CN110501107A - 一种基于六维力测试仪的航天器旋转载荷动平衡量测量方法 - Google Patents

一种基于六维力测试仪的航天器旋转载荷动平衡量测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于六维力测试仪的航天器旋转载荷动平衡量测量方法，包括如下步骤S100：六维力测试台的噪声测试，多次测量，取其有效值，确定标定矩阵，标定测试台，提高测量精度；步骤S200：将航天器旋转载荷放置测试台上，以不同的的工作转速匀速旋转，获得三维空间的3个力分量和3个力矩分量；步骤S300：根据刚体上力的平移理论，将力和力矩分量平移到旋转载荷参考质心点；步骤S400：获得不同转速下，被测旋转载荷部件对于参考质心点的静、动不平衡量大小，取其均值。本发明用于低速旋转载荷活动部件的静、动不平衡量大小测量，具有测量方法简单快捷，测量精度高等特点。

Description

一种基于六维力测试仪的航天器旋转载荷动平衡量测量方法
技术领域
本发明涉及一种静、动不平衡量的测试方法，更具体地，涉及一种基于六维力测试仪的航天器旋转载荷转动部件的静、动不平衡量大小的测试方法。
背景技术
随着航天事业的蓬勃发展，航天器有效载荷的探测手段也呈多样化发展，其中带有大型转动部件的效载荷越来越多，有效载荷转动部件的动不平衡不仅对航天器产生了干扰力矩，使航天器姿态稳定度超差，在轨的长期转动还对转动轴承造成损伤，无法满足在轨使用寿命，对有效载荷转动部件的静、动不平衡量测量及控制显得尤为重要和迫切。
六维力测试仪能够同时测量空间坐标系内三维正交的力和力矩，广泛应用于智能机器人、生物医学工程领域、汽车制造等领域，在利用测量转动部件的静、动不平衡量中较少，本发明通过对六维力测量标定后，利用其力和力矩测量输出特性，测量转动部件的静、动不平衡量，具有测量方法简单快捷，测量精度高等特点。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种基于六维力测试仪的航天器旋转载荷动平衡量测量方法，具有测试方法简单易于实现，测量精度高等特点。
为了达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：
步骤S100：六维力测试台的噪声测试，多次测量，取其有效值，确定标定矩阵，标定测试台，提高测量精度；
步骤S200：将航天器旋转载荷放置测试台上，以不同的的工作转速匀速旋转，获得三维空间的3个力分量和3个力矩分量；
步骤S300：根据刚体上力的平移理论，将力和力矩分量平移到旋转载荷参考质心点；
步骤S400：获得不同转速下，被测旋转载荷部件对于参考质心点的静、动不平衡量大小，取其均值。
优选地，所述步骤S100中六维力测试仪各维向输出信号间存在耦合的噪声误差，采用静态标定方法，多次测量，取其有效值，确定标定矩阵，标定测试台，提高测量精度。
优选地，所述步骤S200中选取航天器旋转载荷不同特定工作转速，利用六维力测试仪得到力和力矩分量，多次测量，取不同转速下均值。
优选地，所述步骤S300中六维力测试仪直接测得是旋转载荷转动部件相对于六维力测试仪输出参考点的力和力矩，静、动不平衡量的参考点通常情况为被测转部件参考质心，故需将六维力测试仪测得的力和力矩分量平移到旋转载荷转动部件的参考质心点。
优选地，所述步骤S400根据静、动不平衡量与旋转载荷转动部件转速比例关系，得到不同转速下，被测旋转载荷部件对于参考质心点的静、动不平衡量大小，取其均值。
本发明可用于低速旋转载荷活动部件的静、动不平衡量大小测量，具有测量方法简单快捷，测量精度高等特点。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1示基于六维力测试仪的航天器旋转载荷动平衡量测量流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所述，本发明实施例提供了一种基于六维力测试仪的航天器旋转载荷动平衡量测量方法，包括如下步骤：
步骤S100：六维力测试台的噪声测试，多次测量，取其有效值，确定标定矩阵，标定测试台，提高测量精度；具体的：
