捕獲軌跡試驗是風(fēng)洞特種試驗應(yīng)用的其中一種方式,來模擬外掛物從母機(jī)分離后的運(yùn)動軌跡,保證外掛物從母機(jī)分離后的安全。風(fēng)洞捕獲軌跡試驗系統(tǒng)的核心是六自由度機(jī)構(gòu),通過控制器的控制,實現(xiàn)機(jī)構(gòu)六個自由度的運(yùn)動,并按指定速度準(zhǔn)確高效地達(dá)到指定位姿,完成捕獲軌跡試驗。六自由度機(jī)構(gòu)的運(yùn)動精度是捕獲軌跡試驗準(zhǔn)確性、可靠性的重要保障,需要對其進(jìn)行運(yùn)動學(xué)標(biāo)定。通過標(biāo)定實驗獲得機(jī)構(gòu)各自由度的運(yùn)動數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,通過誤差補(bǔ)償使機(jī)構(gòu)末端運(yùn)動精度得到提高。本文根據(jù)六自由度機(jī)構(gòu)的串聯(lián)特點(diǎn),采用拉格朗日法標(biāo)號原則對機(jī)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析,得到非樹系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖;切斷非樹系統(tǒng)中的獨(dú)立回路得到俯仰和偏航機(jī)構(gòu)所對應(yīng)的直線變圓弧機(jī)構(gòu),進(jìn)而推導(dǎo)出弧形滑塊轉(zhuǎn)換為直線滑塊的運(yùn)動學(xué)正逆解公式,并用MATLAB進(jìn)行驗證;通過對六自由度機(jī)構(gòu)進(jìn)行坐標(biāo)系建立和各子機(jī)構(gòu)方向余弦的建立,推導(dǎo)出末端位姿的正逆解公式,并用MATLAB進(jìn)行驗證。對六自由度機(jī)構(gòu)產(chǎn)生誤差的原因進(jìn)行分類分析,并提出機(jī)構(gòu)的精度要求。誤差分析重點(diǎn)研究直線變圓弧機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的誤差,建立相應(yīng)的誤差標(biāo)定模型,進(jìn)而辨識運(yùn)動學(xué)參數(shù)。對機(jī)構(gòu)末端位姿進(jìn)行誤差分析,位置誤差分析對機(jī)構(gòu)解耦與非解耦兩種情況進(jìn)行研究,推導(dǎo)得出機(jī)構(gòu)末端位置與直線驅(qū)動之間的正逆解關(guān)系,逆解采用牛頓迭代法提高其計算效率,得到位置誤差補(bǔ)償公式;姿態(tài)角采用廣義歐拉角定義,通過一定的旋轉(zhuǎn)順序得到其姿態(tài)角,姿態(tài)角誤差是由俯仰和偏航軸線與其所對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)軸線不重合造成的,根據(jù)理論分析推導(dǎo)出俯仰角和偏航角與對應(yīng)的直線滑塊驅(qū)動之間的關(guān)系,得到姿態(tài)角的誤差補(bǔ)償公式;耦合誤差主要研究角度對直線產(chǎn)生的誤差。由于無法直接測得機(jī)構(gòu)末端位姿,因此采用位姿解算的方法計算實際末端位姿,并通過標(biāo)定實驗使標(biāo)定理論分析得以驗證。用激光跟蹤儀對機(jī)構(gòu)各自由度進(jìn)行標(biāo)定,對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與誤差曲線擬合,將誤差擬合函數(shù)帶入下位機(jī)TwinCAT程序中進(jìn)行補(bǔ)償,再次標(biāo)定并獲得補(bǔ)償后的結(jié)果,使機(jī)構(gòu)末端運(yùn)動精度得到提高,驗證了理論的準(zhǔn)確性。
【學(xué)位單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V211.74
【部分圖文】：

風(fēng)洞試驗主要是為了模擬真實的飛行環(huán)境，其優(yōu)點(diǎn)為：能有效地控制氣流的速度、壓力、溫度等條件；試驗在封閉空間內(nèi)進(jìn)行，受環(huán)境影響小，操作方便，有效保證試驗人員的安全；同一個風(fēng)洞可進(jìn)行多種試驗，利用率高。因此，風(fēng)洞試驗在其相關(guān)學(xué)科的研究中受到極大的重視和廣泛的應(yīng)用。風(fēng)洞捕獲軌跡試驗技術(shù)起源于上世紀(jì) 50 年代，發(fā)達(dá)國家的技術(shù)相對成熟。由于當(dāng)時計算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)發(fā)展水平落后，主要是開環(huán)位置控制模式，試驗技術(shù)自動化程度簡單，耗費(fèi)時間比較長；直到上世紀(jì) 70 年代，閉環(huán)形式的位置控制系統(tǒng)得到快速發(fā)展并且取得了顯著成果，不僅試驗效率得到提高，對捕獲軌跡試驗的精度也有很大的提升，同時推進(jìn)了自動化技術(shù)[7]；80 年代以后，計算機(jī)技術(shù)和自動化控制技術(shù)得到迅速發(fā)展，國外的風(fēng)洞捕獲軌跡試驗技術(shù)也逐步向速度控制模式發(fā)展，試驗系統(tǒng)產(chǎn)生軌跡的速度非�？�，試驗效率非常高[8,9,10]。圖 1.1 為美國 F/A-18E/F 風(fēng)洞捕獲軌跡裝置，圖 1.2 所示為美國某風(fēng)洞捕獲軌跡裝置，圖 1.3 為美國航天局 11 英尺跨聲速風(fēng)洞捕獲軌跡裝置，圖 1.4 為印度某風(fēng)洞捕獲軌跡裝置。

