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基于特定频率的人造负荷优化结构设计*
王国勇 王红光 王永江 王永昌 王作为
摘要：提出了一种用于天线指向机构（APM）的空气轴承重力卸载设备，用于模拟微观重力环境，对地面上的APM进行测试。提出了APM的人造负载，以模拟惯性，质量和频率，用来反映指向机制的性能。人工负荷结构设计是基于词典的方法。通过比较不同的负载配置，负载结构设计合理，具有一定的尺寸参数。这种结构设计解决了两轴的惯性耦合问题。为了适应给定的频率，反复进行迭代设计。在这个过程中，尺寸参数被修改，影响频率直到达到给定的频率。负载结构进一步优化，以确保惯性在一定范围内的调整并保持基本恒定的频率。最后总结了设计方法，适用于基于特定频率的多目标结构设计。
*由Control-Capture综合测试系统项目支持的研究（00025461159001）。
杨国阳是中国科学院沉阳自动化研究所机器人国家重点实验室，中国沉阳，中国科学院大学，北京（电话： 86-24-23970557; 传真： 86-24-23970552; 电子邮件：gyyang@sia.cn）。 、
王宏光，王永江，永昌均为国家重点学科沉阳中国科学院沉阳自动化研究所机器人实验室（电子邮件：hgwang@sia.cn;jiangyong@sia.cn; changyong@sia.cn）。
王作伪与北京控制工程研究所，北京，中国（wzuowei123@foxmail.com）。
一.引言
空间环境具有微重力，强辐射，高真空，超低温等特点，对航天器动态能力影响较大的是微重力的特征。许多国家设计了微量重力模拟器来模拟地面上的微环境。模拟器包括空气轴承模拟器，悬挂模拟器，中性浮力模拟器，微型重力塔（滴管）等[1]。空气轴承模拟器由于其技术，结构简单，施工和维护成本低等特点而得到广泛应用。建造空气轴承模拟器的国家包括美国[2-5]，英国[6]，德国[7]，日本[8]，中国[9,10,11]等。麻省理工学院，NASA和南安普敦大学模拟航空飞行器的平面空气轴承和球形空气的质量和惯性轴承[2,5-7]。日本JERMS通过支撑具有平面空气轴承的机器人手臂来模拟微型G环境，但空气轴承对质量和惯性矩的影响被忽略[12-15]。模拟器上的仿真航天器的结构与空间结构不同。此外，空气轴承还会改变质量，惯性矩和模态。 因此，仿真器的测试结果与其实际能力不同。
重力卸载设备（模拟器）设计用于测试其性能跟踪和数据中继卫星（TDRS）的天线指向机制（APM）在地面上。质量，转动惯量和基本模态频率都被考虑以反映天线的实际特性。 人工负载的结构是专门设计的。 所以设施上的结果更可靠。
二 .重力卸载结构
TDRS的APM包括两个正交轴，如图1所示。 APM由三部分组成：垂直定子（作为底座），垂直转子（固定在水平定子上）和水平转子。作为APM，当天线安装在水平转子上时，垂直定子安装在卫星上。天线太大，其重量可能会在重力下破坏地面上的APM,如果天线直接安装在APM上，则无需额外的支持。重力卸载设施旨在在发射卫星之前测试地面上的APM的性能。设计人造负载，额外支持重力卸载设备来更换天线。该设施最重要的功能之一是卸载人造负载的重力。
空气轴承应用在设备上以补偿空气轴承技术的发展，结构简单，稳定性好。重力卸载装置由于两个正交的轴而由平面空气轴承和空气主轴卸载重力。该设施的结构如图1所示. 2。
图1.天线指向机制
图2.重力卸载设施的结构图
