一种皮纳卫星质量、质心和转动惯量一体化测量装置的制作方法

本发明涉及机械制造、设计以及测量领域，特别涉及一种皮纳卫星质量、质心和转动惯量一体化测量装置。

背景技术：

随着世界各国航空领域的不断发展，航空飞行器的质量特性参数的测量研究越来越受到各国学者的重视。飞行器质心测量是一个十分重要项目，质心和转动惯量直接影响自身飞行轨迹，对于空间飞行器至关重要，对于高速运动中的飞行器，当其质心位置和转动惯量超差时，将很难调整其飞行方向和姿态，容易造成飞行器偏离轨道或坠毁。

因此如何提高飞行器质量特性参数测量的精确度，已成为国防科技发展的必然要求，世界各国的相关学者和科研单位也都致力于飞行器质量特性参数精密测量的研究中。

国内外质心测量方法主要存在如下一些问题：多数测量方法不能一次装夹测出质量、质心和转动惯量，使用不方便，多次装夹也会带来安装误差，而且这些方法往往测量精度不高，设备开发周期长，操作复杂。

为了解决上述问题，有研究者提出了一种质量、质心和转动惯量一体化测量装置，申请公布号CN 102692264 A的专利文献公开了一种用于质量、质心位置与转动惯量的测试台及测试方法。可使被测产品的质量、质心位置的测量与被测产品的转动惯量的测量互不干扰、分开进行，实现在同一测试台同时测量产品的质量、质心位置与转动惯量。上述发明通用性强，可通过更换不同的定位机构及夹紧机构实现对不同大小及不同形状的产品进行测量；并且能直接测量转动惯量。本发明自动化程度高，控制系统使用便携式工控机；称重传感器、扭矩传感器拆卸方便，可独立进行标定，或随同转动惯量设备一起标定；测控系统具有参数设置及调节、传感器标定；系统故障诊断、安全保护和数据存储、打印功能；上述发明测试台及测试方法具有测量精度高、测试范围宽、操作简便等优点。

但是现有的测量装置并不是针对皮纳卫星，而皮纳卫星在实际测量过程中，需要知道多种姿态的数据，现有装置就需要进行多次装夹，容易造成安装误差，导致测量精度下降。

技术实现要素：

本发明提供了一种皮纳卫星质量、质心和转动惯量一体化测量装置，结构简单，安装方便，运行可靠，可以一次装夹有效测量质量、质心和转动惯量。

一种皮纳卫星质量、质心和转动惯量一体化测量装置，包括：

底座；

转动动力源，安装在底座上，其动力输出端垂直向上；转动动力源常见的采用伺服电机。

升降装置，固定在底座上；

升降台，安装在升降装置的动力输出端上；

称重传感器，安装在升降台的顶面上；

转轴，与所述转动动力源的动力输出端固定连接且顶端穿过升降台；

角速度传感器，安装在转轴周向附近，用于检测转轴的角速度；

水平旋转台，位于升降台的正上方与所述转轴的顶端周向固定连接；

还包括：

水平滑轨，固定在所述水平旋转台的顶面；

滑座，与所述水平滑轨配合且可锁定；

卫星垂直旋转台，固定在滑座上，带有可以垂直旋转的卫星旋转座；

卫星安装转板，与所述卫星旋转座水平转动连接，顶面设有卫星安装位。

为了提高升降的稳定性，提高测量精度，优选的，所述升降装置包括：

伸缩式液压缸，固定在所述底座上，带有中空的伸缩杆，所述伸缩杆的顶部安装所述升降台；

垂直的导向滑杆，设有至少两根，围绕伸缩式液压缸分布；

导向滑块，与对应的导向滑杆配合且与所述升降台固定连接。

为了提高卫星支撑和移动的平稳性，同时为了便于制造和安装，优选的，所述水平滑轨设有两条，所述滑座对应设有两个，所述卫星垂直旋转台包括：

两个支撑板，底部分别与对应的滑座固定连接；

旋转板，两侧分别与对应的支撑板内侧面转动连接，所述卫星安装转板水平转动地安装在该旋转板的上表面。

为了便于定位，优选的，所述支撑板上设有多个第一锁孔，对应的，所述旋转板上也设有与第一锁孔配合的第二锁孔，所述卫星垂直旋转台还包括穿过第一锁孔和第二锁孔的锁销。

为了使水平状态的卫星安装更平稳，优选的，所述水平旋转台的顶面固定有用于支撑卫星顶部的卫星水平固定座。

为了更好地支撑卫星，优选的，所述卫星水平固定座安装在水平滑轨的端部附近。位于端部的卫星水平固定座支撑卫星的顶端，卫星的底部有卫星垂直旋转台支撑，从而使卫星在水平状态下更稳定。

