CN105092156A - 三轴气浮台高精度质心调平衡装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三轴气浮台高精度质心调平衡装置及方法，包括激光跟踪仪、激光陀螺、反作用飞轮、台下控制计算机、竖直方向质心调节机构以及水平方向质心调节机构；其中，激光跟踪仪用于测量台体质心的摆角变化；激光陀螺用于测量台体质心的角速度变化周期；台下控制计算机用于根据摆角变化、摆动周期以及反作用飞轮的轮控转速输出值计算台体质心偏量，进而根据质心偏量生成运动位移控制指令；竖直方向质心调节机构和水平方向质心调节机构用于根据运动位移控制指令移动定位块进行台体质心调节。本发明设置有竖直方向质心调节机构以及水平方向质心调节机构，实现三维方向的质心调节能力及调节精度要求。

Description

三轴气浮台高精度质心调平衡装置及方法

技术领域

本发明涉及三轴气浮台，具体地，涉及一种三轴气浮台高精度质心调平衡装置及方法。

背景技术

三轴气浮台主要用于模拟零重力、无摩擦的太空环境，实现三轴自由转动，广泛用于航天器的地面全物理仿真试验。为了保证地面仿真试验的有效性，需要保证三轴气浮台的干扰力矩满足任务要求。

三轴气浮台的承重部件为气浮球轴承，气浮球和气浮球窝之间的气膜承载了模拟件的质量，同时保证了气浮球的三轴低摩擦转动。当三轴气浮台的质心和气浮球的球心不重合时，将会产生重力干扰力矩，三轴气浮台模拟装置主要干扰力矩为重力干扰力矩影响。因此，需要研究一种高精度的质心调平衡装置，可以实现三轴气浮台的质心调节，综合干扰力矩优于30gf·cm，消除重力干扰力矩对三轴气浮台姿态控制的影响。

目前关于三轴气浮台质心调平衡装置的介绍较少，经文献检索，中国发明专利号200610009797.7，专利名称为“气浮转台外加载荷质心调整装置”，通过调整安装在气浮台上的螺栓螺母机构调整转台的质心，该发明只给出一种调整装置，没有涉及具体调平衡方法。李延斌、包钢在“三自由度气浮台自动平衡***动力学建模”(见《中国惯性技术学报》，2005年，13卷第5期，页码83-87)论文中从理论上给出了三轴气浮台自动平衡装置，也没有给出具体的实施方案，难以工程应用。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种三轴气浮台高精度质心调平衡装置及方法。

根据本发明的一个方面提供的三轴气浮台高精度质心调平衡装置，包括激光跟踪仪、激光陀螺、反作用飞轮、台下控制计算机、竖直方向质心调节机构以及水平方向质心调节机构；

其中，所述激光跟踪仪用于测量台体质心的摆角变化；所述激光陀螺用于测量台体质心的角速度变化周期；所述反作用飞轮用于进行台体质心精调平；

所述台下控制计算机用于根据所述摆角变化、摆动周期以及反作用飞轮的轮控转速输出值计算台体质心偏量，进而根据质心偏量计算所述竖直方向质心调节机构和水平方向质心调节机构定位块的运动位移，生成运动位移控制指令；

所述竖直方向质心调节机构和所述水平方向质心调节机构用于根据所述运动位移控制指令移动定位块进行台体质心调节。

优选地，还包括台上工控机、台上opto通信控制设备、台下opto通信控制设备；

所述台下opto通信控制设备电气连接所述台下控制计算机；所述台上opto通信控制设备电气连接所述台上工控机；所述台上opto通信控制设备和所述台下opto通信控制设备无线连接；

所述台下控制计算机通过所述台下opto通信控制设备发送所述运动位移控制指令；所述台上工控机通过所述台上opto通信控制设备接收所述运动位移控制指令，进而发送至所述竖直方向质心调节机构和水平方向质心调节机构。

优选地，所述竖直方向质心调节机构包括第一竖直方向质心调节机构和第二竖直方向质心调节机构；所述第一竖直方向质心调节机构携带的定位块质量为5kg；所述第二竖直方向质心调节机构携带的定位块质量为2kg；

所述水平方向质心调节机构包括第一水平方向质心调节机构和第二水平方向质心调节机构；所述第一水平方向质心调节机构和所述第二水平方向质心调节机构的携带的定位块质量为2kg。

优选地，所述竖直方向质心调节机构和所述水平方向质心调节机构采用直线光栅尺用于位置测量。

根据本发明的另一个方面提供的所述的三轴气浮台高精度质心调平衡装置的使用方法，包括如下步骤：

步骤1：通过激光跟踪仪、激光陀螺和反作用飞轮测量台体的质心偏量；

步骤2：根据所述质心偏量，计算出竖直方向质心调节机构和水平方向质心调节机构定位块的运动位移，进而生成运动位移控制指令；

步骤3：所述竖直方向质心调节机构和所述水平方向质心调节机构根据所述运动位移控制指令移动定位块进行质心调节。

优选地，还包括如下步骤：

-重复步骤1至步骤3，直至台体的质心偏量小于设定值。

优选地，所述步骤1包括如下步骤：

步骤1.1：分别通过激光跟踪仪、激光陀螺测量台体质心的摆角变化、角速度变化周期进行台体不平衡量的预调节，进而计算台体的水平质心偏量和竖直质心偏量；

步骤1.2：通过反作用飞轮进行台体质心精调平，进而计算质心偏量。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明设置有竖直方向质心调节机构以及水平方向质心调节机构，实现三维方向的质心调节能力及调节精度要求；

