空間機械臂關節(jié)非線性因素對指向精度的影響【優(yōu)秀課程畢業(yè)設計帶任務書+開題報告+外文翻譯】
空間機械臂關節(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，對于天線機構的指向行為有著重要影響。因此，本文通過調研大量文獻與國內外研究現(xiàn)狀的基礎上，針對機械臂關節(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節(jié)為主要研究對象，側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建模方法的基礎上，引入等效彈簧阻尼模型，建立了行星輪系的平移-扭轉耦合模型，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)行星輪系的動力學模型，建立了含行星輪系的天線動力學模型，明確了關節(jié)處非線性因素對天線指向精度的影響?；诓煌姆蔷€性因素對天線指向行為的影響，使用ADAMS動力學軟件對關節(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果。進而繪制了天線偏移量的波動曲線，直觀地反應了天線指向精度所受影響，并提出了規(guī)律性結論。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意義。
關鍵詞 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節(jié)的影響 4
第2章 行星輪系動力學模型 6
2.1 動力學模型的確立與假設 6
2.2 齒輪側隙的計算 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模型 13
3.1 含行星輪系的天線動力學模型 13
3.1.1 星載天線結構模型簡圖及其假設 13
3.1.2 星載天線動力學建模 14
3.2 本章小節(jié) 14
第4章 ADAMS的數(shù)值仿真與結果比較 15
4.1 單個行星輪系對天線動力學影響的研究 16
4.1.1 齒側間隙對天線動力學的影響分析 16
4.1.2 嚙合誤差對天線動力學的影響分析 17
4.1.3 摩擦因素對天線動力學的影響分析 18
4.1.4 耦合誤差對天線動力學的影響分析 19
4.1.5 本節(jié)小結 22
4.2 兩個行星輪系對天線動力學的耦合研究 22
4.2.1 側隙對天線動力學的影響分析 22
4.2.2 嚙合誤差對天線動力學的影響分析 23
4.2.3 摩擦因素對天線動力學的影響分析 27
4.2.4 耦合誤差對天線動力學影響分析 29
4.2.5 本節(jié)小結 34
結論 35
致謝 36
參考文獻 37
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畢業(yè)設計（論文） 開 題 報 告 學生姓名 黃致遠 學 號 1330060306 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 班 級 13 級 3 班 指導教師 劉同亮 2017 年 3 月 10 日 課題題目及來源 : 題目 :空間機械臂關節(jié)非線性因素對指 向精度的影響 題目來源 :自擬 課題研究的意義和國內外研究現(xiàn)狀 : 1. 1 研究目的 圖 1 空間機械臂輔助航天員完成任務 空間機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，空間機械臂在替代航天員完成部分工作的同時大大提高了安全性。 1981 年，美國哥倫比亞號航天飛機首次在外太空使用了機械臂。到目前為止，空間機械臂已經(jīng)多次承擔了外太空的操作任務，是航天技術研究的一個熱門領域。 空間機械臂的機械部分主要由關節(jié)和臂桿組成。其中，關節(jié)是空間機械臂最為核心的組成部分，對 空間機械臂動力學特性有著重要的影響。隨著我國載人航天和深空探測計劃的實施，越來越多的國內航天領域學者開始研究具有高位姿精度設計要求的空間機械臂。完善目前還不夠完整的空間機械臂的動力學理論。 1. 2 研究意義 空間機械臂是應用于航天器上的重要工具，其主要任務是釋放、回收衛(wèi)星以及完成在軌建設、維修作業(yè)等。