CN110542439B - 基于三维气浮的惯性器件残余力矩测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于三维气浮的惯性器件残余力矩测量装置及方法，属于检测技术领域。本发明中台上系统和台下系统通过无线传输系统连接；台下系统包括台下数据采集与处理系统、服务器、机柜箱和供气系统；台上系统包括供电系统、惯性执行机构控制系统、惯性执行机构待测产品、台上数据采集与处理系统、残余力矩测试系统、振动隔离与支撑系统和真空控制系统，残余力矩测试系统由气浮转台、高精度传感装置和防倾覆及防护装置组成，高精度传感装置分别设置在气浮转台的竖直方向上和气浮转台外侧的水平方向上。本发明可模拟卫星平台在轨工作，提供模拟的空间力学环境，实时输出残余力矩，且适用于多种惯性器件的直接测量，数值计算少，精度高。

Description

基于三维气浮的惯性器件残余力矩测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于三维气浮的惯性器件残余力矩测量装置及方法，属于检测技术领域。

背景技术

随着我国航天水平的发展，现代高水平航天器对有效载荷的观测精度要求较以往有大幅提升。研究表明，惯性执行机构在工作过程中，由于无法完全消除动不平衡量、电磁场与轴系的非理想特性等因素，会出现频率分布较宽的残余力矩。这种残余力矩往往量级较小，但是会对有效载荷的观测精度产生影响，甚至导致卫星平台的颤振。目前，在针对惯性执行机构的测试中，尚无手段对各层次转动部件的残余力矩进行测试。因此亟需补充惯性器件残余力矩测量装置。本发明介绍的基于三维气浮的惯性器件残余力矩测量装置及方法就是一种先进的解决残余力矩检测问题的方法。

论文《大型三轴气浮台转动惯量和干扰力矩高精度联合辨识技术》记载了利用三轴气浮台对遥感卫星进行载荷平台一体化全系统闭环物理仿真，可模拟卫星在轨运行时的动力学特性。该文章提出一种新的大型三轴气浮台干扰力矩辨识技术，通过台上飞轮对三轴施加激励作用，利用激光陀螺等姿态测量数据实现对台体干扰力矩的高精度辨识。与传统辨识方法不同，该技术仅利用本体角速度信息，不需要角加速度信息，避免了角速度微分引起的噪声放大，将气浮系统综合干扰力矩优于0.003N·m，满足了高精度参数辨识需求。其中提出了一种利用激光陀螺等姿态测量数据进行残余力矩的测量方法，该方法是一种间接测量方法，比较依赖飞轮与激光陀螺的精度，计算量大，在数值计算过程中会产生一定的误差，并且对计算机性能有一定的要求。

论文《基于三轴气浮台的微波成像仪干扰力矩测量方法研究》记载了对一种基于三轴气浮台的微波成像仪干扰力矩测量方法进行了研究。根据陀螺测量角速度数据，用三轴气浮台实现微波成像仪的静不平衡量、动不平衡量的测量和现场整机配平，经在轨飞行验证，卫星姿态稳定度有大幅提高，方法有效、可行。其中提出了一种根据达朗贝尔原理，利用陀螺数据实现微波成像仪的静不平衡量、动不平衡量的测量方法，该方法需要对测得的角速度数据进行一系列处理，在原始数据处理和数值计算过程中产生的误差会不断累积，文章最后对力矩测量精度进行了验证，其测量精度并不理想。

现有技术中发明专利《飞轮摩擦力矩测量方法》(公开号为CN106525314A)公开了一种飞轮摩擦力矩测量方法，其包括下列步骤：步骤一，使用飞轮转速采集系统，采集飞轮在没有控制力矩输出的情况下由额定转速范围内的最大转速到零的转速信息；步骤二，通过数据处理与分析模块对转速信号进行平滑滤波与差分处理，得到转速信息与时间一一对应的采样点数据；步骤三，多次测量取其均值，估算出该转速方向的飞轮摩擦力矩大小；步骤四，对飞轮加负转速的控制力矩电压，重复上述步骤一、步骤二、步骤三，估算出该转速方向的飞轮摩擦力矩大小。本发明能够对摩擦环境复杂的飞轮进行力矩测量，特别是整机装配完成后的飞轮力矩测量，在航天器内飞轮的安装调试上应用广泛。其中提出的飞轮摩擦力矩测量方法操作复杂，对飞轮转速采集系统和控制电压精度要求高，且该方法仅适用于飞轮，不适用于其它惯性器件。

