模拟微重力环境的缆绳振动特征参数地面测量装置及方法

1.本发明涉及缆绳振动特征参数测量相关技术领域，具体涉及一种模拟微重力环境的缆绳振动特征参数地面测量装置及方法，即在地面模拟微重力环境，测量缆绳的振动特征参数。


背景技术：

2.期刊《机械科学与技术》中的“空间主动隔振系统的缆绳刚度测试装置”给出了空间缆绳刚度的测量装置，但是该装置没有模拟微重力环境。“空间主动隔振系统的缆绳刚度测试装置”公开了一套缆绳刚度测试装置。该测试系统主要由桁架结构、光学平台、六维位移台、六维力和力矩传感器、控制器、工控机、显示器、labview软件等组成。六维位移台由1个三轴位移台、1个旋转台、2个倾斜台以及2个直角固定块组成。如图2所示，它的安装顺序从左到右依次为2个直角块、1个倾斜台、1个倾斜台、1个旋转台、1个三轴位移台。六维位移台的三轴位移台在三个方向的位移、1个旋转台的旋转、2个倾斜台的倾斜分别驱动，3个方向的位移和3个方向的旋转没有耦合，每次都使六维位移台沿一个自由度方向运动。缆绳刚度测试的基本原理为：缆绳一端与六维力和力矩传感器相连，力和力矩传感器固定在桁架结构上，另一端与六维位移台上的直角块固定，实验过程中缆绳处于自由松弛状态，六维位移台带动缆绳一端仅沿一个自由度作低速往复运动，另一端的六维力和力矩传感器测量缆绳所受的力和力矩，并通过labview软件存储到.txt文档中。然后数据导入到matlab，绘出线缆的位移、转角与力和力矩的关系，并用最小二乘法拟合求解斜率，即缆绳刚度。
[0003]“空间主动隔振系统的缆绳刚度测试装置”公开的一套缆绳刚度测试装置，该装置在地面有重力的环境下测试缆绳刚度。缆绳一端与桁架结构固定，另一端通过六维力和力矩传感器与六维位移台，缆绳悬置在空中，受地球重力影响，通过该装置测试的数据与微重力环境下的测试数据有误差。该装置每次使六维位移台沿一个自由度方向运动，用六维力和力矩传感器采集力或力矩值，用最小二乘法拟合求解斜率，即缆绳在该自由度上的刚度。但是在空间使用的缆绳实际工况是在六个自由度同时运动，在六个自由度上受的力与力矩相互耦合，关联性强，需要同时测量，因此通过该装置测试的数据与空间微重力环境下缆绳的受力情况不相符。


技术实现要素：

[0004]
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种模拟微重力环境的缆绳振动特征参数地面测量装置及方法。
[0005]
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种模拟微重力环境的缆绳振动特征参数地面测量装置，包括直线电机、试验台、第一三维转台、第二三维转台、水平相机和竖直相机，所述试验台和第一三维转台分别与所述直线电机的动子相连接并由动子带动在竖直方向直线运动，所述水平相机安装在所述第一三维转台上并水平朝向所述试验台上方布置；所述竖直相机通过第二三维转台安装在所述直线电机顶部并竖直朝向所述试验台上侧
面布置。
[0006]
本发明的有益效果是：本发明的测量装置可以模拟空间微重力环境，可以为试验样品提供微重力环境，与试验样品的使用环境一致，数据真实可靠；该装置可以每隔几分钟测试一组缆绳、试验块a和试验块b的位移和角度数据，数据采集效率高，通过多次测量取平均值，可以减少误差，计算出准确的缆绳振动特征参数数据。
[0007]
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
[0008]
进一步，所述试验台通过支架安装在所述直线电机的动子上，所述支架一端位于所述试验台径向方向的外侧，所述第一三维转台安装在所述支架的一端。
[0009]
采用上述进一步方案的有益效果是：方便安装水平相机，并使水平相机对准试验台上方。
[0010]
进一步，所述试验台呈环形且套设在所述直线电机上。
