空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)非線性因素對(duì)指向精度的影響【2K-H行星輪系優(yōu)秀課程畢業(yè)設(shè)計(jì)帶任務(wù)書+開題報(bào)告+外文翻譯】

空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)非線性因素對(duì)指向精度的影響【優(yōu)秀課程畢業(yè)設(shè)計(jì)帶任務(wù)書+開題報(bào)告+外文翻譯】空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)非線性因素對(duì)指向精度的影響【2K-H行星輪系】空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)非線性因素對(duì)指向精度的影響摘  要隨著航天事業(yè)的高速發(fā)展以及空間機(jī)械臂的廣泛應(yīng)用，致使人們對(duì)天線指向精度的要求也在逐漸提高，而空間機(jī)械臂作為天線系統(tǒng)核心部件，對(duì)于天線機(jī)構(gòu)的指向行為有著重要影響。因此，本文通過調(diào)研大量文獻(xiàn)與國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)處非線性因素的影響做了進(jìn)一步研究。本文以行星輪系作為空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)為主要研究對(duì)象，側(cè)重分析行星輪系的非線性因素對(duì)指向精度的影響。本文選取2K-H行星輪系作為行星輪系的研究對(duì)象，在已有的行星輪系動(dòng)力學(xué)建模方法的基礎(chǔ)上，引入等效彈簧阻尼模型，建立了行星輪系的平移-扭轉(zhuǎn)耦合模型，進(jìn)而分析了行星輪系中非線性因素的計(jì)算。為了進(jìn)一步研究天線指向行為所受的影響，根據(jù)行星輪系的動(dòng)力學(xué)模型，建立了含行星輪系的天線動(dòng)力學(xué)模型，明確了關(guān)節(jié)處非線性因素對(duì)天線指向精度的影響?；诓煌姆蔷€性因素對(duì)天線指向行為的影響，使用ADAMS動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)關(guān)節(jié)非線性因素進(jìn)行了模擬仿真，得出了行星輪系非線性因素影響指向精度的結(jié)果。進(jìn)而繪制了天線偏移量的波動(dòng)曲線，直觀地反應(yīng)了天線指向精度所受影響，并提出了規(guī)律性結(jié)論。這對(duì)于提高天線精度和降低機(jī)械臂制造成本有著重要指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞指向精度；非線性因素；行星輪系；ADAMS軟件Effect of Space Manipulator Joint Nonlinear Factors on Pointing AccuracyAbstract  With the rapid development of aerospace industry and the wide application of space manipulator, the requirement of pointing accuracy to the antenna is gradually increasing, and the space manipulator has the important influence on the pointing behavior of the antenna mechanism as the core component of the antenna system. Therefore, based on the investigation of a large number of literature and the status research at home and abroad, this paper makes further research on the influence of nonlinear factors in the joints of the manipulator. In this paper, the planetary gear train is used as the space arm joint as the main research object, focusing on the analysis of the nonlinear factors of the planetary gear train on the precision of the impact.  In this paper, the 2K-H planetary gear train is selected as the planetary gear train. Based on the existing dynamic modeling method of planetary gear train, the equivalent spring damping model is introduced to establish, the coupled model of planetary gear system is established, and then the nonlinear factors in planetary gear train are analyzed. In order to studying the influence of the antenna pointing behavior, the antenna dynamics model of the planetary gear train is established according to the dynamic model of the planetary gear train, and the influence of the nonlinear factors on the pointing accuracy of the antenna is clarified. Based on the influence of different nonlinear factors on the pointing behavior of the antenna, the non-linear factors of the joint are simulated by ADAMS, and the result of the accuracy of the nonlinear factors of the planetary gear train is obtained. And then we draws the fluctuation curve of the antenna offset, intuitively reflects the influence of the antenna pointing precision, and puts forward the regular conclusion. This has important guiding significance for improving the antenna accuracy and reducing the manufacturing cost of the manipulator.KeywordsPointing accuracy, nonlinear factor, planetary gear train, ADAMS目錄摘  要IAbstractII第1章 緒論11.1 課題研究的背景和意義11.2 空間機(jī)械臂減速器綜述及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.2.1 行星輪系減速器國外研究現(xiàn)狀11.2.2 行星輪系減速器國內(nèi)研究現(xiàn)狀21.3 天線指向精度的影響因素31.3.1 影響行星輪系減速器的非線性因素41.3.2 行星輪系減速器作為關(guān)節(jié)的影響4第2章 行星輪系動(dòng)力學(xué)模型62.1 動(dòng)力學(xué)模型的確立與假設(shè)62.2 齒輪側(cè)隙的計(jì)算82.3 嚙合誤差的計(jì)算92.4 摩擦力的計(jì)算102.5 耦合誤差的計(jì)算112.6 本章小節(jié)12第3章 含行星輪系的天線動(dòng)力學(xué)模型133.1 含行星輪系的天線動(dòng)力學(xué)模型133.1.1 星載天線結(jié)構(gòu)模型簡圖及其假設(shè)133.1.2 星載天線動(dòng)力學(xué)建模143.2 本章小節(jié)14第4章 ADAMS的數(shù)值仿真與結(jié)果比較154.1 單個(gè)行星輪系對(duì)天線動(dòng)力學(xué)影響的研究164.1.1 齒側(cè)間隙對(duì)天線動(dòng)力學(xué)的影響分析164.1.2 嚙合誤差對(duì)天線動(dòng)力學(xué)的影響分析174.1.3 摩擦因素對(duì)天線動(dòng)力學(xué)的影響分析184.1.4 耦合誤差對(duì)天線動(dòng)力學(xué)的影響分析194.1.5 本節(jié)小結(jié)224.2 兩個(gè)行星輪系對(duì)天線動(dòng)力學(xué)的耦合研究224.2.1 側(cè)隙對(duì)天線動(dòng)力學(xué)的影響分析224.2.2 嚙合誤差對(duì)天線動(dòng)力學(xué)的影響分析234.2.3 