空间磁像仪在轨指向调节机构设计与结构研究

论文摘要

空间磁像仪是太阳望远镜的一种,主要负责观测太阳磁场、太阳耀斑与日冕物质三者之间关系及太阳活动对地球的各项物理参数的影响。空间磁像仪的支撑结构作为磁像仪与卫星平台的对接装置,为了使磁像仪获取全天候不间断的测量数据,也要对空间磁像仪的支撑结构进行相应的可调化设计。本文针对某型号空间磁像仪的在轨指向调节机构进行分析和设计研究,其中光学箱的总质量为95Kg,使空间磁像仪的光轴可以实现上下俯仰及左右偏摆均大于±720arcsec的偏转角度,且在调节过程中的误差不超过±5arcsec,因此对指向调节机构的设计精度要求非常高。本文根据空间磁像仪调节机构的运动要求,对两种调节机构的运动特性进行了研究,分别是基于柔性铰链的调节机构与基于曲柄摇杆机构的调节机构。首先介绍了基于柔性铰链的调节机构的运动原理及结构部件组成,详细介绍了柔性铰链的应用及主要分类,并通过Adams软件建模仿真,计算出机构中所使用到的柔性铰链在机构调节过程中几何中心的位移情况,确定了机构中所使用的柔性铰链为多轴柔性铰链,通过Adams软件及Matlab软件对调节机构进行运动学仿真并对两种软件的仿真结果进行了对比,发现仿真结果无论是调节范围还是调节精度都满足设计要求。然后,介绍了基于曲柄摇杆机构的调节机构的运动原理及结构部件组成,详细介绍了调节机构中所设计的同步机构,利用Adams建立了调节机构模型,并进行运动学仿真。最后,总结得出两种运动机构的运动学特性都满足调节范围与调节精度的设计要求。在调节机构设计完成之后,接下来对基于曲柄摇杆机构的调节机构中所用到的曲柄摇杆机构的设计进行了深入研究,首先从数学模型出发推导出了曲柄摇杆机构的各项运动参数,包括连杆与摇杆的角位移、角速度、角加速度等,其次利用Matlab软件对曲柄摇杆机构进行杆长设计,得到了最优的结构杆长,即连杆长为182mm,摇杆长为808mm。通过Matlab软件对所设计的曲柄摇杆机构进行运动分析与仿真,结果表明所设计的曲柄摇杆机构满足设计要求。最后,对基于柔性铰链调节机构中的丝杠连杆进行了静力学仿真及轻量化设计,在保证结构强度的基础之上减轻了构件质量。之后对两种调节机构进行了模态仿真,并对两种机构分别从增加辅助支撑及增强调节机构的部件结构刚度等两个方面进行了刚度优化,使两种调节机构的一阶固有频率均大于100Hz,保证了设备结构安全。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 国内外研究现状及发展趋势
•     1.2.1 磁像仪国内外研究现状及发展趋势
•     1.2.2 光学载荷与卫星平台对接方式国内外研究现状及发展趋势
•   1.3 本文主要研究内容
•   1.4 本文所采用的技术手段
•   1.5 本章小结
• 第2章 调节机构设计与结构设计基本概念
•   2.1 支撑结构运动学设计
•   2.2 有限元分析
•     2.2.1 有限元分析简介
•     2.2.2 有限单元法分析的一般步骤
•   2.3 结构优化设计
•   2.4 本章小结
• 第3章 空间磁像仪运动学支撑方案设计
•   3.1 空间磁像仪的结构尺寸与设计要求
•   3.2 基于柔性铰链的运动学支撑
•     3.2.1 运动学支撑调节原理与结构
•     3.2.2 柔性铰链设计
•       3.2.2.1 柔性铰链应用简介
•       3.2.2.2 空间磁像仪调节机构柔性铰链设计
•   3.3 调节机构Adams与 Matlab运动仿真
•     3.3.1 光学箱前端向下运动
•     3.3.2 光学箱前端向上运动
•     3.3.3 光学箱前端左右偏摆运动
•   3.4 基于曲柄摇杆机构的运动学支撑
•     3.4.1 运动学支撑原理与结构
•     3.4.2 光学箱同步机构设计
•   3.5 调节机构Adams运动仿真
•   3.6 本章小结
• 第4章 曲柄摇杆机构运动参数推导与杆长设计仿真
•   4.1 机构运动学的复数表示法
•   4.2 曲柄摇杆机构数学模型与角位移分析
•   4.3 曲柄摇杆机构角速度分析
•   4.4 曲柄摇杆机构角加速度分析
•   4.5 曲柄摇杆机构杆长设计
•   4.6 曲柄摇杆机构Matlab运动学仿真
•   4.7 本章小结
• 第5章 支撑结构轻量化设计与调节机构仿真分析
•   5.1 丝杠连杆的轻量化设计
•     5.1.1 轻量化前的受力分析
•     5.1.2 轻量化后的受力分析
•   5.2 基于柔性铰链的调节机构模态分析
•     5.2.1 刚度优化前的模态分析
•     5.2.2 调节机构刚度优化与模态分析
•   5.3 基于曲柄摇杆机构的调节机构模态分析
•     5.3.1 刚度优化前的模态分析
•     5.3.2 调节机构刚度优化与模态分析
•   5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 论文总结
•   6.2 论文的不足与展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 孙振国

导师: 王炜

关键词: 空间磁像仪,调节机构,柔性铰链,运动分析,杆长设计,轻量化,有限元仿真

来源: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 天文学,仪器仪表工业

单位: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

分类号: TH753.16

DOI: 10.27605/d.cnki.gkxgs.2019.000018

总页数: 88

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