CN103322117A

CN103322117A - 一种实现杜瓦万向稳定的无动力方法及相应的装置

Info

Publication number: CN103322117A
Application number: CN2013101903330A
Authority: CN
Inventors: 伍俊; 荣亮亮; 王会武; 邱隆清; 常凯; 侍文; 蒋坤; 徐婷; 谢晓明
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2013-05-21
Filing date: 2013-05-21
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2033-05-21
Also published as: CN103322117B

Abstract

本发明涉及一种实现杜瓦万向稳定的无动力方法及相应的装置，所述的方法特征在于：①基于先减振后稳定的思路利用杜瓦及其载体的重心发生偏离时形成的扭矩阻碍状态的改变，并引入流体控制动态增加回归扭矩，再结合分级阻尼系数调节系统稳定性；②采用类同心球体结构，杜瓦固定于内部球体，所述的球体通过非对称分布的滚动滑轮与不封闭的球形舱体连接，利用重力及其转换动力控制内部球体的旋转，从而在运动状态下无动力实现杜瓦的万向稳定。并提供了相应的装置，所述的方法可有效地提高稳定装置的响应速度，并减弱甚至消除稳定过程中的振荡。所述的方法及装置实现简单、成本低。

Description

一种实现杜瓦万向稳定的无动力方法及相应的装置

技术领域

本发明涉及一种实现杜瓦万向稳定的无动力方法及相应的装置，尤其是在飞行状态下利用杜瓦及其辅助设备的自身重力实现万向稳定的一种方法及相应的装置。属于机械传动领域。

背景技术

超导量子干涉仪（SQUID：Superconducting QUantum InterferenceDevice）是目前已知灵敏度最高的磁传感器，在静态工作环境下已有众多应用，但在运动状态下，尤其是在飞行平台上，SQUID由于切割地球磁力线从而极容易导致其高灵敏度的读出电路因量程不足而溢出或者因摆率不足而失锁，例如测量分辨率为100fT,在地球磁场普遍为几十uT的环境，当波动范围为10uT时,动态范围即为160dB，当前的电路技术几乎无法实现。此外，SQUID必须工作在装有液氦或者液氮的低温容器（杜瓦）中，剧烈的晃动不但增加低温液体的挥发率，从而减少系统的有效工作时间，而且存在严重的安全性问题。

现有的电路电子技术，比如磁通量子计数方法，可以解决量程不足，甚至可解决摆率不足的问题，但需要牺牲SQUID读出电路的稳定性，而且还无法解决杜瓦中低温液体液面晃动的问题。这就是磁通量子计数方法无法大规模推广的原因。

考虑到SQUID正常工作时必须远离强磁性物质，尤其是电机，因此如能找到一种实现杜瓦在运动状态下万向稳定的无动力方法就可完美地解决上述所有问题。遗憾的是目前没有任何有关杜瓦的无动力万向稳定装置见诸报道，仅有一些相关的技术资料公布。

公开号为CN2114082U的专利公布了一种由主架、内稳定环、外稳定环、连接轴以及底托架组成的万向稳定架。该装置是典型的机械陀螺仪机构，要实现万向稳定需要高速旋转，这在无动力的条件下是无法实现的。因此无动力驱动的该装置虽然能在静止或者匀速运动状态下依靠重力保持万向稳定，但在变速运动中无法克服由需万向稳定的物体产生的惯性所引起的摆动。

专利CN2881219公布了一种由正圆球体、环形珠槽和珠体组成的万向平衡运行装置，其特征是珠体置于相应配合的环形珠槽内，环形珠槽设置在正圆球体的外部或内部并与正圆球体连接为一体，珠体与正圆球体为滚动配合。首先，该装置的主要设计目的不是用于万向稳定；其次，即使按照其工作原理进行改装，考虑到作为被稳定对象的正圆球体重心和外部框架结构的几何中心重合，该装置也无法有效地对位于正圆球体内的物体进行万向稳定。此外，在飞行状态下，机舱内的物体均会同时承受高频的振动和低频的晃动，没有合适的阻尼减震系统辅助，需万向稳定的物体极其容易形成振荡，如同用细线悬挂的小球在重力状态下受到外部干扰由晃动到静止的过程。

