一种基于悬臂梁理论的星载滑环接触力的测量方法及测量系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于悬臂梁理论的星载滑环接触力的测量方法及测量系统。本发明的测量方法是采用间接测量的办法实现对星载滑环接触力的精密测量，即在电刷丝与导电滑环的接触点附近设定测量点，利用等截面直梁的挠曲线方程式推导出在测量点处施加的初始测量力与在接触点处的接触压力之间的关系式，并根据变形的线性规律，采用最小二乘法对在测量点处测得的数据进行一元回归分析，得到精确的初始测量力，进而得到接触压力，测量精度高；本发明的测量系统由导电滑环、电刷丝、加载吊钩、力传感器、位移传感器、连接板、精密电控运动台、电机驱动器、运动控制卡、多通道数据采集卡、电流传感器、工控机和显示器构成，设计巧妙，操作方便且测量精准。
【专利说明】一种基于悬臂梁理论的星载滑环接触力的测量方法及测量系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种星载滑环接触力测量方法及系统，更具体地说，涉及一种基于悬臂梁理论的星载滑环接触力的测量方法及测量系统。
【背景技术】
[0002]导电滑环(简称滑环)组件是用来实现两个相对旋转运动件间的信号、电流传递。以柱式滑环为例，主要由滑环体、电刷组件、支架、支承系统等零部件构成，电刷丝以一定的压力与环道接触。通过滑环，可实现活动部件360 °自由旋转，并同时传递信号和(或)电流。滑环通常是包含很多个环的集合体，其中代替信号线传递信号的部分称作信号环；代替电源线传递电流的部分通常被称为功率环。
[0003]星载精密滑环组件具有精度高、噪声低、环道多、电流大、结构紧凑、运行可靠且安装方便的优点，广泛用于海、陆、空、天领域的测试、自控、武器、惯性导航系统等设备中。在飞船和卫星等空间飞行器上，导电滑环作为对日定向驱动机构完成功率和信号传输功能的关键部件，重要性日益突出，近几年，某院的几颗卫星均将导电滑环作为其失效故障的主要原因之一，其在轨可靠性越来越受到各方重视。
[0004]确定电刷丝与滑环接触压力大小非常重要。压力越大则接触电阻越小，有利信号或功率的传输，但会增加摩擦力矩，使接触部分磨损增大；压力越小则运转越灵活，磨损小，但接触电阻增大，温升很高，甚至会引起电刷丝和滑环的熔焊。但是已有的滑环性能测试研究中，多集中在对接触电阻、载流量、电磁噪声等电量的测量上，对于接触压力的研究或者限于理论分析和计算，或者存在接触点和测量点不一致的原理误差，大大影响了测量精度。
[0005]经检索，已有针对测量星载滑环接触力的技术方案公开，如中国专利号ZL201120568957.8，授权公告日为2012年11月21日，发明创造名称为:导电滑环电刷压力检测装置，该申请案涉及一种导电滑环电刷压力检测装置，底板上一侧设有二维电控位移台且其上设有导电滑环固定工装，底板另一侧设有固定块I，固定块I侧部上端设有可沿固定块I上下滑动的一维中控位移台，一维中控位移台台面上垂直设有固定块II，固定块II另一端与电控旋转台连接，测力计固定工装一端与电控旋转台旋转台面连接，测力计固定工装另一端连接数字测力计，数字测力计下端设有测力计钩头，测力计钩头可与固定在导电滑环固定工装上的导电滑环相接触；所述二维电控位移台、一维电控位移台、电控旋转台、导电滑环和数字测力计均与控制箱连接，控制箱与电脑主机连接。该申请案能够检测出电刷压力偏大或偏小的滑环，可以提高导电滑环的工作可靠性。但是，由于星载导电滑环的电刷丝直径很小，接触力和变形也很小，在进行接触力的测量时，直接测量接触点的接触力会存在一定测量误差。
【发明内容】
[0006]1.发明要解决的技术问题[0007]本发明的目的在于克服现有技术中针对星载滑环接触压力的测量不精准的不足，提供一种基于悬臂梁理论的星载滑环接触力的测量方法及测量系统，本发明的测量方法是采用间接测量的办法实现对星载滑环接触力的精密测量，即通过在电刷丝与导电滑环的接触点附近设定测量点，利用等截面直梁的挠曲线方程式推导出在测量点处施加的初始测量力与在接触点处的接触压力之间的关系式，再根据变形的线性规律，采用最小二乘法对在测量点处测量到的数据进行一元回归分析，得到在测量点处精确的初始测量力，进而得到接触压力，测量精度高；本发明的测量系统设计巧妙，操作方便且测量精准。
