空間機械臂關(guān)節(jié)非線性因素對指向精度的影響【2K-H行星輪系優(yōu)秀課程畢業(yè)設(shè)計帶任務(wù)書+開題報告+外文翻譯】

空間機械臂關(guān)節(jié)非線性因素對指向精度的影響【優(yōu)秀課程畢業(yè)設(shè)計帶任務(wù)書+開題報告+外文翻譯】

空間機械臂關(guān)節(jié)非線性因素對指向精度的影響【2K-H行星輪系】

空間機械臂關(guān)節(jié)非線性因素對指向精度的影響

摘  要

隨著航天事業(yè)的高速發(fā)展以及空間機械臂的廣泛應(yīng)用，致使人們對天線指向精度的要求也在逐漸提高，而空間機械臂作為天線系統(tǒng)核心部件，對于天線機構(gòu)的指向行為有著重要影響。因此，本文通過調(diào)研大量文獻與國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對機械臂關(guān)節(jié)處非線性因素的影響做了進一步研究。本文以行星輪系作為空間機械臂關(guān)節(jié)為主要研究對象，側(cè)重分析行星輪系的非線性因素對指向精度的影響。

本文選取2K-H行星輪系作為行星輪系的研究對象，在已有的行星輪系動力學(xué)建模方法的基礎(chǔ)上，引入等效彈簧阻尼模型，建立了行星輪系的平移-扭轉(zhuǎn)耦合模型，進而分析了行星輪系中非線性因素的計算。為了進一步研究天線指向行為所受的影響，根據(jù)行星輪系的動力學(xué)模型，建立了含行星輪系的天線動力學(xué)模型，明確了關(guān)節(jié)處非線性因素對天線指向精度的影響。基于不同的非線性因素對天線指向行為的影響，使用ADAMS動力學(xué)軟件對關(guān)節(jié)非線性因素進行了模擬仿真，得出了行星輪系非線性因素影響指向精度的結(jié)果。進而繪制了天線偏移量的波動曲線，直觀地反應(yīng)了天線指向精度所受影響，并提出了規(guī)律性結(jié)論。這對于提高天線精度和降低機械臂制造成本有著重要指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞　指向精度；非線性因素；行星輪系；ADAMS軟件

Effect of Space Manipulator Joint Nonlinear Factors on Pointing Accuracy

Abstract

  With the rapid development of aerospace industry and the wide application of space manipulator, the requirement of pointing accuracy to the antenna is gradually increasing, and the space manipulator has the important influence on the pointing behavior of the antenna mechanism as the core component of the antenna system. Therefore, based on the investigation of a large number of literature and the status research at home and abroad, this paper makes further research on the influence of nonlinear factors in the joints of the manipulator. In this paper, the planetary gear train is used as the space arm joint as the main research object, focusing on the analysis of the nonlinear factors of the planetary gear train on the precision of the impact.

  In this paper, the 2K-H planetary gear train is selected as the planetary gear train. Based on the existing dynamic modeling method of planetary gear train, the equivalent spring damping model is introduced to establish, the coupled model of planetary gear system is established, and then the nonlinear factors in planetary gear train are analyzed. In order to studying the influence of the antenna pointing behavior, the antenna dynamics model of the planetary gear train is established according to the dynamic model of the planetary gear train, and the influence of the nonlinear factors on the pointing accuracy of the antenna is clarified. Based on the influence of different nonlinear factors on the pointing behavior of the antenna, the non-linear factors of the joint are simulated by ADAMS, and the result of the accuracy of the nonlinear factors of the planetary gear train is obtained. And then we draws the fluctuation curve of the antenna offset, intuitively reflects the influence of the antenna pointing precision, and puts forward the regular conclusion. This has important guiding significance for improving the antenna accuracy and reducing the manufacturing cost of the manipulator.

