（机械制造及其自动化专业论文）三轴仿真转台设计及动力学研究.pdf

哈尔滨l ：锌人学硕十学位论文 捅要 三轴仿真转台作为航空、航天等领域中进行半实物仿真和测试的关键设 备，在飞行器的研制过程中起着极其重要的作用。三轴仿真转台性能的优劣 直接关系到仿真和测试实验的可靠性和置信度，是保证航空、航天型号产品 和武器系统精度及性能的基础。因此，三轴仿真转台的研究和制造对航空、 航天工业和国防建设的发展具有重要意义。 本文着眼于三轴仿真转台机械本体的结构设计及动力学研究，首先研究 了三轴仿真转台主要载荷的计算方法，其中包括惯性载荷的计算、摩擦载荷 的计算、重力载荷的计算及载荷的综合。研究了驱动元件及驱动方式的选择 原则和方法，其中将液压驱动与电动机驱动进行了比较，将直接驱动与间接 驱动进行了比较，对直流伺服电动机、交流伺服电动机、力矩电机、步进电 机、同步电机的特点进行了比较，指出了选用方法。阐述了转台的机械结构 及为了保证三轴仿真转台各项性能指标在设计及工艺上采取的措旋。 还研究了影响三轴仿真转台仿真精度的常见因素：指向误差、速率稳定 度误差、幅相误差，根据误差分析的结论，指出了设计、制造、装配三轴仿 真转台时应做的4 点考虑。 然后用c a t i a 软件建立了三轴仿真转台的三维实体模型，并进行了运 动仿真，证明了三个框架运动时没有干涉之处，运动性能良好。还建立了三 轴仿真转台的动力学方程式，用a d a m s 软件对三轴仿真转台进行了动力学 仿真分析，重点对电机输出转矩进行了仿真分析。最后从理论上分析了三轴 仿真转台的动力学耦合作用，用a d a m s 软件对三轴仿真转台进行了动力学 耦合作用的仿真分析，给出了仿真结果与计算结果和实际设计中选取结果的 比较，并提出了优化设计的建议。 关键词：三轴仿真转台；机械结构；动力学；仿真；动力学耦合 堕尘堡! ：矍厶堂堕堂笪堡塞 a b s t r a c t t h r e e a x i sm o t i o ns i m u l a t o ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n td e v i c e sf o r r e a l - t i m eh a r d w a r e i n - l o o ps i m u l a t i o no ff l i g h tc o n t r o ls y s t e m s 1 1 1 ep e r f o r m a n c e o fs i m u l a t o rd i r e c t l yi n f l u e n c e sr e l i a b i l i t y i ti st h ef o u n d a t i o nf o rg u a r a n t e e i n g a e r o n a u t i ca n da s t r o n a u t i cp r o d u c t ，a n dp r e c i s i o na n dp e r f o r m a n c eo fw e a p o n s y s t e m t h e r e f o r e ，r e s e a r c ha n dm a n u f a c t u r eo ft h r e e a x i sm o t i o ns i m u l a t o ri s c r u c i a lt oa e r o n a u t i ca n da s t r o n a u t i ci n d u s t r y , a n dd e f e n s eb u i l d i n g t 协sr e s e a r c hf o c u s e so ns t r u c t u r ed e s i g na n dd y n a m i ca n a l y s i so ft h r e e a x i s m o t i o ns i m u l a t o r t h i sr e s e a r c hf i r s t l ys t u d i e st h ed y n a m i cd e s i g np r o c e s sa n d m e t h o df o rm e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，c