CN208012810U - 一种转动惯量校准装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供转动惯量校准装置，包括：标准质量块，用于附加在飞行模拟器的主梁和配重杆上；摆动激励单元，用于产生微幅摆动信号，使得飞行模拟器产生微幅摆动，所述摆动激励单元包括音圈电机模组；限位机构，用于对所述飞行模拟器的微幅摆动进行限位，使得飞行模拟器绕指定轴摆动；距离测量单元，用于获取所述标准质量块的位置数据；数控单元，用于获得音圈电机模组的加速度和振幅；摆动周期测量单元，用于获取飞行模拟器摆动周期数据。本实用新型实现了能够针对试验台主被动飞行模拟器的转动惯量在线校准装置（偏航、滚转与俯仰运动的转动惯量），满足了弱撞击式对接机构对接性能试验台飞行模拟器转动惯量参数的计量要求。

Description

一种转动惯量校准装置

技术领域

本实用新型涉及计量校准技术领域，尤其涉及弱撞击式对接机构对接性能试验台飞行模拟器转动惯量在线校准装置。

背景技术

转动惯量是表征转动物体惯性大小的物理量，是研究、设计、控制转动物体运动规律的重要工程技术参数，所以凡是涉及转动动力学问题，都会涉及到转动惯量的测量。如钟表摆轮、精密电表动圈的体形设计、枪炮的弹丸、电机的转子、机器零件、导弹和卫星的发射等，都不能忽视转动惯量的大小。在航天工业中，运载火箭、人造卫星、载人飞船等需要测量转动惯量，以确定产品是否符合设计要求，以及如何修正，因此测定物体的转动惯量具有重要的实际意义。

弱撞击式对接机构对接性能试验台是用于探月三期对接样品转移分系统常温条件下地面对接性能试验，提供进行地面试验研究和试验验证的条件，是模拟探月三期工程中航天器对接、保持、样品转移和分离等全过程的地面试验设备。基于该试验台，在地面环境下，系统地测试在给定初始条件下轨道器和上升器的接近、捕获、锁定、拉紧和释放等过程的力/力矩、位移、速度、加速度、时序等参数，用以评估空间对接机构的工作性能，为空间机构的改进和定型提供试验依据。通过地面弱撞击和样品转移试验，可以研究转移机构的性能，为优化和改进对接机构提供基本的试验基础和依据。

为了确保弱撞击式对接机构对接性能试验台真实、完整、可靠地模拟在轨航天器的运动全过程，必须对试验台中的主被动模拟飞行器的参数进行测量。质量特性参数(包含质量，三坐标质心位置，绕三个坐标轴的转动惯量和惯性积等)是航天器的一组重要参数，其中的转动惯量是刚体转动时惯性的度量，其大小体现了刚体转动时状态改变的难易程度。转动惯量值的不同，会造成模拟航天器对接、保持、样品转移和分离等全过程中的各种力学参数指标的变化，影响弱撞击式对接机构对接性能试验台对空间对接机构工作的真实模拟，也无法准确评估和确定模拟飞行器的结构性能。因此，进行试验台模拟飞行器转动惯量的测量就显得尤为重要。

对于形状较简单的刚体，转动惯量可以通过数学方法算出它绕特定轴的转动惯量。但是对于形状较复杂的刚体用数学方法计算它的转动惯量非常困难，因此多用专用的转动惯量测试设备进行测量。

欧美等航天发达国家多采用质量特性综合测试设备对航天器转动惯量参数进行测量。NASA哥达德空间飞行中心的质量特性三合一综合测试设备安装在台秤上，航天器安装在设备测量平台上，通过台秤测量质量。质心测量采用力复原技术与球面气浮轴承旋转中心轴相结合的方式，测量航天器在台体坐标系下产生的偏心力矩，除以质量可得出台体坐标系下的质心位置；再找出台体坐标系和航天器坐标系的关系，通过坐标转换即可得出航天器坐标系下的质心位置。转动惯量测量时，卡盘结合电机带动卡盘与扭杆在台体底部接合，台体转换成一个扭摆，这一转换是自动完成的。给台体一个小的角位移，然后释放让其自由振荡。传感器测量振荡周期并计算负载的转动惯量：I₀＝T²K-I₁-md²，式中： K为测试系统刚度系数；I1为空载时设备的转动惯量；m为负载的质量；d为台体坐标系下负载的质心与原点的距离。

