CN109764989A - 可自锁定与标定的推力架 - Google Patents

Abstract

本专利是根据电推进毫牛级推力器实验任务的要求，设计的一个用于测量毫牛甚至是微牛级别推力的微推力架。本微推力架主要是由动架组件、定架组件、锁定限位组件、电磁反馈组件以及线架组件组成。为了能够让推力架处于真空舱内不使用时，可以很好的保护微推力架上的枢轴，所以，设计了能够自动锁定、解锁的锁定限位机构。让微推力架随时可以将动架组件锁定。同时，此微推力架的标定器可以调整任意大小的推力来进行标定，不需要标准的砝码进行标定。与此同时，本微推力架推力的测量范围为1微牛～1毫牛，可以极为精确的测量推力器的推力。本专利完全可以满足电推进在地面实验中对于微推力测量所需要的推力量级。

Description

可自锁定与标定的推力架

一、技术领域

本推力架设计主要是用于电推进技术领域，涉及在电推力器实验的微推力测量。

二、技术背景

在航天领域，航天器的推进系统分为化学推进和电推进。到目前为止，电推进主要是用于卫星上的推进，包括姿态控制和轨道控制转移等等。与化学推进不同，电推进主要是将电能转化成工质的动能，从而产生推力，推动推力器进行运动。高比冲、高效率、小推力正是电推进不同的特点。这些年，电推进经过了几十年的发展，终于得到了长足的发展。与此同时，我国的电推进也逐步的发展起来了。

又由于电推进的推力大到几牛，小到几微牛，而且在很多情况下需要对推力有着精确的控制。所以在进行地面实验时，需要设计推力架对推力器的推力大小进行精确的测量。因此设计了一套可以自动锁死与测量的推力架测量推力器的推力。

三、推力架设计

1.组成与原理

(1)微推力架测量系统主要是由以下几个部件组成：

如图1所示，微推力由推力测试架和推力器控制器组成，其中推力测试架又包括动架 2、定架1、推力架控制器锁定限位组件7、电磁反馈组件8、线圈组件以及一些其他的附件组成。

(2)被测推力器安装在动架上的推力器工装上。动架安装在定架上，通过弹性轴进行连接。当推力器产生推力推动动架进行小范围的摆动时，由于弹性轴的存在，动架与定架之间并没有任何的滑动部件，所有也就不存在摩擦力。

(3)推力测量：

当推力器工作，产生推力之后，动架就会在推力的作用下与推力器一起摆动，产生位移，此时，电磁反馈组件中的位移传感器就会检测到动架的位移，推力架控制器会根据这个位移来调控电磁反馈力的大小，使动架重新回到平衡位置并一直维持在这个状态。又根据事先标定好了的电磁反馈力与输出电流之间的关系，即可通过测得的电流大小来获得推力的大小。

2.推力架结构

(1)动架组件

动架主要零件为两块3角形的铝板，三角板结构如图2所示。两块三角板间距100mm，用四根横条连接在一起，其中，三角板上部正中和底部位置安装的横条设有枢轴安装孔。

(2)枢轴是一种特殊的零件，两个轴端由弹簧片连接在一起，相对转动时不存在摩擦，如图3所示。整个动架由两个枢轴支撑在定架上，支架绕中心轴转动时，没会有摩擦发生。

(3)锁定限位组件

如图4所示，锁定限位组件由一个电动滑台带动的锁销和安装在动架上的锁孔板组成，主要功能为锁定动架，和限制动架的位移大小，保护枢轴。当锁销运动到锁孔板的上端时，动架被锁定，不能摆动。当锁销向下运动到合适的位置时，动架解锁并有适当的限位。

(4)电磁反馈组件

电磁反馈组件是测量推力的主要部件，如图5所示，由位移传感器和电磁反馈器组成。传感器用于测量动架摆动的位移，电磁反馈器在控制器的作用下输出反馈力去平衡动架。

电磁反馈器由定子和动子组成，定子是一个扁平线圈，安装在定架上面，动子由导磁壳和永磁铁组成，安装在动架上面。

动子的永磁铁为4块20mm×10mm×3mm的钕铁硼强磁铁，用胶和环氧树脂固定在钢制的导磁外壳内部，这样可以形成两块方向相反的均匀磁场。

定子线圈用PCB工艺完成，在小幅摆(3mm以内)时，可以保证线圈上的磁场强度几乎不变化，保证电流与力的换算系数与位置无关。

控制器上将有可以设定平衡位置的功能，这样当磁场的均匀程度无法满足要求时，可以在不同的位移进行标定并拟合出反馈力与位移、电流的关系。

定子的厚度为2mm，动子的磁隙为3mm，定子的上下表面各留有0.5mm的间隙，定子通过通过螺母安装在支架的螺柱上，可以用螺母去调节定子的上下位置，保证动子和定子之间不接触。

