一种气浮球轴承三维姿态测量装置的制作方法

本发明涉及一种气浮球轴承三维姿态测量装置，属于轴承姿态测量装置技术领域。

背景技术：

精密测量、高精度姿态控制、零重力环境模拟等要求相对转动的两体间不存在摩擦力或者摩擦力尽可能的小。气悬浮球轴承通过从节流嘴喷出高压气体在气浮球和球窝之间，实现它们的非接触低摩擦相对转动。由于气悬浮球轴承具有高刚度、零摩擦等特点，因此在空间零重力环境模拟、精密装配、高精度姿态控制等领域得到了广泛的应用。

气悬浮球轴承主要包括气浮球和球窝，两者通常采用研磨的方式保证最终的球面度，通过在气浮球或者球窝的节流孔供入高压气体，使两者相对悬浮，实现三轴的无摩擦转动，可以高精度的模拟失重环境和三轴姿态运动。然而，气浮球相对于球窝的转动不同于框架式的转台，其转动没有固定的转轴，这给对球轴承转动角度和角速度的测量带来困难。通常对球轴承姿态运动的测量采用在运动部件上安装惯性测量单元，如陀螺等。然而这种测量方式的缺点是：1、造价高，2、气浮球附加物改变其质量特性，3、气浮球轴承的三维姿态需要经过复杂的解算得到，且精度有限。另一种实现方式是利用室内GPS、视觉等手段进行测量，该方式虽然可以直接得到气浮球轴承相对于地面坐标系的三轴运动姿态，然而气浮球上需要安装靶标等设备，同时需要与厂房的室内GPS或视觉相机配合使用，每次移动后需要重新标定，不仅使用复杂、成本高，而且失去了独立性。

随着空间技术等高新技术发展，气浮球轴承的需求日益增加，其姿态测量问题也成了限制其推广的瓶颈问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种气浮球轴承三维姿态测量装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种气浮球轴承三维姿态测量装置，包括：赤道面转接件、内环、外环、气浮球、外环驱动电机、内环驱动电机、气浮球窝及底座、俯仰间隙传感器、滚转间隙传感器、自转角度传感器、内环角度传感器和外环角度传感器；所述赤道面转接件与气浮球的上部安装端面连接，赤道面转接件下部的环面与气浮球的赤道面共面，用于转接出过气浮球赤道面的自转角度传感器、俯仰间隙传感器和滚转间隙传感器的测量环面；所述外环安装在气浮球窝及底座上，内环安装在外环上，内环与外环的转动轴正交；所述内环驱动电机连接外环和内环，通过滚转间隙传感器反馈偏差驱动内环相对外环转动；所述外环驱动电机连接外环和气浮球窝及底座，通过俯仰间隙传感器反馈偏差驱动外环相对于气浮球窝及底座转动；所述气浮球窝及底座相对地面安装固定，通过高压气膜悬浮支撑气浮球，与气浮球构成气浮球轴承，同时提供外环驱动电机和外环角度传感器的安装位置；所述俯仰间隙传感器和滚转间隙传感器分别安装在内环的滚转轴和俯仰轴方位上，所述自转角度传感器安装在内环和赤道面转接件之间，所述内环角度传感器安装在内环和外环之间，所述外环角度传感器安装在外环和气浮球窝及底座之间。

本发明的有益效果为：采用主动伺服跟踪测量技术，实现对气浮球轴承的三维姿态运动角度或角速度的解耦测量；整个装置通过检测间隙，跟踪气浮球的运动，保证所有部件与气浮球为非接触状态，不影响气浮球相对于气浮球窝的无摩擦非接触转动；整体结构紧凑，集成度和可靠性高，成本低；避免了在气浮球上附加负载，也不需要厂房安装其它设备配合，应用于基于气浮球轴承的高精度姿态模拟、零重力试验设备或系统时，可以提高系统的集成度，提高系统的测量精度，降低整个系统的开发难度和成本、缩短开发周期。

附图说明

图1为本发明气浮球轴承三维姿态测量装置的结构示意图(主视)。

图2为本发明气浮球轴承三维姿态测量装置的结构示意图(左视)。

图3为本发明气浮球轴承三维姿态测量装置的结构示意图(俯视)。

图4为本发明所提供的球轴承姿态角测量装置的控制原理图。

图1～图3中的附图标记，1为赤道面转接件，2为内环，3为外环，4为气浮球，5为外环驱动电机，6为内环驱动电机，7为气浮球窝及底座，8为俯仰间隙传感器，9为滚转间隙传感器，10为自转角度传感器，11为内环角度传感器，12为外环角度传感器。

