专利名称：单轴气浮转台台面外加载荷后自动调整质心的装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种单轴气浮转台台面外加载荷后调整质心的装置及方法。
背景技术：
航天器控制系统半物理仿真是研制航天器过程中特有的一种仿真方法，它利用气 浮转台作为运动模拟器并结合部分实物搭建的半物理仿真环境，进行控制系统方案的仿真 验证。单轴气浮转台通过压缩空气在气浮轴承与轴承座之间形成气膜使台面浮于空中，实 现气浮转台台面与台体之间近似无摩擦的相对转动，从而模拟航天器在外层空间所受干 扰力矩很小的力学环境 ，进而在地面上利用气浮转台台面的转动模拟刚体航天器的姿态运 动。在基于单轴气浮转台的航天器半物理仿真中，为了减少台面与台体之间的摩擦， 常需要对台面上的实物进行合理布局，必要时还需添加配重以达到质量均勻分布(即台面 的面心与质心重合)的目的。目前，单轴气浮转台台面质心调整大多采用手动方式，根据经 验反复尝试使得摩擦力控制在允许的范围之内，需要花费大量时间，调整效率低、调整结果 精确度低。
发明内容
本发明是为了解决现有的采用手动方式调整单轴气浮转台台面外加载荷后的质 心的方法调整效率低、调整结果精确度低的问题，从而提供一种单轴气浮转台台面外加载 荷后自动调整质心的装置及方法。单轴气浮转台台面外加载荷后自动调整质心的装置，它包括单轴气浮转台，它还 包括电子水平仪、控制模块和四个相同的质量调整装置，以单轴气浮转台台面中心为原点， 以水平方向为X轴，以垂直水平方向为Y轴，建立平面直角坐标系XOY ；所述的四个质量调 整装置分布在X的正半轴、Y的负半轴、X的负半轴和Y的正半轴上，且两两对称，即分别为 X的正半轴质量调整装置、Y的负半轴质量调整装置、X的负半轴质量调整装置和Y的正半 轴质量调整装置；所述每个质量调整装置均由一个步进电机、一个质量块、导带和质量调整 支架组成，所述每个质量调整支架均沿其轴向水平方向开有导轨，所述步进电机固定在质 量调整支架上的导轨的一端，质量块通过导带与步进电机的动子连接，质量块沿导轨的运 动方向与导轨滑动连接；每个质量调整支架均固定在单轴气浮转台台面的边缘；电子水平 仪和控制模块固定在单轴气浮转台的台面上；所述电子水平仪的信号输出端与控制模块的 信号输入端连接；所述控制模块的四个驱动信号输出端分别与四个步进电机的驱动信号输 入端连接。基于上述装置的单轴气浮转台台面外加载荷后自动调整质心的方法，它由以下步 骤实现
步骤一、将单轴气浮转台台面上的外加载荷进行粗调，使所述外加载荷的质心基本位 于台面的中心位置；步骤二、向单轴气浮转台注入压缩空气，使单轴气浮转台的台面浮在空中，并转动； 步骤三、电子水平仪采集单轴气浮转台上OX轴上的水平度信息和OY轴上的水平度信 息，并发送给控制模块；
步骤四、控制模块根据接收到OX轴上的水平度信息，驱动X的正半轴质量调整装置中的步进电机和χ的负半轴质量调整装置中的步进电机，调整所述两个步进电机对应的质量 块沿导轨滑动，直至单轴气浮转台台面在OX轴上水平；
控制模块根据接收到OY轴上的水平度信息，驱动Y的正半轴质量调整装置中的步进电 机和Y的负半轴质量调整装置中的步进电机，调整所述两个步进电机对应的质量块沿导轨 滑动，直至单轴气浮转台台面在OY轴上水平；
实现单轴气浮转台台面在OX和OY的质量均勻分布，即实现单轴气浮转台台面外加载 荷后质心调整。步骤四中的控制模块驱动步进电机的方法是控制模块中的单片机根据接收到 OX轴上的水平度信息，控制步进电机驱动器，驱动X的正半轴质量调整装置中的步进电机 和X的负半轴质量调整装置中的步进电机；控制模块中的单片机根据接收到OY轴上的水平 度信息，控制步进电机驱动器，驱动Y的正半轴质量调整装置中的步进电机和Y的负半轴质 量调整装置中的步进电机。有益效果本发明通过电子水平仪获取外加载荷后的单轴气浮转台台面的偏离程 度，通过控制模块控制步进电机带动质量块运动至目标位置，从而实现外加载荷的质心与 单轴气浮转台的台面中心重合的自动调整。本发明的调整时间小于5分钟，调整效率高，并 且调整效果精确，且成本低。