空气主轴卸载人造负荷的重力水平转子同时水平接头旋转。人工负载由水平有效载荷，空气主轴转子，无框电机转子等连接部件组成。 当垂直接头旋转时，平面空气轴承卸载水平定子，垂直转子，空气主轴，无框架电机定子，平板和人造负载的重力。该重力卸载设备设计有两层（如图2-a所示）。 底层由三个平面空气轴承组成，三角形为上层，为空心轴（如图2-b所示）。 三个平面空气轴承安装在支撑平板下方，而空气轴固定在平板的顶部。
首先，空气轴承承受水平转子和人造负荷的重力。 水平转子和人造负载牢固地安装在空气主轴的转子上。 转子和定子之间的间隙充满了高压空气以减少摩擦。 水平转子，人造负载和其他测试装置都与主轴的转子同轴固定在一起，并绕水平轴线旋转。 它们的重力由空气轴中的空气膜支撑，而不会在旋转时具有非常低的摩擦力的直接接触。 因此，天线指向机构的水平接头具有其自由度（DOF）不受影响的水平轴旋转重力。
其次，水平定子的重力和垂直转子由固定在支撑平板上的可调弹簧机构1补偿。重心刚好在两个平面区域内的接触平面对内。有一个可调节的结构来改变弹簧的力，以提高重力补偿的精度。支撑平板通过三个平面空气轴承在花岗岩平台上保持（三个支撑力如图2-b所示）。三平面空气轴承放置为三角形，使得人造负载，空气主轴，支撑平板，无框电机的定子，水平定子，垂直转子和水平转子的重心刚好在三角形的重心之上。这使得三个平面空气轴承的负载均匀。平面空气轴承和花岗岩之间的间隙也充满了高压空气。因此，平板可以围绕垂直轴旋转，仅具有极小的空气粘性阻力。此外，空气主轴定子也固定在支撑平板上，并与由APM的垂直接头驱动的平板一起围绕垂直轴线旋转。所以水平接头和垂直接头一起旋转，好像没有重力无任何干扰。
第三，垂直定子的重力由连接到可调节的弹簧精确地卸载机制2。 引导和块对用于设置垂直平移DOF，因为在模拟的开始和结束时，平面空气轴承和空气主轴都有垂直运动。 固定在花岗岩平台上的弹簧和导向块对机构可以保护天线指向机构免受空气轴承的额外力的损害。 垂直平移只有一个DOF在极小的范围内，垂直定子仍然作为垂直转子，水平定子，水平转子和人造负载的基础。
重力卸载设备通过上述重力补偿方法提供了围绕垂直和水平轴的两个旋转自由度。 特别是，无论这两个轴分别旋转还是同时旋转，卸载正在工作。 三个平面空气轴承放置在同一平面上，以确保围绕垂直轴旋转，同时卸载垂直转子，水平定子，水平转子，人造负载，空气主轴和所有其他部件。 空心轴也可以在横轴上旋转时卸载水平转子和人造负载。 两轴都以极低的阻力旋转，这是气膜的空气粘性阻力。 因此，天线指向机构在微重力的环境中运行，正如在空间中运行一样。
- 人工负荷设计中的目标和限制
用于替换天线的人造负载专门用于测试APM的性能。 APM在重力卸载设施上运行，模拟地面上的微重力环境。 人造有效载荷的设计目标如下：
（1）两轴的惯性矩必须满足要求。
（2）人造有效载荷的频率在内一定范围内确保测试结果可靠。
（3）惯性矩在一定范围内可调频率满足要求。
在人造有效载荷的设计过程中考虑到以下限制：
（1）水平轴的人造负荷包括空气轴的转子，水平有效载荷，转矩补偿电机的转子（无框电机）等。垂直轴的负载包括水平轴的人造负载，空气心轴的定子，无框电动机的定子，支撑平板，平面空气轴承等连接部分。两轴的载荷不同，考虑到两轴负载的耦合，并进行了综合设计。
（2）两轴负载的频率不同
由于负载结构的差异。选择水平轴负载的频率以满足要求，因为它是与真实天线安装在相同位置的负载。
（3）两轴之间存在惯性矩耦合问题，这意味着当另一个轴旋转时，一个轴的惯性矩可能会改变，因此人造有效负载被设计合理，以确保惯性的恒定和非耦合。
（4）APM在重力卸载设备上进行负荷试验。 APM的角度范围应足以避免人造负载和设施之间的建构性干扰。