法国航天局使用的质心/转动惯量二合一综合测试设备，其转动惯量测量部分采用扭摆装置，由平面气浮轴承、扭簧、电磁换向阀、气缸、扭摆传感器等组成。气浮轴承转台具有阻尼小的优点，适用于从小到大各种载荷的试件，缺点是抗偏心力矩的能力较弱。扭簧呈十字状，用于带动转台自由扭摆。电磁换向阀用于驱动台体产生角位移。扭摆传感器用于测量扭摆周期。转动惯量测试时，电磁换向阀控制气缸使台体产生一个小的角位移，然后释放让其自由扭摆，通过测量扭摆周期得出转动惯量。

北京卫星工程环境研究所有关技术人员结合国内航天器测试和制造水平现状，自主研制出一台集质量、质心和转动惯量测试功能于一体的综合测试设备和一套配合综合测试设备使用的坐标转换装置，用于某类特定航天器的质量特性测试，实现了对航天器一次装卡完成质量、3个方向质心和绕3条轴转动惯量以及惯性积的测试，有效地提高了测试效率，减少了安全隐患。

同济大学机械学院设计了一种简便的转动惯量测量装置：对汽车的三轴转动惯量(汽车空车整备质量状态下的横摆/偏航转动惯量、俯仰转动惯量和侧倾转动惯量，按照汽车坐标系，这三轴转动惯量分别是绕质心Z轴、绕质心Y轴和绕质心X轴的转动惯量)进行测量，通过使车辆作微幅振动、测量振动的周期来求取相应的转动惯量。

弱撞击式对接机构对接性能试验台是用于探月三期工程项目中对接与样品转移分系统常温条件下地面对接性能试验的设备。由于试验台飞行模拟器整体质量和结构尺寸非常大，且结构复杂、质量分布不均匀，目前国内常用的转动惯量测试方法和现有的转动惯量测量设备无法满足其测试要求。

因此，需要设计一套能够针对试验台主被动飞行模拟器的转动惯量在线校准装置(分别针对偏航、滚转与俯仰运动的转动惯量)，满足弱撞击式对接机构对接性能试验台飞行模拟器转动惯量参数的计量要求。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题是提供了一套能够针对试验台主被动飞行模拟器的转动惯量在线校准装置(分别针对偏航、滚转与俯仰运动的转动惯量)，满足了弱撞击式对接机构对接性能试验台飞行模拟器转动惯量参数的计量要求。

为了解决上述问题，本实用新型提供一种转动惯量校准装置，包括：

标准质量块，用于附加在飞行模拟器的主梁和配重杆上；

摆动激励单元，用于产生微幅摆动信号，使得飞行模拟器产生微幅摆动，所述摆动激励单元包括音圈电机模组；

限位机构，用于对所述飞行模拟器的微幅摆动进行限位，使得飞行模拟器绕指定轴摆动；

距离测量单元，用于获取所述标准质量块的位置数据；

数控单元，用于获得音圈电机模组的加速度和振幅；

摆动周期测量单元，用于获取飞行模拟器摆动周期数据。

可选地，所述音圈电机模组为两组规格相同的直线音圈电机模组，利用音圈电机的力与电流成正比的关系控制所述音圈电机模组进行摆动激励。

可选地，所述数控单元包括：

控制器，用于控制驱动器，并通过驱动器控制音圈电机产生正弦激振，推动飞行模拟器作自由扭摆运动；

数据处理与显示单元，用于进行数据处理分析，获得所述音圈电机的加速度和振幅。

可选地，所述摆动周期测量单元包括：

光电传感器，用于接收来自光源的光线信号，转换电脉冲信号；

信号处理单元，用于对来自光电传感器的电脉冲信号进行放大整形；

数字频率计，用于对经过信号处理单元处理后的信号进行计算，获得所述飞行模拟器的摆动周期参数，并将所述摆动周期参数传输至所述数控单元的数据处理与显示单元进行数据处理分析；

