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一种用于卫星高精度质测的多维气浮随动系统

阅读：853发布：2020-05-11

专利汇可以提供一种用于卫星高精度质测的多维气浮随动系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种用于卫星高精度质测的多维气浮随动系统，包括球面气浮模块等；球面气浮模块通过上平台支承被测件的重量，圆柱气浮模块作为径向支承传递径向载荷，传力筒设置在球面气浮模块，圆柱气浮模块之间；二轴回转组件配合球面气浮实现任意相位力矩平衡，平面气浮模块用于支撑二轴回转组件，与二轴回转组件一起，配合球面气浮模块实现任意相位力矩平衡；差分测试模块作为球铰力矩平衡的传力路径，实现平面内任意角度的拉压力平衡，测试两个坐标轴双向拉压力；气路控制系统模块用于给球面气浮模块、圆柱气浮模块、平面气浮模块提供气浮轴承润滑的压缩空气。本发明能够兼顾卫星总装环节的质心和转动惯量测试及高精度转台三种功能。，下面是一种用于卫星高精度质测的多维气浮随动系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于卫星高精度质测的多维气浮随动系统，其特征在于，包括球面气浮模块(2)，圆柱气浮模块(3)，平面气浮模块(4)，二轴回转组件(5)，上平台(6)，传力筒(7)，差分测试模块，机架(10)，气路控制系统；
球面气浮模块(2)通过上平台(6)支承被测件(1)的重量，具备三个转动自由度；圆柱气浮模块(3)作为径向支承传递径向载荷，具备移动和转动自由度；传力筒(7)设置在球面气浮模块(2)，圆柱气浮模块(3)之间；二轴回转组件(5)配合球面气浮实现任意相位力矩平衡，具备俯仰、滚转自由度；平面气浮模块(4)用于支撑二轴回转组件(5)，具备两个平移和一个转动自由度，与二轴回转组件(5)一起，配合球面气浮模块(2)实现任意相位力矩平衡；
差分测试模块作为球铰力矩平衡的传力路径，实现平面内任意角度的拉压力平衡，测试两个坐标轴双向拉压力；气路控制系统模块用于给球面气浮模块(2)、圆柱气浮模块(3)、平面气浮模块(4)提供气浮轴承润滑的压缩空气。
2.根据权利要求1所述的一种用于卫星高精度质测的多维气浮随动系统，其特征在于，球面气浮模块(2)包括球转子(201)、下球窝(202)、节流器(203)，节流器(203)呈上下两层，阵列均布在下球窝(202)的内球面上，所有节流器(203)均指向球心，球转子(201)与下球窝(202)之间配对研磨，并且在下球窝(202)的内球面上设置有均压槽；上平台(6)、传力筒(7)分别与球转子(201)连接，偏心负载加载到上平台(6)时，上平台(6)与球转子(201)一起绕球心倾斜；压缩空气通过节流器(203)喷出，在球转子(201)与下球窝(202)之间球面形成10～50μm的均匀气膜。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于卫星高精度质测的多维气浮随动系统，其特征在于，二轴回转组件(5)包括回转内框(51)，回转外框(52)，第一轴系(53)，第二轴系(54)；圆柱气浮模块(3)通过第一轴系(53)与回转内框(51)连接，使得圆柱气浮模块(3)绕Z轴转动；
回转内框(51)通过第二轴系(54)与回转外框(52)连接，使得回转内框(51)绕Y轴转动；回转外框(52)两侧通过拉压传感器(8)与传感支座(11)固定连接。
4.根据权利要求3所述的一种用于卫星高精度质测的多维气浮随动系统，其特征在于，圆柱气浮模块(3)包括气浮内圈(31)，气浮外圈(32)、节流器(203)，节流器(203)呈上下多层，阵列均布在气浮外圈(32)的内圆柱面上，所有节流器(203)均指向圆柱轴线；气浮内圈(31)安装在气浮外圈(32)内，气浮内圈(31)与传力筒(7)端部连接，气浮外圈(32)两侧通过第一轴系(53)与回转内框(51)连接；在气浮作用下，气浮内圈(31)，气浮外圈(32)形成圆柱副关节，二者相对转动和沿轴向移动。
5.根据权利要求4所述的一种用于卫星高精度质测的多维气浮随动系统，其特征在于，平面气浮模块(4)包括气垫(41)、螺纹调节机构(42)、气浮支架(43)；气垫(41)通过螺纹调节机构(42)连接到回转外框(52)上，气浮支架(43)与机架(10)固连，压缩空气从气垫(41)小孔喷出，在气垫(41)与气浮支架(43)之间形成气膜，用于承载圆柱气浮模块(3)和二轴回转组件(5)，满足YZ平面内自适应运动。
6.根据权利要求5所述的一种用于卫星高精度质测的多维气浮随动系统，其特征在于，差分测试模块包括四组拉压传感器(8)、传感支座(11)及连接端子(9)，回转外框(52)两侧分别通过两组拉压传感器(8)和连接端子(9)与传感支座(11)连接，四组拉压传感器(8)呈桥式应变片布局。