摩擦因素對(duì)天線動(dòng)力學(xué)的影響分析274.2.4 耦合誤差對(duì)天線動(dòng)力學(xué)影響分析294.2.5 本節(jié)小結(jié)34結(jié)論35致謝36參考文獻(xiàn)37【詳情如下】【需要咨詢購買全套設(shè)計(jì)請(qǐng)加QQ1459919609】三維建模及其他【不要可以刪掉】三維建模及其他【不要可以刪掉】.zip任務(wù)書.doc分析簡述報(bào)告.docx原創(chuàng)性聲明.doc封皮.doc開題報(bào)告.doc報(bào)告簡述封皮.doc文件清單.txt畢業(yè)設(shè)計(jì)評(píng)語.doc空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)非線性因素對(duì)指向精度的影響說明書正文.docx行星減速器裝配圖.dwg 哈爾濱理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 學(xué)生姓名： 黃致遠(yuǎn) 學(xué)號(hào)： 1330060306 學(xué) 院：榮成學(xué)院 專業(yè)：機(jī)械 設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 任務(wù)起止時(shí)間： 2017 年 2 月 27 日至 2017 年 6 月 25 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： 空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)非線性因素對(duì)指向精度的影響 畢業(yè)設(shè)計(jì)工作內(nèi)容： 1、 查找國內(nèi)外 空間機(jī)械臂關(guān)節(jié) 的發(fā)展現(xiàn)狀； 12 周 2、 確定 空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)的 設(shè)計(jì)方案； 34 周 3、 分析指向精度 ； 57 周 4、 確定非線性線性因素 ； 89 周 5、 進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，分析仿真結(jié)果； 1013 周 6、 撰寫畢業(yè)論文，準(zhǔn)備答辯。 1416 周 資料： 1 徐灝 . 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) S. 北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 ， 1991. 9 2 鞏娟 ， 李玉 J. 現(xiàn)代制造工程 ，2005 (2):115 3 張曉峰 ， 林彬 . 大行程納米級(jí)分辨率超精密工作臺(tái)的發(fā)展方向 J. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào) ， 2005. 11. 第 37 卷增刊 . 4 王三民 ， 諸文俊 . 機(jī)械原理與設(shè)計(jì) M. 機(jī)械工業(yè)出版社 ， 5 雷 勇 ， 陳本永 ， 楊元兆 ， 張麗瓊 ， 王俊茹 ， 馮 平 . 納米級(jí)微動(dòng)工作臺(tái)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) J. 浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào) ， 3 卷 ， 第 1期 . 指導(dǎo)教師意見： 簽名： 年 月 日 系主任意見： 簽名： 年 月 日 教務(wù)處制表 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 1 - 第 1章 分析簡述 空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)對(duì)于指向精度的性能分析是本文的研究重點(diǎn)，通過進(jìn)一步討論和國內(nèi)外分析，從而確立空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)具體類型。進(jìn)而建立動(dòng)力學(xué)模型并確立非線性因素的計(jì)算方法，最后利用 行動(dòng)力學(xué)仿真求解，并繪制相應(yīng)曲線，總結(jié)提高指向精度的規(guī)律性結(jié)論，本文主要分析過程如圖 1示。 確立空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)建立行星輪系動(dòng)力學(xué)模型與空間機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)模型確立非線性因素計(jì)算方法空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)非線性因素對(duì)指向精度的影響A D A M S 數(shù)值仿真單個(gè)空間機(jī)械臂關(guān)節(jié) 兩個(gè)空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)齒側(cè)間隙嚙合誤差耦合誤差摩擦因素齒側(cè)間隙嚙合誤差耦合誤差摩擦因素圖 1析簡述圖 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 2 - 第 2章 值仿真 與分析結(jié)果 首先，確定行星輪系減速器和機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)如表 2據(jù)主要參數(shù)利用 立行星輪系的三維模型。 表 2星輪系主要參數(shù) 主要參數(shù) 太陽輪 行星輪 內(nèi)齒輪 齒數(shù) 21 18 66 齒輪數(shù)量 1 3 1 中心距 ( 70 模數(shù) 4 壓力角 ( 20 齒寬 ( 100 螺旋角 ( 0 仿真主要分為單個(gè)行星輪系和多個(gè)行星輪系對(duì)天線動(dòng)力學(xué)的影響兩個(gè)部分，根據(jù)天線動(dòng)力學(xué)模型確定機(jī)械臂主要參數(shù)如表 2以行星輪系減速器作為關(guān)節(jié)建立三維模型。 圖 2間機(jī)械臂 型 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 3 - 表 2械臂主要參數(shù) 主要參數(shù) 0l 1l 2l 衛(wèi)星 x 軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ( mm/ y 軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ( z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ( 質(zhì)量 ( kg/m ) 15 3 1 5000 長度 ( mm/l ) 1500 300 100 將 建立的 三維模型導(dǎo)入 進(jìn)行分析，根據(jù)表 2置機(jī)械臂主要參數(shù) 如圖 2施加相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)副、固定副和接觸進(jìn)行仿真 處理 。仿真時(shí)，太陽輪為主動(dòng)輪為其施加驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速為 8/s，仿真時(shí)長為 5s，初始摩擦系數(shù)為 察天線相對(duì)于空間坐標(biāo)系的波動(dòng)情況 如圖 2示 。 圖 2設(shè)置主要參數(shù) 圖 2后處理界面 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 4 - 第 3章 單個(gè)行星輪系對(duì)天線動(dòng)力學(xué)影響的研究 如表 3示，將非線性因素與仿真中可控制變量相關(guān)聯(lián)，可以將模型簡化并有效的提高了仿真的效率。 表 3線性因素與仿真主要參數(shù) 間隙值 材料因素 速度因素 摩擦系數(shù) 齒側(cè)間隙 嚙合誤差 摩擦因素 耦合誤差 側(cè)間隙 對(duì)天線動(dòng)力學(xué)的影響分析 仿真過程： 將側(cè)隙對(duì)天線動(dòng)力學(xué)的影響主要分析太陽輪與行星輪嚙合的側(cè)隙和行星輪與內(nèi)齒輪嚙合的側(cè)隙，根據(jù)第二節(jié)對(duì)側(cè)隙計(jì)算的分析，所以分為 0想情況）、 五種不同情況進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，并與 0理想情況 ） 進(jìn)行對(duì)比分析。 a)齒側(cè)間隙為 b)齒側(cè)間隙為 c)齒側(cè)間隙為 d)齒側(cè)間隙為 3同間隙與理想狀態(tài)下的比較 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 5 - 圖像描述： 四組仿真結(jié)果如圖 3示，為考慮單個(gè)行星輪系的不同齒側(cè)間隙大小對(duì)天線動(dòng)力學(xué)的影響分析天線相對(duì)于理想位置的運(yùn)動(dòng)偏差。從圖中可以看出，齒側(cè)間隙越大，天線相對(duì)偏移量的波動(dòng)越大。