现有技术中发明专利《基于气浮轴承的低阻尼滚转力矩测量装置》(授权公告号为CN103968982B)提供了一种基于气浮轴承的低阻尼滚转力矩测量装置，其包括弹体支撑架、弹性铰链、过渡支撑架和气浮轴承，气浮轴承包括气浮轴承定子前堵块、气浮轴承定子、气浮轴承转子和气浮轴承定子后堵块，并且气浮轴承定子前堵块和气浮轴承定子上分别安装有节流器，弹体支撑架、过渡支撑架和气浮轴承转子彼此之间牢固连接，气浮轴承定子前堵块、气浮轴承定子和气浮轴承定子后堵块彼此之间牢固连接，弹性铰链的前端与弹体支撑架牢固连接，弹性铰链的后端与气浮轴承定子前堵块牢固连接，气浮轴承定子与气浮轴承转子之间具有径向间隙和轴向间隙。本装置阻尼极低，能够分别对固定姿态试验模型的静态滚转力矩和动态滚转阻尼力矩进行高精度测量，能够更好满足各类飞行器高精度滚转力矩测量的要求。其中提出了一种基于气浮轴承的低阻尼滚转力矩测量方法，该方法仅能测量固定姿态的试验模型的滚转力矩，无法测量其它姿态的试验模型，且仅能测量单自由度的滚转力矩。

与上述检测方法相比，本发明提出了一种基于三维气浮的惯性器件残余力矩测量装置及方法，能够模拟卫星平台在轨工作，提供一个模拟的空间力学环境,能够实时输出残余力矩，且适用于多种惯性器件。同时，本发明的残余力矩测量算法与前文提到的方法相比，精度更高，理论更完善，实际应用更方便。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的需采用间接测量，不适用于其它惯性器件以及测量精度并不理想的问题，进而提供一种基于三维气浮的惯性器件残余力矩测量装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于三维气浮的惯性器件残余力矩测量装置，包括：台上系统、台下系统和无线传输系统，台上系统和台下系统通过无线传输系统无线连接；

所述台下系统包括台下数据采集与处理系统、服务器、机柜箱和供气系统；服务器、机柜箱和供气系统安装在台下，服务器与台下数据采集与处理系统相连，用于存储数据；机柜箱用于安装服务器；

所述台上系统包括供电系统、惯性执行机构控制系统、惯性执行机构待测产品、台上数据采集与处理系统、残余力矩测试系统、振动隔离与支撑系统和真空控制系统；惯性执行机构控制系统对惯性执行机构待测产品进行控制，台上数据采集与处理系统与惯性执行机构待测产品和残余力矩测试系统相连接，采集残余力矩信号和工作状态参数，且台上数据采集与处理系统与台下系统的台下数据采集与处理系统通过无线传输系统连接，振动隔离与支撑系统安装在残余力矩测试系统的下面来隔离外界振动，供电系统分别为惯性执行机构控制系统、惯性执行机构待测产品和台上数据采集与处理系统进行供电；真空控制系统用于保持台上系统的真空状态，并与残余力矩测试系统和台上数据采集与处理系统共同工作；

所述残余力矩测试系统由气浮转台、高精度传感装置和防倾覆及防护装置组成，气浮转台结构下配备有防倾覆及防护装置，高精度传感装置分别设置在气浮转台的竖直方向上和气浮转台外侧的水平方向上，

所述气浮转台由气浮台体、气浮球轴承结构、气浮台底座、底座支撑构成，气浮台体的下端安装有气浮球轴承结构，气浮台底座与底座支撑固定连接，气浮球轴承结构与气浮台底座之间形成气膜，

