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    四自由度混聯(lián)天線機(jī)構(gòu)靜力學(xué)及運(yùn)動(dòng)特性仿真與設(shè)計(jì)

    2021-02-01 11:16:04張國(guó)興郭金偉侯雨雷曾達(dá)幸

    張國(guó)興 郭金偉 侯雨雷 曾達(dá)幸

    (1.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 秦皇島 066004; 2.東莞理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院, 東莞 523000)

    0 引言

    天線是航天探測(cè)、導(dǎo)航預(yù)警和軍事偵查等領(lǐng)域中數(shù)據(jù)信息交互的重要設(shè)備[1]。并聯(lián)天線機(jī)構(gòu)因能夠帶動(dòng)反射面實(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)而在天線領(lǐng)域得到關(guān)注[2]。國(guó)內(nèi)外研究人員已將Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于大型天線系統(tǒng)調(diào)姿領(lǐng)域[3-6]。少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)能夠滿足運(yùn)動(dòng)需求,且制造成本低,在天線領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力[7]。文獻(xiàn)[8-9]對(duì)車(chē)載并聯(lián)天線機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真。文獻(xiàn)[10]對(duì)四自由度混聯(lián)式天線機(jī)構(gòu)進(jìn)行了力學(xué)仿真分析。文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)了一種高收攏率四面體折展機(jī)械臂,進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和模態(tài)分析,并研制了樣機(jī)。文獻(xiàn)[12]基于四面體單元設(shè)計(jì)了桁架式可展開(kāi)天線機(jī)構(gòu)。文獻(xiàn)[13-14]基于模塊化思想設(shè)計(jì)了多種桁架式天線機(jī)構(gòu),并進(jìn)行了性能分析和對(duì)比。文獻(xiàn)[15-16]提出了一種雙層環(huán)形天線機(jī)構(gòu),并進(jìn)行了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。

    在機(jī)構(gòu)學(xué)領(lǐng)域,研究人員進(jìn)行了諸多研究。趙永生等[17]提出了適用于過(guò)約束并聯(lián)機(jī)構(gòu)的受力分析方法。沈惠平等[18]研究了低耦合度部分解耦的3T1R并聯(lián)機(jī)構(gòu),分析了機(jī)構(gòu)的工作空間。暢博彥等[19]對(duì)具有整周回轉(zhuǎn)能力的3T1R機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,得到機(jī)構(gòu)工作空間。葉偉等[20]對(duì)一種2R2T并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,得到機(jī)構(gòu)工作空間和性能圖譜。SUN等[21]分析了一種5-DOF摩擦攪拌焊混聯(lián)機(jī)構(gòu)的剛度性能。LI等[22]基于幾何代數(shù)方法對(duì)過(guò)約束并聯(lián)機(jī)構(gòu)的剛度建模問(wèn)題進(jìn)行了研究。CAO等[23]在考慮各桿件重力和外力的情況下,對(duì)過(guò)約束并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究。GUO等[24]提出一種適用于航空零件加工的新型5-DOF并聯(lián)機(jī)構(gòu)。YANG等[25]通過(guò)增加變形協(xié)調(diào)方程,研究了兩種過(guò)約束并聯(lián)機(jī)構(gòu)的剛度模型。

    隨著天線反射面口徑的逐漸增大,確保天線高精度可靠運(yùn)行愈發(fā)重要。目前,天線機(jī)構(gòu)多采用串聯(lián)式或并聯(lián)式機(jī)構(gòu),應(yīng)用于天線領(lǐng)域的混聯(lián)天線機(jī)構(gòu)研究并不多,設(shè)計(jì)承載力強(qiáng)和運(yùn)動(dòng)性能優(yōu)越的混聯(lián)天線機(jī)構(gòu)具有重要實(shí)用價(jià)值。本文以四自由度混聯(lián)天線機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象,在承載性能方面,進(jìn)行混聯(lián)天線機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)分析和天線機(jī)構(gòu)有限元和振動(dòng)特性仿真;在運(yùn)動(dòng)性能方面,通過(guò)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)仿真得到機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)包絡(luò)圖;最后,基于設(shè)計(jì)的關(guān)鍵零部件模型設(shè)計(jì)天線機(jī)構(gòu)樣機(jī)。

