文摘
关节间隙的机制是不可避免的由于组合,制造错误,和穿。双轴驱动和定位机制是一种空间卫星天线驱动机制实现精确的指导和定位。然而,在卫星天线系统的动力学分析和控制,它通常假定卫星天线系统的转动关节是完美的没有许可或不完美的平面径向间隙。然而,在一个不完美的轴向间隙转动关节总是忽略。在这部作品中,转动关节被认为是一个3 d空间间隙接头与径向和轴向间隙。方法建模的三维转动关节间隙及其在卫星天线系统中的应用。卫星天线系统的动力学建模和分析研究了考虑三维转动关节间隙。首先,数学模型,建立了三维转动关节间隙接头,以及径向和轴向间隙的定义。然后,潜在的接触模式,接触条件,和接触检测的三维转动间隙接头进行了分析。此外,正常和切向接触力模型建立了描述接触现象,确定三维转动关节间隙关节接触力。 Finally, a satellite antenna system considering the 3D revolute clearance joint with spatial motion is presented as the application example. Different case studies are presented to discuss the effects of the 3D revolute clearance joint. The results indicate that the 3D revolute clearance joint will lead to more severe effects on the dynamic characteristics of the satellite antenna system. Therefore, the effects of axial clearance on the satellite antenna system cannot be ignored in dynamics analysis and design of the satellite antenna system.
1。介绍
这种双轴驱动和定位机制的执行机构是一种卫星天线满足精确指出的要求。一般来说,卫星天线系统的动力学分析和控制,它通常假定卫星天线系统的转动关节是完美的没有许可或不完美的平面径向间隙。的轴向间隙转动关节总是忽略(1- - - - - -5]。然而,间隙总是存在于一个真正的联合由于由于组合,制造错误,和穿。许可将导致关节接触和影响,引起振动和影响真正的机械系统的动态性能(6- - - - - -13]。间隙对动态响应的影响机制已经被许多研究者研究[14- - - - - -22]。
弗洛雷斯(23]给出了平面连杆机构的动力学分析与审查考虑到不同的参数,如间隙大小和掘进速度。赵和白24]研究了空间机器人机械手的动态特性与一个平面转动关节间隙。非线性等效弹簧阻尼模型建立正常的接触模型的关节间隙。摩擦效应被认为是使用库仑摩擦模型。Erkaya和Uzmay25,26)提出了一个研究减少偏差引起的间隙关节平面连杆机制的神经network-genetic算法程序。Muvengei et al。27]研究了曲柄滑块机构的动力学和运动模式有两个平面转动副间隙。白,太阳28]研究了平面机构的动态响应系统包括三个平面转动关节间隙。不同的接触模式造成的multiclearance关节进行调查。王等人。29日)提出了一个nonpenetration摩擦接触分析建模的方法平面刚性多体系统的转动副间隙。张、张(30.)提出了一个方法来减少冗余驱动的转动关节间隙的影响机制。平面三自由度冗余驱动4存款准备金率机制8间隙关节应用作为一个例子。Salahshoor et al。31日]研究了接头刚度的影响在一个典型的曲柄滑块机构的振动行为与灵活的组件和关节间隙。王等人。32]研究了平面多体系统的动力学响应与干转动间隙联合考虑径向间隙通过数值和实验方法。谭et al。33]研究了摩擦的动态行为的影响平面crank-slider机制考虑转动关节使用LuGre摩擦模型和径向间隙。陈等人。