Keywords　Pointing accuracy, nonlinear factor, planetary gear train, ADAMS

目錄

摘  要 I

Abstract II

第1章 緒論 1

1.1 課題研究的背景和意義 1

1.2 空間機械臂減速器綜述及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1

1.2.1 行星輪系減速器國外研究現(xiàn)狀 1

1.2.2 行星輪系減速器國內(nèi)研究現(xiàn)狀 2

1.3 天線指向精度的影響因素 3

1.3.1 影響行星輪系減速器的非線性因素 4

1.3.2 行星輪系減速器作為關(guān)節(jié)的影響 4

第2章 行星輪系動力學(xué)模型 6

2.1 動力學(xué)模型的確立與假設(shè) 6

2.2 齒輪側(cè)隙的計算 8

2.3 嚙合誤差的計算 9

2.4 摩擦力的計算 10

2.5 耦合誤差的計算 11

2.6 本章小節(jié) 12

第3章 含行星輪系的天線動力學(xué)模型 13

3.1 含行星輪系的天線動力學(xué)模型 13

3.1.1 星載天線結(jié)構(gòu)模型簡圖及其假設(shè) 13

3.1.2 星載天線動力學(xué)建模 14

3.2 本章小節(jié) 14

第4章 ADAMS的數(shù)值仿真與結(jié)果比較 15

4.1 單個行星輪系對天線動力學(xué)影響的研究 16

4.1.1 齒側(cè)間隙對天線動力學(xué)的影響分析 16

4.1.2 嚙合誤差對天線動力學(xué)的影響分析 17

4.1.3 摩擦因素對天線動力學(xué)的影響分析 18

4.1.4 耦合誤差對天線動力學(xué)的影響分析 19

4.1.5 本節(jié)小結(jié) 22

4.2 兩個行星輪系對天線動力學(xué)的耦合研究 22

4.2.1 側(cè)隙對天線動力學(xué)的影響分析 22

4.2.2 嚙合誤差對天線動力學(xué)的影響分析 23

4.2.3 摩擦因素對天線動力學(xué)的影響分析 27

4.2.4 耦合誤差對天線動力學(xué)影響分析 29

4.2.5 本節(jié)小結(jié) 34

結(jié)論 35

致謝 36

參考文獻 37

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三維建模及其他【不要可以刪掉】

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哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 1 - 第 1章 分析簡述 空間機械臂關(guān)節(jié)對于指向精度的性能分析是本文的研究重點，通過進一步討論和國內(nèi)外分析，從而確立空間機械臂關(guān)節(jié)具體類型。進而建立動力學(xué)模型并確立非線性因素的計算方法，最后利用 行動力學(xué)仿真求解，并繪制相應(yīng)曲線，總結(jié)提高指向精度的規(guī)律性結(jié)論，本文主要分析過程如圖 1示。 確立空間機械臂關(guān)節(jié)建立行星輪系動力學(xué)模型與空間機械臂動力學(xué)模型確立非線性因素計算方法空間機械臂關(guān)節(jié)非線性因素對指向精度的影響A D A M S 數(shù)值仿真單個空間機械臂關(guān)節(jié) 兩個空間機械臂關(guān)節(jié)齒側(cè)間隙嚙合誤差耦合誤差摩擦因素齒側(cè)間隙嚙合誤差耦合誤差摩擦因素圖 1析簡述圖 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 2 - 第 2章 值仿真 與分析結(jié)果 首先，確定行星輪系減速器和機械臂結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)如表 2據(jù)主要參數(shù)利用 立行星輪系的三維模型。 表 2星輪系主要參數(shù) 主要參數(shù) 太陽輪 行星輪 內(nèi)齒輪 齒數(shù) 21 18 66 齒輪數(shù)量 1 3 1 中心距 ( 70 模數(shù) 4 壓力角 ( 20 齒寬 ( 100 螺旋角 ( 0 仿真主要分為單個行星輪系和多個行星輪系對天線動力學(xué)的影響兩個部分，根據(jù)天線動力學(xué)模型確定機械臂主要參數(shù)如表 2以行星輪系減速器作為關(guān)節(jié)建立三維模型。 