一种单轴气浮台调平衡方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种单轴气浮平台调平衡方法及系统，属于气浮平台调平衡技术领域。所述方法包括：将设置有负载盘的单轴气浮平台倾斜第一预定角度；将负载盘上的不平衡质量达到运动速度最大值时的位置确定为平衡位置，并将负载盘停止在平衡位置；将负载盘转动第二预定角度后使负载盘自由摆动，并确定负载盘的第一单摆周期；确定在第二预定角度条件下负载盘的第一不平衡质量值，并将第一不平衡质量值对应的第一质量块放置在负载盘相对水平面最高的位置；若负载盘的第一单摆周期大于第一临界单摆周期，则认为已将单轴气浮平台调平衡。本发明能够对多种类型的气浮平台进行调平衡，具有结构和操作较简单以及调平精度较高的优点。
【专利说明】
一种单轴气浮台调平衡方法及系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种单轴气浮平台调平衡方法及系统，属于气浮平台调平衡技术领 域。
【背景技术】
[0002] 单轴气浮台模拟系统主要用于航天器在轨高精度、高稳定度姿态控制技术的验 证，其工作原理如下:在气浮平台体内通入高压气体，使气浮轴承和轴承座之间形成的气膜 抵消平台和负载的重力影响，同时让气浮台可以围绕转动轴做近似无摩擦的自由转动，通 过这种全物理仿真实现模拟卫星在轨运行时某个轴自由转动的目的，对航天器高精度、高 稳定度姿态控制效果进行分析验证。
[0003] 在地面模拟卫星姿态的运动时应当注意的问题是需要将单轴气浮台的质心放在 回转轴的中心上，否则会导致因为台体不能完全处于水平状态且气浮轴承摩擦力很小的情 况，使系统产生不平衡力矩，进而影响仿真试验的效果。
[0004] 目前，针对单轴气浮平台的调平衡的方法主要包括手动调节和自动调节两种。手 动调节一般通过调整安装在气浮台上螺栓螺母机构调整转台质心的方式对单轴气浮平台 进行调整，而该调整方法只能针对特定的装置进行调整，并未涉及整体的调平衡方法；另 外，还有一种单轴气浮台平衡调整方法通过特定的公式计算获得的结果对单轴气浮台进行 手动调平衡，但是并未提及具体推导条件及解析公式，而且其调平衡精度也无法满足全物 理仿真的需求。
【发明内容】
[0005] 本发明为解决现有的气浮平台的调平衡技术存在的只能针对特定的装置进行调 整以及调平衡的精度较低的问题，进而提出了一种单轴气浮平台调平衡方法及系统，具体 包括如下的技术方案：
[0006] -种单轴气浮平台调平衡的方法，包括：
[0007]将设置有负载盘的单轴气浮平台倾斜第一预定角度；
[0008] 将所述负载盘上的不平衡质量达到运动速度最大值时的位置确定为平衡位置，并 将所述负载盘停止在所述平衡位置；
[0009] 将所述负载盘转动第二预定角度后使所述负载盘自由摆动，并确定所述负载盘的 第一单摆周期；
[0010]确定在所述第二预定角度条件下所述负载盘的第一不平衡质量值，并将所述第一 不平衡质量值对应的第一质量块放置在所述负载盘相对水平面最高的位置；
[0011] 若所述负载盘的第一单摆周期大于第一临界单摆周期，则认为已将所述单轴气浮 平台调平衡。
[0012] 在本发明所述的单轴气浮平台调平衡方法中，在将所述第一质量块放置在所述负 载盘相对水平面最高的位置后，所述方法还包括：
[0013] 将所述负载盘转动第三预定角度并确定所述负载盘的第二单摆周期；
[0014] 确定在所述第三预定角度条件下所述负载盘的第二不平衡质量值，并将所述第二 不平衡质量值对应的第二质量块放置在所述负载盘相对水平面最高的位置；