2、本发明设置有激光跟踪仪和激光陀螺联合工作，测量计算台体的质心偏量用于质心预调整，结合反作用飞轮闭环控制计算台体的不平衡量实现台体的自动精调平衡；

3、本发明采用opto无线通信设备，完成台上台下无线信号和串口信号之间的转换，实现对质心调节机构的无线指令输入和状态遥测；

4、本发明调节精度高，且时间短。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的工作原理图；

图2为本发明的工作流程图。

图中：

1为竖直方向质心调节机构；

2为水平方向质心调节机构；

3为激光陀螺；

4为反作用飞轮；

5为台体；

6为台上opto通信控制设备；

7为台下opto通信控制设备；

8为台下控制计算机；

9为台上工控机；

10为激光跟踪仪。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本实施例中，本发明提供的三轴气浮台高精度质心调平衡装置，包括激光跟踪仪、激光陀螺、反作用飞轮、台下控制计算机、竖直方向质心调节机构以及水平方向质心调节机构；其中，所述激光跟踪仪用于测量台体质心的摆角变化；所述激光陀螺用于测量台体质心的角速度变化周期；所述反作用飞轮用于进行台体质心精调平；所述台下控制计算机用于根据所述摆角变化、摆动周期以及反作用飞轮的轮控转速输出值计算台体质心偏量，进而根据质心偏量计算所述竖直方向质心调节机构和水平方向质心调节机构定位块的运动位移，生成运动位移控制指令；所述竖直方向质心调节机构和水平方向质心调节机构用于根据所述运动位移控制指令移动定位块进行台体质心调节。

本发明中使用激光跟踪仪10和激光陀螺3测量台体5，即气浮台仪表平台的不平衡量，测量精度较低，但是测量范围大，适合于台体不平衡量较大时的应用；使用反作用飞轮4测量台体5的不平衡量，测量精度高，台体5处在轮控状态。在质心预调平衡时，采用激光跟踪仪10联合激光陀螺3测量台体5的不平衡量；在质心精调平衡时，采用反作用飞轮4测量台体5的不平衡量。更为具体地，使用激光跟踪仪10测量台体相对水平面的摆角，进而准确计算出台体的水平质心偏量；使用激光陀螺3测量台体的角速度变化周期，可准确得出台体的竖直质心偏量。使用反作用飞轮4时，通过飞轮的转速变化情况，可进一步精确获得台体5的不平衡量。

本发明提供的三轴气浮台高精度质心调平衡装置，还包括台上工控机、台上opto通信控制设备、台下opto通信控制设备；所述台下opto通信控制设备电气连接所述台下控制计算机；所述台上opto通信控制设备电气连接所述台上工控机；所述台上opto通信控制设备和所述台下opto通信控制设备无线连接；所述台下控制计算机通过所述台下opto通信控制设备发送所述运动位移控制指令；所述台上工控机通过所述台上opto通信控制设备接收所述运动位移控制指令，进而发送至所述竖直方向质心调节机构和水平方向质心调节机构。

在试验过程中，为了减小干扰力矩，禁止台上的设备和单机、地面的设备直接用电缆连接，因此，需要用无线控制的方式对质心调节机构进行遥控和遥测。本发明中选择opto通信控制设备，不仅具备稳定安全的无线通信功能，而且还兼容串口通信模块，可以实现串口信号的接受和发送，与竖直方向质心调节机构以及水平方向质心调节机构进行通信控制。

试验时，台下控制计算机8将控制指令通过无线发送至台上opto通信控制设备6，通过串口通信模块，实现对质心调节机构1和2的控制。

所述竖直方向质心调节机构包括第一竖直方向质心调节机构和第二竖直方向质心调节机构；所述第一竖直方向质心调节机构携带的定位块质量为5kg；所述第二竖直方向质心调节机构携带的定位块质量为2kg；所述水平方向质心调节机构包括第一水平方向质心调节机构和第二水平方向质心调节机构；所述第一水平方向质心调节机构和所述第二水平方向质心调节机构的携带的定位块质量为2kg。所述竖直方向质心调节机构和所述水平方向质心调节机构采用直线光栅尺用于位置测量。