而當(dāng)單個(gè)行星輪系的齒側(cè)間隙大于 ， 偏移量 會(huì)出現(xiàn)大幅波動(dòng)， 原因分析： 說明由于存在較大的齒側(cè)間隙， 會(huì) 導(dǎo)致行星 輪系的 輪齒嚙合出現(xiàn)了脫齒現(xiàn)象，使得齒輪嚙合精度下降，傳動(dòng)效率降低。 規(guī)律應(yīng)用： 因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該盡量減小齒側(cè)間隙，以提高齒輪精度，但適當(dāng)?shù)凝X側(cè)間隙可以防止齒輪卡死等狀況，所以推薦留有 齒側(cè)間隙。 合誤差對(duì)天線動(dòng)力學(xué)的影響分析 仿真過程及設(shè)定： 嚙合誤差主要來自于行星輪系中的齒輪嚙合情況 。因此，仿真主要是 從齒輪的 材料 和齒輪嚙合 時(shí)的工作狀態(tài) 兩個(gè)方面綜合考慮。齒輪的制造精度主要由齒輪材料 所決定， 如表 3別選取 3 種不同材料進(jìn)行仿真。 嚙合 時(shí)的工作狀態(tài)是指從 行星輪系在載荷一定的情況下，關(guān)節(jié) 部分所處的運(yùn)行狀態(tài) ， 如恒速與非恒速，所以仿真時(shí)恒速 轉(zhuǎn)速為 8/s，非恒速為 置的 數(shù)： )0 , 0 d , 5 , 3 0 E P ( ,仿真時(shí)長為 5s，摩擦系數(shù)為 側(cè)間隙為 表 3種齒輪材料主要參數(shù) 主要參數(shù) 1K 2K 3K 密度 ( 3kg/ 泊松比 氏模量 ( 2N/ a) 1K 材料 b) 2K 材料 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 6 - c) 3K 材料 圖 3種材料在恒速與非恒速下的對(duì)比 圖像描述： 圖 3考 行星輪系的三種材料在恒速和非恒速兩個(gè)情況下，天線的相對(duì)偏移量。 圖 3-2 b)中可以看出， 2K 在非恒速狀態(tài)下，天線的偏移量波動(dòng)較大，但 1K 與3者在恒速與非恒速均波動(dòng)較小。 原因分析： 說明齒輪材料對(duì)行星輪系的嚙合精度有一定影響，而泊松比的影響尤為明顯，泊松比大的齒輪材料，徑向變形量比軸向變形量要大，使得在非恒速狀態(tài)下，天線機(jī)構(gòu)仍能保持較小的相對(duì)偏移量。 擦因素對(duì)天線動(dòng)力學(xué)的影響分析 仿真設(shè)定： 考慮摩擦因素對(duì)天線的影響，主要根據(jù) 型確定的摩擦系數(shù)進(jìn)行分析，分為 1 和 2 兩種情況，其仿真數(shù)值為 為了更全面的分析其影響，考慮到天線的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)行星輪的嚙合影響較大，所以將摩擦系數(shù)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)綜合分析摩擦因素的影響，仿真時(shí)，轉(zhuǎn)速為 8/s，仿真時(shí)長為 5s， 齒側(cè)間隙為 a)摩擦系數(shù)為 b)摩擦系數(shù)為 3速與非恒速對(duì)不同摩擦系數(shù)的影響 圖像描述： 圖 3各摩擦系數(shù)在恒速與非恒速的對(duì)比， a)圖所示非恒速的狀態(tài)下天線相對(duì)偏移量波動(dòng)的峰值較大，說明在摩擦系數(shù)為 ，行星輪系的嚙合在恒速與非恒速的狀態(tài)下均受到了摩擦的影響，但影響較小哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 7 - 且兩者波動(dòng)狀態(tài)相近。而 b)圖所示恒速與非恒速均出現(xiàn)較大的波動(dòng)峰值，在恒速狀態(tài)下出現(xiàn)了最大波動(dòng)峰值，而非恒速狀態(tài)下波動(dòng)頻率明顯也增多 。 原因分析： 說明在摩擦系數(shù)為 ，速度因素對(duì)天線指向精度影響較大 ， 導(dǎo)致行星輪在啟動(dòng)后更難進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)于關(guān)節(jié)的運(yùn)行穩(wěn)定性影響很大。 a)恒速狀態(tài) b)非恒速狀態(tài) 圖 3同摩擦系數(shù)在恒速與非恒速下的對(duì)比 圖像描述： 圖 3-4 a)所示恒速狀態(tài)下兩個(gè)不同摩擦系數(shù)對(duì)天線偏移量的影響，當(dāng)摩擦系數(shù)為 波動(dòng)峰值較大，但總體來看與摩擦系數(shù)為 波動(dòng)頻率相近，說明在恒速下摩擦系數(shù)的數(shù)值對(duì)天線相對(duì)偏移量影響相對(duì)較小。 b)所示非恒速狀態(tài)下，摩擦系數(shù)為 波動(dòng)明顯較小，而摩擦系數(shù)為 出現(xiàn)數(shù)次較大波動(dòng)峰值，說明在非恒速下摩擦系數(shù)的數(shù)值對(duì)行星輪系與天線指向精度均有較大影響。 規(guī)律應(yīng)用： 因此，首先應(yīng)當(dāng) 盡量避免天線機(jī)構(gòu)的急回特性，盡量降低摩擦系數(shù)，提高嚙合精度，使天線在運(yùn)行過程中處于較平穩(wěn)狀態(tài)下可以減少摩擦因素對(duì)天線指向精度的影響。 合誤差對(duì)天線動(dòng)力學(xué)的影響分析 仿真過程： 耦合誤差考慮多個(gè)因素對(duì)天線動(dòng)力學(xué)的影響，主要從嚙合誤差及齒輪側(cè)隙兩個(gè)方面分析，為了更好分析對(duì)比，引入新的材料 4K ，其密度為 ，泊松比為 析耦合誤差時(shí)，摩擦系數(shù)為 度恒定 8/s， 仿真并觀察耦合誤差的影響結(jié)果。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 8 - a)齒側(cè)間隙為 b)齒側(cè)間隙為 c)齒側(cè)間隙為 d)齒側(cè)間隙為 3輪 材料 為 1K 時(shí) 在不同間隙 的對(duì)比 a)齒側(cè)間隙為 b)齒側(cè)間隙為 爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 9 - c)齒側(cè)間隙為 d)齒側(cè)間隙為 3輪 材料 為 2K 時(shí) 在不同間隙 的對(duì)比 a)齒側(cè)間隙為 b)齒側(cè)間隙為 c)齒側(cè)間隙為 d)齒側(cè)間隙為 3輪 材料 為 3K 時(shí) 在不同間隙 的對(duì)比 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 10 - a)齒側(cè)間隙為 b)齒側(cè)間隙為 c)齒側(cè)間隙為 d)齒側(cè)間隙為 3輪 材料 為 4K 時(shí) 在不同間隙 的對(duì)比 圖線描述： 上述四組仿真結(jié)果為四種不同齒輪材料在不同間隙下對(duì)天線系統(tǒng)偏移量的影響，首先從圖中可以看出齒側(cè)間隙越小，天線偏移量越小。而當(dāng)齒側(cè)間隙大于 ，天線偏移量會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)，尤其當(dāng)齒輪材料為 2K 與3側(cè)間其數(shù)值均大于理想狀態(tài)下的天線偏移量， 原因分析： 說明 2K 與3比較當(dāng)齒 輪材料為 1K 與 4K 時(shí)，齒側(cè)間隙大于 ，其數(shù)值與理想天線偏移量相近，說明泊松比較大的齒輪材料能夠減少齒側(cè)間隙較大帶來的不利影響。 規(guī)律應(yīng)用： 因此，通過上述仿真結(jié)果和分析，若能盡量減少齒側(cè)間隙，則可以選取如 2K 、3保持行星輪系傳動(dòng)的穩(wěn)定性，相反，若齒側(cè)間隙較大時(shí)，則可以選取泊 松比較大的材料如 1K 與 4K ，可以減少齒側(cè)間隙對(duì)天線系統(tǒng)的影響。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 11 - 章小結(jié) 本節(jié)對(duì)單個(gè)行星輪系的四個(gè)非線性因素進(jìn)行了仿真和對(duì)比分析。 分析齒側(cè)間隙的仿真結(jié)果 ： 通過分析仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn) 齒側(cè)間隙越大，天線相對(duì)偏移量的波動(dòng)越大 ，但為了避免齒輪嚙合過程中出現(xiàn)卡齒等狀況，建議齒側(cè)間隙取 提高行星輪系的傳動(dòng)精度。 分析嚙合誤差的仿真結(jié)果 ： 說明速度因素造成的嚙合誤差對(duì)天線指向精度的影響很嚴(yán)重，而材料因素主要影響齒輪嚙合精度，選取類似于 1K 泊松比相對(duì)較大的齒輪材料能夠減弱嚙合誤差所帶來的影響。 分析摩擦因素的仿真結(jié)果 ： 發(fā)現(xiàn)較高摩擦系數(shù)與非恒速狀態(tài)下天線相對(duì)偏移量波動(dòng)相對(duì)劇烈，說明應(yīng)當(dāng)盡量降低摩擦系數(shù)，提高嚙合精度，并使天線系統(tǒng)處于較平穩(wěn)狀態(tài)。 分析 耦合誤差的 仿真結(jié)果： 通過仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)間隙大于 ，泊松比相對(duì)較大的齒輪材料由于橫向變形量較縱向變形量要大，所以受到齒輪側(cè)隙的影響較小。而 相對(duì)齒側(cè)間隙較小的情況下，選取泊松比較小的齒輪材料，可降低天線系統(tǒng)受到的影響。