    1 構(gòu)型描述

    如圖1所示,四自由度混聯(lián)天線機(jī)構(gòu)包括天線反射面C、極化轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)T和3-R(RRR)R并聯(lián)機(jī)構(gòu)。該四自由度混聯(lián)機(jī)構(gòu)中3-R(RRR)R并聯(lián)部分的動(dòng)平臺(tái)和定平臺(tái)均為等邊三角形;支鏈部分包含3個(gè)軸線相交的轉(zhuǎn)動(dòng)副以及與定/動(dòng)平臺(tái)連接的2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。極化轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪和轉(zhuǎn)盤(pán)軸承實(shí)現(xiàn)反射面繞自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。在定/動(dòng)平臺(tái)外接圓圓心分別建立參考坐標(biāo)系OOxOyOz和動(dòng)坐標(biāo)系CCxCyCz,在反射面的相位中心點(diǎn)建立末端坐標(biāo)系TTxTyTz,參考坐標(biāo)系Ox軸方向與OP1一致,Oz軸垂直于定平臺(tái)且向上為正;動(dòng)坐標(biāo)系Cx軸方向與CQ1一致,Cz軸垂直于動(dòng)平臺(tái)且向上為正;Tz軸與動(dòng)坐標(biāo)系Cz軸重合,Tx軸初始方向與動(dòng)坐標(biāo)系Cx軸相同。在混聯(lián)天線機(jī)構(gòu)各個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)副建立關(guān)節(jié)局部坐標(biāo)系,其中各個(gè)關(guān)節(jié)局部坐標(biāo)系的z軸均沿轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線方向。

    由圖1可知,3-R(RRR)R并聯(lián)機(jī)構(gòu)部分具有兩轉(zhuǎn)一移3個(gè)自由度,2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度能夠?qū)崿F(xiàn)天線反射面的方位和俯仰運(yùn)動(dòng),1個(gè)移動(dòng)自由度能夠?qū)崿F(xiàn)天線反射面的豎直方向收攏運(yùn)動(dòng)。天線反射面與動(dòng)平臺(tái)之間設(shè)有單自由度轉(zhuǎn)動(dòng)副,稱為極化轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu),其作用是帶動(dòng)天線反射面繞自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。因此,混聯(lián)天線機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)方位、俯仰、收攏運(yùn)動(dòng)和極化轉(zhuǎn)動(dòng)。

    2 力學(xué)分析

    (1)

    選取與定平臺(tái)連接的轉(zhuǎn)動(dòng)副P(pán)i(i=1,2,3)和極化機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)副Q4作為驅(qū)動(dòng),如圖1所示關(guān)節(jié)局部坐標(biāo)系z(mì)軸均為驅(qū)動(dòng)所在軸線。因此,各個(gè)驅(qū)動(dòng)的單位驅(qū)動(dòng)力旋量可以表示為

    (2)

    首先建立混聯(lián)天線機(jī)構(gòu)反射面靜力學(xué)平衡方程。反射面與混聯(lián)天線機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)通過(guò)極化轉(zhuǎn)動(dòng)裝置連接。天線反射面受力情況如圖2所示。

    如圖2所示,天線反射面受到極化轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供的3個(gè)約束力F4x、F4y、F4z和2個(gè)約束力偶M4x、M4y,極化轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置提供一個(gè)沿z軸方向的驅(qū)動(dòng)力矩,同時(shí)天線反射面受到重力作用。根據(jù)力旋量變換關(guān)系,將天線反射面關(guān)節(jié)局部坐標(biāo)系下表示的約束旋量系矩陣轉(zhuǎn)換為參考坐標(biāo)下表示的約束旋量系矩陣。同理可將天線反射面關(guān)節(jié)局部坐標(biāo)系下表示的驅(qū)動(dòng)力旋量系矩陣轉(zhuǎn)換為參考坐標(biāo)下表示的驅(qū)動(dòng)力旋量系矩陣,可得

    (3)

