CN108917700B - 一种三自由度机构在轨指向精度确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种三自由度机构在轨指向精度确定方法，所述三自由度机构由两个单自由度弯转零部件及一个单自由度旋转零部件及连接零部件的连接杆A、连接杆B组成，步骤如下：(1)确定机构精度误差源特征并测量误差；(2)计算得到连接杆放大误差；(3)根据得到的测量误差和计算的连接杆放大误差，计算机构指向精度。本发明通过对精度源的组合方式、精度变化规律分析、综合计算出整体机构的指向精度，从而找出影响整体机构精度的主要因素，经迭代设计，最终满足卫星对机构指向精度的需求。

Description

一种三自由度机构在轨指向精度确定方法
技术领域
本发明涉及一种三自由度机构在轨指向精度确定方法，可以在所有卫星三自由度机构在轨指向精度设计过程中推广应用。
背景技术
运动机构用于实现预定序列的机构运动，将卫星上的载荷如天线、太阳翼等伸展出卫星平台，使载荷与卫星的相对位置保持在规定的精度范围内，是实现卫星载荷功能的重要部分。
近年来，随着卫星设计及制造技术的高速发展，星上设备数量剧增，设备布局日益紧凑，导致载荷空间狭小。而载荷功能的需求激增，却使载荷的卫星空间需求却不断提升。不同载荷只以结构形式，固定在卫星的方式，将导致载荷间的空间干涉，一般会使用机构方式，在卫星发射阶段，将载荷收拢于卫星内部，在卫星在轨使用阶段，通过机构将载荷伸展出卫星，实现载荷功能，同时机构的指向精度也将造成载荷间的电性能互相影响，恶劣情况下甚至影响了整星性能。
现有机构的精度设计一般从机构零部件精度控制和地面试验验证两方面入手。通过提高零部件精度达到提高机构整体装配精度的效果。地面试验通过直接测量机构的收拢和展开精度判断机构精度是否满足设计指标要求。前者导致对于特高精度要求的机构，现有机械加工水平无法满足零部件加工精度要求，或者对于机构部分不需很高精度的零部件，采用了过高精度要求造成加工成本的浪费。后者导致当地面验证结果不满足要求时，缺乏问题定位手段，造成加工反复，或者地面验证结构满足要求时，无法反映在轨真实指向精度。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，从零部件加工精度、安装精度、在轨热变形精度入手，提供了一种三自由度机构在轨指向精度确定方法。通过对精度源的组合方式、精度变化规律分析、综合计算出整体机构的指向精度，从而找出影响整体机构精度的主要因素，经迭代设计，最终满足卫星对机构指向精度的需求。
本发明的技术解决方案是：一种三自由度机构在轨指向精度确定方法，所述三自由度机构由两个单自由度弯转零部件及一个单自由度旋转零部件及连接零部件的连接杆A、连接杆B组成，步骤如下：
(1)确定机构精度误差源特征并测量误差；
(2)计算得到连接杆放大误差；
(3)根据(1)得到的测量误差和(2)计算的连接杆放大误差，计算机构指向精度。
所述误差源包括：按机构俯仰方向、滚动方向分别测量两个单自由度弯转零部件及一个单自由度旋转零部件的加工装配误差、锁定误差、热变形误差；按机构俯仰方向、滚动方向分别测量连接杆A、连接杆B的热变形误差。
所述锁定误差的测量在各部件力学试验、热真空试验前后测得；两个单自由度弯转零部件及一个单自由度旋转零部件的热变形误差保证在部件热真空试验中测得；连接杆A、连接杆B的热变形误差通过有限元计算测得。
所述误差源在测量时，保证测量值为同状态10次测量值的最大值。
所述测量得到第一单自由度弯转零部件加工装配误差为a1，单自由度旋转零部件加工装配误差为a2，第二单自由度弯转零部件加工装配误差为a3，误差源特征为随机误差；
测量得到第一单自由度弯转零部件锁定误差为b1，单自由度旋转零部件锁定误差为b2，第二单自由度弯转零部件锁定误差为b3，误差源特征为随机误差；
测量得到第一单自由度弯转零部件热变形误差为c1，单自由度旋转零部件热变形误差为c2，第二单自由度弯转零部件热变形误差为c3；
连接杆A热变形误差为d1，连接杆B热变形误差为d2。
所述步骤(2)中，设定连接杆A长度l1，连接杆B长度l2；计算得到连接杆A放大误差为d1/l1/π*180,连接杆B放大误差为d2/l2/π*180。
所述机构指向精度，即俯仰方向精度P＝(m2+n2)0.5，滚动方向精度R＝(p2+q2)0.5，其中m＝a1+b1+a2+a3+b3，n＝c1+c2+c3+(d1/l1+d2/l2)/π*180，p＝a1+a2+b2+a3，q＝c1+c2+c3+(d1/l1+d2/l2)/π*180。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明方法的机构在轨指向精度确定方法适用于所有卫星的在机构在轨指向精度设计；
(2)本发明方法中的根据误差源不同、特征不同进行精度计算方法，解决了缺乏针对性的误差分析，无法加工的精度设计问题，降低了机构的精度设计难度；
(3)本发明方法中的只对连接杆考虑在轨热变形影响方法，解决了地面验证无法全面反映在轨状态的问题，有针对性的在产品设计中考虑在轨热变形问题，降低了设计难度，降低了地面试验验证成本。
(4)本发明方法中的根据误差源特征迭代计算机构精度的方法，解决了零部件精度过设计的问题，降低了产品制造成本，解决了零部件精度欠设计的问题，减少了由于产品装配后精度不合格导致返工的风险。