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 12 - 第 4章 兩個(gè)行星輪系對(duì)天線動(dòng)力學(xué)的耦合研究 隙對(duì)天線動(dòng)力學(xué)的影響分析 仿真過程 ： 在一個(gè)行星輪系的基礎(chǔ)上分析兩個(gè)行星輪系對(duì)天線動(dòng)力學(xué)的耦合影響，將兩個(gè)關(guān)節(jié)的行星輪系置于不同的齒輪側(cè)隙，繼續(xù)考慮上述的五種不同的側(cè)隙情況進(jìn)行 仿真 分析。仿真時(shí)，恒速為 8/s，仿真時(shí)長為 5s，摩擦系數(shù)為 a)齒側(cè)間隙為 b)齒側(cè)間隙為 c)齒側(cè)間隙為 d)齒側(cè)間隙為 4同間隙與理想狀態(tài)下的比較 圖像描述： 仿真結(jié)果如圖 4示， 與圖 3示結(jié)果基本相似 ， 其 齒側(cè)間隙越 小 ，天線相對(duì)偏移量的波動(dòng)越 小，但兩 個(gè)行星輪系的齒側(cè)間隙 ， 隨著時(shí)間的增加，偏移量也逐漸趨于平穩(wěn) 。 原因分析： 說明 適當(dāng) 的齒側(cè)間隙， 能夠有效的減少齒輪卡死狀況的幾率，使得 行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng) 能夠穩(wěn)定的傳動(dòng)，但較大間隙時(shí)，仍然導(dǎo)致了兩個(gè)行星輪系的輪齒嚙合精度下降，天線偏移量波動(dòng)較大。 規(guī)律應(yīng)用： 因此，在設(shè)計(jì)時(shí)， 兩個(gè)行星輪系同時(shí) 應(yīng)該 同時(shí) 盡量減小齒側(cè)間隙，以提高 行星輪系傳動(dòng)精度 ， 仿真結(jié)果同時(shí)也說明了兩個(gè)行星輪系齒側(cè)間隙為 可以降低天線偏移量的波動(dòng)。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 13 - 合誤差對(duì)天線動(dòng)力學(xué)的影響分析 仿真準(zhǔn)備： 在將兩個(gè)行星輪系所產(chǎn)生的嚙合誤差進(jìn)行耦合研究時(shí)，為更好的分析和觀察仿真結(jié)果，將兩個(gè)關(guān)節(jié)的連接情況為簡化為：)3,2,1,( 其中 恒速狀態(tài)下的行星輪系 1， 恒速狀態(tài)下的行星輪系 2，而將非恒速標(biāo)記為： 或 。 仿真過程： 仿真時(shí)，非恒速為 置的 數(shù)：)5 , 3 0 dt 0, 0 d,(S T E P ，恒速為 8/s， 仿真時(shí)長為 5s，摩擦系數(shù)為 a) 21 耦合 b) 31 耦合 c) 32 耦合 圖 4于恒速狀態(tài)下不同材料的耦合情況 圖像描述： 圖 4速狀態(tài)下，不同材料對(duì)天線相對(duì)偏移量的影響。其中 31 的耦合情況下的兩者圖像吻合程度較高，此情況下的兩個(gè)行星輪系材料對(duì)天線指向精度的影響大體相同。 原因分析： a)與 c)圖像均出現(xiàn)錯(cuò)位，說明波動(dòng)頻率是相近的，在啟動(dòng)初期 各輪系 之間有小幅的齒面沖擊，隨后進(jìn)入正常嚙合狀態(tài)， 波動(dòng)幅度降低。恒速狀態(tài)下，齒輪材料的變化對(duì)于天線指向精度的影響較小，此時(shí)天線偏移量均大于 0，隨著運(yùn)行穩(wěn)定，天線偏移量也逐漸減小且穩(wěn)定。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 14 - a) 21 耦合 b) 31 耦合 c) 32 耦合 圖 4于非恒速狀態(tài)下不同材料的耦合情況 圖像描述： 圖 4示非恒速狀態(tài)下各種耦合情況均出現(xiàn)了較大的波動(dòng)，這是由于非恒速狀態(tài)，啟動(dòng)時(shí)刻引起的碰撞與沖擊程度也較大，運(yùn)動(dòng)過程中加速運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致碰撞增加，振動(dòng)幅度加大，天線的相對(duì)偏移量均出現(xiàn)負(fù)值，但說明了在非恒速狀態(tài)下，齒輪材料對(duì)嚙合誤差影響較小。 原因說明： 通過仔細(xì)對(duì)比各組，發(fā)現(xiàn)其中 31 的波動(dòng)幅度相對(duì)較小，說明在非恒速狀態(tài)下，將 3K 作為末端行星輪系的材料，可以減少嚙合誤差對(duì)天線指向精度的影響。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 15 - a) 11 耦合 b) 12 耦合 c) 13 耦合 圖 4K 與恒速狀態(tài)下各齒輪材料 的耦合情況 a) 21 耦合 b) 22 耦合 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 16 - c) 23 耦合 圖 4K 與恒速狀態(tài)下各齒輪材料 的耦合情況 a) 31 耦合 b) 32 耦合 c) 33 耦合 圖 4K 與恒速狀態(tài)下各齒輪材料 的耦合情況 圖像描述： 上述仿真結(jié)果，是將兩個(gè)行星輪系分別處于不同速度狀態(tài)下的對(duì)比分析，并分成三組將 1K ， 2K 和 3K 分別與恒速狀態(tài)下各齒輪材料的耦合情況。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 17 - 原因分析： 觀察分析，啟動(dòng)后由于行星輪系傳動(dòng)系統(tǒng)中多間隙，摩擦因素等影響，導(dǎo)致天線相對(duì)于理想位置產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偏移量，而末端關(guān)節(jié)處于恒速狀態(tài)時(shí)由于碰撞過程中的能量損耗，運(yùn)動(dòng)偏差的波動(dòng)逐漸減小，但由于末端關(guān)節(jié)處于非恒速狀態(tài)，導(dǎo)致天線的相對(duì)偏移量波動(dòng)一直很大，并很難平穩(wěn)，對(duì)天線的指向精度造成非常不利的影響。 擦因素對(duì)天線動(dòng)力學(xué)的影響分析 仿真過程： 研究兩個(gè)行星輪系的摩擦系數(shù)對(duì)天線動(dòng)力學(xué)影響時(shí)，仍分為 1 和 2 兩種情況，其仿真數(shù)值仍為 理，其連接方式如上述所示，而為了更直觀的觀察仿真結(jié)果，將在非恒速下運(yùn)行的關(guān)節(jié)標(biāo)記為 1與 2 ，仿真時(shí)，仿真時(shí)長為 5s，各關(guān)節(jié)齒側(cè)間隙為 a)恒速狀態(tài) b)非恒速狀態(tài) 圖 4同嚙合狀態(tài)不同摩擦系數(shù)的耦合情況 圖像描述： 圖 4示恒速狀態(tài)與非恒速狀態(tài)下兩個(gè)行星輪處于不同摩擦系數(shù)對(duì)天線指向精度的影響， a)中恒速狀態(tài)下 21 的波動(dòng)頻率與波峰明顯高于 12 的波動(dòng)情況，但 21 接近仿真結(jié)束時(shí)波動(dòng)基本趨近于穩(wěn)定， 圖像分析： 說明末端的關(guān)節(jié)，其摩擦因素對(duì)整個(gè)天線的指向精度影響最大，但由于處于恒速狀態(tài)，隨著行星輪系逐漸平穩(wěn)的運(yùn)行，整個(gè)天線系統(tǒng)也逐漸趨于穩(wěn)定，摩擦因素的影響也開始減弱。 b)中圖形的趨勢(shì)大體與a)相似，但 21 并沒有隨著時(shí)間趨于穩(wěn)定，這是由于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)決定的，非恒速的狀態(tài)下對(duì)摩擦因素對(duì)天線指向精度的影響尤為嚴(yán)重，尤其是當(dāng)末端關(guān)節(jié)處摩擦系數(shù)相對(duì)較大時(shí)。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 18 - a)摩擦系數(shù)為 1 b)摩擦系數(shù)為 2 圖 4同摩擦系數(shù)不同嚙合狀態(tài)的耦合情況 圖像描述： 圖 4示 a)與 b)的對(duì)比與趨勢(shì)均說明了上述結(jié)論，近天線端的行星輪系對(duì)天線系統(tǒng)影響最大， a)圖中近天線端的行星輪系處于非恒速所以波動(dòng)較大，且峰值較高 。 原因分析： 說明行星輪系的速度狀態(tài)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響相對(duì)較大。對(duì)比 a)圖與 b)圖， a)圖由于摩擦系數(shù)較小，降低了受到的影響，從 后開始較大的波動(dòng)，而 b)圖在 產(chǎn)生了大幅度波動(dòng)，所以在保持速度相對(duì)恒定時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量降低摩擦系數(shù)。 a) 21 - 耦合 b) 12 - 耦合 圖 4同狀態(tài)不同摩擦系數(shù)下的耦合情況 圖像描述及原因分析： 圖 4不同狀態(tài)與不同摩擦系數(shù)進(jìn)行耦合，分析對(duì)比其仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果中發(fā)現(xiàn)近天線端的若處于恒速狀態(tài)下，除 啟動(dòng)開始行星輪與 行星 架 軸系 發(fā)生了一次較大的徑向碰撞， 產(chǎn)生的較大波動(dòng)外，天線相對(duì)偏移量基本趨于平穩(wěn)。