为了适用于不同大小的卫星，将卫星水平固定座设置成可移动结构，优选的，所述卫星水平固定座包括滑动安装在水平滑轨上的支撑滑座、与支撑滑座固定连接的卫星支撑板以及锁定支撑滑座的锁定件。

本发明安装时，先将伺服电机固定在底座上，然后将转轴固定在底座上，将传轴通过联轴器与伺服电机连接，同时安装角速度传感器，将升降装置穿过转轴固定在底座上，将导向滑杆固定在底座上，将升降台放置在升降装置的升降端上，通过连接板将导向滑杆上的滑块与升降台连接，将称重传感器根据坐标要求固定在升降台上，将水平旋转台下端穿过转轴，通过三个螺钉将转轴与水平旋转台连接，将水平滑轨固定在水平旋转台上，将卫星垂直旋转台固定在滑座上，在卫星垂直旋转台中心位置安装轴承，将卫星安装转板与轴承相连，将卫星固定在卫星安装转板上。

在测量卫星质量、质心和转动惯量前，得到竖直和水平状态下水平旋转台及安装在水平旋转台上所有部件的质量、质心和转动惯量；

竖直方向测量时，将加固板与卫星垂直旋转台连接，将卫星垂直旋转台移动到水平旋转台的中心位置，将滑座锁紧，然后打开升降装置，带动升降台向上运动，三个称重传感器将水平旋转台抬起，得到称重传感器数据，计算得到该方向的质量和质心位置，然后升降装置下降带动升降台向下运动，使称重传感器与水平旋转台脱离，开启伺服电机，得到水平旋转台的角速度，最终计算得到卫星的转动惯量；

水平方向测量时，将加固板拆除，将卫星水平固定座的卫星支撑板固定在水平滑轨的支撑滑座上，将卫星垂直旋转台旋转90°使卫星呈水平状态，将滑座移动到水平滑轨的一端，然后开始测卫星质心和转动惯量。

测量第三个方向质心和转动惯量时，使卫星竖直，将卫星安装转板转动90°使，然后将卫星垂直旋转台转动成使卫星成水平状态，就可以测量第三个方向的质心和转动惯量。

本发明的有益效果：

本发明的一体化测量装置通过纯机械结构一次安装固定卫星即可测量卫星三个方向的质心和转动惯量，结构简单，安装方便，工作稳定，效率高，制造成本低。

附图说明

图1为本发明的测量装置在卫星竖直安装时的结构示意图。

图2为图1的左视图。

图3为图1的俯视图。

图4为本发明的测量装置在卫星水平安装时的结构示意图。

图5为图3的左视图。

图6为图3的俯视图。

图7为本发明的升降装置的剖视示意图。

图8为质量、质心测量的坐标系。

具体实施方式

如图1～6所示，本实施例的皮纳卫星质量、质心和转动惯量一体化测量设备包括：

底座1；电机固定座2，固定在底座1上；伺服电机3，固定在电机固定座2上；联轴器4，固定在伺服电机3上，连接转轴5和伺服电机3；角速度传感器6，固定在电机固定座2上；升降机构7，固定在底座1上；两个滑杆固定座8，固定在底座1上；两个导向滑杆9，对称分布在升降机构7的两侧，分别垂直固定在对应的滑杆固定座8上；连接板10，固定在升降台11上，连接滑块12和升降台11；称重传感器13，固定在升降台11顶面上；水平旋转台14，与传轴5连接；两条水平滑轨15，固定在水平旋转台14上；加固板16，固定在水平旋转台14上，与卫星垂直旋转台17相连；卫星垂直旋转台17，固定在滑座18上；轴承19，固定在卫星旋转台17上；卫星安装转板20，与轴承19相连，上面设有卫星安装位置；两个卫星水平固定座21，一端带有与对应的水平滑轨15配合的滑块22上，顶部与卫星23相连。