圖 2間機械臂 型 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 3 - 表 2械臂主要參數(shù) 主要參數(shù) 0l 1l 2l 衛(wèi)星 x 軸轉(zhuǎn)動慣量 ( mm/ y 軸轉(zhuǎn)動慣量 ( ? z 軸轉(zhuǎn)動慣量 ( ? 質(zhì)量 ( kg/m ) 15 3 1 5000 長度 ( mm/l ) 1500 300 100 — 將 建立的 三維模型導(dǎo)入 進行分析，根據(jù)表 2置機械臂主要參數(shù) 如圖 2施加相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)副、固定副和接觸進行仿真 處理 。仿真時，太陽輪為主動輪為其施加驅(qū)動，轉(zhuǎn)速為 8°/s，仿真時長為 5s，初始摩擦系數(shù)為 察天線相對于空間坐標系的波動情況 如圖 2示 。 圖 2設(shè)置主要參數(shù) 圖 2后處理界面 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 4 - 第 3章 單個行星輪系對天線動力學(xué)影響的研究 如表 3示，將非線性因素與仿真中可控制變量相關(guān)聯(lián)，可以將模型簡化并有效的提高了仿真的效率。 表 3線性因素與仿真主要參數(shù) 間隙值 材料因素 速度因素 摩擦系數(shù) 齒側(cè)間隙 √ 嚙合誤差 √ √ 摩擦因素 √ √ 耦合誤差 √ √ 側(cè)間隙 對天線動力學(xué)的影響分析 仿真過程： 將側(cè)隙對天線動力學(xué)的影響主要分析太陽輪與行星輪嚙合的側(cè)隙和行星輪與內(nèi)齒輪嚙合的側(cè)隙，根據(jù)第二節(jié)對側(cè)隙計算的分析，所以分為 0想情況）、 五種不同情況進行運動學(xué)仿真，并與 0理想情況 ） 進行對比分析。 a)齒側(cè)間隙為 b)齒側(cè)間隙為 c)齒側(cè)間隙為 d)齒側(cè)間隙為 3同間隙與理想狀態(tài)下的比較 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 5 - 圖像描述： 四組仿真結(jié)果如圖 3示，為考慮單個行星輪系的不同齒側(cè)間隙大小對天線動力學(xué)的影響分析天線相對于理想位置的運動偏差。從圖中可以看出，齒側(cè)間隙越大，天線相對偏移量的波動越大。而當單個行星輪系的齒側(cè)間隙大于 ， 偏移量 會出現(xiàn)大幅波動， 原因分析： 說明由于存在較大的齒側(cè)間隙， 會 導(dǎo)致行星 輪系的 輪齒嚙合出現(xiàn)了脫齒現(xiàn)象，使得齒輪嚙合精度下降，傳動效率降低。 規(guī)律應(yīng)用： 因此，在設(shè)計時，應(yīng)該盡量減小齒側(cè)間隙，以提高齒輪精度，但適當?shù)凝X側(cè)間隙可以防止齒輪卡死等狀況，所以推薦留有 齒側(cè)間隙。 合誤差對天線動力學(xué)的影響分析 仿真過程及設(shè)定： 嚙合誤差主要來自于行星輪系中的齒輪嚙合情況 。因此，仿真主要是 從齒輪的 材料 和齒輪嚙合 時的工作狀態(tài) 兩個方面綜合考慮。齒輪的制造精度主要由齒輪材料 所決定， 如表 3別選取 3 種不同材料進行仿真。 嚙合 時的工作狀態(tài)是指從 行星輪系在載荷一定的情況下，關(guān)節(jié) 部分所處的運行狀態(tài) ， 如恒速與非恒速，所以仿真時恒速 轉(zhuǎn)速為 8°/s，非恒速為 置的 數(shù)： )0 , 0 d , 5 , 3 0 E P ( ,仿真時長為 5s，摩擦系數(shù)為 側(cè)間隙為 表 3種齒輪材料主要參數(shù) 主要參數(shù) 1K 2K 3K 密度 ( 3kg/ ? ? ? 泊松比 氏模量 ( 2N/ a) 1K 材料 b) 2K 材料 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 6 - c) 3K 材料 圖 3種材料在恒速與非恒速下的對比 圖像描述： 圖 3考 行星輪系的三種材料在恒速和非恒速兩個情況下，天線的相對偏移量。 