空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)非線性因素對(duì)指向精度的影響【優(yōu)秀課程畢業(yè)設(shè)計(jì)帶任務(wù)書+開題報(bào)告+外文翻譯】
空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)非線性因素對(duì)指向精度的影響【2K-H行星輪系】
空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)非線性因素對(duì)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(jī)械臂的廣泛應(yīng)用，致使人們對(duì)天線指向精度的要求也在逐漸提高，而空間機(jī)械臂作為天線系統(tǒng)核心部件，對(duì)于天線機(jī)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(xiàn)與國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)處非線性因素的影響做了進(jìn)一步研究。本文以行星輪系作為空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)為主要研究對(duì)象，側(cè)重分析行星輪系的非線性因素對(duì)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(duì)象，在已有的行星輪系動(dòng)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(jìn)而分析了行星輪系中非線性因素的計(jì)算。為了進(jìn)一步研究天線指向行為所受的影響，根據(jù)行星輪系的動(dòng)力學(xué)模型，建立了含行星輪系的天線動(dòng)力學(xué)模型，明確了關(guān)節(jié)處非線性因素對(duì)天線指向精度的影響。基于不同的非線性因素對(duì)天線指向行為的影響，使用ADAMS動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)關(guān)節(jié)非線性因素進(jìn)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(jìn)而繪制了天線偏移量的波動(dòng)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(duì)于提高天線精度和降低機(jī)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(jī)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(dòng)力學(xué)模型 6
2.1 動(dòng)力學(xué)模型的確立與假設(shè) 6
2.2 齒輪側(cè)隙的計(jì)算 8
2.3 嚙合誤差的計(jì)算 9
2.4 摩擦力的計(jì)算 10
2.5 耦合誤差的計(jì)算 11
2.6 本章小節(jié) 12
第3章 含行星輪系的天線動(dòng)力學(xué)模型 13
3.1 含行星輪系的天線動(dòng)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(dòng)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(gè)行星輪系對(duì)天線動(dòng)力學(xué)影響的研究 16
4.1.1 齒側(cè)間隙對(duì)天線動(dòng)力學(xué)的影響分析 16
4.1.2 嚙合誤差對(duì)天線動(dòng)力學(xué)的影響分析 17
4.1.3 摩擦因素對(duì)天線動(dòng)力學(xué)的影響分析 18
4.1.4 耦合誤差對(duì)天線動(dòng)力學(xué)的影響分析 19
4.1.5 本節(jié)小結(jié) 22
4.2 兩個(gè)行星輪系對(duì)天線動(dòng)力學(xué)的耦合研究 22
4.2.1 側(cè)隙對(duì)天線動(dòng)力學(xué)的影響分析 22
4.2.2 嚙合誤差對(duì)天線動(dòng)力學(xué)的影響分析 23
4.2.3 摩擦因素對(duì)天線動(dòng)力學(xué)的影響分析 27
4.2.4 耦合誤差對(duì)天線動(dòng)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(xiàn) 37
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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 開 題 報(bào) 告 學(xué)生姓名 黃致遠(yuǎn) 學(xué) 號(hào) 1330060306 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí) 13 級(jí) 3 班 指導(dǎo)教師 劉同亮 2017 年 3 月 10 日 課題題目及來源 : 題目 :空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)非線性因素對(duì)指 向精度的影響 題目來源 :自擬 課題研究的意義和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 : 1. 1 研究目的 圖 1 空間機(jī)械臂輔助航天員完成任務(wù) 空間機(jī)械臂在人類探索太空的過程中扮演了重要角色 ， 如圖 1。作為航天員艙外工作的輔助工具，空間機(jī)械臂在替代航天員完成部分工作的同時(shí)大大提高了安全性。 1981 年，美國哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)首次在外太空使用了機(jī)械臂。到目前為止，空間機(jī)械臂已經(jīng)多次承擔(dān)了外太空的操作任務(wù)，是航天技術(shù)研究的一個(gè)熱門領(lǐng)域。 空間機(jī)械臂的機(jī)械部分主要由關(guān)節(jié)和臂桿組成。其中，關(guān)節(jié)是空間機(jī)械臂最為核心的組成部分，對(duì) 空間機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)特性有著重要的影響。