CN104029829B - 基于双频激光干涉仪的垂向伺服机构测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

基于双频激光干涉仪的垂向伺服机构测量装置及方法，属于物理仿真领域。所述伺服机构测量装置包括气路部分、线性电机部分、传感器部分和垂向运动部分。本发明通过高压气瓶为内套筒腔部提供恒压气体，并通过气压控制器调节比例阀开度使外套筒部分得到重力补偿；通过外部工控机发送位置指令给控制器，控制器控制定子内部磁场实现垂向运动，驱动动子带动外套筒垂向运动；双频激光干涉仪实时测量当前位移量，并根据压力、温度、湿度测量单元测量的当前气压、温度、湿度对测量值实时校正，从而控制线性电机部分实现外套筒的高精度垂向运动。本发明具有控制方便、摩擦力小、行程长、精度高等优点。

Description

基于双频激光干涉仪的垂向伺服机构测量装置及方法

技术领域

本发明属于物理仿真领域，涉及一种模拟外太空无摩擦微重力环境的高精度伺服机构及利用其实现高精度垂向运动的方法。

背景技术

随着我国航天航空技术、计算机技术和自动化的不断飞速发展，不仅缩短了与发达国家之间的差距，同时也加速了国内物理仿真领域的发展。目前已广泛应用于航天、航空系统和国民经济的各个部门，尤其是对航天器。其在使用前必须进行地面的全物理仿真，用以方案论证和功能验证。物理仿真试验能够有效的缩短航天器的效费比，降低风险，缩短开发周期。

已有的仿真装置，如200610098165.2中公开了一种三维气浮平台，该平台的垂向伺服机构通过空压机将压缩空气经过处理后通过比例阀输入气缸内，驱动气浮活塞上下运动，通过控制器调整比例阀的开度控制流量，使气浮活塞上所支撑的仿真设备得到重力补偿。该装置存在以下几个问题：

1、因为气体对压力非常敏感，气缸无法做到零泄漏，所以气缸内压力的微小波动势必会影响垂向控制的精度。同时控制比较复杂。

2、由于仿真装置与放置于地面的气罐连接，导致其平动时无法做到无摩擦运动，限制其使用范围。

3、由于采用气浮活塞，导致其垂向测量很难做到缸体内部，影响其测量精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种便于控制、可靠性好、精度高的基于双频激光干涉仪的垂向伺服机构测量装置及利用其进行实时校正实现高精度垂向运动的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于双频激光干涉仪的伺服机构测量装置，包括气路部分、线性电机部分、传感器部分和垂向运动部分，其中：

所述的垂向运动部分由基座、内套筒、外套筒和上平面组成。内套筒的下端与基座无缝固联，外套筒的上端与上平面无缝固联，外套筒的下端套于内套筒上部的外面，内套筒与外套筒之间可以微小摩擦相互滑动；

所述的气路部分位于垂向运动部分外部，由高压气瓶、开关阀、比例阀、气压控制器组成，高压气瓶安装在基座上面，高压气瓶与内套筒之间连接有开关阀，比例阀与内套筒相连，气压控制器与比例阀连接，高压气瓶为气源，通过开关阀为机构内部提供高压气体，比例阀为排气阀，排除腔内气体，各部件之间通过耐压管线连接；

所述线性电机部分位于垂向运动部分内部，采用圆柱形线性电机，包括动子和定子，动子的一端和上平面固联，定子通过刚体与内套筒内壁上部固联，定子上固定有垂向运动控制器；

所述传感器部分位于垂向运动部分内部，由双频激光干涉仪和压力、温度、湿度测量单元组成，双频激光干涉仪由固定在内套筒底部的激光头、固定在内套筒内壁上的干涉镜和固定在定子底部的移动反射镜组成，压力、温度、湿度测量单元固定在垂向运动控制器上，检测环境的压力、温度和湿度。

本发明中，所述的比例阀可由气压控制器精确控制其精度，通过气压控制器控制比例阀排除内腔的气体，保证气体压力补偿外套筒和上平面的重力。

本发明中，所述的线性电机由固定在线性电机定子上的垂向运动控制器控制其内部磁场实现垂向运动，通过垂向运动控制器控制线性电机驱动线性电机动子带动外套筒垂向运动。

利用上述伺服机构测量装置进行实时校正方法，可根据当前环境检测的压力、温度和湿度值对腔内的空气折射率进行补偿，进而提高位移的测量精度，具体步骤如下：

一、打开开关阀，通过高压气瓶为内套筒腔部提供恒压气体，并通过气压控制器调节比例阀开度使外套筒部分得到重力补偿；

二、通过外部工控机发送位置指令给垂向运动控制器，垂向运动控制器控制定子内部磁场实现垂向运动，驱动动子带动外套筒垂向运动；

三、双频激光干涉仪实时测量当前位移量，并根据压力、温度、湿度测量单元测量的当前气压、温度、湿度对测量值实时校正，从而控制线性电机部分实现外套筒的高精度垂向运动。

本发明通过气瓶为内套筒腔部提供恒压气体，并通过调节出口阀开度使外套筒部分得到重力补偿。利用双频激光干涉仪实时测量当前位移，并根据当前气压、温度、湿度对测量值实时校正，从而控制线性电机实现外套筒的高精度垂向运动。与现有技术相比，本发明的优点如下：

