基于柔性铰链的位移放大机构及三自由度调姿平台研究

摘要

人类对外太空探索的渴求促进了卫星技术的迅猛发展。当前，人造卫星已深入到定位导航、军事侦查、农业气象和对地观测等各个领域，为信息化社会建设作出卓越贡献。由于受到非球形引力场等诸多客观环境因素的影响，卫星在轨期间会发生周期性漂移，调姿平台作为卫星位姿调节控制系统的执行机构，其调节精度将直接影响到卫星的最终姿态。并联机构和微驱动技术作为目前工程应用领域的研究热点，两者的有机结合使精密位姿调节并联机构应用在航天领域成为可能。本文展开了对柔性位移放大机构及三自由度柔性并联平台一系列力学特性的研究，为最后研制卫星调姿平台原理样机提供理论基础与技术支撑。柔性位移放大机构作为柔性平台的核心部件，其力学性能是分析的重点。本文针对柔性位移放大机构普遍存在的结构对称性和过约束性，以机构1/2模型为研究对象，将柔性铰链视为变截面梁，从结构力学的角度，提出了基于力法思想的非正则力法方程用于建立柔性位移放大机构力学计算模型，进而得到机构位移放大比和系统刚度的理论计算公式。以柔性位移放大机构中常见的杠杆式和桥式柔性位移放大机构为算例，分别建立理论模型并与仿真结果进行对比，验证了理论模型的正确性，并分析了结构设计参数对柔性机构力学特性的影响。
　　本研究基于有限元思想，将柔性铰链视为变截面梁单元，在广义坐标系下根据作用在梁单元上力的平衡关系推导了变截面梁单元刚度矩阵，通过坐标系变换及位移公式建立了变截面梁单元在单元坐标系下的单元刚度矩阵、形函数和质量矩阵。根据柔性位移放大机构的结构特点，基于有限单元法哈密顿原理建立了含多点约束方程的系统动力学方程，对柔性机构进行了固有特性分析，得到了机构的固有频率，分析了结构设计参数对柔性机构一阶固有频率的影响，通过有限元仿真结果与理论模型计算结果的对比，验证了理论模型的正确性。在此基础上，基于柔性位移放大机构的静力学计算模型和动态力学计算模型，对柔性位移放大机构进行以机构位移放大倍数、结构系统刚度、一阶固有频率、质量和应力为目标的多目标优化设计，得到最优设计参数。设计了基于柔性位移放大机构和柔性球铰的三自由度柔性并联机构，基于旋量理论讨论了不同构型机构的自由度。利益柔性铰链伪刚体模型法对柔性并联机构进行了运动学建模，给出了其运动学逆解，并对其可达工作空间进行了仿真。此外在建立了柔性球铰末端刚度矩阵的基础上，根据结构力学的柔度矩阵叠加法，建立了柔性并联机构的静刚度解析模型，并系统的分析了结构设计参数对机构各向刚度的影响。搭建了柔性位移放大机构试验系统，在压电陶瓷驱动器处于闭环控制模式下测量了柔性位移放大机构的位移放大比和固有频率。根据机构设计方案，研制出三自由度卫星调姿平台原理样机，并搭建系统实验系统。对于系统静力学性能指标，分别测量了原理样机的运动范围和重复定位精度，对于系统动态性能指标则测量了运动分辨率和系统固有频率，并讨论了温度载荷对平台的影响。实验结果进一步表明原理样机设计和理论分析的合理性。

目录

主要符号表

第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 电推进系统及调姿平台发展综述

1.3 柔性机构的研究与应用现状

1.4 分析与启示

1.5 本文的主要研究内容

第2章 单链柔性位移放大机构力学计算模型建立

2.1 引言

2.2 过约束结构非正则力法方程组的建立

2.3 forward型桥式柔性机构力学性能分析

2.4 级联杠杆式柔性位移放大机构

2.5 本章小结

第3章 单链柔性位移放大机构固有特性分析及多目标优化设计

3.1 引言

3.2 含多点约束方程的系统动力学方程建立

3.3 基于单元力平衡的柔性铰链刚度和质量矩阵的建立

3.4 forward型柔性机构固有特性分析

3.5 柔性位移放大机构的优化设计

3.6 本章小结

第4章 基于柔性铰链的三自由度调姿平台构型设计及性能分析

4.1 引言

4.2 调姿平台构型设计

4.3 机构运动学逆解分析

4.4 完全可达工作空间分析

4.5 系统静刚度特性分析

4.6 本章小结

第5章 基于柔性铰链的位移放大机构及调姿平台实验研究

5.1 引言

5.2 桥式柔性位移放大机构力学性能测试

5.3 调姿平台原理样机及实验系统搭建

5.4 调姿平台性能测试

5.5 温度载荷对系统影响仿真研究

5.6 本章小结

结论

参考文献

附录

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