對(duì)比 21 - 與 12 - 的曲線，其中 12 - 逐漸趨于平穩(wěn)，證明上述所說較小的摩擦系數(shù)降低了速度的變化對(duì)其行星輪系的影響。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 19 - 合誤差對(duì)天線動(dòng)力學(xué)影響分析 仿真過程： 考慮兩個(gè)行星輪系的耦合誤差對(duì)天線動(dòng)力學(xué)影響時(shí)， 將兩個(gè)行星輪系分別設(shè)定為四種不同齒輪齒輪，并觀察與分析天線系統(tǒng)在不同間隙下的天線偏移量 。 仿真時(shí)， 恒速為 8/s， 仿真時(shí)長為 5s， a) 21 耦合 b) 31 耦合 c) 41 耦合 d) 32 耦合 e) 42 耦合 f) 43 耦合 圖 4側(cè)間隙為 的耦合情況 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 20 - a) 21 耦合 b) 31 耦合 c) 41 耦合 d) 32 耦合 e) 42 耦合 f) 43 耦合 圖 4側(cè)間隙為 的耦合情況 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 21 - a) 21 耦合 b) 31 耦合 c) 41 耦合 d) 32 耦合 e) 42 耦合 f) 43 耦合 圖 4側(cè)間隙為 的耦合情況 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 22 - a) 21 耦合 b) 31 耦合 c) 41 耦合 d) 32 耦合 e) 42 耦合 f) 43 耦合 圖 4側(cè)間隙為 的耦合情況 圖像描述： 上述四組為在不同齒側(cè)間隙下，不同齒輪材料耦合的情況。從圖中可以看出，較大的齒側(cè)間隙對(duì)天線偏移量的影響很大。當(dāng)相同耦合情況下，側(cè)隙間隙 天線偏移量的峰值是側(cè)隙間隙 78倍，而且隨著進(jìn)入連續(xù)接觸階段，圖像所示的波動(dòng)幅度和頻率均明顯增多， 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 23 - 原因分析： 說明兩個(gè)行星輪系作為關(guān)節(jié)時(shí)，較大的齒側(cè)間隙會(huì)疊加側(cè)隙誤差，將會(huì)使得天線系統(tǒng)的指向誤差成倍的累加。 規(guī)律應(yīng)用： 因此在較多關(guān)節(jié)的天線系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)盡量減少齒側(cè)間隙，但當(dāng)齒側(cè)間隙為 ，除了啟動(dòng)開始行星輪與保持架發(fā)生了一次較大的徑向碰撞后，天線偏移量的波動(dòng)幅度和波動(dòng)頻率隨著進(jìn)入連續(xù)接觸階段，開始逐漸減小，并趨近于理想狀態(tài)，所以適當(dāng)?shù)凝X側(cè)間隙能夠避免齒輪嚙合過程中出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，并有利于行星輪系的穩(wěn)定的傳動(dòng)。 圖像描述： 上述四組仿真中，兩個(gè)關(guān)節(jié)的行星輪系均采用不同的齒輪材料，以此來對(duì)比分析出在較大間隙或較小間隙下，齒輪材料對(duì)天線動(dòng)力學(xué)的影響。 原因分析： 首先，參照?qǐng)D 4圖 4的 a)、 b)與 c)，上述曲線是在較大齒側(cè)間隙情況下，但其天線相對(duì)偏移量的峰值是仍是組內(nèi)最小的，其共同點(diǎn)在于末端關(guān)節(jié)選取 1K 作為齒輪材料時(shí)，使得天線偏移量的波動(dòng)相對(duì)更加穩(wěn)定 。 規(guī)律應(yīng)用： 說明末端關(guān)節(jié)對(duì)天線系統(tǒng)產(chǎn)生影響最大，而在較大間隙情況下選取 1K 或力學(xué)性能相近的材料作為齒輪材料可以從齒輪自身因素有效的減少間隙對(duì)天線指向精度的影響。 章小結(jié) 研究兩個(gè)行星輪系對(duì)天線動(dòng)力學(xué)的耦合問題，需綜合考慮兩個(gè)行星輪系的具體情 況，以得到規(guī)律性結(jié)論。 分析齒側(cè)間隙對(duì)天線機(jī)構(gòu)的影響 ： 得到與單個(gè)行星輪系相近的結(jié)論，其 齒側(cè)間隙越 小 ，天線相對(duì)偏移量的波動(dòng)越 小， 而當(dāng) 兩 個(gè)行星輪系的齒側(cè)間隙 為 ， 隨著時(shí)間的增加，偏移量也逐漸趨于平穩(wěn) ，也說明適當(dāng)?shù)凝X側(cè)間隙有利于行星輪系的運(yùn)行。 分析嚙合誤差的影響 ： 綜合考慮速度因素與材料因素對(duì)天線機(jī)構(gòu)指向行為的影響，當(dāng)行星輪系關(guān)節(jié)處于非恒速狀態(tài)下時(shí)，天線相對(duì)偏移量波動(dòng)較大，但綜合材料因素，發(fā)現(xiàn)泊松比大的材料能夠減弱速度因素對(duì)天線指向精度的影響。 分析摩擦因素對(duì)天線影響 ： 仿真結(jié)果說明當(dāng)非恒速的狀態(tài)下的較大摩擦系數(shù)對(duì)天線系統(tǒng)影響最大，且 導(dǎo)致行星輪在啟動(dòng)后更難進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)于關(guān)節(jié)的運(yùn)行穩(wěn)定性影響很大 。 分析 對(duì)耦合誤差 天線影響 ： 綜合對(duì)比發(fā)現(xiàn)誤差會(huì)隨著連續(xù)接觸運(yùn)行過程中不斷疊加，因此，減小齒側(cè)間隙是必要的，而當(dāng)齒側(cè)間隙較大時(shí)，選取 選取 1K 或力學(xué)性能相近的材料能夠減弱齒側(cè)間隙對(duì)天線機(jī)構(gòu)指向行為的影響。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 24 - 結(jié)論 星載 天線 機(jī)構(gòu)在軌工作時(shí)，其指向行為和指向精度將受到驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)、裝配精度、控制方式、空間熱效應(yīng)以及饋電部分的影響，且影響具有復(fù)雜性與隨機(jī)性，所以研究天線機(jī)構(gòu)的指向行為和提高指向精度是必要的?；诖?，本文將星載天線機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)作為研究對(duì)象，并將行星輪系作為驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，進(jìn)一步深入研究行星輪系典型因素對(duì)指向行為的影響，以提高天線機(jī)構(gòu)的指向精度為研究目的，本文主要完成如下工作： 1. 對(duì)影響天線機(jī)構(gòu)的因素進(jìn)行調(diào)研，多方面考慮影響天線指向行為與如何提高天線指向精度。 2. 查閱并分析國內(nèi)外對(duì)行星輪系的研究成果，調(diào)研行星輪系作為關(guān)節(jié)的國內(nèi) 外現(xiàn)狀，并分析影響行星輪系的非線性因素，確定研究方向。 3. 選取 2星輪系作為研究對(duì)象，基于 引入了等效彈簧阻尼模型， 推導(dǎo)微分方程并 建立平移 本章提供了研究基礎(chǔ)。 4. 在行星輪系動(dòng)力學(xué)模型基礎(chǔ)上，建立齒側(cè)間隙、嚙合誤差與耦合誤差的計(jì)算方法，并應(yīng)用集中參數(shù)法引入 擦模型，給出了摩擦力的計(jì)算方程。 5. 建立天線轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)，以此坐標(biāo)系并考慮彎曲剛度等因素，建立振動(dòng)方程組，并利用振型級(jí)數(shù)逼近方法求得機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)方程 。 6. 確定行星輪系與天線機(jī)構(gòu)的具體數(shù)值，進(jìn)行動(dòng)力 學(xué)仿真，主要從齒側(cè)間隙、嚙合誤差、摩擦因素與耦合誤差四個(gè)方面進(jìn)行仿真分析，分別研究單個(gè)行星輪系與兩個(gè)行星輪系對(duì)天線機(jī)構(gòu)指向行為的影響，在綜合分析對(duì)比下，得出規(guī)律性結(jié)論，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明： 所呈交的學(xué)位論文，是本人 在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下， 獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對(duì)本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明 確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名： 黃致遠(yuǎn) 日期： 2017 年 6 月 23日 - 1 - 附錄 A . 