空间展开机构的单元构型综合与组网的研究

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1、博士学位论文空间展开机构的单元构型综合与组网的研究CONFIGURATIONSYNTHESISANDNETWORKINGOFUNITSFORSPATIALDEPLOYABLEMECHANISM宋小科哈尔滨工业大学2017年12月国内图书分类号：V443.4学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学博士学位论文空间展开机构的单元构型综合与组网的研究博士研究生：宋小科导师：刘荣强教授申请学位：工学博士学科：航空宇航制造工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2017年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V443

2、.4U.D.C:621DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringCONFIGURATIONSYNTHESISANDNETWORKINGOFUNITSFORSPATIALDEPLOYABLEMECHANISMCandidate：SongXiaokeSupervisor：Prof.LiuRongqiangAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：AeronauticsandAstronauticsManufacturingEnginee

3、ringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：December,2017Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要展开机构是指能收拢成较小形状，展开成较大预定外形的机构。随着航天技术的发展，航天器的尺寸越来越大，而运载火箭载荷舱尺寸有限，因此展开机构成为大尺寸航天器的最佳选择之一，大尺度、大折叠比、高刚度、轻量化已成为展开机构的发展趋势。传统展开机构以平面机构为基础单元，已不能满足发展需要。空

4、间单闭环机构具有折叠比大、刚度高等优点，以空间单闭环机构作为基础单元是展开机构未来的发展方向。不同于平面机构，空间单闭环机构运动轨迹复杂，存在一些共性问题，如机构构型综合、机构单元间组网方法、机构网络结构参数设计、机构网络刚度强化等，这些因素阻碍了空间单闭环机构在展开机构上的应用。本文针对这些问题进行了相关研究。本文提出了综合空间单闭环机构的连杆叠加法：首先通过叠加基本单元参数相同的连杆，得到新的单闭环运动链，基于运动螺旋方程系具有几何不变性的特性，得到运动链的运动螺旋方程，从而求出新运动链的自由度，自由度为1的运动链即为空间单闭环机构。以Ben

5、nett机构为例，采用连杆叠加法，得到25种5R、6R的空间单闭环机构，并根据机构的运动螺旋方程，对机构的奇异状态进行了分析。随后对空间单闭环机构对称性和折展特性间的关系进行了分析，以对称性为目标，对综合得到的空间单闭环机构进行分析，得到7种具有对称特性的构型。同时，采用几何结构稳定的运动链，综合出具有一维伸展功能的卫星天线馈源展开机构。针对空间单闭环机构的特点，本文提出过渡单元法的空间单闭环机构组网方法，并基于螺旋理论，提出一种判断组网可行性的单闭环机构网络自由度分析方法。以空间单闭环机构作为基础单元，在机构间构造过渡单元，过渡单元与基础单元相

6、比，除杆长成比例缩小外，其余参数一致。通过过渡单元协调基础单元间的运动，从而构造出大尺度模块化的展开机构网络。利用组网时单元间的关系，推导出机构网络的螺旋约束矩阵，采用线性列变换对约束矩阵进行化简，求得机构网络的自由度。以综合得到的6R-B-A、6R-B-D机构和6RAltmann机构为基础单元，采用过渡单元法进行组网。然后，利用本文提出的单闭环机构网络自由度分析方法，对Altmann机构网络的自由度进行分析，并分析机构网络的奇异和折展性能。以Bennett机构替代构型为基础单元，本文提出一个折展性能良好的机构网络。首先分析Bennett机构替代

7、构型和理论构型间的映射关系。然后，采用过渡单元法，在Bennett机构替代构型间构造过渡机构，从而构建出模块化的-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文机构网络，并对机构网络形面进行分析。随后以柱面机构网络为研究对象，对机构网络中各单元的参数进行分析。根据组网过程，对机构网络自由度进行求解，进而分析机构网络中各单元参数与自由度间的关系。在此基础上，提出一个Bennett机构网络拟合抛物柱面外形展开天线的方法，并加工原理样机进行验证。原理样机的展开实验证明了拟合方法的可行性。在单层机构网络的基础上，本文提出一个双层机构网络构造方法。首先分析等边Benn

8、ett机构的运动，得出机构具有对角转动副轴线绕虚拟转动副旋转的特性。利用这个特性，将等边Bennett机构和平面对称四杆机构结合起来，构