然而，目前空間機械臂的動力學理論還不夠完善，設計過程中空間機械臂位姿難以準確預判，嚴重制約了空間機械臂的發(fā)展 [6]。 因此，從傳動裝置出發(fā)，建立準確的空間機械臂關節(jié)動力學模型，研究空間 機械臂關 節(jié)的動力學特性具有重要意義。 內外研究現(xiàn)狀 空間機械臂的臂桿長度較大，空間機械臂的關節(jié)在尺寸來說相對較小。在早期的研究中， 谷勇霞 等人 認為 [7]： 實際工作條件下，臂桿柔性對機械臂末端運動精度的影響較為突出。如果應用場合對機械臂的定位精度要求不太高，可以忽略關節(jié)柔性的影響，將每個關節(jié)作為一個旋轉自由度來處理。 還有一些研究者 在鉸鏈模型的基礎上，引入鉸鏈間隙，研究了間隙對機械臂運動過程中動力學性能的影響。但這些模型相對來說都過于簡單，考慮得因素較少，不能滿足機械臂高精度作業(yè)的控制要求。隨著科技的進步，對于空 間機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 改進模型 [8 1、通過 建立空間機械臂的動力學模型 ， 并分別針對臂桿、傳動關節(jié)剛柔性組合形成的四類動力學模型進行動力學特性分析。文獻分別分析了臂桿柔性以及諧波傳動滯后對空間機械臂動力學特性的影響。研究表明，臂桿的柔性帶來了輸出角度曲線中的高頻部分 ， 諧波傳動所具有的滯后現(xiàn)象使得柔性空間機械臂與剛性空間機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的諧波齒輪傳動關節(jié)動力學模型。關節(jié)動力學模型考慮了各種隨時間變化的 關節(jié)動力學非線性參數(shù)，主要包括粘滯阻尼、摩擦以及諧波齒輪的柔性變形。通過比較實驗數(shù)據(jù)與動力學模型的數(shù)值仿真結果，證明了所建模型的準確性。但是， 當 諧波齒輪作為一個整體進行研究 時 ，并沒有完整地體現(xiàn)出包括滯回特性在內的諧波齒輪傳動的特點。 3、 在對容錯關節(jié)驅動的空間機械臂進行動力學研究時，建立 了考慮了齒輪傳動環(huán)節(jié)柔性與阻尼的空間機械臂關節(jié)動力學模型 。但在研究行星齒輪傳動環(huán)節(jié)時，將行星齒輪傳動假設為理想嚙合，對行星齒輪環(huán)節(jié)的動力學建模不夠充分，因而沒有全面體現(xiàn)出行星齒輪傳動對空間機械臂整體動力學性能的影響。 最終 研究結果表明，除卻空間機械臂本身的設計參數(shù)以外，不同的負載也會導致空間機械臂系統(tǒng)體現(xiàn)出不同的動力學特性。 在行星齒輪傳動環(huán)節(jié)的建模過程中，考慮了包括時變嚙合剛度、阻尼、齒側間隙、嚙合誤差在內的非線性因素 [11][12]。同時 3]指出，采用集中參數(shù)法進行動力學建模具有便于動態(tài)分析與求解的優(yōu)點。在計算間隙非線性位移時，采用基于雙曲正切函數(shù)的多項式來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分段函數(shù)表達式，從而保證了間隙非線性函數(shù)的連續(xù)可導性。 潘博 等人 [14][15]同時還證明了在放大系數(shù)大于齒側間隙的 1000 倍時，采 用雙曲正切函數(shù)多項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。行星齒輪傳動關節(jié)較小輸出轉角變化經(jīng)過臂桿的放大作用會導致臂桿末端出現(xiàn)較大的運動誤差，因此在研究關節(jié)動力學特性時，對關節(jié)穩(wěn)態(tài)轉速而不是臂桿末端的運動誤差波動進行研究。文獻同時還研究了輪齒的綜合嚙合誤差、負載、輸入轉速對關節(jié)動力學特性的影響。 課題研究的主要內容和方法，研究過程中的主要問題和解決辦法 ： 本內容 研究對象 ： 空間機械臂關節(jié)、指向精度； 研究的問題： 1、闡述課題背景，對國內外 相關研究現(xiàn)狀進行總結和分析； 2、根據(jù)主要技術指標，在分析國內外研究現(xiàn)狀基礎上制定總體設計方案，并闡明方案制定依據(jù)； 3、完成空間機械臂運動設計及建模、關節(jié)處的具體結構設計； 4、分析空間機械臂關節(jié)非線性因素確定關節(jié)非線性因素； 圖 2 行星齒輪非線性純扭轉振動模型 5、分析不同行星輪系個數(shù)對指向精度的影響； 6、總結非線性因素對指向精度的規(guī)律性結論。 