位移传感器选选用激光位移传感器，非接触测量，不会引入额外的力。

选用的型号为：松下HG-C1030，其量程为±5mm，重复精度为10μm，位移值除了真接显示外，还输出一路0～5V的模拟信号，控制电路可以直接使用此模拟信号。

(5)线圈组件

线架组件由定架上和动架上的两个接线支架组成，支架上都装有一接线板。

接线板上的黄色框为接线端子，供用户接线使用。两块接线板之间对应的点焊接有 1mm的漆包线。漆包线焊接时拉直。这样，不会有导线塑料外皮的弹性蠕变影响推力测量。

同时，接线支架还预留有窗口安装导气管，以方便以后扩展功能。支架如下图所示。

接线支架中间的窗口用于安装接线板，上边的窗口是预留给导气管支架的。

(6)标定器

标定器使用电磁力来提供标准力，由动子和定子组成。动子安装在推力架的动架上，定子安装在底板的支架上如图6所示。

定子由磁鞋和安装在上面的永磁铁组成，在两片磁铁的中心部位可以产生一定范围的均强磁场，上下两片磁场相反。

动子由一个线圈及安装线圈的支架组成，安装到推力架上后，线圈正好穿过两片均强磁场的中心部位，当线圈通过电流，就会在磁铁上产生反作用力，通过控制电流的大小，邓可控制反作用力的大小，用于标定推力架。标定器可以拆卸后安装在高精度天平上，即可得到标定器产生的力与线圈里电流的关系

3.附图说明

图1是推力架主视图，图2是动架组件，图3是枢轴，图4是锁定限位组件，图5是电磁反馈组件，图6是标定器。

四、本专利优点

本专利的主要优点有：

1.可以测量1微牛～1毫牛之间的推力，可以精确的测量微推力的大小。

2.可以在不打开真空舱的条件下对推力架的动架进行锁定功能。

3.能够标定任意大小的推力，可以随时调节，相比之下，更加的方便。

4.结构轻便、简约。

五、实验操作过程

1.微推力架控制面板

a.推力架控制器上的开关、接口功能如下：

(1)电源开关

电源开关用于打开和关闭推力架控制器的电源。

(2)反馈开关

反馈开关用于接通和断开推力架上的反馈线圈与PID控制器的输出，开关按下时，线圈接通，PID控制器通过控制反馈线圈的电流，使推力架的动架平衡在设定的平衡位置，平衡后，反馈线圈的电流增量与推力器产生的推力呈线性关系。开关弹起时，线圈断开，推力架处于自由状态，此时可以通过动架的位移来标定推力。

(3)平衡位置设定旋钮

平衡位置设定旋钮，用于设定PID控制器的目标位置，标度0～10对应的位移为：-5mm～5mm，同时对应的位移信号为0～5V，推荐标度设定为5，即平衡位置为0mm，对应的位移信号电压为2.5V。

(4)KP、KI、KD旋钮

KP、KI、KD旋钮，用于调节PID控制器的反馈参数，仅在需要的时候去调节。

(5)位移信号

位移信号输出，表示位移量的电压信号，0～5V表示-5mm～5mm，BNC头可以连接屏蔽电缆，用于与示波器或数据记录仪等连接，旁边的小孔可以插入万用表的表笔读出信号的电压值。

(6)反馈信号

反馈信号输出，表示反馈电流大小的电压信号，最大范围为-10V～10V，当推力很小时，信号幅值也会很小，。BNC头可以连接屏蔽电缆，用于与示波器或数据记录仪等连接，旁边的小孔可以插入万用表的表笔读出信号的电压值。

(7)锁定按钮

锁定表头和按钮，表头显示锁定销的位移，按钮用于控制锁定销完成推力架的锁定和解锁，位移为0时，推力架处于锁定状态。位移越大，则推力架的活动范围越大，推荐平常使用时，使锁定销位移在10mm左右。

(8)标定按钮

标定表头和按钮，表头显示标定器线圈里流过的电流，单位为mA，开关用于接通和断开标定线圈，按下时为接通，调节旋钮用于调节标定电流的大小。

2.微推力架的锁定与解锁

(1)解锁推力架

将推力架接上电源，打开电源开关，按下按钮“锁定+”，将推力架的锁定销的位置从0 调节至10，此时，锁定销从锁定孔的最上端开始往下移动，到达指定位置，从而对推力架进行解锁。