2002： 65 A is is of as or an is It is is to of CD to of CD CD of to of is a to is to of is 1. is a a A to be 0I , by A is by CD DC A as to of - 2 - an is a be of a in is is on of of be by To of of is it is to of on of of to up if is to As of of of in to be so as to In we to a to A be of of On is to of a be is to be to of is as In , we of on In , is In , 2. of on he of CD of is ij (1) q.(l), it is or to of to as is of of to be ne to be in to lof is if is To s an is as a 1* 0cm 0,000 5% 3 - E 0%, 000 In of if EA * of of EA of in . f?e- 0e- no be by is by to is or to if be if is of of as if is 9x9 in in . n of SF is at a at SF to a of to In N=10 of is be to in by be As is of is to be If in , be of is in . is is to in be to In we of is If of is is to 4 - in is of of is is to to to 4. he of is to of in (a) of at b) of on (c) of .1 0.2 to of 00 a 000e- 0e 00e- As is of is to as in As of is to of in on As Q (1), be by of of is In on of % of 5. on to of a be to in to of to be in on at NR it to be 5 - is 附錄 B 基于降噪模型的方法提高指向精度 . 2002： 65 摘要 ： 本文 提出了一種提高質(zhì)心精度，從而提高指向精度的新方法。精確的質(zhì)心估計(jì)對(duì)于自由空間光通信來說至關(guān)重要，其中參考光源（例如恒星或上行鏈路信標(biāo)）的光子數(shù)量受到限制。已知質(zhì)心精度與 比例。在光期間各種噪聲源的存在可能導(dǎo)致質(zhì)心估計(jì)的顯著劣化。噪聲源包括 取噪聲，背景光，雜散光和 理電子元件 。 減少噪聲和背景偏差影響的最廣泛使用的方法之一是閾值法，其在質(zhì)心計(jì)算之前從質(zhì)心窗中減去固定閾值。相反，這里提出的方法利用點(diǎn)模型來導(dǎo)出用于截?cái)嘈盘?hào)邊界外的噪聲的信號(hào)邊界。 本文的方法 有效地減少了偏差和隨機(jī)誤差 ，所提出的方法的有效性通過模擬證明。 關(guān)鍵詞 ： 指向 ； 質(zhì)心估計(jì) ； 光通信 準(zhǔn)確的質(zhì)心估計(jì)是基于信標(biāo)的指點(diǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵任務(wù)。最近的一項(xiàng)研究表明，深空光通信的質(zhì)心誤差（隨機(jī)和偏差誤差）需要小于 1/20 像素，而允許的總指向誤差（ I 1/16 像素。兩種重心錯(cuò)誤，隨機(jī)和偏見受到各種來源的影響。隨機(jī)誤差由 取噪聲，散粒噪聲，暗電流和 非均勻背景光如雜散光和地球背景圖像存在時(shí)，會(huì)發(fā)生偏差錯(cuò)誤。 降低噪聲和偏差的常規(guī)方法包括歸一化零交叉的閾值和重心。對(duì)于閾值法，從質(zhì)心窗中減去估計(jì)的閾值，這相當(dāng)于執(zhí)行偏置減法并消除噪聲。當(dāng)閾值取出大部分偏 差和噪聲時(shí)，該方法可以有效。然而，一般來說，簡單的閾值是無效的，因?yàn)殚撝等Q于圖像的亮度，并且可以通過閾值處理改變形成對(duì)象的像素的數(shù)量。為了避免這個(gè)問題，提出了使用過零點(diǎn)進(jìn)行重心估計(jì)。這種方法的局限性在于，它僅適用于質(zhì)心估計(jì)，并對(duì)每個(gè)像素承擔(dān)相等的權(quán)重。 - 6 - 為了減少噪聲的影響，同樣的目的是建議在信號(hào)峰值周圍僅使用 9 個(gè)像素。只有信號(hào)被限制在這個(gè)小的局部區(qū)域，這種截?cái)嗪喕思铀僦匦挠?jì)算，而不影響質(zhì)心精度。然而，正如所指出的那樣，寬信號(hào)的截?cái)囡@著地影響了質(zhì)心估計(jì)的精度。因此，需要仔細(xì)選擇質(zhì)心估計(jì)中使用的像素 數(shù)，以免犧牲質(zhì)心精度。 本文中，我們提出使用斑點(diǎn)模型來確定哪些像素用于質(zhì)心估計(jì)?？梢詮墓鈱W(xué)系統(tǒng)（光學(xué)系統(tǒng)的 表征中構(gòu)建斑點(diǎn)模型。在質(zhì)心窗口上，通常比信標(biāo)光斑尺寸大幾個(gè)像素，以允許信標(biāo)運(yùn)動(dòng)，可以從斑點(diǎn)模型和測(cè)量的噪聲水平估計(jì)束斑的近似信號(hào)邊界。一旦識(shí)別邊界，信號(hào)邊界的像素可以設(shè)置為零，有效地消除了光束外的所有噪聲和偏差。本文的結(jié)構(gòu)如下。在第 2 節(jié)中，我們將介紹噪聲對(duì)質(zhì)心精度的影響。在第 3 節(jié)中，介紹了基于模型的降噪方法。在第 4 節(jié)中，給出了仿真結(jié)果。 的點(diǎn)的質(zhì)心方程（亮度中心）是 已知 的： ij (2從（ 2以看出，隨著坐標(biāo)朝向邊緣增加，由于較大的加權(quán)因子，靠近質(zhì)心窗口邊緣的噪聲或偏置主導(dǎo)了質(zhì)心誤差。本文最重要的 部分 之一。 因此，為了減少 要增加信號(hào)或者需要降低噪聲。如果信號(hào)相對(duì)大于噪聲，噪聲的影響很小，反之亦然。為了說明這一點(diǎn)，讓我們舉一個(gè)例子，其中點(diǎn)信號(hào)是低的。對(duì)于可能需要恒星作為信標(biāo)源的深空光通信，具有 30 厘米望遠(yuǎn)鏡的 11 星的最小信號(hào)為 10,000 光子，系統(tǒng)效率為 25。假定 0，則轉(zhuǎn)換為 5000 個(gè)電子。在該示例中，如果不明顯地截?cái)嘈盘?hào)，則質(zhì)心窗尺寸的減小顯著改善了質(zhì)心精度。 *。 所示。假設(shè)是相同的固定每像素噪聲，范圍 50e，無背 景信號(hào)。 通過重心算法可以減輕偏差，是由不均勻的信號(hào)分布引起的，其中包括雜散光和背景圖像。這對(duì)應(yīng)于望遠(yuǎn)鏡指向地球或靠近太陽的情況。即使應(yīng)用背景減法，也會(huì)留下一些偏差，特別是如果閾值低于背景信號(hào)的最大值。如圖 2示顯示，即使 峰值值作為最大偏置值，如果質(zhì)心窗口尺寸較大，則在本例中為 9素，可能會(huì)引起相當(dāng)大的偏差誤差。 - 7 - 圖 2真中使用的通風(fēng)模式點(diǎn) 在點(diǎn)模型的構(gòu)建中， 間量化）。這在 了一定的決議之外，預(yù)期更好的解決方案的好處將會(huì)減少。在本文中，使用 N = 10。一旦構(gòu)建了現(xiàn)貨模型的數(shù)據(jù)庫，就可以使用每個(gè)模型來確定測(cè)得的斑點(diǎn)圖像（被噪聲損壞）中哪些像素應(yīng)被截?cái)?。如圖所示，使用標(biāo)準(zhǔn)（亮度中心）質(zhì)心算法獲得粗略質(zhì)心估計(jì)。該質(zhì)心用于確定應(yīng)使用哪個(gè)點(diǎn)模型。如果粗略質(zhì)心估計(jì)中的誤差超過像素運(yùn)動(dòng)由 可以選擇不正確的點(diǎn)模型。第 4 節(jié)給出了不正確的點(diǎn)模型的影響。 一旦確定 了斑點(diǎn)模型，下一個(gè)任務(wù)是估計(jì)質(zhì)心窗口中存在的噪聲水平?？梢杂泻芏喾椒▉碜罴训毓烙?jì)噪音水平。在本文中，我們使用四條邊線的簡單均值。該噪聲水平與斑點(diǎn)模型進(jìn)行比較。如果斑點(diǎn)模型的像素值小于噪聲水平，則使用像素位置來截?cái)噘|(zhì)心窗口中的像素。 一旦這個(gè)過程在斑點(diǎn)模型和質(zhì)心窗口的整個(gè)像素上完成，噪聲的截?cái)嗑屯瓿闪恕Ｗ詈蟮娜蝿?wù)是將標(biāo)準(zhǔn)中心算法應(yīng)用于截?cái)噘|(zhì)心窗口以獲得新的質(zhì)心值。 仿真的目的是顯示基于模型的降噪方法在質(zhì)心估計(jì)中的有效性。為此目的，調(diào)查了 3 例。 這些是： 1. 在給定的各種噪聲水平下的三個(gè)重音算法（包括基于模型）的比較； 素， 素的不正確模型和等于 素的總信號(hào)用于顯示基于模型的方法。 對(duì)于固定噪聲值，運(yùn)行 100 次算法，噪聲從 10 等于 1001 西格瑪值從 10e到 100e 當(dāng)量的高斯噪聲）增加。如圖所示，基于模型的算法優(yōu)于其他兩種方法：標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)心和閾值法?；谀Ｐ偷姆椒ǖ膬?yōu)點(diǎn)不僅在于質(zhì)心越小越好，而且它們對(duì)噪聲的抵抗力也在兩個(gè)圖 中都表現(xiàn)出來。