底座1用于固定电机固定座2、升降机构7和滑杆固定座8。

电机固定座2用于固定伺服电机3、联轴器4和角速度传感器6。

升降台11与两个滑块12相连，升降台11只能沿着导向滑杆9上下运动，升降台11上固定有称重传感器13。

如图7所示，升降机构7采用伸缩式液压缸，带有中空结构24的伸缩杆，伸缩杆的顶部安装升降台11；中空的伸缩杆能让转轴5穿过。

水平旋转台14与转轴5通过三个螺钉连接，螺钉松开水平旋转台14能上下移动，螺钉拧紧，水平旋转台14与转轴5连接，水平旋转台14在转轴5的带动下旋转。

水平旋转台14上安装有水平滑轨15，水平旋转台14和卫星水平固定座21能沿着线轨运动。

卫星垂直旋转台17能竖直方向上旋转不同的角度。

卫星安装转板20是用来固定卫星并能相对卫星垂直旋转台17水平旋转不同的角度。

加固板24是用来加固卫星竖直状态。

卫星水平固定座21是用来加固卫星水平状态。

本实施例安装时，先将伺服电机3固定在底座1上，然后将转轴5安装在底座上，将传轴5通过联轴器4与伺服电机3连接，同时安装角速度传感器6，将升降机构7穿过转轴5固定在底座1上，将导向滑杆9固定在底座1上，将升降台11放置在升降机构7的升降端上，通过连接板10将导向滑杆9上的滑块12与升降台11连接，将三个称重传感器13根据坐标要求固定在升降台11上，将水平旋转台14下端穿过转轴5，通过三个螺钉将转轴5与水平旋转台14连接，将水平滑轨15固定在水平旋转台14上，将卫星垂直旋转台17固定在滑座18上，在卫星垂直旋转台17中心位置安装轴承19，将卫星安装转板20与轴承19相连，将卫星固定在卫星安装转板20上。

在测量卫星质量、质心和转动惯量前，得到竖直和水平状态下的卫星安装转板20及安装在卫星安装转板20上所有部件的质量、质心和转动惯量，在测量时卫星23安装在水平旋转台14上，升降机构7带动升降台11向上运动，三个称重传感器13将水平旋转台14抬起，得到称重传感器数据，计算得到该方向的质量和质心位置，然后升降机构7带动升降台向下运动，使称重传感器13与水平旋转台14脱离，开启伺服电机3，得到水平旋转台14的角速度，最终计算得到该位置上的卫星的转动惯量；另外两个方向的质量、质心和转动惯量重复这一过程，最终可以得到卫星的质量、三个方向的质心和转动惯量。

水平方向测量时，将加固板16拆除，将卫星水平固定座的卫星支撑板固定在水平滑轨的支撑滑座上，将卫星垂直旋转台旋转90°使卫星呈水平状态，将滑座移动到水平滑轨的一端，然后开始测卫星质心和转动惯量。

测量第三个方向质心和转动惯量时，使卫星竖直，将卫星安装转板20转动90°使，然后将卫星垂直旋转台17转动成使卫星成水平状态，就可以测量第三个方向的质心和转动惯量。

计算过程如下：

1.质量计算：

三个称重传感器呈120°放置，不装卫星时对应传感器的数据为P1、P2、P3，把卫星安装到卫星安装转板20上，对应传感器的数据为P4、P5、P6，如图8所示，图8的中点1、2和3分别表示3个称重传感器和水平旋转台14的接触点，ox、oy为设备参考轴，原点o为设备的转动及定位中心，可以得到卫星质量为：

G＝P4+P5+P6-P1-P2-P3 (1)

2.质心计算：

x1,x2,x3,y1,y2分别为距坐标轴的距离。设oxyz为被测卫星坐标轴，设备ox轴与被测物的ox轴重合，C点为被测卫星在oxyz三维空间的质心位置，则根据力和力矩平衡原理，有：

在平面内，对ox取矩，可得被测物在平面内的径向质心yc为：

yc＝[(P5-P2)y1-(P6-P3)y2]/G (2)

