CN101603874A - 一种用于质量特性集成测试的三坐标转换机 - Google Patents

Abstract

一种用于质量特性集成测试的三坐标转换机，在弧形基体上设置有用于与弧形导轨配合的圆弧面以及用于固定安装弧形基体的水平面，两条弧形导轨分别安装在弧形基体的圆弧面上且弧形导轨的弧段与弧形基体的圆弧段平行，滑台置于弧形导轨上并在驱动机构的作用下沿弧形导轨滑动，滑台自身还可以沿弧形导轨所在弧段各点的法线方向进行转动，驱动机构置于弧形基体的内部；被测件置于滑台上，通过滑台在弧形导轨上的运动实现被测件在竖直位置时笛卡尔坐标系下质量特性参数与被测件在弧形导轨上任意位置时笛卡尔坐标系下质量特性参数的自动转换。本发明结构简单、操作方便，可用于航天器等大型设备的质量特性集成测试。

Description

一种用于质量特性集成测试的三坐标转换机

技术领域

本发明涉及一种应用于航天器质量特性测试时被测件坐标系与测试台坐标系之间位置关系自动转换的三坐标转换装置。

背景技术

随着航天技术的飞速发展，航天器的种类越来越多，研制周期不断缩短。因此，航天器的质量特性测试作为航天器研制中必不可少的重要指标参数，其测试时间和精确度在高精航天器研制中将占据重要的地位。

航天器的质量特性测试涉及到航天器本体坐标系与测试台坐标系之间的转换和测试。如何实现质量特性集成测试和坐标转换是航天器质量特性测试的技术关键。对航天器进行坐标转换是质量特性测试的基础，只有通过合理的坐标转换，使航天器位于不同的测试工位，测试设备和测试软件才能采集到不同的测量特性数据，再通过对数据的处理和计算得到航天器的质量特性参数。目前常用的航天器质量特性测试方法主要是分步转换被测件坐标系、分步测试质量特性参数，其通常采用的测试设备包含了质心台、扭摆台、L型支架、工装(花盆)及相关的吊装设备。测试质心时利用工装和质心台测量航天器的横向质心和纵向质心，在进行横向和纵向转换时利用L型支架将航天器进行翻转。同理，测试转动惯量时利用工装和扭摆台测量航天器各轴的转动惯量，在进行各轴的测试转换时利用L型支架将航天器进行翻转。采用上述方法进行航天器的X、Y、Z轴特性测试时需要利用L型支架对航天器进行反复的翻转、吊装后分别与质心台和扭摆台装配才能完成航天器各个质量特性参数的测量，由于采用设备的种类和数量较多，集成度低，操作过程复杂。此外，对于不同平台的航天器，往往需要不同接口关系的L型支架。L型支架属于复杂的大型工装，其研制成本和周期较长，导致采用上述方法进行测量时不仅增加了研制成本，同时也增加了研制周期和操作难度，越来越不适应航天器快速研制发展的需要。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种结构简单、操作方便的用于质量特性集成测试的三坐标转换机。

本发明的技术解决方案是：一种用于质量特性集成测试的三坐标转换机，包括弧形基体、滑台、驱动机构和弧形导轨，弧形基体上设置有用于与弧形导轨配合的圆弧面以及用于固定安装弧形基体的水平面，两条弧形导轨分别安装在弧形基体的圆弧面上且弧形导轨的弧段与弧形基体的圆弧段平行，滑台置于弧形导轨上并在驱动机构的作用下沿弧形导轨滑动，滑台自身还可以沿弧形导轨所在弧段各点的法线方向进行转动，驱动机构置于弧形基体的内部；被测件置于滑台上，通过滑台在弧形导轨上的运动实现被测件在竖直位置时惯性坐标系下质量特性参数与被测件在弧形导轨上任意位置时惯性坐标系下质量特性参数的自动转换。

所述的滑台包括滑座、平面轴承、蜗杆蜗轮传动组件和转接盘，滑座为主支撑结构，滑座与弧形导轨配合保证滑台在弧形导轨上滑动，平面轴承置于滑座上用于被测件的旋转并承受被测件的倾覆力矩，蜗杆蜗轮传动组件置于滑台上用于驱动平面轴承旋转，转接盘置于平面轴承上用于对接被测件。

所述的驱动机构包括滑轨、螺杆和推杆，两条滑轨安装于弧形基体的用于固定安装弧形基体的水平面两侧，保证驱动机构直线运动；螺杆位于弧形基体的内腔底板上，用于将驱动机构的直线运动转换为曲线运动；推杆与螺杆连接并在螺杆的作用下驱动滑台在弧形导轨上滑动。