在三轴气浮台上水平面两个方向各装一套水平方向质心调节机构，在竖直方向上装二套竖直方向质心调节机构1，这是因为质心调节过程中，竖直方向的质心偏量远大于水平方向的质心偏量。由于质心调节机构的调节能力与质心调节机构的移动距离和定位块质量相关，为了实现竖直方向上有足够大的质心调节能力，竖直方向上的质心调节机构需要较大质量的定位块；同时为保证竖直方向的质心调节精度，竖直方向上的质心调节机构需要较小质量的定位块。因此，竖直方向上的二套质心调节机构携带的定位块质量设计成不一样，分别为5kg和2kg，并采用高精度直线光栅尺作为位置测量，进行闭环控制，位置控制精度1μm，既保证了竖直方向上的调节能力，又兼顾了质心调节精度，以实现三维方向的质心调平衡精度需求。

本发明提供的所述的三轴气浮台高精度质心调平衡装置的使用方法，包括如下步骤：

步骤1：通过激光跟踪仪、激光陀螺和反作用飞轮测量台体的质心偏量；

步骤2：根据所述质心偏量，计算出竖直方向质心调节机构和水平方向质心调节机构定位块的运动位移，进而生成运动位移控制指令；

步骤3：所述竖直方向质心调节机构和所述水平方向质心调节机构根据所述运动位移控制指令移动定位块进行质心调节。

还包括如下步骤：

-重复步骤1至步骤3，直至台体的质心偏量小于设定值。

所述步骤1包括如下步骤：

步骤1.1：分别通过激光跟踪仪、激光陀螺测量台体质心的摆角变化、角速度变化周期进行台体不平衡量的预调节，进而计算台体的水平质心偏量和竖直质心偏量；

步骤1.2：通过反作用飞轮进行台体质心精调平，进而计算质心偏量。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种三轴气浮台高精度质心调平衡装置，其特征在于，包括激光跟踪仪、激光陀螺、反作用飞轮、台下控制计算机、竖直方向质心调节机构以及水平方向质心调节机构；

其中，所述激光跟踪仪用于测量台体质心的摆角变化；所述激光陀螺用于测量台体质心的角速度变化周期；所述反作用飞轮用于进行台体质心精调平；

所述台下控制计算机用于根据所述摆角变化、摆动周期以及反作用飞轮的轮控转速输出值计算台体质心偏量，进而根据质心偏量计算所述竖直方向质心调节机构和水平方向质心调节机构的定位块运动位移，生成运动位移控制指令；

所述竖直方向质心调节机构和所述水平方向质心调节机构用于根据所述运动位移控制指令移动定位块进行台体质心调节。

2.根据权利要求1所述的三轴气浮台高精度质心调平衡装置，其特征在于，还包括台上工控机、台上opto通信控制设备、台下opto通信控制设备；

所述台下opto通信控制设备电气连接所述台下控制计算机；所述台上opto通信控制设备电气连接所述台上工控机；所述台上opto通信控制设备和所述台下opto通信控制设备无线连接；

所述台下控制计算机通过所述台下opto通信控制设备发送所述运动位移控制指令；所述台上工控机通过所述台上opto通信控制设备接收所述运动位移控制指令，进而发送至所述竖直方向质心调节机构和水平方向质心调节机构。

3.根据权利要求1所述的三轴气浮台高精度质心调平衡装置，其特征在于，所述竖直方向质心调节机构包括第一竖直方向质心调节机构和第二竖直方向质心调节机构；所述第一竖直方向质心调节机构携带的定位块质量为5kg；所述第二竖直方向质心调节机构携带的定位块质量为2kg；

所述水平方向质心调节机构包括第一水平方向质心调节机构和第二水平方向质心调节机构，两水平方向质心调节机构正交布置；所述第一水平方向质心调节机构和所述第二水平方向质心调节机构的携带的定位块质量为2kg。

4.根据权利要求1所述的三轴气浮台高精度质心调平衡装置，其特征在于，所述竖直方向质心调节机构和所述水平方向质心调节机构采用直线光栅尺用于位置测量。

5.一种权利要求1至4任一项所述的三轴气浮台高精度质心调平衡装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：通过激光跟踪仪、激光陀螺和反作用飞轮测量台体的质心偏量；

步骤2：根据所述质心偏量，计算出竖直方向质心调节机构和水平方向质心调节机构定位块的运动位移，进而生成运动位移控制指令；

步骤3：所述竖直方向质心调节机构和所述水平方向质心调节机构根据所述运动位移控制指令移动定位块进行质心调节。

6.根据权利要求5所述的三轴气浮台高精度质心调平衡方法，其特征在于，还包括如下步骤：

-重复步骤1至步骤3，直至台体的质心偏量小于设定值。

7.根据权利要求5所述的三轴气浮台高精度质心调平衡方法，其特征在于，所述步骤1包括如下步骤：

步骤1.1：分别通过激光跟踪仪、激光陀螺测量台体质心的摆角变化、角速度变化周期进行台体不平衡量的预调节，进而计算台体的水平质心偏量和竖直质心偏量；

步骤1.2：通过反作用飞轮进行台体质心精调平，进而计算质心偏量。