对oy取矩，得被测物在平面内的轴向质心xc为：

xc＝[(P5-P2)x2+(P6-P3)x3-(P4-P1)x1]/G (3)

卫星转动方向后同理可以得到zc。

3.坐标原点处的转动惯量：

已知水平旋转台14的转动惯量为L0，电机启动加速时间为t0，额定转速为ωe，t1(t1≤t0)时刻的转速为ω0，那么在转速y与启动时间x的关系有：

假设水平旋转台14上安装上工装后的转动惯量为L1，电机启动加速时间为t0，额定转速为ωe′，t2(t2≤t0)时刻的转速为ω0′，此时开启伺服电机测得转速y′与启动时间x′的关系有：

假设水平旋转台14上安装上部件后的转动惯量为L2，电机启动加速时间为t0，额定转速为ωe″，t3(t3≤t0)时刻的转速为ω0″，此时开启伺服电机测得转速y″与启动时间x″的关系有：

在同一时间T(T≤t0)下式(4)、式(5)和式(6)的转速分别为

假设卫星转动方向的转动惯量为L2，根据角动量守恒定理可以得到：

可以得到安装在转动台上工装的转动惯量为：

L1＝L0ω0t2/ω0′t1-L0 (8)

那么有：

L2＝L0ω0t3/ω0″t1-L0ω0t2/ω0′t1 (9)

假设卫星的转动惯量为L2x，L2y，L2z，那么经过三次转动可以得到卫星三个方向的转动惯量。

4.质心处的转动惯量：

在卫星中，总体主要关系卫星绕质心转动时的转动惯量，那么根据平行轴移动定力可以得到：

L2xc＝L2x+G(yc²+zc²) (10)

L2yc＝L2y+G(xc²+zc²) (11)

L2zc＝L2z+G(xc²+yc²) (12)

5.误差分析：

1)称重传感器误差

所用的称重传感器单个精度在万分之五，只有工装时的重量为G1kg，单个传感器的称重在G1/3kg，那么称量工装时的误差为在装上卫星后重量为G2kg，单个传感器的称重在G2/3kg，那么称量卫星时的误差为卫星重20kg，那么单个传感器称重的相对误差为0.015％，完全能够满足系统对质量测量精度的要求。

2)定位误差

所有部件的安装都按照0.05mm的定位误差来设计和安装，整体的定位误差会包括转轴、工装、卫星的安装偏差和转台的倾斜角度偏差。

(1)定位误差对质心测量的影响

转轴、工装、卫星的安装偏差在质心和质量测量时的累积偏差最大为0.15mm，根据式(2)和式(3)可以得到最大偏差也为0.15mm，而卫星的理论质心位置为164mm，那么定位误差对质心测量的相对误差为0.091％，满足定位误差对质心测量精度影响的要求。

(2)定位误差对转动惯量测量的影响

a.转轴、工装和卫星偏移直接影响惯量的测量，设转轴偏心为e1，工装的安装偏差为e2，卫星的安装偏差为e3，那么实际卫星的转动惯量为：

L卫＝L测+G卫(e1²+e2²+e3²) (13)

卫星最小方向的惯量在0.2kgm²左右，与理论转动惯量的偏差为0.00015kgm²，相对误差为0.075％，能够满足系统定位误差对测量精度影响的要求。

b.转轴安装后与转台有角度偏差θ，那么可以得到转动惯量为：

L2x′＝L2xcos²θ+sin²θL2y+2L2xycosθsinθ (14)

L2y′＝L2xsin²θ+cos²θL2y-2L2xycosθsinθ (15)

L2z′＝L2zcos²θ+sin²θL2y+2L2zycosθsinθ (16)

在实际中惯量积L2xy,L2zy是很小，那么可以简化为

L2x′＝L2xcos²θ+sin²θL2y (17)

L2y′＝L2xsin²θ+cos²θL2y (18)

L2z′＝L2zcos²θ+sin²θL2y (19)

当最大偏差θ＝0.03°，此时三个方向的惯量变化小于10^-6kgm²，卫星最小方向的惯量在0.2kgm²左右，相对误差为0.0005％，能够满足转台安装倾角偏差对测量精度影响的要求。