圖 3-2 b)中可以看出， 2K 在非恒速狀態(tài)下，天線的偏移量波動較大，但 1K 與3者在恒速與非恒速均波動較小。 原因分析： 說明齒輪材料對行星輪系的嚙合精度有一定影響，而泊松比的影響尤為明顯，泊松比大的齒輪材料，徑向變形量比軸向變形量要大，使得在非恒速狀態(tài)下，天線機構(gòu)仍能保持較小的相對偏移量。 擦因素對天線動力學(xué)的影響分析 仿真設(shè)定： 考慮摩擦因素對天線的影響，主要根據(jù) 型確定的摩擦系數(shù)進行分析，分為 1? 和 2? 兩種情況，其仿真數(shù)值為 為了更全面的分析其影響，考慮到天線的運動狀態(tài)對行星輪的嚙合影響較大，所以將摩擦系數(shù)和運動狀態(tài)綜合分析摩擦因素的影響，仿真時，轉(zhuǎn)速為 8°/s，仿真時長為 5s， 齒側(cè)間隙為 a)摩擦系數(shù)為 b)摩擦系數(shù)為 3速與非恒速對不同摩擦系數(shù)的影響 圖像描述： 圖 3各摩擦系數(shù)在恒速與非恒速的對比， a)圖所示非恒速的狀態(tài)下天線相對偏移量波動的峰值較大，說明在摩擦系數(shù)為 ，行星輪系的嚙合在恒速與非恒速的狀態(tài)下均受到了摩擦的影響，但影響較小哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 7 - 且兩者波動狀態(tài)相近。而 b)圖所示恒速與非恒速均出現(xiàn)較大的波動峰值，在恒速狀態(tài)下出現(xiàn)了最大波動峰值，而非恒速狀態(tài)下波動頻率明顯也增多 。 原因分析： 說明在摩擦系數(shù)為 ，速度因素對天線指向精度影響較大 ， 導(dǎo)致行星輪在啟動后更難進入穩(wěn)定狀態(tài)，對于關(guān)節(jié)的運行穩(wěn)定性影響很大。 a)恒速狀態(tài) b)非恒速狀態(tài) 圖 3同摩擦系數(shù)在恒速與非恒速下的對比 圖像描述： 圖 3-4 a)所示恒速狀態(tài)下兩個不同摩擦系數(shù)對天線偏移量的影響，當摩擦系數(shù)為 波動峰值較大，但總體來看與摩擦系數(shù)為 波動頻率相近，說明在恒速下摩擦系數(shù)的數(shù)值對天線相對偏移量影響相對較小。 b)所示非恒速狀態(tài)下，摩擦系數(shù)為 波動明顯較小，而摩擦系數(shù)為 出現(xiàn)數(shù)次較大波動峰值，說明在非恒速下摩擦系數(shù)的數(shù)值對行星輪系與天線指向精度均有較大影響。 規(guī)律應(yīng)用： 因此，首先應(yīng)當 盡量避免天線機構(gòu)的急回特性，盡量降低摩擦系數(shù)，提高嚙合精度，使天線在運行過程中處于較平穩(wěn)狀態(tài)下可以減少摩擦因素對天線指向精度的影響。 合誤差對天線動力學(xué)的影響分析 仿真過程： 耦合誤差考慮多個因素對天線動力學(xué)的影響，主要從嚙合誤差及齒輪側(cè)隙兩個方面分析，為了更好分析對比，引入新的材料 4K ，其密度為 ? ，泊松比為 析耦合誤差時，摩擦系數(shù)為 度恒定 8°/s， 仿真并觀察耦合誤差的影響結(jié)果。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 8 - a)齒側(cè)間隙為 b)齒側(cè)間隙為 c)齒側(cè)間隙為 d)齒側(cè)間隙為 3輪 材料 為 1K 時 在不同間隙 的對比 a)齒側(cè)間隙為 b)齒側(cè)間隙為 爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 9 - c)齒側(cè)間隙為 d)齒側(cè)間隙為 3輪 材料 為 2K 時 在不同間隙 的對比 a)齒側(cè)間隙為 b)齒側(cè)間隙為 c)齒側(cè)間隙為 d)齒側(cè)間隙為 3輪 材料 為 3K 時 在不同間隙 的對比 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 10 - a)齒側(cè)間隙為 b)齒側(cè)間隙為 c)齒側(cè)間隙為 d)齒側(cè)間隙為 3輪 材料 為 4K 時 在不同間隙 的對比 圖線描述： 上述四組仿真結(jié)果為四種不同齒輪材料在不同間隙下對天線系統(tǒng)偏移量的影響，首先從圖中可以看出齒側(cè)間隙越小，天線偏移量越小。