综上所述，现有可用于杜瓦的无动力万向稳定方法不但存在响应不及时的问题，还存在稳定过程中容易振荡的问题，从而极大地影响了超导量子干涉仪在运动平台中的广泛应用和推广。本发明拟解决现有技术存在的问题，从而引导出本发明的构思。

发明内容

现有杜瓦万向稳定方法在运动状态下要么存在电机等强磁性干扰，要么存在响应不及时和容易振荡等问题,为了克服上述不足，本发明提供一种实现杜瓦万向稳定的无动力方法及相应的装置，所述方法不仅能有效地响应飞行器的振动和晃动，而且能方便地根据现场实际情况调节阻尼系数，减弱甚至消除杜瓦在稳定过程中的振荡。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：无动力万向稳定装置几乎毫无例外地是通过重力来实现的。当被稳定物体受外界影响导致其重心发生偏离时，其自身重力即刻以扭矩的方式迫使被稳定物体克服摩擦力阻碍状态的改变，并始终努力使重力方向的延长线通过其旋转中心。按照此原理，可获知如下几个结论：首先，被稳定物体的重心和其旋转中心不能重合，否则其自身重力将无法发挥其应有的作用；其次，被稳定物体的重心离其旋转中心越远，在相同外界条件下由重力形成的回归扭矩越大，但由惯性形成的扭矩也越大；最后，被稳定物体与稳定装置间的摩擦系数越小，则阻碍稳定的摩擦力越小，但也越容易振荡。

鉴于上述认知，所提供的设计方案似乎只有对被稳定物体的重心位置和它与稳定装置间的摩擦系数进行折衷，但如果跳出这个思维框架，在被稳定物体和稳定装置间加入一种物质，使其在万向稳定过程中既能动态增加回归扭矩，又能防止振荡。此外，必须考虑到在宽频段范围内实现万向稳定的难度很大，因此借鉴电路中滤波器的设计，将飞行器的振动和晃动分为低频和高频两部分，通过减震系统消除高频部分的影响，再利用万向稳定装置滤除低频部分，从而有效提高装置的响应速度和稳定性。

本发明所述的实现杜瓦万向稳定的无动力方法，其特征在于：

①基于先减振后稳定的思路利用杜瓦及其载体的重心发生偏离时形成的扭矩阻碍状态的改变，并引入流体控制动态增加回归扭矩，再结合分级阻尼系数调节系统稳定性；采用类同心球体结构，杜瓦固定于内部球体，所述的球体通过非对称分布的滚动滑轮与不封闭的球形舱体连接，利用重力及其转换动力控制内部球体的旋转，从而在运动状态下无动力实现杜瓦的万向稳定。

②在固定杜瓦的内部球体和不封闭的球形舱体之间添加流体，利用其流动性和粘稠度，动态增加回归扭矩，并减弱稳定过程中的振荡。

③不封闭的球形舱体通过减震器与飞行器连接，实现先减振后稳定，从而消弱高频振动，为万向稳定创造积极的条件。

④固定杜瓦的内部球体和不封闭的球形舱体通过非对称分布的滚动滑轮连接，减小接触压力从而降低摩擦力，并通过在不同振幅的位置配置不同摩擦系数的滚动滑轮减弱稳定过程中不同程度的振荡。

所述的方法的相应的装置如图1-图3所示，简述描述如下（详见实施例）。

本发明中需要万向稳定的物体是杜瓦，其载体为一个不完整的球体，该球体通过上下几排采用点分布的球形滚动滑轮与一个不封闭的球形舱体接触，该球形滚动滑轮内部为一滚珠，并具有一定的弹性，用于与消除制造误差。此外，不封闭的球形舱体外形为长方体，通过三轴减震器与飞行器连接，以达到减弱甚至消除高频振动和晃动的效果。