所述的三坐标转换机还包括两套配重系统，两套配重系统对称安装于弧形基体的两侧，用于调整当滑台停留在弧形导轨所在弧段各点时三坐标转换机的平衡。

所述的三坐标转换机还包括安装连接盘，安装连接盘为中间设有多圈连接孔的圆盘并通过中心销孔定位，用于将三坐标转换机固定于安装基面上。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明三坐标转换机采用两轴转台方式，滑台在驱动机构的驱动下沿弧形基体上的弧形导轨滑动，被测件置于滑台上即可实现不同角度的测试工位，滑台自身还可以沿弧形导轨所在弧段各点的法线方向进行转动，通过滑台在弧形导轨上的运动实现被测件笛卡尔坐标系与测试台笛卡尔坐标系的自动转换，在试件一次定位的情况下，通过坐标系统的转换能够实现试件质量、质心与转动惯量的集成测试，结构简单，易于工程实现；

(2)滑台结构通过平面轴承和蜗杆蜗轮传动组件相配合，实现自身的旋转及被测件的旋转并承受被测件的倾覆力矩，能够保证三坐标转换机运行平稳，提高定位精度；

(3)驱动结构通过螺杆和推杆配合实现直线运动与曲线运动的转换，从而保证滑台在弧形导轨上的滑动，操作简单，易于工程实现；

(4)配重系统地加入可以调整当滑台停留在弧形导轨所在弧段各点时三坐标转换机的平衡，从而能够保证测试质心的稳定，提高了测试精度。

附图说明

图1为本发明三坐标转换机的立体图；

图2为本发明三坐标转换机中滑台的结构图；

图3为本发明三坐标转换机中驱动机构的结构图；

图4为采用本发明三坐标转换机进行质量特性测试的示意图；

图5为采用本发明三坐标转换机进行质量特性测试时坐标系变换示意图。

具体实施方式

本发明三坐标转换机是用于航天器质量特性测试的精密两轴转台，主要完成测试过程中被测件(航天器)坐标系与测试台坐标系之间位置关系的自动转换。

如图1所示，为本发明三坐标转换机的立体图，包括弧形基体1、滑台2、驱动机构3和弧形导轨7，弧形基体1为船舱型结构，其上设置有圆弧面，是整个结构的支撑基础。弧形基体1底部设置安装连接盘6与固定基面连接，安装连接盘6为中间设有多圈连接孔的圆盘，通过中心销孔定位，能保证三坐标转换机与固定基面集成连接。弧形导轨7有两条，对称装配在弧形基体1的圆弧面两侧。

滑台2安装于弧形导轨7上，是本发明三坐标转换机的关键部件之一，是被测件与三坐标转换机的连接纽带，需要承受较大的倾覆载荷，其结构如图2所示，包括滑座8、平面轴承9、蜗杆涡轮传动组件10和转接盘11。滑座8为铸件，是滑台2其他零件的支撑，与弧形导轨7配合，保持滑台2在弧形导轨7上滑动。平面轴承9为专用设计轴承，安装在滑座8上面，可以承受较大的倾覆力矩，用于对被测件的旋转。蜗杆蜗轮传动组件10通过高精度伺服电机驱动实现转接盘11的分度旋转。转接盘11安装于平面轴承9上，用于三坐标转换机与被测件连接。

驱动机构3安装于弧形基体1底部(水平面)的中心，上端连接滑座8，是实现滑台2精确倾斜的关键，其具体结构如图3所示，包括滑轨12，螺杆13和推杆14。滑轨12安装于弧形基体1底部两侧，用于保证驱动机构3直线运动。螺杆13位于弧形基体1的内腔底板上对称中心，是将直线运动转换为曲线运动的传动机构。推杆14可以驱动滑台2在弧形导轨7上滑动。

另外，本发明三坐标转换机还设置有两套配重系统4，对称安装于弧形基体1的两侧，配重系统是调整滑台2处于不同倾角时三坐标转换机平衡的装置。为了实现对三坐标转换机的精确控制，还设置有电控系统5用于控制驱动机构3(伺服电机的步进角度)和数据采集。

