含铰链间隙板式卫星天线展开精度分析

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1、2016年12月第42卷第12期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsDecember2016V01．42No．12http：／／bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2015．0808含铰链间隙板式卫星天线展开精度分析丁建中1，王春洁1’2，+(1．北京航空航天大学机械T程及自动化学院，北京100083；2．北京航空航天大学虚拟现实技术与系统国家重点实验室，北京10

2、0083)摘要：板式卫星天线展开机构在航天领域有着广泛的应用，其空间尺寸大，拓扑结构复杂，构件之间多用铰链联结，卫星天线对指向精度要求较高，应考虑铰链间隙对指向精度的影响。含铰链间隙的卫星天线展开机构的指向精度分析建模复杂、求解困难，为此提出了矩阵法分块建模的分析方法，将复杂的整机模型分解成锁定机构计算模型与2个单闭环机构计算模型，分别分析计算铰链间隙对其精度造成的影响，建立整机的计算模型并采用粒子群优化算法进行求解，得到某特定构型的板式卫星天线在极恶劣工况下展开的指向误差为0．067。。研究表明，建立的计算模型精度高，通过智能优化算法求

3、解可以快速得到卫星可展开机构的指向精度极恶劣值，为展开机构的误差补偿设计提供参考。关键词：可展开机构；误差分析；铰链间隙；运动学分析；粒子群优化算法中图分类号：THll2．1文献标识码：A文章编号：1001．5965(2016)12．2625-07卫星经运载火箭运送到指定轨道后，通过展开锁定机构实现天线的展开与定位。对于大尺寸、高精度要求的展开机构与指向机构，其精度指标关乎系统的成败⋯。在卫星上所使用的机构多用铰接结构，由于铰链间隙的影响，铰接机构具有力学上的非线性特性旧刮与运动学上的不确定性H⋯，这为铰接板式卫星天线展开机构的分析增添了

4、很大困难。以往对含铰链间隙机构的精度分析研究主要集中于开环机构m1及简单的四杆机构"’101或曲柄滑块机构¨1【。对于复杂多闭环机械系统，学者们往往借助于多体动力学工程软件从动力学的角度通过建立铰接子系统模型考察整个系统的振动冲击特性¨2．15]，而对其复杂的运动学不确定性分析较少。对于大型空间可展开机构的精度分析，学者们也做了很多研究，并取得了一定的成果，但其分析结果是在已知或者假定所研究关键设计参数的随机分布特性的前提下¨“，并经过大量近似处理后得到的”。，其结果精确度有待进一步验证。本文采用智能优化算法求解因铰链间隙引起的指向精度，

5、不需要确定铰链间隙模型的随机分布特性；采用矩阵法构造计算模型，避免了常用几何法因模型简化及向量法因不同数量级数值运算而造成的精度损失。对锁定机构的锁定误差单独建模分析，将误差值作为输入变量输入到单环路模型中进行后续运算，减少了模型的复杂度；从几何误差角度求得卫星天线展开后的极限指向误差，为进一步进行含铰链间隙的动力学误差分析¨7o及机构的误差补偿设计奠定了基础。1板式卫星天线展开机构构型采用在航天领域应用广泛的有源驱动折叠式展开机构作为研究对象，其构型关于展开方向与天线板垂线方向所构成的平面对称，在分析其展收藕日期：2015．12-07；

6、录用日期：2016-01·15；网络出版时间：2016-09-2009：50网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20160920．0950．002．html}通讯作者：Tel．：01042339818E-mail：wangcj@buaa．edu．cn引用格式：丁建中。王春洁．舍铰链间隙板式卫星天线展开精度分析ⅣJ．北京航空航天大学学报，2016，42(12)：2625_263J·DINGJZ。WANGCJ．Deploymentaccuracyanatysisofptanarsatelilte

7、8ntennawithjointclearancesfjj·JournajofBeijingUni—yersj￡yofAeronauticsandAstronautics，2016，42(12)：2625-2631(inChinese)·2626北京航空航天大学学报2016年开指向精度时可按平面连杆机构处理。机构的收拢状态与展开状态构型如图1所示。图中：铰链O与铰链A与星体固联。依平面机构自由度计算公式得此展开机构自由度为F=3n一2PL—PH=3x9—2×12=3(1)式中：n为构件数目；尸。为平面低副数目；P。为平面高副数目。在铰链O

8、处布置电机驱动作为主要驱动源，并在铰链B和铰链G处布置扭簧作为被动驱动源辅助机构展开，使得展开机构具有确定的运动。为了确保机构展开死点位置可靠性，在铰链B、铰链E和饺链G处设置锁定机构，其达到