高精度控制力矩陀螺力矩输出的测量装置及其测量方法
【专利摘要】本发明提供一种高精度控制力矩陀螺力矩输出的测量装置及其测量方法，装置包括双轴气浮台本体、卸荷机构、质心调节机构和三个力矩测量机构；所述的双轴气浮台本体包括主台面和辅助台面，辅助台面的下表面还安装有配重块，所述的三个力矩测量机构安装于成120°分布安装在辅助台面的上表面，质心调节机构安装于辅助台面上、下表面，卸荷机构安装于辅助台面的下表面，该方法分为调平衡阶段与测量阶段，调平衡阶段分为粗调平衡与细调平衡阶段。本发明以双轴气浮台为测量平台，用以隔离外部力矩干扰，提高测量精度，装置结构简单，易于实现。经验证该装置力矩测量精度优于0.01Nm，且测试效率高。
【专利说明】
高精度控制力矩陀螺力矩输出的测量装置及其测量方法
技术领域
[0001] 本发明涉及测量技术，具体涉及一种高精度控制力矩陀螺力矩输出的测量装置及 其测量方法。
【背景技术】
[0002] 随着航天技术的发展，航天器技术最近十几年来也得到了迅速发展，航天器的种 类越来越多，规模越来越大，出现了不同种类高性能卫星以及载人航天器"天宫一号"等空 间飞行器，这使得对高精度和高性能大型航天器的研制成为航天技术发展的重要方向。
[0003] 姿态控制系统是各类航天器的关键子系统，直接决定了航天器性能的快速机动任 务完成的质量，一般由姿态传感单元、控制机构和执行机构组成，其中执行机构有飞轮、磁 力矩器、推力器以及控制力矩陀螺等。
[0004] CMG通过转动其高速旋转的转子与星体角动量进行交换实现姿态控制。在实际的 研究工作中，我们需要确切地知道力矩陀螺输出力矩的特性，以便评价控制律的控制效果。 力矩陀螺主要应用于航天控制，精度要求较高，所以研发一种能够有效精确地测试力矩陀 螺特性的平台便十分有意义。
[0005] 气浮台用于模拟无摩擦力环境，是卫星控制半物理仿真技术的支撑平台，其性能 决定了仿真结果的精度与有效性。气浮台主要依靠压缩空气在气浮球轴承与轴承座之间形 成均匀气膜，使得平台浮起，从而实现近似无摩擦、零重力、隔绝外部干扰的运动环境。目 前，气浮台的主要应用领域是模拟卫星姿态运动，进行半物理或者全物理仿真。力矩是各种 机械传动轴的基本载荷方式，它与动力机械的工作能力、效率、能源消耗、运转寿命及安全 因素等密切相关。通常情况下测量力矩按其基本原理有三种测量方法:1)能量转换法;2)传 递法(扭矩法）；3)力平衡法。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种高精度控制力矩陀螺力矩输出的测量装置及其测量 方法，采用双轴气浮平台作为测量平台，可以实现控制力矩陀螺力矩输出的高精度测量。
[0007] 本发明采用如下技术方案予以实现:一种高精度控制力矩陀螺力矩输出的测量装 置，包括双轴气浮台本体、卸荷机构、质心调节机构和三个力矩测量机构;所述的双轴气浮 台本体包括主台面和辅助台面，所述的三个力矩测量机构安装于成120°分布安装在辅助台 面的上表面，质心调节机构安装于辅助台面上、下表面，卸荷机构安装于辅助台面的下表 面，辅助台面的下表面还安装有配重块;所述力矩测量机构包括钢球、力传感器、千分螺杆、 横板、顶杆、预紧弹簧、滑块和滑动导轨;千分螺杆通过横板与滑块固定连接，顶杆穿过横板 顶在滑块上，预紧弹簧套在顶杆上，预紧弹簧下端顶在滑块上，滑块安装在滑动导轨的滑槽 内，滑块与力传感器相连接，钢球与力传感器底端相接触，千分螺杆通过力传感器将钢球顶 在辅助台面上。
[0008] 本发明还具有如下技术特征：