遮光板，安装于飞行模拟器或气浮平台上，所述遮光板的中线经过飞行模拟器的质心,在所述飞行模拟器做摆动运动时，所述遮光板将所述光源的光线挡住或放开，以使得从光源进入所述光电传感器的光线信号明暗相间。

可选地，所述摆动周期测量单元包括：

位移传感器，用于测量所述标准质量块的质心与摆动轴之间的距离，所述位移传感器为拉线位移传感器，所述拉线位移传感器的拉线一端与标准质量块的质心固定，所述拉线方向与待测量的所述距离的方向一致；

位移信号处理单元，用于将位移传感器的模拟信号转换为电信号，将该电信号传输至数据处理与显示单元。

可选地，所述飞行模拟的主梁为两个碳纤维横梁，所述配重杆为碳纤维配重杆，所述标准质量块进一步包括：

主动质量块，其质量不超过主动飞行模拟器设计质量的5％，设置在主动飞行模拟器的主梁的两端，主动质量块与所述主梁之间通过螺纹连接；

被动质量块，其质量不超过被动飞行模拟器设计质量的10％，设置在被动飞行模拟器的配重杆的两端，被动质量块与配重杆之间通过螺纹连接。

可选地，所述限位机构进一步包括：

气浮平台/导柱，用于实现飞行模拟器的垂直方向的运动限制；

二维转台机构，用于实现滚动运动限制、俯仰运动限制和偏航运动限制。

可选地，所述限位机构可实现限制平动和转动两套运动限位方案，使得飞行模拟器绕指定轴摆动。

可选地，所述两组音圈电机模组包括：位于碳纤维横梁前端的前端音圈电机模组和位于碳纤维横梁后端的后端音圈电机模组，所述二维转台机构包括：

两组支撑座，分别用于支撑设置所述前端音圈电机模组和后端音圈电机模组，所述支撑座与其对应支撑的音圈电机模组的一端通过球铰方式连接，所述支撑座的底部设置4个调节底座，所述支撑座的底部与所述调节底座之间设置调节螺杆，通过所述调节螺杆实现支撑座的上升和下降；

滚动限位单元，用于限制飞行模拟器的滚动，该滚动限位单元包括：滚动限位连接杆，所述滚动限位连接杆通过横梁转接块将所述两个碳纤维横梁连接，所述滚动限位连接杆还通过球铰方式与所述音圈电机模组的另一端连接；

俯仰转动限位单元，包括：后端支架，前端转接块、后端转接块，

前端音圈电机模组的一端通过前端转接块与碳纤维横梁的前端相连接，所述前端的音圈电机模组的另一端通过球铰方式与所述音圈电机模组相连接，所述音圈电机模组的一端与前端转接块通过球铰方式连接；

后端音圈电机模组通过后端支架和后端转接块与所述支撑座和碳纤维横梁的后端相连接，所述后端支架包括：后端连接板和后端连接支架，所述后端连接板设置有腰子槽，可实现在所述碳纤维横梁在轴向方向上的位置调节，所述前端音圈电机模组作用点与旋转中心的距离等于后端音圈电机模组作用点与旋转中心的距离；

偏航方向限位单元，包括：偏航转接板，偏航连接板，所述偏航转接板和偏航连接板之间与所述前端音圈电机模组和后端音圈电机模组的底部相连接。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

本实用新型的转动惯量校准装置通过限位机构对飞行模拟器进行自由度限位，使其只能绕指定轴进行微幅摆动，采用音圈电机作为激振源，对飞行模拟器进行微幅激振，使其主被动飞行模拟器作近似无阻尼的扭摆振动，通过音圈电机控制系统获取主被动飞行模拟器在运动时的摆动周期等参数，结合相应数学模型的公式，获得相对应转动轴的转动惯量值，完成试验台飞行模拟器转动惯量的在线校准；

进一步优化地，本实用新型采用两组同规格的音圈电机作为产生微幅激振源的摆动激励单元，音圈电机可实现直接驱动，电和机械时间延时短，响应快，能够很好实现微幅自由激振，满足对飞行模拟器转动惯量在线校准的条件；同时能够从数控单元直接获得精确的加速度和振幅，提高测量效率和准确性；

