本文選題：可折展機(jī)構(gòu) + 活動(dòng)度�。� 參考：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：隨著通信技術(shù)、空間科學(xué)以及地球觀測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展,對(duì)大口徑天線(xiàn)的應(yīng)用需求變得愈加迫切。由于受運(yùn)載工具儲(chǔ)藏空間的限制,天線(xiàn)必須具備折疊展開(kāi)性能,因此大口徑展開(kāi)天線(xiàn)成為空間天線(xiàn)的最佳選擇,而網(wǎng)面展開(kāi)天線(xiàn)具有質(zhì)量輕,口徑大,精度高等優(yōu)點(diǎn),越來(lái)越受到科研工作者的重視。本文以環(huán)形桁架式展開(kāi)天線(xiàn)機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象,對(duì)機(jī)構(gòu)活動(dòng)度分析方法、折展機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、天線(xiàn)索網(wǎng)找形與精度調(diào)整、機(jī)構(gòu)展開(kāi)動(dòng)力學(xué)建模以及地面模擬實(shí)驗(yàn)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究。大尺度空間可折展機(jī)構(gòu)歸根到底是由多個(gè)簡(jiǎn)單的單閉環(huán)機(jī)構(gòu)組成,因此以單閉環(huán)機(jī)構(gòu)環(huán)路方程的分析為基礎(chǔ),提出針對(duì)多閉環(huán)機(jī)構(gòu)活動(dòng)度分析的方法。將單閉環(huán)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)等效為一個(gè)變參數(shù)運(yùn)動(dòng)鏈,然后將多環(huán)機(jī)構(gòu)化簡(jiǎn)為簡(jiǎn)單的單環(huán)機(jī)構(gòu)進(jìn)行活動(dòng)度分析。在此基礎(chǔ)上,利用D-H方法推導(dǎo)出5R Myard機(jī)構(gòu)和面對(duì)稱(chēng)Bricard機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)環(huán)路方程,并以它們?yōu)榛灸K單元進(jìn)行大尺度空間折展機(jī)構(gòu)組網(wǎng)研究,分析這些多閉環(huán)機(jī)構(gòu)保持連續(xù)運(yùn)動(dòng)的幾何協(xié)調(diào)條件,獲得多種新型空間折展機(jī)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型。為了構(gòu)建大尺度空間展開(kāi)天線(xiàn),提出一種以平面六桿機(jī)構(gòu)為基本組成模塊的大型環(huán)形展開(kāi)機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)具有很好的折展性能,可以用來(lái)作為空間展開(kāi)天線(xiàn)的支撐機(jī)構(gòu)。通過(guò)采用閉環(huán)同步繩索系統(tǒng)和雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了環(huán)形展開(kāi)機(jī)構(gòu)多模塊聯(lián)動(dòng),同時(shí)提出了兩種展開(kāi)驅(qū)動(dòng)方式:繩索驅(qū)動(dòng)方法和扭簧驅(qū)動(dòng)方法,并設(shè)計(jì)完成一種適用于空間天線(xiàn)機(jī)構(gòu)的高剛度扭簧驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)。建立了環(huán)形展開(kāi)機(jī)構(gòu)的整體運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,并進(jìn)行了速度和加速度分析,通過(guò)案例仿真驗(yàn)證了模型。天線(xiàn)索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到展開(kāi)天線(xiàn)的精度,因此本文以三向網(wǎng)格索網(wǎng)為研究對(duì)象,研究天線(xiàn)索網(wǎng)找形和精度調(diào)整問(wèn)題。提出考慮垂跨比的網(wǎng)格幾何劃分方法,確定了拋物面索網(wǎng)反射面各索段的理想長(zhǎng)度。建立了基于力密度法的索網(wǎng)雙目標(biāo)找形優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,該模型以索網(wǎng)形面精度和力均勻性為目標(biāo),獲得索網(wǎng)平衡狀態(tài)下的最優(yōu)預(yù)應(yīng)力分布,在此基礎(chǔ)之上提出考慮周邊桁架變形影響的索網(wǎng)找形優(yōu)化方法,獲得了更加精確的找形結(jié)果。針對(duì)索網(wǎng)精度調(diào)整的問(wèn)題,建立了基于節(jié)點(diǎn)調(diào)整法的索網(wǎng)精度調(diào)整優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,提出了兩種用于索網(wǎng)精度調(diào)整的求解算法:多維進(jìn)退法和最小步長(zhǎng)逼近法,實(shí)現(xiàn)了索網(wǎng)精度的快速調(diào)整。為了預(yù)測(cè)機(jī)構(gòu)展開(kāi)過(guò)程中動(dòng)力學(xué)特性的變化,必須建立空間展開(kāi)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。本文基于多體動(dòng)力學(xué)基本理論,選取機(jī)構(gòu)的展開(kāi)角度為廣義坐標(biāo)變量,利用拉格朗日動(dòng)力學(xué)分析方法建立含索網(wǎng)環(huán)形展開(kāi)天線(xiàn)系統(tǒng)的展開(kāi)過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型,該模型綜合考慮了柔性索網(wǎng)、關(guān)節(jié)阻尼、扭簧驅(qū)動(dòng)力以及控制繩索對(duì)環(huán)形機(jī)構(gòu)展開(kāi)運(yùn)動(dòng)的影響。提出了一種基于展開(kāi)速度控制的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法,推導(dǎo)出控制繩索的運(yùn)動(dòng)方程。通過(guò)天線(xiàn)機(jī)構(gòu)的正、逆動(dòng)力學(xué)仿真實(shí)驗(yàn),分析了機(jī)構(gòu)在展開(kāi)過(guò)程中系統(tǒng)能量的變化規(guī)律以及阻尼對(duì)機(jī)構(gòu)展開(kāi)的影響,獲得了繩索的力控曲線(xiàn),并提出了繩索布置的改進(jìn)方案。為了驗(yàn)證本文所提天線(xiàn)方案的可行性,設(shè)計(jì)研制一套環(huán)形桁架式展開(kāi)天線(xiàn)地面原理試驗(yàn)樣機(jī)及相關(guān)的地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。對(duì)原理樣機(jī)進(jìn)行了多次展開(kāi)收攏實(shí)驗(yàn)、精度測(cè)試實(shí)驗(yàn)、剛度實(shí)驗(yàn)以及繩索張力測(cè)試實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明機(jī)構(gòu)有良好的展收性能,非常高的重復(fù)定位精度,繩索張力實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所建動(dòng)力學(xué)模型的正確性,為電機(jī)控制參數(shù)的設(shè)計(jì)提供了參考。
[Abstract]:With the rapid development of communication technology, space science and earth observation technology, the demand for large aperture antenna has become more and more urgent. Due to the limitation of the storage space of the carrier, the antenna must have the folding expansion performance. Therefore, the antenna with large aperture is the best choice for the space sky line, and the network surface deployable antenna has the quality. With the advantages of light, large caliber and high precision, the researchers pay more and more attention. This paper takes the ring truss deployable antenna mechanism as the research object, and deeply studies the key technologies such as the analysis method of the mechanism activity, the design of the folding mechanism, the shape finding and precision adjustment of the antenna cable network, the dynamic modeling of the mechanism and the ground simulation experiment. In the final analysis, a large scale space folding