为有效拉低杜瓦和不完整球体的整体重心，充分发挥重力万向稳定的潜力，将不完整的球体分成两部分，一部分采用密度高于1.5g/cm³的非金属实心半球体，另一部分采用密度低于0.8g/cm³的部分空心且不完整的非金属半球体，这两部分球体通过螺栓连接，并且还可在重心偏离方向对应的螺栓下添加相应的配重微调重心的偏置，杜瓦则置于这两个半球体中间的空腔内，通过摩擦力固定。考虑到杜瓦中的低温液体在SQUID工作时会挥发，如果将杜瓦放置在一个密闭的空间，则容易发生安全事故，这就是为何杜瓦的载体——球体和外部的球形舱体不能封闭的原因。为了制造和装配的需要，不封闭的球形舱体同样分为通过螺栓连接的两部分，其中下部采用中间有半球形凹槽的长方体，上部则采用与下部类似的结构，所不同的是在镜像后消除顶部一块，使上下均不封闭。此外，不封闭的球形舱体顶部安装限位销，防止杜瓦在突发情况下运动幅度过大。

在万向稳定的过程中为动态增加回归扭矩和防止振荡，在不完整球体和不封闭球形舱体的空隙中加入在常温下粘稠度比水高一倍以上的润滑油。当不封闭的球形舱随飞行器发生位置偏转时，润滑油带动不完整球体向不封闭的球形舱体中的最低处流动，同时由于润滑油的吸附力——粘稠度越高，吸附力越好，但流动性会越差，不完整球体的振荡会大大减弱。考虑到某些恶劣的情况下，仅仅依靠重力和润滑油的约束，不完整球体的摆动会偏大，为保险起见，在不封闭球形舱体的上部安装三组不同摩擦系数的球形滚动滑轮，其中第一组摩擦系数最小，用于不完整球体的限位，使不完整球体只能旋转，并且在变速运动状态下，为减弱动量产生的摩擦力，其位置应尽量靠近不完整球体上下球体的分界面；第二组摩擦系数适中，用于消弱不完整球体的振荡，故其安装位置应高出静止状态下的不完整球体一小部分；第三组摩擦系数偏大，用于防止不完整球体的剧烈运动，即防止杜瓦偏转角度过大。在不封闭球形舱体的下部则只安装一组用于支撑的低摩擦系数球形滚动滑轮，为减弱以重力为主产生的摩擦力，其位置应适当靠近不完整球体的底部。

本发明对于无安全和体积要求的密闭舱体也同样适用，而且在飞行状态平稳的情况下，可以完全依靠润滑油的作用即可完成万向稳定。

本发明公开了一种实现杜瓦万向稳定的无动力方法及相应的装置。针对超导量子干涉仪切割地球磁力线容易导致其读出电路失效以及装有低温液体的杜瓦在运动时存在挥发率剧增和安全性等问题，所述方法，基于先减振后稳定的思路利用杜瓦及其载体的重心发生偏离时形成的扭矩阻碍状态的改变，并引入流体控制动态增加回归扭矩，再结合分级阻尼系数调节系统稳定性。所述方法，采用类同心球体结构，杜瓦固定于内部球体，该球体通过非对称分布的滚动滑轮与不封闭的球形舱体连接，利用重力及其转换动力控制内部球体的旋转，从而在运动状态下无动力实现杜瓦的万向稳定。所述方法可有效地提高稳定装置的响应速度，并减弱甚至消除稳定过程中的振荡。

由此可见，本发明的有益效果是，可以在利用重力实现无动力万向稳定的同时，有效地提高稳定装置的响应速度，并减弱甚至消除稳定过程中的振荡。此外，所述的方法和装置具有实现简单，成本低的特点。

附图说明

图1是无动力万向稳定装置的纵剖面主视结构框图。

图2为图1A-A剖面图。

图3是球形滚动滑轮的结构示意图。

图中1.杜瓦，2.限位销，3.不封闭球形舱体的上部，4.第三组球形滚动滑轮，5.第二组球形滚动滑轮，6.第一组球形滚动滑轮，7.不封闭球形舱体的固定板，8.不封闭球形舱体的下部，9.第四组球形滚动滑轮，10.三轴减震器，11.润滑油，12.不完整球体的下部，13.不完整球体固定螺栓，14.不封闭球形舱体固定螺栓，15.不完整球体的上部，16.配重，17.不完整球体，18.不封闭球形舱体，19.螺柱，20.低弹性系数的橡胶，21.滚动珠体支撑块，22.球形滚动滑轮外壳，23.滚动珠体。