o m p u t i n gm e t h o do f m a i nl o a d ，w h i c hi n c l u d e s i n e r t i a ll o a d ，f r i c t i o n a ll o a d ，g r a v i t yl o a d ，a n dl o a ds y n t h e s i s a n dt h e ns e l e c t i v e c r i t e r i aa n dm e t h o df o rd r i v ed e v i c e sa n dd r i v em a n l i e ra r es t u d i e d , i nw h i c h ， h y d r a u l i cd r i v ei sc o m p a r e dw i t he l e c t r i c a ld r i v e , d i r e c td r i v ei sc o m p a r e dw i t h i n d i r e c td r i v e c o m p a r i s o ni sm a d ea m o n gd cs e r v om o t o r , a cs e r v om o t o r , d c t o r q u em o t o ra n ds y n c h r o n o u sm o t o r , a n ds e l e c t i v em e t h o di sp r e s e n t e d 。i ti s d e s c r i b e df o rm e c h a n i c a ls t r u c t u r eo fs i m u l a t o ra n dm e t h o d so fd e s i g na n d p r o c e s st og u a r a n t e ep e r f o r m a n c eo f s i m u l a t o r t h ef a c t si n f l u e n c i n gs i m u l a t i n gp r e c i s i o na r es t u d i e d w h i c hi n c l u d ep o i n t i n g e r r o r , r a t es t a b i l i t ye r r o r , a m p l i t u d ep h a s ee r r o r a c c o r d i n gt ot h ec o n c l u s i o no f e r r o ra n a l y s i s ，f o u rc o n s i d e r a t i o n sa r ep r e s e n t e df o rd e s i g n ，m a n u f a c t u r ea n d a s s e m b l eo fs i m u l a t o r 矾1 r e e d i m e n s i o n a ls o l i dm o d e lo fs i m u l a t o ri sc r e a t e da n dm o t i o n a l s i m u l a t i n gi si m p l e m e n t e db yu s i n gc a t i a i ti l l u s t r a t e st h a tt h e r ei sn oi n t e r v e n e a n dm o t i o n a lp e r f o r m a n c ei sf i n e i na d d i t i o n ，d y n a m i ce q u a t i o no fs i m u l a t o ri s p r o p o s e da n dd y n a m i cs i m u l a t i n gi si m p l e m e n t e db yu s i n ga d a m s ，i nw h i c h t h i sr e s e a r c hm a i n l ys i m u l a t i n go u t p u tt o r