34]分析了多个间隙的影响,不同的摩擦模型的动态行为平面multi-DOF机制。2自由度nine-bar平面机制作为应用实例。李等人。35]研究了平面应用刚柔耦合的动态行为的太阳能电池阵列系统考虑关节间隙数值。一个典型的太阳能阵列模型用作应用程序的例子。王先生和王36]研究4-SPS / PS并联机构的动力学模型和一个灵活的驱动杆间隙球形关节。π和张37)提出了一个研究经典平面曲柄滑块机构的动力学分析与多个转动关节间隙。一般的多个patch-based转动间隙接头模型提出了。Amiri et al。38)提出了一种控制方案控制平面的间隙和维护一个更稳定的行为机制。的方法是基于使用调谐质量阻尼器减少间隙的影响机制的被动控制的目的。詹et al。39)提出了一个统一的通用平面并联机构运动可靠性分析方法和区间的转动和移动关节间隙变量。两种典型类型的项目组合管理系统,存款准备金率3 PPM和3 prr PPM,作为例子进行分析。郭et al。40]提出了一种动力学模型探讨位置二次运动考虑所有相关的关节间隙。陈等人。41)提出了一个通用方法的建模和评估平面多体系统的动态特性,考虑到转动间隙关节和执行相关的实验验证。Erkaya [42]研究平面间隙的影响,在六自由度机器人系统的运动精度。不同的场景间隙值和工作时间进行履行所需的运动任务的机器人。
除此之外,许多研究也一直关注的话题间隙机制考虑参数不确定性(43- - - - - -47),关节磨损(48,49,优化设计50)、关节润滑(51,52),灵活的身体53,54),非线性分析(55)、关节摩擦(56,57),和其他主题58- - - - - -60]。所有的研究表明,间隙导致显著影响机制系统的动态响应。进一步,基于机制的研究平面转动关节间隙关节,最近,研究人员专注于三维转动关节间隙(61年- - - - - -65年]。弗洛雷斯et al。61年)提出了一个技术评估的影响径向间隙的空间转动关节多体系统的运动学和动力学。四种不同的可能的运动场景的相对于轴承被认为杂志上。然而,在没有考虑轴向间隙转动关节。Brutti et al。62年)公布了一份研究报告的机制与一个3 d转动关节考虑4接触配置。最近,燕et al。63年),品牌等。64年),以撒et al。65年]给出了研究机制的三维转动关节间隙。这些研究表明,将会有更多的接触模式的三维转动关节间隙。
事实上,由于制造和装配误差,轴向间隙总是存在于转动关节,这就不那么认为。大多数以前的研究集中在与平面径向间隙的动态响应机制,而轴向间隙将导致沿轴向方向相对运动之间的杂志和三维转动的轴承间隙关节。相应地,这将导致一个更复杂的接触现象时,径向和轴向间隙。同样,一个高度精确的空间机制与空间运动,轴向间隙的影响在一个转动关节是不容忽视的。
的动力学模型和仿真机制只考虑径向间隙被广泛的文学。因此,这项工作的目的是研究空间的动态特性机理系统考虑径向和轴向间隙的三维转动关节间隙。方法建模的三维转动关节间隙及其在卫星天线系统中的应用。本文的贡献可以概括如下:(1)转动关节认为本文是空间联合径向和轴向间隙。三维转动关节间隙的数学模型联合建立,和不同的接触情况介绍和讨论。(2)三维转动间隙接头模型提出了应用于高精度工作机制与空间航天器的运动。3 d的效果上间隙接头卫星天线研究的动态性能。提出了不同的案例研究,讨论了轴向间隙的影响。(3)这项工作发展的模型转动间隙关节,和三维转动关节间隙更符合实际情况的实际转动关节。因此,间隙转动关节的三维方法提出了改进的模型转动间隙关节,导致一个更准确的结果。
为此,提出了不同的案例研究,讨论三维转动关节间隙的影响。首先,3 d转动关节间隙的数学模型建立联合考虑径向和轴向间隙。径向和轴向间隙的定义。潜在的接触情况,接触条件,接触检测的三维转动间隙接头进行了分析。可能接触场景可以揭示不同的接触现象的三维转动关节间隙。之间的最小距离日报》和《轴承在轴向和径向方向得到确定接触条件和检测。此外,正常和切向接触力模型建立了描述接触现象,确定间隙转动关节的接触力。最后,提出了一种卫星天线系统与空间运动的示范应用实例。卫星天线系统的动态特性研究了考虑径向和轴向间隙的三维转动关节间隙。
