CN106568543A

CN106568543A - 一种超低速摩擦扰振测试系统

Info

Publication number: CN106568543A
Application number: CN201610932773.2A
Authority: CN
Inventors: 程俊波; 于国庆; 陆栋宁; 张可墨; 张强
Original assignee: Beijing Institute of Control Engineering
Current assignee: Beijing Institute of Control Engineering
Priority date: 2016-10-31
Filing date: 2016-10-31
Publication date: 2017-04-19

Abstract

一种超低速摩擦扰振测试系统，包括单轴气浮平台、陀螺仪、数据处理模块、测力平台、高度可调工装、SADA转接工装、横梁及固定装置、SADA；单轴气浮平台承载负载并与负载固定连接，负载带动单轴气浮平台转动，陀螺仪监测单轴气浮平台转速，当单轴气浮平台转速进入0.1(°/s)～0(°/s)时，n个Kistler六分量传感器实时测量SADA转动的z轴方向的力矩，并分别记为M_z1、M_z2、M_z3、…、M_zn，进而得到SADA摩擦力矩T_f＝M_z1+M_z2+M_z3+、…、+M_zn，同时陀螺仪实时测量单轴气浮平台转速并作为导电环转速，得到导电环速度‑摩擦力矩曲线，完成超低速摩擦扰振测试。

Description

一种超低速摩擦扰振测试系统

技术领域

本发明涉及一种超低速摩擦扰振测试系统。

背景技术

太阳帆板驱动机构（SADA）是太阳帆板与卫星本体之间的机电接口，在连接太阳帆板与卫星本体的同时，还驱动太阳帆板相对卫星本体按照一定规律转动，并且将太阳电池获得的电能通过导电环向卫星本体电源系统传输。为了降低每个导电环组件的传输功率，SADA所设置的导电环数量很多，由此产生了很大的摩擦力矩，且太阳帆板转速极低，其低速摩擦特性尤为复杂，存在预滑动、摩擦滞后、动静摩擦转换、Stribeck摩擦、摩擦记忆效应等非线性现象。上述非线性特性不但限制了高性能驱动策略和方法在SADA系统中的应用，严重时还会影响太阳帆板驱动的平稳性，进而导致卫星姿态指向精度和稳定度下降，因此需要提出一种超低速摩擦扰振测试技术。

《轴系摩擦力矩测试系统的设计与实现》（机械制造，2014，第52卷，第594期）、《连接式微摩擦测试机构及设计》（清华大学学报，2006，第46卷，第5期）、《基于虚拟仪器技术的微摩擦测试系统开发》（上海交通大学学报，2006，第40卷，第10期）以及专利《微型轴承摩擦力矩测试仪》等文献分别设计了多种摩擦测量系统对高速和常规转速的摩擦力矩进行测试，但这些测试技术在对太阳帆板驱动机构在超低速下的摩擦力矩进行测量时面临困难，主要体现在：（1）上述文献所公开技术均采用电机进行驱动进行摩擦力矩的测试，而帆板驱动机构在超低速情况下摩擦特性又较复杂，上述测量技术使得测量的摩擦力矩中混入了电机的力矩波动，影响了摩擦力矩的测量的精度；（2）若不使用电机驱动，由于太阳帆板驱动机构工作转速一般为0.06（°/s）或更低，上述测量技术不能使SADA保持在0.06（°/s）附近进行摩擦力矩测量，进而无法复现帆板驱动系统在工作时的摩擦状态。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种超低速摩擦扰振测试系统，克服了太阳帆板驱动机构中导电环摩擦特性复杂，工作转速极低进而严重影响太阳帆板驱动平稳性的问题，不仅能够很好模拟复现在空间环境下带有大惯量负载的SADA导电环摩擦扰振特性，而且提高了对导电环摩擦阻力矩的测量精度，使得极低速下的摩擦阻力矩的测量成为可能。

