一种双轴气浮台调平衡装置及其调平衡方法与流程

本发明涉及一种双轴气浮台调平衡装置及其调平衡方法。

背景技术：

气浮台用于模拟无摩擦力环境，是卫星控制半物理仿真技术的支撑平台，其性能决定了仿真结果的精度与有效性。气浮台主要依靠压缩空气在气浮球轴承与轴承座之间形成均匀气膜使得平台浮起，从而实现近似无摩擦、零重力、隔绝外部干扰的运动环境。由于采用球面气浮轴支撑台面，气浮台步进可以模拟卫星的姿态运动，还能够有效模拟卫星姿态耦合力学。卫星动力学可以由气浮台来模拟，控制系统采用部分或者全部实物部件组成，并置于气浮台上，组成与卫星控制系统相同的仿真回路，这样可以很大程度上还原实际卫星姿态中的姿态控制效果，具有极大的参考价值。

气浮台作为微小卫星的地面半仿真测试验证平台的核心设备，与微小卫星版仿真实验配套的气浮台平衡问题变得越来越重要。气浮台调平衡装置主要目标是使回转中心与中心重合，减小不平衡力矩。目前气浮台调平衡的主流方法系统复杂，成本较高。这方面的相关文献还比较少。现有的气浮台调平衡主要分为手动调平衡与自动调平衡两种方式。经文献检索，公开号：CN101509820A；名称为三轴气浮台高精度质心调平衡装置及方法，通过控制砝码与飞轮实现在线测量、调节。该方法给出了三轴气浮台的一种调平衡的方法，并没有给出双轴气浮台的调平衡方法，该装置比较复杂，设备众多，成本较高。杨秀彬、金光、徐开等在论文“三轴气浮台自动调节平衡和干扰力矩测试”(见《空间科学学报》2009年，29卷第1期，页码34-38)中从理论上给出了三轴气浮台自动平衡装置，但是没有给出实施方法，难以工程应用。

技术实现要素：

针对以上缺点，本发明提供一种双轴气浮台调平衡装置及其调平衡方法。

本发明所采用的技术如下：一种双轴气浮台调平衡装置：包括两个水平度测量仪、三个联动顶杆卸荷机构和三个质心调节机构，每个质心调节机构包括步进电机、减速器、电动滑台和质量块，两个水平度测量仪安装在辅助台面的上表面，三个质心调节机构安装在辅助台面的下表面，三个联动顶杆卸荷机构安装在辅助台面的下表面，每个联动顶杆卸荷机构包括伺服电机、减速器、轴承、丝杠、螺母、电磁制动器、杠杆、推杆、导向套、预紧弹簧和力传感器，伺服电机与减速器连接，减速器通过轴承与丝杠连接，电磁制动器与丝杠下端连接，螺母套在丝杠上，螺母与杠杆左端相连，推杆下端与杠杆连接，预紧弹簧套在推杆上，导向套固定在推杆两侧，推杆上端与力传感器相连接；力传感器与辅助台面的下表面连接。

本发明的另一个方面提供的一种双轴气浮台调平衡方法，采用如上所述的装置，包括如下步骤：

步骤一：使气浮台处于工作状态，将三个推杆同步顶起，使气浮台处于接近水平位置；

步骤二：人工调节负载配重，用三个推杆上的力传感器示数作为反馈，调节平衡，粗调平衡结束；

步骤三：开启质量块控制程序，以较快的速度控制质量块移动，用两个水平度测量仪示数作为反馈，进一步调节平衡；

步骤四：撤下三个推杆，距辅助气浮平台1～2mm，防止倾覆，控制程序以较慢的速度控制质量块移动，用两个水平度测量仪作为反馈，进一步调节平衡使得水平度达到预定要求。

本发明的有益效果为：三个联动顶杆卸荷机构，采用一套动力装置进行驱动，这样可保证推杆同步运动，并且推杆顶部安装有力传感器，力传感器承载能力大，并且用于检测每个推杆承受的载荷大小，保证气浮转台得到均匀卸荷，台上电源系统及其电缆通过电缆固定件与辅助台面连接，防止电缆晃动对测试过程造成影响。此外台上计算机采用无风扇、固态硬盘的嵌入式计算机，减小系统干扰。台上台下数据采用无线传输，减少线缆连接。

附图说明

图1是本发明的局部结构示意图。

图2是本发明联动顶杆卸荷机构结构示意图。

图3是本发明调平衡方法流程图。

图4是本发明的整体示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明：

实施例1

如图1-2所示，一种双轴气浮台调平衡装置，包括两个水平度测量仪17、三个联动顶杆卸荷机构和三个质心调节机构，每个质心调节机构包括步进电机13、减速器14、电动滑台15和质量块16，两个水平度测量仪17安装在辅助台面12的上表面，三个质心调节机构安装在辅助台面12的下表面，三个联动顶杆卸荷机构安装在辅助台面12的下表面，每个联动顶杆卸荷机构包括伺服电机1、减速器2、轴承3、丝杠4、螺母5、电磁制动器6、杠杆7、推杆8、导向套9、预紧弹簧10和力传感器11，伺服电机1与减速器2连接，减速器2通过轴承3与丝杠4连接，电磁制动器6与丝杠4下端连接，螺母5套在丝杠4上，螺母5与杠杆7左端相连，推杆8下端与杠杆7连接，预紧弹簧10套在推杆8上，导向套9固定在推杆8两侧，推杆8上端与力传感器11相连接；力传感器11与辅助台面12的下表面连接。