[0009] I、所述卸荷机构包括三个联动推杆，三个联动推杆安装时呈120°分布，每个联动 推杆顶部安装压电陶瓷力传感器，三个联动推杆由同一驱动装置驱动。
[0010] 2、所述质心调节机构包括两个电子水平仪、三组电动滑台及滑台质量块，两个电 子水平仪安装于辅助台面和主台面上表面的连接处，三组电动滑台及滑台质量块安装在辅 助台面下表面，三组电动滑台按照正三角形分布，且三组电动滑台中心与辅助台面中心重 合，其中一组电动滑台与一个电子水平仪正交安装，两个电子水平仪也正交安装。
[0011] 3、采用如上所述的测量装置，得出一种高精度控制力矩陀螺力矩输出的测量方 法，如下：
[0012] 步骤一:使双轴气浮台本体处于工作状态，将三个联动推杆同时顶起，使气浮台处 于大致水平位置；
[0013] 步骤二:人工调节负载配重，利用推杆上的压电陶瓷传感器测得数据作为反馈，调 节气浮台系统质心位置，待到三个压电陶瓷传感器测得数据大致相等后，开启调平衡程序， 控制三个质量块快速移动，使得三个压电陶瓷传感器测得数据进一步接近，粗调平衡结束；
[0014] 步骤三：将三个联动推杆同时撤下，顶端距离辅助台面1~2mm，防止辅助台面倾 覆;调平衡程序控制三个质量块低速运动，用两个电子水平仪作为反馈，进一步调节平衡使 得水平度达到预定要求；
[0015] 步骤四：调平衡后，调节预紧弹簧使钢球顶在辅助台面上，并进行预紧调节;然后 开启数据检测与处理程序，进行输出力矩测量;在记录测量中，认为气浮球轴承是一个无摩 擦的球铰，测得各传感器数据，然后根据力传感器到气浮球轴承中心的距离，计算控制力矩 陀螺的输出力矩及力矩波动。
[0016] 本发明的特点和优点：
[0017] 本发明以双轴气浮台为测量平台，用以隔离外部力矩干扰，提高测量精度，装置结 构简单，易于实现。经验证该装置力矩测量精度优于〇. OlNm，且测试效率高。
【附图说明】
[0018] 图1为整体结构布局图；
[0019] 图2为力矩测量机构示意图；
[0020]图3为质心调节机构示意图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图举例对本发明作进一步说明。
[0022] 实施例1
[0023]如图1-2所示，一种高精度控制力矩陀螺力矩输出的测量装置，包括双轴气浮台本 体9、卸荷机构13、质心调节机构14和三个力矩测量机构12;所述的双轴气浮台本体包括主 台面10和辅助台面11，所述的三个力矩测量机构安装于成120°分布安装在辅助台面的上表 面，质心调节机构14安装于辅助台面11上、下表面，卸荷机构13安装于辅助台面11的下表 面，辅助台面11的下表面还安装有配重块15;所述力矩测量机构包括钢球1、力传感器2、千 分螺杆3、横板4、顶杆5、预紧弹簧6、滑块7和滑动导轨8;千分螺杆3通过横板4与滑块7固定 连接，顶杆5穿过横板4顶在滑块7上，预紧弹簧6套在顶杆5上，预紧弹簧6下端顶在滑块7上， 滑块7安装在滑动导轨8的滑槽内，滑块7与力传感器2相连接，钢球1与力传感器2底端相接 触，千分螺杆3通过力传感器2将钢球1顶在辅助台面上。