(2)锁定推力架

当需要锁定推力架时，按下按钮“锁定-”，将推力架的锁定销从当前位置调节至0，此时，锁定销处于锁定孔的最上端，从而锁定推力架。

3.微推力架的标定

(1)预标定

1.首先将标定器安装在高精度的天平之上。

2.打开按钮“电源开关”。打开按钮“标定开关”，并调节按钮“标定调节”，给标定器施加不同大小的电流，同时记录高精度天平的示数。

3.通过多次的测量与记录，对所得到的数据进行处理，得到标定器的电流与推力的大小关系系数。

(2)正式标定

1.将已经进行过预标定的标定器安装在推力架上。

2.打开微推力架控制器的电源，按压按钮“锁定+”，使推力架锁定销往下移动，从而使推力架处于正常工作状态。

3.打开按钮“反馈开关”。

4.打开按钮“标定开关”，并旋转按钮“标定调节”，依次调节标定器内电流的大小，并进行多次的标定，记录标定电流的大小以及反馈信号的大小。

5.打开按钮“标定-”，使微推力架的锁定销上升至最上端，位置显示为0的位置，并关闭按钮“标定开关”。

6.关闭按钮“反馈开关”，关闭按钮“电源开关”。

7.用预标定得到的系数，计算得到每一次标定时的推力大小。

8.计算每一次的推力与反馈信号的关系，从而得到反馈信号与推力之间的转换系数。

4.微推力架的测量

1.将推力器安装在微推力架上，并关舱抽空。

2.当舱内的压强达到实验所需要的真空度时，打开按钮“电源开关”。

3.打开按钮“锁定+”，将微推力架的锁定销下移大致10mm左右。

4.打开按钮“反馈开关”。

5.进行试验，是推力器产生推力，同时并记录反馈信号的大小。

6.并进行多次的实验，停止实验。

7.关闭按钮“反馈开关”。

8.调节按钮“锁定-”，使微推力架锁定销上升至位置为“0”的位置。

9.关闭按钮“电源开关”。

10.根据事先得到的“推力与反馈信号之间的转换系数”，以及测得的反馈信号的大小，求得推力器的推力大小。

Claims (7)

1.微推力架的组成

本专利是可自锁死与标定的推力架。本微推力架主要有动架组件、定架组件、电磁反馈组件、锁定限位组件以及线圈组件等几部分组成。本微推力架的主要优点有：

(1)可以测量1微牛～1毫牛之间的推力，可以精确的测量微推力的大小。

(2)可以在不打开真空舱的条件下对推力架的动架进行锁定功能。

(3)能够标定任意大小的推力，可以随时调节，相比之下，更加的方便。

(4)结构轻便、简约。

本发明的操作步骤

(1)解锁推力架

将推力架接上电源，打开电源开关，按下按钮“锁定+”，将推力架的锁定销的位置从0调节至10，此时，锁定销从锁定孔的最上端开始往下移动，到达指定位置，从而对推力架进行解锁。

(2)锁定推力架

当需要锁定推力架时，按下按钮“锁定-”，将推力架的锁定销从当前位置调节至0，此时，锁定销处于锁定孔的最上端，从而锁定推力架。

(3)首先将标定器安装在高精度的天平之上。

(4)打开按钮“电源开关”。打开按钮“标定开关”，并调节按钮“标定调节”，给标定器施加不同大小的电流，同时记录高精度天平的示数。

(5)通过多次的测量与记录，对所得到的数据进行处理，得到标定器的电流与推力的大小关系系数。

(6)将已经进行过预标定的标定器安装在推力架上。

(7)打开微推力架控制器的电源，按压按钮“锁定+”，使推力架锁定销往下移动，从而使推力架处于正常工作状态。

(8)打开按钮“反馈开关”。

(9)打开按钮“标定开关”，并旋转按钮“标定调节”，依次调节标定器内电流的大小，并进行多次的标定，记录标定电流的大小以及反馈信号的大小。

(10)打开按钮“标定-”，使微推力架的锁定销上升至最上端，位置显示为0的位置，并关闭按钮“标定开关”。

(11)关闭按钮“反馈开关”，关闭按钮“电源开关”。

(12)用预标定得到的系数，计算得到每一次标定时的推力大小。

(13)计算每一次的推力与反馈信号的关系，从而得到反馈信号与推力之间的转换系数。

(14)将推力器安装在微推力架上，并关舱抽空。

(15)当舱内的压强达到实验所需要的真空度时，打开按钮“电源开关”。

(16)打开按钮“锁定+”，将微推力架的锁定销下移大致10mm左右。

(17)打开按钮“反馈开关”。

(18)进行试验，是推力器产生推力，同时并记录反馈信号的大小。

(19)并进行多次的实验，停止实验。

(20)关闭按钮“反馈开关”。

(21)调节按钮“锁定-”，使微推力架锁定销上升至位置为“0”的位置。

(22)关闭按钮“电源开关”。

(23)根据事先得到的“推力与反馈信号之间的转换系数”，以及测得的反馈信号的大小，求得推力器的推力大小。

2.根据权利要求1所述的可自锁定与标定的推力架，其特征在于：可以测量微牛级别的推力。

3.根据权利要求1所述的可自锁定与标定的推力架，其特征在于：可以在真空舱内进行推力架的标定。

4.根据权利要求1所述的可自锁定与标定的推力架，其特征在于：可以在真空舱内就进行推力架的锁定与打开。

5.根据权利要求1所述的可自锁定与标定的推力架，其特征在于：通过电磁线圈产生相应的推力对推力架进行推力架的标定。

6.根据权利要求1所述的可自锁定与标定的推力架，其特征在于：使用激光位移传感器进行位移的测量。

7.根据权利要求1所述的可自锁定与标定的推力架，其特征在于：使用电磁反馈器进行推力架的平衡。