CN104615166B - 一种空间转台轴系预紧力的热微调节系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种空间转台轴系预紧力的热微调节系统，包括执行模块、控制模块、采集模块以及工控机；控制模块、采集模块的信号输入端分别与执行模块的信号输出端电连接；控制模块的信号输出端与执行模块的信号输入端电连接；控制模块、工控机的信号输入端分别与采集模块的信号输出端电连接。本发明在地面环境和空间环境中均可以使用；在地面环境中，可以弥补现有轴系预紧力施加方法的弊端；当运动机构装配完成后，如果轴系预紧力与设定的预紧力出现偏差，不可能将运动机构重新拆装，可以通过该热微调节方法进行微调节；在空间环境，由于空间转台的失重，轴系预紧力发生变化，可通过该热微调节方法进行调整。

Description

一种空间转台轴系预紧力的热微调节系统及方法

技术领域

本发明属于空间有效载荷领域，涉及一种空间转台轴系预紧力的热微调节系统及方法。

背景技术

空间转台轴系的轴承一般为角接触球轴承，具有结构简单、精度高、可同时承受轴向和径向载荷，一般常采用背对背安装，提供刚性相对较高的轴承配置，并且可以承受倾覆力矩。

空间转台轴承在正常工作状态下都要预加一定的轴向载荷，其主要目的是提高轴承的旋转精度、减小高速下滚动体的滑动，提高轴承刚性，减小支承的轴向和径向的窜动量，提高轴承阻尼、降低噪声以及提高轴承使用寿命等；轴承的预紧力越大，摩擦力也越大，电机需要的驱动力也越大；反之，轴承的预紧力减小，摩擦力变小，电机需要的驱动力也变小；如果轴承的摩擦力太大，电机驱动力矩不够，可能导致转台轴系卡死，因此要选取合适的预紧力施加。

现有的施加预紧力的通用做法是通过修切轴承内隔圈和外隔圈的高度差来实现，通过研磨轴承内外隔圈的高度获得轴系需要施加的预紧力。

但是，当空间转台进入太空轨道后，由于空间力学环境的特殊性，在太空中运动机构处于失重状态下，轴系预紧力较之地面发生变化；但由于使用环境的特殊性，使得空间转台轴系的预紧力在空间环境中无法进行调整；因此需要一种能够对空间转台轴承合适的施加预紧力，且能够保持空间转台轴承在地面、失重状态以及其它环境条件下合理的调节预紧力的系统。

发明内容

为了解决上述背景技术所存在的技术问题，本发明提供一种空间转台轴系预紧力的热微调节系统及方法。

本发明的技术解决方案是：

本发明提供一种空间转台轴系预紧力的热微调节系统，其特殊之处在于：包括执行模块、控制模块、采集模块以及工控机；

所述控制模块、采集模块的信号输入端分别与执行模块的信号输出端电连接；

所述控制模块的信号输出端与执行模块的信号输入端电连接；

所述控制模块、工控机的信号输入端分别与采集模块的信号输出端电连接。

所述执行模块包括加热片、热敏电阻以及力传感器；所述执行模块用于对转台轴系进行加热且感应转台轴系的预紧力和温度；

所述控制模块包括温度控制器和电源控制器；所述控制模块用于控制执行模块加热片的温度且对整个执行模块进行供电；

所述采集模块为信号数据采集处理器；所述采集模块用以采集执行模块中热敏电阻、力传感器的温度和预紧力的电信号，通过A/D转换器将电信号转换为数字量，并分别将温度数字量传输给控制模块、温度和预紧力数字量传输到工控机；

所述工控机为终端接收器用以接收采集模块传输的温度、预紧力的数字量数据，并进行储存和显示；

上述加热片、热敏电阻以及力传感器均设置在转台轴系的内侧壁上且加热片、热敏电阻、力传感器均至少设置一个；

本发明提供一种空间转台轴系预紧力的热微调节方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1】开启热微调节系统，进行初始运行，并设定温度控制器的预设温度阈值；

2】进行传感感应；通过执行模块的热敏电阻感应转台轴系的温度T、力传感器感应转台轴系的预紧力F；

3】将步骤2中温度T和预紧力F电信号传输到采集模块；

4】将采集模块接收到的温度T、预紧力F电信号进行信号转换并输出：

4.1】采集模块通过A/D转换器，将温度T、预紧力F电信号转换为数字量，并将温度T数字量传送给控制模块；

4.2】同时将步骤4.1中的温度T、预紧力F数字量传输到工控机；

5】开启加热片的达林顿管，重复步骤2至步骤4的操作，直至控制模块的温度控制器接收到的温度T数字量与预设温度阈值一致为止；

并计算每一固定单位时间内的温度差值ΔT₁、ΔT₂、…ΔT_n以及每一固定单位时间内的温度差值ΔT₁、ΔT₂、…ΔT_n所对应的的预紧力差值ΔF₁、ΔF₂、…ΔF_n；

6】待控制模块的温度控制器接收到的温度T数字量与预设温度阈值保持一致且相对稳定时，则关闭加热片的达林顿管；若控制模块的温度控制器接收到的温度T数字量低于预设温度阈值，则重复步骤5操作；