进一步优化地，本实用新型的限位机构包括：气浮平台/导柱和二维转台机构，用于实现飞行模拟器的垂直方向的运动限制以及实现滚动运动限制、俯仰运动限制和偏航运动限制；上述限位机构不仅承担转动惯量在线校准装置振动单元、转动惯量摆动周期测量设备的固定和支撑，而且能够确保主被动飞行模拟器能够严格按照转动惯量在线校准要求绕特定回转轴进行摆动，同时能够保证运动过程中只产生极小的摩擦力矩，给装置的制动提供了很大的方便。

进一步优化地，本实用新型的光电测量技术研制摆动周期测量单元。采用光电传感器结合遮光板和频率计数器的测量方法，在飞行模拟器进行微幅自由激振时，通过安装在飞行模拟器上的遮光板遮挡光电传感器光路产生光电脉冲信号，通过调理模块转换在频率计数器中记录，从而得到飞行模拟器的摆动周期频率。

附图说明

图1是本实用新型一个实施例的转动惯量校准装置的框架示意图。

图2是本实用新型一个实施例的摆动周期测量单元的框架示意图。

图3是本实用新型一个实施例的距离测量单元的框架示意图。

图4是本实用新型一个实施例的质量块的结构示意图，其中(a)为主视图， (b)为侧视图。

图5是本实用新型一个实施例的标准质量块主要技术参数。

图6是本实用新型一个实施例的偏航运动转动惯量在线校准装置结构示意图。

图7是本实用新型一个实施例的俯仰运动转动惯量在线校准装置结构示意图。

图8是本实用新型一个实施例的滚转运动转动惯量在线校准装置结构示意图。

图9是本实用新型一个实施例的偏航运动转动惯量校准结构示意图。

图10是图9所示的偏航运动转动惯量校准结构的偏航连接板和偏航转接板的结构示意图。

图11是本实用新型一个实施例的俯仰运动转动惯量校准结构前端示意图。

图12是本实用新型一个实施例的俯仰运动转动惯量校准结构后端示意图。

图13是本实用新型一个实施例的滚转运动转动惯量校准结构示意图。

图14是图13中支撑座的结构示意图。

具体实施方式

本实用新型提供一种转动惯量校准装置，包括：

标准质量块，用于附加在飞行模拟器的主梁和配重杆上；

摆动激励单元，用于产生微幅摆动信号，使得飞行模拟器产生微幅摆动，所述摆动激励单元包括音圈电机模组；

限位机构，用于对所述飞行模拟器的微幅摆动进行限位，使得飞行模拟器绕指定轴摆动；

距离测量单元，用于获取所述标准质量块的位置数据；

数控单元，用于获得音圈电机模组的加速度和振幅；

摆动周期测量单元，用于获取飞行模拟器摆动周期数据。

下面结合具体的实施例对本本实用新型的技术方案进行详细的说明。为了恒好地说明本实用新型的技术方案，请结合图1，图1是本实用新型一个实施例的转动惯量校准装置的框架示意图。

如图1所示，标准质量块4用于附加在飞行模拟器1的主梁和配重杆上；摆动激励单元2用于产生微幅摆动信号，使得飞行模拟器1产生微幅摆动，所述摆动激励单元2包括音圈电机模组；限位机构5用于对所述飞行模拟器1的微幅摆动进行限位，使得飞行模拟器1绕指定轴摆动；距离测量单元5用于获取所述标准质量块4的位置数据；数控单元3用于获得音圈电机模组22的加速度和振幅；摆动周期测量单元7用于获取飞行模拟器1的摆动周期数据。

所述音圈电机模组22为两组规格相同的直线音圈电机模组，利用音圈电机的力与电流成正比的关系控制所述音圈电机模组进行摆动激励。

本实用新型中，音圈电机模组22相当于一个弹簧振子的功能，因此音圈电机的推力与弹簧振子刚度有如下关系式：

F_d＝m_da＝Kx_d (1)

