空间磁像仪在轨指向调节机构设计与结构研究

作     者：孙振国 

作者单位：中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所) 

学位级别：硕士

导师姓名：王炜

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 

主      题：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 

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。