所述竖直方向的高精度传感装置由高精度应变式力传感器、高精度接触平台、摩擦力矩消除装置和自适应竖直保持装置构成，高精度应变式力传感器和高精度接触平台位于台上，摩擦力矩消除装置和自适应竖直保持装置位于台下，高精度应变式力传感器用于测量准静态力，高精度应变式力传感器与气浮台体刚性联接。

所述水平方向的高精度传感装置由高精度应变式力传感器、高精度接触平台、摩擦力矩消除装置和自适应水平保持装置构成，高精度应变式力传感器和高精度接触平台位于台上，摩擦力矩消除装置和自适应水平保持装置位于台下，高精度应变式力传感器用于测量准静态力，高精度应变式力传感器和高精度接触平台与气浮台体固定连接，摩擦力矩消除装置和自适应水平保持装置与外部装置固定连接。

所述摩擦力矩消除装置的表面设计有节流孔。

所述振动隔离与支撑系统由隔振测试台组成，隔振测试台上安装有空气弹簧。

所述真空控制系统由抽真空装置、真空保持系统和真空度控制系统组成，真空度控制系统控制抽真空设备和真空保持系统形成不同的真空状态。

所述竖直方向的高精度传感装置有三个，其上的高精度应变式力传感器分别为1号高精度应变式力传感器、2号高精度应变式力传感器和3号高精度应变式力传感器；所述水平方向的高精度传感装置有两个，其上的高精度应变式力传感器分别为4号高精度应变式力传感器和5号高精度应变式力传感器。

基于三维气浮的惯性器件残余力矩测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤一、系统初始化：供气系统工作，将三维气浮转台浮起，真空控制系统工作，振动隔离与支撑系统工作；

步骤二、惯性执行机构待测产品运行，惯性执行机构控制系统工作，产生残余力矩。

步骤三、残余力矩测试系统测量残余力矩信号：以气浮转台中心为原点，以气浮转台法方向为Z轴，经过数据处理后，可由1，2，3号高精度应变式力传感器测得绕X轴和绕Y轴的残余力矩，由4，5号高精度应变式力传感器测得绕Z轴的残余力矩；其中摩擦力矩消除装置用于消除测量过程中摩擦力矩对测量结果的影响，自适应竖直保持装置用于保持摩擦力矩消除装置上平面与高精度应变式力传感器下的高精度接触平台下平面平行；自适应水平保持装置用于保持摩擦力矩消除装置右平面与高精度应变式力传感器下的高精度接触平台左平面平行；

步骤四、台上数据采集与处理系统和台下数据采集与处理系统采集残余力矩信号并进行相关运算，结合惯性执行机构控制系统中的产品工作状态参数、真空控制系统中的测试环境真空信息，对相关数据进行综合比对分析，并将数据存储在服务器内。

本发明的有益效果为：

本发明与现有技术的干扰力矩测量方法相比残余力矩测试方法的工作方式完全不同，现有技术中的测试方法是一种间接测量方法，计算量大，在数值计算过程中会产生一定的误差；而本发明中的方法是一种直接测量方法，数值计算较少。同时，区别于类似论文中的方法，本发明的方法适用于多种惯性器件。

本发明不限于惯性器件的测量，还可以用去其他系统的测量，且具有更成熟的应用基础，实际使用效果很好，相比于现有技术有了很大的进步。

本发明提出了一种基于三维气浮的惯性器件残余力矩测量装置及方法，能够模拟卫星平台在轨工作，提供一个模拟的空间力学环境,能够实时输出残余力矩，且适用于多种惯性器件。同时，本发明的残余力矩测量算法与现有技术的方法相比，精度更高，理论更完善，实际应用更方便。

