CN1851594A

CN1851594A - 三杆模块姿态控制机构的测试方法

Info

Publication number: CN1851594A
Application number: CN 200610039863
Authority: CN
Inventors: 陈忆; 屈元根
Original assignee: Nanjing Institute of Astronomical Optics and Technology NIAOT of CAS
Current assignee: Nanjing Institute of Astronomical Optics and Technology NIAOT of CAS
Priority date: 2006-04-25
Filing date: 2006-04-25
Publication date: 2006-10-25
Anticipated expiration: 2026-04-25
Also published as: CN100492238C

Abstract

三杆模块姿态控制机构的测试方法，安装与测量借助全站仪完成，步骤如下：首先将全站仪安置在一个固定基座上，并在一定距离外的一根柱子上贴上靶标，建立坐标系；每次测量前均利用全站仪对该靶标进行一次复测以确定初始位置；将待测试的单元块上贴三个以上的靶标，并设置在坐标系中；然后分别测量以下三个项目：促动器的定位精度；促动器作上升下降运动后，背架和促动器本身的复位性；三个促动器同时上升一定距离后背架与未上升位置的相对转动量。本发明方法简单实用，解决了主动光学天文望远镜或设有主动主反射面的射电望远镜中子镜模块姿态控制机构的测试、调试方面的技术问题。

Description

三杆模块姿态控制机构的测试方法

技术领域

本发明涉及一种仪器的测试方法，具体涉及一种三杆模块姿态控制机构的测试方法。

背景技术

天文望远镜的口径越大，获取的天体信息就越多，所以建造巨大的天文望远镜一直是天文学家不断追求的目标，但是随着望远镜口径的加大，建造时的困难会呈指数式变大，以至无法建造。现有技术采用拼接式的大型望远镜技术解决这一矛盾，即由若干块“子镜”拼接成大型天文望远镜；拼接结构中的各子镜在控制系统操纵下同时动作，可以形成整个镜面的形变，达到天文观测的需要，这一技术运用在光学波段的天文望远镜上即构成主动光学天文望远镜。如运用在无线电波段的射电望远镜上就成为主动主反射面的射电望远镜。对于子镜位置和姿态的控制，是该技术中的重要课题。

决定一个空间刚体的位置和姿态的参数共有六个，其中三个参数决定其在空间的位置，另外三个参数决定其在空间的姿态。对于六自由度的机构如Stewart平台，由于具有六个主动输入构件，因此在其运动范围内六个位姿参数是由六个促动器完全控制的。第99228295.0号中国实用新型专利公开了一种模块姿态控制机构，是只有三个主动构件的机构，该机构的空间位姿参数仍然为六个，但由于只有三个促动器，因此输入的运动参数只有三个。也就是说，六个位姿参数中只有三个是由输入运动参数决定的，另外三个参数是不独立的，它们由机构的约束关系决定。参照图1：该机构的特殊空间约束关系有两个；一是构件1，2，3的轴线均相交于一点，二是构件4，5，6按120°角分布在一个平面内，同时也相交于一点。由于有这两个特殊的约束关系，通过3个起始构件输入运动就可以控制刚体的空间运动位置和姿态。

把这种结构应用到实际的天文望远镜上，还需要解决大量的技术问题，其中之一就是该机构的测试与调试方面的技术问题。而现有技术中没有这方面的现成技术。

发明内容

为了完成上述技术课题，本发明提供一种三杆模块姿态控制机构的测试方法，该方法可以实现对第99228295.0号中国实用新型专利的模块姿态控制机构的测试工作，以使其达到在天文望远镜中实际应用的要求。

完成上述发明任务的方案是：三杆模块姿态控制机构的测试方法，安装与测量借助全站仪完成，步骤如下：

首先将全站仪安置在一个固定基座上，并在一定距离外的一根柱子上贴上靶标，建立坐标系；

每次测量前均利用全站仪对该靶标进行一次复测以确定初始位置；

将待测试的单元块上贴三个以上的靶标，并设置在坐标系中；

然后分别测量以下三个项目：

促动器的定位精度；

促动器作上升下降运动后，背架和促动器本身的复位性；

三个促动器同时上升一定距离后，背架与未上升位置的相对转动量。

以上方案中所述的全站仪与贴靶标柱子的“一定距离”是指：在全站仪望远镜可清楚分辨靶标的距离内。

单元块上的靶标数量在理论上只要三个即可，多设可以改善测量的重复性。靶标安置在六角型单元块的三个角上，构成一个三角型。

以上步骤中的三个测试项目分别详述如下：

促动器定位精度的测试：

通过控制计算机发出信号让促动器运动一定的距离，在运动前、后分别利用全站仪测出设置在促动器轴线上靶标的坐标值，求出两次坐标位置间的距离，将此值与计算机发出的运动命令相比较即可得到促动器的定位精度。