步骤S101：六维力测试仪空载测试，测量期间保持测试环境无撞击振动发生，记录六维力测试仪电压输出值。
步骤S102：按步骤S101中记录的六维电压值为噪声项，对六维电压值进行FFT(fast Fourier transform)变换。
步骤S103：记录特征频率点，特征频率点为测试环境噪声和六维力测试仪固有测量噪声频率。
步骤S104：在六维力测试仪有效量程内，施加10个不同质量的标准砝码，进行多次测量，模拟有效载荷对六维力测试仪施加作用力。
步骤S105：按照步骤S104，进行3次测试，每六维通道数据为一组，10个不同质量的标准砝码可达到10组60个数据。
步骤S106：在六维力测试仪有效量程内，六维力测试仪输出电压与测量输入值呈线性关系，每一维输出电压值进行线性叠加，可得输出与输入关系矩阵
U＝CF (1)
其中，F为标准砝码最为输入的六维力分量，U为六维力测试仪输出六维电压分量，C待标定的矩阵。
步骤S107：对六维力标定即确定步骤S106的标定的矩阵C，求解标定矩阵采用多元函数最小二乘拟合的方法。
步骤S200：将航天器旋转载荷放置测试台上，以不同的的工作转速匀速旋转，获得三维空间的3个力分量和3个力矩分量；具体的：
步骤S201：将航天器旋转载荷放置测试台上，为便于计算，使航天器旋转载荷坐标系与六维力测试输出坐标系方向相同，底座固定安装。
步骤S202：发送指令航天器旋转载荷以ω＝80°/s的角速度转动，达到稳定的额定转速后，记录六维力测试仪的3个力分量[F80xi，F80yi，F80zi]和3个力矩分量[M80xi，M80yi，M80zi]。
步骤S203：按照步骤S202发送指令航天器旋转载荷以ω＝100°/s的角速度转动，记录六维力测试仪的3个力分量[F100xi，F100yi，F100zi]和3个力矩分量[M100xi，M100yi，M100zi]。
步骤S204：按照步骤S202发送指令航天器旋转载荷以ω＝120°/s的角速度转动，记录六维力测试仪的3个力分量[F120xi，F120yi，F120zi]和3个力矩分量[M120xi，M120yi，M120zi]。
步骤S205：重复步骤S202-步骤S2043次，分别得到3个力分量均值：
3个力矩分量均值：
步骤S300：根据刚体上力的平移理论，将力和力矩分量平移到旋转载荷参考质心点；具体的：
步骤S301：测量六维力测试仪输出参考点与旋转载荷转动部件参考质心点的水平距离L，垂直距离H。
步骤S302：计算六维力测试仪输出参考点与旋转载荷转动部件参考质心点距离R。
R＝L+H (4)。
步骤S303：将步骤S205中的Fj和Mj转化为相对于旋转载荷转动部件参考质心点的力Fd和力矩Md，由刚体上力的平移理论可得：
步骤S400：获得不同转速下，被测旋转载荷部件对于参考质心点的静、动不平衡量大小，取其均值：
步骤S401：根据静、动不平衡量与旋转载荷转动部件转速表达式可得
其中，Bdj为旋转载荷转动部件的静平衡量；
其中，Ddj为旋转载荷转动部件的动平衡量；
步骤S402：对航天器旋转载荷以80°/s、100°/s、120°/s的角速度转动的静不平衡量Bdj，动不平衡量其均值Ddj其均值的得：
其中分别为所求得的航天器旋转载荷静不平衡量和动不平衡量。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种基于振动信号检测的卫星用动量轮轴承损伤诊断及筛选方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S100：六维力测试台的噪声测试，多次测量，取其有效值，确定标定矩阵，标定测试台，提高测量精度；
步骤S200：将航天器旋转载荷放置测试台上，以不同的的工作转速匀速旋转，获得三维空间的3个力分量和3个力矩分量；
步骤S300：根据刚体上力的平移理论，将力和力矩分量平移到旋转载荷参考质心点；
步骤S400：获得不同转速下，被测旋转载荷部件对于参考质心点的静、动不平衡量大小，取其均值。