式中，F_d是音圈电机的推力(正弦激振力)，a是音圈电机的加速度，m_d是音圈电机的额定负载，x_d是音圈电机作自由振动时的最大位移行程，即音圈电机的振幅。

音圈电机的加速度和音圈电机丝杠的最大位移行程可以通过音圈电机的数控单元3获得，电机的额定负载可以从厂家获取，因此可以通过式(1)获得相当于伺服电机的弹簧振子的折算弹簧线刚度K。

如图1所示，所述数控单元3包括：

控制器31，用于控制摆动激励单元2的驱动器21，并通过驱动器21控制音圈电机模组22产生正弦激振，推动飞行模拟器1作自由扭摆运动；

数据处理与显示单元32，用于进行数据处理分析，获得所述音圈电机模组 22的加速度和振幅。

如图2，图2是本实用新型一个实施例的摆动周期测量单元的框架示意图。所述摆动周期测量单元包括：

光电传感器71，用于接收来自光源(图中未时出)的光线信号，转换电脉冲信号；

信号处理单元72，用于对来自光电传感器71的电脉冲信号进行放大整形；

数字频率计73，用于对经过信号处理单元72处理后的信号进行计算，获得所述飞行模拟器1(结合图1)的摆动周期参数，并将所述摆动周期参数传输至所述数控单元的数据处理与显示单元32进行数据处理分析；

遮光板74，安装于飞行模拟器1(结合图1)或气浮平台(图中3、图6、图7、图8)上，所述遮光板74的中线经过飞行模拟器1的质心,在所述飞行模拟器1做摆动运动时，所述遮光板74将所述光源的光线挡住或放开，以使得从光源进入所述光电传感器71的光线信号明暗相间。遮光板74在转动惯量校准装置进行偏航运动转动惯量摆动周期模拟、俯仰运动转动惯量摆动周期模拟和滚动运动转动惯量摆动周期模拟的原理将在后续结合附图进行具体的说明。

参考图3，图3是本实用新型一个实施例的距离测量单元的框架示意图。

距离测量单元包括：位移传感器61，用于测量所述标准质量块4的质心与摆动轴之间的距离，所述位移传感器61为拉线位移传感器，所述拉线位移传感器的拉线一端与标准质量块1的质心固定，所述拉线方向与待测量的所述距离的方向一致；

位移信号处理单元62，用于将位移传感器61的模拟信号转换为电信号，将该电信号传输至数据处理与显示单元32。

如图4所示，图4是本实用新型一个实施例的质量块的结构示意图。为了确保标准质量块自身质量特性易于校准，本项目拟将标准质量块设计成形状规则的圆盘形状，这样不仅易于加工和计量，同时安装方便，而且能够在实际校准过程中获得较大的附加转动惯量。

本实用新型的飞行模拟器包括主动飞行模拟器和被动飞行模拟器，所述转动惯量校准装置是基于附加质量配重方法，通过在主动飞行模拟器和被动飞行模拟器的主梁和配重杆上附加标准质量块，获取飞行模拟器增加的转动惯量，通过相应的计算公式计算出飞行模拟器的转动惯量，因此需要研制一套与试验台主、被动飞行模拟器配套的标准质量块。

当所述标准质量块距离转轴的距离较大时，可以获得较大的附加转动惯量。通过综合考虑主动飞行模拟器和被动飞行模拟器(主动飞行模拟器设计质量 2069kg，被动飞行模拟器设计质量365kg)以及主梁与配重杆的长度，选取质量块的质量。

所述飞行模拟器1具有两个碳纤维横梁，所述标准质量块进一步包括：

主动质量块，其质量不超过主动飞行模拟器设计质量的5％，设置在主动飞行模拟器的两端，主动质量块与主动飞行模拟器的碳纤维横梁之间通过螺纹连接；

被动质量块，其质量不超过被动飞行模拟器设计质量的10％，设置在主动飞行模拟器的两端，被动质量块与被动飞行模拟器的碳纤维横梁之间通过螺纹连接。

参考图5，图5是本实用新型一个实施例的标准质量块主要技术参数。根据设计的校准方法，每个方向转动惯量的校准时需要4块形状、质量相同的标准质量块，其中主动飞行模拟器转动惯量校准所用的标准质量块质量为20kg，被动飞行模拟器转动惯量的校准所用的标准质量块为5kg。