要解決問題 1、空間機械臂模型的建立。 建立空間機械臂模型，確定空間機械臂的自由度、質量、轉動慣量。 2、關節(jié)處齒輪組的選擇。 3、確定空 間機械臂關節(jié)非線性因素確定關節(jié)非線性因素為：齒輪側隙、嚙合誤差、摩擦因素、耦合誤差。 4、根據(jù)空間機械臂自由度，確定不同行星輪系個數(shù)。 5、更改數(shù)組非線性因素與行星輪系個數(shù)，并進行動力學仿真。 6、針對仿真結果進行分析比對，得出規(guī)律性的結論。 決辦法 主要基于 行模型的建立與動力學仿真，通過改變動力學模型中齒輪組參數(shù)， 完成對指向精度影響的分析。 圖 3 空間機械臂三維模型 圖 圖 4 空間機械臂動力學模型 根據(jù)三維模型 圖 3 和動力學模型 圖 4 從而分析齒輪側隙、嚙合誤差、摩擦因素、耦合誤差對指向精度的影響。 在 研究齒輪側隙時，通過側隙模型，改變中心距從而 實現(xiàn)對齒輪側隙的控制 將側隙分為 0,種情況分別研究對比，從而得到影響指向精度的規(guī)律性結論。 在研究嚙合誤差時，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)對嚙合誤差的影響，將分為 四種不同材料進行研究分析。然而簡單的考慮到材料對于嚙合誤差的影響是單一的，所以將機械臂的轉動速率考慮到其中，作為其影響因素之一。并將材料及速率二者因素結合分析對比，得出規(guī)律性結論。 研究摩擦對于機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，改變動力學模型中參數(shù)進仿真模擬，并將單關節(jié)與多關節(jié)分別研究，得出影響指向精度的規(guī)律性結論。 在研究耦合誤差時 ，將上述的側隙、摩擦模型、材料物理屬性、速率綜合分析，分別對單關節(jié)和多關節(jié)兩種不同情況分析研究，得出規(guī)律性結論。 該研究方法 其優(yōu)點簡化模型，優(yōu)化算法，易于實現(xiàn)；缺點非線性因素 可能 不足，使得結論的準確性存在一定的偏 差。 4321 ,,, [1] 徐灝 . 機械設計手冊 Ⅰ [S]. 北京 :機械工業(yè)出版社 ， 1991. 9 [2] 鞏娟 ， 李玉 . 新型三維微動臺的設計與實驗分析 [J]. 現(xiàn)代制造工程 ， 2005 (2):115 [3] 張曉峰 ， 林彬 . 大行程納米級分辨率超精密工作臺的發(fā)展方向 [J]. 南京航空航天大學學報 ， 2005. 11. 第 37 卷增刊 . [4] 王三民 ， 諸文俊 . 機械原理與設計 [M]. 機械工業(yè)出版社 ， [5] 雷 勇 ， 陳本永 ， 楊元兆 ， 張麗瓊 ， 王俊茹 ， 馮 平 . 納米級微動工作臺的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 [J]. 浙江理工大學學報 ， 3 卷 ， 第 1 期 . [6] 張曉峰 . 大行程超精密工作臺關鍵技術研究 [M]． 天津大學 ， 2008. 6:2[7] 谷勇霞 ， 趙杰亮 ， 閻紹澤 . 考慮諧波傳動滯后的柔性空問機械 臂運動精度 [J]. 機械工程學報 ， 2013(23):74 [8] 何柏巖 ， 高峰 ， 土樹新 . S 計及鉸鏈問隙的機械臂動力學建模與仿真 [J]. 天津大學學報 ， 2005(9) :7959] , , 2007. [10] , , , et of C of , 1991, 57(539): 2363 [11] , , , et A of 991 1991: 2504 [12] , . of a s [J]. 1999, 48(1): 289 [13] , . -Y by ]. 1996, 45(1): 359 [14] L, . a of ]. 2000, 24(4) : 285 [12] , , J. OF of a J]. 2005, 29 :237 [13] C. R. J. of a 710, 1997, 30: 167 [14] 潘博，孫京，于登云 . 大型空問機械臂容錯關節(jié)設計與控制 [J]. 機械傳動，2010(9): 1 [15] 潘博，于登云，孫京 . 大型空問機械臂關節(jié)動力學建模與分析研究 [J]. 宇航學報， 2011(11):2448 指導教師審查意見 : 指導教師簽字 : 20 年 月 日 指導委員會意見審核意見 : 組長簽字 : 20 年 月 日