[0011]
采用上述进一步方案的有益效果是：可以根据需要调整样品组件的摆放位置，也方便调整水平相机和竖直相机的位置。
[0012]
进一步，所述直线电机上设有电控箱，所述电控箱通过线缆与所述直线电机的定子相连。
[0013]
采用上述进一步方案的有益效果是：电控箱为直线电机定子供电。
[0014]
进一步，所述第一三维转台、第二三维转台、水平相机、竖直相机分别为两个，两个所述第一三维转台呈预设角度布置使对应连接的两个水平相机在同一水平面上呈预设角度布置，两个所述第二三维转台呈所述预设角度布置使对应连接的两个竖直相机呈所述预设角度布置。
[0015]
采用上述进一步方案的有益效果是：采用两组转台、相机，可同时记录两个试验块的位移和角度，可同时计算出缆绳的阻尼、频率、拉压刚度和扭弯刚度等特征参数，测量更加精确、真实可靠。
[0016]
一种模拟微重力环境的缆绳振动特征参数地面测量方法，采用上述测量装置实现，包括以下步骤：
[0017]
s1，直线电机的定子加电，利用直线电机的动子带动试验台、第一三维转台和水平相机运动到起始位置；
[0018]
s2，将缆绳两端分别与试验块a或/和试验块b连接成为试验组件，并将试验组件自由摆放在试验台上；调整竖直相机和水平相机的初始位置，使竖直相机在竖直方向对准试验块a或/和试验块b，使水平相机在水平方向对准试验块a或/和试验块b；
[0019]
s3，利用直线电机的动子带动试验台、试验组件、第一三维转台和水平相机向上加速运动，待速度达到预定值后，动子减速，使试验组件与试验台分离，控制动子的速度，使水平相机的水平线与试验块a或/和试验块b平齐；
[0020]
s4，利用水平相机记录试验块a或/和试验块b在竖直方向的位移和角度，利用竖直相机记录试验块a或/和试验块b在水平方向的位移和角度，计算得到缆绳的振动特征参数。
[0021]
本发明的有益效果是：本发明的测量方法，可以模拟空间微重力环境，测试缆绳在微重力条件下六个自由度上的振动特征参数相关参数。
[0022]
进一步，根据试验块a或试验块b在竖直方向或水平方向的位移和角度，拟合试验块a或试验块b在三个方向的位移时间历程曲线方程或角度时间历程曲线方程为：
其中，x为试验块a或试验块b在三个方向任意方向的位移或角度；t为时间；a为试验块a或试验块b的振幅；n为试验块a或试验块b衰减系数、ω为试验块a或试验块b振动的角频率、为试验块a或试验块b振动的相位。
[0023]
进一步，根据所述位移时间历程曲线方程或所述角度时间历程曲线方程，并利用系统辨识方法，计算得到缆绳的阻尼、频率、拉压刚度和扭弯刚度。
[0024]
进一步，根据所述位移时间历程曲线方程，计算出缆绳的衰减系数阻尼比周期根据计算出的衰减系数、阻尼比、周期，推算出缆绳的阻尼缆绳固有频率根据ω＝2πf，计算出缆绳的角频率根据k1＝ω2m，计算出缆绳的拉压刚度其中，m为试验块a或试验块b的质量。
[0025]
进一步，根据所述角度时间历程曲线方程，计算出缆绳的衰减系数阻尼比周期根据计算出的衰减系数、阻尼比、周期，推算出缆绳的阻尼缆绳的固有频率根据ω＝2πf，计算出缆绳的角频率根据k2＝ω2j，计算出缆绳的扭弯刚度其中，j为试验块a或试验块b绕轴的转动惯量。
附图说明
[0026]
图1为本发明模拟微重力环境的缆绳振动特征参数地面测量装置的主视结构示意图；
[0027]
图2为图1的a
‑
a剖视图；
[0028]
图3为本发明模拟微重力环境的缆绳振动特征参数地面测量装置的俯视结构示意图；
[0029]
图4为试验块受力原理图一；
[0030]
图5为试验块受力原理图二；
[0031]
图6为试验块的位移或角度时间历程曲线图。
[0032]
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
[0033]