限位机构用于实现飞行模拟器的垂直方向的运动限制以及实现滚动运动限制、俯仰运动限制和偏航运动限制；该限位机构不仅承担转动惯量在线校准装置振动单元、转动惯量摆动周期测量设备的固定和支撑，而且能够确保主被动飞行模拟器能够严格按照转动惯量在线校准要求绕特定回转轴进行摆动，同时能够保证运动过程中只产生极小的摩擦力矩，给装置的制动提供了很大的方便。

作为一个实施例，所述限位机构包括：气浮平台/导柱，用于实现飞行模拟器的垂直方向的运动限制；所述限位机构进一步包括：气浮平台/导柱，用于实现飞行模拟器的垂直方向的运动限制；二维转台机构，用于实现滚动运动限制、俯仰运动限制和偏航运动限制。所述限位机构可实现限制平动和转动两套运动限位方案，使得飞行模拟器绕指定轴摆动。优选地，所述两组音圈电机模组包括：位于碳纤维横梁前端的前端音圈电机模组和位于碳纤维横梁后端的后端音圈电机模组，所述二维转台机构包括：

两组支撑座，分别用于支撑设置所述前端音圈电机模组和后端音圈电机模组，所述支撑座与其对应支撑的音圈电机模组的一端通过球铰方式连接，所述支撑座的底部设置4个调节底座，所述支撑座的底部与所述调节底座之间设置调节螺杆，通过所述调节螺杆实现支撑座的上升和下降；

滚动限位单元，用于限制飞行模拟器的滚动，该滚动限位单元包括：滚动限位连接杆，所述滚动限位连接杆通过横梁转接块将所述两个碳纤维横梁连接，所述滚动限位连接杆还通过球铰方式与所述音圈电机模组的另一端连接；

俯仰转动限位单元，包括：后端支架，前端转接块、后端转接块，

前端音圈电机模组的一端通过前端转接块与碳纤维横梁的前端相连接，所述前端的音圈电机模组的另一端通过球铰方式与所述音圈电机模组相连接，所述音圈电机模组的一端与前端转接块通过球铰方式连接；

后端音圈电机模组通过后端支架和后端转接块与所述支撑座和碳纤维横梁的后端相连接，所述后端支架包括：后端连接板和后端连接支架，所述后端连接板设置有腰子槽，可实现在所述碳纤维横梁在轴向方向上的位置调节，所述前端音圈电机模组作用点与旋转中心的距离等于后端音圈电机模组作用点与旋转中心的距离；

偏航方向限位单元，包括：偏航转接板，偏航连接板，所述偏航转接板和偏航连接板之间与所述前端音圈电机模组和后端音圈电机模组的底部相连接。

请参考图6，图6是本实用新型一个实施例的偏航运动转动惯量在线校准装置结构示意图。在进行偏航运动转动惯量在线校准时，遮光板安装在气浮平台上，限位结构限定飞行模拟器绕二维转台的限位中心转动，遮光板的中线经过飞行模拟器的质心，在所述飞行模拟器做摆动运动时，所述遮光板将所述光源的光线挡住或放开，以使得从光源进入所述光电传感器的光线信号明暗相间的变化，使得光电传感器产生光电脉冲信号，并送到触发电路，经过放大器整形，输送到数字频率计，经过摆动周期测量单元获得飞行模拟器的摆动周期参数。

参考图9和图10，其中图9是本实用新型一个实施例的偏航运动转动惯量校准结构示意图，图10是图9所示的偏航运动转动惯量校准结构的偏航连接板和偏航转接板的结构示意图。音圈电机模组1与前端连接块之间设置活动球铰2，与偏航连接板/转接板3连接；偏航连接板3和偏航转接板6通过六角螺栓固定在飞行模拟器的横梁7(飞行模拟器在图中9和图10中用标号标出)上；音圈电机模1组通过电机安装座5连接并固定在支撑座4上。