而當齒側(cè)間隙大于 ，天線偏移量會出現(xiàn)較大波動，尤其當齒輪材料為 2K 與3側(cè)間其數(shù)值均大于理想狀態(tài)下的天線偏移量， 原因分析： 說明 2K 與3比較當齒 輪材料為 1K 與 4K 時，齒側(cè)間隙大于 ，其數(shù)值與理想天線偏移量相近，說明泊松比較大的齒輪材料能夠減少齒側(cè)間隙較大帶來的不利影響。 規(guī)律應(yīng)用： 因此，通過上述仿真結(jié)果和分析，若能盡量減少齒側(cè)間隙，則可以選取如 2K 、3保持行星輪系傳動的穩(wěn)定性，相反，若齒側(cè)間隙較大時，則可以選取泊 松比較大的材料如 1K 與 4K ，可以減少齒側(cè)間隙對天線系統(tǒng)的影響。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 11 - 章小結(jié) 本節(jié)對單個行星輪系的四個非線性因素進行了仿真和對比分析。 分析齒側(cè)間隙的仿真結(jié)果 ： 通過分析仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn) 齒側(cè)間隙越大，天線相對偏移量的波動越大 ，但為了避免齒輪嚙合過程中出現(xiàn)卡齒等狀況，建議齒側(cè)間隙取 提高行星輪系的傳動精度。 分析嚙合誤差的仿真結(jié)果 ： 說明速度因素造成的嚙合誤差對天線指向精度的影響很嚴重，而材料因素主要影響齒輪嚙合精度，選取類似于 1K 泊松比相對較大的齒輪材料能夠減弱嚙合誤差所帶來的影響。 分析摩擦因素的仿真結(jié)果 ： 發(fā)現(xiàn)較高摩擦系數(shù)與非恒速狀態(tài)下天線相對偏移量波動相對劇烈，說明應(yīng)當盡量降低摩擦系數(shù)，提高嚙合精度，并使天線系統(tǒng)處于較平穩(wěn)狀態(tài)。 分析 耦合誤差的 仿真結(jié)果： 通過仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)當間隙大于 ，泊松比相對較大的齒輪材料由于橫向變形量較縱向變形量要大，所以受到齒輪側(cè)隙的影響較小。而 相對齒側(cè)間隙較小的情況下，選取泊松比較小的齒輪材料，可降低天線系統(tǒng)受到的影響。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 12 - 第 4章 兩個行星輪系對天線動力學(xué)的耦合研究 隙對天線動力學(xué)的影響分析 仿真過程 ： 在一個行星輪系的基礎(chǔ)上分析兩個行星輪系對天線動力學(xué)的耦合影響，將兩個關(guān)節(jié)的行星輪系置于不同的齒輪側(cè)隙，繼續(xù)考慮上述的五種不同的側(cè)隙情況進行 仿真 分析。仿真時，恒速為 8°/s，仿真時長為 5s，摩擦系數(shù)為 a)齒側(cè)間隙為 b)齒側(cè)間隙為 c)齒側(cè)間隙為 d)齒側(cè)間隙為 4同間隙與理想狀態(tài)下的比較 圖像描述： 仿真結(jié)果如圖 4示， 與圖 3示結(jié)果基本相似 ， 其 齒側(cè)間隙越 小 ，天線相對偏移量的波動越 小，但兩 個行星輪系的齒側(cè)間隙 ， 隨著時間的增加，偏移量也逐漸趨于平穩(wěn) 。 原因分析： 說明 適當 的齒側(cè)間隙， 能夠有效的減少齒輪卡死狀況的幾率，使得 行星齒輪傳動系統(tǒng) 能夠穩(wěn)定的傳動，但較大間隙時，仍然導(dǎo)致了兩個行星輪系的輪齒嚙合精度下降，天線偏移量波動較大。 規(guī)律應(yīng)用： 因此，在設(shè)計時， 兩個行星輪系同時 應(yīng)該 同時 盡量減小齒側(cè)間隙，以提高 行星輪系傳動精度 ， 仿真結(jié)果同時也說明了兩個行星輪系齒側(cè)間隙為 可以降低天線偏移量的波動。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 13 - 合誤差對天線動力學(xué)的影響分析 仿真準備： 在將兩個行星輪系所產(chǎn)生的嚙合誤差進行耦合研究時，為更好的分析和觀察仿真結(jié)果，將兩個關(guān)節(jié)的連接情況為簡化為：)3,2,1,( ?? 其中 恒速狀態(tài)下的行星輪系 1， 恒速狀態(tài)下的行星輪系 2，而將非恒速標記為： 或 。 