上述步骤还包括记录且整理步骤5中温度差值ΔT对应的预紧力差值ΔF的变化量规律，并通过温度差值ΔT调节温度T从而改变轴系预紧力F；

上述还包括步骤7：

7】将传输到工控机中的温度数字量以及预紧力数字量进行数据存储、显示、保存。

本发明的优点：

1）本发明的空间转台轴系预紧力的热微调节系统及方法，在地面环境和空间环境中均可以使用；在地面环境中，可以弥补现有轴系预紧力施加方法的弊端；当运动机构装配完成后，如果轴系预紧力与设定的预紧力出现偏差，不可能将运动机构重新拆装，可以通过该热微调节方法进行微调节；在空间环境，由于空间转台的失重，轴系预紧力发生变化，可通过该热微调节方法进行调整；

2）本发明实施方便，并通过直接测量获得更准确的数据，从而进行准确的控制。

附图说明

图1为本发明空间转台轴系预紧力的热微调节系统结构示意图；

图2为本发明空间转台轴系预紧力的热微调节系统整体应用结构示意图；

图3为本发明空间转台轴系预紧力的热微调节方法流程示意图。

具体实施方式

本发明提供一种空间转台轴系预紧力的热微调节系统，包括执行模块、控制模块、采集模块以及工控机；控制模块、采集模块的信号输入端分别与执行模块的信号输出端电连接；控制模块的信号输出端与执行模块的信号输入端电连接；控制模块、工控机的信号输入端分别与采集模块的信号输出端电连接。

执行模块包括加热片、热敏电阻以及力传感器；执行模块用于对转台轴系进行加热且感应转台轴系的预紧力和温度；控制模块包括温度控制器和电源控制器；控制模块用于控制执行模块加热片的温度且对整个执行模块进行供电；采集模块为信号数据采集处理器；采集模块用以采集执行模块中热敏电阻、力传感器的温度和预紧力的电信号，通过A/D转换器将电信号转换为数字量，并分别将温度数字量传输给控制模块、温度和预紧力数字量传输到工控机；工控机为终端接收器用以接收采集模块传输的温度、预紧力的数字量数据，并进行储存和显示。

加热片、热敏电阻以及力传感器均设置在转台轴系的内侧壁上且加热片、热敏电阻、力传感器均至少设置一个。

本发明提供一种空间转台轴系预紧力的热微调节方法，包括以下步骤：

1】开启热微调节系统，进行初始运行，并设定温度控制器的预设温度阈值；

2】进行传感感应；通过执行模块的热敏电阻感应转台轴系的温度T、力传感器感应转台轴系的预紧力F；

3】将步骤2中温度T和预紧力F电信号传输到采集模块；

4】将采集模块接收到的温度T、预紧力F电信号进行信号转换并输出：

4.1】采集模块通过A/D转换器，将温度T、预紧力F电信号转换为数字量，并将温度T数字量传送给控制模块；

4.2】同时将步骤4.1中的温度T、预紧力F数字量传输到工控机；

5】开启加热片的达林顿管，重复步骤2至步骤4的操作，直至控制模块的温度控制器接收到的温度T数字量与预设温度阈值一致为止；

并计算每一固定单位时间内的温度差值ΔT₁、ΔT₂、…ΔT_n以及每一固定单位时间内的温度差值ΔT₁、ΔT₂、…ΔT_n所对应的的预紧力差值ΔF₁、ΔF₂、…ΔF_n；

6】待控制模块的温度控制器接收到的温度T数字量与预设温度阈值保持一致且相对稳定时，则关闭加热片的达林顿管；若控制模块的温度控制器接收到的温度T数字量低于预设温度阈值，则重复步骤5操作。

上述步骤还包括记录且整理步骤5中温度差值ΔT对应的预紧力差值ΔF的变化量规律，并通过温度差值ΔT调节温度T从而改变轴系预紧力F。

还包括步骤7：

7】将传输到工控机中的温度数字量以及预紧力数字量进行数据存储、显示、保存。本发明利用材料的热-结构特性进行设计，设计如下：

1、设计思路

（1）在轴承外圈安装部件和轴承内圈安装部件上分别安装一路加热回路，每路加热回路可设计由几片加热片并联或串联实现，加热回路阻值为R₁、R₂；

（2）在轴承外圈安装部件和轴承内圈安装部件上再分别布置几个热敏电阻用来感应轴承内圈和外圈安装部件的温度T₁、T₂…T_n；

（3）根据轴系预紧力传递过程，在轴承外隔圈上布置几个两向力传感器，用来感应轴系预紧力F及预紧力变化ΔF；

（4）使用采集模块采集温度和力的信号，并且将温度数据发送到控制模块，经过实测温度数值和设定温度值进行比对，开启或关闭加热回路；

（5）加热轴承内圈或外圈安装部件，产生温度差ΔT，利用热-结构特性，从而使轴承内圈或外圈安装部件产生轴向或径向的接触应力和接触变形，该接触应力传递到轴承上，从而改变轴系的预紧力F；