附图说明

图1为本发明基于三维气浮的惯性器件残余力矩测量装置系统组成结构示意图。

图2为本发明残余力矩测试系统结构示意图。

图3为本发明气浮球轴承组件的结构示意图。

图4为本发明平衡调节装置的结构示意图。

图5为本发明高精度传感装置位置示意图。

图6为本发明竖直方向的高精度传感装置结构示意图。

图7为本发明水平方向的高精度传感装置结构示意图。

图8为本发明振动隔离与支撑系统结构示意图。

图9为本发明真空控制系统示意图。

图10为本发明数据采集与处理系统示意图。

图11为本发明供电系统示意图。

图中的附图标记，1为台下数据采集与处理系统，2为服务器，3为机柜箱，4为供气系统，5为供电系统，6为惯性执行机构控制系统，7为惯性执行机构待测产品，8为台上数据采集与处理系统，9为残余力矩测试系统，10为振动隔离与支撑系统，11为真空控制系统，12为无线传输系统，13为气浮台体，14为气浮球轴承结构，15为气浮台底座，16为底座支撑，17为防倾覆及防护装置，18为高精度应变式力传感器，18-1为1号高精度应变式力传感器，18-2为2号高精度应变式力传感器，18-3为3号高精度应变式力传感器，18-4为4号高精度应变式力传感器，18-5为5号高精度应变式力传感器，19为高精度接触平台，20为摩擦力矩消除装置，21为自适应竖直保持装置，22为隔振测试台，23为空气弹簧，24为抽真空装置，25为真空保持系统，26为真空度控制系统，27为数据采集板卡，28为台上计算机，29为锂电池组充电控制器，30为锂电池组，31为电源分配箱，32为直流变换器，33为自适应水平保持装置。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图1至图11所示，本实施例所涉及的一种基于三维气浮的惯性器件残余力矩测量装置，包括：台上系统、台下系统和无线传输系统12，台上系统和台下系统通过无线传输系统12无线连接；

所述台下系统包括台下数据采集与处理系统1、服务器2、机柜箱3和供气系统4；服务器2、机柜箱3和供气系统4安装在台下，服务器2与台下数据采集与处理系统1相连，用于存储数据；机柜箱3用于安装服务器2；

所述台上系统包括供电系统5、惯性执行机构控制系统6、惯性执行机构待测产品7、台上数据采集与处理系统8、残余力矩测试系统9、振动隔离与支撑系统10和真空控制系统11；惯性执行机构控制系统6对惯性执行机构待测产品7进行控制，台上数据采集与处理系统8与惯性执行机构待测产品7和残余力矩测试系统9相连接，采集残余力矩信号和工作状态参数，且台上数据采集与处理系统8与台下系统的台下数据采集与处理系统1通过无线传输系统12连接，振动隔离与支撑系统10安装在残余力矩测试系统9的下面来隔离外界振动，供电系统5分别为惯性执行机构控制系统6、惯性执行机构待测产品7和台上数据采集与处理系统8进行供电；真空控制系统11用于保持台上系统的真空状态，并与残余力矩测试系统9和台上数据采集与处理系统8共同工作；

所述残余力矩测试系统9由气浮转台、高精度传感装置和防倾覆及防护装置17组成，气浮转台结构下配备有防倾覆及防护装置17，高精度传感装置分别设置在气浮转台的竖直方向上和气浮转台外侧的水平方向上，

所述气浮转台由气浮台体13、气浮球轴承结构14、气浮台底座15、底座支撑16构成，气浮台体13的下端安装有气浮球轴承结构14，气浮台底座15与底座支撑16固定连接，气浮球轴承结构14与气浮台底座15之间形成气膜，

所述竖直方向的高精度传感装置由高精度应变式力传感器18、高精度接触平台19、摩擦力矩消除装置20和自适应竖直保持装置21构成，高精度应变式力传感器18和高精度接触平台19位于台上，摩擦力矩消除装置20和自适应竖直保持装置21位于台下，高精度应变式力传感器18用于测量准静态力，高精度应变式力传感器18与气浮台体13刚性联接。

所述水平方向的高精度传感装置由高精度应变式力传感器18、高精度接触平台19、摩擦力矩消除装置20和自适应水平保持装置33构成，高精度应变式力传感器18和高精度接触平台19位于台上，摩擦力矩消除装置20和自适应水平保持装置33位于台下，高精度应变式力传感器18用于测量准静态力，高精度应变式力传感器18和高精度接触平台19与气浮台体13固定连接，摩擦力矩消除装置20和自适应水平保持装置33与外部装置固定连接。

