空间大型光学载荷用并联调整机构精度设计与运动学标定研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) | 被引量 : 1次 | 上传用户:yjq123wlz
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对于空间大型多功能光机结构而言,被动支撑框架无法满足光学系统的支撑刚度要求,受到发射振动环境以及在轨重力卸载、高低温真空环境影响,会造成各个光学元件的相对位置发生偏移,从而对成像质量影响严重。同时,大型空间望远镜为了完成在民用、商用、军工等多领域侦察任务,需要模块切换机构将光路切换到不同后端模块焦面。针对大型空间望远镜各光学组件在轨修正失调量以及各模块组件切换光路时高精度定位需求,本文研究了基于6-RRRPRR构型并联调整机构精度设计及运动学标定技术,旨在实现大型空间望远镜快速稳定、多模式以及高清晰成像。由于偏置RR铰链更容易加工和装配,并且偏置量的设计使其刚度更高,以及铰链自身的转动角度更大,然而,相对于传统6-SPS,6-UCU以及6-UPS构型的并联调整机构的精度设计与运动学标定,偏置RR关节将铰链轴的偏移参数引入到运动学模型中,从而增加了待识别的运动参数的数量。本文首先建立6-RRRPRR构型并联调整机构正、逆运动学模型,利用Newton-Raphson数值迭代算法对其正、逆运动学问题进行求解。在此基础上,按照支腿的驱动腿长以及铰链旋转角度等设计约束,完成了6RRRPRR构型并联调整机构的工作空间分析,为后续运动学标定过程中选择标定测量位姿奠定基础。精度设计是解决并联调整机构末端精度的先验方法,为了全面研究偏置RR铰链设计参数对末端位姿精度的影响,本文基于D-H参数法对各个支腿建立包括基座、下铰点下铰链轴、下铰点上铰链轴、支腿移动幅、支腿旋转幅、上铰点下铰链轴、上铰点上铰链轴以及动平台等全几何参数的并联调整机构运动学模型,并且在动平台可达空间内完成各参数对并联调整机构末端精度的灵敏度分析。在此基础上,建立构型优化设计指标,对并联调整机构的主要结构参数进行多目标精度优化设计,这为后续在并联调整机构运动学标定过程中如何确定所要辨识的结构参数类型奠定了理论基础。关于几何参数辨识及误差补偿方面,为了验证偏置参数误差对标定精度的影响,将考虑铰链偏置量误差与忽略铰链偏置量误差的运动学标定结果进行了对比,结果显示考虑铰链偏置量误差可以显著提高运动学标定精度。同时,提出用于确定最优标定位形的最优位姿选择算法,该算法可以在标定测量位姿子集合内选择最小数量以及最优组合的测量位形,为了验证该最优测量位形的准确性,将随机选择标定测量位姿与最优测量位形的运动学标定仿真进行对比,对比结果显示,应用于256个随机测量位形的运动学标定结果和基于29个最优测量位形的运动学标定均使末端定位精度得到显著的提高,两者在提高末端位姿定位精度方面处于同一量级。运动学标定试验是解决并联调整机构末端精度的后验方法,为了提高运动学标定试验结果的可靠性,对并联调整机构进行分辨率、行程以及重复定位精度等基础精度测试。在保证末端具备较高的分辨率以及重复定位精度之后,利用上述提出的完整误差模型建模以及最优测量位形选择对6-RRRPRR构型次镜调整机构进行运动学标定试验。考虑到并联调整机构的调整精度,一款AT901-LR型激光跟踪仪用于运动学标定过程中动平台末端位姿的测量,运动学标定结果显示最大位置误差降低到1.2e-2 mm,最大姿态角误差降低到0.0051o,动平台末端位姿精度在全局工作空间得到提高。该课题的研究为我国大型空间望远镜在轨精密调整主动补偿技术的研究奠定了基础,对该技术的深入发展具有重要的理论和现实意义。
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