CN110030959B - 用于确定转动机构的周向磨损位置的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于确定转动机构的周向磨损位置的装置，包括：无线角速度模块，其被配置为测量转动机构的角速度并且将所测量的角速度以无线方式传输给接收与后处理模块；角度采集与输出模块，其被配置为测量转动机构的绝对角度并且将所测量的绝对角度传输给接收与后处理模块；以及接收与后处理模块，其被配置为接收所测量的角速度和绝对角度并且根据所述角速度和绝对角度计算转动机构的周向磨损位置。本发明还涉及一种相应的方法。通过本发明，可以实时、准确地确定转动机构的周向磨损位置，从而减小因过度磨损导致设备故障的风险。
Description
技术领域
本发明总体上涉及卫星故障安全领域，具体而言涉及一种用于确定转动机构的周向磨损位置的装置、以及一种确定转动机构的周向磨损位置的方法。
背景技术
摩擦力矩变大、卡滞是空间转台、天线、机械臂等空间转动机构在轨失效的主要形式，是反映转动机构运转状态及寿命的重要指标。针对空间转动机构，地面测试中如何进行产品筛选以及可靠性评价，对于及时发现机构产品早期失效减少发射和在轨损失具有重要意义。
目前，转动机构摩擦力矩测量方案主要有砝码测量法、力敏感器等测量法。砝码力常用于启动摩擦力矩测量，但砝码测试精度容易受最小砝码质量和测试人员主观影响，而力敏感器测量对被测产品附加作用力，常受限于被测产品外形和表面接触状态。这些测量法难以实现转动机构动态摩擦力矩的实时测量。
发明内容
本发明的任务是提供一种确定转动机构的周向磨损位置的装置以及一种确定转动机构的周向磨损位置的方法，通过所述装置或方法，可以实时、准确地确定转动机构的轴向磨损位置，从而减小因过度磨损导致设备故障的风险。
在本发明的第一方面，前述任务通过一种确定转动机构的周向磨损位置的装置来解决，该装置包括：
无线角速度模块，其被配置为测量转动机构的角速度并且将所测量的角速度以无线方式传输给接收与后处理模块；
角度采集与输出模块，其被配置为测量转动机构的绝对角度并且将所测量的绝对角度传输给接收与后处理模块；以及
接收与后处理模块，其被配置为接收所测量的角速度和绝对角度并且根据所述角速度和绝对角度计算转动机构的周向磨损位置。
在本发明的一个优选方案中规定，所述无线角速度模块包括：
陀螺仪，其被配置为测量转动机构的角速度；
无线转发模块，其被配置为将所测量的角速度以无线方式发送给接收与后处理模块；
锂电池，其被配置为提供电源；
二次电源模块，其被配置为将锂电池的电压分别转换成陀螺仪的工作电压和无线转发模块的工作电压；以及
充电接口，其被配置为为锂电池提供充电接口。
在本发明的另一优选方案中规定，角度采集与输出模块包括：
圆光栅，其布置在转动机构上以便提供莫尔条纹；
测角电路，其被配置为根据圆光栅的莫尔条纹计算旋转结构的绝对角度；以及
供电模块，其被配置为为测角电路提供电源。
在本发明的又一优选方案中规定，接收与后处理模块包括：
地面接收计算机，其被配置为根据所接收的角速度和绝对角度计算转动机构的周向磨损位置。
在本发明的一个扩展方案中规定，陀螺仪通过通用异步收发传输器UART协议与无线转发模块通信；和/或
角度采集与输出模块通过UART协议与接收与后处理模块通信。
在本发明的一个优选方案中规定，接收与后处理模块还其被配置为执行单轴或多轴转动机构的稳定性测试和/或振动噪声频谱分析。
在本发明的另一优选方案中规定，角度采集与输出模块包括绝对式光电码盘。
在本发明的又一优选方案中规定，角度采集与输出模块包括增量式光电码盘和光电开关，其中由光电开关确定零位。
在本发明的另一优选方案中规定，角度采集与输出模块被配置为通过对由无线角速度模块输出角速度进行积分来确定绝对角度。
在本发明的第二方面，前述任务通过一种用于确定转动机构的周向磨损位置的方法来解决，该方法包括下列步骤：
将转动机构的转速调整为工作转速并关闭转动机构的驱动电机；
以第一采集频率测量转动机构的角速度；
以第一采集频率测量转动机构的绝对角度；
对角速度进行线性拟合以确定角加速度；
将所测量的绝对角度和所确定的角加速度进行数据匹配对齐；
根据匹配对齐的绝对角度和角加速度确定摩擦力矩；