重复精度的测试：

先由全站仪测出单元块上各靶标的某一初始坐标值，同时控制计算机记录下此时促动器的位置值；

用各种方式运动促动器：有3台依次开动、或三台一起开动、或两台先开一台后开，经过一段时间运行后让控制计算机控制促动器回到起始位置；

此时再次用全站仪测出各个靶标的坐标值；

比较两次测量数据的差值即可看出促动器的重复精度。

背架平行上升后的转动测试(单元块背架的空间位姿参数为六个，由于三个促动器仅控制其中三个位置参数。单元块在运动后可能会产生一个微小的旋转，在实验中将对此旋转量进行测量)：

首先测出单元块上3个靶标A₁，B₁，C₁在初始位置时的坐标；

然后将3个促动器都上升到实验模型升高的极限位置；

在此位置测出3个靶标的坐标值(因为3个促动器是等距离上升，所以背架在这两个位置理论上是平行的)；

利用测出的两组坐标值，考察由3个靶标组成的ΔA₁B₁C₁在两个位置的相互关系，可以很方便地计算出背架在此两个位置是否相互平行，同时通过计算ΔA₁B₁C₁的3条边在这两个位置水平投影对Y轴的夹角即可以比较背架在这两个位置的相对旋转量。

本发明上述方案中的运动学分析：

这是一个3自由度的空间并联机构。该机构由3个相同的独立支链组成。在每个支链中促动器固定在基座上，促动器推动滑块沿导轨作上下运动构成移动副(简称P)。滑块上端与一个球铰相连构成一个球面副(简称S)。球面副与背架间通过一个移动副相连接。因此该空间机构为3-PSP型空间并联机构。在此机构中，基座作为定平台，背架为动平台。该机构共有8个构件，三个球面副，六个移动副。

根据Kutzbach grubler公式，机构的自由度可由下式计算

M = d (n - g - 1) + Σ_{i = 1}^{g} f_{i} - - - (1)

式中M-机构自由度数

d-环路阶数

n-构件数

g-运动副数

f_i-第i个运动副的自由度数

根据上式可得机构自由度

M＝6(8-9-1)+(3×3+1×3+1×3)＝3

该机构的自由度数是3个，而构件1，2，3是3个主动输入的起始构件，起始构件数与自由度数相等，因此该机构可以做受控运动。

本发明方法简单实用，解决了主动光学天文望远镜或设有主动主反射面的射电望远镜中子镜模块姿态控制机构的测试、调试方面的技术问题。

附图说明

图1为模块姿态控制系统机构原理图；

图2为单元模块姿态控制系统结构示意图；

图3单元块在坐标系中的位置示意图。

具体实施方式

实施例1，我国大射电望远镜“FAST”主动主反射面预研究中，用于控制主动反射面单元块运动的“三杆模块姿态控制机构”的测试。

参照图2、图3：三杆模块姿态控制机构实验装置的安装与测量是借助全站仪完成的。首先将全站仪安置在图中7位置的固定基座上，并在约42m外的一根柱子上贴上靶标，建立了坐标系。单元块8在坐标系中的位置见图3，9表示被测点。每次测量前均利用全站仪对该靶标进行一次复测以确定初始位置。主要测量三个项目。一是促动器的定位精度；二是促动器上升下降运动后背架和促动器本身的复位性；三是三个促动器同时上升一定距离后背架与未上升位置的相对转动。

在促动器轴线上放置了3个靶标A，B，C，对应球节点上分别放置了3个靶标分别为A1，B1，C1。在各种状态下对6个靶标进行了测量。

促动器定位精度的测试

促动器定位精度的测试是通过控制计算机发出信号让促动器运动一定的距离。在运动前后利用全站仪测出设置在促动器轴线上靶标的坐标值，求出两次坐标位置间的距离，将此值与计算机发出的运动命令相比较即可得到促动器的定位精度。空间任意两点M₁(x₁，y₁，z₁)，M₂(x₂，y₂，z₂)间的距离可以由下列公式求出：

d = \sqrt{{(x_{2} - x_{1})}^{2} + {(y_{2} - y_{1})}^{2} + {(z_{2} - z_{1})}^{2}} - - - (5 - 1)