说明书全文

一种用于卫星高精度质测的多维气浮随动系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种多维气浮随动系统。

背景技术

[0002] 质量特性是产品与质量有关的一系列力学特性参数，包括质量、质心位置、转动惯量和惯性积，是描述产品力学特性的固有参数。该参数直接影响着航天器的运动分析和姿控系统设计，以及发射控制、轨道控制和返回控制，该参数的准确性直接影响到航天器的控制精度和使用寿命。

[0003] 现有的质测系统已经克服了传统质测技术上的一些问题，它采用集成化测试技术，实现卫星一次安装定位，分步测量出各个方向的质量特性参数。但是，随着航天器新型号在形状、尺寸、重量等方面发生较大变化，为满足不同重量产品的高精度测试，往往需要配套不同量程的传感测试系统，造成研制周期长、生产成本高、设备利用率低等问题。另一方面，现有的质心测试技术采用多点力矩平衡法，为实现超大载荷测试，需要选择大量程的称重传感器，相同线性度的传感器对应的系统不确定度大，系统的力矩测试精度低，尤其是对重量比较大、偏心矩比较小的航天器来说，问题越发突出。另外，现有的静态测试技术无法消除产品与测试台之间的定位误差，并且测试过程中质心和惯量测试切换环节采用手动方式，测试效率较低、劳动强度大，并且对操作者的技能有特殊要求。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种高精度质测用的多维气浮随动系统，能够兼顾卫星总装环节的质心和转动惯量测试及高精度转台三种功能，该系统简单、有效、自动化程度高，减轻了操作人员的工作量，同时还减少了被测件安装误差及其他人为因素的影响，大大提高了卫星质测精度和效率，满足了质量特性一体化测试及精确角度定位需求。

[0005] 本发明所采用的技术方案是：一种用于卫星高精度质测的多维气浮随动系统，包括球面气浮模块，圆柱气浮模块，平面气浮模块，二轴回转组件，上平台，传力筒，差分测试模块，机架，气路控制系统；

[0006] 球面气浮模块通过上平台支承被测件的重量，具备三个转动自由度；圆柱气浮模块作为径向支承传递径向载荷，具备移动和转动自由度；传力筒设置在球面气浮模块，圆柱气浮模块之间；二轴回转组件配合球面气浮实现任意相位力矩平衡，具备俯仰、滚转自由度；平面气浮模块用于支撑二轴回转组件，具备两个平移和一个转动自由度，与二轴回转组件一起，配合球面气浮模块实现任意相位力矩平衡；差分测试模块作为球铰力矩平衡的传力路径，实现平面内任意角度的拉压力平衡，测试两个坐标轴双向拉压力；气路控制系统模块用于给球面气浮模块、圆柱气浮模块、平面气浮模块提供气浮轴承润滑的压缩空气。

[0007] 球面气浮模块包括球转子、下球窝、节流器，节流器呈上下两层，阵列均布在下球窝的内球面上，所有节流器均指向球心，球转子与下球窝之间配对研磨，并且在下球窝的内球面上设置有均压槽；上平台、传力筒分别与球转子连接，偏心负载加载到上平台时，上平台与球转子一起绕球心倾斜；压缩空气通过节流器喷出，在球转子与下球窝之间球面形成10～50μm的均匀气膜。

[0008] 二轴回转组件包括回转内框，回转外框，第一轴系，第二轴系；圆柱气浮模块通过第一轴系与回转内框连接，使得圆柱气浮模块绕Z轴转动；回转内框通过第二轴系与回转外框连接，使得回转内框绕Y轴转动；回转外框两侧通过拉压传感器与传感支座固定连接。

