一种带翼飞行体转动惯量自标定测量装置及方法与流程

1.本发明涉及测量技术领域，特别是涉及一种带翼飞行体转动惯量自标定测量装置及方法。


背景技术：

2.三轴转动惯量是各类航天飞行器飞行控制的重要参数，传统的质量特性测量技术与设备多采用扭摆法测量，测量时需要变化飞行器的姿态(三个坐标轴分别与扭摆轴重合)，产品在水平状态下先测出jy或jz，产品旋转90度，测量出产品jz或jy，产品在竖立状态下测出j
x
。
3.对于回转体，水平状态下旋转90度相对容易，而多种航天器为带有翼的异形体，姿态变化困难，有些带翼飞行体根本无法旋转90度侧立，采用传统的测量装置难以完成三轴转动惯量的测量。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种带翼飞行体转动惯量自标定测量装置及方法。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种带翼飞行体转动惯量自标定测量装置，包括：旋转立轴、扭杆、扇形齿轮副、承物盘、支承座、板簧支撑臂、刀口支撑臂、第一移动夹板、第二移动夹板、左右旋螺杆、第一电机减速机、第二电机减速机、基座、第一导向板、第二导向板、机座、底座、刀口、刀口安装座、位移传递块、板簧、机座和板簧位移驱动装置；
7.所述旋转立轴的下端与所述扭杆连接；所述旋转立轴的中部与所述扇形齿轮副连接；所述旋转立轴的上端与所述承物盘连接；所述旋转立轴以动配合方式装配在所述支承座上；所述支承座与所述板簧支撑臂连接，所述板簧支撑臂与所述支承座上对称设置的两根所述刀口支撑臂组成十字支撑臂；所述第一移动夹板和第二移动夹板分别与所述左右旋螺杆连接，所述左右旋螺杆与所述第一电机减速机连接，所述第一移动夹板和所述第二移动夹板分别设置在所述基座上的所述第一导向板和所述第二导向板，所述第一移动夹板和所述第二移动夹板用于分别在所述第一导向板和所述第二导向板上滑动；所述第二电机减速机固定在所述机座上，所述第二电机减速机与所述扇形齿轮副连接，所述第二电机减速机用于驱动所述扇形齿轮副进行转动；所述机座设置在所述支撑座上；所述刀口支撑臂固定在所述支承座上，刀口安装在与所述底座固连的所述刀口安装座上；所述板簧支臂上固定设置有所述位移传递块，所述板簧支臂与所述板簧连接，所述板簧与所述机座连接，板簧位移驱动装置设置在所述机座上。
8.优选地，所述扇形齿轮副包括主动齿轮和从动齿轮；
9.所述主动齿轮为扇形的不完全齿结构，所述主动齿轮与所述第二电机减速机连接；在所述主动齿轮不啮合时，所述旋转立轴、所述扭杆和所述承物盘组成的直立旋转轴系
和所述主动齿轮没有相互作用。
10.优选地，所述扭杆为圆柱状结构，所述扭杆的下端加工有四个平面，各个所述平面用于在多个角度方向上与所述第一移动夹板和所述第二移动夹板接触；所述第一移动夹板和所述第二移动夹板用于根据预设需求位置夹紧各个所述平面；当各个所述平面加紧后，所述扭杆在所述扇形齿轮副的预设角度驱动作用下发生弹性扭转，以使所述旋转立轴和所述承物盘在所述扭杆的作用下做圆周扭摆运动。
11.优选地，还包括锁紧块和压紧块；
12.所述锁紧块设置在所述板簧上，所述锁紧块用于将所述板簧与所述板簧支臂进行固定连接；
13.所述压紧块设置在所述基座上，所述压紧块用于将所述板簧与所述机座连接。
14.优选地，所述板簧位移驱动装置包括第三电机减速机和位移压轮；
15.所述第三电机减速机与所述位移压轮连接，所述第三电机减速机用于驱动所述位移压轮旋转；与所述位移传递块接触时，所述板簧支臂的一侧向下倾斜，带动一侧板簧下压，所述板簧支臂的另一侧向上受拉，驱动所述位移压轮脱离所述位移传递块后，所述支承座在所述板簧的驱动下做刀口复摆运动。
16.一种带翼飞行体转动惯量自标定测量方法，应用于上述带翼飞行体转动惯量自标定测量装置，所述方法包括：
17.在基于装置的水平工装条件下，将带翼产品在水平状态下放置在承物盘上，测定第一横向转动惯量分量；
18.在以所述带翼产品的质心为对称中心产品两侧的两个位置放置两个标定砝码，测出第一标定分量；
19.在基于装置的竖直工装条件下，测定不放被测物体时载物盘为空的周期，并将所述带翼产品竖立放置，所述带翼产品的坐标z轴和刀口平行，测定被测物体z轴和刀口平行状态下的复摆周期；
20.以所述带翼产品的质心为对称中心产品两侧的两个位置放置两个标定砝码，测量出第二标定分量，去掉两个砝码，将所述带翼产品旋转90度，以使所述带翼产品的坐标y轴和刀口平行，测定被测物体y轴和刀口平行状态下的复摆周期；