2。模型转动关节的径向和轴向间隙
2.1。理想的三维转动关节没有许可的定义
3 d没有间隙的身体转动关节和如图1。上任意一点的轴转动关节的坐标恒定在这两个地方坐标系统。是一个关节轴上的任意点。另外两个点,在身体和在身体 ,也被选为关节轴上任意点。很明显,向量和必须保持平行。因此,有五个约束方程没有间隙的三维转动关节: 在哪里和的变换矩阵定义的方向的身体和 ,分别。是斜对称的矩阵与向量 。
因此,转动关节没有许可是由一套完整描述代数约束。只有一个相对自由度(自由度)3 d理想连接的两具尸体之间没有间隙转动关节。
2.2。定义三维转动关节间隙
图2显示了一个3 d的配置与径向和轴向间隙转动关节。比较理想的三维转动关节没有许可,尽管一个转动关节间隙不限制任何自由度,它限制了《华尔街日报》将在轴承内。当径向和轴向间隙都提出了一个3 d转动关节,间隙联合控制的动态接触力应用于《华尔街日报》和轴承。因此,在这项工作中,机械机构连接的三维转动间隙联合模拟为刚体接触。因此,contact-impact部队控制的动态间隙关节。因此,转动间隙约束的联合建模为接触力约束。
(一)
(b)
3 d的组件转动间隙接头是理想化的两个气缸,在《华尔街日报》被认为是一个圆柱体端法兰。根据几何描述,如图1(一)、轴向间隙和径向间隙《华尔街日报》和轴承之间定义如下: 在哪里和是《华尔街日报》的长度和半径。和轴承的长度和半径,分别。
在图2 (b),两个地方坐标系统和分别连接到日报》和轴承。轴和轴杂志沿中央轴,轴承,分别。《华尔街日报》的几何中心,是圆端面的中心的轴承。此外,全球坐标系统是固定在地上。最初,三坐标系统保持相同的方向。因此,《华尔街日报》和轴承之间的相对运动是相当于两个本地坐标系之间的相对运动和 ,分别固定在杂志和轴承。
2.3。联系在3 d场景转动关节间隙
考虑到轴向和径向间隙中存在这样一个3 d转动关节,联系人日报》和轴承的轴向和径向方向是独立的。因此,它可能接触轴向方向,径向方向或两个方向。而言仅仅是径向间隙的条件下,四个潜在接触场景可以识别在径向方向上,也就是说,没有接触,接触一点、两点接触,和线接触。同样的,当考虑到轴向间隙分别,也有四个潜在的接触场景在轴向方向上,也就是说,没有接触,接触一点、两点接触,和表面接触。此外,13个潜在接触场景,如图3可以发现,当轴向和径向间隙被认为是在一个三维转动关节间隙。应该注意的是,联合的行为是这些13场景的功能取决于几何和动力学系统的配置。因此,这些潜在的情况下可以被消除,而不是进一步发生。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(我)
(j)
(k)
(左)
(m)
2.4。接触条件
杂志上的潜在的接触点和轴承是如图4和5,简化了计算最小径向和轴向距离,分别为(63年]。
从图4,它可以观察到,潜在的接触点在径向方向上必须的两个圆轴承端面。《华尔街日报》的最终面临的中心问题和点 ,分别。结束的中心面临的轴承和点 ,分别。向量的取向来连接当地坐标系统的起源和 。 表示的投影在《华尔街日报》的横截面。点的坐标 , , , ,和在全球坐标系统被定义为 , , , ,和 。进一步,通过的中心部分 ,一个向量垂直于向量是由。然后,切平面杂志的侧面是后天获得的,这是平行向量 。切平面 ,侧面》杂志和截面相交于一点,交点被定义为点 。切平面的端面圆轴承是平行向量和切点的定义是 。因此,切平面切平面平行 。此外,它可以发现这一点是潜在的接触点。很明显,径向的日报和轴承之间的最小距离左边=飞机之间的距离和(63年,66年]。
因此,计算最小距离的径向方向可以表示如下: 在哪里代表期刊之间的最小距离和径向轴承。线之间的角度吗和 ,如图4。
特别是,如果日报和轴承的轴相互平行,角变成了零。然后,(3)可以表示为
此外,《华尔街日报》的接触条件和轴承在径向方向上可以表示为
同样,杂志上的潜在的接触点和轴承沿轴向方向如图5,这是用来计算的最小轴向《华尔街日报》和轴承之间的距离。可以看出,轴端法兰之间的接触发生的端面轴承杂志上。应该注意的是,实际的壁厚应考虑轴承。
