CN102650560B - 航天器大型旋转载荷高精度动平衡测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种航天器大型旋转载荷高精度动平衡测量装置，包括气浮主轴系统、驱动系统、测量系统和数据处理与显示系统，其特征是动平衡测量装置有两种测量模式，其一为被测物体由动平衡机所含驱动系统驱动，其二为被测物体自身驱动装置驱动，两者均具备偶、静平衡测量和配平功能；支承系统采用高刚度、超低摩擦的气浮轴承系统，气浮主轴由若干个气浮组件组成，气浮主轴采用气体静压的方式将内、外气浮套及上、下气浮盘分离，内、外气浮套提供径向约束并准确传递径向作用力，上、下气浮盘有足够的垂直于转轴的转动刚度，并能确保气浮主轴在小摩擦低阻力情况下测量物体的不平衡量。本发明适合在航天器大型旋转载荷高精度低速动平衡测量中的应用。<!-- 2 -->

Description

航天器大型旋转载荷高精度动平衡测量装置

技术领域

本发明属于转子动平衡校正技术领域，尤其是动平衡的测量装置，更具体地说，涉及一种航天器大型旋转载荷高精度动平衡测量装置。

背景技术

由于材料、加工、装配等多方面的原因，转动部件存在不均匀的质量分布、不期望的装配间隙等问题从而引起动不平衡，影响转动部件运动的精度和寿命等。对于空间飞行器转动部件而言，动不平衡引起的干扰力矩会影响卫星平台的稳定性，从而影响整星正常工作。因此，对空间飞行器转动部件的动平衡控制具有非常重要的意义。

由于卫星及其携带的转动部件结构和运行状态的特殊性，对其进行动平衡工作的设备也需要有较强的针对性，以保证动平衡机能满足对卫星类物体动平衡的要求。

目前，空间飞行器转动部件动平衡控制主要集中在陀螺、飞轮等小型高速转动部件和自旋航天器等超大型自由转动部件上。空间飞行器转动部件平衡一般采用专用平衡机来实现，如陀螺转子平衡使用陀螺转子平衡机，自旋航天器配平使用大型宇航平衡机，而适合大型低速旋转载荷的高精度动平衡机很少。此类大型低速旋转载荷结构复杂，由转动体总成和承力外筒组成，转动体总成由挠性部分及其可展开收拢支撑机构和刚性转子组成。如果仅对转动体总成进行平衡，此时选择动平衡机所含驱动系统驱动，但转动体总成安装到承力外筒后，可能由于装配等问题旋转载荷整机工作时仍存在不平衡量，残余不平衡量会对卫星姿控产生影响，有必要在对转动体平衡后需要对旋转载荷整机进行动平衡。考虑到旋转载荷自身驱动稳定度很高，任何两个相临的周期相比差值小于0.34ms，因此旋转载荷整机动平衡选择旋转载荷自身驱动方式。为了准确测量此类旋转载荷(部件)低速转动情况下的微小不平衡力和力矩，动平衡机采用硬支承结构，同时竖直安装能够确保旋转载荷以最佳状态安装到动平衡机上，且能够被准确旋转起来，需要一种立式动平衡机，旋转载荷转动体结构是非对称结构，存在着动不平衡，故需要进行双面配平。另外考虑到旋转载荷转动惯量较大，转速较高(达35rpm)且其安装位置离遥感卫星质心较远，要求残余动不平衡量非常小。基于上述考虑，此类旋转载荷动平衡测试时，需要一种含有双驱动方式的高精度双面立式硬支承动平衡机。

目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

发明内容

为了解决现有动平衡机不能对一类航天器大型旋转载荷的有效动平衡，本发明的目的在于提出一种大型低速旋转载荷的高精度双面立式动平衡机，利用本发明，可以进行大型低速旋转载荷整机动平衡，也可以进行低速转动部件的动平衡。

为了达到上述发明目的，本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种航天器大型旋转载荷高精度动平衡测量装置，

根据本发明的一个方面，提供一种航天器大型旋转载荷高精度动平衡测量装置，其特征在于，包括如下模块：

气浮主轴系统，采用高刚度、超低摩擦的气浮轴承技术，所述气浮主轴系统包括气浮主轴，所述气浮主轴包括上气浮盘，下气浮盘，内气浮套，外气浮套，所述气浮主轴采用气体静压的方式将上、下气浮盘及内、外气浮套分离，内、外气浮套提供径向约束并准确传递径向作用力，上、下气浮盘有足够的垂直于转轴的转动刚度，并能确保气浮主轴在小摩擦低阻力情况下测量物体的不平衡量；

