基于三维气浮的惯性器件残余力矩测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种基于三维气浮的惯性器件残余力矩测量装置及方法，属于检测技术领域。本发明专利技术中台上系统和台下系统通过无线传输系统连接；台下系统包括台下数据采集与处理系统、服务器、机柜箱和供气系统；台上系统包括供电系统、惯性执行机构控制系统、惯性执行机构待测产品、台上数据采集与处理系统、残余力矩测试系统、振动隔离与支撑系统和真空控制系统，残余力矩测试系统由气浮转台、高精度传感装置和防倾覆及防护装置组成，高精度传感装置分别设置在气浮转台的竖直方向上和气浮转台外侧的水平方向上。本发明专利技术可模拟卫星平台在轨工作，提供模拟的空间力学环境，实时输出残余力矩，且适用于多种惯性器件的直接测量，数值计算少，精度高。

Device and method for measuring residual moment of inertia device based on 3D air flotation

The invention provides an inertial device residual moment measuring device and method based on three-dimensional air flotation, belonging to the technical field of detection. In the invention, the system on the platform and the system under the platform are connected through the wireless transmission system; the system under the platform includes the data acquisition and processing system under the platform, the server, the cabinet box and the air supply system; the system on the platform includes the power supply system, the control system of the inertial actuator, the products to be tested of the inertial actuator, the data acquisition and processing system on the platform, the residual moment testing system, the vibration isolation and support System and vacuum control system, residual moment test system is composed of air flotation turntable, high-precision sensing device and anti overturning and protection device, high-precision sensing device is respectively set in the vertical direction of air flotation turntable and the horizontal direction outside the air flotation turntable. The invention can simulate the on orbit operation of the satellite platform, provide the simulated space mechanical environment, output the residual moment in real time, and is suitable for the direct measurement of a variety of inertial devices, with less numerical calculation and high precision.