在角速度低于阈值时停止角速度和绝对角度的测量；
按照绝对角度的大小对摩擦力矩和绝对角度数组进行排序；
确定摩擦力矩变大的区域位置；以及
根据所述区域位置确定周向磨损位置。
本发明至少包括下列有益效果：(1)通过本发明，可以实时、精确地确定转动机构的周向磨损位置，从而降低因过度磨损造成设备故障的风险；(2)本发明采用非接触式测量且无需施加外力，因此可排除影响精确度的外部影响；(3)本发明通过角速度和绝对角度来确定周向磨损位置，可以达到较高的精确度；(4)通过本发明，还可以附加地执行转动机构的稳定性测试和/或振动噪声频谱分析等测试。
附图说明
下面结合附图参考具体实施例来进一步阐述本发明。
图1示出了根据本发明的用于确定转动机构的周向磨损位置的装置的框图；
图2示出了无线陀螺仪的结构示意图；
附图3示出了系统软件测试框图；
附图4示出了解析及后处理软件数据的显示界面；
附图5示出了解析及后处理软件摩擦力矩的显示界面；
附图6示出了单轴转台的周向不同位置处的摩擦力矩测试曲线；以及
附图7示出了单轴转台的频谱特性。
具体实施方式
应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。
在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。
在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。
在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。
在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种基于无线陀螺仪和圆光栅的转动机构动态摩擦力矩测量的系统，通过WIFI与陀螺仪实现转动机构的转动角速度的无线测量和传输、转动机构的转动角度值的采集，然后通过数据分析终端软件对转动角速度进行数据拟合，通过将转动角度值与转动角速度数据进行融合分析，可以确定360度转动的轴承、导电滑环等单轴及多轴转动机构在周向不同位置处的动摩擦力矩以及转动机构的转动周向磨损位置。
应当指出，尽管本发明是基于陀螺仪和圆光栅进行说明的，但是能够理解，本发明不限于此，而是可以采用陀螺仪以外的其它测量角速度的手段、例如振动加速度传感器等，并且可以采用圆光栅以外的其它测量绝对角度的手段、例如码盘等。
下面结合附图对本发明采用技术方案进行进一步说明。
图1示出了根据本发明的用于确定转动机构的周向磨损位置的装置100的框图，该装置100可以支持最多三轴转动机构的磨损评估。装置100包括无线陀螺仪模块101、角度采集与输出模块102、接收与后处理模块103。无线陀螺仪主要包括陀螺仪104、锂电池105、二次电源106、无线转发模块107。锂电池105可以通过充电接口进行充电，二次电源模块106(DCDC)可以将锂电池105提供的电压转换为陀螺仪104和无线转发模块107的工作电压，从而实现无线陀螺仪模块101的供电和无线数据输出。角度采集与输出模块102主要包括圆光栅110、供电模块108和测角电路109。测角电路109通过读数头中光敏原件来感应圆光栅110的莫尔条纹的光强度变化，将角位移量转换为数字脉冲信号，经过处理器组包处理后，通过UART接口输出。接收与后处理模块103主要包括地面接收计算机112和解析及后处理软件111，其中解析及后处理软件111可以安装在地面接收计算机112上。接收与后处理模块103通过无线网卡与无线陀螺仪模块101实现无线数据传输，通过有线UART接口来接收由角度采集与输出模块102测量的转动机构的当前绝对角度。解析及后处理软件111将采集的数据进行数据处理和可视化输出。
图2示出了无线陀螺200机械结构图，其中201为陀螺连接指示灯，202为陀螺仪当前电量显示面板，203为锂电池充电接口，204为无线陀螺仪开关。
附图3示出了系统软件测试框图。如图所示，本发明的装置100除了能够确定转动机构的周向磨损位置以外，还能够执行单轴或多轴转动机构的稳定性测试和/或振动噪声频谱分析。
下面结合图4至图7对解析及后处理软件111的数据处理过程进行说明。