q u eo fm o t o r f i n a l l y , t h i sr e s e a r c h t h e o r e t i c a l l ya n a l y z e sd y n a m i cc o u p l i n g e f f e c to fs i m u l a t o r s i m u l a t e st h e d y n a m i cc o u p l i n g e f f e c tw i t h a d a m s ，c o m p a r e ss i m ul a t i n g r e s u l t sw i t h c o m p u t i n g1 。e s u l t s a n dr e s u l t ss e l e tt e df r o mf a c t u a l d e s i g n a n dp u t sf o r w a r d 哈尔滨l ：程人学硕十学位论文 a d v i c ef o ro p t i m i z i n gd e s i g n k e y w o r d s ：t h r e e - a x i sm o t i o n s i m u l a t o r ；m e c h a n i c a ls t r u c t u r e ；d y n a m i c ； s i m u l a t i o n ；d y n a m i cc o u p l i n g 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：期 日期：2 0 0 7 年，月2 罗日 哈尔滨i ：稗人学硕十学符论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的及意义 航空、航天工业的发展水平是一个国家国力强弱的重要标志。航空、航 天技术不但在国防领域有举足轻重的地位，在人民生活中也有着越来越重要 的意义。随着空间技术和制造工艺水平的发展，人类对太空的探索越来越向 其深度和广度拓展，对探索工具及飞行器的精密度、可控性的要求也愈加严 格，同步卫星的准确定位、航天飞机的升空飞行、导弹的准确定位与自动跟 踪等均离不开惯性导航与制导技术。近年来发生的一些战争己经证明导弹在 现代化武器装备中日趋重要。导弹制导系统是导弹及飞行器的核心部件，评 价制导系统性能主要有两种方法：一种是在实际打靶或实际飞行中获得数据， 再依据这些数据来分析系统设计是否合理，从中发现问题不断完善；另一种 方法是用测试。仿真设备在地面测试和评价制导系统的各项性能指标，并模 拟导弹系统或飞行器的实际飞行环境，检测系统的工作状态和跟踪精度。最 早，飞行器上天之前要用许多实物进行试验研究，航空、航天产品的结构复 杂、造价昂贵，这样不仅造成许多财力、物力和人力的浪费，而且有限的试 验所获得的规律不可能十分准确。 随着导弹武器系统的发展，导弹及制导技术对仿真技术提出了更高的要 求，同时，计算机技术尤其是数字计算机技术的发展为仿真技术提供了更高 的技术基础，仿真技术发生了根本性的变化，其应用范围已深入到导弹系统 研制和使用的各个环节。仿真转台是仿真技术的关键设备，由早期的单轴转 台到目前的三轴仿真转台。已经可以真实地模拟导弹或飞行器的动力学特性， 在实验室条件下复现其在空中的各种飞行姿念，对导弹或飞行器的传感器件、 制导系统和控制系统及各执行机构的性能加以测试。将经典自破坏性的全实 物实验转化为实验室的预测性研究，为成功的实际飞行提供充分的技术指标 和实验数据，为导弹或飞行器的改进和再设计提供各种参考依据。还可以为 导弹未制导雷达提供安装平台；为剜频面阵校准提供坐杯基础。既能实现数 字仿真，义能实现模拟仿真，既自位置仿真j j j 能又有速率仿真功能。 l 堕笙堡! ：矍叁：兰堡堂宣堡奎 同时三轴仿真转台还可用于各种精密跟踪，作为各种高精度跟踪设备( 如 大型射电望远镜、天文望远镜等) 的支承架。 因此，三轴仿真转台的研究在空日j 探索、国防建设、国民经济发展中都 具有极其重要的意义“1 。 通过研究当前三轴仿真转台的设计分析方法，为今后同类结构的设计奠 定基础，通过本课题的研究为今后转台的设计分析提供有效的参考，为研制 出性能更优良的三轴仿真转台打下基础，促进国防建设、国民经济的发展。 