隨著噪- 8 - 聲的增加，標(biāo)準(zhǔn)和閾值方法的質(zhì)心誤差也增加。然而，基于模型的方法表現(xiàn)出幾乎穩(wěn)定的誤差。 這次模擬的目的是比較斑點(diǎn)圖像中的偏差對(duì)三個(gè)質(zhì)心方法的影響。在公式 (2顯而易見的是，即使是基于模型的方法也將受背景偏差的影響，除非進(jìn)行偏差的完全消除。在仿真中，基于總信號(hào)的 峰值像素值選擇偏置值。最大偏差從峰值像素值的 化到 1%。如預(yù)期的，基于模型的方法優(yōu)于其他兩個(gè)在偏置值和質(zhì)心誤差之間呈線性關(guān)系的方法。 本文提出了一種基于斑點(diǎn)模型的新方法來改善點(diǎn)源圖像的質(zhì)心估計(jì)。 新方 法假定斑點(diǎn)模型可用于截?cái)鄿y(cè)量點(diǎn)中的噪聲和偏差，從而改善質(zhì)心估這次，基于模型的算法在每個(gè)噪聲級(jí)別運(yùn)行了 100 次，這三種情況：第一種使用與真實(shí)點(diǎn)模型不同的 素的不正確的斑點(diǎn)模型，第二種是 素不同，第三個(gè)是 素不同。 在優(yōu)選實(shí)施例中，信息獲取和傳輸設(shè)備 720 的第二分支包括朝向待掃描表面?zhèn)鬏敼獾?11，然后將其朝向透鏡反射其他光學(xué)裝置 721 并且連接到光學(xué)傳感器 于計(jì)算機(jī)操縱所得數(shù)據(jù)。 光信息優(yōu)選地被轉(zhuǎn)換成為與測(cè)量的光能的強(qiáng)度成比例的電壓 。 傳感器可用于此目的包括但不限于電荷耦合器件（ 接觸式圖像傳感器（ 轉(zhuǎn)換后光信息轉(zhuǎn)換為電壓， 23 將電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，依次傳輸?shù)綄Ｓ脿顟B(tài)機(jī) 724。目的是驗(yàn)證模型的魯棒性基于方法。總體而言，性能受斑點(diǎn)模型的準(zhǔn)確性影響，但是，隨著噪聲的增加，這種區(qū)別并不明顯。 還有一些對(duì)于 素不同的斑點(diǎn)模型，可以看出改進(jìn)。 這個(gè)改進(jìn)是由于附加噪聲增加了噪聲電平，從而限制了使用的像素?cái)?shù)量質(zhì)心計(jì)算。西格瑪和平均誤差在像素的 1/50 附近計(jì)。進(jìn)行模擬以證明所提出的噪聲和偏差方法的有效性。與標(biāo) 準(zhǔn)的重心和較高級(jí)的閾值法相比，基于模型的方法精度優(yōu)于原型。有意使用不正確的光點(diǎn)模型的模擬中，對(duì)其性能的影響很小，特別是在高噪聲水平。由于該方法適用于低信噪比信號(hào)，因此可能被證明對(duì)于深空任務(wù)至關(guān)重要，其中強(qiáng)光信號(hào)不容易獲得。 哈 爾 濱 理 工 大 學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 題 目： 空間機(jī)械臂非線性因素對(duì)指向精度的影響 院、 系： 榮成學(xué)院 機(jī)械工程系 姓 名： 黃致遠(yuǎn) 指導(dǎo)教師： 劉同亮 系 主 任： 杜野 2017 年 6 月 22 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 開 題 報(bào) 告 學(xué)生姓名 黃致遠(yuǎn) 學(xué) 號(hào) 1330060306 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí) 13 級(jí) 3 班 指導(dǎo)教師 劉同亮 2017 年 3 月 10 日 課題題目及來源 : 題目 :空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)非線性因素對(duì)指 向精度的影響 題目來源 :自擬 課題研究的意義和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 : 1. 1 研究目的 圖 1 空間機(jī)械臂輔助航天員完成任務(wù) 空間機(jī)械臂在人類探索太空的過程中扮演了重要角色 ， 如圖 1。作為航天員艙外工作的輔助工具，空間機(jī)械臂在替代航天員完成部分工作的同時(shí)大大提高了安全性。 1981 年，美國哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)首次在外太空使用了機(jī)械臂。到目前為止，空間機(jī)械臂已經(jīng)多次承擔(dān)了外太空的操作任務(wù)，是航天技術(shù)研究的一個(gè)熱門領(lǐng)域。 空間機(jī)械臂的機(jī)械部分主要由關(guān)節(jié)和臂桿組成。其中，關(guān)節(jié)是空間機(jī)械臂最為核心的組成部分，對(duì) 空間機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)特性有著重要的影響。隨著我國載人航天和深空探測(cè)計(jì)劃的實(shí)施，越來越多的國內(nèi)航天領(lǐng)域?qū)W者開始研究具有高位姿精度設(shè)計(jì)要求的空間機(jī)械臂。完善目前還不夠完整的空間機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)理論。 1. 2 研究意義 空間機(jī)械臂是應(yīng)用于航天器上的重要工具，其主要任務(wù)是釋放、回收衛(wèi)星以及完成在軌建設(shè)、維修作業(yè)等。然而，目前空間機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)理論還不夠完善，設(shè)計(jì)過程中空間機(jī)械臂位姿難以準(zhǔn)確預(yù)判，嚴(yán)重制約了空間機(jī)械臂的發(fā)展 6。 因此，從傳動(dòng)裝置出發(fā)，建立準(zhǔn)確的空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)模型，研究空間 機(jī)械臂關(guān) 節(jié)的動(dòng)力學(xué)特性具有重要意義。 內(nèi)外研究現(xiàn)狀 空間機(jī)械臂的臂桿長度較大，空間機(jī)械臂的關(guān)節(jié)在尺寸來說相對(duì)較小。在早期的研究中， 谷勇霞 等人 認(rèn)為 7： 實(shí)際工作條件下，臂桿柔性對(duì)機(jī)械臂末端運(yùn)動(dòng)精度的影響較為突出。如果應(yīng)用場合對(duì)機(jī)械臂的定位精度要求不太高，可以忽略關(guān)節(jié)柔性的影響，將每個(gè)關(guān)節(jié)作為一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度來處理。 還有一些研究者 在鉸鏈模型的基礎(chǔ)上，引入鉸鏈間隙，研究了間隙對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過程中動(dòng)力學(xué)性能的影響。但這些模型相對(duì)來說都過于簡單，考慮得因素較少，不能滿足機(jī)械臂高精度作業(yè)的控制要求。隨著科技的進(jìn)步，對(duì)于空 間機(jī)械臂的精確控制的要求不斷提高， 研究者們 又提出了 以下幾種 改進(jìn)模型 8 1、通過 建立空間機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)模型 ， 并分別針對(duì)臂桿、傳動(dòng)關(guān)節(jié)剛?cè)嵝越M合形成的四類動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)特性分析。文獻(xiàn)分別分析了臂桿柔性以及諧波傳動(dòng)滯后對(duì)空間機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)特性的影響。研究表明，臂桿的柔性帶來了輸出角度曲線中的高頻部分 ， 諧波傳動(dòng)所具有的滯后現(xiàn)象使得柔性空間機(jī)械臂與剛性空間機(jī)械臂的輸出特性差異更加明顯。 2、 建立了考慮了多種非線性因素在內(nèi)的諧波齒輪傳動(dòng)關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)模型。關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)模型考慮了各種隨時(shí)間變化的 關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)非線性參數(shù)，主要包括粘滯阻尼、摩擦以及諧波齒輪的柔性變形。通過比較實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與動(dòng)力學(xué)模型的數(shù)值仿真結(jié)果，證明了所建模型的準(zhǔn)確性。但是， 當(dāng) 諧波齒輪作為一個(gè)整體進(jìn)行研究 時(shí) ，并沒有完整地體現(xiàn)出包括滯回特性在內(nèi)的諧波齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)。 3、 在對(duì)容錯(cuò)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的空間機(jī)械臂進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究時(shí)，建立 了考慮了齒輪傳動(dòng)環(huán)節(jié)柔性與阻尼的空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)模型 。