    O4——轉(zhuǎn)動(dòng)副Q4局部坐標(biāo)系位置向量的反對(duì)稱矩陣

    將作用于天線反射面的單位約束力矩陣和驅(qū)動(dòng)力矩陣遷移到基坐標(biāo)系,表示為

    (4)

    O——?jiǎng)幼鴺?biāo)系位置向量反對(duì)稱矩陣

    在參考坐標(biāo)系下,可將天線反射面受到的約束力旋量、驅(qū)動(dòng)力旋量和重力旋量進(jìn)行線性疊加,得到

    (5)

    式中IF——天線反射面空間慣量

    g——重力加速度旋量

    O——零向量

    混聯(lián)天線機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)與3條支鏈和天線反射面均通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接。動(dòng)平臺(tái)受力情況如圖3所示。

    如圖3所示,根據(jù)牛頓第三定律,在極化轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與天線反射面連接處受到天線反射面提供的3個(gè)約束反力F′4x、F′4y、F′4z和2個(gè)約束反力偶M′4x、M′4y,同時(shí)受到極化轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器提供的一個(gè)反力偶M′4。在極化轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與3個(gè)分支連接處分別受到各個(gè)分支提供的3個(gè)約束力FQix、FQiy、FQiz和2個(gè)約束力偶MQix、MQiy。同時(shí)極化轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)還受到自身重力作用。

    根據(jù)力旋量變換關(guān)系,將作用于極化轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)局部坐標(biāo)系下表示的單位關(guān)節(jié)約束旋量系矩陣轉(zhuǎn)換為參考坐標(biāo)下表示的單位關(guān)節(jié)約束旋量系矩陣,得到

    (6)

    Oi——轉(zhuǎn)動(dòng)副Qmi局部坐標(biāo)系位置向量的反對(duì)稱矩陣

    將作用于極化轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的3個(gè)分支的單位約束力矩陣遷移到基坐標(biāo)系下,表示為

    (7)

    式中Oi——極化轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)位置向量的反對(duì)稱矩陣

    在參考坐標(biāo)系下,可將極化轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)受到3個(gè)分支的約束力、極化轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)反力、天線反射面約束反力和極化轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)自身重力進(jìn)行線性疊加,得到

    (8)

    式中IC——?jiǎng)悠脚_(tái)空間慣量

    《一個(gè)熱愛(ài)藝術(shù)的修士的內(nèi)心傾訴(Herzensergie?ungen eineskunstliebenden Klosterbruders)》在這本書(shū)剛剛出版的那個(gè)年代是一個(gè)令人感到陌生甚至怪癖的標(biāo)題。修道院(Kloster)和內(nèi)心傾訴(Herzensergie?ungen)兩個(gè)詞語(yǔ)帶有明顯的宗教色彩。事實(shí)上,瓦肯羅德的確將藝術(shù)提升到了與宗教并列的高度,在他看來(lái),世上有兩種最崇高的語(yǔ)言——自然和藝術(shù)。自然是上帝的語(yǔ)言,而藝術(shù)則是受上帝青睞的人的語(yǔ)言。音樂(lè)和造型藝術(shù)都是以有限的形式來(lái)表達(dá)無(wú)限的方式。

    混聯(lián)天線機(jī)構(gòu)包括3個(gè)分支,每個(gè)分支包括4個(gè)桿件,每個(gè)桿件之間均通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接,每個(gè)桿件的受力情況如圖4所示。

    如圖4所示,桿件KiQi兩端分別受到3組約束反力FKix和F′Qix、FKiy和F′Qiy、FKiz和F′Qiz以及2個(gè)約束反力偶MKix和M′Qix、MKiy和M′Qiy;桿件GiKi兩端分別受到3組約束反力FGix和F′Kix、FGiy和F′Kiy、FGiz和F′Kiz以及兩組約束反力偶MGix和M′Kix、MGiy和M′Kiy;桿件JiGi兩端分別受到3組約束反力FJix和F′Gix、FJiy和F′Giy、FJiz和F′Giz以及2組約束反力偶MJix和M′Gix、MJiy和M′Giy;桿件PiJi兩端分別受到3組約束反力FPix和F′Jix、FPiy和F′Jiy、FPiz和F′Jiz以及2組約束反力偶MPix和M′Jix、MPiy和M′Jiy。桿件KiQi、GiKi、JiGi和PiJi還受到桿件自身重力Gij(j=1,2,3,4)的作用,在桿件PiJi的Pi端受到驅(qū)動(dòng)器提供的驅(qū)動(dòng)力矩Mmi。