【技术实现步骤摘要】
基于三维气浮的惯性器件残余力矩测量装置及方法
本专利技术涉及一种基于三维气浮的惯性器件残余力矩测量装置及方法，属于检测

技术介绍
随着我国航天水平的发展，现代高水平航天器对有效载荷的观测精度要求较以往有大幅提升。研究表明，惯性执行机构在工作过程中，由于无法完全消除动不平衡量、电磁场与轴系的非理想特性等因素，会出现频率分布较宽的残余力矩。这种残余力矩往往量级较小，但是会对有效载荷的观测精度产生影响，甚至导致卫星平台的颤振。目前，在针对惯性执行机构的测试中，尚无手段对各层次转动部件的残余力矩进行测试。因此亟需补充惯性器件残余力矩测量装置。本专利技术介绍的基于三维气浮的惯性器件残余力矩测量装置及方法就是一种先进的解决残余力矩检测问题的方法。论文《大型三轴气浮台转动惯量和干扰力矩高精度联合辨识技术》记载了利用三轴气浮台对遥感卫星进行载荷平台一体化全系统闭环物理仿真，可模拟卫星在轨运行时的动力学特性。该文章提出一种新的大型三轴气浮台干扰力矩辨识技术，通过台上飞轮对三轴施加激励作用，利用激光陀螺等姿态测量数据实现对台体干扰力矩的高精度辨识。与传统辨识方法不同，该技术仅利用本体角速度信息，不需要角加速度信息，避免了角速度微分引起的噪声放大，将气浮系统综合干扰力矩优于0.003N·m，满足了高精度参数辨识需求。其中提出了一种利用激光陀螺等姿态测量数据进行残余力矩的测量方法，该方法是一种间接测量方法，比较依赖飞轮与激光陀螺的精度，计算量大，在数值计算过程中会产生一定的误差，并且对计算机性能有一定的要求。论文《基于三轴气浮台的微波成像仪干扰力矩测量方法研究》记载了对一种基于三轴气浮台的微波成像仪干扰力矩测量方法进行了研究。根据陀螺测量角速度数据，用三轴气浮台实现微波成像仪的静不平衡量、动不平衡量的测量和现场整机配平，经在轨飞行验证，卫星姿态稳定度有大幅提高，方法有效、可行。其中提出了一种根据达朗贝尔原理，利用陀螺数据实现微波成像仪的静不平衡量、动不平衡量的测量方法，该方法需要对测得的角速度数据进行一系列处理，在原始数据处理和数值计算过程中产生的误差会不断累积，文章最后对力矩测量精度进行了验证，其测量精度并不理想。现有技术中专利技术专利《飞轮摩擦力矩测量方法》(公开号为CN106525314A)公开了一种飞轮摩擦力矩测量方法，其包括下列步骤：步骤一，使用飞轮转速采集系统，采集飞轮在没有控制力矩输出的情况下由额定转速范围内的最大转速到零的转速信息；步骤二，通过数据处理与分析模块对转速信号进行平滑滤波与差分处理，得到转速信息与时间一一对应的采样点数据；步骤三，多次测量取其均值，估算出该转速方向的飞轮摩擦力矩大小；步骤四，对飞轮加负转速的控制力矩电压，重复上述步骤一、步骤二、步骤三，估算出该转速方向的飞轮摩擦力矩大小。本专利技术能够对摩擦环境复杂的飞轮进行力矩测量，特别是整机装配完成后的飞轮力矩测量，在航天器内飞轮的安装调试上应用广泛。其中提出的飞轮摩擦力矩测量方法操作复杂，对飞轮转速采集系统和控制电压精度要求高，且该方法仅适用于飞轮，不适用于其它惯性器件。现有技术中专利技术专利《基于气浮轴承的低阻尼滚转力矩测量装置》(授权公告号为CN103968982B)提供了一种基于气浮轴承的低阻尼滚转力矩测量装置，其包括弹体支撑架、弹性铰链、过渡支撑架和气浮轴承，气浮轴承包括气浮轴承定子前堵块、气浮轴承定子、气浮轴承转子和气浮轴承定子后堵块，并且气浮轴承定子前堵块和气浮轴承定子上分别安装有节流器，弹体支撑架、过渡支撑架和气浮轴承转子彼此之间牢固连接，气浮轴承定子前堵块、气浮轴承定子和气浮轴承定子后堵块彼此之间牢固连接，弹性铰链的前端与弹体支撑架牢固连接，弹性铰链的后端与气浮轴承定子前堵块牢固连接，气浮轴承定子与气浮轴承转子之间具有径向间隙和轴向间隙。本装置阻尼极低，能够分别对固定姿态试验模型的静态滚转力矩和动态滚转阻尼力矩进行高精度测量，能够更好满足各类飞行器高精度滚转力矩测量的要求。其中提出了一种基于气浮轴承的低阻尼滚转力矩测量方法，该方法仅能测量固定姿态的试验模型的滚转力矩，无法测量其它姿态的试验模型，且仅能测量单自由度的滚转力矩。与上述检测方法相比，本专利技术提出了一种基于三维气浮的惯性器件残余力矩测量装置及方法，能够模拟卫星平台在轨工作，提供一个模拟的空间力学环境,能够实时输出残余力矩，且适用于多种惯性器件。