表1a、1b分别是A促动器由初始位置上升80mm、160mm、240mm以及B促动器由初始位置升到240mm四种工作状态下的误差值。由于C促动器轴线靶标正好被背架的球节点阻挡，未能测到该促动器的轴线运动数据。

表1a A促动器运动的精度测试

计算机指令量	A促动器轴线靶标坐标			上升后与初始位置两点间距离(mm)	误查量(mm)
	A促动器轴线靶标坐标					X(m)	Y(m)	Z(m)
	初始位置	3.826	13.204			X(m)	Y(m)	Z(m)	-3.782
上升80(mm)	初始位置	3.826	13.204	3.837	13.168	-3.712	79	1	-3.782
上升80(mm)	上升160(mm)	3.849	13.131	3.837	13.168	-3.712	79	1	-3.642	160	0
上升240(mm)	上升160(mm)	3.849	13.131	3.862	13.096	-3.572	239	1	-3.642	160	0

表1b B促动器运动的精度测试

计算机指令量	B促动器轴线靶标坐标			上升后与初始位置两点间距离(mm)	误查量(mm)
	B促动器轴线靶标坐标					X(m)	Y(m)	Z(m)
	初始位置	2.661	16.584			X(m)	Y(m)	Z(m)	-1.620
上升240(mm)	初始位置	2.661	16.584	2.704	16.464	-1.417	240	0	-1.620

由表可见，在所测的四组数据中促动器的运行精度均在1mm以内。需要指出的是这些位置的数据均多次反复测量，重复性很好。

重复精度的测试是先由全站仪测出单元块上6个靶标的某一初始坐标值，同时控制计算机记录下此时促动器的位置值。用各种方式运动促动器；有3台依次开动、或三台一起开动、或两台先开一台后开。经过一段时间运行后让控制计算机控制促动器回到起始位置。此时再次用全站仪测出6个靶标的坐标值。比较两次测量数据的差值即可看出促动器的重复精度。观测数据见表2：表中以A，B，C代表促动器轴线的靶标，以A₁，B₁，C₁代表对应的背架靶标。

表2促动器运动到不同位置后返回时的重复性

靶标号	促动器上升前坐标			促动器上升后返回坐标			偏差量(mm)
靶标号	促动器上升前坐标			促动器上升后返回坐标			偏差量(mm)				X(m)	Y(m)	Z(m)	X(m)	Y(m)	Z(m)	ΔX	ΔY	ΔZ
A	3.826	13.204	-3.782	3.826	13.205	-3.782	1	0	0		X(m)	Y(m)	Z(m)	X(m)	Y(m)	Z(m)	ΔX	ΔY	ΔZ
A	3.826	13.204	-3.782	3.826	13.205	-3.782	1	0	0	A₁	3.956	13.325	-3.575	3.956	13.325	-3.576	0	0	1
B	2.662	16.585	-1.619	2.661	16.585	-1.619	0	1	0	A₁	3.956	13.325	-3.575	3.956	13.325	-3.576	0	0	1
B	2.662	16.585	-1.619	2.661	16.585	-1.619	0	1	0	B₁	2.907	16.487	-1.549	2.907	16.487	-1.549	0	0	0
C	6.826	16.235	-2.590	6.826	16.235	-2.589	0	0	1	B₁	2.907	16.487	-1.549	2.907	16.487	-1.549	0	0	0
C	6.826	16.235	-2.590	6.826	16.235	-2.589	0	0	1	C₁	6.643	15.951	-2.537	6.643	15.950	-2.537	1	0	0

由表2可以非常直观地看到促动器随意升降后的复位情况是很好的。

背架平行上升后的转动测试

单元块背架的空间位姿参数为六个，由于三个促动器仅控制其中三个位置参数。单元块在运动后可能会产生一个微小的旋转，在实验中将对此旋转量进行测量。测量方法是首先测出单元块上3个靶标A₁，B₁，C₁在初始位置时的坐标，然后将3个促动器都上升240mm(此为实验模型升高的极限位置)。在此位置测出3个靶标的坐标值。因为3个促动器是距离上升，所以背架在这两个位置理论上是平行的。利用测出的两组坐标值，考察由3个靶标组成的ΔA₁B₁C₁在两个位置的相互关系，可以很方便地计算出背架在此两个位置是否相互平行。同时通过计算ΔA₁B₁C₁的3条边在这两个位置水平投影对Y轴的夹角即可以比较背架在这两个位置的相对旋转量。表3是背架在初始位置和升高240mm后的实测坐标值。在后面计算过程中将把升高后背架的坐标记为A₁’，B₁’，C₁’。