附图说明
图1为本发明中三自由度机构原理示意；
图2为本发明中根据结果调整误差源的精度指标的迭代流程。
具体实施方式
如图1所示，三自由度机构有三个单自由度转动零部件及连接零部件的两个连接杆组成，自由度1(第一单自由度弯转零部件)转动角度α1＝135°，自由度2(单自由度旋转零部件)转动角度α2＝180°，自由度3(第二单自由度弯转零部件)转动角度α3＝165°，连接杆1长度l1＝3830mm，连接杆2长度l2＝3600mm，机构指向精度指标：俯仰方向小于0.1°，滚动方向小于0.1°。
(1)确定机构精度误差源特征并测量误差。
加工装配误差：由于零部件的制造误差、装配误差以及安装误差造成的零部件实际结构参数与其名义值之间产生偏差。自由度1加工装配误差为a1＝0.01°，自由度2加工装配误差为a2＝0.01°，自由度3加工装配误差为a3＝0.01°，误差特征为随机误差。
锁定误差：机构的3个自由度都包含自由度锁死铰链，用来保证机构展开到位后的刚度和精度。自由度1锁定误差为b1＝0.0115°，自由度2锁定误差为b2＝0.0028°，自由度3锁定误差为b3＝0.0147°，误差特征为随机误差。
热变形误差：在轨空间环境温度的变化、机构自身温度差会导致机构产生热变形。热变形分为两部分，自由度热变形和自由度连接杆热变形。自由度1热变形误差为c1＝0.0041°，自由度2热变形误差为c2＝0.0041°，自由度3热变形误差为c3＝0.0041°，连接杆1热变形误差为d1＝0.23mm，连接杆2热变形误差为d2＝0.612mm，误差特征均为日周期误差。
(2)计算连接杆放大误差。连接杆热变形经连接杆长度放大后导致的机构精度影响。连接杆1放大误差为d1/l1/π*180＝0.0034°,连接杆2放大误差为d2/l2/π*180＝0.0097°。
(3)根据(1)得到的测量误差和(2)计算的连接杆放大误差，计算机构指向精度。如表1所示，因为三个自由度同特征误差相关，所以特征误差和m＝a1+b1+a2+a3+b3，n＝c1+c2+c3+(d1/l1+d2/l2)/π*180，p＝a1+a2+b2+a3，q＝c1+c2+c3+(d1/l1+d2/l2)/π*180。因为特征误差和之间不相关，所以机构的俯仰方向精度P＝(m2+n2)0.5，滚动方向精度R＝(p2+q2)0.5。如表2所示，表中m＝a1+b1+a2+a3+b3＝0.0562°，n＝c1+c2+c3+(d1/l1+d2/l2)/π*180＝0.0254°，p＝a1+a2+b2+a3＝0.0328°，q＝c1+c2+c3+(d1/l1+d2/l2)/π*180＝0.0254°，最终得到机构的俯仰方向精度P与滚动方向精度R，P＝(m2+n2)0.5＝0.0617°，R＝(p2+q2)0.5＝0.0415°。
表1
Figure GDA0003117355470000051
表2
Figure GDA0003117355470000052
Figure GDA0003117355470000061
(4)根据(3)的计算结果P<0.1°，R<0.1°，满足机构精度要求。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种三自由度机构在轨指向精度确定方法，所述三自由度机构由两个单自由度弯转零部件及一个单自由度旋转零部件及连接零部件的连接杆A、连接杆B组成，其特征在于步骤如下：
步骤(1)确定机构精度误差源特征并测量误差；
步骤(2)计算得到连接杆放大误差；
步骤(3)根据步骤(1)得到的测量误差和步骤(2)计算的连接杆放大误差，计算机构指向精度；
所述误差源包括：按机构俯仰方向、滚动方向分别测量两个单自由度弯转零部件及一个单自由度旋转零部件的加工装配误差、锁定误差、热变形误差；按机构俯仰方向、滚动方向分别测量连接杆A、连接杆B的热变形误差；
所述锁定误差的测量在各部件力学试验、热真空试验前后测得；两个单自由度弯转零部件及一个单自由度旋转零部件的热变形误差保证在部件热真空试验中测得；连接杆A、连接杆B的热变形误差通过有限元计算测得；
所述误差源在测量时，保证测量值为同状态10次测量值的最大值；
测量得到第一单自由度弯转零部件加工装配误差为a1，单自由度旋转零部件加工装配误差为a2，第二单自由度弯转零部件加工装配误差为a3，误差源特征为随机误差；
测量得到第一单自由度弯转零部件锁定误差为b1，单自由度旋转零部件锁定误差为b2，第二单自由度弯转零部件锁定误差为b3，误差源特征为随机误差；
测量得到第一单自由度弯转零部件热变形误差为c1，单自由度旋转零部件热变形误差为c2，第二单自由度弯转零部件热变形误差为c3；
连接杆A热变形误差为d1，连接杆B热变形误差为d2；
所述步骤(2)中，设定连接杆A长度l1，连接杆B长度l2；计算得到连接杆A放大误差为d1/l1/π*180,连接杆B放大误差为d2/l2/π*180；
所述机构指向精度，即俯仰方向精度P＝(m2+n2)0.5，滚动方向精度R＝(p2+q2)0.5，其中m＝a1+b1+a2+a3+b3，n＝c1+c2+c3+(d1/l1+d2/l2)/π*180，p＝a1+a2+b2+a3，q＝c1+c2+c3+(d1/l1+d2/l2)/π*180。
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