图1是本发明装置的结构示意图；图2是本发明的控制部分的原理示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一、结合图1和图2说明本具体实施方式
，单轴气浮转台台面外加载 荷后自动调整质心的装置，它包括单轴气浮转台1，它还包括电子水平仪2、控制模块3和四 个相同的质量调整装置4，以单轴气浮转台1台面中心为原点，以水平方向为X轴，以垂直水 平方向为Y轴，建立平面直角坐标系XOY ；所述的四个质量调整装置4分布在X的正半轴、 Y的负半轴、X的负半轴和Y的正半轴上，且两两对称，即分别为X的正半轴质量调整装置、 Y的负半轴质量调整装置、X的负半轴质量调整装置和Y的正半轴质量调整装置；所述每个 质量调整装置4均由一个步进电机4-1、一个质量块4-2、导带和质量调整支架4-3组成，所 述每个质量调整支架4-3均沿其轴向水平方向开有导轨，所述步进电机4-1固定在质量调 整支架4-3上的导轨的一端，质量块4-2通过导带与步进电机4-1的动子连接，质量块4-2 沿导轨的运动方向与导轨滑动连接；每个质量调整支架4-3均固定在单轴气浮转台1台面 的边缘；电子水平仪2和控制模块3固定在单轴气浮转台1的台面上；所述电子水平仪2的 信号输出端与控制模块3的信号输入端连接；所述控制模块3的四个驱动信号输出端分别 与四个步进电机的驱动信号输入端连接。
具体实施方式
二、本具体实施方式
与具体实施方式
一所述的单轴气浮转台台面外加载荷后自动调整质心的装置的区别在于，控制模块3包括单片机和步进电机驱动器，所述单片机的信号输入端是控制模块3的信号输入端，单片机的信号输出端与步进电机驱动 器的信号输入端连接，步进电机驱动器的四个驱动信号端是控制模块3的驱动信号输出端。本实施方式中，控制模块3中单片机和步进电机驱动器的工作电源电压均为+5v， 由单轴气浮转台1台面上的仿真系统电源提供。
具体实施方式
三、本具体实施方式
与具体实施方式
二所述的单轴气浮转台台面外 加载荷后自动调整质心的装置的区别在于，它还包括RS232总线，所述电子水平仪2与单片 机之间通过RS232总线连接。
具体实施方式
四、本具体实施方式
与具体实施方式
三所述的单轴气浮转台台面外 加载荷后自动调整质心的装置的区别在于，单片机的型号为C8051F040的单片机。
具体实施方式
五、本具体实施方式
与具体实施方式
一、二、三或四所述的单轴气浮 转台台面外加载荷后自动调整质心的装置的区别在于，电子水平仪2的型号为2D-120的二 维电子水平仪。
具体实施方式
六、本具体实施方式
与具体实施方式
五所述的单轴气浮转台台面外 加载荷后自动调整质心的装置的区别在于，步进电机4-1的型号为DM3938E。
具体实施方式
七、本具体实施方式
与具体实施方式
六所述的单轴气浮转台台面外 加载荷后自动调整质心的装置的区别在于，步进电机驱动器的型号为DMD202A。
具体实施方式
八、基于具体实施方式
一所述的单轴气浮转台台面外加载荷后自动 调整质心的装置的单轴气浮转台台面外加载荷后自动调整质心的方法，它由以下步骤实 现
步骤一、将单轴气浮转台1台面上的外加载荷12进行粗调，使所述外加载荷12的质心 基本位于台面的中心位置；
步骤二、向单轴气浮转台1注入压缩空气，使单轴气浮转台1的台面浮在空中，并转
动；
步骤三、电子水平仪2采集单轴气浮转台1上OX轴上的水平度信息和OY轴上的水平 度信息，并发送给控制模块3;
步骤四、控制模块3根据接收到OX轴上的水平度信息，驱动X的正半轴质量调整装置 中的步进电机4-1和X的负半轴质量调整装置中的步进电机4-1，调整所述两个步进电机 4-1对应的质量块4-2沿导轨滑动，直至单轴气浮转台1台面在OX轴上水平；
控制模块3根据接收到OY轴上的水平度信息，驱动Y的正半轴质量调整装置中的步进 电机4-1和Y的负半轴质量调整装置中的步进电机4-1，调整所述两个步进电机4-1对应的 质量块4-2沿导轨滑动，直至单轴气浮转台1台面在OY轴上水平；
