CN105217058B - 飞行器模拟气浮台质量特性调整装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种飞行器模拟气浮台质量特性调整装置及方法，调整装置，包括基座、气浮轴承副、负载台面、惯量环、粗调平衡机构、两个精调平衡机构、垫铁和液压千斤顶调整垫铁；负载台面安装在气浮轴承副上，惯量环安装在负载台面外侧，粗调平衡机构安装在惯量环上，精调平衡机构安装在负载台面下方，基座下方通过垫铁和液压千斤顶调整垫铁支撑在地基上；当不平衡质量越小，单摆的周期越大，因此可以利用单摆周期的大小来判断系统的平衡程度，并且可以利用单摆周期计算出系统在何时完成粗调过程进行精调过程。本发明计算原理简单，调整过程工程上易于实现、便于维护。

Description

飞行器模拟气浮台质量特性调整装置及方法

技术领域

本发明涉及测量技术，具体涉及一种飞行器模拟气浮台质量特性调整装置及方法。

背景技术

空间飞行器全物理地面仿真试验对于空间飞行器的研制具有重要的意义，在其核心设备——基于气浮轴承构建的气浮仿真系统中，高压空气在轴与轴承座之间形成气膜使模拟台体浮起，从而实现在外层空间所受干扰力矩很小的力学环境的仿真测试，实现这种力学环境的—个非常关键的问题就是台体质量特性的调整，直接体现为台体综合干扰力矩，因此飞行器模拟气浮台质量特性的调整研究具有重要的应用价值。

经检索文献发现，李季苏、牟小刚等在论文“大型卫星三轴气浮台全物理仿真系统”(见《控制工程》，2001年，第3期，页码22-26)中介绍了一种大型卫星三轴气浮台全物理仿真系统的组成、技术指标和用途等。

中国发明专利号：200610009797.7，专利名称为：气浮转台外加载荷质心调整装置，通过调整安装在气浮台上的螺栓螺母机构调整转台的质心，有手动电动两种工作方式，没有涉及具体平衡方法。

李延斌、包钢、王祖温、吕彦东等在论文“三自由度气浮台自动平衡系统动力学建模”(见《中国惯性技术学报》，2005年，13卷第5期，页码83-87)中从理论上给出了三轴气浮台自动平衡装置，没有给出具体的实施方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种飞行器模拟气浮台质量特性调整装置及方法，原理简单、工程上易于实现、便于维护。

本发明采用以下技术方案予以实现：一种飞行器模拟气浮台质量特性调整装置，包括基座(1)、气浮轴承副(2)、负载台面(3)、惯量环(4)、粗调平衡机构(5)、两个精调平衡机构(6)、垫铁(7)和液压千斤顶调整垫铁(8)；其特征在于：气浮轴承副(2)安装在基座(1)上，负载台面(3)安装在气浮轴承副(2)上，惯量环(4)安装在负载台面(3)外侧，粗调平衡机构(5)安装在惯量环(4)上，精调平衡机构(6)安装在负载台面(3)下方，基座(1)下方通过垫铁(7)和液压千斤顶调整垫铁(8)支撑在地基上；在负载台面上不平衡的位置的对侧相对应位置添加相同质量的粗调质量块到粗调平衡机构(5)上，粗调平衡机构能够在惯量环上沿径向前后移动；在负载台面(3)底面上正交布置两个精调平衡机构(6)，精调平衡机构(6)上安装有丝杠，丝杠上安装有精调质量块，通过转动丝杠调整精调质量块的位置实现调平衡。

本发明还具有如下技术特征：

1、根据权利要求1所述的一种飞行器模拟气浮台质量特性调整装置，其特征在于：所述惯量环(4)采用环形结构。

2、采用如权利要求1或2所述的一种飞行器模拟气浮台质量特性调整装置得出的一种飞行器模拟气浮台质量特性调节及测量方法，其特征在于，方法步骤如下：

步骤一：当气浮台安装好后，系统上电，首先将精调平衡机构的两个质量滑块移动到其行程的中间位置，然后在基座底部用液压千斤顶将气浮台向上顶起高度c，使气浮台相对于水平面倾斜角度θ；

步骤二：由于系统不平衡，负载台面发生转动，当负载台面停止转动时质量最大的部分会转动到台面的最下端，此时手动将转台转动一个角度，利用测角元件测出此角度大小为x，松手后，转台会做单摆运动，利用测角装置记录负载台面从速度为0到某一微小时刻t转动的角度s，通过公式(1)计算得到负载台面的角加速度a

a＝2s/t² (1)

