一种三维高精度标定系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种三维高精度标定系统及方法，其由锤击系统、激光水平仪、旋转台、升降台、立柱和电磁铁底座组成；电磁铁底座吸附于地面或地轨；立柱连接于电磁铁底座之上；立柱之上分别连接升降台、旋转台，用于微调锤击系统的高度和角度，配合激光水平仪保证锤击系统与地面保持垂直；锤击系由锤头力传感器、第一直线轴承、第二直线轴承、减震弹簧、第一垫片、第二垫片、第三垫片、触发弹簧、第一传动轴、第二传动轴、外壳和电吸盘组成。本发明专利技术实现对标定盘上不同位置的加载点的多次重复敲击，产生重复性好的冲激信号；同时能够有效防止二次撞击；通过高精度调节，控制加载点位置，控制锤击角度垂直于标定盘。度垂直于标定盘。度垂直于标定盘。

【技术实现步骤摘要】
一种三维高精度标定系统及方法


[0001]本专利技术涉及一种三维高精度标定系统及方法，能够实现对标定盘上不同位置加载点的多维标定，通过高精度调节保证锤头与标定盘间完全垂直，防止锤头与标定盘二次撞击，产生重复性好的冲激信号。

技术介绍

[0002]航天器在轨工作时，会产生一种振动幅值小、振动频率小于1KHz的振动，这类振动通常被称为微振动。活动部件的微振动会对航天器的成像质量和指向精度等关键性能产生较大影响。航天器上存在较多的活动部件，如动量轮、控制力矩陀螺、太阳翼驱动机构、数传天线、制冷机以及相机快门组件等。因此，通过地面试验测试各活动部件的微振动特性对航天器的减振、隔振设计至关重要。
[0003]针对地面微振动测试，实验室特设计了一款微振动测试台，可以实现六分量扰振力的测试。对于该微振动测试台，传统的标定过程是利用力锤在频域上完成的，它是通过力锤敲击对标定装置施加已知的冲激载荷来实现的。冲击锤一般在其头部内嵌有一个力传感器，用以测量冲击激励信号。冲击锤不仅操作简单、携带方便，而且可以产生较宽频率范围的激励。传统力锤通过操作者手持敲击被试件产生响应。这种激励方法所能产生的敲击力有限，且完全依靠检验人员的测试经验，在敲击过程中很容易出现连击、敲击力不稳定、敲击重复性差等问题，大大降低了试验效率。为此，有必要设计一款多维高精度标定系统，用以解决上述问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是：克服传统力锤敲击标定方法的局限性，提供一种能够对标定盘上不同位置加载点实现多维标定，保证锤头与标定盘间完全垂直，通过高精度调节控制加载点位置并有效防止二次撞击，产生重复性好的冲激信号的标定系统，为实现微振动测试台的标定提供条件。
[0005]本专利技术要解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006]本专利技术的一种三维高精度标定系统，包括：锤击系统(1)、激光水平仪(2)、旋转台(3)、升降台(4)、立柱(5)和电磁铁底座(6)；
[0007]锤击系统(1)包括：锤头(1.1)、力传感器(1.2)、第一直线轴承(1.3)、第二直线轴承(1.4)、减震弹簧(1.5)、第一垫片(1.6)、第二垫片(1.7)、第三垫片(1.8)、触发弹簧(1.9)、第一传动轴(1.10)、第二传动轴(1.11)、外壳(1.12)和电吸盘(1.13)；力传感器(1.2)安装于锤头(1.1)后在标定时实时测得冲击力的大小；第一传动轴(1.10)安装于力传感器(1.2)后，第一传动轴(1.10)上依次安装有：第一直线轴承(1.3)、减震弹簧(1.5)、第一垫片(1.6)、第二直线轴承(1.4)；第二传动轴(1.11)上依次安装有第二垫片(1.7)、触发弹簧(1.9)、第三垫片(1.8)；外部套有外壳(1.12)；外壳(1.12)后部安装电吸盘(1.13)；
[0008]所述锤击系统(1)前端安装有锤头(1.1)，锤头(1.1)尺寸统一，材料选择为不锈
