(潘冬,中国空间科学技术,2012)运动副间隙对卫星天线双轴机构动态特性影响

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1、２０１２年１０月中国空间科学技术２１第５期ＣｈｉｎｅｓｅＳｐａｃｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ运动副间隙对卫星天线双轴机构动态特性影响潘冬王兴贵赵阳（哈尔滨工业大学航天学院，哈尔滨１５０００１）摘要卫星天线指向精度要求高，天线驱动机构中有运动副的存在就不可避免地含有间隙，研究间隙等非线性因素对卫星天线驱动机构动态特性影响尤为重要。以某型卫星天线双轴驱动机构为研究对象，基于虚拟样机技术，采用非线性弹簧阻尼模型建立了间隙处的接触碰撞模型，同时采用库伦摩擦模型考虑运动副间隙处的摩擦作用。通过对虚拟样机进行动力学仿真，分析研究了运动副间隙及其大小、不

2、同驱动力矩等因素对双轴驱动机构动态特性的影响规律。结果表明：间隙及过大的驱动力矩将使天线定位精度降低、稳定性变差。综合考虑各因素影响，对卫星天线系统进行结构优化，是提高天线定位精度的有效途径。关键词双轴驱动机构运动副间隙虚拟样机动态特性影响规律指向精度卫星天线ＤＯＩ：１０．３７８０／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－７５８Ｘ．２０１２．０５．００４１引言卫星天线双轴驱动机构是在空间特定环境下，用来实现天线两自由度运动与定位的专用空间机构，可以实现天线对目标的实时跟踪、定位、伺服等多种功能。双轴驱动机构在国内外的通信卫星［１］和数据中继卫星上广泛应用。随着航天事业发

3、展，对卫星天线指向精度提出了更高的要求，双轴驱动机构有运动副的存在，就不可避免地存在间隙，间隙的存在，使得机构的运动、动力学特性变得异常复杂，尤其存在内碰撞，严重影响机构的精度与稳定性。由于制造工艺及成本限制，通过制造精度消除间隙是不现实的，综合分析间隙引入各因素对天线双轴机构动态特性的影响，分析其主要影响因素、影响程度和影响规律，进而加以控制，是提高卫星天线指向精度的有效途径。国内外学者对含间隙机构的运动［２－５］学和动力学问题开展了多年的研究，并取得了丰硕的成果，但现有文献对于卫星天线双轴驱动机构的研究甚少，文献［６］应用虚拟样机技术研究了理想情况下

4、双轴机构运动特性，文献［７］对双轴机构指向精度的静态影响因素进行了分析，对点波束天线指向计算问题进行了详细的研究。目前，尚未见文献对含间隙卫星天线双轴机构指向精度动态影响因素及其影响规律进行研究。本文以中国某高指向精度要求的卫星天线双轴驱动机构为研究对象，分析运动副间隙及其大小、不同驱动力矩等因素对机构动力学特性的影响规律，可为卫星天线双轴机构的结构设计与优化提供理论参考。国家自然科学基金（５０９７５０５６、１１０７２０６６）资助项目收稿日期：２０１１－１０－１１。收修改稿日期：２０１２－０３－２３２２中国空间科学技术２０１２年１０月２卫星天线双轴驱动机

5、构结构卫星天线双轴驱动机构分为横向、纵向两个完全相同的驱动轴，即俯仰轴和方位轴，每个驱动轴由驱动电机、减速器、轴承等结构组成。两个驱动轴再加上天线本体相应支架就构成了双轴驱动的天线系统。俯仰轴和偏航轴采用偏航－俯仰的布局形式，即偏航轴的输出端通过连接法兰与整个俯仰轴相连，当偏航轴电机接到驱动信号转动时带动整个俯仰轴及天线本体绕偏航轴转动；俯仰轴的输出端通过法兰直接与天线反射面相连，俯仰轴转动时带动天线本体作俯仰运动，从而实现卫星天线在图１双轴驱动机构简图Ｆｉｇ．１Ｔｗｏ－ａｘｉｓ－ｐｏｓｉｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍ三维空间中的运动，并精确定位，其具体机构

6、简图如图１所示。３含间隙双轴驱动机构动力学建模３．１间隙运动副矢量模型对双轴驱动机构间隙铰进行真实有效描述是实现卫星天线系统运动、动力学仿真的关键。如图２所示，间隙矢量模型通过在轴和轴承的旋转铰中引入一个间隙矢量来表达旋转铰的真实潜在行为，间隙矢量表征轴和轴承两构件间连接点的精确相对位置。图２中，ＯＸＹ为惯性坐标系。间隙矢量定义在一个局部浮动笛卡尔坐标系中（Ｏｉｘｉｙｉ），以轴承的回转中心为间隙矢量的基准起始点，间隙矢量的方向指向轴和轴承相对运动时的潜在接触点，该潜在接触点构成了轴与轴承的相对碰撞点对。间隙矢量的大小被严格限制在以轴承回转中心为圆心且以轴

7、和轴承的径向尺寸公差为半径的间隙圆内，间隙矢量大小图２运动副间隙矢量模型示意［８］的变化能够反映间隙运动副元素是否接触。Ｆｉｇ．２Ｓｋｅｔｃｈｏｆｖｅｃｔｏｒｍｏｄｅｌｋｉｎｅｍａｔｉｃｐａｉｒｗｉｔｈｃｌｅａｒａｎｃｅ对含间隙天线双轴驱动机构转动副，考虑到转动副铰接处轴承与轴同心，间隙大小用轴承与轴半径之差来描述，则间隙为ｃ＝ｒｉ－ｒｊ（１）式中ｒｉ为轴承的半径；ｒｊ为轴的半径。３．２间隙运动副数学模型图３为轴与轴承碰撞时旋转铰间隙示意，其中Ｏｉ和Ｏｊ分别为轴承和轴的中心；Ｑｉ和Ｑｊ分别为轴承和轴的潜在接触点；ｒｑｉ和ｒｑｊ是轴承和轴潜在接触点对在全局

8、惯性坐标系下的位置矢量；ｒｏｉ和ｒｏｊ是轴承和轴的中心在全局惯性坐标系下的位置矢