一种大型球球度误差自动分离装置及其方法
【专利摘要】本发明公开一种大型球球度误差自动分离装置及其方法，利用单轴气浮台和气浮板代替圆度仪的功能来检测球度误差，气浮平板用于调整气浮球球心与单轴气浮台的回转轴线的偏心量，弧形支架与单轴气浮台的轴套基座固联，测微仪的安装在弧形支架上，保证测头的敏感方向指向球心。本发明建立了测微仪的读数与单轴气浮台的旋转角度、测微仪所在纬度角、单轴气浮台的倾角回转误差、径向回转误差、轴向回转误差、气浮球的安装偏心误差、气浮球的球度误差之间的函数关系，然后根据这个函数关系设计了误差分离方法。本装置实现大型球球度误差的检测；测量精度为0.4μm，本发明的方法，使分离出的球度误差更加准确、方便快捷。
【专利说明】一种大型球球度误差自动分离装置及其方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及非整球球度误差的测试的误差分离技术，具体涉及一种大型球球度误 差自动分离装置及其方法。
【背景技术】
[0002] 卫星是一类高风险、高投入和高效益的太空飞行器，为了降低其研宄过程的风险 以及节约其研宄的成本，在对卫星控制系统研宄的过程中需要进行大量的不同类型的地面 仿真试验，用以检验卫星控制系统的功能，发现控制系统中的设计问题。
[0003] 在对卫星控制系统的仿真中，依照所运用的评价标准的不同，可把其分为三种类 型，数学仿真、半物理仿真和全物理仿真。虽然三者都是卫星研制过程中所使用的重要方法 和手段，但全物理仿真还有其独到的用途。首先，在全物理仿真中，不仅卫星的姿态控制系 统可以参与到仿真回路中，而且卫星的姿态执行系统也可以参与其中，这样可以有效地发 现设计系统方案与实际执行机构之间可能存在的问题。其次，由于全物理仿真系统不要求 必须建立精确的数学模型，这就可以避免在设计仿真系统时，一些实物数学模型难以建立 所带来的困难。可直接将这些实物接入到仿真回路中，能够从仿真输出结果中直观的反映 出这些实物对卫星控制系统性能的影响。最后，全物理仿真能够进行多体卫星动力学试验 研宄和自旋卫星晃动实验的研宄，可以有效地验证研宄方案的正确性，为实际运用各种研 宄方案提供了可能。
[0004] 在进行卫星控制系统的全物理仿真时，由于实际卫星的地面仿真装置处在Ig的 重力加速度的作用下，要在地面精确的模拟出外太空环境的微重力和零力矩约束的环境是 相当难的。借助于飞机的抛物线运动或者是落塔的实验装置可以得到微重力的试验环境， 但是由于该方法作用时间过短（仅有几十秒）以及试验方法和装置比较特殊，不能够用于 航天飞行器系统的试验中。而这一问题能够借助于三轴气浮转台得到很好的解决，它的工 作原理是运用气浮轴承与轴承座之间的压缩空气在两者之间形成的间隙里空气的气膜的 作用，使得气浮台悬浮，消除了重力影响以及构造了一个微摩擦的相对运动环境，从而可模 拟外太空中微小干扰力矩（约为KT 6-KT4Nm级）的特征。卫星控制系统的全物理仿真运用 气浮台作为其姿态运动的模拟器，对卫星控制的实际系统展开的一系列的试验。该仿真能 够验证稳定的三轴空间飞行器的控制率，对在初期的卫星研制过程中可能出现的问题进行 仿真分析，以便能够使系统中可能出现的缺点在设计阶段及时的被发现，及时确定问题的 解决方案。
[0005] 三轴气浮台是卫星控制系统的全物理仿真的关键设备，而气浮台主要由气浮球和 轴承座组成，而气浮球和轴承座的球度误差直接决定了仿真系统的精度。所以对气浮球和 轴承座的球度检测，判断是否满足技术指标的要求，显得尤为重要。目前球度误差的检测都 是采用圆柱度仪来测试。但是所涉及的球直径大，球直径达到S?624mm，目前国内很少有能 够测试这么大球的球度误差的圆柱度仪，即使有也不能够满足高精度的检测要求。
【发明内容】
[0006] 本发明中涉及一种大型球球度误差自动分离装置及其方法，主要目的是提高大型 球球度误差的测试精度。本专利中提出的误差自动分离技术能够将测量装置的误差，包括 轴系的倾角回转误差、轴线回转误差、径向回转误差、安装偏心误差从气浮球球度误差测试 中的数据有效的分离出来，从而大大提高了球度误差的测试精度。
[0007] 本发明所采用的技术如下：一种大型球球度误差自动分离装置，包括单轴气浮台 和气浮平板，气浮平板包括平板底板、平板台体和平板台面，平板台面固定安装在平板台体 上，平板台体和平板台面之间安装有密封圈，平板台体位于平板底板上方，平板台体的下平 面安装有节流器，节流器与气源相连接，气浮平板安装在单轴气浮台的台面上，单轴气浮台 的台面两侧安装有两个微调机构，能够调整平板台体的位置，被测气浮球安装在气浮平板 上，平板台体处于悬浮状态时，通过微调机构调整平板台体的位置，对被测气浮球机械调 心，调整被测气浮球的球心位于单轴气浮台的回转轴线上，弧形支架与单轴气浮台的轴套 基座固联，测微仪的测头通过夹具安装在弧形支架上，测微仪的敏感方向为被测气浮球球 面处的法线方向，误差小于Γ，夹具在弧形支架的弧槽中自由滑动并能锁定在被测气浮球 某炜度位置；单轴气浮台的倾角回转误差小于0. 3"，径向回转误差小于0. 5 μπι，轴向回转 误差小于〇. 5 μ m。