实现单轴气浮转台1台面在OX和OY的质量均勻分布，即实现单轴气浮转台台面外加 载荷12后质心调整。步骤四中的控制模块3驱动步进电机的方法是控制模块3中的单片机根据接收 到OX轴上的水平度信息，控制步进电机驱动器，驱动X的正半轴质量调整装置中的步进电 机4-1和X的负半轴质量调整装置中的步进电机4-1 ；控制模块3中的单片机根据接收到 OY轴上的水平度信息，控制步进电机驱动器，驱动Y的正半轴质量调整装置中的步进电机4-1和Y的负半轴质量调整装置中的步进电机4-1。本实施方式中，根据电子水平仪2输出OX方向的水平度，控制模块3中的单片机 控制其中一个步进电机驱动器，驱动OX方向的步进电机牵弓丨OX方向的质量块在OX方向上移动 当电子水平仪2输出的OX方向的水平度大于0时，控制模块3中的单片机控制其中一 个步进电机驱动器，生成OX轴上的两个步进电机4-1的驱动信号，X的正半轴质量调整装 置中的步进电机4-1接收驱动信号，牵引其对应的质量块4-2在正OX方向上移动，X的负 半轴质量调整装置中的步进电机4-1接收驱动信号，牵引对应的质量块4-2在正OX方向上 移动。当电子水平仪2输出的OX方向的水平度小于0时，控制模块3中的单片机控制其 中一个步进电机驱动器，生成OX轴上的两个步进电机4-1的驱动信号，X的正半轴质量调 整装置中的步进电机4-1接收驱动信号，牵引其对应的质量块4-2在负OX方向上移动。X 的负半轴质量调整装置中的步进电机4-1接收驱动信号，牵引对应的质量块4-2在负OX方 向上移动。当电子水平仪2输出的OX方向的水平度等于0时，单轴气浮转台1台面OX方向 质量均勻分布。根据电子水平仪2输出OY方向的水平度，控制模块3中的单片机控制另一个步进 电机驱动器，驱动OY方向的步进电机牵引OY方向的质量块在OY方向上移动
当电子水平仪2输出的OY方向的水平度大于0时，控制模块3中的单片机控制另一个 步进电机驱动器，生成OY轴上的两个步进电机4-1的驱动信号，Y的正半轴质量调整装置 中的步进电机4-1接收驱动信号，牵引其对应的质量块4-2在正OY方向上移动，Y的负半 轴质量调整装置中的步进电机4-1接收驱动信号，牵引对应的质量块4-2在正OY方向上移 动。当电子水平仪2输出的OY方向的水平度小于0时，控制模块3中的单片机控制另 一个步进电机驱动器，生成OY轴上的两个步进电机4-1的驱动信号，Y的正半轴质量调整 装置中的步进电机4-1，牵引其对应的质量块4-2在负OY方向上移动。Y的负半轴质量调 整装置中的步进电机4-1，牵引对应的质量块4-2在负OY方向上移动。当电子水平仪2输出的OY方向的水平度等于0时，单轴气浮转台1台面OY方向 质量均勻分布。
权利要求
单轴气浮转台台面外加载荷后自动调整质心的装置，它包括单轴气浮转台(1)，其特征是它还包括电子水平仪(2)、控制模块(3)和四个相同的质量调整装置(4)，以单轴气浮转台(1)台面中心为原点，以水平方向为X轴，以垂直水平方向为Y轴，建立平面直角坐标系XOY；所述的四个质量调整装置(4)分布在X的正半轴、Y的负半轴、X的负半轴和Y的正半轴上，且两两对称，即分别为X的正半轴质量调整装置、Y的负半轴质量调整装置、X的负半轴质量调整装置和Y的正半轴质量调整装置；所述每个质量调整装置(4)均由一个步进电机(4-1)、一个质量块(4-2)、导带和质量调整支架(4-3)组成，所述每个质量调整支架(4-3)均沿其轴向水平方向开有导轨，所述步进电机(4-1)固定在质量调整支架(4-3)上的导轨的一端，质量块(4-2)通过导带与步进电机(4-1)的动子连接，质量块(4-2)沿导轨的运动方向与导轨滑动连接；每个质量调整支架(4-3)均固定在单轴气浮转台(1)台面的边缘；电子水平仪(2)和控制模块(3)固定在单轴气浮转台(1)的台面上；所述电子水平仪(2)的信号输出端与控制模块(3)的信号输入端连接；所述控制模块(3)的四个驱动信号输出端分别与四个步进电机的驱动信号输入端连接。