1、直线电机；11、动子；12、定子；14、电控箱；15、线缆；2、试验台；3、第一三维转台；4、第二三维转台；5、水平相机；6、竖直相机；7、支架；8、试验块a；81、试验块b；82、缆绳；9、主
结构。
具体实施方式
[0034]
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0035]
实施例1
[0036]
如图1
‑
图3所示，本实施例的一种模拟微重力环境的缆绳振动特征参数地面测量装置，包括直线电机1、试验台2、第一三维转台3、第二三维转台4、水平相机5和竖直相机6，所述试验台2和第一三维转台3分别与所述直线电机1的动子11相连接并由动子11带动在竖直方向直线运动，所述水平相机5安装在所述第一三维转台3上并水平朝向所述试验台2上方布置；所述竖直相机6通过第二三维转台4安装在所述直线电机1顶部并竖直朝向所述试验台2上侧面布置。所述直线电机1安装在主结构9上，具体也可将第二三维转台4安装在直线电机1顶部的主结构9上。
[0037]
本实施例的所述第一三维转台3、第二三维转台4、水平相机5、竖直相机6可分别只设置一个，第一三维转台3和第二三维转台4上下对应布置，可用于测量样品组件(试验块a8、试验块b81和缆绳82)中一个试验块的位移和角度数据。
[0038]
如图1
‑
图3所示，所述试验台2通过支架7安装在所述直线电机1的动子11上，所述支架7一端位于所述试验台2径向方向的外侧，所述第一三维转台3安装在所述支架7的一端。具体可参考图3所示，所述支架7一端固定在动子上，另一端水平径向向外延伸并与第一三维转台3进行连接，试验台2安装在支架7上表面上。利用支架方便安装水平相机，并使水平相机对准试验台上方。
[0039]
如图3所示，本实施例的所述试验台2呈环形且套设在所述直线电机1上。试验台的形状可以任意选择，例如可以选用圆环形，也可以选用方环形等。可以根据需要调整样品组件的摆放位置，也方便调整水平相机和竖直相机的位置。
[0040]
如图1
‑
图3所示，本实施例的所述直线电机1上设有电控箱14，所述电控箱14通过线缆15与所述直线电机1的定子12相连。电控箱为直线电机定子供电。
[0041]
本实施例的测量装置可以模拟空间微重力环境，可以为试验样品提供微重力环境，与试验样品的使用环境一致，数据真实可靠；该装置可以每隔几分钟测试一组缆绳、试验块a或试验块b的位移和角度数据，数据采集效率高，通过多次测量取平均值，可以减少误差，计算出准确的缆绳振动特征参数数据。
[0042]
实施例2
[0043]
如图1
‑
图3所示，本实施例的一种模拟微重力环境的缆绳振动特征参数地面测量装置，包括直线电机1、试验台2、第一三维转台3、第二三维转台4、水平相机5和竖直相机6，所述试验台2和第一三维转台3分别与所述直线电机1的动子11相连接并由动子11带动在竖直方向直线运动，所述水平相机5安装在所述第一三维转台3上并水平朝向所述试验台2上方布置；所述竖直相机6通过第二三维转台4安装在所述直线电机1顶部并竖直朝向所述试验台2上侧面布置。所述直线电机1安装在主结构9上，具体也可将第二三维转台4安装在直线电机1顶部的主结构9上。
[0044]
如图1
‑
图3所示，所述试验台2通过支架7安装在所述直线电机1的动子11上，所述
支架7一端位于所述试验台2径向方向的外侧，所述第一三维转台3安装在所述支架7的一端。具体可参考图3所示，所述支架7一端固定在动子上，另一端水平径向向外延伸并与第一三维转台3进行连接，试验台2安装在支架7上表面上。利用支架方便安装水平相机，并使水平相机对准试验台上方。
[0045]
如图3所示，本实施例的所述试验台2呈环形且套设在所述直线电机1上。试验台的形状可以任意选择，例如可以选用圆环形，也可以选用方环形等。可以根据需要调整样品组件的摆放位置，也方便调整水平相机和竖直相机的位置。
[0046]
如图1