[0015] 若所述负载盘的当第二摆周期大于第二临界单摆周期，则认为已将所述单轴气浮 平台调平衡。
[0016] 在本发明所述的单轴气浮平台调平衡方法中，所述第二不平衡质量值通过以下计 算式确定：
[0018] 其中，Ti表示所述负载盘的第一单摆周期，T2表示所述负载盘的第二单摆周期，nu 表示第一次添加不平衡质量块大小表示第一质量块与回转中心之间的距离，!112表示第二 不平衡质量值，L 2表示第二质量块与回转中心之间的距离。
[0019] 在本发明所述的单轴气浮平台调平衡方法中，所述第一不平衡质量值通过以下计 算式确定：
[0021] 其中，mi表示第一不平衡质量值，J表示所述负载盘的转动惯量，Ti表示所述负载盘 的第一单摆周期，U表示第一质量块与回转中心之间的距离，0表示所述负载盘的倾斜角 度。
[0022] 在本发明所述的单轴气浮平台调平衡方法中，所述第一临界单摆周期通过以下计 算式确定：
[0024]其中，Tsl表示第一临界单摆周期，mL表示临界单摆参数。
[0025] 在本发明所述的单轴气浮平台调平衡方法中，所述临界单摆参数通过以下计算式 确定：
[0026] mLg sina^M
[0027] 其中，a表示负载盘的台面不水平误差，M表示气浮轴承摩擦力矩。
[0028] -种单轴气浮平台调平衡的系统，包括：负载盘、调整垫铁和预定数量的质量块； 所述负载盘通过所述调整垫铁设置在所述单轴气浮平台的底座上，所述调整垫铁与所述负 载盘贴合的面为平面，所述调整垫铁与所述底座贴合的面为圆柱面，所述预定数量的质量 块用于调整所述负载盘的单摆周期。
[0029] 在本发明所述的单轴气浮平台调平衡系统中，在所述负载盘上的预定位置设置有 用于固定所述质量块的螺纹孔。
[0030] 在本发明所述的单轴气浮平台调平衡系统中，所述系统还包括用于调整所述负载 盘倾斜角度的起重设备。
[0031] 在本发明所述的单轴气浮平台调平衡系统中，所述系统还包括用于测量所述负载 盘倾斜角度的角度测量设备。
[0032] 本发明的有益效果是:通过在负载盘倾斜并转动的过程中放置与第一不平衡质量 值对应的第一质量块，若当前单摆周期大于临界单摆周期，则认为已将所述单轴气浮平台 调平衡，能够对多种类型的气浮平台进行调平衡，具有结构和操作较简单以及调平衡精度 较高的优点。
【附图说明】
[0033]图1是以示例的方式示出了单轴气浮平台调平衡的流程图。
[0034]图2是以示例的方式示出了单轴气浮台的负载盘倾斜示意图。
[0035]图3是以示例的方式示出了在负载盘上放置第一质量块的位置示意图。
[0036]图4是以示例的方式示出了通过在负载盘上放置第二质量块以实现单轴气浮平台 调平衡的流程图。
[0037]图5是以示例的方式示出了在负载盘上放置第二质量块的位置示意图。
[0038]图6是以示例的方式示出了单轴气浮平台调平衡的系统的结构图。
[0039] 图7是以示例的方式示出了调整垫铁和起重设备的设置位置示意图。
[0040] 图8是以示例的方式示出了在负载盘上设置不平衡质量块的位置示意图。
[0041 ]图9是实施例一提供的计算负载盘上设置的不平衡质量值的等效示意图。
【具体实施方式】
[0042] 本实施例提出了一种单轴气浮平台调平衡的方法，如图1所示，包括：
[0043] 步骤11，将设置有负载盘的单轴气浮平台倾斜第一预定角度。
[0044] 如图2所示，可通过千斤顶等起重设备将单轴气浮平台盘倾斜第一预定角度，当负 载盘因倾斜而转动时，其不平衡质量提供的力矩使负载盘做单摆运动。
[0045] 步骤12,将负载盘上的不平衡质量达到运动速度最大值时的位置确定为平衡位 置，并将负载盘停止在平衡位置。