21.根据计算公式标定出刀口复摆刚度系数；其中jb为所述第一标定分量；jz为所述第一横向转动惯量分量；k为所述刀口复摆刚度系数； tb为所述第二标定分量；tz为所述被测物体z轴和刀口平行状态下的复摆周期； t0为所述不放被测物体时载物盘为空的周期；
22.根据计算公式计算出第二横向转动惯量分量；其中，jz为所述第二横向转动惯量分量，ty为所述被测物体z轴和刀口平行状态下的复摆周期；
23.在所述带翼产品竖立状态下，根据圆周扭摆法测定第三横向转动惯量分量。
24.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
25.本发明提供了一种带翼飞行体转动惯量自标定测量装置及方法，其中装置可以完
成被测产品圆周扭摆和立式复摆运动，根据给出的标定方法，能够在测产品的同时，标定出刀口复摆刚度系数，完成产品三轴转动惯量的测量，测量效率高，能够满足大型带翼飞行体等不易变化姿态产品三轴转动惯量的测量。
26.附图说明：
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为本发明提供的实施例中的带翼飞行体水平放置示意图；
29.图2为本发明提供的实施例中的带翼飞行体竖直放置示意图；
30.图3为本发明提供的实施例中的去掉承物盘的装置示意图；
31.图4为本发明提供的实施例中的扇形齿轮副的结构示意图；
32.图5为本发明提供的实施例中的板簧下压示意图；
33.图6为本发明提供的实施例中的复摆运动机构中板簧和支壁连接示意图；
34.图7为本发明提供的实施例中的带翼产品旋转90度及标定砝码放置示意图。
35.符号说明：
36.1-承物盘，2-板簧，3-压紧块，4-板簧张紧机构，5-旋转立轴，6-刀口支撑臂，7-刀口，8-刀口安装座，9-板簧支撑臂，10-从动齿轮，11-主动齿轮，12-机座，13-第二减速机，14-支承座，15-锁紧块，16-基座，17-扭杆，18-第一减速机，19-左右旋螺杆，20-第一移动夹板，21-第二移动夹板，22-第一导向板，23
‑ꢀ
第二导向板，24-位移传递块，25-第三减速机，26-位移压轮，a-a-机构整体剖面，b-b-板簧机构剖面，c-c-扭摆驱动机构剖面，d-d-复摆驱动机构剖面，x
‑ꢀ
被测产品轴向，y-被测产品翼展轴，z-被测产品翼展垂直轴，d-标定砝码质心到产品质心横向距离，h-标定砝码质心到产品质心轴向距离。
具体实施方式
37.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
39.本技术的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤、过程、方法等没有限定于已列出的步骤，而是可选地还包括没有列出的步骤，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤元。
40.本发明的目的是提供一种带翼飞行体转动惯量自标定测量装置及方法，可以完成
被测产品圆周扭摆和立式复摆运动，并能够在测产品的同时，标定出刀口复摆刚度系数，完成产品三轴转动惯量的测量，测量效率高，能够满足大型带翼飞行体等不易变化姿态产品三轴转动惯量的测量。
41.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
42.实施例1：
43.请参阅图1至图6，如图1至图6所示，本发明提供了一种带翼飞行体转动惯量自标定测量装置，包括：旋转立轴5、扭杆17、扇形齿轮副、承物盘1、支承座14、板簧支撑臂9、刀口支撑臂6、第一移动夹板20、第二移动夹板21、左右旋螺杆19、第一电机减速机18、第二电机减速机13、基座16、第一导向板22、第二导向板23、机座12、底座、刀口7、刀口安装座8、位移传递块24、板簧2、机座12、锁紧块15、压紧块3和板簧2位移驱动装置；所述板簧2位移驱动装置包括第三电机减速机25和位移压轮26；