2.根据权利要求1所述的基于振动信号检测的卫星用动量轮轴承损伤诊断及筛选方法，其特征在于，步骤S100中六维力测试仪各维向输出信号间存在耦合的噪声误差，采用静态标定方法，多次测量，取其有效值，确定标定矩阵，标定测试台，提高测量精度。
3.根据权利要求1所述的基于振动信号检测的卫星用动量轮轴承损伤诊断及筛选方法，其特征在于，所述步骤S200中选取航天器旋转载荷不同特定工作转速，利用六维力测试仪得到力和力矩分量，多次测量，取不同转速下均值。
4.根据权利要求1所述的基于振动信号检测的卫星用动量轮轴承损伤诊断及筛选方法，其特征在于，所述步骤S300中的六维力测试仪直接测得是旋转载荷转动部件相对于六维力测试仪输出参考点的力和力矩，静、动不平衡量的参考点通常情况为被测转部件参考质心，故需将六维力测试仪测得的力和力矩分量平移到旋转载荷转动部件的参考质心点。
5.根据权利要求1所述的基于振动信号检测的卫星用动量轮轴承损伤诊断及筛选方法，其特征在于，步骤S400根据静、动不平衡量与旋转载荷转动部件转速比例关系，得到不同转速下，被测旋转载荷部件对于参考质心点的静、动不平衡量大小，取其均值。
6.根据权利要求1所述的基于振动信号检测的卫星用动量轮轴承损伤诊断及筛选方法，其特征在于，步骤S100包括：
步骤S101：六维力测试仪空载测试，测量期间保持测试环境无撞击振动发生，记录六维力测试仪电压输出值；
步骤S102：按步骤S101中记录的六维电压值为噪声项，对六维电压值进行FFT；变换；
步骤S103：记录特征频率点，特征频率点为测试环境噪声和六维力测试仪固有测量噪声频率；
步骤S104：在六维力测试仪有效量程内，施加10个不同质量的标准砝码，进行多次测量，模拟有效载荷对六维力测试仪施加作用力；
步骤S105：按照步骤S104进行3次测试，每六维通道数据为一组，10个不同质量的标准砝码可达到10组60个数据；
步骤S106：在六维力测试仪有效量程内，六维力测试仪输出电压与测量输入值呈线性关系，每一维输出电压值进行线性叠加，可得输出与输入关系矩阵
U＝CF(1)
其中，F为标准砝码最为输入的六维力分量，U为六维力测试仪输出六维电压分量，C待标定的矩阵；
步骤S107：确定步骤S106的标定的矩阵C，求解标定矩阵采用多元函数最小二乘拟合的方法；
步骤S200包括：
步骤S201：将航天器旋转载荷放置测试台上，使航天器旋转载荷坐标系与六维力测试输出坐标系方向相同，底座固定安装；
步骤S202：发送指令航天器旋转载荷以ω＝80°/s的角速度转动，达到稳定的额定转速后，记录六维力测试仪的3个力分量[F80xi,F80yi,F80zi]和3个力矩分量[M80xi,M80yi,M80zi]；
步骤S203：按照步骤S202发送指令航天器旋转载荷以ω＝100°/s的角速度转动，记录六维力测试仪的3个力分量[F100xi,F100yi,F100zi]和3个力矩分量[M100xi,M100yi,M100zi]；
步骤S204：按照步骤S202发送指令航天器旋转载荷以ω＝120°/s的角速度转动，记录六维力测试仪的3个力分量[F120xi,F120yi,F120zi]和3个力矩分量[M120xi,M120yi,M120zi]；
步骤S205：重复步骤S202-步骤S204 3次，分别得到3个力分量均值：
3个力矩分量均值：
步骤S300包括：
步骤S301：测量六维力测试仪输出参考点与旋转载荷转动部件参考质心点的水平距离L，垂直距离H；
步骤S302：计算六维力测试仪输出参考点与旋转载荷转动部件参考质心点距离R；
R＝L+H(4)；
步骤S303：将步骤S205中的Fj和Mj转化为相对于旋转载荷转动部件参考质心点的力Fd和力矩Md，由刚体上力的平移理论可得：
步骤S400包括：
步骤S401：根据静、动不平衡量与旋转载荷转动部件转速表达式可得
其中，Bdj为旋转载荷转动部件的静平衡量；
其中，Ddj为旋转载荷转动部件的动平衡量；
步骤S402：对航天器旋转载荷以80°/s、100°/s、120°/s的角速度转动的静不平衡量Bdj，动不平衡量其均值Ddj其均值的得：
其中分别为所求得的航天器旋转载荷静不平衡量和动不平衡量。
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