通过偏航连接板3和偏航转接板6，实现偏航方向的限位，通过飞行模拟器做偏航运动方向的运动，遮光板将光源入射光电传感器的光线档住或放开。由于光线明暗相间的变化，使光电传感器产生一个光电脉冲信号，并送到触发电路，经过放大器整形，输送到数字频率计，获得飞行模拟器的偏航摆动周期参数。在进行偏航运动转动惯量在线校准时，限位结构利用偏航转接板/偏航连接板3实现，所述偏航连接板3和偏航转接板6之间与所述前端音圈电机模组和后端音圈电机模组的底部相连接。

具体实现为：偏航连接板3设置在飞行模拟器上，偏航转接板6通过六角螺栓与偏航连接板3和球铰2连接，球铰2与电机安装座之间设置音圈电机模组1。偏航转接板和偏航连接板采用2A14(ZD10)制作。音圈电机模组是由音圈电机和力矩传感器组成，实现模拟弹簧的功能，并能实施读取力矩值。

请参考图7，图7是本实用新型一个实施例的俯仰运动转动惯量在线校准装置结构示意图。在进行俯仰运动转动惯量在线校准时，遮光板安装在飞行模拟器上，限位结构限定飞行模拟器绕指定轴进行俯仰转动，遮光板的中线经过飞行模拟器的质心，在所述飞行模拟器做摆动运动时，所述遮光板将所述光源的光线挡住或放开，以使得从光源进入所述光电传感器的光线信号明暗相间的变化，使得光电传感器产生光电脉冲信号，并送到触发电路，经过放大器整形，输送到数字频率计，经过摆动周期测量单元获得飞行模拟器的摆动周期参数。

俯仰转动限位单元(即俯仰转动限位单元，具体结构参考图11)限定了飞行模拟器的俯仰方向的运动限位，通过飞行模拟器做俯仰运动方向的运动，遮光板将光源入射光电传感器的光线档住或放开。由于光线明暗相间的变化，使光电传感器产生一个光电脉冲信号，并送到触发电路，经过放大器整形，输送到数字频率计，获得飞行模拟器的俯仰摆动周期参数。

请参考图11及图12，其中图11是本实用新型一个实施例的俯仰运动转动惯量校准结构示意图。图12是图11中的后端支架、后端连接块的结构示意图。俯仰转动限位单元，包括：前端支架1、球铰3、音圈电机模组4、后端支架7、前端转接块2、后端转接块6，前端音圈电机模组4的一端通过前端转接块2与碳纤维横梁5的前端相连接，所述前端的音圈电机模组1的另一端通过球铰3与所述音圈电机模组4相连接，所述音圈电机模组1的一端与前端转接块2通过球铰3连接。

后端音圈电机模组4通过后端支架7和后端转接块6与所述支撑座和碳纤维横梁5的后端相连接，所述后端支架包括：后端连接板6和后端连接支架7，所述后端连接块6设置有腰子槽，可实现在所述碳纤维横梁5在轴向方向上的位置调节，所述前端音圈电机模组作用点与旋转中心的距离等于后端音圈电机模组作用点与旋转中心的距离。

俯仰方向的转动惯量校准是通过在前后两端均设置的一套微震机构来实现，一套微震机构包括支架、音圈电机模组4等。具体实现是这样的，音圈电机模组通过前端连接块2设置在碳纤维横梁5上，音圈电机模组与前端连接块之间设置球铰；音圈电机模组另外一端通过球铰3设置在支撑座上(结构型式见上节)。后端的音圈电机模组4分布通过后端支架7、后端转接块6设置在基座和碳纤维管上。

后端转接块6、后端支架7结构请参考图12。上述器件采用2A14(ZD10) 制成。其中后端支架7由连接板和连接支架组成，连接板设置有腰子槽，可实现在碳纤维杆轴向方向上调解。音圈电机模组4前端作用点与旋转中心的距离与后端作用点与旋转中心的距离相等。

参考图8，图8是本实用新型一个实施例的滚转运动转动惯量在线校准装置结构示意图。在进行滚转运动转动惯量在线校准时，遮光板安装在起伏平台上，限位结构限定飞行模拟器绕指定轴进行滚转转动，遮光板的中线经过飞行模拟器的质心，在所述飞行模拟器做摆动运动时，所述遮光板将所述光源的光线挡住或放开，以使得从光源进入所述光电传感器的光线信号明暗相间的变化，使得光电传感器产生光电脉冲信号，并送到触发电路，经过放大器整形，输送到数字频率计，经过摆动周期测量单元获得飞行模拟器的摆动周期参数。