44.所述旋转立轴5的下端与所述扭杆17连接；所述旋转立轴5的中部与所述扇形齿轮副连接；所述旋转立轴5的上端与所述承物盘1连接；所述旋转立轴5 以动配合方式装配在所述支承座14上；所述支承座14与所述板簧支撑臂9连接，所述板簧支撑臂9与所述支承座14上对称设置的两根所述刀口支撑臂6组成十字支撑臂；所述第一移动夹板20和第二移动夹板21分别与所述左右旋螺杆19连接，所述左右旋螺杆19与所述第一电机减速机18连接，所述第一移动夹板20和所述第二移动夹板21分别设置在所述基座16上的所述第一导向板22 和所述第二导向板23，所述第一移动夹板20和所述第二移动夹板21用于分别在所述第一导向板22和所述第二导向板23上滑动；所述第二电机减速机13固定在所述机座12上，所述第二电机减速机13与所述扇形齿轮副连接，所述第二电机减速机13用于驱动所述扇形齿轮副进行转动；所述机座12设置在所述支撑座上；所述刀口支撑臂6固定在所述支承座14上，刀口7安装在与所述底座固连的所述刀口安装座8上；所述板簧2支臂上固定设置有所述位移传递块 24，所述板簧2支臂与所述板簧2连接，所述板簧2与所述机座12连接，板簧 2位移驱动装置设置在所述机座12上。
45.所述扇形齿轮副包括主动齿轮11和从动齿轮10；
46.所述主动齿轮11为扇形的不完全齿结构，所述主动齿轮11与所述第二电机减速机13连接；在所述主动齿轮11不啮合时，所述旋转立轴5、所述扭杆 17和所述承物盘1组成的直立旋转轴系和所述主动齿轮11没有相互作用。
47.所述扭杆17为圆柱状结构，所述扭杆17的下端加工有四个平面，各个所述平面用于在多个角度方向上与所述第一移动夹板20和所述第二移动夹板21 接触；所述第一移动夹板20和所述第二移动夹板21用于根据预设需求位置夹紧各个所述平面；当各个所述平面加紧后，所述扭杆17在所述扇形齿轮副的预设角度驱动作用下发生弹性扭转，以使所述旋转立轴5和所述承物盘1在所述扭杆17的作用下做圆周扭摆运动。
48.所述锁紧块15设置在所述板簧2上，所述锁紧块15用于将所述板簧2与所述板簧2支臂进行固定连接；
49.所述压紧块3设置在所述基座16上，所述压紧块3用于将所述板簧2与所述机座12连接。
50.所述第三电机减速机25与所述位移压轮26连接，所述第三电机减速机25 用于驱
动所述位移压轮26旋转；与所述位移传递块24接触时，所述板簧2支臂的一侧向下倾斜，带动一侧板簧2下压，所述板簧2支臂的另一侧向上受拉，驱动所述位移压轮26脱离所述位移传递块24后，所述支承座14在所述板簧2 的驱动下做刀口复摆运动。
51.进一步地，图1中的板簧张紧机构4与板簧2连接，用于调节板簧的刚性系数。
52.实施例2：
53.本实施例中公开了一种用于测量物体三轴转动惯量的刀口复摆与圆周扭摆协同自标定测量装置，它包括整体、刀口复摆机构、圆周扭摆机构和扇形齿轮副等部分。
54.整体结构如下：
55.包括由旋转立轴(5)下端与扭杆(17)固结、中部与扇形齿轮副(10、11) 固结、上端与承物盘(1)固结的直立旋转轴系；所述旋转立轴(5)通过轴承以动配合方式装配在支承座(14)上；所述支承座(14)和板簧支撑臂(9)固结，与自身两根对称设置的刀口支撑臂(6)组成十字支撑臂；所述的扭杆(17) 下端加工出四个平面，移动夹板(20)、移动夹板(21)分别与螺杆螺接，左右旋螺杆(19)和电机减速机(18)通过联轴器连接，移动夹板(20)、移动夹板 (21)分别在安装在基座(16)上的导向板(22)和导向板(23)上滑动；所述的扇形齿轮副(10、11)中主动齿轮(11)呈扇形，由固结在机座(12)上的电机减速机(13)驱动，机座(12)固结在支撑座(14)上；所述刀口支撑臂(6)固定在支承座(14)上，刀口(7)安装在与底座(16)固连的刀口安装座(8)上；所述的板簧支臂(9)上固定设置有位移传递块(24)，板簧支臂 (9)通过锁紧块(15)与板簧(2)固连，板簧(2)通过压紧块(3)与机座 (16)相连，板簧位移驱动装置安装在机座(16)上，由电机减速机(25)和位移压轮(26)组成。
56.圆周扭摆机构的结构如下：扭杆(17)下面加工出四个平面，可根据需求位置被移动夹板(20)、移动夹板(21)加紧和放松，扭杆加紧后，在扇形齿轮副(10、11)设定角度驱动作用下发生弹性扭转，整个旋转立轴(5)及固连的载物盘(1)可以在扭杆的作用下做圆周扭摆运动；
57.扇形齿轮副的结构如下：
58.扇形齿轮副由主动齿轮(11)和从动齿轮(10)组成，其中主动齿轮(11) 为不完全齿结构，外观呈扇形，能够满足有限角度的驱动，在齿轮不啮合时，直立旋转轴系和主动齿轮(11)没有相互作用；
59.刀口复摆机构的结构如下：