隨著我國載人航天和深空探測計(jì)劃的實(shí)施，越來越多的國內(nèi)航天領(lǐng)域?qū)W者開始研究具有高位姿精度設(shè)計(jì)要求的空間機(jī)械臂。完善目前還不夠完整的空間機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)理論。 1. 2 研究意義 空間機(jī)械臂是應(yīng)用于航天器上的重要工具，其主要任務(wù)是釋放、回收衛(wèi)星以及完成在軌建設(shè)、維修作業(yè)等。然而，目前空間機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)理論還不夠完善，設(shè)計(jì)過程中空間機(jī)械臂位姿難以準(zhǔn)確預(yù)判，嚴(yán)重制約了空間機(jī)械臂的發(fā)展 [6]。 因此，從傳動(dòng)裝置出發(fā)，建立準(zhǔn)確的空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)模型，研究空間 機(jī)械臂關(guān) 節(jié)的動(dòng)力學(xué)特性具有重要意義。 內(nèi)外研究現(xiàn)狀 空間機(jī)械臂的臂桿長度較大，空間機(jī)械臂的關(guān)節(jié)在尺寸來說相對(duì)較小。在早期的研究中， 谷勇霞 等人 認(rèn)為 [7]： 實(shí)際工作條件下，臂桿柔性對(duì)機(jī)械臂末端運(yùn)動(dòng)精度的影響較為突出。如果應(yīng)用場合對(duì)機(jī)械臂的定位精度要求不太高，可以忽略關(guān)節(jié)柔性的影響，將每個(gè)關(guān)節(jié)作為一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度來處理。 還有一些研究者 在鉸鏈模型的基礎(chǔ)上，引入鉸鏈間隙，研究了間隙對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過程中動(dòng)力學(xué)性能的影響。但這些模型相對(duì)來說都過于簡單，考慮得因素較少，不能滿足機(jī)械臂高精度作業(yè)的控制要求。隨著科技的進(jìn)步，對(duì)于空 間機(jī)械臂的精確控制的要求不斷提高， 研究者們 又提出了 以下幾種 改進(jìn)模型 [8 1、通過 建立空間機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)模型 ， 并分別針對(duì)臂桿、傳動(dòng)關(guān)節(jié)剛?cè)嵝越M合形成的四類動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)特性分析。文獻(xiàn)分別分析了臂桿柔性以及諧波傳動(dòng)滯后對(duì)空間機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)特性的影響。研究表明，臂桿的柔性帶來了輸出角度曲線中的高頻部分 ， 諧波傳動(dòng)所具有的滯后現(xiàn)象使得柔性空間機(jī)械臂與剛性空間機(jī)械臂的輸出特性差異更加明顯。 2、 建立了考慮了多種非線性因素在內(nèi)的諧波齒輪傳動(dòng)關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)模型。關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)模型考慮了各種隨時(shí)間變化的 關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)非線性參數(shù)，主要包括粘滯阻尼、摩擦以及諧波齒輪的柔性變形。通過比較實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與動(dòng)力學(xué)模型的數(shù)值仿真結(jié)果，證明了所建模型的準(zhǔn)確性。但是， 當(dāng) 諧波齒輪作為一個(gè)整體進(jìn)行研究 時(shí) ，并沒有完整地體現(xiàn)出包括滯回特性在內(nèi)的諧波齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)。 3、 在對(duì)容錯(cuò)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的空間機(jī)械臂進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究時(shí)，建立 了考慮了齒輪傳動(dòng)環(huán)節(jié)柔性與阻尼的空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)模型 。但在研究行星齒輪傳動(dòng)環(huán)節(jié)時(shí)，將行星齒輪傳動(dòng)假設(shè)為理想嚙合，對(duì)行星齒輪環(huán)節(jié)的動(dòng)力學(xué)建模不夠充分，因而沒有全面體現(xiàn)出行星齒輪傳動(dòng)對(duì)空間機(jī)械臂整體動(dòng)力學(xué)性能的影響。 最終 研究結(jié)果表明，除卻空間機(jī)械臂本身的設(shè)計(jì)參數(shù)以外，不同的負(fù)載也會(huì)導(dǎo)致空間機(jī)械臂系統(tǒng)體現(xiàn)出不同的動(dòng)力學(xué)特性。 在行星齒輪傳動(dòng)環(huán)節(jié)的建模過程中，考慮了包括時(shí)變嚙合剛度、阻尼、齒側(cè)間隙、嚙合誤差在內(nèi)的非線性因素 [11][12]。同時(shí) 3]指出，采用集中參數(shù)法進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模具有便于動(dòng)態(tài)分析與求解的優(yōu)點(diǎn)。在計(jì)算間隙非線性位移時(shí)，采用基于雙曲正切函數(shù)的多項(xiàng)式來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分段函數(shù)表達(dá)式，從而保證了間隙非線性函數(shù)的連續(xù)可導(dǎo)性。 潘博 等人 [14][15]同時(shí)還證明了在放大系數(shù)大于齒側(cè)間隙的 1000 倍時(shí)，采 用雙曲正切函數(shù)多項(xiàng)式描述的間隙非線性位移與傳統(tǒng)的間隙非線性位移在數(shù)值上具有較高的一致性，并大大提高了模型的求解效率。