被动输入过约束四面体可展天线机构动力学分析

建立了一种由3RR-3RRR四面体单元组成的被动输入过约束可展天线机构的动力学模型,分析了驱动元件(扭簧)的数量、刚度、初始压缩量对机构展开运动的影响。基于3RR-3RRR四面体单元组成的可展机构的结构特点和空间坐标变换关系建立了机构展开/收拢过程中各构件质心位置与机构展开角之间的关系,得到了各构件的速度解析表达式。根据机构自由度性质,将机构展开/收拢过程中构件的运动分为平移运动、定轴转动、平面运动和复合运动四类。为便于建立3RR-3RRR四面体单元组成的被动输入过约束可展机构的动力学模型,进一步将构件的复合运动分解为平面运动和沿该平面法线方向的平移运动。基于拉格朗日法建立了单元可展机构3RR-3RRR和组合可展机构3(3RR-3RRR)-3RRR-3RRR的动力学模型,得到了机构中扭簧刚度与机构展开角之间的表达式,并讨论了扭簧刚度和数量对机构展开运动的影响。基于ADAMS仿真软件建立了3(3RR-3RRR)-3RRR-3RRR被动输入过约束可展机构的仿真模型,通过添加不同数量、不同刚度的扭簧对机构进行了动力学仿真分析,并讨论了扭簧初始压缩量对机构展开运动的影响,仿真结果验证了理论分析...     

基于螺旋理论的三棱锥折展机构构型综合与组网

研究折展单元机构构型综合对于可展开天线机构创新设计具有重要意义。根据三棱锥折展单元机构多运动输出期望公共运动和期望同步运动自由度要求,基于螺旋理论约束综合法,完成机构公共运动和耦合同步运动支链的构型综合,获得了多种基本折展单元构型,并结合应用实际确定一种优选三棱锥折展单元机构。根据3RR-3RRR单元折展机构的组网方式和组网运动的要求,采用螺旋理论进行了运动副的构型设计和优化,综合出一种具有耦合自由度的高刚度三棱锥折展单元组网机构。所采用的构型综合方法实现了螺旋理论约束综合法在折展机构构型综合中的应用,为具有多运动输出部件耦合运动要求的机构综合研究提供参考。综合得到的机构适用于星载构架天线反射器等空间曲面支撑类机构应用需求,具有广泛的应用前景。     

卫星平面可展天线背架结构设计与分析

利用空间四棱锥单元,这里提出了一种卫星平面可展天线背架的结构方案。从机构学的角度出发,建立了可展天线背架机构的简化模型,对机构进行了模块化拓展,推导了机构的自由度与模块数之间的关系。为了研究机构的动态折展过程,这里建立了可展天线背架机构的数学模型,对机构折展过程进行了运动轨迹仿真。为了研究机构的结构动力学特性,这里建立了平面可展天线背架机构的有限元模型,并完成了机构的模态分析、谐响应分析及热变形分析。     

基于新型两层两环连杆的一族伞状可展机构的构型综合

雨伞的连杆机构是最经典的可展机构之一,它是由多个平面连杆或悬臂杆构建而成,呈现出来的是一种低刚度和低耦合性的肋式支撑结构。到目前为止,可用来构建高刚度伞状可展机构的空间闭环连杆可展单元很少。为此,开发一类含三转动副(3R)耦合支链的两层两环空间连杆,并以它们为单元构建多环耦合的伞状可展机构。基于自由度和对称性特征分析了此类两层两环空间连杆机构的结构形式。提出了一种简洁高效的模块化组合方法来综合两层两环空间连杆可展单元;根据机构的单自由度要求和结构的对称性建立了单元间的可动连接方式;根据综合得到的可展单元和单元间的可动连接方式构造出一族新型伞状可展机构。不同于传统的雨伞机构,这些新型伞状可展机构呈多环耦合状的桁架式结构,在航天装备、建筑结构、艺术结构等领域具有良好的应用前景。     