    根據(jù)力旋量變換關(guān)系,將作用于3個(gè)分支的關(guān)節(jié)局部坐標(biāo)系下表示的關(guān)節(jié)約束旋量系矩陣轉(zhuǎn)變?yōu)閰⒖甲鴺?biāo)下表示的關(guān)節(jié)約束旋量系矩陣,得到

    (9)

    Oi——轉(zhuǎn)動(dòng)副Kmi局部坐標(biāo)系位置向量的反對(duì)稱矩陣轉(zhuǎn)動(dòng)副Gmi局部坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣

    Oi——轉(zhuǎn)動(dòng)副Gmi局部坐標(biāo)系位置向量的反對(duì)稱矩陣轉(zhuǎn)動(dòng)副Jmi局部坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣

    Oi——轉(zhuǎn)動(dòng)副Jmi局部坐標(biāo)系位置向量的反對(duì)稱矩陣轉(zhuǎn)動(dòng)副P(pán)mi局部坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣

    同理,將作用于桿件PiJi的關(guān)節(jié)局部坐標(biāo)系下表示的驅(qū)動(dòng)力旋量矩陣轉(zhuǎn)換為參考坐標(biāo)下表示的驅(qū)動(dòng)力旋量系矩陣,得到

    (10)

    將作用于3個(gè)分支的單位約束力矩陣遷移到基坐標(biāo)系下,表示為

    (11)

    將作用于桿件PiJi的單位驅(qū)動(dòng)力矩陣遷移到基坐標(biāo)系下,表示為

    MG_PiJi=E6×6OMG_PiJi(i=1,2,3)

    (12)

    在參考坐標(biāo)系下,可將桿件KiQi、GiKi、JiGi和PiJi受到的約束力和約束力偶,桿件自身重力和驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)力矩進(jìn)行線性疊加,得到

    (13)

    式中IKiQi——桿件KiQi的空間慣量

    IGiKi——桿件GiKi的空間慣量

    IJiGi——桿件JiGi的空間慣量

    IPiJi——桿件PiJi的空間慣量

    如圖5所示,混聯(lián)天線機(jī)構(gòu)定平臺(tái)受到分支PiJi提供的3個(gè)約束反力F′Pix、F′Piy、F′Piz和2個(gè)約束反力偶M′Pix、M′Piy以及自身重力的作用,還受到連接點(diǎn)Pi處驅(qū)動(dòng)器提供的驅(qū)動(dòng)反力矩。

    在參考坐標(biāo)系下,可將定平臺(tái)受到3個(gè)分支的約束反力F′Pix、F′Piy、F′Piz和約束反力偶M′Pix、M′Piy,驅(qū)動(dòng)反力偶M′mi以及定平臺(tái)自身重力進(jìn)行線性疊加,得到

    (14)

    聯(lián)立混聯(lián)天線機(jī)構(gòu)各個(gè)部件的力平衡方程,混聯(lián)天線機(jī)構(gòu)全部桿件的力平衡方程可以表示為

    Cη+I=O

    (15)

    式中I——混聯(lián)天線機(jī)構(gòu)全部桿件的廣義空間慣性矩陣

    η——混聯(lián)天線機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力矩陣

    根據(jù)式(15)可以得到各個(gè)關(guān)節(jié)約束力和驅(qū)動(dòng)器提供的驅(qū)動(dòng)力矩陣為

    η=-C-1I

    (16)

    其中

    式中τj——各關(guān)節(jié)的約束力矩陣

    τm——各個(gè)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)力矩陣

    通過(guò)求得τj和τm即可獲得混聯(lián)天線機(jī)構(gòu)各個(gè)部件受到的約束力和驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)處的驅(qū)動(dòng)力。