本发明的技术解决方案是：一种超低速摩擦扰振测试系统，包括单轴气浮平台、陀螺仪、数据处理模块、测力平台、高度可调工装、SADA转接工装、横梁及固定装置、SADA，其中

SADA一端通过SADA转接工装与单轴气浮平台上表面固定连接，单轴气浮平台下表面与地基固定连接，SADA另一端与测力平台下端固定连接，测力平台上端通过高度可调工装与横梁及固定装置的内表面固定连接，横梁及固定装置为与地基固定连接的支撑架，陀螺仪固定安装在单轴气浮平台上表面，测力平台包括平台上转接圆盘、平台下转接圆盘、n个Kistler六分量传感器，上转接圆盘与高度可调工装固定连接，下转接板与SADA输出法兰固定连接，n个Kistler六分量传感器均匀安装在平台上转接圆盘、平台下转接圆盘之间；

单轴气浮平台承载负载并与负载固定连接，负载带动单轴气浮平台转动，陀螺仪监测单轴气浮平台转速，当单轴气浮平台转速进入0.1（°/s）～0（°/s）时，n个Kistler六分量传感器实时测量SADA转动的z轴方向的力矩，并分别记为M_z1、M_z2、M_z3、…、M_zn，进而得到SADA摩擦力矩T_f=M_z1+M_z2+M_z3+、…、+M_zn，同时陀螺仪实时测量单轴气浮平台转速并作为导电环转速，得到导电环速度-摩擦力矩曲线，完成超低速摩擦扰振测试，其中，n为正整数。

所述的负载带动单轴气浮平台转动的初始角速度大于0.1（°/s）。

所述的负载不小于4000kg.m^2。

所述的n为4。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明测试系统通过加入大惯量负载台来降低SADA导电环转速的角加速度，使测试系统能够在特定转速下获得较多的数据，实现了超低速下导电环摩擦力矩的精确测量；

（2）本发明测试系统通过将大惯量负载与气浮台相连，复现了导电环在空间零重力状态下带有大惯量负载时摩擦扰振的状态，实现了大惯量负载的卸载，使加入大惯量负载降低角加速度的研究策略成为可能；

（3）本发明测试系统通过陀螺仪测速提升速度的测量精度，使拟合出的速度-摩擦力矩曲线更加准确；

（4）本发明测试系统在试验过程中，SADA和气浮台电机均处于断电状态，排除气浮台电机和SADA电机对测试的干扰，使导电环摩擦力矩的测量更精确。

附图说明

图1为本发明一种超低速摩擦扰振测试系统结构组成图；

图2为本发明测力平台下转接圆盘中四个传感器及SADA输出法兰安装示意图；

图3为本发明测力平台上转接圆盘中四个传感器及SADA输出法兰安装示意图；

图4为本发明本发明一种超低速摩擦扰振测试系统结构的测试步骤。

具体实施方式

SADA驱动机构中的电刷-滑环组件（导电环组件）用于在存在相互运动的部件之间传递电信号或功率，电刷的触点与滑环上表面发生相对运动，二者的接触摩擦会形成一定的扰振力，并通过滑环及电刷的安装结构传递至卫星安装界面。由于SADA设置了多环数的导电环组件，由此产生了很大的摩擦力矩，该摩擦力矩是SADA驱动太阳帆板产生微振动的重要因素。然而，影响导电环摩擦的因素多达数十种，十分复杂，而且帆板驱动机构的导电环工作在极低转速区间，阻力矩呈现动摩擦和静摩擦耦合特性，常规的阻力矩测量手段难以稳定模拟在阻力矩作用下的极低转速的稳定转动。