[0008]2.技术方案
[0009]为达到上述目的，本发明提供的技术方案为:
[0010]本发明的一种基于悬臂梁理论的星载滑环接触力的测量方法，包括以下步骤:
[0011](I)将电刷丝的力学模型简化为悬臂梁形式，假设电刷丝的质量连续均匀分布即该悬臂梁为等截面直梁，建立悬臂梁的直角坐标系:以电刷丝的固定端为原点O点，以电刷丝未变形时电刷丝的长度方向为X轴，且该长度方向为正方向，以载荷F作用在电刷丝上时电刷丝的变形方向为y轴，且该变形方向为正方向；
[0012](2)基于上述假设和建立的直角坐标系，在小变形条件下，得到悬臂梁的挠曲线方
程为
【权利要求】
1.一种基于悬臂梁理论的星载滑环接触力的测量方法，包括以下步骤: (1)将电刷丝(2)的力学模型简化为悬臂梁形式，假设电刷丝(2)的质量连续均匀分布即该悬臂梁为等截面直梁，建立悬臂梁的直角坐标系:以电刷丝(2)的固定端为原点O点，以电刷丝(2 )未变形时电刷丝(2 )的长度方向为X轴，且该长度方向为正方向，以载荷F作用在电刷丝(2)上时电刷丝(2)的变形方向为y轴，且该变形方向为正方向； (2)基于上述假设和建立的直角坐标系，在小变形条件下，得到悬臂梁的挠曲线方程为:
2.根据权利要求1所述的一种基于悬臂梁理论的星载滑环接触力的测量方法，其特征在于:所述的步骤(6)中测量Fb的方法为: (6-1)在B点处施加能使电刷丝(2)与导电滑环(I)呈刚好脱离接触状态的测量力Fbl，此时将力传感器(4)测得的测量力Fbl记录下，将位移传感器(5)测得的力传感器(4)向上移动的位移记录下，该位移值即为B点向上移动产生的位移值，设置此时的位移值为0，得到数据点(Fbl，0); (6-2)依次微量增加测量力至Fbi，并将力传感器(4)测得的测量力Fbi (1=1,2,...，η)记录下,将位移传感器(5)测得的力传感器(4)向上移动的位移值Yi (i=l,2,..., η)记录下，得到一组数据点(Fbi, Yi) (i=l,2,..., η)；(6-3)建立直角坐标系,横坐标轴代表力传感器(4)向上移动的位移值y,纵坐标轴代表B点处施加的测量力F,在该直角坐标系内标出与上述一组数据点(F1^yi) (i=l,2,...,η)相对应的一组坐标点,观察得出上述的一组坐标点呈线性分布； (6-4)根据步骤(6-3)得出力传感器(4)向上移动的位移值y与B点处施加的测量力F呈线性关系，对于上述的一组坐标点采用最小二乘法进行线性回归分析，得到直线方程:
3.根据权利要求2所述的一种基于悬臂梁理论的星载滑环接触力的测量方法，其特征在于:所述的电刷丝(2)与导电滑环(I)刚好脱离接触状态为临界接触状态，该临界接触状态可通过电流传感器(11)采集到的电流数值大小进行判断。
4.一种权利要求1至3中任意一项所述的基于悬臂梁理论的星载滑环接触力的测量系统，包括导电滑环(I) 和电刷丝(2)，所述的电刷丝(2)与导电滑环(I)相接触，其特征在于:还包括加载吊钩(3)、连接板(6)、精密电控运动台(7)、电机驱动器(8)、运动控制卡(9)、多通道数据采集卡(10)、工控机(12)和显示器(13)，所述的多通道数据采集卡(10)的输入端分别连接有力传感器(4)、位于力传感器(4)上方的位移传感器(5)和电流传感器(11)，该多通道数据采集卡(10)的输出端与工控机(12)的输入端相连，该工控机(12)的输出端与显示器(13)相连；所述的电流传感器(11)的一极与导电滑环(I)相连，该电流传感器(11)的另一极与电刷丝(2)相连；所述的力传感器(4)通过连接板(6)与由电机驱动器(8)驱动的精密电控运动台(7)相固连，该电机驱动器(8)通过运动控制卡(9)与上述工控机(12)的输出端相连；所述的力传感器(4)的下端连接有加载吊钩(3)，该加载吊钩(3)与电刷丝 (2)相接触。
【文档编号】G01L5/00GK103837280SQ201410127479
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年3月31日 优先权日:2014年3月31日
【发明者】刘春节, 吴小峰 申请人:常州工学院