解析及后处理软件111包括软件参数设置显示界面400，如图4所示。下面举一应用实例对图4的软件界面进行说明：通过通信配置401至403来设置接口参数、波特率、IP地址、服务器端口号、陀螺标度因数等参数，通过404“浏览”设置文件存储路径，完成设置。设置也可以通过配置文件方式生成，软件运行后自动读取配置文件参数完成设置。点击按键405“打开设备”后，接收无线陀螺仪角速度数据，按键405变为“断开设备”，继续点击按键405“断开设备”后，停止数据采集，采样值为圆光栅采集的转动机构角度测量值。角速度、角度的采集频率为1KHz。
软件111具备转动机构转动平稳性测试、摩擦磨损评估、振动噪声频谱分析功能。
转动平稳性统计按照图4中409设置需要统计的时间，设置转动机构转速至工作转速，稳定转动后，点击按键410“平稳性统计”可以计算当前转速的最大值Vmax、转速最小值Vmin、偏差峰峰值Vp-p，测试完成后统计当前转速的3倍均方根值。
Vp-p＝Vmax-Vmin (1)
转动机构摩擦磨损分析如图4至图6所示，针对空间转动机构而言，转动机构的转动惯量往往通过惯量台精确测量或通过三维建模软件仿真得到，根据附图4中407设置转动惯量值，摩擦力矩与磨损分析的测量方法采用滑停法，避免控制力矩调整对转动机构摩擦力矩测量的影响，设置转动机构转速至工作转速，将驱动电机输出关闭，使转动机构仅在摩擦力矩作用下减速至停转，点击图4中408按钮进行摩擦力矩和磨损位置计算，软件自动按照例如10Hz对陀螺仪采集角速度值进行一次线性拟合，拟合的直线斜率即为角加速度值，按照下面公式计算转动机构的摩擦力矩。
M＝J×ω&+M0 (3)
式中：
M——转动机构的转动摩擦力矩；
J——转动机构的转动惯量；
ω&——转动机构的角加速度；
M0——空气阻力等干扰力矩；可以忽略不计；
如附图，软件将采集的1KHz的角度与1KHz角速度进行数据匹配对齐，软件初始化完成后，角速度输出值为当前陀螺仪零漂，角度输出为当前位置角度值，陀螺仪无线传输与角度传输的时间延时忽略不计，点击图4中408按钮进行摩擦力矩和磨损位置计算后，软件根据公式(3)以10Hz计算出滑停过程中的摩擦力矩，同时将1KHz角度值以10Hz进行抽样，并将实时10Hz角度值与摩擦力矩值存储至图4中404设置的文件路径中，实时绘制转动机构每周转动过程中的摩擦力矩如图6所示，当软件采集到转动角速度小于1°/s时，为避免转速过低时摩擦力矩测试结果偏差，软件自动退出摩擦力矩采集模式，并将存储的摩擦力矩和角度值数组按照角度值大小进行顺序排列，绘制曲线如附图5所示，根据周向摩擦力矩分布找到摩擦力矩变大的位置区域，从而确定磨损状态和摩擦磨损位置。
软件具备对转动机构转动过程中的振动和噪声进行频谱分析的能力，软件运行后，待测转动机构稳定运行过程中，点击图4中406“开始FFT”按钮后，软件按照离散信号快速傅里叶变换式(4)进行转换，N默认取256或其他，可实时监测当前转速下的频谱特性。
设备及软件初始化设置：
A.根据图1所示机械接口将无线陀螺仪安装于被测机构安装面上，将圆光栅安装于转轴上；
B.按照图4中401至403设置陀螺仪接收软件串口、服务器等参数，将圆光栅UART接口与图1中112地面接收计算机相连，点击404“浏览”按钮设置数据存储路径；
C.点击图4中405“打开设备”按钮开始采集转动机构的角速度和角度，软件根据安装矩阵将采集角速度转换为当前转动机构的角速度，并以设备零位为基准通过软件修正圆光栅零位。
转动机构的稳定评估实现步骤：
A1：按照A～C步骤完成设备及软件初始化设置；
B1:在附图4中409设置稳定性统计时长，设置完后点击410“平稳性统计”按钮，409中实时显示最大角速度Vmax、最小角速度Vmin、偏差峰峰值Vp-p，按设置时长统计完成后显示统计的3倍均方根值。
转动机构摩擦力矩评估实施步骤：
A2:同上述A、B、C步骤；
B2:以单轴转台为例，设置被测设备转速由工作转速自由滑行至停转状态，设置图4中转动机构转动惯量值，点击408“摩擦力矩计算”按钮，软件自动完成计算和结果输出。过程为：软件实时采集被测设备转速，并按照固定频率对采集的转速值进行一次线性拟合，得到一系列转动角加速度值α＝[α1,α2,…,αn]；软件输出图4中407实时力矩值，并输出图5。识别转动机构角速度小于1°/s时，自动结束计算，输出图4中407拟合斜率和摩擦力矩的统计结果和图6。多轴转动机构测试时，按照三轴顺序逐一测试即可。