（5）空气轴和平面空气轴承应具有足够的卸载载荷重力的能力。
设计限制如下,将质量，惯性矩和频率考虑在内：
是水平的质量垂直轴分别为MmaxH和MmaxV为极限。 theta;h和theta;v分别是水平和垂直轴的角度范围，而theta;1和theta;2是极限。 Jh和Jv是水平和垂直轴的惯性矩而Jmin和Jmax分别为极限。 此时此刻惯性是质量分布的函数：频率是水平人造负载的基本模态频率，而频率和频率最大值是极限。
在开始时没有定义优化中使用的参数的结构，因此使用词典方法来设计人造负载的结构。 轮流解决目标函数，后一个函数应在前面的最优解中。
- 人工载荷结构设计
首先，人造有效载荷的配置是根据词典的限制来设计的。 然后对设计结构的参数进行优化，以满足惯性矩和频率的要求。
- 人造有效载荷的配置
平面空气轴承（图3-a）和空气轴（图3-b）用于卸载重力。 空气轴承上的负载是平衡的，以避免翻转力矩的磨损损坏。 有效载荷被设计为U型叉的结构，因此重心位于空心轴的中心。
图3.平面空气轴承和空气轴
图4.有效载荷的不同配置
图中显示了不同的负载配置。 所有这三种配置均符合空气轴的要求，惯性矩可调。 的
通过修改重量来实现惯性的调整。 空气主轴安装在支撑平板上，因此当水平轴旋转时，U型叉和平板可能会相互干扰。 图4中的结构（a）是哑铃状结构，角度范围小于plusmn;56°。 结构（b）是等边三角形结构，角度范围小于plusmn;26°。 结构（c）为平方结构，角度范围小于plusmn;11°。 角度结构（c）的范围太小，不能满足theta;h的要求，因此选择结构（a）和（b）进一步设计。（a）和（b）的重新设计结构如图1所示。 图5和图6. 6配重。
图5.重新设计的结构（a）
图6.重新设计的结构（b）
在重新设计的结构（a）和（b）中使用计重器调节惯性矩。 在两轴正在旋转的过程中，两轴的惯性必须是恒定的。 在重新设计的结构（a）中发现惯性耦合问题的时刻。 当水平接头旋转时，垂直轴的惯性矩正在变化，水平轴的惯性是恒定的。 在重新设计的结构（b）中解决了这个问题，其中垂直轴的惯性矩也是恒定的（如图7所示）。
图7.惯性矩
图7-a示出了哑铃形结构的模型。围绕x轴的惯性矩是恒定的，而y轴周围的惯性平轴角beta;变化。
其中，m是每个配重的重量。 r是配重和水平轴之间的距离。 l是空心轴中心与垂直轴之间的距离。 beta;是水平轴相对于其初始位置旋转的角度。
图7-b显示了等边三角形结构的模型。 两个轴周围的惯性矩是恒定的。
结论是，垂直轴的惯性矩随着哑铃形结构中的水平轴的旋转而改变，而等边三角形结构中的惯性是恒定的。 惯性耦合问题在等边三角形结构中得到解决，因此为设备选择人造有效载荷的配置。
B.人造有效载荷的参数
所选结构必须进行优化，以同时满足两个轴的惯性力矩。 参数包括U型叉的长度r，每个配重的质量m和负载与垂直轴之间的距离l。
其中mH，JH，mV和JV分别是水平轴和垂直轴周围的质心和惯性力矩。 Delta;mH，Delta;JH，Delta;mV，Delta;JV分别是水平和垂直轴周围辅助部件的质量和惯性矩。 r和l是用于描述重力卸载设备的结构的参数，因此它们不可调节以适应惯性矩的范围。 选择配重m的质量来调节惯性矩。 通过选择预先设计的不同配重来调节惯性矩。 设计的结构如图1所示. 6。
因此，图1所示的人造有效载荷 6满足角度范围，惯性矩和质量要求
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