驱动系统，其用于驱动工作转台和被测物体按照所需转速转动；在测量时，既可由动平衡机所含圈带驱动系统驱动，也可由被测物体自身含有的驱动装置驱动；为了实现动平衡机的两种测量模式，本动平衡机采用圈带驱动方式，驱动电机安装在气浮主轴旁边，这样便于动平衡机在被测物体自身驱动旋转时准确测量其不平衡量；为了准确测量转动部件自身驱动时由于动不平衡产生的测振系统信号，动平衡机所含驱动系统选择圈带驱动方式，由安装在主轴系统一旁的电机驱动。

测量系统，其采用两个高精度压力传感器作为测力单元，两个压力传感器分别水平和垂直安装，直接感受不平衡量产生的力和力矩；

数据处理与显示系统，其用于对测量系统输出的信号进行调理、传输和处理，形成所需的结果并显示。由于采用了气浮轴承系统，阻力比非常小，不平衡量的振动周期等信息受其它不良因素的干扰较小，采集的信号比使用常规轴承要准确，对压力式传感器的测量信号进行计算就能得到被测物体的不平衡量，同时应用软件具有良好的人机交互界面，配平结果显示形象化，易于理解。

优选地，动平衡机支承采用气浮主轴系统。

优选地，动平衡测试时，驱动方式可选择动平衡机驱动或被测物体自身驱动方式。

优选地，还包括如下模块：

机体，其用于支撑动平衡机各组成部分并提供安装位置。

工作转台，其用于提供被测物体或转接工装的安装位置。

优选地，所述气浮主轴系统，供气压力0.4MPa，高压气垫厚度为0.006mm，气浮面平面度小于0.04mm，粗糙度小于0.4μm，动平衡机承载能力达到805Kg(含刻度盘质量60Kg)。

本发明航天器大型旋转载荷高精度动平衡测量装置，由于采取上述的技术方案，大大提高了大型低速旋转载荷动不平衡量的测量精度，本发明从大型低速旋转载荷结构和工作原理出发，采用气浮支承技术，可选择动平衡机驱动或载荷自身驱动两种方式进行动平衡测试，分别对转动体总成和旋转载荷整机进行配平，能有效减少旋转载荷整机残余动不平衡量，全物理仿真试验和在轨测试表明本发明高精度双面立式动平衡机测试数据有效，精度高。

附图说明

附图1是航天器大型旋转载荷高精度动平衡测量装置总体结构示意图。

附图2是气浮结构尺寸示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的实施方式。

图1是本发明航天器大型旋转载荷高精度动平衡测量装置的结构框图，具体地，根据本发明提供的航天器大型旋转载荷高精度动平衡测量装置包括：气浮主轴系统1、驱动系统2、测量系统3、数据处理和显示系统4、机体5、工作转台6。本发明尤其适用于大型低速转动部件的动平衡。其中：

气浮主轴系统1，用来支承工作转台和被测物体，准确传递力和力矩，所述气浮主轴系统1包括气浮主轴、气瓶105、供气管路106，所述气浮主轴包括上气浮盘101，下气浮盘102，内气浮套103，外气浮套104。

驱动系统2，其用于驱动工作转台6和被测物体按照所需转速转动，所述驱动系统2包括驱动电机201、圈带202。

测量系统3，其用于测量由于被测物体不平衡量引起测振装置的振动大小等信息，所述测量系统3包括测振装置301、水平安装的压力式传感器302、垂直安装的压力式传感器303。

数据处理和显示系统4，其用于对测量系统输出的信号进行调理、传输和处理，形成所需的结果并显示，所述数据处理和显示系统4包括电子线路401、微处理器402、显示系统403，其中，所述电子线路401包括放大器、滤波器、A/D。

机体5，其用于支撑动平衡机各组成部分并提供安装位置。

工作转台6，其用于提供被测物体或转接工装的安装位置。

为了满足动平衡机的承载能力大于300Kg的要求，且具有一定的气浮刚度，选取轴承内半径为220mm，气浮间隙为h₀＝0.006mm，供气压力为0.4MPa，供气孔数为25且环形均布，供气孔直径为0.1～0.5mm可调，保证各孔气体流量一致。经计算，供气孔出口压力为0.3MPa，动平衡机承载能力达到805Kg，可满足大多数空间飞行器转动部件动平衡的需求。