風(fēng)洞試驗主要是為了模擬真實的飛行環(huán)境，其優(yōu)點(diǎn)為：能有效地控制氣流的速度、壓力、溫度等條件；試驗在封閉空間內(nèi)進(jìn)行，受環(huán)境影響小，操作方便，有效保證試驗人員的安全；同一個風(fēng)洞可進(jìn)行多種試驗，利用率高。因此，風(fēng)洞試驗在其相關(guān)學(xué)科的研究中受到極大的重視和廣泛的應(yīng)用。風(fēng)洞捕獲軌跡試驗技術(shù)起源于上世紀(jì) 50 年代，發(fā)達(dá)國家的技術(shù)相對成熟。由于當(dāng)時計算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)發(fā)展水平落后，主要是開環(huán)位置控制模式，試驗技術(shù)自動化程度簡單，耗費(fèi)時間比較長；直到上世紀(jì) 70 年代，閉環(huán)形式的位置控制系統(tǒng)得到快速發(fā)展并且取得了顯著成果，不僅試驗效率得到提高，對捕獲軌跡試驗的精度也有很大的提升，同時推進(jìn)了自動化技術(shù)[7]；80 年代以后，計算機(jī)技術(shù)和自動化控制技術(shù)得到迅速發(fā)展，國外的風(fēng)洞捕獲軌跡試驗技術(shù)也逐步向速度控制模式發(fā)展，試驗系統(tǒng)產(chǎn)生軌跡的速度非�？�，試驗效率非常高[8,9,10]。圖 1.1 為美國 F/A-18E/F 風(fēng)洞捕獲軌跡裝置，圖 1.2 所示為美國某風(fēng)洞捕獲軌跡裝置，圖 1.3 為美國航天局 11 英尺跨聲速風(fēng)洞捕獲軌跡裝置，圖 1.4 為印度某風(fēng)洞捕獲軌跡裝置。

圖 1.3 NASA11 英尺跨聲速風(fēng)洞捕獲軌跡裝置 圖 1.4 印度某風(fēng)洞捕獲軌跡裝置Fig 1.3 The CTS device in NASAAmes 11-Ft Fig 1.4 The CTS device in a India Wind TunnelTransonic Wind Tunnel與發(fā)達(dá)國家相比，我國在捕獲軌跡試驗裝置方面的研究起步較晚，基礎(chǔ)設(shè)施比較薄弱，仍處于較為落后的狀態(tài)。上世紀(jì) 80 年代起，國內(nèi)在捕獲軌跡試驗領(lǐng)域有了突破性的進(jìn)展，例如中國空氣動力研究與發(fā)展中心（CARDC）在 1980 年完成了第一套跨超聲速捕獲軌跡試驗裝置，并在 1988 年投入使用，完成了大量型號的試驗，對我國飛行器的研制做出了重要貢獻(xiàn)[11]。中國航空工業(yè)空氣動力研究院（CARIA）對捕獲軌跡試驗系統(tǒng)展開了深入研究，經(jīng)過研究人員的不懈努力，終于在 FL-2 高速風(fēng)洞的基礎(chǔ)上成功研制出一套適用于亞跨聲速的捕獲軌跡試驗系統(tǒng)[12]，通過大量的風(fēng)洞試驗，獲得了很多寶貴數(shù)據(jù)，并對以后的研究提供了支持。該系統(tǒng)中六自由度機(jī)構(gòu)采用三個相互垂直的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)實現(xiàn) 3 個直線移動，采用四連桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)外掛物的俯仰運(yùn)動，通過雙絲杠實現(xiàn)偏航運(yùn)動，滾轉(zhuǎn)運(yùn)動則是由滾轉(zhuǎn)電機(jī)直接驅(qū)動尾支桿實現(xiàn)。國內(nèi)的捕獲軌跡
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2843076