本发明针对现有技术的不足，提出一种超低速摩擦扰振测试系统，通过加入大惯量负载台来降低SADA导电环转速的角加速度，使测试系统能够在特定转速下获得较多的数据，实现了导电环摩擦力矩的精确测量，同时通过将大惯量负载与气浮台相连，复现了导电环在空间零重力状态下带有大惯量负载时摩擦扰振的状态，与现有技术相比本发明测试系统不仅能够很好的模拟复现在空间环境下带有大惯量负载的SADA导电环摩擦扰振特性，而且提高了对导电环摩擦阻力矩的测量精度，使对极低速下的摩擦阻力矩的测量成为可能，具有较好的使用价值，下面结合附图对本发明测试系统进行详细说明。

如图1所示为一种超低速摩擦扰振测试系统结构组成图，包括单轴气浮平台、陀螺仪、数据处理模块、测力平台、高度可调工装、SADA转接工装、横梁及固定装置、SADA，其中，SADA一端通过SADA转接工装与单轴气浮平台上表面固定连接，单轴气浮平台下表面与地基固定连接，SADA另一端与测力平台下端固定连接，测力平台上端通过高度可调工装与横梁及固定装置的内表面固定连接，横梁及固定装置为与地基固定连接的支撑架，陀螺仪安装在单轴气浮平台上表面，测力平台包括平台上转接圆盘、平台下转接圆盘和四个Kistler六分量传感器，通过上转接圆盘与高度可调工装固定连接，下转接板与SADA输出法兰固定连接，而四个Kistler六分量传感器安装在上转接板和下连接板之间，如图2所示为测力平台下转接圆盘中四个传感器及SADA输出法兰安装示意图，如图3所示为测力平台上转接圆盘中四个传感器及SADA输出法兰安装示意图，四个传感器的安装位置分布在上转接圆盘或者下转接圆盘的直径为144mm的分度圆上，SADA包括电机、轴承、导电环、壳体，SADA工作时，壳体保持不动而由电机驱动输出法兰旋转，导电环的滑环与电机驱动轴固连，刷片与SADA壳体相连，保持不动，使得导电环的滑环与刷片滑动。本发明测量系统中旋转与壳体固连的气浮台惯量，SADA输出法兰固定，同样使得导电环的滑环与刷片滑动，模拟SADA工作时的摩擦状态。

外部施加给单轴气浮平台一个4000kg.m^2（越大越好）负载，负载与单轴气浮平台固定连接，给负载一个约1（°/s）（大于0.1°/s，加速度越小越好）左右的转速后，陀螺仪监测单轴气浮平台的转速，当转速进入0.1（°/s）～0（°/s）区间时，采集测力平台4个传感器实时测量到的SADA转动的z轴方向的力矩M_z1、M_z2、M_z3、M_z4，然后将这四个力矩相加得到M_z，即SADA转动过程中相对测力平台的转矩，此时能够近似认为SADA转矩M_z等于SADA机构摩擦力矩T_f，SADA机构仅存在摩擦力时的转动方程如下式（1）所示

式中，J为负载的转动惯量，ω为气浮台转速（由于导电环与气浮台固连），故等同于导电环的转速，T_f为导电环的摩擦力矩

为了能够增加测量数据来提高测速精度，必须使SADA保持在0.1（°/s）～0（°/s）区间的时间足够长，这就要求SADA的角加速度很小。由式（1）可知，在摩擦力矩T_f不变的情况下，使角加速度小则要求负载惯量必须很大，考虑到SADA安全承重范围有限，需要采用单轴气浮台进行对负载进行卸载。

由于导电环工作在极低转速下且随速度不断变化，而由常规方法无法对其测量，由式1可知若导电环摩擦力矩为定值，增大其转动惯量，可降低导电环旋转速度的衰减，使测振台能够获得较多的测量数据，提高测量精度。然而，由于太阳帆板驱动机构的承载能力有限，本发明所设计的测振系统将导电环与大惯量气浮台相连，抵消大惯量负载的重量，同时降低导电环旋转速度变化，从而实现了导电环在低速情况下的测量。