如图4所示，在实际测试过程中，三坐标转换机通过安装连接盘6装配于测试台上，先分别在水平位置(即图中滑台2位于水平位置)和倾斜位置(即图中滑台2位于弧形导轨7的某一弧段上)测出横向、纵向工装的质心。图5为图4中滑台2位于水平位置时坐标系的建立方法，以弧形导轨7上表面与弧形基体1中心轴线的交点为原点，X轴垂直弧形基体1的底面，向上为正向；Y轴包含在底面内，与X轴垂直，正向水平向左；Z轴符合右手笛卡尔坐标系的规则。在对被测件的质量特性参数进行测试时，先置滑台2于水平位置，将被测件与滑台2连接。这时，通过测试台可以测试出被测件的质量和横向质心(Y_c，Z_c)，这里Y_c，Z_c分别为质心在Y轴和Z轴上的坐标值。测试纵向质心X_c时，在电控系统5的控制下启动驱动机构3的伺服电机，带动螺杆13运转，这时与螺杆13连接的推杆14底部沿滑轨12作直线运动，上部推动滑台2沿弧形导轨7运动，当运动到某一指定的倾角(应与前述测量工装参数时的倾斜位置一致)时，电控系统5关闭伺服电机，在此状态下通过测量计算被测件的纵向质心X_c。再按设计要求，通过配重系统4进行配重，重复测量过程，直到满足指标要求。

具体测试原理及方法如下：

(1)质心测量

设定质心台X坐标与重力方向平行，根据力和力矩平衡原理可以得到待测件的质心在YOZ坐标平面上的坐标值。

在YOZ平面上质心坐标为：

$\mathrm{Yc}=\frac{P_2{y}_2+P_3{y}_3}{P_1+P_2+P_3}=\frac{\sqrt{3}r(P_2-P_3)}{2(P_1+P_2+P_3)}---\left(1\right)$

$\mathrm{Zc}=\frac{P_1{z}_1+P_2{z}_2+P_3{z}_3}{P_1+P_2+P_3}=\frac{r(P_2+P_3-2P_1)}{2(P_1+P_2+P_3)}---\left(2\right)$

式中：Yc-质心在Y轴上的坐标；

Zc-质心在Z轴上的坐标；

r-三个支点所在圆半径；

P1、P2、P3-三个支点所测的力；

y1、y2、y3-三个支点的y坐标；

z1、z2、z3-三个支点的z坐标。

这里所提到的三个支点，是对本发明三坐标转换机进行称重时所用到的三个支点，在实际应用过程中，上述三个支点位于弧形基底1的地面，且三个支点从同一个圆周上获得，三个支点所测的力由设置在三个支点处的称重传感器获得。

驱动三坐标转换机的滑台2运动，置滑台2于倾斜角α，此状态下同样根据公式1和公式2得到质心y_c′。根据图5所示几何关系，可以计算出待测件的纵向质心Xc。

Xc＝R-(y_c′-y_ccosα)/sinα                     (3)

式中：R-滑台回转中心到卫星定位面距离(即旋转前后X轴正方向和X′轴正方向的交点与滑台上表面的距离)。

(2)转动惯量与惯性积测量

根据刚体过固定点绕任意轴转动惯量的表达公式：

I＝I_xcos²α+I_ycos²β+I_zcos²γ-2I_xycosαcosβ-2I_xzcosαcosγ-2I_yzcosβcosγ

设测量坐标轴X、Y、Z(也就是滑台2以及被测件处于水平位置时的笛卡儿坐标系的三个坐标轴)与试件坐标轴X′、Y′、Z′(也就是当滑台2带动被测件沿着弧形导轨7滑动一定距离后所在位置时的笛卡儿坐标系的三个坐标轴)的夹角分别为α、β、γ，当α＝0时，得到方向余弦(1，0，0)，可以测得I_x。当α≠0时，利用三坐标转换机设置4组方向余弦(C_α，C_β，0)，(C_α，-c_β，0)，(C_α，0，C_γ)，(C_α，0，-C_γ)，并分别测试出这几组方向余弦对应的转动惯量I₁，I₂，I₃，I₄，列方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_1=I_X{C}_{\mathrm{\α}}^2+I_Y{C}_{\mathrm{\β}}^2-2I_{\mathrm{XY}}{C}_{\mathrm{\α}}{C}_{\mathrm{\β}}\\ I_2=I_X{C}_{\mathrm{\α}}^2+I_Y{C}_{\mathrm{\β}}^2+{2I}_{\mathrm{XY}}{C}_{\mathrm{\α}}{C}_{\mathrm{\β}}\\ I_3=I_X{C}_{\mathrm{\α}}^2+I_Z{C}_{\mathrm{\γ}}^2-2I_{\mathrm{XZ}}{C}_{\mathrm{\α}}{C}_{\mathrm{\γ}}\\ I_4=I_X{C}_{\mathrm{\α}}^2+I_Z{C}_{\mathrm{\γ}}^2+2I_{\mathrm{XZ}}{C}_{\mathrm{\α}}{C}_{\mathrm{\γ}}\end{array}\right.$