所述摩擦力矩消除装置20的表面设计有节流孔。

所述振动隔离与支撑系统10由隔振测试台22组成，隔振测试台22上安装有空气弹簧23。

所述真空控制系统11由抽真空装置24、真空保持系统25和真空度控制系统26组成，真空度控制系统26控制抽真空设备24和真空保持系统25形成不同的真空状态。

所述竖直方向的高精度传感装置有三个，其上的高精度应变式力传感器18分别为1号高精度应变式力传感器18-1、2号高精度应变式力传感器18-2和3号高精度应变式力传感器18-3；所述水平方向的高精度传感装置有两个，其上的高精度应变式力传感器18分别为4号高精度应变式力传感器18-4和5号高精度应变式力传感器18-5。

基于三维气浮的惯性器件残余力矩测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤一、系统初始化：供气系统工作，将三维气浮转台浮起，真空控制系统工作，振动隔离与支撑系统工作；

步骤二、惯性执行机构待测产品运行，惯性执行机构控制系统工作，产生残余力矩。

步骤三、残余力矩测试系统测量残余力矩信号：以气浮转台中心为原点，以气浮转台法方向为Z轴，经过数据处理后，可由1，2，3号高精度应变式力传感器测得绕X轴和绕Y轴的残余力矩，由4，5号高精度应变式力传感器测得绕Z轴的残余力矩；其中摩擦力矩消除装置用于消除测量过程中摩擦力矩对测量结果的影响，自适应竖直保持装置用于保持摩擦力矩消除装置上平面与高精度应变式力传感器下的高精度接触平台下平面平行；自适应水平保持装置用于保持摩擦力矩消除装置右平面与高精度应变式力传感器下的高精度接触平台左平面平行；

步骤四、台上数据采集与处理系统和台下数据采集与处理系统采集残余力矩信号并进行相关运算，结合惯性执行机构控制系统中的产品工作状态参数、真空控制系统中的测试环境真空信息，对相关数据进行综合比对分析，并将数据存储在服务器内。

实施例1

如图1所示，一种基于三维气浮的惯性器件残余力矩测量装置主要由数据采集与处理系统、服务器2、机柜箱3、供气系统4、供电系统5、惯性执行机构控制系统6、惯性执行机构待测产品7、残余力矩测试系统9、振动隔离与支撑系统10、真空控制系统11和无线传输系统12组成。其中，数据采集与处理系统包括台下数据采集与处理系统1和台上数据采集与处理系统8。将测量装置分为台上系统和台下系统，台上系统和台下系统通过无线传输系统12进行连接；

台下系统包括台下数据采集与处理系统1、服务器2、机柜箱3和供气系统4；服务器2、机柜箱3和供气系统4安装在台下，服务器2与台下数据采集与处理系统1相连，用于存储数据；机柜箱3用于安装服务器2；

台上系统包括供电系统5、惯性执行机构控制系统6、惯性执行机构待测产品7、台上数据采集与处理系统8、残余力矩测试系统9、振动隔离与支撑系统10和真空控制系统11；惯性执行机构控制系统6对惯性执行机构待测产品7进行控制，台上数据采集与处理系统8与惯性执行机构待测产品7和残余力矩测试系统9相连接，采集残余力矩信号和工作状态参数，且台上数据采集与处理系统8与台下系统的台下数据采集与处理系统1通过无线传输系统12连接，振动隔离与支撑系统10安装在残余力矩测试系统9的下面来隔离外界振动，供电系统5分别为惯性执行机构控制系统6、惯性执行机构待测产品7和台上数据采集与处理系统8进行供电；真空控制系统11用于保持台上系统的真空状态，并与残余力矩测试系统9和台上数据采集与处理系统8共同工作，