钢、橡胶、尼龙或塑料材料，不同材料能够产生不同的激励频带，其中选用的锤头越软，产生频响的带宽越窄，能量集中在低频区域，适用于基频集中在低频区的结构，而选用的锤头越硬，产生频响的带宽越宽，能量集中在高频区域，适用于基频集中在高频区的结构；当对不同的结构进行振动测试时，也能够选用不同的锤头进行锤击；第一直线轴承(1.3)和第二直线轴承(1.4)套在第一传动轴(1.10)外部，起到限位、传动以及减小摩擦的作用；第一直线轴承(1.3)、第二直线轴承(1.4)内接于外壳(1.12)，并与外壳(1.12)固连；减震弹簧(1.5)套在第一传动轴(1.10)上，且一端连接于第一直线轴承(1.3)；第一垫片(1.6)固连于第一传动轴(1.10)中部；第二垫片(1.7)连接于第二传动轴(1.11)端部；第三垫片(1.8)连接于外壳(1.12)底部；触发弹簧(1.9)夹在第二垫片(1.7)、第三垫片(1.8)之间，与第二垫片(1.7)和第三垫片(1.8)固连；
[0009]所述激光水平仪(2)安装于锤击系统(1)上方，以螺钉固定，安装前用水平尺测量，保证激光射线与锤头(1.1)所在轴线的平行度；
[0010]所述旋转台(3)安装于锤击系统(1)下方，以螺钉固定，能够通过调节旋转台(3)改变锤击系统(1)所对方向，从而改变锤击方向；
[0011]所述升降台(4)安装于旋转台(3)下方，以螺钉连接，能够通过调节升降台(4)微调锤击系统(1)高度，从而精确控制敲击点；
[0012]所述立柱(5)安装于升降台(4)下方，以螺钉连接，初始安装时粗调立柱(5)高度，使锤击系统(1)的高度位于标定盘高度范围内，方便后续通过升降台(4)微调；
[0013]所述电磁铁底座(6)安装于立柱(5)下方，通过开关控制电磁铁，利用电磁铁的吸力将整个系统固定在地面或地轨上。
[0014]所述减震弹簧(1.5)通过实验设计，选取合适刚度K的弹簧，根据F＝K
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x计算得到第一垫片(1.10)碰撞减震弹簧(1.5)瞬间的恢复力F大小，其中K为减震弹簧刚度，x为弹簧恢复行程，F为初始恢复力大小；通过仿真与实验验证得到：当减震弹簧(1.5)与触发弹簧(1.9)的刚度比为0.1
‑
0.2区间时，一方面缩短碰撞时间，另一方面保证碰撞力的大小几乎不损失，此时减震弹簧(1.5)刚度选取最合适，以此为设计原则，通过实验选取长度为50mm
‑
80mm范围、弹簧外径为14mm
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16mm、弹簧钢丝直径为1mm
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1.4mm的弹簧组，达到以上所述效果；在触发过程中第一垫片(1.10)向前碰撞减震弹簧(1.5)，一方面解决传统力锤标定过程中经常发生的二次碰撞问题，另一方面缩短锤头(1.1)与标定盘的脱离时间，使冲激力信号更接近阶跃信号；通过实验表明，增加减震弹簧(1.5)使冲激信号的阶跃时间控制在0.01s以内。
[0015]所述触发弹簧(1.9)采用模块化设计，通过计算仿真与实验设计，选取多组不同规格的弹簧组；弹簧长度选取80mm、100mm、120mm三种长度，弹簧外径选取30mm、35mm、40mm三种规格，弹簧钢丝直径选取2mm、3mm、4mm三种规格，能够组合出27种弹簧组搭配形式；根据公式F＝K
·
x，计算得到提供的恢复力范围可覆盖5N
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50N区间，其中K为弹簧刚度，G为弹簧材料切变模量，材料选用结构钢，d为弹簧钢丝直径，n为弹簧有效圈数，D为弹簧外径，x为弹簧恢复行程，配合不同锤头使用，实现敲击力的大小可调节。
[0016]所述激光水平仪(2)安装时通过水平尺测量，保证激光射线与锤头(1.1)所在轴线在同一竖直平面内，平行度误差不超过0.5mm/m；激光水平仪(2)发生形成激光射线，同时标
定盘上安装有反射镜，激光入射到反射镜上，不断通过旋转台(3)进行角度调节，调节精度达到5
′