（6）预紧力F的变化可以从力传感器上反映，不同的温度梯度ΔT对应不同的预紧力变化ΔF；

（7）通过试验获得一系列的ΔT₁ΔT₂…ΔT_n对应不同的预紧力变化ΔF₁ΔF₂…ΔF_n，转台装配完成后及发射进入太空后，可通过调节ΔT从而改变轴系预紧力。

2、材料选用

原用的空间转台轴系选用的材料很普遍，对装置的材料要求不大；但是但是针对空间环境中，对于材料的选用就要符合一些要求，所以轴承内圈安装部件和轴承外圈安装部件选用的材料可以相同，也可不同，不过选用热膨胀系数不同的材料，可以调节的范围较大些；轴承内圈安装部件可选用铝合金，轴承外圈安装部件可选用钛合金，由于铝合金的热膨胀系数约为23.6×10^-6/℃，而钛合金的热膨胀系数约为8.8×10^-6/℃，两者相差2倍，采用该方法可以调节的范围较大。

3、组织架构

本发明系统大体包括两部分，一部分为轴承安装部件上布置的执行模块，包括加热片、热敏电阻以及力传感器；第二部分为数据采集及处理设备，包括采集模块、控制模块和工控机组成。

第一部分的加热片为经过设计的阻值为R的加热片，热敏电阻及力传感器都是经过标定的器件，温度及力传感器采集的信号为电信号。

第二部分为数据采集及处理设备，包括采集模块、控制模块和工控机组成。

采集模块通过A/D转换器，将温度、力电信号模拟量转换为数字量，将温度数字量传送给控制模块，同时将温度、力数字量直接传输到工控机存储、显示；

控制模块根据温度数字量，与预设的温度阈值进行比较与判别，根据判别的结果，产生相应的加热片开关机控制信号，控制加热片输出通道的达林顿管的截止与导通；

工控机负责接收采集模块传输过来的温度、力数字量，存储与显示。

4、实施步骤

（1）首先在轴承外圈安装部件和轴承内圈安装部件上分别粘贴若干加热片，将轴承外圈安装部件上的加热片并联或串联获得加热回路一的阻值R₁（该阻值应为设计阻值），将轴承内圈安装部件上的加热片并联或串联获得加热回路而的阻值R₂（该阻值应为设计阻值）；

（2）在轴承外圈安装部件和轴承内圈安装部件上分别布置几个热敏电阻；

（3）在轴承外隔圈上布置几个两向力传感器；

（4）使用采集模块采集温度和力的信号，并且将温度数据发送到控制模块，经过实测温度数值和设定温度值进行比对，开启或关闭加热回路，若供电电压为U，那么加热回路1和加热回路2的加热功率分别为W₁=U²/R₁，W₂=U²/R₂；

（5）通过控制模块对轴承内圈或外圈安装部件进行加热，产生温度差ΔT，可观察力传感器上的预紧力F的变化，不同的温度梯度ΔT对应不同的预紧力变化ΔF；

（6）通过试验获得一系列的ΔT₁ΔT₂…ΔT_n对应不同的预紧力变化ΔF₁ΔF₂…ΔF_n，转台装配完成后及发射进入太空后，可通过调节ΔT从而改变轴系预紧力。

Claims (3)

1.一种空间转台轴系预紧力的热微调节方法，其特征在于：包括以下步骤：

1】开启热微调节系统，进行初始运行，并设定温度控制器的预设温度阈值；

2】进行传感感应；通过执行模块的热敏电阻感应转台轴系的温度T、力传感器感应转台轴系的预紧力F；

3】将步骤2中温度T和预紧力F电信号传输到采集模块；

4】将采集模块接收到的温度T、预紧力F电信号进行信号转换并输出：

4.1】采集模块通过A/D转换器，将温度T、预紧力F电信号转换为数字量，并将温度T数字量传送给控制模块；

4.2】同时将步骤4.1中的温度T、预紧力F数字量传输到工控机；

5】开启加热片的达林顿管，重复步骤2至步骤4的操作，直至控制模块的温度控制器接收到的温度T数字量与预设温度阈值一致为止；

并计算每一固定单位时间内的温度差值ΔT₁、ΔT₂、…ΔT_n以及每一固定单位时间内的温度差值ΔT₁、ΔT₂、…ΔT_n所对应的的预紧力差值ΔF₁、ΔF₂、…ΔF_n；

6】待控制模块的温度控制器接收到的温度T数字量与预设温度阈值保持一致且相对稳定时，则关闭加热片的达林顿管；若控制模块的温度控制器接收到的温度T数字量低于预设温度阈值，则重复步骤5操作。

2.根据权利要求1所述的空间转台轴系预紧力的热微调节方法，其特征在于：还包括记录且整理步骤5中温度差值ΔT对应的预紧力差值ΔF的变化量规律，并通过温度差值ΔT调节温度T从而改变轴系预紧力F。

3.根据权利要求2所述的空间转台轴系预紧力的热微调节方法，其特征在于：还包括步骤7：

7】将传输到工控机中的温度数字量以及预紧力数字量进行数据存储、显示、保存。