一种单自由度对称可展耦合机构的设计

基于正十二面体结构的特殊性和对称性,提出一种具有一个移动自由度的对称可展耦合机构。针对正十二面体包含的几何要素及空间布局,建立耦合框架结构,定义对应的构件类型并确定支链组成,根据各构件的连接情况设计3种类型替代构件,按照耦合框架结构用转动运动副(R副)将替代构件顺次连接,构建出机构基础模型。分析基本单元环的内部约束,在确定其具有可动性的基础上对机构基础模型的自由度及输出运动性质进行分析,设计出期望的对称耦合机构。建立耦合机构的三维实体模型,设置不同的驱动条件,通过Matlab获得节点构件和末端件的位移变化曲线,得到的结果与理论分析结果一致,表明提出的新机构是一种具有可展性的单移动自由度对称耦合机构。     

球面剪叉可展机构的运动特性分析

为揭示任意个球面剪叉单元构成的球面可展机构的运动特性,研究这类机构的自由度特性和运动分析方法。基于螺旋理论分析球面剪叉单元及其串联运动链、多支链构成的球面可展机构的自由度特性,得出由球面剪叉单元构成的球面剪叉可展机构的自由度特性,据此构造出任意个球面剪叉单元和任意个支链构成的自由度为1的球面可展机构。基于球面几何理论,对两个球面剪叉单元串联的球面可展机构进行运动分析,并对任意m个球面剪叉单元串联的球面可展机构进行运动分析,在此基础上分析n个支链的球面剪叉可展机构的运动特性。建立球面剪叉可展机构这类机构通用的运动分析方法,并给出运动分析的数字实例,证明了该方法的有效性。编制能满足任意个球面剪叉单元构成的球面可展机构的运动分析软件,实现了对这类机构运动的自动分析计算,具有工程应用的实际意义。     

剪叉弯曲折展变胞机构的设计与分析

提出了一种基于剪叉机构单元的剪叉弯曲折展变胞机构单元,给出了构造该变胞机构的约束条件。建立了该机构单元运动的数学模型,通过计算分析了该机构的自由度和运动形式。提出了剪叉弯曲折展机构单元在剪叉机构运动和弯曲机构运动状态转变的工程实现方法,并通过计算分析得到了实现该方法所需的杆长约束条件和角度初始条件。提出了控制机构单元弯曲曲率的方法,通过数值计算得到了限位连杆长度与弯曲曲率的定量关系。该机构单元可以串联组合用于大尺寸物体的抓取。建立了单个机构单元以及两个机构单元组合的三维模型,进行了运动仿真模拟,验证了设计的可行性。     

基于正四棱台Bricard单元的双环可展开天线机构构型设计

单环桁架式可展开天线的结构刚度随口径增大而降低的特点制约了其大型化,提出一种基于空间过约束正四棱台Bricard机构单元的双环可展开天线机构设计方法。首先,由等腰梯形面对称Bricard机构综合出展开构型与正四棱台几何体具有相同几何约束的正四棱台机构。而后,以始终存在一组正交对称面为约束条件推导出正四棱台Bricard机构的扭角约束关系,满足该约束的正四棱台机构自由度为1、可束状收拢。最后,由正四棱台机构构建出5 m口径的双环桁架式可展开天线机构。为双环桁架式可展开天线机构设计提供了过约束机构方案,提高了桁架的利用率,有助于面对称Bricard机构的广泛工程应用。     

可展收抛物柱面天线机构的设计及分析

可展收抛物柱面天线可用于卫星系统中,实现无线通信、深空探测以及空间目标搜索等功能。近年来随着航天事业的迅猛发展,对空间可展天线的成形精度要求越来越高。提出并设计了一种可展收抛物柱面天线机构,该机构主要由网面支撑机构、柔索、金属丝网、轴向驱动与锁定装置、径向驱动与定位锁定装置组成。其中,网面支撑机构包括径向和轴向展收机构。研究中提出了一种新型平面可展收机构作为径向展收机构的组成单元实现天线的径向展开收拢。对可展收机构的等效机构进行了优化设计。利用剪式单元可展机构实现了轴向展收机构的设计。完成了可展收抛物柱面天线机构的驱动组件设计,在Solidworks中完成建模,对天线机构进行了运动学仿真。     

一种空间模块化桁架式展开机构及其运动过程分析

为设计一种折叠率高的新型空间桁架式展开机构并分析其运动过程,提出了由两个四棱锥对称布置组成的空间2自由度模块化可展单元。首先,阐述了空间桁架式展开机构的模块化组成原理。其次,根据机构顺利折叠条件推导了构件的几何协调方程。最后,根据展开过程的动作特征,将空间桁架式展开机构简化为平面机构并计算自由度,基于闭环矢量法对机构进行运动学分析。     

