CN112530229A

CN112530229A - 基于四自由度运动机构的空间等离子体参数诊断装置

Info

Publication number: CN112530229A
Application number: CN202011614725.1A
Authority: CN
Inventors: 万杰; 凌文斌; 金成刚; 付俊丰; 鄂鹏; 翁旭东
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2020-12-30
Filing date: 2020-12-30
Publication date: 2021-03-19
Anticipated expiration: 2040-12-30
Also published as: CN112530229B

Abstract

本发明公开了一种基于四自由度运动机构的空间等离子体参数诊断装置，所述装置包括探针阵列、四自由度运动机构和固定框架，其中：所述四自由度运动机构为四轴结构，包括两个X轴、一个Y轴和一个Z轴，每个轴上均设有一个直线运动模块；所述探针阵列安装在四自由度运动机构的Z轴上，并且可绕X轴旋转90度；所述固定框架由焊接固定板、支撑柱、竖直调节机构、水平调节机构和基准板组成；所述四自由度运动机构通过X轴的底板固定在基准版上，Y轴固定在X轴的滑块上，Z轴固定在Y轴的滑块上。本发明通过探针阵列和四自由度运动机构的组合，实现了等离子体参数的大尺度、阵列化、多维度诊断，为近地空间等离子体物理研究提供技术支持。

Description

基于四自由度运动机构的空间等离子体参数诊断装置

技术领域

本发明涉及一种近地空间等离子体环境的模拟装置，具体涉及一种基于四自由度运动机构的空间等离子体参数诊断装置。

背景技术

为了研究近地空间等离子体的基本物理过程，常用的方法是构建大尺度的实验装置在地面进行模拟研究。在空间等离子体环境模拟装置中，等离子体的诊断具有非常重要的作用，只有获得大尺度、高分辨率、高精度的等离子体参数诊断，才能准确表征等离子体的状态和研究相关的物理现象。在众多的诊断方式中，探针诊断是一种最基础的诊断方式，它能够诊断等离子体的密度、温度、磁感应强度等物理量，并且具有高的空间分辨率。然而，在近地空间等离子体环境模拟装置中，等离子体的空间尺度大、磁场位形复杂，传统的小尺度、单一空间点、单维度（针对磁探针）的探针诊断***不能满足地面模拟物理实验的需求，更不利于近地空间等离子体基本物理过程的研究。同时，探针运动机构工作在真空、磁场和等离子体环境中，需要解决真空环境下平台的运动、磁场和涡流对运动机构中电机的影响、等离子体对运动机构的冲击等问题。此外，近地空间等离子体模拟装置中安装有大量磁体线圈，它们的运动支撑机构和真空室相连，磁体线圈的电磁力会通过运动支撑机构传导到真空室上，导致真空室产生变形。为了确保探针运动机构的运动精度，要减小真空室变形对探针运动机构的影响。因此，亟需提出一种用于近地空间等离子体环境模拟装置的探针诊断方法，实现大尺度、阵列化、多维度（针对磁探针）的等离子体参数诊断，同时避免真空、磁场和等离子体等复杂环境对探针运动机构的影响。

发明内容

为了实现大尺度、阵列化、多维度（针对磁探针）的等离子体参数诊断，同时避免真空、磁场和等离子体等复杂环境对探针运动机构的影响，本发明提供了一种基于四自由度运动机构的空间等离子体参数诊断装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于四自由度运动机构的空间等离子体参数诊断装置，包括探针阵列、四自由度运动机构和固定框架，其中：

所述四自由度运动机构为四轴结构，包括两个X轴、一个Y轴和一个Z轴，两个X轴通过横杆连接，每个轴上均设有一个直线运动模块；

所述探针阵列安装在四自由度运动机构的Z轴上，并且可绕X轴旋转90度；

所述固定框架由焊接固定板、支撑柱、竖直调节机构、水平调节机构和基准板组成；

所述固定框架的任意两个支撑柱上设置阻尼器；

所述支撑柱的下端固定在焊接固定板上，支撑柱的上端设置有竖直调节机构，竖直调节机构的上端设置有水平调节机构，基准板安装在水平调节机构上；

所述四自由度运动机构通过X轴的底板固定在基准版上，Y轴固定在X轴的滑块上，Z轴固定在Y轴的滑块上。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1）通过探针阵列和四自由度运动机构的组合，相较于现有方法，本发明实现了等离子体参数的大尺度、阵列化、多维度（针对磁探针）诊断，为近地空间等离子体物理研究提供技术支持。

