【摘要】：在我國二、三期探月工程中,月面巡視探測(cè)器(月球車)是實(shí)現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)不可缺少的基礎(chǔ)工具和必備手段。在現(xiàn)有的輪式、腿式和履帶式三種月球車基本形式中,履帶式以其在越障能力強(qiáng)、沉降小、牽引力大等特點(diǎn)受到廣泛關(guān)注,但其驅(qū)動(dòng)輪系的機(jī)構(gòu)復(fù)雜、重量大阻礙了在月面探測(cè)上的應(yīng)用。本課題利用壓電激勵(lì)和摩擦驅(qū)動(dòng)基本原理,以結(jié)構(gòu)簡單、重量小、能耗小和抗污染能力強(qiáng)為目標(biāo),探索履帶式月面巡視探測(cè)器行駛系統(tǒng)的壓電驅(qū)動(dòng)新原理。在前期貼片式月球車研究基礎(chǔ)上,提出了一種夾心式壓電驅(qū)動(dòng)履帶行駛系統(tǒng),開展了壓電振子結(jié)構(gòu)優(yōu)化、表面質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)行為、接觸邊界條件與結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)行為的相互作用等方面的研究:1.分析了貼片式壓電振子的履帶驅(qū)動(dòng)原理,針對(duì)其功率較小的問題,提出利用夾心式結(jié)構(gòu)壓電振子驅(qū)動(dòng)履帶的原理和方法。通過梁中四組壓電陶瓷具有90度相位差的電壓激勵(lì),激發(fā)梁兩端圓環(huán)上沿圓周的行波,經(jīng)摩擦驅(qū)動(dòng)履帶運(yùn)動(dòng);2.以工作模態(tài)頻率差和干擾模態(tài)頻率差為目標(biāo),利用Isight優(yōu)化軟件的多目標(biāo)優(yōu)化工具箱調(diào)用ANSYS有限元程序進(jìn)行迭代運(yùn)算,對(duì)壓電振子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。工作模態(tài)頻率差由優(yōu)化前的605Hz縮小到8Hz,前、后干擾模態(tài)頻率差由優(yōu)化前的169Hz和400Hz分別增大到1098Hz和1323Hz;3.通過實(shí)驗(yàn)研究了原理樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性:其最佳工作頻率為35.1kHz,啟動(dòng)時(shí)間為120ms,制動(dòng)時(shí)間為25ms;瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)速度呈周期性變化;在500V_(pp)的驅(qū)動(dòng)電壓下,平均運(yùn)動(dòng)速度為72mm/s;在320V_(pp)的驅(qū)動(dòng)電壓下,牽引力為0.48N;驅(qū)動(dòng)電壓為300V_(pp)時(shí),最大負(fù)載重量為1.44kg(樣機(jī)自重0.4kg)。本文對(duì)夾心式壓電驅(qū)動(dòng)履帶行駛系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作機(jī)理的分析,通過對(duì)原理樣機(jī)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性,但在理論建模、各元件裝配工藝、設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)方面還需要做進(jìn)一步的改進(jìn)和完善,包括接觸剛度、粗糙度、預(yù)壓力與速度之間關(guān)系的科學(xué)解釋和月面環(huán)境適應(yīng)性的研究。
[Abstract]:In the second and third lunar exploration projects in China, lunar rover (lunar rover) is an indispensable basic tool and necessary means to achieve scientific goals. Among the existing three basic forms of the wheel type, leg type and crawler type, the crawler type has attracted wide attention because of its strong ability to overcome obstacles, small settlement and great traction, but the mechanism of its driving gear train is complex. The heavy weight hinders the application of lunar surface detection. Based on the basic principles of piezoelectric excitation and friction driving, the new piezoelectric driving principle of tracked lunar patrol detector is explored in this paper, aiming at simple structure, small weight, low energy consumption and strong anti-pollution ability. On the basis of the previous research on the sticker type lunar rover, a kind of sandwich piezoelectric driving crawler driving system is proposed. The piezoelectric oscillator structure optimization and the kinematics and dynamic behavior of the surface particle are carried out. The interaction between the contact boundary conditions and the dynamic behavior of the structure: 1. This paper analyzes the crawler driving principle of the sticker piezoelectric vibrator. Aiming at the problem of low power, the principle and method of using the sandwich piezoelectric vibrator to drive the crawler are put forward. Through the voltage excitation of 90 degree phase difference in four groups of piezoelectric ceramics in the beam, the traveling waves along the circumference of the two end rings of the beam are excited, and the crawler motion is driven by friction. Aiming at the working mode frequency difference and the interference mode frequency difference, the piezoelectric oscillator structure is optimized by using the multi-objective optimization toolbox of Isight optimization software and the iterative operation of ANSYS finite element program. The operating mode frequency difference is reduced from 605Hz before optimization to 8 Hz, and the frequency difference of interference mode before and after optimization increases from 169Hz and 400Hz to 1098Hz and 1323Hz respectively. The experimental results show that the optimal operating frequency is 35.1kHz, the start-up time is 120msand the braking time is 25ms; the instantaneous motion velocity varies periodically at 500V _ (pp) driving voltage, and the average motion speed is 72mm / s at 500V _ (pp) driving voltage, and at 320V_ (pp) driving voltage, the optimal operating frequency is 35.1 kHz, the braking time is 25ms, the average speed is 72mm / s at 500V _ (pp) driving voltage, and the driving voltage is 320V _ (pp). When the driving voltage is 300V _ (pp), the maximum load weight is 1.44kg (prototype deadweight 0.4kg). In this paper, the structure design and working mechanism of the sandwich piezoelectric drive crawler driving system are analyzed. The feasibility of the design scheme is verified by experiments on the prototype of the principle, but in the theoretical modeling, the assembly process of each component, Further improvements and improvements in design and experiment are needed, including the scientific interpretation of the relationship between contact stiffness, roughness, pre-pressure and velocity, and the study of the environmental adaptability of the lunar surface.
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：V476.3

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本文編號(hào)：2230754