mechanism is composed of a number of simple closed loop mechanisms. Therefore, based on the analysis of the loop equation of a single closed loop mechanism, a method for analyzing the activity of a multiple closed loop mechanism is proposed. The motion of a single closed loop mechanism is equivalent to a variable parameter transport chain, and then the multi loop mechanism is simplified to a simple single single. On the basis of this, the D-H method is used to derive the motion loop equation of the 5R Myard mechanism and the Bricard mechanism, and a large scale space folding mechanism is used as the basic module unit to analyze the geometric coordination conditions of the multiple closed loop mechanism to maintain continuous motion, and a variety of new type of empty space is obtained. In order to construct a large scale space deployable antenna, a large circular unfolding mechanism with a planar six bar mechanism as the basic module is proposed. The mechanism has good folding performance and can be used as a supporting mechanism for the space deployable antenna. The closed loop synchronous rope system and the double crank slider mechanism are used. At the same time, the multi module linkage of the ring expansion mechanism is realized. At the same time, two kinds of expansion drive methods, the rope driving method and the torsion spring drive method, are put forward, and a high stiffness torsion spring drive joint suitable for the space antenna mechanism is designed and completed. The overall kinematic model of the ring expansion mechanism is established, and the velocity and acceleration analysis is carried out, and the analysis of the speed and acceleration is carried out. The design of the antenna cable net structure is directly related to the accuracy of the unfolded antenna. Therefore, the three direction grid cable network is taken as the research object to study the problem of shape finding and precision adjustment of the antenna cable network. The mesh geometry division method considering the vertical span ratio is proposed, and the ideal length of each segment of the reflector surface of the parabolic surface cable net is determined. Based on the force density method, the mathematical model of the cable net double target shape finding optimization is established. The model takes the cable net shape surface precision and the force uniformity as the objective, and obtains the optimal prestress distribution under the cable net balance state. On this basis, the cable net shape finding optimization method considering the influence of the surrounding truss deformation is proposed, and the more accurate shape finding results are obtained. In order to adjust the precision of cable network, the mathematical model of cable net precision adjustment and Optimization Based on the node adjustment method is set up, and two kinds of solving algorithms are proposed, which are used to adjust the precision of cable network: multidimensional return method and minimum step length approximation method, which can realize the rapid adjustment of cable net precision. Based on the basic theory of multi-body dynamics, this paper selects the expansion angle of the mechanism as a generalized coordinate variable, and uses the Lagrange dynamic analysis method to establish the dynamic model of the expansion process of a cable network unfolded antenna system with a cable net. The influence of the damping, the torsion spring driving force and the control of the rope on the movement of the ring mechanism is introduced. A motion planning method based on the expansion velocity control is proposed, and the motion equation of the control rope is derived. The variation of the system energy is analyzed by the positive and inverse dynamics simulation experiments of the antenna mechanism. And the influence of damping on the mechanism, the force control curve of the rope is obtained, and the improvement scheme of the rope arrangement is put forward. In order to verify the feasibility of the antenna scheme proposed in this paper, a prototype prototype of the ring truss deployable antenna ground principle and the related ground experiment system are designed and developed. The test results, the precision test experiment, the stiffness experiment and the rope tension test experiment. The experimental results show that the mechanism has good performance and high repetition precision. The results of rope tension test verify the correctness of the dynamic model built in this paper, and provide reference for the design of motor control parameters.

【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TN820

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本文編號(hào)：1865909