多自由并联跟踪结构研究

发布时间：2017-08-08 17:30

  本文关键词：多自由并联跟踪结构研究

  更多相关文章： 六自由度并联结构 望远镜跟踪架 运动学 动力学 优化设计 刚度 虚拟样机技术 联合控制

【摘要】：随着望远镜的口径不断增大以及特殊领域的应用要求,本文针对一种新型的望远镜跟踪架结构——六自由度并联结构在跟踪时出现的重要问题,以理论分析及基于虚拟样机的仿真技术为主展开了相关研究。这种结构主要用于特定小范围内或者空间跟踪观测,可使得整个跟踪系统的重量体积小、承载能力强、刚度高、响应速度快。首先介绍了传统大型望远镜跟踪架结构及相关课题背景,阐明本论文选题的目的及意义;接着从几个角度分析了新型并联跟踪架用于望远镜跟踪的可行性,并详细介绍了国内外关于该新型机构用于跟踪结构的研究现状、关键技术问题分析以及未来的发展趋势。然后确定了该新型并联跟踪平台的结构形式,对该结构的运动学和动力学模型进行理论分析,为后续结构刚度分析和控制分析打下基础,从结构原理上验证了该六自由度并联结构用于新型望远镜跟踪架的可行性。基于Adams建立了新型跟踪结构简化的三维参数化虚拟样机模型,并进行相关运动学正反解及动力学仿真,分析该新型跟踪结构的运动及动力特性规律;接着建立了优化数学模型,并基于Adams软件的优化工具对该新型跟踪结构进行了优化设计,初步确定并联跟踪平台的大致尺寸规模。然后总结了新型跟踪结构的主要尺寸参数确定原则,并将其与传统地平式跟踪架作对比凸显其优劣势所在。以并联机构运动学分析为基础,建立了该并联机构的静态刚度计算模型,并通过Matlab计算得到动平台在相同外载荷、不同位姿下,由静态刚度引起的位姿偏差,并分析静刚度及位姿偏差随位姿变化的规律。然后建立了电动缸的动、静态刚度模型,分析了动平台在快速响应跟踪运动过程中产生的时变载荷激励对电动缸动刚度的影响,进而可通过雅克比矩阵研究整个并联结构的动刚度。研究结果可作为以后的结构设计、伺服控制以及系统振动控制的重要参考。最后,基于运动学模型的铰点控制策略,利用Adams与Simulink的优点,建立了整个系统的联合仿真控制模型,得到快速、慢速目标的跟踪控制结果以及动平台旋转中心的离心误差。根据跟踪仿真的结果提出了对控制方案策略及控制算法进一步改善提高的要求及建议,并从控制角度有力地验证了该新型跟踪结构的可行性。
【关键词】：六自由度并联结构 望远镜跟踪架 运动学 动力学 优化设计 刚度 虚拟样机技术 联合控制
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（光电技术研究所）
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH743
【目录】：

• 致谢3-4
• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 引言9-18
• 1.1 选题的背景、目的及意义9-11
• 1.1.1 传统大型望远镜跟踪架结构概述9-10
• 1.1.2 选题背景、目的及意义10-11
• 1.2 新型并联跟踪架的可行性分析11-12
• 1.3 国内外研究现状及发展趋势12-16
• 1.3.1 六自由度并联结构简介12-13
• 1.3.2 核心技术问题研究现状13-15
• 1.3.3 发展趋势15-16
• 1.4 论文研究路线及内容安排16-18
• 第2章 六自由度并联机构理论分析18-22
• 2.1 平台结构形式18-19
• 2.2 运动学分析19-21
• 2.2.1 建立坐标系19
• 2.2.2 位姿描述19-20
• 2.2.3 运动学反解20-21
• 2.3 动力学模型21
• 2.4 小结21-22
• 第3章 参数化建模、仿真及优化设计22-37
• 3.1 Adams虚拟样机技术简介22-23
• 3.2 Adams参数化建模23-26
• 3.2.1 设计变量选取及取值范围23-24
• 3.2.2 结构关键点坐标参数化24
• 3.2.3 建立模型并添加运动副24-25
• 3.2.4 添加驱动25-26
• 3.3 运动仿真26-28
• 3.3.1 运动学反解仿真26-27
• 3.3.2 运动学正解仿真27
• 3.3.3 动力学仿真27-28
• 3.4 优化设计28-34
• 3.4.1 确定设计变量29
• 3.4.2 建立目标函数29-30
• 3.4.3 定义约束30-32
• 3.4.4 优化设置32
• 3.4.5 优化结果32-34
• 3.5 六自由度机构尺寸综合34-36
• 3.5.1 各尺寸参数初步确定原则35-36
• 3.5.2 新型跟踪架与传统地平式跟踪架规模对比36
• 3.6 小结36-37
• 第4章 结构刚度分析37-48
• 4.1 刚度分析的必要性37
• 4.2 雅克比矩阵37-40
• 4.3 静态刚度及位姿偏差分析40-43
• 4.3.1 刚度计算模型40-41
• 4.3.2 静态位姿偏差41-43
• 4.4 动态刚度模型分析43-46
• 4.4.1 电动缸静刚度模型43-44
• 4.4.2 电动缸动刚度模型44-46
• 4.5 小结46-48
• 第5章Adams与Simulink联合控制仿真48-62
• 5.1 联合控制仿真概述48-49
• 5.2 控制方案49
• 5.2.1 基于铰空间的控制方法49
• 5.2.2 基于系统模型的控制方法49
• 5.3 数学模型49-51
• 5.3.1 直流伺服电机49-51
• 5.3.2 丝杆传递装置51
• 5.4 确定Adams的输入和输出51-54
• 5.4.1 控制系统的输入输出流程51-52
• 5.4.2 确定ADAMS的输入和输入函数52-53
• 5.4.3 确定输出变量53
• 5.4.4 定义ADAMS/Controls模块儿的输入变量53-54
• 5.5 控制系统建模54-56
• 5.6 仿真分析56-58
• 5.7 低速运动目标的跟踪控制效果58-59
• 5.8 动平台旋转中心的离心误差分析59-60
• 5.9 小结60-62
• 第6章 全文工作总结及展望62-66
• 6.1 论文主要的研究工作62-64
• 6.2 论文主要创新点64
• 6.3 下一步工作及展望64-66
• 参考文献66-69
• 附录A69-72
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果72-73

【参考文献】

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本文编号：641198