转动机构振动噪声频谱分析实施步骤：
A3:同上述A、B、C步骤；
B3：以单轴转台为例，被测转台转动至被测工况后，点击附图4中406“开始FFT”按钮后，软件自动按照离散快速傅里叶变换公式实时进行频谱分析，输出图7，方便进行故障预测和故障定位。
本发明至少包括下列有益效果：(1)通过本发明，可以实时、精确地确定转动机构的周向磨损位置，从而降低因过度磨损造成设备故障的风险；(2)本发明采用非接触式测量且无需施加外力，因此可排除影响精确度的外部影响；(3)本发明通过角速度和绝对角度来确定周向磨损位置，可以达到较高的精确度；(4)通过本发明，还可以附加地执行转动机构的稳定性测试和/或振动噪声频谱分析等测试。
虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述，但是对本领域技术人员显而易见的是，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围，并藉此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。
Claims (10)
1.一种用于确定转动机构的周向磨损位置的装置，包括：
无线角速度模块，其被配置为以第一采集频率测量转动机构的角速度并且将所测量的角速度以无线方式传输给接收与后处理模块；
角度采集与输出模块，其被配置为以第一采集频率测量转动机构的绝对角度并且将所测量的绝对角度传输给接收与后处理模块；以及
接收与后处理模块，其被配置为接收所测量的角速度和绝对角度并且根据所述角速度和绝对角度计算转动机构的周向磨损位置，其中所述计算包括：
对角速度进行线性拟合以确定角加速度；
将所测量的绝对角度和所确定的角加速度进行数据匹配对齐；
根据匹配对齐的绝对角度和角加速度确定摩擦力矩；
在角速度低于阈值时停止角速度和绝对角度的测量；
按照绝对角度的大小对摩擦力矩和绝对角度数组进行排序；
确定摩擦力矩变大的区域位置；以及
根据所述区域位置确定周向磨损位置。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一采集频率为1kHz；和/或
其中角速度的阈值为1°/s。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述无线角速度模块包括：
陀螺仪，其被配置为测量转动机构的角速度；
无线转发模块，其被配置为将所测量的角速度以无线方式发送给接收与后处理模块；
锂电池，其被配置为提供电源；
二次电源模块，其被配置为将锂电池的电压分别转换成陀螺仪的工作电压和无线转发模块的工作电压；以及
充电接口，其被配置为为锂电池提供充电接口。
4.根据权利要求1所述的装置，其中角度采集与输出模块包括：
圆光栅，其布置在转动机构上以便提供莫尔条纹；
测角电路，其被配置为根据圆光栅的莫尔条纹计算转动机构的绝对角度；以及
供电模块，其被配置为为测角电路提供电源。
5.根据权利要求1所述的装置，其中接收与后处理模块包括：
地面接收计算机，其被配置为根据所接收的角速度和绝对角度计算转动机构的周向磨损位置。
6.根据权利要求1所述的装置，其中陀螺仪通过通用异步收发传输器UART协议与无线转发模块通信；和/或
角度采集与输出模块通过UART协议与接收与后处理模块通信。
7.根据权利要求1所述的装置，其中接收与后处理模块还被配置为执行单轴或多轴转动机构的稳定性测试和/或振动噪声频谱分析。
8.根据权利要求1所述的装置，其中角度采集与输出模块包括绝对式光电码盘。
9.根据权利要求1所述的装置，其中角度采集与输出模块包括增量式光电码盘和光电开关，其中由光电开关确定零位。
10.根据权利要求1所述的装置，其中角度采集与输出模块被配置为通过对由无线角速度模块输出角速度进行积分来确定绝对角度。
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