1 2 国内外相关领域的研究现状 1 2 1 仿真转台 仿真转台性能的优劣直接关系到仿真试验可靠性和置信度，是制导回路 精度的关键。这给兼顾岸舰和舰空导弹导引头仿真的三轴仿真转台高实时、 高精度和高频响等技术指标提出了很高要求，这给仿真转台的总体方案确定 和研制提出了新的课题，也给转台测控系统设计与实现提出了更高的要求。 世界上一些军事大国，如美国、俄罗斯、德国、法国等都特别重视仿真系统 的研究开发，投入大量的人力、物力。美国是世界上最早研制和使用转台的 国家，它的第一台转台于1 9 4 5 年诞生于麻省理工学院( m i t ) 。至今为止，美 国转台的研制和使用，无论在数量、种类，还是在精度和自动化程度上都居 于世界领先地位，代表了当今世界转台的发展水平和方向。英、法、德等国 也从事转台的研制工作，但无论投入的人力和财力，还是所达到的水平都不 如美国。俄罗斯的惯性技术水平也较高，但由于保密性强，对其具体情况了 解不多。 美国6 0 年代丌始，对转台的主要部件如轴承、驱动元件、角度传感器和 检测仪器进行了系统的改进，研制成功了专用于转台的空气轴承，大调速比、 商精度液压马达和高分辨率的角度传感器，并丌发了宇航专用飞行仿真软件， 实现了系统仿真由模拟系统向数字仿真系统的转变，山部分功能仿真向全弹 道仿真的转变，代表了目前国际的先进水平“1 。 1 9 6 9 年之后，荧困的转台设计和制造逍入了系列化阶段。位于宾夕法尼 堕! ! 壅! ：壁厶堂塑堂堡堡塞 亚匹兹堡的康特维斯一戈尔兹公司( c o m w s g o e zc o o p c r a t i o ，简称c g c ) 成 为美国制造惯性导航测试设备和运动模拟系统的主要厂商，并一直代表着美 国乃至世界惯性设备，尤其是转台的发展水平“。 从7 0 年代初开始，c g c 着手研制并生产系列多轴陀螺测试转台，1 9 7 2 年为d r a p e r 实验室的第三代陀螺仪和h o n e yw e l l 公司的静电支撑陀螺仪研 制成功了5 3 d 型和5 3 e 型转台，1 9 7 8 年为西德航空航天研究试验院研制成 功了5 3 g 型转台。5 3 系列转台台体的形式均为多轴，其中5 3 b 型为四轴惯 性制导测试系统，5 3 1 3 型、5 3 e 型、5 3 g 型、5 3 w 型为三轴转台，普遍采用 了气浮轴承，轴系回转精度和正交精度均达到角秒级，使用感应同步器作测 角元件，测角精度和定位精度均达到1 角秒。 1 9 8 4 年c g c 公司开始研制“高精度三轴测试台i t a t t ”。i t a t t 是超 精密三轴测试设备，其三轴的综合指向精度如1 ”，o 0 0 1 2 0 0 。s 下的瞬时速 率误差茎1 0 七。i t a t t 在轴承、台体结构、驱动装置、测角系统、控制方法、 电气系统和信号传输与处理方面都有许多新技术得以应用“1 ，比如采用有源 磁悬浮轴承。 随着寻的制导半实物仿真的需要，国外还研制出五轴转台。美国卡坷公 司生产的5 - 4 5 0 r - 5 型转台，其内面三轴模仿导弹的姿念角运动，外面两轴用 于目标仿真。仿真系统进入了实用化和商业化阶段，对高精度导航控制系统 的研发起了极大的促进作用“1 。 由于仿真转台在军事和国防上的敏感性，国外一直对我国进行技术封锁 和禁运。我国大体上从2 0 世纪6 0 年代中期丌始转台的研制工作。 1 9 6 6 年。7 0 7 所为高精度单自由度液浮积分陀螺仪设计的单轴伺服台 d t - 1 型高速转台进入研制阶段，1 9 7 4 年进行全面的精度测定，1 9 7 5 年通过 鉴定。该转台由机械台体和电子控制箱两部分组成，采用气浮轴承，交流力 矩电机直接驱动，用感应同步器和旋转变压器组成测角系统。 1 9 7 5 年，3 0 3 所研制成功了s e t1 1 型伺服转台，首次应用光栅为精密 测角元件。该伺服台与美国f e c k e r h 公司生产的2 0 0 型转台一样，可提供三 种工作状念，即伺服工作状态、速度工作状念、位置工作状念，主要进行伺 服试验，可测定漂移率为0 ，o l 。i l 的惯性系统或陀螺。 t 9 7 9 年，哈尔滨工业大学和原六机部6 3 5 4 所及4 4 l 厂，合作研制出我国 3 哈尔滨i ：程人学硕七学伊论文 第一台双轴伺服台t p c t 1 型双轴气浮轴承台，又称“7 1 9 1 ”双轴台。