‑
图3所示，本实施例的所述直线电机1上设有电控箱14，所述电控箱14通过线缆15与所述直线电机1的定子12相连。电控箱为直线电机定子供电。
[0047]
如图1
‑
图3所示，所述第一三维转台3、第二三维转台4、水平相机5、竖直相机6分别为两个，两个所述第一三维转台3呈预设角度布置使对应连接的两个水平相机5在同一水平面上呈预设角度布置，两个所述第二三维转台4呈所述预设角度布置使对应连接的两个竖直相机6呈所述预设角度布置。采用两组转台、相机，可同时记录两个试验块的位移和角度，可同时计算出缆绳的阻尼、频率、拉压刚度和扭弯刚度等特征参数，测量更加精确、真实可靠。
[0048]
本实施例的测量装置可以模拟空间微重力环境，可以为试验样品提供微重力环境，与试验样品的使用环境一致，数据真实可靠；该装置可以每隔几分钟测试一组缆绳、试验块a和试验块b的位移和角度数据，数据采集效率高，通过多次测量取平均值，可以减少误差，计算出准确的缆绳振动特征参数数据。
[0049]
实施例3
[0050]
本实施例的一种模拟微重力环境的缆绳振动特征参数地面测量方法，采用上述实施例1测量装置实现，包括以下步骤：
[0051]
s1，电控箱14给直线电机1的定子12加电，利用直线电机1的动子11带动试验台2、第一三维转台3和水平相机5运动到起始位置；
[0052]
s2，将缆绳82两端分别与试验块a8和试验块b81连接成为试验组件，并将试验组件自由摆放在试验台2上；调整竖直相机6和水平相机5的初始位置，使竖直相机6在竖直方向对准试验块a8或试验块b81，使水平相机5在水平方向对准试验块a8或试验块b81；
[0053]
s3，利用直线电机1的动子11带动试验台2、试验组件、第一三维转台3和水平相机5向上加速运动，待速度达到预定值后，动子11减速，使试验组件与试验台2分离，控制动子11的速度，使水平相机5的水平线与试验块a8或试验块b81平齐；
[0054]
s4，利用水平相机5记录试验块a8或试验块b81在竖直方向的位移和角度，利用竖直相机6记录试验块a8或试验块b81在水平方向的位移和角度，计算得到缆绳82的振动特征参数。
[0055]
本实施例中，缆绳、试验块a、试验块b组成的试验组件做自由落体运动。试验组件在水平方向做自由运动，缆绳的刚性向试验块a或试验块b提供恢复力，缆绳的阻尼向试验块a或试验块b提供阻尼力，试验块受力示意图如图4所示。在水平方向作用在试验块a或试验块b上的力有恢复力f
k
＝
‑
kx，方向指向平衡位置o；阻尼力方向与速度方向相反。试验块a、试验块b在水平方向的运动微分方程为式中m为试验块的
质量、c为缆绳的阻尼系数、k为缆绳的刚度、x为试验块的位移、为试验块的速度、为试验块的加速度。试验块受力分析图如图5所示。
[0056]
试验组件与水平相机在竖直方向同步做自由落体运动，建立竖直方向的振动微分方程时可以不计入重力作用，试验块的受力及运动情况同水平方向的运动。参考图4和图5，自由落体运动过程中，在竖直方向作用在试验块a或试验块b上的力有恢复力f
k
＝
‑
kx，方向指向平衡位置o；阻尼力方向与速度方向相反。试验块a、试验块b在竖直方向的运动微分方程为式中m为试验块的质量、c为缆绳的阻尼系数、k为缆绳的刚度、x为试验块的位移、为试验块的速度、为试验块的加速度。
[0057]
试验块a、试验块b在三个位移方向的运动微分方程均为缆绳做欠阻尼运动，令绳做欠阻尼运动，令得微分方程的解为式中，x为试验块a或试验块b在三个方向任意方向的位移或角度；t为时间；a为试验块的振幅、n为衰减系数、ω为试验块振动的角频率、为试验块振动的相位。根据相机采集的试验块a或试验块b的位置数据，绘制试验块a或b的位移时间历程曲线或角度时间历程曲线如图6所示。
[0058]
根据所述位移时间历程曲线方程或所述角度时间历程曲线方程并利用系统辨识方法，计算得到缆绳的阻尼、频率、拉压刚度和扭弯刚度。具体可以参考如下计算方法：