2.根据权利要求1所述的单轴气浮转台台面外加载荷后自动调整质心的装置，其特征 在于控制模块(3 )包括单片机和步进电机驱动器，单片机(3 )的信号输入端是控制模块(3 ) 的信号输入端，单片机(3)的信号输出端与步进电机驱动器的信号输入端连接，步进电机驱 动器的四个驱动信号端是控制模块(3)的驱动信号输出端。
3.根据权利要求2所述的单轴气浮转台台面外加载荷后自动调整质心的装置，其特征 在于它还包括RS232总线，所述电子水平仪(2)与单片机之间通过RS232总线连接。
4.根据权利要求3所述的单轴气浮转台台面外加载荷后自动调整质心的装置，其特征 在于单片机的型号为C8051F040。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的单轴气浮转台台面外加载荷后自动调整质心的装 置，其特征在于电子水平仪2的型号为2D-120的二维电子水平仪。
6.根据权利要求5所述的单轴气浮转台台面外加载荷后自动调整质心的装置，其特征 在于步进电机4-1的型号为DM3938E。
7.根据权利要求6所述的单轴气浮转台台面外加载荷后自动调整质心的装置，其特征 在于步进电机驱动器的型号为DMD202A。
8.基于权利要求1所述的单轴气浮转台台面外加载荷后自动调整质心的装置的单轴 气浮转台台面外加载荷后自动调整质心的方法，其特征是它由以下步骤实现步骤一、将单轴气浮转台(1)台面上的外加载荷(12)进行粗调，使所述外加载荷(12) 的质心基本位于台面的中心位置；步骤二、向单轴气浮转台(1)注入压缩空气，使单轴气浮转台(1)的台面浮在空中，并 转动；步骤三、电子水平仪(2)采集单轴气浮转台(1)上OX轴上的水平度信息和OY轴上的水 平度信息，并发送给控制模块(3)；步骤四、控制模块(3)根据接收到OX轴上的水平度信息，驱动X的正半轴质量调整装 置中的步进电机(4-1)和X的负半轴质量调整装置中的步进电机(4-1 )，调整所述两个步进 电机(4-1)对应的质量块(4-2)沿导轨滑动，直至单轴气浮转台(1)台面在OX轴上水平；控制模块(3)根据接收到OY轴上的水平度信息，驱动Y的正半轴质量调整装置中的步进电机(4-1)和Y的负半轴质量调整装置中的步进电机(4-1)，调整所述两个步进电机 (4-1)对应的质量块(4-2)沿导轨滑动，直至单轴气浮转台(1)台面在OY轴上水平；实现单轴气浮转台(1)台面在OX和OY的质量均勻分布，即实现单轴气浮转台台面外 加载荷(12)后质心调整。
9.根据权利要求6所述的单轴气浮转台台面外加载荷后自动调整质心的方法，其特征 在于步骤四中的控制模块(3)驱动步进电机的方法是控制模块(3)中的单片机根据接收 到OX轴上的水平度信息，控制步进电机驱动器，驱动X的正半轴质量调整装置中的步进电 机(4-1)和X的负半轴质量调整装置中的步进电机(4-1);控制模块(3)中的单片机根据接 收到OY轴上的水平度信息，控制步进电机驱动器，驱动Y的正半轴质量调整装置中的步进 电机(4-1)和Y的负半轴质量调整装置中的步进电机(4-1)。
全文摘要
单轴气浮转台台面外加载荷后自动调整质心的装置及方法，涉及单轴气浮转台台面外加载荷后调整质心的装置及方法，解决现有采用手动方式调整单轴气浮转台台面外加载荷后质心的方法调整效率低、调整结果精确度低的问题。其装置四个质量调整装置均布并固定在气浮转台边缘，其中每个质量调整支架上开有导轨，导轨一端固定的步进电机带动质量块沿导轨滑行，电子水平仪的信号输出端与控制模块的信号输入端连接，控制模块的驱动信号输出端与步进电机的驱动信号输入端连接。其方法电子水平仪采集台面水平度后输入至控制模块，控制模块驱动四个步进电机将台面上外加载荷的质心调整至与其台面中心重合。本发明适用于单轴气浮转台台面外加载荷后质心调整。
文档编号G01M1/12GK101813542SQ20101015424
公开日2010年8月25日 申请日期2010年4月23日 优先权日2010年4月23日
发明者卢伟, 叶东, 唐盛勇, 曹喜滨, 杨正贤, 王峰, 耿云海, 董晓光, 陈雪芹, 马玉海 申请人:哈尔滨工业大学