1 9 8 3 年，航天部一院1 3 所研制了s s f t 型双轴伺服台，该转台是我国最大的双轴 伺服台，是为测量漂移率为0 0 1 0 h 的二自由度陀螺、三自由度陀螺、加速度 计等惯性元件及平台系统的性能而设计的。 从2 0 世纪8 0 年代初开始，我国对计算机控制转台和自动测试进行一系 列研究，并进行了转台计算机测控系统的研制工作。 1 9 8 5 年，由哈尔滨工业大学研制出我国第一台计算机控制的转台 d c p t - 2 型单轴台，计算机参与控制，提高了控制精度和测试自动化水平。 1 9 9 2 年，3 0 3 所研制了s g t - 1 型三轴惯导测试台，这是我国第一台计算 机控制的高精度三轴转台，其电控系统采用了与美国c g c 公司研制的 m p a c s 3 0 h 相类似的模块化系统，如图1 1 所示。 图1 1s g t - 1 型三轴惯导测试转台 我国的转台研制工作尽管起步较晚，但发展是比较快的。从2 0 世纪8 0 年代丌始，将计算机控制技术成功地用于转台的电控系统，使测试自动化程 度大大提高。转台台体的机械结构设计更加完美，也为进一步提高转台的精 度提供了条件。图1 2 是中国船舶工业总公司最近研制的两种型号计算机控 制多功能三轴飞行模拟转台，主要用于惯导系统的位置、速率与摇摆等试验， 采用了计算机进行控制和数掘处理，具有精度高、动念范围大等特点“1 。 堕笙堕：! ：型厶堂堕兰丝堡茎 图1 23 k d 5 6 5 和3 k d 3 1 1 型三轴模拟转台 我国目前基本上建立了仿真软件、仿真转台研制的配套科研院所，相续 建立了一些仿真实验室。仿真转台的研制从单轴电动发展到双轴、三轴电动 转台以及电液混合驱动仿真转台，涉及无线电导引、惯性导引、光学导引、 红外导引等不同导引头的半物理仿真。国内转台的研制工作虽然有明显进步， 但是与国际先进水平相比还有一定差距”1 。 1 2 2 多体系统动力学 随着计算技术的发展和计算机的更新换代，多刚体系统动力学在8 0 年代 己趋成熟和完善，风格各异的建模方法相继获得应用，并有一些大型通用程 序问世。随着研究的深入，物体的弹性变形越束越受到人们的重视，尤其是 含有细长体的系统，如人造卫星。进入9 0 年代以来，研究者们的工作重点放 在了计及物体的变形上，即所谓多柔体动力学。计及弹性变形的研究方法有 两种：一是有限元法。即将柔性体划分为许多单元，用有限元法计算弹性变 形，同时每个单元还随柔体做大的刚体位移。这种方法得到的系统动力学方 程可以说是完整的，但是描述弹性变形的自由度数庞大；二是模态叠加法。 即根据一定的条件选取柔体的少数阶模念来表示弹性变形，从而极大地降低 描述弹性变形的自由度数。但是即使如此所得到的方程也远比多刚体情形复 杂，对其求解往往比较困难，主要表现在数值解的稳定性方面。 多体系统动力学的研究方法主要有：( 1 ) n e w t o n e u l e r 方法。它将单个 刚体的n e w t o n e u l e 方程推广到多刚体系统，其形式简单，但方程中含有许 多不需要的未知理想约束力，需花费大量的工作去消除这些约束力。( 2 ) 堕笙鎏：! ：塑厶堂婴堂丝丝塞 l a g r a n g e 方法。将经典的l a g r a n g e 方程用于多刚体系统，这个方法使未知变 量个数减少到最少程度且程式化，但计算能量函数及其导数的工作极其繁琐， 需要借助符号推导程序。即使自由度较少的系统，其推导结果仍然很庞大， 从而使数值计算效率降低。但是由于其程式化的特性，很适合于汁算机自动 推导和处理，所以很多通用程序仍然采用该方法建立动力学模型，广泛应用 的优秀动力学分析软件a d a m s 就是基于第一类l a g r a n g e 方程建立多体系统 的动力学模型。( 3 ) r o b e r s o n w i t t e n b e r g 方法。其主要特点是利用图论中的一 些概念描述多体系统的结构特征，以得到适用于各种不同结沟的公式，其形式 整齐优美，易于处理树形多体系统。( 4 ) 变分方法。该方法不需建立系统的运 动微分方程，直接借助数值计算寻求多体系统的运动规律。( 5 ) k a n e 方法。 利用广义速率代替广义坐标描述系统的运动，并将力矢量向特点的基矢量方 向投影以消除理想约束力，兼有矢量力学和分析力学的优点。