四自由度混联天线机构运动特性分析

天线构型设计和运动特性分析是保障天线系统实现轨迹追踪任务的前提。基于3RSR并联机构构造3-R(RRR)R+R混联天线机构,并对混联天线机构结构进行描述,利用螺旋理论分析混联天线机构自由度数目和性质;用指数积公式表示混联天线机构各杆件位姿,建立混联天线机构运动学模型,得到混联天线机构各个杆件的速度螺旋矩阵;通过MATLAB软件仿真得到混联天线机构方位和俯仰运动轨迹,通过ADAMS软件仿真对理论求解得到的混联天线机构运动学参数进行验证。最后基于混联天线机构原理样机进行运动特性实验。     

一种单自由度展开机构的设计与运动学分析

设计了一种新型的展开机构,该机构具有单自由度、大折展比、能够展开成特定几何形状的特性,可以用于薄壁筒体构件在焊接过程中的内部支撑等场合。采用修正的G-K公式对展开机构的自由度进行了计算与分析,证明所设计机构具有单个自由度,便于添加驱动控制。采用矢量法建立了展开机构的运动学分析模型,通过算例分析,说明所设计机构尺寸参数的合理性。最终,制作了展开机构的实物样机,作为对机构构型与尺寸参数的进一步验证。     

一种5自由度并联机构运动学及仿真研究

针对需要5自由度的特殊情况,提出一种新的5自由度的并联机构,对其运动学进行分析。应用螺旋理论以及修正的G-K公式验证了该并联机构所具有的自由度,运用闭环矢量法求该机构的位姿反解,基于Matlab及Adams软件对该机构进行运动学仿真。得出了该机构的自由度情况及Matlab和Adams得到的反解运动曲线。通过Adams仿真验证了该机构自由度求解的正确性,对比Matlab和Adams的反解运动曲线验证了该机构反解的正确性。     

基于正棱锥可展单元的球形雷达校准机构的设计方法及研究

地面雷达监测是目前对空间碎片最为有效的监测方法之一,为了保证地面雷达测量精度,需要对其进行鉴定、校准。校准装置需要具有恒定的外形,尽可能接近球形,同时为满足发射时体积包络要求,亟需一种具有小折展比的可展开球形雷达校准机构。通过对成角杆剪式单元进行分析,提出了一种成角杆正棱锥剪式单元,该单元能够实现空间放缩;通过对空间多面体的研究,分析了球形多面体的构造方法;根据所构造的球面构型,通过模块化的正棱锥可展单元组合的方法构成球形可展机构。总结了一种用于设计球形可展机构的理论方法,并通过原理样机验证了方法的可行性,将为我国第一颗雷达校准卫星研制打下良好的基础,具有很好的应用前景。     

可展开固体反射面天线折展机构设计及分析

针对传统固面可展开天线中旁瓣绕双转轴独立折展造成的系统同步性差及可靠性低的问题，设计并分析了一种单自由度折展方案。首先提出了基于粒子群算法的收拢态位姿确定算法，结合等效轴角定理给出了单自由度旋转展开的参数确定方案；以相邻旁瓣运动轨迹为基础，结合变密度拓扑优化方法给出了反射器背架设计方案，分析结果表明本文所设计背架可使反射器热变形降低62.5%，基频提高了4倍，充分证明了背架设计的有效性。以一款10 m口径固面可展开天线为对象进行了折展机构设计，并分析了折展过程中运动学、动力学参数变化规律。基于螺旋理论对折展机构进行分析，得出了多种消极运动副引入方案，并最终选取RSPRR进行机构非过约束设计。分析结果表明，本文所述的固面可展开天线可以完成收拢态与展开态之间的切换，收纳率达到了0.384，折展过程平稳可靠，验证了该设计方案的可行性。同时，相关研究方法及结论可以为固面可展开天线的设计提供技术参考。     