如图2所示，残余力矩测试系统9由气浮转台、高精度传感装置和防倾覆及防护装置17组成，气浮转台结构下配备有防倾覆及防护装置17，高精度传感装置分别设置在气浮转台的竖直方向上和气浮转台外侧的水平方向上，如图5所示，高精度传感装置共有五个，五个高精度传感装置上的高精度应变式力传感器分别为1号高精度应变式力传感器18-1，2号高精度应变式力传感器18-2，3号高精度应变式力传感器18-3，4号高精度应变式力传感器18-4和5号高精度应变式力传感器18-5；其中1号高精度应变式力传感器18-1，2号高精度应变式力传感器18-2和3号高精度应变式力传感器18-3间隔均匀的安装在气浮转台上的竖直方向上，4号高精度应变式力传感器18-4和5号高精度应变式力传感器18-5设置安装在气浮转台外侧的水平方向上，与气浮台体13固定连接，

气浮转台由气浮台体13、气浮球轴承结构14、气浮台底座15、底座支撑16构成，气浮台体13的下端安装有气浮球轴承结构14，气浮台底座15与底座支撑16固定连接，气浮球轴承结构14与气浮台底座15之间形成气膜，气浮台体13为圆盘形结构，该结构下配备有防倾覆及防护装置17，用于不工作时将气浮转台顶起，在非工作状态实现球轴承卸荷，卸荷后用锁紧机构将台面锁定。保证测量台出现意外情况时也不会发生倾覆。气浮转台用于模拟无摩擦力环境，同时提供数据采集及处理系统的安装工作台，气浮转台采用气浮球轴承结构，其结构如图3所示。气浮转台上还设置有平衡调节装置，如图4所示，用于系统通气浮起后，根据电子测角仪(标定和测量气浮台面的角度位置)的数据，调节气浮测量台运动部分的质心位置尽量与球轴承中心重合，最后基本达到静力矩平衡。

如图6所示，安装在气浮转台竖直方向的高精度传感装置由高精度应变式力传感器18、高精度接触平台19、摩擦力矩消除装置20和自适应竖直保持装置21构成，高精度应变式力传感器18和高精度接触平台19位于台上，摩擦力矩消除装置20和自适应竖直保持装置21位于台下，高精度应变式力传感器18用于测量准静态力(力矩)，由于气浮转台具有较大的转动惯量，高精度应变式力传感器18必须与气浮台体13的台面刚性联接。如果高精度应变式力传感器18与气浮转台的联接刚度不足，会导致测量力矩波动产生较大的误差。摩擦力矩消除装置20用于消除测量过程中摩擦力矩对测量结果的影响，其表面设计有节流孔，可以形成气膜，极大减小了接触面之间的摩擦力，创建了一个微摩擦力(力矩)环境。自适应竖直保持装置21用于保持摩擦力矩消除装置20上平面与高精度应变式力传感器18下的高精度接触平台19下平面平行，使测量结果更可靠。

如图7所示，安装在气浮转台外侧的水平方向的高精度传感装置，由高精度应变式力传感器18、高精度接触平台19、摩擦力矩消除装置20和自适应水平保持装置33构成，高精度应变式力传感器18、高精度接触平台19、摩擦力矩消除装置20和自适应水平保持装置33均水平设置，高精度应变式力传感器18和高精度接触平台19与气浮台体13固定连接，摩擦力矩消除装置20和自适应水平保持装置33与外部装置固定连接，不随气浮台体转动，高精度应变式力传感器18用于测量准静态力(力矩)，摩擦力矩消除装置20用于消除测量过程中摩擦力矩对测量结果的影响，其表面设计有节流孔，可以形成气膜，极大减小了接触面之间的摩擦力，创建了一个微摩擦力(力矩)环境；自适应水平保持装置33用于保持摩擦力矩消除装置20右平面与高精度应变式力传感器18下的高精度接触平台19左平面平行，使测量结果更可靠。

高精度传感装置在使用时，如图5所示，若以气浮转台中心为原点，以气浮转台法方向为Z轴，则经过数据处理后，可由1号高精度应变式力传感器18-1，2号高精度应变式力传感器18-2，3号高精度应变式力传感器18-3测得绕X轴和绕Y轴的残余力矩，由4号高精度应变式力传感器18-4，5号高精度应变式力传感器18-5测得绕Z轴的残余力矩。

无线传输系统12包括无线收发装置和数据通讯协议，服务安装在台下计算机上，有利于降低台上电源消耗。台下计算机与台上计算机28的无线数据传输采用加密的方式，提高系统的数据传输的完整性和安全性。