仿真過程： 仿真時，非恒速為 置的 數(shù)：)5 , 3 0 dt 0, 0 d,(S T E P ，恒速為 8°/s， 仿真時長為 5s，摩擦系數(shù)為 a) 21 耦合 b) 31 耦合 c) 32 耦合 圖 4于恒速狀態(tài)下不同材料的耦合情況 圖像描述： 圖 4速狀態(tài)下，不同材料對天線相對偏移量的影響。其中 31 的耦合情況下的兩者圖像吻合程度較高，此情況下的兩個行星輪系材料對天線指向精度的影響大體相同。 原因分析： a)與 c)圖像均出現(xiàn)錯位，說明波動頻率是相近的，在啟動初期 各輪系 之間有小幅的齒面沖擊，隨后進入正常嚙合狀態(tài)， 波動幅度降低。恒速狀態(tài)下，齒輪材料的變化對于天線指向精度的影響較小，此時天線偏移量均大于 0，隨著運行穩(wěn)定，天線偏移量也逐漸減小且穩(wěn)定。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 14 - a) 2'1' 耦合 b) 3'1' 耦合 c) 3'2' 耦合 圖 4于非恒速狀態(tài)下不同材料的耦合情況 圖像描述： 圖 4示非恒速狀態(tài)下各種耦合情況均出現(xiàn)了較大的波動，這是由于非恒速狀態(tài)，啟動時刻引起的碰撞與沖擊程度也較大，運動過程中加速運動導(dǎo)致碰撞增加，振動幅度加大，天線的相對偏移量均出現(xiàn)負值，但說明了在非恒速狀態(tài)下，齒輪材料對嚙合誤差影響較小。 原因說明： 通過仔細對比各組，發(fā)現(xiàn)其中 31 '' 的波動幅度相對較小，說明在非恒速狀態(tài)下，將 3K 作為末端行星輪系的材料，可以減少嚙合誤差對天線指向精度的影響。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 15 - a) 1'1 耦合 b) 1'2 耦合 c) 1'3 耦合 圖 4'K 與恒速狀態(tài)下各齒輪材料 的耦合情況 a) 2'1 耦合 b) 2'2 耦合 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 16 - c) 2'3 耦合 圖 4'K 與恒速狀態(tài)下各齒輪材料 的耦合情況 a) 3'1 耦合 b) 3'2 耦合 c) 3'3 耦合 圖 4'K 與恒速狀態(tài)下各齒輪材料 的耦合情況 圖像描述： 上述仿真結(jié)果，是將兩個行星輪系分別處于不同速度狀態(tài)下的對比分析，并分成三組將 1'K ， 2'K 和 3'K 分別與恒速狀態(tài)下各齒輪材料的耦合情況。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 17 - 原因分析： 觀察分析，啟動后由于行星輪系傳動系統(tǒng)中多間隙，摩擦因素等影響，導(dǎo)致天線相對于理想位置產(chǎn)生運動偏移量，而末端關(guān)節(jié)處于恒速狀態(tài)時由于碰撞過程中的能量損耗，運動偏差的波動逐漸減小，但由于末端關(guān)節(jié)處于非恒速狀態(tài)，導(dǎo)致天線的相對偏移量波動一直很大，并很難平穩(wěn)，對天線的指向精度造成非常不利的影響。 擦因素對天線動力學(xué)的影響分析 仿真過程： 研究兩個行星輪系的摩擦系數(shù)對天線動力學(xué)影響時，仍分為 1? 和 2? 兩種情況，其仿真數(shù)值仍為 理，其連接方式如上述所示，而為了更直觀的觀察仿真結(jié)果，將在非恒速下運行的關(guān)節(jié)標記為 1'?與 2'? ，仿真時，仿真時長為 5s，各關(guān)節(jié)齒側(cè)間隙為 a)恒速狀態(tài) b)非恒速狀態(tài) 圖 4同嚙合狀態(tài)不同摩擦系數(shù)的耦合情況 圖像描述： 圖 4示恒速狀態(tài)與非恒速狀態(tài)下兩個行星輪處于不同摩擦系數(shù)對天線指向精度的影響， a)中恒速狀態(tài)下 21 ?? ? 的波動頻率與波峰明顯高于 12 ?? ? 的波動情況，但 21 ?? ? 接近仿真結(jié)束時波動基本趨近于穩(wěn)定， 圖像分析： 說明末端的關(guān)節(jié)，其摩擦因素對整個天線的指向精度影響最大，但由于處于恒速狀態(tài)，隨著行星輪系逐漸平穩(wěn)的運行，整個天線系統(tǒng)也逐漸趨于穩(wěn)定，摩擦因素的影響也開始減弱。 b)中圖形的趨勢大體與a)相似，但 21 ?? ? 