可展开固体反射面机构设计及运动学分析

针对传统固体反射面机构主反射面型面精度和收拢率较低的问题,设计了一种可展开固体反射面机构。首先,提出4种固体反射面机构可展单元构型并对其机构自由度进行分析,对比分析构型方案优缺点确定构型方案4作为可展单元基础构型,并对其结构和展开原理进行详细设计。通过D-H坐标变换建立该机构可展单元的运动学模型,根据几何约束条件建立机构位置矢量方程,利用向量封闭投影法解出各回转角间的关系,结合MATLAB软件编程对机构的位置、速度和加速度进行分析。应用ADAMS软件建立机构仿真模型,验证了机构运动学分析的正确性。最后根据机构中回转角的限制条件和结构尺寸关系,分析回转角和结构尺寸对可展开固体反射面机构收拢率的影响,确定2.2m可展开固体反射面机构的回转角和旋转角分别为78°和30°,中心圆盘半径、铰支座一孔纵向尺寸、切换连杆横向尺寸、纵向尺寸分别为245,8,40,18mm,收拢率为0.326,从而为可展开固体反射面机构的设计提供参考。     

基于直线驱动的空间可展机构运动分析

将直线机构与折纸机构相结合,设计出一种新型空间可展机构,并对其进行运动分析。运用抽象思维将筝形纸板的四条边线抽象为构件,将相邻边线间的拐点抽象为转动副,提出一种二自由度筝形七杆机构,采用几何证明的方式,对机构执行构件实现直线运动的条件进行研究,结合运动支链为末端执行构件提供约束的本质,通过引入平行约束的方式,设计得到多种单自由度筝形直线机构。以筝形直线机构为基础构造可展单元,阐述模块化组成筝形直线可展机构的原理和过程。根据三浦折纸机构的运动几何特性和面对称性,在运动学分析的基础上,提出一种通过改变对称面上共线等距点的间距来实现机构折展的驱动方式,经由筝形直线可展机构予以实现后,建立整体空间可展机构的虚拟样机模型,研究机构的运动干涉问题及其影响因素,绘制折展率性能图谱,得到了该空间可展机构的折展率随着板厚h的减小和切除长度c的增大而增大的结论,为机构的结构设计和工程应用提供参考依据。     

基于Twin-Bennett机构固面可展开天线的优化设计

为了解决Twin-Bennett(TB)机构控制固面可展开天线展开过程的干涉问题从而提高收拢能力,对传统太阳花式天线分割方案进行了改进。通过指数积公式建立了该固面可展开天线设计参数与收拢率之间的数学模型,并以收拢率为目标函数对盘面分割方案进行了优化分析,通过多初值点序列二次规划算法得到了最优设计参数。针对收拢的同步性问题进行了伞状同步展开机构的设计,该同步机构能将直线运动转化为固面可展开天线的展开运动,同时能保证整体固面可展开天线的单自由度和同步性。最后进行了软件仿真和实物模型的制作。整体设计可提高传统太阳花式固面可展开天线的收拢能力,将收拢率从44%降低至37%,同时保证了驱动机构的简易性。仿真分析和3D打印模型结果证明了该方法的可行性和合理性。     

抛物面式固体反射面天线结构的展开设计

针对固体反射面可展天线结构的分块数量和包络尺寸等实际需求,对抛物面刚性可展天线结构进行分块优化和连接设计。依据可动性分析,分块优化选用双自由度的单顶点五折痕模式,但是通过约束折痕转动实现反射面运动路径可控。采用平面单位圆模型定性分析分块节点的几何参数对机构收纳比的影响。以收纳比为优化目标函数,以刚性约束、碰撞约束和可动性约束为优化约束条件,建立抛物面刚性可展天线结构的优化框架,并采用1st Opt结合简面体爬山法结合通用全局优化算法计算分块参数。针对面板转动过程碰撞问题,进行了面板连接节点和转动轴设计。仿真分析和3D打印分块模型结果说明该方法的可行性和合理性。     

平面二维移动可展机构动力学分析

提出一种新的仅含转动副的平面二维移动可展单元,经模块化组合与扩展后,构造出一种平面二维移动可展机构,该机构的执行构件可实现工作平面内的二维移动。在简述机构结构原理的基础上,分别对机构的运动学、动力学进行分析;最后,以三层平面二维移动可展机构为例,对其进行动力学数值计算和虚拟仿真,验证所建运动学和动力学模型的正确性和有效性。仿真结果表明:牛顿欧拉方法可对构件数量庞大但通过模块化叠加而形成的可展机构进行动力学建模,在求解机构运动或所需驱动力的基础上,还可求解得到全部运动副处的约束反力,从而提高其在移动可展机构中应用的可行性。