    根據(jù)天線機(jī)構(gòu)任務(wù)需求將工作空間設(shè)定為:俯仰角為0°~90°;方位角運(yùn)動(dòng)范圍為0°~360°。得到天線機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)力矩隨位形分布情況如圖6所示。

    圖6給出了理想條件下天線機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)力矩隨俯仰和方位角變化情況,各關(guān)節(jié)力矩最大值為323.86 N·m,驅(qū)動(dòng)力矩的求解結(jié)果為伺服電機(jī)選型和機(jī)構(gòu)樣機(jī)研制提供參考。

    表1給出了混聯(lián)天線機(jī)構(gòu)方位角為0°,俯仰角分別為45°和90°兩組位姿各驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)力矩理論值、仿真值及相對(duì)誤差,其中理論值為圖6中對(duì)應(yīng)位姿的數(shù)值計(jì)算結(jié)果,仿真值為有限元軟件仿真結(jié)果。

    表1 兩組位姿下驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)力矩的對(duì)比Tab.1 Comparison of static analysis results

    由表1可知,靜力學(xué)理論求解結(jié)果與仿真分析結(jié)果之間的相對(duì)誤差不大于1.330%,驗(yàn)證了靜力學(xué)分析結(jié)果的正確性。

    3 仿真分析

    3.1 靜力學(xué)仿真

    將三維模型導(dǎo)入ANSYS/Workbench,設(shè)定模型材料彈性模量為6.96 Pa,泊松比為0.31,屈服強(qiáng)度為6.85×108Pa,重力加速度設(shè)為9.8 m/s2。天線機(jī)構(gòu)俯仰角為45°、90°時(shí)有限元分析結(jié)果如圖7所示。

    由圖7可知,當(dāng)天線俯仰角為45°、90°時(shí),天線最大變形分別為0.574 04、0.673 95 mm,最大變形均發(fā)生在反射面邊沿,最大變形約占運(yùn)動(dòng)半徑的0.11%和0.13%,俯仰角為45°、90°時(shí)混聯(lián)天線機(jī)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。

    3.2 振動(dòng)分析

    借助有限元分析軟件得到天線機(jī)構(gòu)俯仰角為45°和90°的前6階固有頻率,如表2所示。俯仰角為45°的天線機(jī)構(gòu)振型云圖如圖8所示。

    表2 機(jī)構(gòu)前6階模態(tài)固有頻率

    由表2可知,天線機(jī)構(gòu)前6階固有頻率分布在11.439~65.538 Hz,隨著俯仰角的增加,前5階固有頻率均減小。由前6階振型可以看出,天線機(jī)構(gòu)分支連桿變形較大,容易產(chǎn)生較大交變應(yīng)力,導(dǎo)致疲勞裂紋和斷裂現(xiàn)象,連桿部位是混聯(lián)天線機(jī)構(gòu)的相對(duì)薄弱環(huán)節(jié),可通過(guò)增加連桿半徑等方式提升連桿剛度。設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)需要使激勵(lì)頻率盡量遠(yuǎn)離系統(tǒng)固有頻率,以避免發(fā)生共振現(xiàn)象。

    3.3 包絡(luò)空間分析

    天線衛(wèi)星追蹤運(yùn)動(dòng)過(guò)程中應(yīng)避免與周?chē)矬w發(fā)生干涉,故需評(píng)估整個(gè)天線機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)范圍,即運(yùn)動(dòng)包絡(luò)空間。參考天線機(jī)構(gòu)工作任務(wù)需求,設(shè)定混聯(lián)天線機(jī)構(gòu)俯仰運(yùn)動(dòng)時(shí):方位角為0°,俯仰角0°~90°;方位運(yùn)動(dòng)時(shí):方位角為0°~360°,俯仰角45°。采用Matlab軟件對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)特性仿真,圖9~11分別為混聯(lián)天線機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)線框圖、俯仰運(yùn)動(dòng)包絡(luò)空間和方位運(yùn)動(dòng)包絡(luò)空間。