具体实施方式

为使本发明的目的、具体方案和优点更加清晰，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1中的杜瓦1是本发明需要通过无动力实现万向稳定的对象，其形状为圆柱体，是超导量子干涉仪的工作平台，正常工作时须装有液氦或者液氮。不完整球体的下部12和不完整球体的上部15通过不完整球体固定螺栓13连接成一整体——不完整球体17，不完整球体17通过摩擦力对杜瓦1进行固定，并作为杜瓦1的万向稳定载体。不封闭球形舱体的上部3和不封闭球形舱体的下部8通过不封闭球形舱体的固定板7和不封闭球形舱体固定螺栓14同样连接成一整体——不封闭球形舱体18，不封闭球形舱体18通过第一组球形滚动滑轮6和第四组球形滚动滑轮9采用点接触的方式支撑并限位不完整球体17，并且两者的球心重合。此外，4个限位销2均匀固定于不封闭球形舱体18的上方，而不封闭球形舱体18通过6个三轴减震器10固定于飞行器内。

考虑到在宽频段范围内实现万向稳定的难度很大，因此通过三轴减震器10分离不同频率的飞行器振动和晃动，从而可以通过减振系统消除高频部分的影响，再利用万向稳定装置滤除低频部分。这种先减振后稳定的思想在无动力万向稳定的实现中非常重要，它能有效提高系统的响应速度和稳定性。

无动力万向稳定装置几乎毫无例外地是通过重力来实现的，其工作原理是利用被稳定物体重心发生偏离时形成的扭矩阻碍状态的改变。本发明将杜瓦1固定于不完整球体17内，在其位置状态发生改变时，依靠重力及其转换作用力使不完整球体17在不封闭球形舱体18内旋转来实现万向稳定。

为使杜瓦1和不完整球体17的整体重力延长线通过不完整球体17的球心，并显著低于不完整球体17的球心，将其分成两部分，一部分采用密度高的实心半球体——不完整球体的下部12，材料选用密度大于1.5g/cm³的非金属材料，如聚四氟乙烯；另一部分采用密度偏低的不完整且部分空心的半球体——不完整球体的上部15，材料选用密度低于0.8g/cm³的非金属材料，如实木。并通过在不完整球体固定螺栓13下方添加配重16调整重心的偏置。为降低不完整球体17在不封闭球形舱体18内旋转的难度，在静止状态下，通过不对称配置的第一组球形滚动滑轮6和第四组球形滚动滑轮9采用点接触的方式支撑并限位不完整球体17，其中第一组球形滚动滑轮6的位置应靠近不完整球体17上下部的分界面，从而减弱动量产生的摩擦力；第四组球形滚动滑轮9的位置应适当靠近不完整球体的底部，从而减弱以重力为主产生的摩擦力。

考虑到仅依靠杜瓦1和不完整球体17的整体自身重力，万向稳定的响应速度和振荡很难协调，在不完整球体17和不封闭球形舱体18间加入按照美国汽车工程师协会的标准其粘稠度为10w-30的润滑油11，使其在万向稳定过程中既能动态增加回归扭矩，又能防止振荡。当不封闭的球形舱18随飞行器发生位置偏转时，润滑油11带动不完整球体17向不封闭的球形舱体中的最低处流动，同时由于润滑油的吸附力，不完整球体17的振荡会大大减弱。鉴于某些恶劣条件下，仅依靠重力和润滑油的约束，不完整球体17的摆动也会偏大，为保险起见，在不封闭球形舱体18的上部另外安装两组不同摩擦系数的球形滚动滑轮，其中第二组球形滚动滑轮5摩擦系数适中，用于消弱不完整球体17的振荡，其安装位置略高出静止状态下的不完整球体17一小部分；第三组球形滚动滑轮4摩擦系数偏大，用于防止不完整球体17的剧烈运动，即防止杜瓦1偏转角度偏大。此外，限位销2用于防止杜瓦1在突发情况下运动幅度过大。