但是该方法的 缺点是广义速率的概念不易理解，不易于为广大技术人员掌握，势必影响到 它的推广应用。 计及弹性变形的多柔体系统动力学方程有一个明显的所谓刚性问题，在 方程中有快变量和慢变量，分别表征弹性变形和刚体位移。于是在数值积分 时，如要反映快变量的变化，积分步长应该取很小，但由此造成的累积误差 就很显著，从而引起计算结果失真或发散；同时由于计及弹性变形，增加了 问题求解规模、耦合程度和非线性，都对数值解的稳定性造成重要影响。所 以多柔体系统动力学面临的主要问题是模型降阶和数值求解。 弹性体的弹性位移的自由度数目过多是造成模型高阶的主要原因，降阶 主要着眼于弹性位移的自由度数目的减少。在多柔体系统动力学仿真中，应 用最广泛的降阶方法是模念叠加法，也叫做模，奈降阶方法，它主要针对模态 坐标进行降阶，是在以模态向量为基向量的模态空间内进行降阶的。其原理 是用系统的固有模念的线性组合柬表示系统的弹性立移，如模态展丌法，系 统的响应 戈：主7 ；一( 1 - 1 ) 一f z 为第i 阶模态，f ；为第i 阶摸念坐标，m 表示从n 自由度的弹性系统的 1 个固有模念中选取其中的m 个漠念来近似表达系统的弹性位移从而达到 堕笙堡! ：矍厶堂塑堂笪堡塞 降阶的目的。模念截取的准则是：选取模念坐杯时，由最低阶丌始，直到其 对应的固有频率超过外力的谐和分量的最高频率，即高阶模态对动态响应的 贡献已经非常小为止。主要有以下几种选取模态的准则：( 1 ) 惯性完备性准则。 该准则建立在模念动量系数尸和模态角动量系数h 的特征上。( 2 ) 模态价值分 析准则。这是从最优控制理论中的概念延伸过来的。以系统的状态方程为基 础，定义一个模态价值函数k ，模态价值分析准则就是根据某阶模态价值函 数吒( 七= 1 皿) 对系统总价值函数v 的贡献大小确定其取舍。( 3 ) 内部平衡降阶 准则。平衡降阶( b a l a n c e d r e d u c t i o n ) 准则建立在系统的内部平衡概念和系统 的响应的基础上。内部平衡是在研究控制系统状态空间的鲁棒( r o b u s t ) 近似 中提出的概念。该准则根据某阶模态的脉冲响应能量对系统总的脉冲响应能 量的贡献来决定其取舍。 无论用什么方法建立多柔体系统的动力学模型，得到的都是非线性方程 组，要得到这种方程组的封闭解一般是困难的甚至不可能的。由于动力学方 程的“刚性”和每一步迭代的舍入误差和截断误差的积累，解往往也是不稳 定的或不可靠的。另外，刚性问题只是造成多柔体系统动力学方程数值解发 散的一个原因，即使彻底解决了刚性问题，是否就意味着解决了多柔体系统 动力学方程数值稳定性问题，仍是未知的。寻求一种对时劁步长不敏感、计 算精度高而且数值稳定的算法一直是计算方法研究人员的主攻方向。近年来 对数值方法的研究也取得了许多成果，在众多算法中，以下几种算法是值得 关注的，也是应用最广泛的。 1 、隐式r u n g e ，k u t t a 法( r k 法) 。隐式r u n g e k u t t a 法是求解初值问题的 一类常用的重要方法，1 9 6 8 年e h l e 证明了其绝对稳定域包含整个左半平面 ( 足( 五) 2 0 k q ，最大工作转速：1 2 0 r m i n ， 转动惯量：o 0 1 k g m 2 ，质量：4 5 k g 。 驱动型式为直接驱动。直流力矩电动机转子直接与转台内框架的一根半 轴固联，直流测速发电机转子直接与转台内框架的另一根半轴固联。 2 、中框采用双电机同步驱动。一台中框驱动电动机选择成都微精电机有 限公司生产的j 2 1 5 n 7 x 0 9 g t l 型直流力矩电动机，电机参数如下： 峰值堵转电压：6 0 v ，连续堵转电压：3 0 v ， 峰值堵转电流：1 6 a ，连续堵转电流：8 a ， 峰值堵转转矩：6 0 n m ，连续堵转转矩：3 0 n m ， 最大空载转速：1 2 0 r m i n ，电枢电阻：3 7 q ， 电枢电感：2 0 m h ， 转动惯量：o ，0 3 k g m 2 ， 质量：l l k g 。 另一台中框驱动电动机选择成都微精电机有限公司生产的 j 2 1 5 l y x c 0 2 型直流力矩测速机组，机组参数如下： 峰值堵转电压；6 0 v ，连续堵转电压：3 0 v ， 哈尔滨一i ：羊旱大学硕十学位论文 峰值堵转电流：1 6 a ，连续堵转电流：8 a ， 峰值堵转转矩：6 0 n