基于虚拟样机技术的六自由度空间对接平台研究

论文摘要

某高功率固体激光系统中,有大量的大口径光学模块需从下往上安装到驱动器主体中去。这些模块种类多,数量大,外形尺寸、结构和重量有较大差别。模块在安装对位过程中,需要对其进行具有一定精度要求的姿态调整。为满足光学模块装校需要,一种混联六自由度对接平台(以下简称空间对接平台)方案被用于解决此工程实际问题。此空间对接平台为机电耦合系统,结构复杂,成本高,制造周期长。在空间对接平台的物理样机制造出来之前,需充分验证其功能特性、机械结构合理性,因此结合虚拟样机的相关技术对平台进行研究,是具有实际应用意义的重要课题,此外在设计过程中应用虚拟样机技术还可减少设计失误、提高设计效率、降低设计成本、缩短设计周期。本课题以空间对接平台为研究对象,以虚拟样机的相关技术为支撑。首先研究其功能,应用运动学理论分析相应机械机构,采用三维CAD软件Pro/Engineer(简称Pro/E)、有限元分析软件ANSYS及ANSYS Workbench,多体动力学分析软件ADAMS进行了实体建模、有限元分析、运动仿真分析等工作。综合采用虚拟样机相关技术得出的分析结果为空间对接平台的设计和进一步优化设计提供了理论依据,对平台物理样机制造具有重要的指导意义,本文具体内容如下:首先根据光学模块装校作业流程,分析空间对接平台设计要求和技术指标,得出空间对接平台六自由度由沿X,Y,Z轴的移动和绕X,Y,Z轴的转动组成。在此基础上研究了水平调整机构和平面调整机构组成和工作原理,并应用并联机器人位姿的描述和空间坐标变换理论计算二者的运动学逆解。其次用CAD三维设计软件Pro/Engineer,建立空间对接平台三维模型;针对空间对接平台的稳定性要求,运用有限元分析软件ANSYS Workbench,分析空间对接平台的有限元模型,根据实际情况施加约束及载荷,进行静力学分析和模态分析,得出了空间对接平台的等效最大值应力、最大变形量值、前10阶模态以及相应振型,分析数据可作为优化设计依据。最后根据多柔体系统动力学建模理论以及ADAMS的柔性体建模方法,运用有限元分析软件ANSYS输出柔性体建模所需模态中性文件;将其柔性体引入虚拟样机模型,建立了含有柔性体的空间对接平台刚柔耦合系统仿真模型。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 课题研究的目的及意义
• 1.3 六自由度平台研究概况
• 1.3.1 六自由度平台的起源
• 1.3.2 六自由度平台的特点
• 1.3.3 六自由度平台的应用
• 1.4 虚拟样机技术
• 1.4.1 虚拟样机的特点
• 1.4.2 虚拟样机技术的相关技术
• 1.5 论文研究内容
• 2 六自由度空间对接平台总体设计
• 2.1 引言
• 2.2 概述
• 2.3 流程分析
• 2.4 设计要求和技术指标
• 2.5 对接功能实现
• 2.5.1 粗定位
• 2.5.2 精确定位
• 2.5.3 Z 向行程
• 2.5.4 自动调平
• 2.6 系统机械结构组成
• 2.6.1 平面调整机构
• 2.6.2 水平调整机构
• 2.6.3 气悬浮位移器
• 2.7 本章小结
• 3 空间对接平台运动学逆解
• 3.1 引言
• 3.2 理论基础
• 3.2.1 多刚体系统的运动描述方法
• 3.2.2 坐标变换
• 3.3 运动学分析
• 3.3.1 平面调整机构的运动学逆解
• 3.3.2 水平调整机构的运动学逆解
• 4 关键部件有限元分析
• 4.1 引言
• 4.2 有限元分析的基本思想及其分析软件
• 4.2.1 有限元分析的基本思想
• 4.2.2 ANSYS-Workbench 软件介绍
• 4.3 结构静力分析
• 4.3.1 结构静力分析理论
• 4.3.2 空间对接平台有限元模型建立
• 4.3.3 结果计算与分析
• 4.4 模态分析
• 4.4.1 模态分析的基本理论
• 4.4.2 有限元模型的网格划分及边界条件建立
• 4.4.3 计算结果与分析
• 4.5 本章小结
• 5 虚拟样机联合仿真研究
• 5.1 引言
• 5.2 柔性体理论
• 5.2.1 柔性体广义坐标
• 5.2.2 多柔性体的能量
• 5.2.3 多柔性动力学方程
• 5.3 支撑软件平台
• 5.3.1 MD ADAMS 概述
• 5.3.2 Pro/Engineer
• 5.3.3 Adams 与Pro/E 接口
• 5.4 仿真步骤
• 5.5 刚柔耦合系统仿真
• 5.5.1 柔性体建模
• 5.5.2 仿真结果
• 5.6 本章小结
• 6 结论和展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录