进而再利用公式(2)(3)得到粗调质量块的质量：

Ja＝FL (2)

F＝G sinθsinβ (3)

其中：J为转台转动惯量，G为引起不平衡的质量块重力，θ为转台倾斜角度，β为单摆运动时平衡位置到最高点对应的夹角，其大小通过测角装置直接测得；

在负载台面最高点添加上述公式计算出的第一组粗调质量块质量大小和位置，其质心到回转中心距离L大小已知；

步骤三：加完第一组粗调质量块之后，若系统仍不平衡，负载台面重的一端在最下端仍会做单摆运动；当负载台面停止时，测得转台相对步骤二的平衡位置往回转动了角度y；手动将转台继续转动某一角度，计算出最大时不平衡力矩M₃，将此不平衡力矩与(M+m₀gLsinθ)比较，

其中，m₀为系统允许的不平衡质量，θ为负载台面的倾斜角度，g为重力加速度，而M大小如公式(4)所示，

其中m₂为精调质量块的质量，L₁为该滑块的总行程，M为当精调平衡机构摆动到x轴对称两侧时，精调平衡机构所能提供的最大转矩；

如果计算得到的不平衡力矩M₃大于M，则进行步骤四，否则就进行精调平衡机构调节平衡，精调质量块移动的距离计算公式如下：

Jα＝m₁g sinθsin x·L

其中，x是单摆运动最高点到平衡位置的夹角，α为精调质量块与y轴夹角，进而利用方程组(5)求出精调质量块移动的距离ΔL₁、ΔL₂；

m₁为待求的精调平衡块质量；

步骤四：转台停止旋转时，台面将回到此时的平衡位置，在台面高端添加第二组粗调质量块，第二组粗调质量块的质量大小和位置由步骤二中公式计算所得；

步骤五：添加第二组粗调质量块后，重复步骤三；

步骤六：气浮台调好平衡后，缓慢地将液压千斤顶下降，使得气浮台实验台面水平。

本发明的特点和优点：

本发明采用环形惯量环，便于质量特性的调整，提出的质量特性调整方法采用手动自动相结合的方式，计算原理简单，调整过程工程上易于实现、便于维护

附图说明

图1是飞行器模拟气浮台质量特性调整装置侧视图；

图2是飞行器模拟气浮台质量特性调整装置俯视图；

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1-2所示，一种飞行器模拟气浮台质量特性调整装置，包括基座1、气浮轴承副2、负载台面3、惯量环4、粗调平衡机构5、两个精调平衡机构6、垫铁7和液压千斤顶调整垫铁8；气浮轴承副2安装在基座1上，负载台面3安装在气浮轴承副2上，惯量环4安装在负载台面3外侧，粗调平衡机构5安装在惯量环4上，精调平衡机构6安装在负载台面3下方，基座1下方通过垫铁7和液压千斤顶调整垫铁8支撑在地基上；在负载台面上不平衡的位置的对侧相对应位置添加相同质量的粗调质量块到粗调平衡机构5上，粗调平衡机构能够在惯量环上沿径向前后移动；在负载台面3底面上正交布置两个精调平衡机构6，精调平衡机构6上安装有丝杠，丝杠上安装有精调质量块，通过转动丝杠调整精调质量块的位置实现调平衡。所述惯量环4采用环形结构；由四组模块组装而成；

实施例2

采用如实施例1所示的一种飞行器模拟气浮台质量特性调整装置，得出的一种飞行器模拟气浮台质量特性调节及测量方法，如下：

步骤一：当气浮台安装好后，系统上电，首先将精调平衡机构的两个质量滑块移动到其行程的中间位置，然后在基座底部用液压千斤顶将气浮台向上顶起高度c，使气浮台相对于水平面倾斜角度θ；

步骤二：由于系统不平衡，负载台面发生转动，当负载台面停止转动时质量最大的部分会转动到台面的最下端，此时手动将转台转动一个角度，利用测角元件测出此角度大小为x，松手后，转台会做单摆运动，利用测角装置记录负载台面从速度为0到某一微小时刻t转动的角度s，通过公式(1)计算得到负载台面的角加速度a

a＝2s/t² (1)