为了计算最小径向距离,飞机的左端面圆相切的轴承外表面点吗 ,这是潜在的接触点计算最小的轴向距离。此外,它可以发现点之间的距离和最终的法兰是沿轴向方向,最小距离可表示为(63年] 在哪里代表期刊之间的最小距离和轴承轴向方向。的标准向量 。 的投影《轴上,如图5。
因此,接触条件可以表示为轴向方向
2.5。接触检测
接触检测是在接触分析中最重要的一个方面。自从contact-impact现象在径向和轴向方向是独立的三维转动间隙关节,一个单独的条件是用来处理每个方向的接触检测。基于最小径向和轴向距离,日报和轴承之间的接触检测可以据的积极和消极价值判断距离。理论上,径向或轴向距离等于零的瞬时切换的时刻,但不能准确数值模拟中发现。因此,在数值模拟中,最小距离的符号可以揭示接触状态的变化。当最小距离变化的迹象来 ,必须发生联系,联系人可以检测到
当至少一个方程满意,期间会发生联系来 。应该注意的是,接触可能同时发生在径向和轴向的方向。
因此,接触时检测到至少一个方程(9)和(10验证)。另一种方法来确定接触的存在为多个时间步大小集成商使用集成算法的特征选择。提出了步长保持集成公差达到较小的值错误。因此,冲击速度和方向的接触可以预测整个系统的运动。
3所示。接触力模型
通常情况下,总是会有接触/影响在一个真正的联合与许可机制,其中包括正常同时接触力和切向摩擦力。田et al。67年)提出了一个全面的调查多体机械系统动力学与间隙或不完美的关节,接触力模型用于建模的间隙接头进行了探讨。因此,评估轴承之间的接触力有效地和《华尔街日报》的一个转动关节间隙,必须特别注意的数值描述接触力模型(68年- - - - - -73年]。有几个正常的接触力模型用于确定一个间隙关节的接触力。
在这部作品中,Lankarani和动力学72年)接触力模型是用来描述的正常接触间隙关节,表示为
在哪里是变形,是相对变形速度,是恢复系数,是初始正常点的相对速度的影响。接触刚度系数,获得来自哪里 在哪里和分别是泊松比和杨氏模量。和半径的共同元素。
的切向接触间隙联合使用摩擦力模型表示。这里,修正库仑摩擦模型与动态摩擦系数用于的切向接触间隙关节,可避免数值困难(5,9,14]。修改的表达式显示为库仑摩擦模型 动态摩擦系数在哪里是切向速度的函数,给出 在哪里相对滑动速度。和分别是动态和静态摩擦系数。和是给定的边界切向临界速度。
4所示。案例研究和结果
4.1。卫星天线系统的属性
在本节中,一个空间天线系统与空间运动作为算例探讨三维转动关节间隙的影响在卫星天线系统的动态响应。大多数以前的研究集中在机制的动态响应与平面径向间隙和忽视了轴向间隙。高度精确的空间机制与空间运动,轴向间隙在一个转动关节的影响是不容忽视的。因此,首先,我们考虑的情况下径向间隙的三维转动关节。第二,我们增加了轴向间隙径向间隙的三维转动关节。然后,我们比较了仿真结果的情况下没有轴向间隙和轴向间隙的情况调查轴向间隙的影响。此外,轴向间隙的大小对动态特性的影响空间的机制进行了讨论。
主体结构的卫星天线系统包括宇宙飞船的身体,两个轴,两个转动关节,和灵活的天线反射器,如图6。卫星天线系统是空间机制有两个自由度。两个轴交叉和垂直的初始状态。天线反射器被建模为一个灵活的身体,与最终轴固定在一起2。其他的身体视为刚体。动态模拟的三维转动间隙关节之间存在两个轴,最初,杂志的轴和三维转动的轴承间隙关节是重合的。卫星天线系统的动态模拟和三维转动间隙关节和理想的系统没有间隙。卫星天线系统的结构参数如表所示1和动力学仿真中使用的参数如表所示2。
(一)
(b)
4.2。三维转动副间隙对卫星天线系统
4.2.1。准备三维转动关节间隙接头的影响
在本节中,三个案例研究,列在表中3与不同的初始配置,提出了调查的影响三维转动关节间隙接头在卫星天线控制系统的动态性能。
在第一个案例研究中,转动关节被认为是理想的联合,也就是说,没有转动关节间隙。在第二个案例研究中,认为只有径向间隙的三维转动间隙关节和没有轴向间隙。第三,径向和轴向间隙存在于三维转动关节间隙。轴向间隙的影响进行了研究。
