要研究内容

第二章 六轴微振动试验平台的建模与分析

2.1引言

2.2刚体位姿描述

2.3六轴微振动试验平台运动学分析

2.4支腿动力学分析

2.5六轴微振动试验平台动力学分析

2.6本章小结

第三章 六轴微振动试验平台构型参数优化

3.1引言

3.2免疫遗传算法

3.3 Jacobian矩阵

3.4六轴微振动试验平台的刚度计算方法

3.5平台构型参数优化

3.6本章小结

第四章 六轴微振动试验平台柔性球铰设计

4.1引言

4.2柔性球铰的分析

4.3柔性球铰的运动范围

4.4柔性球铰的设计

4.5本章小结

第五章 六轴微振动试验平台控制系统设计

5.1引言

5.2音圈电机理论模型

5.3支腿控制器设计

5.4平台控制系统设计与仿真

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