[0059]
本实施例的一个具体可选方案为，根据所述位移时间历程曲线方程，读出时间值t
i
，及在t
i
瞬时，振动幅度达到的最大偏离值a
i
；经过1个周期后，读出时间值t
i+1
，及在t
i+1
瞬时，振动幅度达到的最大偏离值a
i+1
；经过j个周期后，读出时间值t
i+j
，及在t
i+j
瞬时，振动幅度达到的最大偏离值a
i+j
。根据上述读数，缆绳为小阻尼系统，计算出缆绳的衰减系数阻尼比周期根据计算出的衰减系数、阻尼比、周期，推算出缆绳的阻尼缆绳固有频率根据ω＝2πf，计算出缆绳的角频率根据k1＝ω2m，计算出缆绳的拉压刚度其中，m为试验块a或试验块b的质量。
[0060]
本实施例的一个具体可选方案为，根据所述角度时间历程曲线方程，读出时间值t
i
，及在t
i
瞬时，扭转角度达到的最大偏离值a
i
；经过1个周期后，读出时间值t
i+1
，及在t
i+1
瞬时，扭转角度达到的最大偏离值a
i+1
；经过j个周期后，读出时间值t
i+j
，及在t
i+j
瞬时，扭转角度达到的最大偏离值a
i+j
。根据上述读数，缆绳为小阻尼系统，计算出缆绳的衰减系数阻尼比周期根据计算出的衰减系数、阻尼比、周期，
推算出缆绳的阻尼缆绳的固有频率根据ω＝2πf，计算出缆绳的角频率根据k2＝ω2j，计算出缆绳的扭弯刚度其中，j为试验块a或试验块b绕轴的转动惯量。
[0061]
本实施例可以计算缆绳的阻尼、频率、拉压刚度和扭弯刚度等振动特征相关参数。
[0062]
实施例4
[0063]
本实施例一种模拟微重力环境的缆绳振动特征参数地面测量方法，采用上述实施例2测量装置实现，包括以下步骤：
[0064]
s1，电控箱14给直线电机1的定子12加电，利用直线电机1的动子11带动试验台2、两个第一三维转台3和两个水平相机5运动到起始位置；
[0065]
s2，将缆绳82两端分别与试验块a8和试验块b81连接成为试验组件，并将试验组件自由摆放在试验台2上；调整两个竖直相机6和两个水平相机5的初始位置，使两个竖直相机6在竖直方向分别对准试验块a8和试验块b81，使两个水平相机5在水平方向分别对准试验块a8和试验块b81；
[0066]
s3，利用直线电机1的动子11带动试验台2、试验组件、两个第一三维转台3和两个水平相机5向上加速运动，待速度达到预定值后，动子11减速，使试验组件与试验台2分离，控制动子11的速度，使两个水平相机5的水平线分别与试验块a8和试验块b81平齐；
[0067]
s4，利用两个水平相机5分别记录试验块a8和试验块b81在竖直方向的位移和角度，利用两个竖直相机6分别记录试验块a8和试验块b81在水平方向的位移和角度，计算得到缆绳82的振动特征参数。
[0068]
本实施例中，可以采用与实施例3相同的计算方法分别计算缆绳的阻尼、频率、拉压刚度和扭弯刚度等振动特征相关参数。
[0069]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0070]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0071]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0072]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在
第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0073]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0074]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。