但在研究行星齒輪傳動(dòng)環(huán)節(jié)時(shí)，將行星齒輪傳動(dòng)假設(shè)為理想嚙合，對(duì)行星齒輪環(huán)節(jié)的動(dòng)力學(xué)建模不夠充分，因而沒有全面體現(xiàn)出行星齒輪傳動(dòng)對(duì)空間機(jī)械臂整體動(dòng)力學(xué)性能的影響。 最終 研究結(jié)果表明，除卻空間機(jī)械臂本身的設(shè)計(jì)參數(shù)以外，不同的負(fù)載也會(huì)導(dǎo)致空間機(jī)械臂系統(tǒng)體現(xiàn)出不同的動(dòng)力學(xué)特性。 在行星齒輪傳動(dòng)環(huán)節(jié)的建模過程中，考慮了包括時(shí)變嚙合剛度、阻尼、齒側(cè)間隙、嚙合誤差在內(nèi)的非線性因素 1112。同時(shí) 3指出，采用集中參數(shù)法進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模具有便于動(dòng)態(tài)分析與求解的優(yōu)點(diǎn)。在計(jì)算間隙非線性位移時(shí)，采用基于雙曲正切函數(shù)的多項(xiàng)式來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分段函數(shù)表達(dá)式，從而保證了間隙非線性函數(shù)的連續(xù)可導(dǎo)性。 潘博 等人 1415同時(shí)還證明了在放大系數(shù)大于齒側(cè)間隙的 1000 倍時(shí)，采 用雙曲正切函數(shù)多項(xiàng)式描述的間隙非線性位移與傳統(tǒng)的間隙非線性位移在數(shù)值上具有較高的一致性，并大大提高了模型的求解效率。行星齒輪傳動(dòng)關(guān)節(jié)較小輸出轉(zhuǎn)角變化經(jīng)過臂桿的放大作用會(huì)導(dǎo)致臂桿末端出現(xiàn)較大的運(yùn)動(dòng)誤差，因此在研究關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)特性時(shí)，對(duì)關(guān)節(jié)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速而不是臂桿末端的運(yùn)動(dòng)誤差波動(dòng)進(jìn)行研究。文獻(xiàn)同時(shí)還研究了輪齒的綜合嚙合誤差、負(fù)載、輸入轉(zhuǎn)速對(duì)關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)特性的影響。 課題研究的主要內(nèi)容和方法，研究過程中的主要問題和解決辦法 ： 本內(nèi)容 研究對(duì)象 ： 空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)、指向精度； 研究的問題： 1、闡述課題背景，對(duì)國內(nèi)外 相關(guān)研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)和分析； 2、根據(jù)主要技術(shù)指標(biāo)，在分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀基礎(chǔ)上制定總體設(shè)計(jì)方案，并闡明方案制定依據(jù)； 3、完成空間機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)及建模、關(guān)節(jié)處的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 4、分析空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)非線性因素確定關(guān)節(jié)非線性因素； 圖 2 行星齒輪非線性純扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模型 5、分析不同行星輪系個(gè)數(shù)對(duì)指向精度的影響； 6、總結(jié)非線性因素對(duì)指向精度的規(guī)律性結(jié)論。 要解決問題 1、空間機(jī)械臂模型的建立。 建立空間機(jī)械臂模型，確定空間機(jī)械臂的自由度、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 2、關(guān)節(jié)處齒輪組的選擇。 3、確定空 間機(jī)械臂關(guān)節(jié)非線性因素確定關(guān)節(jié)非線性因素為：齒輪側(cè)隙、嚙合誤差、摩擦因素、耦合誤差。 4、根據(jù)空間機(jī)械臂自由度，確定不同行星輪系個(gè)數(shù)。 5、更改數(shù)組非線性因素與行星輪系個(gè)數(shù)，并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。 6、針對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析比對(duì)，得出規(guī)律性的結(jié)論。 決辦法 主要基于 行模型的建立與動(dòng)力學(xué)仿真，通過改變動(dòng)力學(xué)模型中齒輪組參數(shù)， 完成對(duì)指向精度影響的分析。 圖 3 空間機(jī)械臂三維模型 圖 圖 4 空間機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)模型 根據(jù)三維模型 圖 3 和動(dòng)力學(xué)模型 圖 4 從而分析齒輪側(cè)隙、嚙合誤差、摩擦因素、耦合誤差對(duì)指向精度的影響。 在 研究齒輪側(cè)隙時(shí)，通過側(cè)隙模型，改變中心距從而 實(shí)現(xiàn)對(duì)齒輪側(cè)隙的控制 將側(cè)隙分為 0,種情況分別研究對(duì)比，從而得到影響指向精度的規(guī)律性結(jié)論。 在研究嚙合誤差時(shí)，考慮到齒輪的材料剛度，密度，泊松比，楊氏模量等材料系數(shù)對(duì)嚙合誤差的影響，將分為 四種不同材料進(jìn)行研究分析。然而簡單的考慮到材料對(duì)于嚙合誤差的影響是單一的，所以將機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)速率考慮到其中，作為其影響因素之一。并將材料及速率二者因素結(jié)合分析對(duì)比，得出規(guī)律性結(jié)論。 研究摩擦對(duì)于機(jī)械臂指向精度的影響，主要分為以下四種不同情況： 據(jù)四種不同情況，建立摩擦模型，改變動(dòng)力學(xué)模型中參數(shù)進(jìn)仿真模擬，并將單關(guān)節(jié)與多關(guān)節(jié)分別研究，得出影響指向精度的規(guī)律性結(jié)論。 在研究耦合誤差時(shí) ，將上述的側(cè)隙、摩擦模型、材料物理屬性、速率綜合分析，分別對(duì)單關(guān)節(jié)和多關(guān)節(jié)兩種不同情況分析研究，得出規(guī)律性結(jié)論。 該研究方法 其優(yōu)點(diǎn)簡化模型，優(yōu)化算法，易于實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)非線性因素 可能 不足，使得結(jié)論的準(zhǔn)確性存在一定的偏 差。 4321 , 1 徐灝 . 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) S. 北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 ， 1991. 9 2 鞏娟 ， 李玉 . 新型三維微動(dòng)臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)分析 J. 現(xiàn)代制造工程 ， 2005 (2):115 3 張曉峰 ， 林彬 . 大行程納米級(jí)分辨率超精密工作臺(tái)的發(fā)展方向 J. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào) ， 2005. 11. 第 37 卷增刊 . 4 王三民 ， 諸文俊 . 機(jī)械原理與設(shè)計(jì) M. 機(jī)械工業(yè)出版社 ， 5 雷 勇 ， 陳本永 ， 楊元兆 ， 張麗瓊 ， 王俊茹 ， 馮 平 . 納米級(jí)微動(dòng)工作臺(tái)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) J. 浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào) ， 3 卷 ， 第 1 期 . 6 張曉峰 . 大行程超精密工作臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究 M 天津大學(xué) ， 2008. 6:27 谷勇霞 ， 趙杰亮 ， 閻紹澤 . 考慮諧波傳動(dòng)滯后的柔性空問機(jī)械 臂運(yùn)動(dòng)精度 J. 機(jī)械工程學(xué)報(bào) ， 2013(23):74 8 何柏巖 ， 高峰 ， 土樹新 . 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