同时，本专利技术的残余力矩测量算法与前文提到的方法相比，精度更高，理论更完善，实际应用更方便。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述现有技术存在的需采用间接测量，不适用于其它惯性器件以及测量精度并不理想的问题，进而提供一种基于三维气浮的惯性器件残余力矩测量装置及方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于三维气浮的惯性器件残余力矩测量装置，包括：台上系统、台下系统和无线传输系统，台上系统和台下系统通过无线传输系统无线连接；所述台下系统包括台下数据采集与处理系统、服务器、机柜箱和供气系统；服务器、机柜箱和供气系统安装在台下，服务器与台下数据采集与处理系统相连，用于存储数据；机柜箱用于安装服务器；所述台上系统包括供电系统、惯性执行机构控制系统、惯性执行机构待测产品、台上数据采集与处理系统、残余力矩测试系统、振动隔离与支撑系统和真空控制系统；惯性执行机构控制系统对惯性执行机构待测产品进行控制，台上数据采集与处理系统与惯性执行机构待测产品和残余力矩测试系统相连接，采集残余力矩信号和工作状态参数，且台上数据采集与处理系统与台下系统的台下数据采集与处理系统通过无线传输系统连接，振动隔离与支撑系统安装在残余力矩测试系统的下面来隔离外界振动，供电系统分别为惯性执行机构控制系统、惯性执行机构待测产品和台上数据采集与处理系统进行供电；真空控制系统用于保持台上系统的真空状态，并与残余力矩测试系统和台上数据采集与处理系统共同工作；所述残余力矩测试系统由气浮转台、高精度传感装置和防倾覆及防护装置组成，气浮转台结构下配备有防倾覆及防护装置，高精度传感装置分别设置在气浮转台的竖直方向上和气浮转台外侧的水平方向上，所述气浮转台由气浮台体、气浮球轴承结构、气浮台底座、底座支撑构成，气浮台体的下端安装有气浮球轴承结构，气浮台底座与底座支撑固定连接，气浮球轴承结构与气浮台底座之间形成气膜，所述竖直方向的高精度传感装置由高精度应变式力传感器、高精度接触平台、摩擦力矩消除装置和自适应竖直保持装置构成，高精度应变式力传感器和高精度接触平台位于台上，摩擦力矩消除装置和自适应竖直保持装置位于台下，高精度应变式力传感器用于测量准静态力，高精度应变式力传感器与气浮台体刚性联接。所述水平方向的高精度传感装置由高精度应变式力传感器、高精度接触平台、摩擦力矩消除装置和自适应水平保持装置构成，高精度应变式力传感器和高精度接触平台位于台上，摩擦力矩消除装置和自适应水平保持装置位于台下，高精度应变式力传感器用于测量准静态力，高精度应变式力传感器和高精度接触平台与气浮台体固定连接，摩擦力矩消除装置和自适应水本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于三维气浮的惯性器件残余力矩测量装置，其特征在于，包括：台上系统、台下系统和无线传输系统(12)，台上系统和台下系统通过无线传输系统(12)无线连接；/n所述台下系统包括台下数据采集与处理系统(1)、服务器(2)、机柜箱(3)和供气系统(4)；服务器(2)、机柜箱(3)和供气系统(4)安装在台下，服务器(2)与台下数据采集与处理系统(1)相连，用于存储数据；机柜箱(3)用于安装服务器(2)；/n所述台上系统包括供电系统(5)、惯性执行机构控制系统(6)、惯性执行机构待测产品(7)、台上数据采集与处理系统(8)、残余力矩测试系统(9)、振动隔离与支撑系统(10)和真空控制系统(11)；惯性执行机构控制系统(6)对惯性执行机构待测产品(7)进行控制，台上数据采集与处理系统(8)与惯性执行机构待测产品(7)和残余力矩测试系统(9)相连接，采集残余力矩信号和工作状态参数，且台上数据采集与处理系统(8)与台下系统的台下数据采集与处理系统(1)通过无线传输系统(12)连接，振动隔离与支撑系统(10)安装在残余力矩测试系统(9)的下面来隔离外界振动，供电系统(5)分别为惯性执行机构控制系统(6)、惯性执行机构待测产品(7)和台上数据采集与处理系统(8)进行供电；真空控制系统(11)用于保持台上系统的真空状态，并与残余力矩测试系统(9)和台上数据采集与处理系统(8)共同工作；/n所述残余力矩测试系统(9)由气浮转台、高精度传感装置和防倾覆及防护装置(17)组成，气浮转台结构下配备有防倾覆及防护装置(17)，高精度传感装置分