60.所述支承座(14)和板簧支撑臂(9)固结，与自身两根对称设置的刀口支撑臂(6)组成十字支撑臂，刀口支撑臂(6)下有刀口(7)支撑，板簧支臂(9) 通过锁紧块(15)与板簧(2)固连，电机减速机(25)驱动位移压轮(26)旋转，与位移传递块(24)接触时，板簧支臂(9)一侧向下倾斜，带动一侧板簧下压，另一侧板簧向上受拉，驱动位移压轮(26)脱离位移传递块(24)后，整个支承座(14)在板簧的驱动下做刀口复摆运动。
61.实施例3：
62.本实施例还提供了一种带翼飞行体转动惯量自标定测量方法，应用于上述带翼飞行体转动惯量自标定测量装置，所述方法包括：
63.在基于装置的水平工装条件下，将带翼产品在水平状态下放置在承物盘上，测定第一横向转动惯量分量；
64.在以所述带翼产品的质心为对称中心产品两侧的两个位置放置两个标定砝码，测
出第一标定分量；
65.在基于装置的竖直工装条件下，测定不放被测物体时载物盘为空的周期，并将所述带翼产品竖立放置，所述带翼产品的坐标z轴和刀口平行，测定被测物体z轴和刀口平行状态下的复摆周期；
66.以所述带翼产品的质心为对称中心产品两侧的两个位置放置两个标定砝码，测量出第二标定分量，去掉两个砝码，将所述带翼产品旋转90度，以使所述带翼产品的坐标y轴和刀口平行，测定被测物体y轴和刀口平行状态下的复摆周期；
67.根据计算公式标定出刀口复摆刚度系数；其中jb为所述第一标定分量；jz为所述第一横向转动惯量分量；k为所述刀口复摆刚度系数； tb为所述第二标定分量；tz为所述被测物体z轴和刀口平行状态下的复摆周期； t0为所述不放被测物体时载物盘为空的周期；
68.根据计算公式计算出第二横向转动惯量分量；其中，jz为所述第二横向转动惯量分量；
69.在所述带翼产品竖立状态下，根据圆周扭摆法测定第三横向转动惯量分量。
70.实施例4:
71.本实施例的测量系统中，jy和jz的差值计算原理如下：
[0072][0073]
其中ty是被测物体y轴和刀口平行状态下的复摆周期，tz是被测物体z轴和刀口平行状态下的复摆周期，t0是不放被测物体时载物盘为空的周期。k值是一个跟被测物体质量及质心相对刀口高度都相关的常数，在质量和质心变化不大的情况下k值固定，可以通过标定获得。
[0074]
本发明公开了一种自标定的方法，产品测量和k值标定可以同时进行，提高了测量效率。通过设计测量工装，在测产品转动惯量时候，以产品质心为对称中心，等距离放置两个标定砝码，根据转动惯量变化和对应复摆周期的数值，标定计算出k。体实施过程如下：
[0075]
刀口复摆刚度系数的标定
[0076]
如图1，设计水平工装，带翼产品在水平状态下，首先测出jz，在以产品质心为对称中心产品两侧的两个位置放置两个标定砝码，测出jb；然后如图2，首先放置竖立工装，测出复摆周期t0，把产品竖立放置，产品坐标z轴和刀口平行，测量出tz，再次以产品质心为对称中心产品两侧的两个位置放置两个标定砝码，测量出tb，去掉两个砝码，旋转产品90度，让产品坐标y轴和刀口平行，测量出ty。
[0077]
根据计算公式标定出刀口复摆刚度系数k。
[0078]
根据测出的ty，根据计算公式计算出jy。
[0079]
如图2，在带翼产品竖立状态下，根据圆周扭摆法可测量出产品j
x
。
[0080]
经过上述过程，测量出产品的三轴转动惯量j
x
、jy、jz。
[0081]
本实施例中标定出的k值，理论上是与被侧产品质心高度对应的，质心高度变化，k值也变化，也就是说标定砝码放置后，和产品的合成质心位置不能变化，标定出的k值可以用来计算待翼产品另一个转动惯量分量，因此砝码的放置位置是有要求的。如图7所示。为方便产品的吊装，其结构为两半式，中分面用螺钉固定；其有两个安装面，分别为侧安装面和底安装面，产品水平状态测量时，侧安装面和载物盘连接，产品直立状态测量时，底安装面和载物盘连接；标定砝码放置在标定工装上，用螺钉固定，和产品质心位置如图所示；产品测量时，提前安装好标定工装，作为空盘状态使用。
[0082]
本发明的有益效果如下：
[0083]
本发明可以完成被测产品圆周扭摆和立式复摆运动，根据给出的标定方法，能够在测产品的同时，标定出刀口复摆刚度系数，完成产品三轴转动惯量的测量，测量效率高，能够满足大型带翼飞行体等不易变化姿态产品三轴转动惯量的测量。
[0084]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的装置相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见装置部分说明即可。
[0085]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。