如图8所示，振动隔离与支撑系统10由隔振测试台22组成。隔振测试台22使用空气弹簧23，能够有效隔离外界振动。惯性执行机构控制系统6主要由控制计算机、集成控制模块、供电设备等组成。惯性执行机构控制系统6可实现对现有惯性执行机构型谱产品以及已规划产品的控制，并满足对旋转部组件的控制能力要求。该系统具备独立工作台面，不会对残余力矩测试系统9产生干扰。

如图9所示，真空控制系统11主要由抽真空设备24、真空保持系统25、真空度控制系统组成26。抽真空设备24能够满足通用型号的惯性执行机构产品7以及旋转部件使用。真空保持系统25能保证每次抽真空作业完成后，真空状态能保持一段时间。真空度控制系统26能按照测试需求控制不同的真空状态。且真空控制系统11能够与残余力矩测试系统9和台上数据采集与处理系统8合并工作，不会影响残余力矩测试准确度。

如图10所示，数据采集与处理系统分台上台下两部分，主要由数据采集设备、数据综合处理软件等组成。通过使用高精度的数据采集板卡27，采集残余力矩测试系统9中的残余力矩信号并进行相关运算，结合惯性执行机构控制系统6中的产品工作状态参数、真空控制系统11中的测试环境真空信息，对相关数据进行综合比对分析。

其中，高精度应变式力传感器18将采集到的残余力矩测试系统9中的残余力矩信号输入数据采集板卡27，惯性执行机构控制系统6中的惯性执行机构待测产品7的工作状态参数也输入数据采集板卡27，数据采集板卡27将信息传递到台上数据采集与处理系统8，台上数据采集与处理系统8位于台上计算机上28中，台下数据采集与处理系统1与服务器2相连，台上数据采集与处理系统8和台下数据采集与处理系统1通过无线传输系统12相连接。

供电供气系统分为供电系统5和供气系统4，供电系统5分为向惯性执行机构供电和向设备其他组成部分供电两项，如图11所示，其中，锂电池组充电控制器29控制锂电池组30，锂电池组30与直流变换器32相连，直流变换器32上设置有电源分配箱31，直流变换器32将供电分为惯性执行机构和其他设备。供气系统4为气浮台配备的专用气源系统，气源经过过滤、干燥后供给给气浮台。

服务器2安装在台下，负责实时存储数据。

机柜箱3安装在台下，用于安装服务器3。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于三维气浮的惯性器件残余力矩测量装置，其特征在于，包括：台上系统、台下系统和无线传输系统(12)，台上系统和台下系统通过无线传输系统(12)无线连接；

所述台下系统包括台下数据采集与处理系统(1)、服务器(2)、机柜箱(3)和供气系统(4)；服务器(2)、机柜箱(3)和供气系统(4)安装在台下，服务器(2)与台下数据采集与处理系统(1)相连，用于存储数据；机柜箱(3)用于安装服务器(2)；

所述台上系统包括供电系统(5)、惯性执行机构控制系统(6)、惯性执行机构待测产品(7)、台上数据采集与处理系统(8)、残余力矩测试系统(9)、振动隔离与支撑系统(10)和真空控制系统(11)；惯性执行机构控制系统(6)对惯性执行机构待测产品(7)进行控制，台上数据采集与处理系统(8)与惯性执行机构待测产品(7)和残余力矩测试系统(9)相连接，采集残余力矩信号和工作状态参数，且台上数据采集与处理系统(8)与台下系统的台下数据采集与处理系统(1)通过无线传输系统(12)连接，振动隔离与支撑系统(10)安装在残余力矩测试系统(9)的下面来隔离外界振动，供电系统(5)分别为惯性执行机构控制系统(6)、惯性执行机构待测产品(7)和台上数据采集与处理系统(8)进行供电；真空控制系统(11)用于保持台上系统的真空状态，并与残余力矩测试系统(9)和台上数据采集与处理系统(8)共同工作；