实施例2

如图3所示，一种双轴气浮台调平衡方法，采用实施例1所述的装置，包括如下步骤：

步骤一：使气浮台处于工作状态，通过伺服电机驱动将三个推杆同步顶起，使气浮台处于接近水平位置；

步骤二：人工调节负载配重，用三个推杆上的力传感器示数作为反馈，调节平衡，粗调平衡结束；

步骤三：开启质量块控制程序，以较快的速度控制质量块移动，用两个水平度测量仪示数作为反馈，进一步调节平衡；

步骤四：撤下三个推杆，距辅助气浮平台1～2mm，防止倾覆，控制程序以较慢的速度控制质量块移动，用两个水平度测量仪作为反馈，进一步调节平衡使得水平度达到预定要求。

本发明在工作时，粗调平衡时：联动顶杆卸荷机构电气系统上电，如果此时从供气系统的力传感器11得不到信号，或供气压力不足时，系统报警，且停止工作，如果检测正常，则电磁制动器6上电，电磁制动器6解锁。伺服电机1通过减速器2驱动丝杠4、螺母5机构，杠杆7向上运动，使得承力点上移，推杆8在预紧弹簧10作用下向上运动，保持与杠杆7的接触。到达工作位置时，上限位开关组中的接近开关测量到极限位置，使得伺服电机1下电，同时使得电磁制动器6下电，电磁制动器6锁定。如果此时软件出现故障，伺服电机1继续工作，上限位开关组中的触点开关限定极限位置，此时强行让伺服电机1和电磁制动器6下电。

推杆上安装力传感器11，用于测量所承受的载荷，为转台卸荷提供信号反馈。推杆8到达位置后，开始对负载进行人工配重，使三个推杆8顶端的力传感器11示数大致相同。然后控制质量块16运动，使传感器示数进一步大致相等。

设三个推杆顶端形成的等边三角形的高为L，边长为D，三个陶瓷传感器的示数为F₁、F₂、F₃，质心点力矩为M，质心在设定坐标系中的坐标为(x,y)。则由静力矩平衡可知：

整理得到下式：

设三个质量块的质量为m₀,负载质量为m。三个质量块的运动模式为：y轴两侧的质量块联动，每次移动量均为y₀，运动轨迹与X轴平行的质量块每次移动量为x₀，且三个质量块均为匀速移动。

质点系质心位置公式为：

配平过程中移动三个质量块，使得质心靠近气浮平台中心，质心坐标接近(0,0)，则有

整理得到下式：

观察推杆上的三个陶瓷力矩传感器反馈数据，利用上述公式调节使得各传感器示数接近一致，粗平衡调节阶段结束。

细调平衡时：联动顶杆卸荷机构电气系统上电，电磁制动器6解锁。伺服电机1通过减速器2驱动丝杠4、螺母5、杠杆7施力点向下运动，杠杆7上抬，通过承力点推动推杆8向下运动，顶起测量台辅助台面12，辅助台面12带动主台面向下运动，到达停放位置时，此时推杆8顶端距离辅助台面12距离为1～2mm，上限位开关组中的接近开关测量到极限位置，使得伺服电机1下电，同时使得电磁制动器6下电，电磁制动器6锁定。如果此时软件出现故障，伺服电机1继续工作，上限位开关组中的触点开关限定极限位置，此时强行让伺服电机1和电磁制动器6下电。

然后利用水平度测量仪17测数据作为平衡调节反馈量，开始精细调节。其质量块16调节方法与前述粗调过程中一致，不同的是利用高精度的水平仪判断是否达到要求。

三个质量块16分为两组，其中一组包含一个质量块16，其运动轨迹与其中一个水平度测量仪17安装方向正交；另一组包含另外两个质量块16，它们的角平分线与另一个水平度测量仪17的安装方向正交，且两个质量块16同时移动相同的距离。利用PID调节对这两个通道进行调节，设每个通道的水平仪示数为e_i，每次质量块的移动距离为L,其参数分别为：K_p、K_i、K_d，其公式为：

其中，T为调节周期，即相邻两次调节的间隔时间。

水平调整精度分析：

假定结构其他件是平衡的，那么由于平衡力矩调节所产生的在水平面上质心误差为：

Δ＝2×l×sin60°×m₀

其中，l为一次调节平衡质量块所能移动的最小距离。

设电动滑台距离气浮台面中心距离为h，则产生的水平误差度为

Δθ＝Δ/h

经计算水平误差度为0.28×10^-2rad，所以采用电动滑台作为力矩平衡调节装置能够满足水平精度调整要求。