并给出了仿真结果数据7- - - - - -9显示位移的角度,角速度,角加速度的卫星天线系统。图10介绍了接触力的转动关节间隙。
(一)
(b)
(一)
(b)
(一)
(b)
(一)
(b)
(c)
图7显示运动的间隙将导致偏差角比理想情况。当转动关节的三维转动关节间隙联合考虑径向和轴向间隙,天线的运动位移偏差的增加。因此,它降低了运动精度的卫星天线,当轴向游隙也被认为是在三维转动关节间隙。图8表明,间隙对角速度的影响更明显。角速度摇摇欲坠,偏离理想情况不许可。当径向和轴间隙被认为是三维转动关节,天线运动更大的偏差比只考虑径向间隙的三维转动关节。图9表明,当径向和轴向间隙被认为是在3 d转动间隙关节,动摇的卫星天线是非常明显的。摇摇欲坠的卫星天线控制系统的角加速度的峰值大幅增加相比只有径向间隙考虑转动关节。
间隙的原因共同导致接触和影响力量间隙关节空间运动的卫星天线,如图10。它清楚地表明,许可导致脉冲式接触力和接触力与高峰高频摇摇欲坠。与数据10 ()- - - - - -10 (c)表明存在轴向间隙的三维转动间隙接头会导致更严重的影响,特别是在轴向方向的接触力。轴向方向的接触力急剧增加与更高的山峰比只考虑径向间隙。这表明,间隙的存在将导致不良的振动卫星天线和卫星天线运动稳定性的影响,尤其是当轴向间隙也被认为是在转动关节。三维转动间隙接头将导致更严重的影响卫星天线的动态性能,当径向和轴向间隙。因此,轴向间隙对卫星天线的影响不容忽视的卫星天线系统的动力学分析。
同时,仿真结果与其他研究相比于以前的文献在平面和空间转动关节间隙9,10,23,61年- - - - - -63年]。先前的研究表明,平面转动关节和径向间隙对动态响应有重要影响,尤其是多体机械系统的加速度。此外,以往的研究表明,三维转动间隙接头将导致更重要的影响机制系统的动态响应。因此,仿真结果验证了在球场上公布的其他数据间隙动力机制系统。
4.2.2。轴向间隙大小的影响
在本节中,轴向间隙的影响大小的三维转动间隙联合调查。提出了五个案例研究,如表所示4。并给出了仿真结果数据11- - - - - -13。它还可以发现更大的轴向间隙的大小会引起更严重的摇摇欲坠的响应和更高的山峰。因此,一个更大的轴向间隙的大小会导致糟糕的卫星天线系统的性能。
(一)
(b)
(一)
(b)
(一)
(b)
(c)
(d)
这一事实的存在径向和轴向间隙3 d转动副间隙对动态性能有重要影响的卫星天线支持转动关节的轴向间隙是不容忽视的。轴向间隙的三维转动间隙关节的动力学分析和设计必须考虑真正的卫星天线系统。
5。结论
通常,轴向间隙总是存在于转动关节由于制造和装配错误,已考虑较少。然而,轴向间隙将导致沿轴向方向相对运动日报》和轴承之间的三维转动关节间隙。相应地,它将影响机制的动态特性。本文方法建模的三维转动关节间隙及其在卫星天线系统中的应用。
机械机构连接的三维转动间隙联合模拟为刚体接触,和模仿为接触力约束。因此,contact-impact部队控制的动态间隙关节。对于一个3 d空间转动间隙关节,将有13个潜在的接触情况,从而揭示出不同的接触现象。提出了一种卫星天线系统与空间运动的示范应用实例。然后,空间天线系统的动态特性考虑径向和轴向间隙的三维转动关节间隙。提出了不同的案例研究和讨论。
数值模拟结果表明,(1)的动态响应天线系统显然是不稳定的和更高的山峰在考虑径向和轴向间隙。因此,3 d转动间隙接头会导致更严重的对卫星天线系统的动态性能的影响。(2)接触力存在在径向和轴向两个方向。存在轴向间隙的三维转动间隙接头会导致更严重的对三维转动关节间隙接头的影响,这将导致不良的振动,影响卫星天线的运动稳定性和准确性。(3)更大的轴向间隙的大小将会引起更严重的不稳定的反应和更高的山峰。
许可在转动关节起到至关重要的作用在预测准确的卫星天线系统的动态响应。本文的研究表明,卫星天线系统的轴向间隙的影响不容忽视。方法建模的三维转动关节间隙是性能分析和系统设计的基础空间的机制,转动关节的发展实际工程应用。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作是由中国国家自然科学基金(批准号51775128和51775128)。