[0046] 由于系统质量不均衡，其不平衡质量会向负载盘的最低端运动，此时可根据角度 测量设备的测量结果，将不平衡质量的运动速度达到最大对应的位置记录为平衡位置，最 重将不平衡质量停止在该平衡位置。
[0047] 步骤13,将负载盘转动第二预定角度后使负载盘自由摆动，并确定负载盘的第一 单摆周期。
[0048] 可手动再将负载盘转动第二预定角度，然后松手以使负载盘自由摆动，在负载盘 自由转动的过程中记录负载盘的第一单摆周期。
[0049] 步骤14,确定在第二预定角度条件下负载盘的第一不平衡质量值，并将第一不平 衡质量值对应的第一质量块放置在负载盘相对水平面最高的位置。
[0050] 可选的，第一不平衡质量值可通过以下计算式确定：
[0052]其中，mi表示第一不平衡质量值，J表示所述负载盘的转动惯量，Ti表示所述负载盘 的第一单摆周期，U表示第一质量块与回转中心之间的距离，0表示所述负载盘的倾斜角 度。
[0053]如图3所示，将通过上述计算式计算获得的m对应的第一质量块放置在负载盘相 对水平面最高的位置，该位置与回转中心之间的距离为U。
[0054]步骤15,若负载盘的第一单摆周期大于第一临界单摆周期，则认为已将单轴气浮 平台调平衡。
[0055]可选的，该第一临界单摆周期通过以下计算式确定：
[0057] mLg sina^M
[0058]其中，Tsl表示第一临界单摆周期，mL表示临界单摆参数，a表示负载盘的台面不水 平误差，M表示气浮轴承摩擦力矩。
[0059]当负载盘的第一单摆周期^大于计算获得的Tsl时，将单轴气浮平台放水平时已不 存在不平衡力矩，则认为已将单轴气浮平台调平衡，不再需要增加质量块了。完成单轴气浮 平台调平衡过程后，还可通过千斤顶将负载盘放至水平。
[0060]在一可选实施例中，如图4所示，在步骤14将第一质量块放置在负载盘相对水平面 最高的位置后，所述方法还包括：
[0061 ]步骤41，将负载盘转动第三预定角度并确定负载盘的第二单摆周期。
[0062]由于测量和计算的误差存在，第一次增加质量块后单轴气浮平台可能会出现不平 衡的情况，因此可在第二预定角度的条件下，通过将负载盘转动第三预定角度并重新记录 负载盘的第二单摆周期。
[0063]步骤42,确定在第三预定角度条件下负载盘的第二不平衡质量值，并将第二不平 衡质量值对应的第二质量块放置在负载盘相对水平面最高的位置。
[0064]可选的，该第二不平衡质量值可通过以下计算式确定：
[0066] 其中，^表示负载盘的第一单摆周期，^表示负载盘的第二单摆周期，nu表示第一 次添加质量块不平衡质量大小，U表示第一质量块与回转中心之间的距离，m 2表示第二不平 衡质量值，L2表示第二质量块与回转中心之间的距离。
[0067] 如图5所示，将通过上述计算式计算获得的m对应的第一质量块放置在负载盘相 对水平面最高的位置，该位置与回转中心之间的距离为U。
[0068]步骤43,若负载盘的当前单摆周期大于第二临界单摆周期，则认为已将单轴气浮 平台调平衡。
[0069] 可采用与步骤15相同的方法计算获得第二临界单摆周期Ts2，当负载盘的第二单摆 周期T2大于计算获得的第二临界单摆周期T s2时，则认为已将单轴气浮平台调平衡。
[0070] 采用本实施例提出的技术方案，通过在负载盘倾斜并转动的过程中放置与第一不 平衡质量值对应的第一质量块，若当前单摆周期大于临界单摆周期，则认为已将所述单轴 气浮平台调平衡，能够对多种类型的气浮平台进行调平衡，具有结构和操作较简单以及调 平精度较高的优点。