2）由于探针阵列可方便更换，本方法的基于四自由度运动机构的探针***具有较强的可扩展性，可适应不同的诊断任务。

3）探针的四自由度运动机构具有水平和垂直调节机构，可确保探针***的水平度和垂直度。解决了等离子体对探针运动机构的轰击问题，进而确保了数据测量的精度。

4）磁场环境下运动机构上的涡流对电机正常运动无影响，磁场在电机内部线圈产生的感应电流不会导致电机故障。

5）真空罐体在真空与非真空状态下产生的形变不会影响探针运动机构的运动精度，证明本发明所设计的装置具有良好的稳定性。

附图说明

图1为运动机构四轴示意图；

图2为X轴及限位开关位置示意图；

图3为Y轴及限位开关位置示意图；

图4为Y轴及限位开关位置示意图；

图5为运动机构在空间等离子体模拟装置内的运动范围；

图6为固定框架示意图；

图7为探针运动机构在空间等离子体模拟装置中的安装示意图；

图8为A组探针；

图9为B组探针；

图10为高分辨磁探针测量点位布局图；

图11为标准分辨磁探针测量点位布局图；

图中：1-滑块，2-X轴Ⅰ，3-丝杆，4-支撑柱Ⅱ，5-Z轴，6-探针，7-Y轴，8-X轴Ⅱ，9-绝缘块Ⅱ，10-横杆Ⅱ，11-限位开关Ⅱ，12-导轨，13-底板，14-铝型材，15-基准板，16-焊接固定板，17-阻尼器，18-水平调节机构，19-支撑柱Ⅰ，20-竖直调解机构，21-电机，22-限位开关Ⅰ，23-横杆Ⅰ，24-绝缘块Ⅰ，25-底座Ⅰ，26-底座Ⅱ，27-电机Ⅰ，28-电机Ⅱ，29-支撑柱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种基于四自由度运动机构的空间等离子体参数诊断装置，采用探针阵列诊断等离子体的参数，如图1-4所示，所述装置包括探针阵列、四自由度运动机构和固定框架，其中：

所述四自由度运动机构为四轴结构，包括两个X轴、一个Y轴和一个Z轴，其中：两个X轴通过横杆I和横杆II连接，横杆I和横杆II与X轴的底板相连，连接部位设置绝缘块；每个轴上均设有一个直线运动模块，直线运动模块由导轨、丝杆、电机和滑块等组成，滑块通过丝杆的运动在导轨上滑动，导轨上安装有限位开关，以保证滑块行程起始点的精度以及保护运动机构，丝杆的一端安装有电机，电机外设置高导磁率的金属罩；四自由度运动机构可在X轴、Y轴、Z轴三个方向上移动，具有X、Y、Z三个方向的平动自由度；

所述固定框架由焊接固定板、支撑柱、竖直调节机构、水平调节机构和基准板组成，其中：固定框架的任意两个支撑柱上设置阻尼器；支撑柱的下端固定在焊接固定板上，支撑柱的上端设置有竖直调节机构，竖直调节机构的上端设置有水平调节机构，基准板安装在水平调节机构上；焊接固定板焊接在等离子体模拟装置真空室的内侧。

所述四自由度运动机构通过X轴的底板固定在基准板上，Y轴固定在X轴的滑块上，Z轴固定在Y轴的滑块上。

为确保运动机构的定位精度，按照以下方法安装四自由度运动机构：

（1）使用激光跟踪仪找准水平位置及竖直位置；

（2）将焊接固定板与等离子体模拟装置对接焊接；

（3）在安装之前，将X轴底板和基准板装配锁紧后加工上下平面，保证平面度和平行度。

实施例：

（1）四自由度运动机构设计为四轴结构，如图1所示，为了保证行程起始点的精度以及保护四轴运动机构，在各个直线运动模块上安装限位开关，每个轴上均有两个限位，如图2、3、4所示，在每个图中，从左到右分别为运动的起始点和终点。运动机构X方向的运动范围为1100 mm，Y方向的运动范围为600 mm，Z方向的运动范围为2400 mm，如图5所示为运动机构在空间等离子体模拟装置中的运动范围示意图。探针阵列安装在运动机构的Z轴上，可以旋转90°。运动机构定位精度0.2 mm，角度定位偏差小于10分。