由于摩擦力矩是随速度变化的函数，上述测试台仅测量得到时间与摩擦力矩的数据。因此，需要对导电环的旋转速度进行测量，这样才能拟合出导电环在极低速下旋转的摩擦力矩曲线。然而，为了排除气浮台电机和SADA电机对测试的干扰，所有工况都要求SADA处于不通电状态，致使无法使用气浮台电机带动SADA导电环旋转。

由于旋转气浮台上表面与SADA壳体通过工装固定连接，而输出法兰通过高度调节工装与桁架固定连接。当旋转气浮台惯量时，SADA壳体中的导电环滑环跟着旋转，而与输出法兰固定的导电环刷片固定不变，这同样可以模拟导电环的滑环与刷片的摩擦状态。因此，本发明采用陀螺仪置于气浮台转盘处，实现对SADA导电环速度的测量，然后，将测振台所测的摩擦阻力矩数据与陀螺仪所测速度数据进行拟合，得出导电环速度-摩擦力矩曲线。

综上所述，针对导电环摩擦力矩特性，本发明提出了新型的SADA导电环摩擦力矩测试试验系统：SADA经由转接工装固定在气浮平台上，其输出法兰与测力平台连接，测力平台经由一个高度可调的套筒工装连接固定的桁架，气浮平台以一个略大于0.1（°/s）的转速带动SADA一起转动，由于SADA机构摩擦的存在，而气浮平台惯量非常大，转速会缓慢减小直至停止转动，因此在这个过程中可以近似地认为机构摩擦力矩在数值上等于Mz。当陀螺仪测量的速度显示气浮台转速进入0.1（°/s）～0（°/s）区间时，用陀螺仪和导电环测力台分别采集速度和摩擦力矩的试验数据，进而拟合速度与导电环摩擦阻力矩的状态。

如图4所示本发明一种超低速摩擦扰振测试系统结构的测试步骤，包括：

（1）检查测力平台与SADA同轴度和水平度，对测力台进行标定，做好试验前准备，使得测力平台、SADA的同轴度和水平度相同；

（2）施加给气浮台一个顺时针的初始转速（略大于0.1°/s），待转速进入0.1°/s～0.0°/s开始进行测试，采集测力平台的力矩测试数据和陀螺仪的速度数据用于后续分析；

（3）施加给气浮台一个逆时针的初始转速（略大于0.1°/s），待转速进入0.1°/s～0.0°/s开始进行测试，采集测力平台的力矩测试数据和陀螺仪的速度数据用于后续分析；

（4）将陀螺仪所测的速度数据与测得的摩擦力矩数据进行拟合，得到摩擦-速度曲线。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims

1.一种超低速摩擦扰振测试系统，其特征在于包括单轴气浮平台、陀螺仪、数据处理模块、测力平台、高度可调工装、SADA转接工装、横梁及固定装置、SADA，其中

单轴气浮平台承载负载并与负载固定连接，负载带动单轴气浮平台转动，陀螺仪监测单轴气浮平台转速，当单轴气浮平台转速进入0.1(°/s)～0(°/s)时，n个Kistler六分量传感器实时测量SADA转动的z轴方向的力矩，并分别记为M_z1、M_z2、M_z3、…、M_zn，进而得到SADA摩擦力矩T_f＝M_z1+M_z2+M_z3+、…、+M_zn，同时陀螺仪实时测量单轴气浮平台转速并作为导电环转速，得到导电环速度-摩擦力矩曲线，完成超低速摩擦扰振测试，其中，n为正整数。

2.根据权利要求1所述的一种超低速摩擦扰振测试系统，其特征在于：所述的负载带动单轴气浮平台转动的初始角速度大于0.1(°/s)。

3.根据权利要求1或2所述的一种超低速摩擦扰振测试系统，其特征在于：所述的负载不小于4000kg.m^2。

4.根据权利要求1或2所述的一种超低速摩擦扰振测试系统，其特征在于：所述的n为4。