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卫星位姿模拟平台变形补偿方法的研究

卫星位姿模拟平台变形补偿方法的研究

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作者：管泽鹏西安理工大学

学位级别：硕士

卫星位姿模拟平台用于在地面环境中模拟卫星编队在太空中的相对位置和姿态,以获得准确实验数据。卫星位姿模拟平台在位姿变换时由于自重的影响,会产生变形,对运动精度造成影响。因此,需要对卫星位姿模拟平台进行受力分析,通过结构优化... 详细信息

卫星位姿模拟平台用于在地面环境中模拟卫星编队在太空中的相对位置和姿态,以获得准确实验数据。卫星位姿模拟平台在位姿变换时由于自重的影响,会产生变形,对运动精度造成影响。因此,需要对卫星位姿模拟平台进行受力分析,通过结构优化减少自重影响,并建立补偿方法补偿因变载情况、位姿变换产生的变形误差,以提高平台的运动精度。针对于此,本文主要从以下几个方面开展相关研究。(1)对卫星位姿模拟平台进行结构设计与优化,以减少自重变形的影响。平台由三维旋转运动机构和三维直线运动机构组成。其中,串联UVW旋转运动机构采用UOO机械结构,以实现较大俯仰和横滚角度范围以及全方位旋转运动模拟姿态。XYZ直线运动机构采用正交并联结构,可实现较大承载能力以及大范围直线运动。同时,通过结构优化方法对X向滑板、Y向滑板进行结构分析,建立包含结构优化设计参数的优化模型,对X向滑板、Y向滑板依次进行优化,实现X向滑板和Y向滑板减重接近37%。(2)通过基于有限元变形误差分析,确定受力变形敏感方向。本文主要研究在平台完成空载几何参数误差补偿后,因变载情况、位姿变换产生的变形误差,从而进行变形误差敏感方向分析。首先,研究变载荷下各运动方向变形原因及变载变动敏感方向。X运动方向变载变动敏感方向在Z向,且变形波动范围小于0.8μm;Y运动方向变载变动敏感方向在Z向,且在Y向导轨中间位置变形量最大;Z运动方向变载变动敏感方向在Y向,且在Z向导轨上端时Y向变形量最大。随后,分析满载状态下,Z向导轨上端、XY向导轨中间位置,变形误差对姿态变换的敏感程度。不同UVW向Z向导轨上端Y向相对变形量均小于0.14 μm;不同UVW向Y向导轨中间位置 Z 向相对变形量均小于0.16 μm;不同UVW向X向导轨中间位置Z向相对变形量均小于0.1μm;因此,X、Y、Z运动方向变载变动敏感方向的变形误差对姿态变换不敏感,为变形误差补偿模型建立奠定基础。(3)建立系统变形误差补偿模型,通过仿真验证补偿模型的准确性。首先,结合平台机械结构特性以及材料力学理论,对平台进行受力简化,建立基于欧拉角位姿描述的变形误差补偿模型。然后,利用变形误差补偿模型与变形误差分析模型相比,以加载0 kgX运动方向行程内在Z向最大变形量为例,其中,补偿模型相对于变形误差分析模型误差为0.29 μm;以加载30 kgY运动方向行程内在Z向最大变形量为例,补偿模型相对于变形误差分析模型误差为0.2 μm;以加载30 kg Z运动方向行程内在Y向最大变形量为例,补偿模型相对于变形误差分析模型误差为0.53 μm。(4)对系统变形误差进行实验验证以及变形误差的补偿。采用光电自准直仪测量变形误差,验证变形误差分析模型在变载荷、姿态变换下各运动方向的静变形规律,并进行变形误差补偿。首先,在变载荷、同姿态下,实验X向行程内Z向变形量波动大小同误差分析模型相比最大相差0.56μm,由于地脚垫刚性大引起的;Y向行程内Z向变形量波动大小同变形误差分析模型相比最大相差0.03 μm;Z向行程内Y向变形量波动大小同变形误差分析模型相比最大相差0.52 μm;其次,利用变形误差补偿模型对X、Y、Z向行程内变载荷下的各点进行补偿,得到补偿后的变形误差曲线。其中,X向行程在Z向补偿后的变形误差波动不超过0.24 μm;Y向行程在Z向补偿后的变形误差不超过0.14 μm;Z向行程在Y向补偿后的变形误差不超过0.22μm,进一步提高了平台在变载荷下的运动精度。

关键词：卫星位姿模拟平台有限元仿真变形误差分析变形误差补偿

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