图2中的8个第二组球形滚动滑轮5在不封闭球形舱体18的球面内均匀分布，从而减少单个第二组球形滚动滑轮5的受力，防止与不完整球体17的接触处变形。

图3中滚动珠体23在滚动珠体支撑块21和球形滚动滑轮外壳22的限位下与不完整球体17接触。考虑到不封闭球形舱体18的制造误差，因此在滚动珠体支撑块21的下方放置一块低弹性系数的橡胶20，从而进行补偿。球形滚动滑轮通过螺柱19与不封闭球形舱体18连接。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种实现杜瓦万向稳定的无动力的方法，其特征在于：

①基于先减振后稳定的思路利用杜瓦及其载体的重心发生偏离时形成的扭矩阻碍状态的改变，并引入流体控制动态增加回归扭矩，再结合分级阻尼系数调节系统稳定性；

②采用类同心球体结构，杜瓦固定于内部球体，所述的球体通过非对称分布的滚动滑轮与不封闭的球形舱体连接，利用重力及其转换动力控制内部球体的旋转，从而在运动状态下无动力实现杜瓦的万向稳定。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于在固定杜瓦的内部球体和不封闭的球形舱体之间添加流体，利用其流动性和粘稠度，动态增加回归扭矩，并减弱稳定过程中的振荡。

3.按权利要求1所述的方法，其特征在于不封闭的球形舱体通过减震器与飞行器连接，实现先减振后稳定，从而消弱高频振动，为万向稳定创造积极的条件。

4.按权利要求1所述的方法，其特征在于固定杜瓦的内部球体和不封闭的球形舱体通过非对称分布的滚动滑轮连接，减小接触压力从而降低摩擦力，并通过在不同振幅的位置配置不同摩擦系数的滚动滑轮减弱稳定过程中不同程度的振荡。

5.实现权利要求1-4中任一项所述的方法的相应的装置，其特征在于：

①不完整球体的下部（12）和不完整球体的上部（15）通过不完整球体固定螺栓（13）连接成一整体——不完整球体（17）；

②不完整球体（17）通过摩擦力对杜瓦（1）进行固定，并作为杜瓦（1）的万向稳定载体；杜瓦置于这两个半球中间的空腔内；

③不封闭球形舱体的上部（3）和不封闭球形舱体的下部（8）通过不封闭球形舱体的固定板（7）和不封闭球形舱体固定螺栓（14）连接成一整体——不封闭球形舱体（18）；

④不封闭球形舱体（18）通过第一组球形滚动滑轮（6）和第四组球形滚动滑轮（9）采用点接触的方式支撑并限位不完整球体（17），并且两者的球心重合。

6.按权利要求5所述的装置，其特征在于四个限位销（2）均匀固定于不封闭球形舱体（18）的上方，而不封闭球形舱体（18）通过6个三轴减震器（10）固定于飞行器内。

7.按权利要求5或6所述的装置，其特征在于：

①通过三轴减震器（10）分离不同频率的飞行器震动和晃动，通过减振系统消除高频部分的影响，再利用万向稳定装置滤除低频部分；

②杜瓦（1）和不完整球体（17）的整体重力延长线通过不完整整体（17）的球心。

8.按权利要求5所述的装置，其特征在于：

①不完整球体上半部（15）选用密度低于0.8g/cm³的非金属材料，不完整球体下半部（12）选用密度高于1.5g/cm³的非金属材料；

②不完整球体（17）和不封闭球形舱体（18）间加入润滑油（11），在万向稳定过程动态增加四归扭力，又防止振荡；

③在不封闭球形舱体（18）的上部另外安装两组不同摩擦系数的球形滚动滑轮，其中第二组球形滚动滑轮（5）摩擦系数适中，用于消弱不完整球体（17）的振荡，其安装位置略高出静止状态下的不完整球体（17）一小部分；

第三组球形滚动滑轮（4）摩擦系数偏大，用于防止不完整球体（17）的剧烈运动，即防止杜瓦（1）偏转角度偏大。

9.按权利要求8所述的装置，其特征在于第二组球形滚动滑轮5在不封闭球形舱体18的球面内均匀分布，从而减少单个第二组球形滚动滑轮5的受力，防止与不完整球体17的接触处变形。