行星齒輪傳動(dòng)關(guān)節(jié)較小輸出轉(zhuǎn)角變化經(jīng)過臂桿的放大作用會(huì)導(dǎo)致臂桿末端出現(xiàn)較大的運(yùn)動(dòng)誤差，因此在研究關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)特性時(shí)，對(duì)關(guān)節(jié)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速而不是臂桿末端的運(yùn)動(dòng)誤差波動(dòng)進(jìn)行研究。文獻(xiàn)同時(shí)還研究了輪齒的綜合嚙合誤差、負(fù)載、輸入轉(zhuǎn)速對(duì)關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)特性的影響。 課題研究的主要內(nèi)容和方法，研究過程中的主要問題和解決辦法 ： 本內(nèi)容 研究對(duì)象 ： 空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)、指向精度； 研究的問題： 1、闡述課題背景，對(duì)國內(nèi)外 相關(guān)研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)和分析； 2、根據(jù)主要技術(shù)指標(biāo)，在分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀基礎(chǔ)上制定總體設(shè)計(jì)方案，并闡明方案制定依據(jù)； 3、完成空間機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)及建模、關(guān)節(jié)處的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 4、分析空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)非線性因素確定關(guān)節(jié)非線性因素； 圖 2 行星齒輪非線性純扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模型 5、分析不同行星輪系個(gè)數(shù)對(duì)指向精度的影響； 6、總結(jié)非線性因素對(duì)指向精度的規(guī)律性結(jié)論。 要解決問題 1、空間機(jī)械臂模型的建立。 建立空間機(jī)械臂模型，確定空間機(jī)械臂的自由度、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 2、關(guān)節(jié)處齒輪組的選擇。 3、確定空 間機(jī)械臂關(guān)節(jié)非線性因素確定關(guān)節(jié)非線性因素為：齒輪側(cè)隙、嚙合誤差、摩擦因素、耦合誤差。 4、根據(jù)空間機(jī)械臂自由度，確定不同行星輪系個(gè)數(shù)。 5、更改數(shù)組非線性因素與行星輪系個(gè)數(shù)，并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。 6、針對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析比對(duì)，得出規(guī)律性的結(jié)論。 決辦法 主要基于 行模型的建立與動(dòng)力學(xué)仿真，通過改變動(dòng)力學(xué)模型中齒輪組參數(shù)， 完成對(duì)指向精度影響的分析。 圖 3 空間機(jī)械臂三維模型 圖 圖 4 空間機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)模型 根據(jù)三維模型 圖 3 和動(dòng)力學(xué)模型 圖 4 從而分析齒輪側(cè)隙、嚙合誤差、摩擦因素、耦合誤差對(duì)指向精度的影響。 在 研究齒輪側(cè)隙時(shí)，通過側(cè)隙模型，改變中心距從而 實(shí)現(xiàn)對(duì)齒輪側(cè)隙的控制 將側(cè)隙分為 0,種情況分別研究對(duì)比，從而得到影響指向精度的規(guī)律性結(jié)論。 在研究嚙合誤差時(shí)，考慮到齒輪的材料剛度，密度，泊松比，楊氏模量等材料系數(shù)對(duì)嚙合誤差的影響，將分為 四種不同材料進(jìn)行研究分析。然而簡單的考慮到材料對(duì)于嚙合誤差的影響是單一的，所以將機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)速率考慮到其中，作為其影響因素之一。并將材料及速率二者因素結(jié)合分析對(duì)比，得出規(guī)律性結(jié)論。 研究摩擦對(duì)于機(jī)械臂指向精度的影響，主要分為以下四種不同情況： 據(jù)四種不同情況，建立摩擦模型，改變動(dòng)力學(xué)模型中參數(shù)進(jìn)仿真模擬，并將單關(guān)節(jié)與多關(guān)節(jié)分別研究，得出影響指向精度的規(guī)律性結(jié)論。 在研究耦合誤差時(shí) ，將上述的側(cè)隙、摩擦模型、材料物理屬性、速率綜合分析，分別對(duì)單關(guān)節(jié)和多關(guān)節(jié)兩種不同情況分析研究，得出規(guī)律性結(jié)論。 該研究方法 其優(yōu)點(diǎn)簡化模型，優(yōu)化算法，易于實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)非線性因素 可能 不足，使得結(jié)論的準(zhǔn)確性存在一定的偏 差。 4321 ,,, [1] 徐灝 . 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) Ⅰ [S]. 北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 ， 1991. 9 [2] 鞏娟 ， 李玉 . 新型三維微動(dòng)臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)分析 [J]. 現(xiàn)代制造工程 ， 2005 (2):115 [3] 張曉峰 ， 林彬 . 大行程納米級(jí)分辨率超精密工作臺(tái)的發(fā)展方向 [J]. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào) ， 2005. 11. 第 37 卷增刊 . 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