1、控制简单

采用线性电机控制，具有摩擦小、响应快、噪声低、效率高、控制简单等优点。

2、载重大，适用范围广

采用气浮技术，载重大。

3、精度高

采用双频激光干涉仪，细分后可达到纳米量级。

附图说明

图1为本发明基于双频激光干涉仪的伺服机构测量装置的结构简图；

图2为本发明的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限如此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

参照图1，本发明提供的线性电机和气浮复合驱动的垂向伺服机构主要包括高压气瓶1、上平面2、外套筒3、内套筒4、开关阀5、压力、温度、湿度测量单元6、比例阀7、气压控制器8、基座9、线性电机动子10、垂向运动控制器11、线性电机定子12、移动反射镜13、干涉镜14和激光头15。

高压气瓶1安装在基座9上面。内套筒4的下端与基座9之间无缝固联，不会存在漏气。高压气瓶1与内套筒4之间连接有一个开关阀5，比例阀7与内套筒4相连，气压控制器8与比例阀7相连。外套筒3的上端与上平面2之间无缝固联，下端套于内套筒4上部的外面，内外套筒接触面之间形成气膜面，使之可以相互微小摩擦滑动。内套筒4的底部固定有激光头15，内壁上固定有干涉镜14，线性电机定子12的底部固定有移动反射镜13，移动反射镜13、干涉镜14和激光头15组成双频激光干涉仪16，实时测量当前位移量。线性电机定子12通过刚体与内套筒4内壁固联，线性电机定子12上固定有垂向运动控制器11，压力、温度、湿度测量单元6固定在垂向运动控制器11上，检测环境的压力、温度和湿度。线性电机动子10一端与上平面2固联，使之与上平面2一同运动。

如图2所示，打开开关阀5为内套筒4充气，通过气压控制器8控制比例阀7的开度，使内腔内压力接近补偿重力。通过外部工控机17发送位置指令给垂向运动控制器11，垂向运动控制器11控制线性电机定子12绕组电流大小，从而控制磁场磁感应强度，驱动线性电机动子10垂向运动。双频激光干涉仪实时测量当前位移量，激光干涉仪中计算位移所使用的空气折射率由压力、温度、湿度测量单元6测量当前时刻的压力、温度、湿度根据Edlen公式决定。Edlen公式本身的精度为5×10^-8，如此便极大的消除了压力、温度、湿度等环境因素对测量产生的影响，提高了测量精度。

Claims (4)

1.一种基于双频激光干涉仪的垂向伺服机构测量装置，包括气路部分和垂向运动部分，所述的垂向运动部分由基座、内套筒、外套筒和上平面组成，内套筒的下端与基座无缝固联，外套筒的上端与上平面无缝固联，外套筒的下端套于内套筒上部的外面；所述的气路部分位于垂向运动部分外部，由高压气瓶、开关阀、比例阀、气压控制器组成，高压气瓶安装在基座上面，高压气瓶与内套筒之间连接有开关阀，比例阀与内套筒相连，气压控制器与比例阀连接；其特征在于所述伺服机构测量装置还包括线性电机部分和传感器部分，其中：

所述线性电机部分位于垂向运动部分内部，包括动子和定子，动子的一端和上平面固联，定子通过刚体与内套筒内壁上部固联，定子上固定有垂向运动控制器；

所述传感器部分位于垂向运动部分内部，由双频激光干涉仪和压力、温度、湿度测量单元组成，双频激光干涉仪由固定在内套筒底部的激光头、固定在内套筒内壁上的干涉镜和固定在定子底部的移动反射镜组成，压力、温度、湿度测量单元固定在垂向运动控制器上。

2.根据权利要求1所述的基于双频激光干涉仪的垂向伺服机构测量装置，其特征在于所述线性电机部分采用圆柱形线性电机。

3.根据权利要求1所述的基于双频激光干涉仪的垂向伺服机构测量装置，其特征在于所述气路部分的各部件之间通过耐压管线连接。

4.一种利用权利要求1-3任一权利要求所述的伺服机构测量装置进行实时校正实现高精度垂向运动的方法，其特征在于所述方法步骤如下：

一、打开开关阀，通过高压气瓶为内套筒腔部提供恒压气体，并通过气压控制器调节比例阀开度使外套筒部分得到重力补偿；

二、通过外部工控机发送位置指令给垂向运动控制器，垂向运动控制器控制定子内部磁场实现垂向运动，驱动动子带动外套筒垂向运动；

三、双频激光干涉仪实时测量当前位移量，并根据压力、温度、湿度测量单元测量的当前气压、温度、湿度对测量值实时校正，从而控制线性电机部分实现外套筒的高精度垂向运动。