进而再利用公式(2)(3)得到粗调质量块的质量：

Ja＝FL (2)

F＝G sinθsinβ (3)

其中：J为转台转动惯量，G为引起不平衡的质量块重力，θ为转台倾斜角度，β为单摆运动时平衡位置到最高点对应的夹角，其大小通过测角装置直接测得；

在负载台面最高点添加上述公式计算出的第一组粗调质量块质量大小和位置，其质心到回转中心距离L大小已知；

步骤三：加完第一组粗调质量块之后，若系统仍不平衡，负载台面重的一端在最下端仍会做单摆运动；当负载台面停止时，测得转台相对步骤二的平衡位置往回转动了角度y；手动将转台继续转动某一角度，计算出最大时不平衡力矩M₃，将此不平衡力矩与(M+m₀gLsinθ)比较，

其中，m₀为系统允许的不平衡质量，θ为负载台面的倾斜角度，g为重力加速度，而M大小如公式(4)所示，

其中m₂为精调质量块的质量，L₁为该滑块的总行程，M为当精调平衡机构摆动到x轴对称两侧时，精调平衡机构所能提供的最大转矩；

如果计算得到的不平衡力矩M₃大于M，则进行步骤四，否则就进行精调平衡机构调节平衡，精调质量块移动的距离计算公式如下：

Jα＝m₁g sinθsin x·L

其中，x是单摆运动最高点到平衡位置的夹角，α为精调质量块与y轴夹角，进而利用方程组(5)求出精调质量块移动的距离ΔL₁、ΔL₂；

m₁为待求的精调平衡块质量；

步骤四：转台停止旋转时，台面将回到此时的平衡位置，在台面高端添加第二组粗调质量块，第二组粗调质量块的质量大小和位置由步骤二中公式计算所得；

步骤五：添加第二组粗调质量块后，重复步骤三；

步骤六：气浮台调好平衡后，缓慢地将液压千斤顶下降，使得气浮台实验台面水平。

如将负载台面水平放置调平衡时，由于系统不产生不平衡力矩，无法进行配平衡，因此需要利用液压千斤顶将基座顶起，其顶起的角度不超过气浮台设计上所允许倾斜的最大角度。

当台体倾斜时，由于气浮轴承摩擦力非常小，负载台面重的一端会在重力的作用下向下转动，并且以某个角度在下端进行单摆运动，单摆摆动频率越大，说明不平衡转矩越大。

粗调过程中，在负载台面上不平衡位置的对侧相同位置添加相同质量的质量块到粗调平衡机构上，粗调平衡机构可以在惯量环上沿径向前后移动。

精调是在负载台面底面上正交布置两个精调平衡机构，通过转动丝杠调整质量块的位置实现调平衡。

实施例3

关于气浮台系统平衡的判断，理论上将转台转动任何位置都可以停下来，就说明系统平衡。但实际工程中无法达到理想情况，可以采用如下办法说明系统平衡：

当调整好精调质量块后，转台会做速度缓慢的单摆运动，初始时刻转台速度为0，此时刻作为初始时刻，利用测角元件测量出转台速度再次为0时，计算出转台摆动了半个周期对应时间t，利用整个周期2t与此系统允许的不平衡力矩对应的单摆周期T进行比较，如果单摆周期大于T秒说明满足系统平衡精度要求。

当系统不平衡时，气浮台实验台面会做单摆运动，利用下述公式计算单摆运动的周期：

式中，J为系统的转动惯量，G为不平衡质量块的重力，θ为转台倾斜的角度，L为不平衡质量块质心到回转中心的距离。

利用上述公式可以看出，当不平衡质量越小，单摆的周期越大，因此可以利用单摆周期的大小来判断系统的平衡程度，并且可以利用单摆周期计算出系统在何时完成粗调过程进行精调过程。

下面以实验台面不水平度误差角度为15角秒时，对应实验台面倾斜2.43°、转动惯量为6000kgm²情况下的单摆周期及不平衡质量块大小。

设定在转台负载盘水平时(考虑实际倾斜角度15角秒)允许转台不平衡质量产生的力矩30gcm，不平衡力矩公式(在负载盘倾斜15角秒时)：

GL sinθ＝mgL sin(15/3600)＝30gcm

得到mL＝4.21kgm，则不平衡质量块的大小和位置是回转中心与质心距离为1.5m时的不平衡质量达到2.8kg。

单摆周期大小为：

则说明当系统转动惯量6000kgm²，负载平面倾斜角度2.43°时，其系统允许的单摆周期为368s，即单摆周期大于368s时认为系统平衡。

Claims (1)