[0071] 本实施例还提出了一种单轴气浮平台调平衡的系统，如图6和图7所示，包括:负载 盘1、调整垫铁2和预定数量的质量块3;负载盘1通过调整垫铁2设置在单轴气浮平台的底座 4上，调整垫铁2与负载盘1贴合的面为平面，调整垫铁2与底座4贴合的面为圆柱面，预定数 量的质量块2用于调整负载盘1的单摆周期。
[0072] 在一可选实施例中，如图6和图7所示，所述系统还包括用于调整负载盘1倾斜角度 的起重设备5,该起重设备5可采用液压千斤顶。
[0073] 在一可选实施例中，如图8所示，在负载盘1的预定位置设置有用于固定预定质量 块的螺纹孔6。
[0074] 在一可选实施例中，所述系统还包括用于测量负载盘1倾斜角度的角度测量设备。
[0075] 通过液压千斤顶将底座4顶起一个角度，这样会使单轴气浮平台产生不平衡力矩， 以使负载盘1进行单摆运动，通过计算负载盘1上不平衡质量大小，然后在相应位置进行补 偿来实现调平衡的过程。当单轴气浮平台倾斜时，普通的垫铁不能稳妥支撑未升高一侧的 底座4,因此本实施例将调整垫铁2的上表面设计成平面，并使底座4与调整垫铁2贴合处加 工成圆柱面，与基座4贴合的四个调整垫铁2及其中设备6布置的位置如图6和图7所示。
[0076] 下面通过具体的实施例对本发明提出的单轴气浮平台调平衡的方法进行详细说 明。
[0077] 实施例一
[0078] 首先对计算不平衡质量值的公式进行推导：
[0079] 将单轴气浮平台倾斜角度0，如图9所示，当负载盘因倾斜而转动时，其不平衡质量 提供力矩使得负载盘做单摆运动，根据力矩平衡得到如下计算式：
[0080] Ja=Gsin9sin x ? L (1)
[0081] 其中，J表示负载盘的转动惯量，a表示负载盘角加速度，G表示引起不平衡质量块 重力，9表示单轴气浮平台倾斜角度，x表示负载盘在做单摆运动时当前位置到平衡位置的 夹角。
[0082] 利用下述计算式计算获得单摆运动的周期：
[0091] 计算式(5)中的^表示单摆摆动的最大角度；，L表示不平衡质量的质心到回转中 心的距离。
[0092] 通过计算式(6)可以看出，当不平衡质量越小时，单摆周期越大，因此可以利用单 摆周期的值来判断单轴气浮平台的平衡程度，以及利用角度测量设备和计数器获得单摆周 期的值来计算不平衡质量的值。
[0093] 由于系统的转动惯量、负载盘的倾斜角在测量时存在误差，因此通过第一次利用 公式(7)的计算在负载盘高点加完质量块后，系统不会处于平衡状态，因此对其单摆周期重 新计数得到T 2,利用下面公式计算再次需要添加质量块的大小
[0096] 计算不平衡质量大小的公式(9)中消除系统的转动惯量、负载盘的倾斜角对其影 响，只需利用计数器准确记录两次的单摆周期大小即可，而单摆周期的大小可以通过多次 测量获取比较准确的数值。
[0097] 在调平衡过程中还需计算出何时完成调平衡过程，即当负载盘台面在不水平误差 倾斜角a时，其产生的不平衡力矩小于气浮轴承的摩擦力矩M，即公式mgL sina彡M，再利用 公式(6)计算出临界单摆周期大小，当系统单摆周期大于计算出来的临界单摆周期时，认为 系统平衡。这里利用具体数据进一步进行说明，系统的摩擦力矩50gcm，负载盘的不水平误 差分别为15〃、30〃，下表1、2给出不同质量块质心到旋转中心距离下对应的不平衡质量大小 及在倾斜角2°不同转动惯量对应的单摆周期情况。
[0098] 表1不同L下不平衡质量的大小
[0100]表2倾角2°不同转动惯量下单摆周期
[0103] 通过上表可以看出，当系统单摆周期超过表2对应的单摆周期大小时，即完成调平 衡过程，不再需要添加质量块。
[0104] 下面给出本实施例所述的单轴气浮平台调平衡的过程：