（2）固定框架设计：运动机构通过固定框架悬挂在等离子体模拟装置的内侧，固定框架如图6所示。竖直调节机构和水平调节机构用来调节探针***的水平度和竖直度。

（3）如图7所示，运动机构的固定位置需避让空间等离子体模拟装置真空室的开法兰口和装置中部件的活动区域，并能保证探针在1100 mm×2400 mm×600 mm区域内移动。安装面应与地面保持垂直，使用焊接固定板做支撑脚，保证焊接牢靠，减小变形。

（4）5件探针组成一组探针阵列，每件之间的间隔为60 mm，共A、B两组探针阵列，探针运动机构上装一组探针（根据需求安装A或B）。其中，A组探针阵列下面两组为高分辨磁探针，上面三组为标准分辨磁探针；B组探针阵列上面两组为高分辨磁探针，下面三组为标准分辨磁探针。A组和B组磁探针阵列的布局分别如图8和图9所示。

每件高分辨磁探针测量点位布局如图10所示。其中，中间设置间隔2 mm测量点位4个（一个维度测量），两边各设置间隔10 mm测量点位3个（三个维度测量）、间隔20 mm测量点位1个（三个维度测量）、间隔30 mm测量点位1个（三个维度测量）。共计测量点位14个，其中一个维度测量点位4个，三个维度测量点位10个。

每件标准分辨磁探针测量点位布局如图11所示。其中，中间设置间隔10 mm测量点位6个（三个维度测量），两边各设置间隔20 mm测量点位1个（三个维度测量）、间隔30 mm测量点位1个（三个维度测量）。共计测量点位10个，均为三个维度测量点位，每个测量点位均可以测量三维磁场信号。

（5）安装方法：在焊接固定板与空间等离子体模拟装置对接焊接前，使用激光跟踪仪找准水平及竖直位置，打上销钉后焊接，在焊接过程中要降温以减少焊接面的变形。竖直调节机构均选用M16细牙螺杆调节。在安装之前应将X轴底板、铝型材和基准板装配锁紧后加工上下平面，保证平面度和平行度。

Claims

1.一种基于四自由度运动机构的空间等离子体参数诊断装置，其特征在于所述装置包括探针阵列、四自由度运动机构和固定框架，其中：

所述固定框架由焊接固定板、支撑柱、竖直调节机构、水平调节机构和基准板组成，固定框架的任意两个支撑柱上设置阻尼器，支撑柱的下端固定在焊接固定板上，支撑柱的上端设置有竖直调节机构，竖直调节机构的上端设置有水平调节机构，基准板安装在水平调节机构上；

2.根据权利要求1所述的基于四自由度运动机构的空间等离子体参数诊断装置，其特征在于所述直线运动模块由导轨、丝杆、电机和滑块组成，滑块通过丝杆的运动在导轨上滑动，导轨上安装有限位开关，丝杆的一端安装有电机。

3.根据权利要求2所述的基于四自由度运动机构的空间等离子体参数诊断装置，其特征在于所述电机外设置高导磁率的金属罩。

4.根据权利要求1所述的基于四自由度运动机构的空间等离子体参数诊断装置，其特征在于所述探针阵列由5件探针组成一组，每件之间的间隔为60 mm，共A、B两组探针阵列，探针运动机构上装一组探针。

5.根据权利要求4所述的基于四自由度运动机构的空间等离子体参数诊断装置，其特征在于所述A组探针阵列下面两组为高分辨磁探针，上面三组为标准分辨磁探针；B组探针阵列上面两组为高分辨磁探针，下面三组为标准分辨磁探针。

6.根据权利要求5所述的基于四自由度运动机构的空间等离子体参数诊断装置，其特征在于所述高分辨磁探针的中间设置间隔2 mm测量点位4个，两边各设置间隔10 mm测量点位3个、间隔20 mm测量点位1个、间隔30 mm测量点位1个。

7.根据权利要求5所述的基于四自由度运动机构的空间等离子体参数诊断装置，其特征在于所述标准分辨磁探针中间设置间隔10 mm测量点位6个，两边各设置间隔20 mm测量点位1个、间隔30 mm测量点位1个。