其中：

I₁——试件坐标轴没有转动时，试件绕测量轴X的转动惯量；

I₂——试件绕试件坐标轴X′转动90°时，试件绕测量轴X的转动惯量；

I₃——试件绕试件坐标轴X′转动180°时，试件绕测量轴X的转动惯量；

I₄——试件绕试件坐标轴X′转动270°时，试件绕测量轴X的转动惯量；

各未知量为：

I_y——试件绕试件坐标轴Y′的转动惯量；

I_z——试件绕试件坐标轴Z′的转动惯量。

I_xy与I_xz为对应试件坐标轴的惯性积。

在试件坐标轴没有转动或转动180°时，α与β互余，由余弦定理知：

$C_{\mathrm{\α}}^2+C_{\mathrm{\β}}^2=1,C_{\mathrm{\α}},C_{\mathrm{\β}}\≥0$

在试件坐标轴没有转动90°或转动270°时，α与γ互余，由余弦定理知：

$C_{\mathrm{\α}}^2+C_{\mathrm{\γ}}^2=1,C_{\mathrm{\α}},C_{\mathrm{\γ}}\≥0$

代入方程组中，得到

$I_y=\frac{1}{2{\sin }^2\mathrm{\α}}(I_1+I_2-2I_x)+I_x$

$I_z=\frac{1}{2{\sin }^2\mathrm{\α}}(I_3+I_4-{2I}_x)+I_x$

$I_{\mathrm{xy}}=\frac{I_1-I_2}{2\sin 2\mathrm{\α}}$

$I_{\mathrm{xz}}=\frac{I_3-I_4}{2\sin 2\mathrm{\α}}$

以上即为过旋转中心点，绕平行于试件坐标轴的三个轴的转动惯量，再使用移轴公式就可以计算出过质心位置的绕平行于试件坐标轴的三个轴的转动惯量。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1、一种用于质量特性集成测试的三坐标转换机，其特征在于包括：弧形基体(1)、滑台(2)、驱动机构(3)和弧形导轨(7)，弧形基体(1)上设置有用于与弧形导轨(7)配合的圆弧面以及用于固定安装弧形基体(1)的水平面，两条弧形导轨(7)分别安装在弧形基体(1)的圆弧面上且弧形导轨(7)的弧段与弧形基体(1)的圆弧段平行，滑台(2)置于弧形导轨(7)上并在驱动机构(3)的作用下沿弧形导轨(7)滑动，滑台(2)自身还可以沿弧形导轨(7)所在弧段各点的法线方向进行转动，驱动机构(3)置于弧形基体(1)的内部；被测件置于滑台(2)上，通过滑台(2)在弧形导轨(7)上的运动实现被测件在竖直位置时惯性坐标系下质量特性参数与被测件在弧形导轨(7)上任意位置时惯性坐标系下质量特性参数的自动转换。

2、根据权利要求1所述的一种用于质量特性集成测试的三坐标转换机，其特征在于：所述的滑台(2)包括滑座(8)、平面轴承(9)、蜗杆蜗轮传动组件(10)和转接盘(11)，滑座(8)为主支撑结构，滑座(8)与弧形导轨(7)配合保证滑台(2)在弧形导轨(7)上滑动，平面轴承(9)置于滑座(8)上用于被测件的旋转并承受被测件的倾覆力矩，蜗杆蜗轮传动组件(10)置于滑台(2)上用于驱动平面轴承(9)旋转，转接盘(11)置于平面轴承(9)上用于对接被测件。

3、根据权利要求1或2所述的一种用于质量特性集成测试的三坐标转换机，其特征在于：所述的驱动机构(3)包括滑轨(12)、螺杆(13)和推杆(14)，两条滑轨(12)安装于弧形基体(1)的用于固定安装弧形基体(1)的水平面两侧，保证驱动机构(3)直线运动；螺杆(13)位于弧形基体(1)的内腔底板上，用于将驱动机构(3)的直线运动转换为曲线运动；推杆(14)与螺杆(13)连接并在螺杆(13)的作用下驱动滑台(2)在弧形导轨(7)上滑动。

4、根据权利要求3所述的一种用于质量特性集成测试的三坐标转换机，其特征在于：所述的三坐标转换机还包括两套配重系统(4)，两套配重系统(4)对称安装于弧形基体(1)的两侧，用于调整当滑台(2)停留在弧形导轨(7)所在弧段各点时三坐标转换机的平衡。

5、根据权利要求3所述的一种用于质量特性集成测试的三坐标转换机，其特征在于：所述的三坐标转换机还包括安装连接盘(6)，安装连接盘(6)为中间设有多圈连接孔的圆盘并通过中心销孔定位，用于将三坐标转换机固定于安装基面上。

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