[0105]步骤1，利用液压千斤顶将单轴气浮平台倾斜，使千斤顶伸出其最大高度为65mm， 此时用测角仪测量出负载盘倾斜的角度9为2°左右；
[0106] 步骤2,由于负载盘质量不均衡，其不平衡质量会向最低端运动，利用角度测量设 备将运动速度达到最大值时对应的位置记录为负载盘的平衡位置，并将负载盘停止在平衡 位置附近；
[0107] 步骤3，将负载盘转动5°左右，并使负载盘自由摆动，利用计数器记录第一单摆周 期!^步骤4，
_求出第一不平衡质量值；
[0108] 步骤5,将上述公式计算获得的nu对应的第一质量块放置在负载盘相对水平面最 尚的位置；
[0109]步骤6,由于测量和计算的误差存在，第一次增加质量块后单轴气浮平台可能未达 到平衡，因此重复上述步骤3重新记录第二单摆周期T2,计算需要增加的第二不平衡质量值 m2；
[0110] 步骤7,利用公式mLgsina彡M，计算出mL的值，再利用计算式(6)计算获得临界单摆 周期，当系统单摆周期大于计算获得的临界单摆周期时，若将单轴气浮平台放水平时不存 在不平衡力矩，则认为单轴气浮平台已调整平衡，不再需要增加质量块；
[0111] 步骤8，完成单轴气浮平台调平衡过程后，将液压千斤顶放下来，整个调平衡过程 结束。
[0112] 在上述的单轴气浮平台调平衡的过程中，还可以包括如下的实施方式：
[0113] 实施方式1:
[0114] 在进行不平衡质量值的计算式推导过程中，为了推导方便，取sinx~X，因此x度数 越大，计算式中计算获得的单摆周期误差越大，因此每次测试过程尽量将摆动角度保持在 20°以内，从而可以提高计算不平衡质量值的准确性。
[0115] 实施方式2:
[0116] 在调平衡的步骤，可以对负载盘的单摆周期进行多次测量，这样增加测量周期的 准确性，进而提高计算不平衡质量的精度。测试过程尽量在封闭环境中，避免风阻等环境影 响对测量结果产生影响。
[0117] 实施方式3:
[0118]在调平衡步骤时，在进行第二次添加质量块时，其大小的计算可以利用如下的计 算式确定：
[0120] 这样可以消除系统转动惯量和负载盘倾斜角测量误差对计算公式的影响，前提是 第一次加的质量块产生的转动惯量远小于系统的转动惯量。
[0121] 实施方式4:
[0122] 计算获得的不平衡质量块安装在负载盘留有的带螺纹的安装孔上即可，而且单轴 气浮平台的底座一侧与采用圆柱面的调整垫铁配合，单轴气浮平台倾斜后底座与调整垫铁 直接仍然可以保持面与面的接触，避免单轴气浮平台质量过大而对基座、台体造成损坏。
[0123] 实施方式5:
[0124] 本实施例提出的单轴气浮平台调平衡的方法可应用于大承载力的单轴气浮平台 设备中，其适用的转动惯量的范围为3000~8000kgm 2,而一般气浮轴承的摩擦力矩的范围 为10~50gcm，因此通过计算式mLgsina<M，可以计算获得求出mL的值，最终计算获得临界 单摆周期的值，因此当负载盘的单摆周期大于计算获得的临界单摆周期时不需要添加质 量，则认为单轴气浮平台已调整平衡。
[0125] 采用本实施例提出的技术方案，通过在负载盘倾斜并转动的过程中放置与第一不 平衡质量值对应的第一质量块，若当前单摆周期大于临界单摆周期，则认为已将所述单轴 气浮平台调平衡，能够对多种类型的气浮平台进行调平衡，具有结构和操作较简单以及调 平精度较高的优点。