表3促动器在零位和升到240mm后网架上三点坐标

靶标号	促动器零位时坐标			促动器升高240mm时坐标
靶标号	促动器零位时坐标			促动器升高240mm时坐标				X(m)	Y(m)	Z(m)	X(m)	Y(m)	Z(m)
A₁	3.956	13.325	-3.576	3.991	13.209	-3.368		X(m)	Y(m)	Z(m)	X(m)	Y(m)	Z(m)
A₁	3.956	13.325	-3.576	3.991	13.209	-3.368	B₁	2.907	16.487	-1.549	2.942	16.372	-1.342
C₁	6.643	15.951	-2.537	6.678	15.835	-2.330	B₁	2.907	16.487	-1.549	2.942	16.372	-1.342

根据公式：

\tan α = \frac{x_{2} - x_{1}}{y_{2} - y_{1}}

可以求出ΔA₁B₁C₁和ΔA₁’B₁’C₁’各边在坐标系XOY平面上的投影。由公式可以求出两个三角形的边长。计算结果见表4。

表4ΔA₁B₁C₁和ΔA₁’B₁’C₁’各边水平投影与Y轴夹角

ΔA₁B₁C₁			ΔA₁’B₁’C₁’			各对应边的相对夹角
ΔA₁B₁C₁			ΔA₁’B₁’C₁’				边	长度(mm)	与Y轴夹角(°)	边	长度(mm)	与Y轴夹角(°)
A₁B₁	3900	18.353	A₁’B₁’	3900	18.348		边	长度(mm)	与Y轴夹角(°)	边	长度(mm)	与Y轴夹角(°)	0.005
A₁B₁	3900	18.353	A₁’B₁’	3900	18.348	B₁C₁	3901	-98.164	B₁’C₁’	3902	-98.179	0.015	0.005
C₁A₁	3898	-45.658	C₁’A₁’	3898	-45.658	B₁C₁	3901	-98.164	B₁’C₁’	3902	-98.179	0.015	0

由公式还可以求出A₁，A₁’等对应点两点间的距离结果如下。

A₁A₁’＝241mm B₁B₁’＝239mm C₁C₁’＝240mm。

由表5-4和上面数据分析比较B₁C₁与B₁’C₁’的偏差量最大为0.015°，即背架上升240mm后的旋转量小于1角分。同时背架的倾销角也是0.015°。由此可见实验单元块背架在目前的控制器和补偿机构工作状态下上升240毫米时相对转动量及倾斜都是很小的，可以满足FAST观测要求。

Claims

1、一种三杆模块姿态控制机构的测试方法，安装与测量借助全站仪完成，步骤如下：

然后分别测量以下三个项目：

促动器的定位精度；

促动器作上升下降运动后，背架和促动器本身的复位性；

三个促动器同时上升一定距离后背架与未上升位置的相对转动量。

2、按照权利要求1所述的三杆模块姿态控制机构的测试方法，其特征在于，所述的三个测试项目的具体步骤如下，

促动器定位精度的测试：

通过控制计算机发出信号让促动器运动一定的距离，在运动前、后分别利用全站仪测出设置在促动器轴线上靶标的坐标值，求出两次坐标位置间的距离，将此值与计算机发出的运动命令相比较即得到促动器的定位精度；

重复精度的测试：

先由全站仪测出单元块上各个靶标的某一初始坐标值，同时控制计算机记录下此时促动器的位置值；

用各种方式运动促动器，经过一段时间运行后让控制计算机控制促动器回到起始位置；

此时再次用全站仪测出各个靶标的坐标值；

比较两次测量数据的差值即得出促动器的重复精度；

背架平行上升后的转动测试；：

然后将3个促动器都上升到实验模型升高的极限位置；

在此位置测出3个靶标的坐标值；

利用测出的两组坐标值，考察由3个靶标组成的ΔA₁B₁C₁在两个位置的相互关系，计算出背架在此两个位置是否相互平行，同时通过计算ΔA₁B₁C₁的3条边在这两个位置水平投影对Y轴的夹角，比较出背架在这两个位置的相对旋转量。

3、按照权利要求1或2所述的三杆模块姿态控制机构的测试方法，其特征在于，所述的单元块上的靶标设置方法是：在促动器轴线上放置3个靶标，对应球节点上放置3个靶标。