[0024]所述卸荷机构13包括三个联动推杆16,为防止意外发生，采用三个联动推杆16同 步支撑气浮回转部件，三个联动推杆16安装时呈120度分布，每个联动推杆16顶部安装压电 陶瓷力传感器17,为使得系统可以安全可靠地工作，三个联动推杆16由同一驱动装置驱动。 [0025]如图3所示，所述质心调节机构包括两个电子水平仪20、三组电动滑台19及滑台质 量块18,两个电子水平仪20安装于辅助台面11和主台面10上表面的连接处，三组电动滑台 19及滑台质量块18安装在辅助台面11下表面，三组电动滑台19按照正三角形分布，且三组 电动滑台19中心与辅助台面11中心重合，其中一组电动滑台19与一个电子水平仪20正交安 装，两个电子水平仪20也正交安装。
[0026]本发明的目的是这样实现的：利用双轴气浮台作为测量平台，将控制力矩陀螺21 安装在双轴气浮台主台10面上。为使得调节平衡方便，在辅助台面下安装压电陶瓷力传感 器，如附图1所示。在测量控制力矩输出之前首先要将双轴气浮台辅助台面调平衡，然后利 用静力矩平衡的原理根据力传感器测得数据和控制力矩陀螺工作原理解算出控制力矩陀 螺输出力矩，将力矩测量转换为力的测量。测量的精度不仅取决于双轴气浮台本体的设计， 还与双轴气浮台的水平度和所用的力传感器精度有关。不平衡力矩会反映在测量平台水平 度上，双轴气浮台是否平衡是依靠水平度来衡量的。
[0027] 实施例2
[0028] 一种高精度控制力矩陀螺力矩输出的测量方法，采用一种高精度控制力矩陀螺力 矩输出的测量装置，其测量方法如下：
[0029] 步骤一:使双轴气浮台本体处于工作状态，将三个联动推杆同时顶起，使气浮台处 于大致水平位置；
[0030] 步骤二:人工调节负载配重，利用推杆上的压电陶瓷传感器测得数据作为反馈，调 节气浮台系统质心位置，待到三个压电陶瓷传感器测得数据大致相等后，开启调平衡程序， 控制三个质量块快速移动，使得三个压电陶瓷传感器测得数据进一步接近，粗调平衡结束；
[0031] 步骤三:将三个联动推杆同时撤下，顶端距离辅助台面1~2mm，防止辅助台面倾 覆;调平衡程序控制三个质量块低速运动，用两个电子水平仪作为反馈，进一步调节平衡使 得水平度达到预定要求；
[0032] 步骤四：调平衡后，调节预紧弹簧使钢球顶在辅助台面上，并进行预紧调节;然后 开启数据检测与处理程序，进行输出力矩测量;在记录测量中，认为气浮球轴承是一个无摩 擦的球铰，测得各传感器数据，然后根据力传感器到气浮球轴承中心的距离，计算控制力矩 陀螺的输出力矩及力矩波动。
[0033] 实施例3
[0034]气浮转台用于模拟无摩擦力环境，同时提供被测量控制力矩(CMG)的安装工作台。 设计气浮台应当尽量降低系统的转动惯量，提高测量精度。双轴气浮台本体结构布局如附 图1所示，主要结构为气浮球轴承、主台面、辅助台面和铅直回转自由度限定机构。在辅助台 面下面安装平衡调节装置、在辅助台面上安装测力矩装置、在支撑部件上安装有卸荷机构。
[0035]卸荷机构由驱动装置带动三个呈120度安装的联动推杆组成，在推杆顶部安装有 压电陶瓷传感器，压电陶瓷传感器承载能力大，并用于检测每个推杆承受的载荷大小，保证 转台能够得到均勾卸荷。同时该机构还具有防倾覆的功能，不工作时用于将气浮平台顶起， 在非工作状态实现卸荷，在气浮台进行细调平衡时将推杆下降至与辅助台面有1~2_左右 的距离，保证测量台出现意外情况时也不会发生倾覆。
[0036] 测量的精度不仅取决于双轴气浮台本体的设计，还与气浮台的水平度和所用的传 感器精度有关。不平衡力矩会反映在测量平台水平度上，转台是否平衡是依靠水平度来衡 量的。
[0037] 在记录测量中，可以认为气浮球轴承是一个无摩擦的球铰，用力传感器与辅助台 面联接，测得各传感器数据，然后根据传感器到气浮球轴承中心的距离，计算控制力矩陀螺 的输出力矩及力矩波动。由于气浮转台具有较大的转动惯量，传感器必须与气浮台面刚性 联接，如果传感器与气浮台的联接刚度不足，会导致测量力矩波动产生较大的误差。