[0009] 圆柱气浮模块包括气浮内圈，气浮外圈、节流器，节流器呈上下多层，阵列均布在气浮外圈的内圆柱面上，所有节流器均指向圆柱轴线；气浮内圈安装在气浮外圈内，气浮内圈与传力筒端部连接，气浮外圈两侧通过第一轴系与回转内框连接；在气浮作用下，气浮内圈，气浮外圈形成圆柱副关节，二者相对转动和沿轴向移动。

[0010] 平面气浮模块包括气垫、螺纹调节机构、气浮支架；气垫通过螺纹调节机构连接到回转外框上，气浮支架与机架固连，压缩空气从气垫小孔喷出，在气垫与气浮支架之间形成气膜，用于承载圆柱气浮模块和二轴回转组件，满足YZ平面内自适应运动。

[0011] 差分测试模块包括四组拉压传感器、传感支座及连接端子，回转外框两侧分别通过两组拉压传感器和连接端子与传感支座连接，四组拉压传感器呈桥式应变片布局。

[0012] 本发明与现有技术相比的有益效果是：

[0013] 本发明提供的一种用于卫星高精度质测的多维气浮随动系统，确保负载在平面内任意2轴的力矩平衡，实现负载一次安装同时得到2坐标轴方向的偏心矩。以球面气浮为支撑点，通过拉压传感器与负载进行力矩平衡，实现小量程传感器测量超大载荷，提高系统测试精度高。以该气浮系统为基础的差分测试模块，能有效降低传感器本身的温度漂移影响，提高系统可靠性及环境适应能力。该气浮支撑系统配合驱动传动模块，能够实现负载一次安装，不同相位角度测试及动态测试功能，解决产品的装配定位误差引入影响。附图说明

[0014] 图1为多维气浮随动系统组成图；

[0015] 图2为工作原理及自由度定义图；

[0016] 图3为下气浮支撑系统结构图；

[0017] 图4为下气浮支撑工作示意图；

[0018] 图5为下气浮系统自由度释放原理图；

[0019] 图6为任意相位力矩平衡原理图；

[0020] 图7为差分测试模块工作原理图。

具体实施方式

[0021] 下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

[0022] 实施例1

[0023] 如图1所示，一种用于卫星高精度质测的多维气浮随动系统组成，其主要包括球面气浮模块2，圆柱气浮模块3，平面气浮模块4，二轴回转组件5，上平台6，传力筒7，机架10，差分测试模块，气路控制系统，对应的安装关系如图1～4所示。坐标系O-XYZ、O1-X1Y1Z1、O2-X2Y2Z2、O3-X3Y3Z3分别为固定在球面气浮模块2、圆柱气浮模块3、二轴回转组件5、平面气浮模块4上的关节坐标系，并跟随对应的模块运动。坐标系原点O位于球面气浮模块2的球心、O1位于圆柱气浮模块3的轴线中点、O2位于二轴回转组件5的两轴交点(与O1重合)、O3位于气垫41与气浮支架43贴合面内，四组气垫41的对称中心。四组坐标系的坐标轴初始方向相同，如图2所示。差分测试模块包括四组拉压传感器8、传感支座11及连接端子9，传感器呈桥式应变片布局；该模块作为球铰力矩平衡的主要传力路径，能实现平面内任意角度的拉压力平衡，具备2个坐标轴双向拉压力测试能力。

[0024] 球面气浮模块2通过上平台6支承被测件1的重量，具备三个转动自由度；圆柱气浮模块3作为径向支承传递径向载荷，具备一个移动和一个转动自由度；传力筒7设置在球面气浮模块2，圆柱气浮模块3之间；二轴回转组件5配合球面气浮实现任意相位力矩平衡，具备俯仰、滚转2个自由度；平面气浮模块4用于支撑二轴回转组件5，具备2个平移和1个转动自由度，与二轴回转组件5一起，配合球面气浮模块2实现任意相位力矩平衡；差分测试模块实现平面内任意角度的力平衡；对应关系如图2所示，气路控制系统模块用于给球面气浮模块2、圆柱气浮模块3、平面气浮模块4提供气浮轴承润滑的压缩空气。