别设置在气浮转台的竖直方向上和气浮转台外侧的水平方向上，/n所述气浮转台由气浮台体(13)、气浮球轴承结构(14)、气浮台底座(15)、底座支撑(16)构成，气浮台体(13)的下端安装有气浮球轴承结构(14)，气浮台底座(15)与底座支撑(16)固定连接，气浮球轴承结构(14)与气浮台底座(15)之间形成气膜，/n所述竖直方向的高精度传感装置由高精度应变式力传感器(18)、高精度接触平台(19)、摩擦力矩消除装置(20)和自适应竖直保持装置(21)构成，高精度应变式力传感器(18)和高精度接触平台(19)位于台上，摩擦力矩消除装置(20)和自适应竖直保持装置(21)位于台下，高精度应变式力传感器(18)用于测量准静态力，高精度应变式力传感器(18)与气浮台体(13)刚性联接；/n所述水平方向的高精度传感装置由高精度应变式力传感器(18)、高精度接触平台(19)、摩擦力矩消除装置(20)和自适应水平保持装置(33)构成，高精度应变式力传感器(18)和高精度接触平台(19)位于台上，摩擦力矩消除装置(20)和自适应水平保持装置(33)位于台下，高精度应变式力传感器(18)用于测量准静态力，高精度应变式力传感器(18)和高精度接触平台(19)与气浮台体(13)固定连接，摩擦力矩消除装置(20)和自适应水平保持装置(33)与外部装置固定连接。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于三维气浮的惯性器件残余力矩测量装置，其特征在于，包括：台上系统、台下系统和无线传输系统(12)，台上系统和台下系统通过无线传输系统(12)无线连接；
所述台下系统包括台下数据采集与处理系统(1)、服务器(2)、机柜箱(3)和供气系统(4)；服务器(2)、机柜箱(3)和供气系统(4)安装在台下，服务器(2)与台下数据采集与处理系统(1)相连，用于存储数据；机柜箱(3)用于安装服务器(2)；
所述台上系统包括供电系统(5)、惯性执行机构控制系统(6)、惯性执行机构待测产品(7)、台上数据采集与处理系统(8)、残余力矩测试系统(9)、振动隔离与支撑系统(10)和真空控制系统(11)；惯性执行机构控制系统(6)对惯性执行机构待测产品(7)进行控制，台上数据采集与处理系统(8)与惯性执行机构待测产品(7)和残余力矩测试系统(9)相连接，采集残余力矩信号和工作状态参数，且台上数据采集与处理系统(8)与台下系统的台下数据采集与处理系统(1)通过无线传输系统(12)连接，振动隔离与支撑系统(10)安装在残余力矩测试系统(9)的下面来隔离外界振动，供电系统(5)分别为惯性执行机构控制系统(6)、惯性执行机构待测产品(7)和台上数据采集与处理系统(8)进行供电；真空控制系统(11)用于保持台上系统的真空状态，并与残余力矩测试系统(9)和台上数据采集与处理系统(8)共同工作；
所述残余力矩测试系统(9)由气浮转台、高精度传感装置和防倾覆及防护装置(17)组成，气浮转台结构下配备有防倾覆及防护装置(17)，高精度传感装置分别设置在气浮转台的竖直方向上和气浮转台外侧的水平方向上，
所述气浮转台由气浮台体(13)、气浮球轴承结构(14)、气浮台底座(15)、底座支撑(16)构成，气浮台体(13)的下端安装有气浮球轴承结构(14)，气浮台底座(15)与底座支撑(16)固定连接，气浮球轴承结构(14)与气浮台底座(15)之间形成气膜，
所述竖直方向的高精度传感装置由高精度应变式力传感器(18)、高精度接触平台(19)、摩擦力矩消除装置(20)和自适应竖直保持装置(21)构成，高精度应变式力传感器(18)和高精度接触平台(19)位于台上，摩擦力矩消除装置(20)和自适应竖直保持装置(21)位于台下，高精度应变式力传感器(18)用于测量准静态力，高精度应变式力传感器(18)与气浮台体(13)刚性联接；
所述水平方向的高精度传感装置由高精度应变式力传感器(18)、高精度接触平台(19)、摩擦力矩消除装置(20)和自适应水平保持装置(33)构成，高精度应变式力传感器(18)和高精度接触平台(19)位于台上，摩擦力矩消除装置(20)和自适应水平保持装置(33)位于台下...

【专利技术属性】
技术研发人员：马广程，张桀睿，夏红伟，李莉，王常虹，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23