2016年液压伺服系统 正文.doc

第1章 绪论 课题来源及背景 自20世纪下半叶以来，世界科学技术进入高速发展阶段，以信息技术、生物技术、新材料技术、新能源技术、航天技术和海洋开发技术为代表的一大批高新技术群体取得了突破性的进展，使世界范围内的军事、生产、生活、科学技术活动发生了日新月异的变化，推动人类进入一个高速发展的历史时期，科学正以空前的规模和速度推动着经济的发展和人类的进步。其中，航天技术的进步和发展尤为最快、创新最多、最令人瞩目，航天技术是世界科技进步的主要成果之一。 航空航天技术的发展和应用是一国军事、科技实力的体现，是国家安全的保障，也是国际威望的象征。 随着航天技术的发展，尤其是载人航天技术的发展，飞行器空间对接技术已经成为一个重要的研究方向，空间对接技术是载人航天的关键技术。飞行器空间对接是航天领域一项非常复杂、难度很大的工作。 美国和前苏联在20世纪60年代就开始了空间对接技术的研究。1966年3月16日，美国双子星座8号载人飞船和阿金纳飞行器在宇航员的参与下实现了人类历史上的首次空间交会对接。欧空局在20世纪80年代开始了航天器的交会对接研究和地面试验，立足于实现自主自动的在轨交会对接。日本从20世纪70年代初就开始了航天器的空间交会对接技术研究，也立足于实现自主自动的在轨交会对接，并且在1998年7月和8月先后两次成功地进行了“工程试验卫星”无人自动交会对接，成为世界上第三个实现空间交会对接的国家。随着世界航天工程的进展，我国对空间对接技术的研究已迫在眉睫，国内部分高校和科研机构在这方面的研究相继取得了一些成果。 由于实际的对接过程发生在外层空间，且对接过程和对接机构非常复杂，包含了运动学、航天器控制、飞行器设计、碰撞、结构限制等问题，完全实地地进行全物理仿真在费用和技术上对目前的科技水平都是一个巨大的挑战。因此，为保证空间对接的顺利进行，需要研制对接模拟装置，用以模拟飞行器的空间运动姿态和对接的动力学模型。 对接模拟装置的国内外研究现状 对接模拟装置主要完成两个方面的任务，一是对接敏感器性能与控制方法的测试，二是对接机构性能与对接动力学特性的测试。为达到这个目的，各国采用的方案也不尽相同。 俄罗斯的试验设备主要有两种，一种完成无线电对接敏感器性能和控制算法的测试，其仿真距离变化可达到几公里甚至几十公里；另一种是对接动力学仿真器，它采用两个六自由度Stewart并联平台作为运动模拟器，模拟主被动飞行器的运动。 美国国家航空航天局(NASA)设计建造了两套用于对接的试验设备，其一是空间机器人实验室建造的八自由度遥控操作机器人评估设备(TOREF)，它完成对激光雷达对接敏感器和基于此敏感器的控制算法的仿真测试；另一种是用来测试对接机构和停靠、对接过程动力学特性的六自由度动力学试验系统(DDTS)，它由一个液压驱动的六自由度Stewart并联平台作为运动模拟器，模拟两飞行器之间的相对运动，运动范围±3.5英尺、±25度，负载能力2000磅，液压系统带宽为8Hz。 欧空局研制的仿真设备有两个：近距离九自由度仿真器(EPOS)和对接动力学测试设备(DDTF)。近距离九自由度仿真器(EPOS)由龙门架式六自由度运动模拟器和三自由度目标模拟器构成，其核心工作是敏感器和控制算法的测试；对接动力学测试设备(DDTF)由水平放置的六自由度电机驱动的Stewart并联平台运动模拟器和带有六自由度力、力矩传感器和目标模拟器构成，其对接的仿真原理与美国的TOREF和DDTS类似，运动范围5×0.15×0.15m，5×5×5度，精度1mm，0.01度，系统带宽6Hz，载荷5000N。 日本国家空间开发署（NASDA）建造了一种复合型对接动力学仿真器，它由一个追逐器和一个目标器构成，追逐器通过六自由度力、力矩传感器固定在框架上，目标器上水平安放一个由电机驱动的六自由度Stewart并联平台作为运动模拟器，其运动范围7×2.4×2m，10×40×40度，精度1～2mm，0.12°，机械系统带宽为5Hz。 我国在对接机构方面的研究起步较晚，自1987年开始从事交会对接技术的研究工作，但前期的研究主要限于对前苏联和美国在对接中积累的宝贵经验和成果的消化吸收上。随着“921”二期工程全面展开，特别是神五、神六载人飞船的成功发射与回收，对接机构的研究已经进入工程实施阶段。“921-3”国家载人航天计划重点项目“空间对接半实物仿真综合试验台的研制”中拟定采用液压驱动的Stewart平台结构作为运动模拟器，它从运动原理上讲属于六自由度并联机构。“Stewart平台”是德国高级工程师D.Stewart在1965年发表的题为“A Platform with Six Degrees of Freedom”的论文中首次提出来的。Stewart平台自问世以来，以其特有的结构紧凑、运动精度