；当激光垂直反射回激光水平仪(2)上的接收孔，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维高精度标定系统，其特征在于，包括：锤击系统(1)、激光水平仪(2)、旋转台(3)、升降台(4)、立柱(5)和电磁铁底座(6)；锤击系统(1)包括：锤头(1.1)、力传感器(1.2)、第一直线轴承(1.3)、第二直线轴承(1.4)、减震弹簧(1.5)、第一垫片(1.6)、第二垫片(1.7)、第三垫片(1.8)、触发弹簧(1.9)、第一传动轴(1.10)、第二传动轴(1.11)、外壳(1.12)和电吸盘(1.13)；力传感器(1.2)安装于锤头(1.1)后在标定时实时测得冲击力的大小；第一传动轴(1.10)安装于力传感器(1.2)后，第一传动轴(1.10)上依次安装有：第一直线轴承(1.3)、减震弹簧(1.5)、第一垫片(1.6)、第二直线轴承(1.4)；第二传动轴(1.11)上依次安装有第二垫片(1.7)、触发弹簧(1.9)、第三垫片(1.8)；外部套有外壳(1.12)；外壳(1.12)后部安装电吸盘(1.13)；所述锤击系统(1)前端安装有锤头(1.1)，锤头(1.1)尺寸统一，材料选择为不锈钢、橡胶、尼龙或塑料材料；当对不同的结构进行振动测试时，选用不同的力锤进行锤击；第一直线轴承(1.3)和第二直线轴承(1.4)套在第一传动轴(1.10)外部，起到限位、传动以及减小摩擦的作用；第一直线轴承(1.3)、第二直线轴承(1.4)内接于外壳(1.12)，并与外壳(1.12)固连；减震弹簧(1.5)套在第一传动轴(1.10)上，且一端连接于第一直线轴承(1.3)；第一垫片(1.6)固连于第一传动轴(1.10)中部；第二垫片(1.7)连接于第二传动轴(1.11)端部；第三垫片(1.8)连接于外壳(1.12)底部；触发弹簧(1.9)夹在第二垫片(1.7)、第三垫片(1.8)之间，与第二垫片(1.7)和第三垫片(1.8)固连；所述激光水平仪(2)安装于锤击系统(1)上方，保证激光射线与锤头(1.1)所在轴线的平行度；所述旋转台(3)安装于锤击系统(1)下方，能够通过调节旋转台(3)改变锤击系统(1)所对方向，从而改变锤击方向；所述升降台(4)安装于旋转台(3)下方，能够通过调节升降台(4)微调锤击系统(1)高度，从而精确控制敲击点；所述立柱(5)安装于升降台(4)下方，初始安装时粗调立柱(5)高度，使锤击系统(1)的高度位于标定盘高度范围内，方便后续通过升降台(4)微调；所述电磁铁底座(6)安装于立柱(5)下方，通过开关控制电磁铁，利用电磁铁的吸力将整个系统固定在地面或地轨上。2.根据权利要求1所述的三维高精度标定系统，其特征在于：所述减震弹簧(1.5)通过实验设计，选取刚度K的弹簧，根据F＝K
·
x，计算得到第一垫片(1.10)碰撞减震弹簧(1.5)瞬间的恢复力F大小，其中K为减震弹簧刚度，x为弹簧恢复行程，F为初始恢复力大小；当减震弹簧(1.5)与触发弹簧(1.9)的刚度比为0.1
‑
0.2区间时，一方面缩短碰撞时间，另一方面保证碰撞力的大小几乎不损失，此时减震弹簧(1.5)刚度选取最合适，以此为设计原则，通过实验选取长度为50mm
‑
80mm范围、弹簧外径为14mm
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16mm、弹簧钢丝直径为1mm
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1.4mm的弹簧组，达到将碰撞时间缩短至0.01s以内，同时完全避免二次撞击；在触发过程中第一垫片(1.10)向前碰撞减震弹簧(1.5)，一方面解决传统力锤标定过程中经常发生的二次碰撞问题，另一方面缩短锤头(1.1)与标定盘的脱离时间，使冲激力信号更接近阶跃信号；增加减震弹簧(1.5)使冲激信号的阶跃时间控制在0.01s以内。3.根据权利要求1所述的三维高精度标定系统，其特征在于：所述触发弹簧(1.9)采用模块化设计，通过计算仿真与实验设计，选取多组不同规格的弹簧组；弹簧长度选取80mm、
100mm或120mm...

【专利技术属性】
技术研发人员：程伟，崔登凯，李名，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：