[0038] 加载装置将传感器压在气浮转台辅助台面上，为避免测量传感器输出信号解耦带 来附加的测量误差，三个传感器呈120度分布安装，三个传感器预紧到预估最大测量数值的 1/2。该装置除了能够实现传感器载荷预紧，还能够调整传感器位置，便于气浮转台的平衡 调节。
[0039]设三个力矩传感器所测得数据均为正，分别为FlF2J3,传感器到气浮台辅助台面 中心距离为R，则在传感器作用在辅助平台上的力矩分别为：
[0040]
[0041]
[0042]
【主权项】
1. 一种高精度控制力矩陀螺力矩输出的测量装置，包括双轴气浮台本体、卸荷机构、质 心调节机构和三个力矩测量机构;所述的双轴气浮台本体包括主台面和辅助台面，辅助台 面的下表面还安装有配重块，其特征在于，所述的三个力矩测量机构安装于成120°分布安 装在辅助台面的上表面，质心调节机构安装于辅助台面上、下表面，卸荷机构安装于辅助台 面的下表面，每个力矩测量机构包括钢球、力传感器、千分螺杆、横板、顶杆、预紧弹簧、滑块 和滑动导轨;千分螺杆通过横板与滑块固定连接，顶杆穿过横板顶在滑块上，预紧弹簧套在 顶杆上，预紧弹簧下端顶在滑块上，滑块安装在滑动导轨的滑槽内，滑块与力传感器相连 接，钢球与力传感器底端相接触，千分螺杆通过力传感器将钢球顶在辅助台面上。2. 根据权利要求1所述的一种高精度控制力矩陀螺力矩输出的测量装置，其特征在于， 所述卸荷机构包括三个联动推杆，三个联动推杆安装时呈120°分布，每个联动推杆顶部安 装压电陶瓷力传感器，三个联动推杆由同一驱动装置驱动。3. 根据权利要求1所述的一种高精度控制力矩陀螺力矩输出的测量装置，其特征在于， 所述质心调节机构包括两个电子水平仪、三组电动滑台及滑台质量块，两个电子水平仪安 装于辅助台面和主台面上表面的连接处，三组电动滑台及滑台质量块安装在辅助台面下表 面，三组电动滑台按照正三角形分布，且三组电动滑台中心与辅助台面中心重合，其中一组 电动滑台与一个电子水平仪正交安装，两个电子水平仪也正交安装。4. 一种高精度控制力矩陀螺力矩输出的测量方法，采用如权利要求1-3任一项所述的 一种高精度控制力矩陀螺力矩输出的测量装置，其特征在于，测量方法如下： 步骤一:使双轴气浮台本体处于工作状态，将三个联动推杆同时顶起，使气浮台处于大 致水平位置； 步骤二:人工调节负载配重，利用推杆上的压电陶瓷传感器测得数据作为反馈，调节气 浮台系统质心位置，待到三个压电陶瓷传感器测得数据大致相等后，开启调平衡程序，控制 三个质量块快速移动，使得三个压电陶瓷传感器测得数据进一步接近，粗调平衡结束； 步骤三:将三个联动推杆同时撤下，顶端距离辅助台面1~2mm，防止辅助台面倾覆；调 平衡程序控制三个质量块低速运动，用两个电子水平仪作为反馈，进一步调节平衡使得水 平度达到预定要求； 步骤四：调平衡后，调节预紧弹簧使钢球顶在辅助台面上，并进行预紧调节;然后开启 数据检测与处理程序，进行输出力矩测量;在记录测量中，认为气浮球轴承是一个无摩擦的 球铰，测得各传感器数据，然后根据力传感器到气浮球轴承中心的距离，计算控制力矩陀螺 的输出力矩及力矩波动。
【文档编号】G01L3/00GK105890831SQ201610191170
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年3月30日
【发明人】职光伸, 马广程, 夏红伟, 王常虹
【申请人】哈尔滨工业大学