1.一种飞行器模拟气浮台质量特性调节及测量方法，采用的飞行器模拟气浮台质量特性调整装置，包括基座(1)、气浮轴承副(2)、负载台面(3)、惯量环(4)、粗调平衡机构(5)、两个精调平衡机构(6)、垫铁(7)和液压千斤顶调整垫铁(8)；气浮轴承副(2)安装在基座(1)上，负载台面(3)安装在气浮轴承副(2)上，惯量环(4)安装在负载台面(3)外侧，粗调平衡机构(5)安装在惯量环(4)上，精调平衡机构(6)安装在负载台面(3)下方，基座(1)下方通过垫铁(7)和液压千斤顶调整垫铁(8)支撑在地基上；在负载台面(3)上不平衡的位置的对侧相对应位置添加相同质量的粗调质量块到粗调平衡机构(5)上，粗调平衡机构能够在惯量环上沿径向前后移动；在负载台面(3)底面上正交布置两个精调平衡机构(6)，精调平衡机构(6)上安装有丝杠，丝杠上安装有精调质量块，通过转动丝杠调整精调质量块的位置实现调平衡；所述惯量环(4)采用环形结构，其特征在于，方法步骤如下：

步骤一：当气浮台安装好后，系统上电，首先将精调平衡机构的两个质量滑块移动到其行程的中间位置，然后在基座底部用液压千斤顶将气浮台向上顶起高度c，使气浮台相对于水平面倾斜角度θ；

步骤二：由于系统不平衡，负载台面发生转动，当负载台面停止转动时质量最大的部分会转动到台面的最下端，此时手动将负载台面转动一个角度，利用测角元件测出此角度大小为x，松手后，负载台面会做单摆运动，利用测角装置记录负载台面从速度为0到某一微小时刻t转动的角度s，通过公式(1)计算得到负载台面的角加速度a

a＝2s/t² (1)

进而再利用公式(2)(3)得到粗调质量块的质量：

Ja＝FL (2)

F＝Gsinθsinβ(3)

其中：J为负载台面转动惯量，G为引起不平衡的质量块重力，θ为负载台面倾斜角度，β为单摆运动时平衡位置到最高点对应的夹角，其大小通过测角装置直接测得；

在负载台面最高点添加上述公式计算出的第一组粗调质量块质量大小和位置，其质心到回转中心距离L大小已知；

步骤三：加完第一组粗调质量块之后，若系统仍不平衡，负载台面重的一端在最下端仍会做单摆运动；当负载台面停止时，测得负载台面相对步骤二的平衡位置往回转动了角度y；手动将负载台面继续转动某一角度，计算出最大时不平衡力矩M₃，将此不平衡力矩与(M+m₀gLsinθ)比较，

其中，m₀为系统允许的不平衡质量，θ为负载台面的倾斜角度，g为重力加速度，而M大小如公式(4)所示，

其中m₂为精调质量块的质量，L₁为该滑块的总行程，M为当精调平衡机构摆动到x轴对称两侧时，精调平衡机构所能提供的最大转矩；

如果计算得到的不平衡力矩M₃大于M，则进行步骤四，否则就进行精调平衡机构调节平衡，精调质量块移动的距离计算公式如下：

Jα＝m₁g sinθsinx·L

$\left\{\begin{array}{c}{m}_{1}L=(m_2{\mathrm{\ΔL}}_1\cos a+m_2{\mathrm{\ΔL}}_2\sin a)\\ {\mathrm{\ΔL}}_1\sin a={\mathrm{\ΔL}}_2\cos a\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中，x是单摆运动最高点到平衡位置的夹角，α为精调质量块与y轴夹角，进而利用方程组(5)求出精调质量块移动的距离ΔL₁、ΔL₂；

m₁为待求的精调平衡块质量；

步骤四：负载台面停止旋转时，负载台面将回到此时的平衡位置，在负载台面高端添加第二组粗调质量块，第二组粗调质量块的质量大小和位置由步骤二中公式计算所得；

步骤五：添加第二组粗调质量块后，重复步骤三；

步骤六：气浮台调好平衡后，缓慢地将液压千斤顶下降，使得气浮台负载台面水平。