[0008] 本发明还具有如下技术特征：采用如上所述的装置得出的一种大型球球度误差的 误差自动分离方法，步骤如下：
[0009] 步骤一：气浮球的调心过程：
[0010] 1)气浮平板接通气源，气浮板浮起，旋转单轴气浮台，调整测微仪测头，使敏感方 向对准球心，在0°、90°、180°、270°位置，读取测微仪的读数，求取平均值；
[0011] 2)旋转转台，调整气浮平板上的微调机构使测微仪的读数接近平均值；
[0012] 3)气浮台转动90°，测微仪测头对准另一维微调机构，再调整微调机构使测微仪 的读数接近于平均值。
[0013] 重复步骤一中的1)、2)、3)步骤，直到将偏心量调整到小于5 μm为止，然后锁定气 浮平板上的微调机构，并切断气浮平板上的气源；
[0014] 步骤二：球度误差的测试及误差分离：
[0015] 1)将测微仪测头分别安装在被测气浮球的0°、30°、45°、60°炜度角，测微仪 的敏感方向与球面法线方向一致，主轴每隔15°采样，记录测微仪读数 Xj (j = 0,1，2,...， 23)；
[0016] 2)计算当测微仪在被测点处的敏感方向与该点在球面的法线方向一致时，测微仪 到球心的距离，其中转台转角为γ时，测微仪的测头在主轴坐标系的齐次坐标为（d x，dy， dz，I)，实际气浮球与测微仪的接触点的经度为-γ和炜度供
[0017]
【权利要求】
1. 一种大型球球度误差自动分离装置，包括单轴气浮台和气浮平板，其特征在于，气浮 平板包括平板底板、平板台体和平板台面，平板台面固定安装在平板台体上，平板台体和平 板台面之间安装有密封圈，平板台体位于平板底板上方，平板台体的下平面安装有节流器， 节流器与气源相连接，气浮平板安装在单轴气浮台的台面上，单轴气浮台的台面两侧安装 有两个微调机构，能够调整平板台体的位置，被测气浮球安装在气浮平板上，平板台体处于 悬浮状态时，通过微调机构调整平板台体的位置，对被测气浮球机械调心，调整被测气浮球 的球心位于单轴气浮台的回转轴线上，弧形支架与单轴气浮台的轴套基座固联，测微仪的 测头通过夹具安装在弧形支架上，测微仪的敏感方向为被测气浮球球面处的法线方向，误 差小于1 °，夹具在弧形支架的弧槽中自由滑动并能锁定在被测气浮球某炜度位置；单轴 气浮台的倾角回转误差小于〇. 3 "，径向回转误差小于0. 5μm，轴向回转误差小于0. 5μm。
2. 根据权利要求1所述的一种大型球球度误差自动分离装置得出的一种大型球球度 误差的误差自动分离方法，其特征在于，方法步骤如下： 步骤一：气浮球的调心过程： 1) 气浮平板接通气源，气浮板浮起，旋转单轴气浮台，调整测微仪测头，使敏感方向对 准球心，在0°、90°、180°、270°位置，读取测微仪的读数，求取平均值； 2) 旋转转台，调整气浮平板上的微调机构使测微仪的读数接近平均值； 3) 气浮台转动90°，测微仪测头对准另一维微调机构，再调整微调机构使测微仪的读 数接近于平均值。 重复步骤一中的1)、2)、3)步骤，直到将偏心量调整到小于5μm为止，然后锁定气浮平 板上的微调机构，并切断气浮平板上的气源； 步骤二：球度误差的测试及误差分离： 1) 将测微仪测头分别安装在被测气浮球的0°、30°、45°、60°炜度角，测微仪的敏 感方向与球面法线方向一致，主轴每隔15°采样，记录测微仪读数\(」=0，1，2，...，23); 2) 计算当测微仪在被测点处的敏感方向与该点在球面的法线方向一致时，测微仪到球 心的距离，其中转台转角为γ时，测微仪的测头在主轴坐标系的齐次坐标为（dx，dy，dz，l)， 实际气浮球与测微仪的接触点的经度为-γ和炜度P
3) 去掉读数中的均值若回转误差只考虑安装偏心ex、ey和回转误差x2c;、x2s、zlc;、zls、z2。、 z2s这8个系数，得
4) 将上式按照单轴气浮台的角位置离散化，得
其中约=0。、仍=30。、约=45。、供4=60〇、γ i= 2 π i/n(i = 0,1. · ·，23) 写成矩阵形式为 Y = ΦΧ (4) 其中量测向量为 Y = [y(l，〇)，···，y(l，23)，y(2,0)，···，y(2,23)，y(3,0)，···，y(3,23)，y(4,0)，···， y(4,23)]T 误差系数向量为 X - [θχ X2c X2s Zlc Zls Z2c Z2s 9 y2c 9 y2s] 结构矩阵为
根据最小二乘法，误差系数向量的估计值为 Χ={ΦτΦ)ιΦ ?Υ (5) 再求出各个测点残差向量为 ε = Y-φ ((Dt(D)-1CDtY (6) 即为球度误差。
【文档编号】G05B17/02GK104460340SQ201410607947
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年10月19日 优先权日:2014年10月19日
【发明者】任顺清, 高亢, 王常虹 申请人:哈尔滨工业大学