[0126] 本【具体实施方式】是对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，其中的实施例仅 仅是本发明的一部分实施例，而并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术 人员在没有经过创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施方式都属于本发明的保护范 围。
【主权项】
1. 一种单轴气浮平台调平衡的方法，其特征在于，包括： 将设置有负载盘的单轴气浮平台倾斜第一预定角度； 将所述负载盘上的不平衡质量达到运动速度最大值时的位置确定为平衡位置，并将所 述负载盘停止在所述平衡位置； 将所述负载盘转动第二预定角度后使所述负载盘自由摆动，并确定所述负载盘的第一 单摆周期； 确定在所述第二预定角度条件下所述负载盘的第一不平衡质量值，并将所述第一不平 衡质量值对应的第一质量块放置在所述负载盘相对水平面最高的位置； 若所述负载盘的第一单摆周期大于第一临界单摆周期，则认为已将所述单轴气浮平台 调平衡。2. 如权利要求1所述的单轴气浮平台调平衡方法，其特征在于，在将所述第一质量块放 置在所述负载盘相对水平面最高的位置后，所述方法还包括： 将所述负载盘转动第三预定角度并确定所述负载盘的第二单摆周期； 确定在所述第三预定角度条件下所述负载盘的第二不平衡质量值，并将所述第二不平 衡质量值对应的第二质量块放置在所述负载盘相对水平面最高的位置； 若所述负载盘的第二单摆周期大于第二临界单摆周期，则认为已将所述单轴气浮平台 调平衡。3. 如权利要求2所述的单轴气浮平台调平衡方法，其特征在于，所述第二不平衡质量值 通过以下计算式确定：其中，h表示所述负载盘的第一单摆周期，T2表示所述负载盘的第二单摆周期，nu表示 第一次添加不平衡质量质量块的大小，U表示第一质量块与回转中心之间的距离，m2表示第 二不平衡质量值，L 2表示第二质量块与回转中心之间的距离。4. 如权利要求2所述的单轴气浮平台调平衡方法，其特征在于，所述第一不平衡质量值 通过以下计算式确定：其中，nu表示第一不平衡质量值，J表示所述负载盘的转动惯量，Ti表示所述负载盘的第 一单摆周期，U表示第一质量块与回转中心之间的距离，0表示所述负载盘的倾斜角度。5. 如权利要求4所述的单轴气浮平台调平衡方法，其特征在于，所述第一临界单摆周期 通过以下计算式确定：其中，Tsl表示第一临界单摆周期，mL表示临界单摆参数。6. 如权利要求5所述的单轴气浮平台调平衡方法，其特征在于，所述临界单摆参数通过 以下计算式确定： mLgsina^M 其中，a表示负载盘的台面不水平误差，M表示气浮轴承摩擦力矩。7. -种单轴气浮平台调平衡的系统，其特征在于，包括：负载盘、调整垫铁和预定数量 的质量块;所述负载盘通过所述调整垫铁设置在所述单轴气浮平台的底座上，所述调整垫 铁与所述负载盘贴合的面为平面，所述调整垫铁与所述底座贴合的面为圆柱面，所述预定 数量的质量块用于调整所述负载盘的单摆周期。8. 如权利要求7所述的单轴气浮平台调平衡的系统，其特征在于，在所述负载盘上的预 定位置设置有用于固定所述质量块的螺纹孔。9. 如权利要求7或8所述的单轴气浮平台调平衡的系统，其特征在于，所述系统还包括 用于调整所述负载盘倾斜角度的起重设备。10. 如权利要求7或8所述的单轴气浮平台调平衡的系统，其特征在于，所述系统还包括 用于测量所述负载盘倾斜角度的角度测量设备。
【文档编号】G01M1/32GK106052958SQ201610329632
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月18日
【发明人】孟祥瑞, 马广程, 王常虹, 夏红伟, 葛占富
【申请人】哈尔滨工大瑞驰高新技术有限公司