并沒有隨著時間趨于穩(wěn)定，這是由于運動狀態(tài)決定的，非恒速的狀態(tài)下對摩擦因素對天線指向精度的影響尤為嚴重，尤其是當末端關(guān)節(jié)處摩擦系數(shù)相對較大時。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 18 - a)摩擦系數(shù)為 1? b)摩擦系數(shù)為 2? 圖 4同摩擦系數(shù)不同嚙合狀態(tài)的耦合情況 圖像描述： 圖 4示 a)與 b)的對比與趨勢均說明了上述結(jié)論，近天線端的行星輪系對天線系統(tǒng)影響最大， a)圖中近天線端的行星輪系處于非恒速所以波動較大，且峰值較高 。 原因分析： 說明行星輪系的速度狀態(tài)對整個系統(tǒng)的影響相對較大。對比 a)圖與 b)圖， a)圖由于摩擦系數(shù)較小，降低了受到的影響，從 后開始較大的波動，而 b)圖在 產(chǎn)生了大幅度波動，所以在保持速度相對恒定時，應(yīng)當盡量降低摩擦系數(shù)。 a) 21 '-?? 耦合 b) 12 '-?? 耦合 圖 4同狀態(tài)不同摩擦系數(shù)下的耦合情況 圖像描述及原因分析： 圖 4不同狀態(tài)與不同摩擦系數(shù)進行耦合，分析對比其仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果中發(fā)現(xiàn)近天線端的若處于恒速狀態(tài)下，除 啟動開始行星輪與 行星 架 軸系 發(fā)生了一次較大的徑向碰撞， 產(chǎn)生的較大波動外，天線相對偏移量基本趨于平穩(wěn)。對比 21 '-?? 與 12 '-?? 的曲線，其中 12 '-?? 逐漸趨于平穩(wěn)，證明上述所說較小的摩擦系數(shù)降低了速度的變化對其行星輪系的影響。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 19 - 合誤差對天線動力學(xué)影響分析 仿真過程： 考慮兩個行星輪系的耦合誤差對天線動力學(xué)影響時， 將兩個行星輪系分別設(shè)定為四種不同齒輪齒輪，并觀察與分析天線系統(tǒng)在不同間隙下的天線偏移量 。 仿真時， 恒速為 8°/s， 仿真時長為 5s， a) 21 耦合 b) 31 耦合 c) 41 耦合 d) 32 耦合 e) 42 耦合 f) 43 耦合 圖 4側(cè)間隙為 的耦合情況 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 20 - a) 21 耦合 b) 31 耦合 c) 41 耦合 d) 32 耦合 e) 42 耦合 f) 43 耦合 圖 4側(cè)間隙為 的耦合情況 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 21 - a) 21 耦合 b) 31 耦合 c) 41 耦合 d) 32 耦合 e) 42 耦合 f) 43 耦合 圖 4側(cè)間隙為 的耦合情況 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 22 - a) 21 耦合 b) 31 耦合 c) 41 耦合 d) 32 耦合 e) 42 耦合 f) 43 耦合 圖 4側(cè)間隙為 的耦合情況 圖像描述： 上述四組為在不同齒側(cè)間隙下，不同齒輪材料耦合的情況。從圖中可以看出，較大的齒側(cè)間隙對天線偏移量的影響很大。當相同耦合情況下，側(cè)隙間隙 天線偏移量的峰值是側(cè)隙間隙 7~8倍，而且隨著進入連續(xù)接觸階段，圖像所示的波動幅度和頻率均明顯增多， 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 23 - 原因分析： 說明兩個行星輪系作為關(guān)節(jié)時，較大的齒側(cè)間隙會疊加側(cè)隙誤差，將會使得天線系統(tǒng)的指向誤差成倍的累加。 規(guī)律應(yīng)用： 因此在較多關(guān)節(jié)的天線系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)盡量減少齒側(cè)間隙，但當齒側(cè)間隙為 ，除了啟動開始行星輪與保持架發(fā)生了一次較大的徑向碰撞后，天線偏移量的波動幅度和波動頻率隨著進入連續(xù)接觸階段，開始逐漸減小，并趨近于理想狀態(tài)，所以適當?shù)凝X側(cè)間隙能夠避免齒輪嚙合過程中出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，并有利于行星輪系的穩(wěn)定的傳動。 