[0025] 其中，球面气浮模块2由球转子201、下球窝202、节流器203组成如图2所示，节流器203呈上下两层，阵列均布在下球窝202的内球面上，所有节流器203均指向球心，球转子201与下球窝202之间需要配对研磨，并且在下球窝202的内球面上设计有均压槽，能有效提高气浮刚度和承载能力。上平台6、传力筒7与球转子201刚性连接，偏心负载加载到上平台6时，上平台6与球转子201一起绕球心倾斜。压缩空气通过下球窝202的内球面上阵列安装的几十个节流器203喷出，在球转子201与下球窝202之间球面形成10-50μm的均匀气膜，该气浮模块用来支撑被测件1的重量，并且具备球关节的三个转动自由度，构成任意方向一个力矩平衡的铰支点。

[0026] 其中，圆柱气浮模块3由气浮内圈31，气浮外圈32、节流器203组成，节流器203呈上下多层，阵列均布在气浮外圈32的内圆柱面上，所有节流器203均指向圆柱轴线如图3所示。气浮内圈31与端面刚性连接，气浮外圈32通过第一轴系53与回转内框51连接。在气浮作用下，气浮内圈31，气浮外圈32形成圆柱副关节，二者可以相对转动和沿轴向移动。如图2所示，球面气浮模块2，圆柱气浮模块3构成一个特殊轴系，既能传递径向载荷，又能作为惯量测试时扭摆测试模块和转动模块的有效支撑。

[0027] 如图2所示，平面气浮模块4由气垫41、螺纹调节机构42，气浮支架43组成，其中气垫41通过螺纹调节机构42连接到回转外框52上，气浮支架43与机架10固连，压缩空气从气垫41小孔喷出，在气垫41与气浮支架43之间形成高压气膜，用于承载圆柱气浮模块3和二轴回转组件5，满足YZ平面内自适应运动。压缩空气通过气垫41端面小孔喷出，在4组气垫41与气浮支架43间形成10-50μm的气膜，用于支撑二轴回转组件5，具备2个平移和1个转动自由度，能够实现二轴回转组件5在平面内任意位置移动，且消除对传感器的附加力矩。

[0028] 如图3、图4所示，二轴回转组件5由回转内框51，回转外框52，第一轴系53，第二轴系54组成，回转内框51通过第一轴系53与圆柱气浮模块3连接，具备绕Z轴灵活转动能力；回转内框51通过第二轴系54与回转外框52连接，具备绕Y轴灵活转动能力；二轴回转组件5通过拉压传感器8与传感支座11固定连接。该二轴回转组件5具备俯仰、滚转2个自由度，与平面气浮模块4一起配合球面气浮模块2实现被测件1在任意相位的力矩平衡。

[0029] 如图5所示，在负载偏心情况下，带着气浮内圈31绕球面气浮模块2的球心倾斜，气浮内圈31与气浮外圈32之间产生Δh的偏移，平面气浮模块4坐标系O3与球面气浮模块2坐标系O之间产生ΔL的偏移，以抑制偏心倾斜情况下对拉压传感器8和平面气浮模块4产生附加弯矩，确保测试精度。

[0030] 如图6所示，在负载偏心情况下，带着气浮内圈31绕球面气浮模块2的球心倾斜，二轴回转组件5在YZ平面内产生Δy、Δz的偏移量，第一轴系53绕Z轴产生ε的转角，第二轴系54产生δ的转角。有效抑制对拉压传感器8和平面气浮模块4产生附加弯矩，确保测试精度。

[0031] 如图6所示，圆柱气浮模块3、二轴回转组件5平面内偏移量Δh和ΔL、与竖直轴线夹角φ的计算公式如下，结合倾角传感器可得到φ的准确值，以此得到相应参数，见公式1，进行必要的精度补偿，以进一步提高测试精度；各字母定义如图。

[0032]

[0033] 其中，L为初始状态下，坐标系原点O与坐标系原点O1的距离，L1为安装负载后，上平台6倾斜时坐标系原点O点与O1点之间的距离。

[0034] 如图7所示，m0为被测件质量，R为被测件1在O-XYZ坐标系下的横向质心距离(YZ轴的合成质心)，F1～F4为4组拉压传感器8实测值，通过以下公式得到被测件1在该坐标系下的偏心力矩M，以及沿Y轴和Z轴方向的质心坐标Yc、Zc。

[0035]

[0036]

[0037] 其中，F为4组拉压传感器8形成的合力，Fy、Fz分别为合力F沿坐标系O2-X2Y2Z2的Y轴和Z轴的分量，α分别为合力F与Y轴间的夹角。

[0038] 虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

[0039] 本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

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