图4中的附图标记，ψ为俯仰角、φ为滚转角、θ为自转角、Δψ为俯仰角跟踪偏差、Δφ为滚转角跟踪偏差、δ_ψ为内环与赤道面转接件俯仰方向间隙、δ_φ为内环与赤道面转接件滚转方向间隙、为俯仰间隙传感器测量值、为滚转间隙传感器测量值、ψ_m为外环转角、φ_m为内环转角、为外环角度传感器测量值、为内环角度传感器测量值、为解算得到的外环跟踪偏差、为解算得到的内环跟踪偏差、为解算得到的气浮球俯仰角、为解算得到气浮球滚转角，为测量得到的自转角度。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图1～图3所示，本实施例所涉及的一种气浮球轴承三维姿态测量装置，包括：赤道面转接件1、内环2、外环3、气浮球4、外环驱动电机5、内环驱动电机6、气浮球窝及底座7、俯仰间隙传感器8、滚转间隙传感器9、自转角度传感器10、内环角度传感器11和外环角度传感器12，所述赤道面转接件1与气浮球4的上部安装端面连接，赤道面转接件1下部的环面与气浮球4的赤道面(与安装端面平行的最大圆面)共面，用于转接出过气浮球赤道面的自转角度传感器10、俯仰间隙传感器8和滚转间隙传感器9的测量环面；

所述内环2安装在外环3上，通过外环3的转动和内环2相对外环3的转动，跟踪气浮球4的赤道面保证始终与赤道面共面，其与赤道面的不共面偏差由安装在内环2上的俯仰间隙传感器8和滚转间隙传感器9检测赤道面转接件1上赤道环与内环2上边缘及下边缘之间的偏差实现，通过将俯仰间隙传感器8检测到的偏差反馈给外环驱动电机5和将滚转间隙传感器9检测的偏差反馈给内环驱动电机6，控制外环驱动电机5和内环驱动电机6，消除偏差；内环2通过安装在外环3的内环驱动电机6驱动转动，其转动角度通过内环角度传感器11实现测量；

所述外环3安装在气浮球窝及底座7上，俯仰间隙传感器8测量偏差反馈，并通过外环驱动电机5实现转动，转动角度通过安装在底座和外环之间的外环角度传感器12测量；外环3提供内环2的安装位置，包括转轴、驱动电机和角度测量装置；内环2与外环3的转动轴正交；

所述气浮球4与气浮球窝及底座7配合，通过通入压缩气体形成高压气膜，构成气浮球轴承，实现无摩擦三轴转动；

所述外环驱动电机5、气浮球窝及底座7和外环3，通过俯仰间隙传感器8反馈偏差驱动外环3转动来消除偏差；

所述内环驱动电机6连接外环3和内环2，通过滚转间隙传感器反馈偏差驱动内环2相对外环3转动，消除偏差；

所述气浮球窝及底座7相对地面安装固定，通过高压气膜悬浮支撑气浮球4，与气浮球4构成气浮球轴承，同时提供外环驱动电机5和外环角度传感器12的安装位置；

所述俯仰间隙传感器8和滚转间隙传感器9分别安装在内环2的滚转轴和俯仰轴方位上，分别用于测量气浮球4的俯仰运动和滚转运动造成的赤道面转接件1赤道面边缘与内环2之间的在俯仰方向和滚装方向上的间隙偏差，用来驱动外环驱动电机5和内环驱动电机6转动；

所述自转角度传感器10安装在内环2和赤道面转接件1之间，用于测量赤道面转接件1和气浮球4相对于内环2的转动角度或角速度；

所述内环角度传感器11安装在内环2和外环3之间，用于测量内环2相对于外环3的转动角度或角速度；

所述外环角度传感器12安装在外环3和气浮球窝及底座7之间，用于测量外环相对于气浮球窝及底座7的转动角度或角速度。

所述自转角度传感器10采用圆光栅，但不限于圆光栅。

所述俯仰间隙传感器8或滚转间隙传感器9采用电涡流传感器，但不限于电涡流传感器。

所述内环角度传感器11或外环角度传感器12采用编码器，但不限于编码器。

在气浮球4绕自身体轴自转时，通过自转角度传感器10测量气浮球4相对于内环2的转动角度或角速度；在气浮球4发生俯仰运动时，通过俯仰间隙传感器8测量偏差并驱动外环驱动电机5驱动内环2跟踪气浮球4的俯仰运动，气浮球4的俯仰角度或角速度通过外环角度传感器12和俯仰间隙传感器8共同测量得到；在气浮球4发生滚转运动时，通过滚转间隙传感器9测量偏差并驱动内环驱动电机6驱动外环3转动跟踪气浮球4的滚转运动，气浮球4的滚转角度或角速度通过内环角度传感器11和滚转间隙传感器9共同测量得到；在气浮球发生任意姿态运动时，外环驱动电机5驱动外环3跟踪气浮球4的俯仰运动，内环驱动电机6驱动内环2跟踪气浮球的滚转运动，从而保证内环2始终跟踪气浮球4的赤道面，也即赤道面转接件1的赤道面，跟踪偏差分别由俯仰间隙传感器8和滚转间隙传感器9测量得到，此时，气浮球4的自转角度和角速度由自转角度传感器10测量，俯仰角度或角速度由外环角度传感器12和俯仰间隙传感器8共同测量得到，滚转角度或角速度通过内环角度传感器11和滚转间隙传感器9共同测量得到。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。