圖像描述： 上述四組仿真中，兩個關(guān)節(jié)的行星輪系均采用不同的齒輪材料，以此來對比分析出在較大間隙或較小間隙下，齒輪材料對天線動力學(xué)的影響。 原因分析： 首先，參照圖 4圖 4的 a)、 b)與 c)，上述曲線是在較大齒側(cè)間隙情況下，但其天線相對偏移量的峰值是仍是組內(nèi)最小的，其共同點在于末端關(guān)節(jié)選取 1K 作為齒輪材料時，使得天線偏移量的波動相對更加穩(wěn)定 。 規(guī)律應(yīng)用： 說明末端關(guān)節(jié)對天線系統(tǒng)產(chǎn)生影響最大，而在較大間隙情況下選取 1K 或力學(xué)性能相近的材料作為齒輪材料可以從齒輪自身因素有效的減少間隙對天線指向精度的影響。 章小結(jié) 研究兩個行星輪系對天線動力學(xué)的耦合問題，需綜合考慮兩個行星輪系的具體情 況，以得到規(guī)律性結(jié)論。 分析齒側(cè)間隙對天線機構(gòu)的影響 ： 得到與單個行星輪系相近的結(jié)論，其 齒側(cè)間隙越 小 ，天線相對偏移量的波動越 小， 而當 兩 個行星輪系的齒側(cè)間隙 為 ， 隨著時間的增加，偏移量也逐漸趨于平穩(wěn) ，也說明適當?shù)凝X側(cè)間隙有利于行星輪系的運行。 分析嚙合誤差的影響 ： 綜合考慮速度因素與材料因素對天線機構(gòu)指向行為的影響，當行星輪系關(guān)節(jié)處于非恒速狀態(tài)下時，天線相對偏移量波動較大，但綜合材料因素，發(fā)現(xiàn)泊松比大的材料能夠減弱速度因素對天線指向精度的影響。 分析摩擦因素對天線影響 ： 仿真結(jié)果說明當非恒速的狀態(tài)下的較大摩擦系數(shù)對天線系統(tǒng)影響最大，且 導(dǎo)致行星輪在啟動后更難進入穩(wěn)定狀態(tài)，對于關(guān)節(jié)的運行穩(wěn)定性影響很大 。 分析 對耦合誤差 天線影響 ： 綜合對比發(fā)現(xiàn)誤差會隨著連續(xù)接觸運行過程中不斷疊加，因此，減小齒側(cè)間隙是必要的，而當齒側(cè)間隙較大時，選取 選取 1K 或力學(xué)性能相近的材料能夠減弱齒側(cè)間隙對天線機構(gòu)指向行為的影響。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 24 - 結(jié)論 星載 天線 機構(gòu)在軌工作時，其指向行為和指向精度將受到驅(qū)動關(guān)節(jié)、裝配精度、控制方式、空間熱效應(yīng)以及饋電部分的影響，且影響具有復(fù)雜性與隨機性，所以研究天線機構(gòu)的指向行為和提高指向精度是必要的?；诖?，本文將星載天線機構(gòu)的驅(qū)動關(guān)節(jié)作為研究對象，并將行星輪系作為驅(qū)動關(guān)節(jié)，進一步深入研究行星輪系典型因素對指向行為的影響，以提高天線機構(gòu)的指向精度為研究目的，本文主要完成如下工作： 1. 對影響天線機構(gòu)的因素進行調(diào)研，多方面考慮影響天線指向行為與如何提高天線指向精度。 2. 查閱并分析國內(nèi)外對行星輪系的研究成果，調(diào)研行星輪系作為關(guān)節(jié)的國內(nèi) 外現(xiàn)狀，并分析影響行星輪系的非線性因素，確定研究方向。 3. 選取 2星輪系作為研究對象，基于 引入了等效彈簧阻尼模型， 推導(dǎo)微分方程并 建立平移 本章提供了研究基礎(chǔ)。 4. 在行星輪系動力學(xué)模型基礎(chǔ)上，建立齒側(cè)間隙、嚙合誤差與耦合誤差的計算方法，并應(yīng)用集中參數(shù)法引入 擦模型，給出了摩擦力的計算方程。 5. 建立天線轉(zhuǎn)軸坐標，以此坐標系并考慮彎曲剛度等因素，建立振動方程組，并利用振型級數(shù)逼近方法求得機械臂動力學(xué)方程 。 6. 確定行星輪系與天線機構(gòu)的具體數(shù)值，進行動力 學(xué)仿真，主要從齒側(cè)間隙、嚙合誤差、摩擦因素與耦合誤差四個方面進行仿真分析，分別研究單個行星輪系與兩個行星輪系對天線機構(gòu)指向行為的影響，在綜合分析對比下，得出規(guī)律性結(jié)論，具有一定的實際應(yīng)用價值。