为了保证上、下气浮盘及内、外气浮套间的摩擦力一致，上气浮盘使用优质钢材锻制，依次进行粗加工、热处理、精车加工、粗磨和精磨，保证平面度小于0.03mm，粗糙度小于0.4μm。使用高精度三坐标加工设备对供气孔进行加工，气浮面依次进行人工研磨、表面镀硬铬、二次研磨，保证气浮管路通气时上盘转动流畅。

参见图1。根据本发明提供的航天器大型旋转载荷高精度动平衡测量装置包括气浮主轴系统1、驱动系统2、测量系统3、数据处理和显示系统4、机体5和工作转台6。机体5上方是测振装置301，为了支承工作转台6、上气浮盘101和被测物体，以及准确传递径向作用力、实现工作转台面和机体间小摩擦低阻力的转动，测振装置301上方的主轴采用了气浮主轴系统1，在气浮下盘102的通气孔通入0.4MPa纯净压缩空气105，气体通过圆环气路106的通气孔进入上气浮盘101、下气浮盘102、内气浮套103、以及外气浮套104构成的气腔，形成0.006mm左右的高压气垫，实现无摩擦转动。

动平衡机所含的驱动方式选择圈带驱动，驱动电机201安装在气浮主轴系统1的一旁，见图1，电机201与气浮主轴系统1间通过圈带202连接，圈带202优选地皮带，为测量时驱动皮带转动，带动主轴和被测物体转动，被测物体的不平衡量引起测振装置301振动，传递到水平安装的压力式传感器302和垂直安装的压力式传感器303上，压力式传感器的信号经电子线路401调理后传递到微处理器402进行处理，得到被测物体由于不平衡量产生的力和力矩，送给显示系统403。

综上所述，本发明采用气浮支承技术，驱动方式可选择动平衡机驱动或旋转载荷自身驱动方式，解决了旋转载荷整机高精度动平衡测试问题。

根据本发明提供的航天器大型旋转载荷高精度动平衡测量装置，已用在一种旋转载荷动平衡测试上，首先对转动体总成进行动平衡，然后对旋转载荷整机进行动平衡，经在轨测试，卫星姿态参数完全满足指标要求，表明旋转载荷动平衡控制有效，测试精度满足要求。

显然，本领域的技术人员可以对本发明航天器大型旋转载荷高精度动平衡测量装置进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若这些修改和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

Claims (1)

1.一种航天器大型旋转载荷高精度动平衡测量装置，其特征在于，包括如下模块：

气浮主轴系统，所述气浮主轴系统包括气浮主轴，所述气浮主轴包括上气浮盘，下气浮盘，内气浮套，外气浮套，所述气浮主轴采用气体静压的方式将上、下气浮盘及内、外气浮套分离，内、外气浮套提供径向约束并准确传递径向作用力，上、下气浮盘有足够的垂直于转轴的转动刚度，并能确保气浮主轴在小摩擦低阻力情况下测量物体的不平衡量；

驱动系统，其用于驱动工作转台和被测物体按照所需转速转动，采用圈带驱动方式；

驱动系统包括驱动电机，驱动电机安装在气浮主轴旁边；

测量系统，其采用两个高精度压力传感器作为测力单元，两个压力传感器分别水平和垂直安装，直接感受不平衡量产生的力和力矩；

数据处理与显示系统，其用于对测量系统输出的信号进行调理、传输和处理，形成所需的结果并显示；

动平衡机支承采用气浮主轴系统；

动平衡测试时，驱动方式选择动平衡机驱动或被测物体自身驱动方式；

还包括如下模块：

机体，其用于支撑动平衡机各组成部分并提供安装位置；

工作转台，其用于提供被测物体或转接工装的安装位置；

所述气浮主轴系统，供气压力0.4MPa，高压气垫厚度为0.006mm，气浮面平面度小于0.04mm，粗糙度小于0.4μm；轴承内半径为220mm，气浮间隙为h₀＝0.006mm，供气孔数为25且环形均布，供气孔直径为0.1～0.5mm可调，各供气孔气体流量一致；

上气浮盘使用钢材锻制，依次进行粗加工、热处理、精车加工、粗磨和精磨，平面度小于0.03mm，粗糙度小于0.4μm；供气孔使用三坐标加工设备进行加工，气浮面依次进行人工研磨、表面镀硬铬、二次研磨。