    圖9為混聯(lián)天線機(jī)構(gòu)初始位姿、俯仰90°運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和方位360°運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。運(yùn)動(dòng)特性仿真結(jié)果表明該混聯(lián)天線機(jī)構(gòu)滿足天線軌跡跟蹤的性能要求。

    圖10、11分別給出了混聯(lián)天線機(jī)構(gòu)俯仰運(yùn)動(dòng)和方位運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)空間三維視圖、俯視圖和左視圖。由圖10、11得到混聯(lián)天線機(jī)構(gòu)整機(jī)運(yùn)動(dòng)范圍如表3所示。

    由表3可知,混聯(lián)天線機(jī)構(gòu)俯仰和方位運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,x軸方向運(yùn)動(dòng)范圍為-1 045~1 045 mm,y軸方向運(yùn)動(dòng)范圍為-1 045~1 045 mm,z軸方向運(yùn)動(dòng)范圍為-508~1 445 mm。通過(guò)對(duì)混聯(lián)天線機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)包絡(luò)空間分析,獲得機(jī)構(gòu)俯仰和方位運(yùn)動(dòng)范圍,為天線機(jī)構(gòu)安裝和運(yùn)行保障提供參考。

    表3 天線機(jī)構(gòu)包絡(luò)空間范圍Tab.3 Envelope space range of antenna mechanism

    4 樣機(jī)設(shè)計(jì)

    根據(jù)1.8 m口徑天線座架結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)需求,開(kāi)展混聯(lián)天線機(jī)構(gòu)三維模型繪制和物理樣機(jī)設(shè)計(jì)。混聯(lián)天線機(jī)構(gòu)各條支鏈需要帶動(dòng)天線運(yùn)動(dòng),同時(shí)對(duì)極化轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及天線反射面起支撐作用。圖12給出了混聯(lián)天線機(jī)構(gòu)傳動(dòng)支鏈結(jié)構(gòu)圖。極化轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)作用是帶動(dòng)天線反射面繞自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng),圖13給出了極化轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖。

    圖12為上/下支鏈包含上/下支鏈1和上/下支鏈2,通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)軸承組成轉(zhuǎn)動(dòng)副。如圖13所示,極化轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包含驅(qū)動(dòng)電機(jī)、轉(zhuǎn)盤(pán)軸承和小齒輪,驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)小齒輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)軸承轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)而驅(qū)動(dòng)反射面實(shí)現(xiàn)繞法向軸線的極化轉(zhuǎn)動(dòng)?;诨炻?lián)天線機(jī)構(gòu)樣機(jī)靜力學(xué)及仿真和關(guān)鍵部件設(shè)計(jì),開(kāi)展機(jī)構(gòu)部件的選型、加工和裝配。1.8 m口徑混聯(lián)天線機(jī)構(gòu)1∶1等比例物理樣機(jī)如圖14所示。

    5 結(jié)論

    (1)以3-R(RRR)R并聯(lián)機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)構(gòu)建3-R(RRR)R+R四自由度混聯(lián)天線機(jī)構(gòu),該混聯(lián)天線機(jī)構(gòu)能夠適應(yīng)反射面俯仰運(yùn)動(dòng)、方位運(yùn)動(dòng)以及天線反射面繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的需求?;炻?lián)天線機(jī)構(gòu)滿足天線運(yùn)動(dòng)功能要求。

    (2)基于螺旋理論對(duì)混聯(lián)天線機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析,獲得了俯仰角范圍為0°~90°、方位角范圍為0°~360°時(shí)的驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)力矩值,運(yùn)用有限元軟件得到了機(jī)構(gòu)俯仰角為45°和90°時(shí)的整體變形,獲得俯仰角為45°和90°時(shí)機(jī)構(gòu)的固有頻率。

    (3)進(jìn)行了混聯(lián)天線機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真,獲得了俯仰角范圍為0°~90°和方位角范圍為0°~360°的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)空間圖。對(duì)混聯(lián)天線機(jī)構(gòu)關(guān)鍵零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)了四自由度混聯(lián)天線機(jī)構(gòu)物理樣機(jī)。

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