所述残余力矩测试系统(9)由气浮转台、高精度传感装置和防倾覆及防护装置(17)组成，气浮转台结构下配备有防倾覆及防护装置(17)，高精度传感装置分别设置在气浮转台的竖直方向上和气浮转台外侧的水平方向上，

所述气浮转台由气浮台体(13)、气浮球轴承结构(14)、气浮台底座(15)、底座支撑(16)构成，气浮台体(13)的下端安装有气浮球轴承结构(14)，气浮台底座(15)与底座支撑(16)固定连接，气浮球轴承结构(14)与气浮台底座(15)之间形成气膜，

所述竖直方向的高精度传感装置由高精度应变式力传感器(18)、高精度接触平台(19)、摩擦力矩消除装置(20)和自适应竖直保持装置(21)构成，高精度应变式力传感器(18)和高精度接触平台(19)位于台上，摩擦力矩消除装置(20)和自适应竖直保持装置(21)位于台下，高精度应变式力传感器(18)用于测量准静态力，高精度应变式力传感器(18)与气浮台体(13)刚性联接；

所述水平方向的高精度传感装置由高精度应变式力传感器(18)、高精度接触平台(19)、摩擦力矩消除装置(20)和自适应水平保持装置(33)构成，高精度应变式力传感器(18)和高精度接触平台(19)位于台上，摩擦力矩消除装置(20)和自适应水平保持装置(33)位于台下，高精度应变式力传感器(18)用于测量准静态力，高精度应变式力传感器(18)和高精度接触平台(19)与气浮台体(13)固定连接，摩擦力矩消除装置(20)和自适应水平保持装置(33)与外部装置固定连接。

2.根据权利要求1所述的基于三维气浮的惯性器件残余力矩测量装置，其特征在于，所述摩擦力矩消除装置(20)的表面设计有节流孔。

3.根据权利要求1所述的基于三维气浮的惯性器件残余力矩测量装置，其特征在于，所述振动隔离与支撑系统(10)由隔振测试台(22)组成，隔振测试台(22)上安装有空气弹簧(23)。

4.根据权利要求1所述的基于三维气浮的惯性器件残余力矩测量装置，其特征在于，所述真空控制系统(11)由抽真空装置(24)、真空保持系统(25)和真空度控制系统(26)组成，真空度控制系统(26)控制抽真空装置(24)和真空保持系统(25)形成不同的真空状态。

5.根据权利要求1所述的基于三维气浮的惯性器件残余力矩测量装置，其特征在于，所述竖直方向的高精度传感装置有三个，其上的高精度应变式力传感器(18)分别为1号高精度应变式力传感器(18-1)、2号高精度应变式力传感器(18-2)和3号高精度应变式力传感器(18-3)；所述水平方向的高精度传感装置有两个，其上的高精度应变式力传感器(18)分别为4号高精度应变式力传感器(18-4)和5号高精度应变式力传感器(18-5)。

6.根据权利要求5所述的基于三维气浮的惯性器件残余力矩测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、系统初始化：供气系统工作，将三维气浮转台浮起，真空控制系统工作，振动隔离与支撑系统工作；

步骤二、惯性执行机构待测产品运行，惯性执行机构控制系统工作，产生残余力矩；

步骤三、残余力矩测试系统测量残余力矩信号：以气浮转台中心为原点，以气浮转台法方向为Z轴，经过数据处理后，由1，2，3号高精度应变式力传感器测得绕X轴和绕Y轴的残余力矩，由4，5号高精度应变式力传感器测得绕Z轴的残余力矩；其中摩擦力矩消除装置用于消除测量过程中摩擦力矩对测量结果的影响，自适应竖直保持装置用于保持摩擦力矩消除装置上平面与高精度应变式力传感器下的高精度接触平台下平面平行；自适应水平保持装置用于保持摩擦力矩消除装置右平面与高精度应变式力传感器下的高精度接触平台左平面平行；

步骤四、台上数据采集与处理系统和台下数据采集与处理系统采集残余力矩信号并进行相关运算，结合惯性执行机构控制系统中的产品工作状态参数、真空控制系统中的测试环境真空信息，对相关数据进行综合比对分析，并将数据存储在服务器内。

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