通过该偏航连接板、偏航转接板，实现偏航方向的限位，通过飞行模拟器做偏航运动方向的运动，遮光板将光源入射光电传感器的光线档住或放开。由于光线明暗相间的变化，使光电传感器产生一个光电脉冲信号，并送到触发电路，经过放大器整形，输送到数字频率计，获得飞行模拟器的偏航摆动周期参数。

参考图13、图14，其中图13是本实用新型一个实施例的滚转运动转动惯量校准结构示意图。图14是图13中支撑座的结构示意图。

滚转方向的转动惯量校准是通过在左右两端均设置一套微震机构来实现，一套微震机构包括支撑座3、音圈电机模组1等。具体实现是这样的，连接杆2 通过横梁转接块5将前后两个碳纤维横梁6连接起来，音圈电机模组1设置在支撑座3上，并与支撑座3之间设置球铰8；音圈电机模组1另外一端通过球铰设置在小转接块4。音圈电机模组1是由音圈电机和力矩传感器组成，实现模拟弹簧的功能，并能实施读取力矩值。支撑座3的底部设置4个调解底座7，通过调节螺杆实现支撑座3的上升和下降，横梁转接块5可以实现碳纤维横梁6与连接杆2直接的连接，小转接块4实现连接杆与音圈电机模组的连接。

综上，本实用新型的转动惯量校准装置通过限位机构对飞行模拟器进行自由度限位，使其只能绕指定轴进行微幅摆动，采用音圈电机作为激振源，对飞行模拟器进行微幅激振，使其主被动飞行模拟器作近似无阻尼的扭摆振动，通过音圈电机控制系统获取主被动飞行模拟器在运动时的摆动周期等参数，结合相应数学模型的公式，获得相对应转动轴的转动惯量值，完成试验台飞行模拟器转动惯量的在线校准；

进一步优化地，本实用新型采用两组同规格的音圈电机作为产生微幅激振源的摆动激励单元，音圈电机可实现直接驱动，电和机械时间延时短，响应快，能够很好实现微幅自由激振，满足对飞行模拟器转动惯量在线校准的条件；同时能够从数控单元直接获得精确的加速度和振幅，提高测量效率和准确性；

进一步优化地，本实用新型的限位机构包括：气浮平台/导柱和二维转台机构，用于实现飞行模拟器的垂直方向的运动限制以及实现滚动运动限制、俯仰运动限制和偏航运动限制；上述限位机构不仅承担转动惯量在线校准装置振动单元、转动惯量摆动周期测量设备的固定和支撑，而且能够确保主被动飞行模拟器能够严格按照转动惯量在线校准要求绕特定回转轴进行摆动，同时能够保证运动过程中只产生极小的摩擦力矩，给装置的制动提供了很大的方便。

进一步优化地，本实用新型的光电测量技术研制摆动周期测量单元。采用光电传感器结合遮光板和频率计数器的测量方法，在飞行模拟器进行微幅自由激振时，通过安装在飞行模拟器上的遮光板遮挡光电传感器光路产生光电脉冲信号，通过调理模块转换在频率计数器中记录，从而得到飞行模拟器的摆动周期频率。

因此，上述较佳实施例仅为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种转动惯量校准装置，其特征在于，包括：

标准质量块，用于附加在飞行模拟器的主梁和配重杆上；

摆动激励单元，用于产生微幅摆动信号，使得飞行模拟器产生微幅摆动，所述摆动激励单元包括音圈电机模组；

限位机构，用于对所述飞行模拟器的微幅摆动进行限位，使得飞行模拟器绕指定轴摆动；

距离测量单元，用于获取所述标准质量块的位置数据；

数控单元，用于获得音圈电机模组的加速度和振幅；

摆动周期测量单元，用于获取飞行模拟器摆动周期数据。

2.如权利要求1所述的转动惯量校准装置，其特征在于，所述音圈电机模组为两组规格相同的直线音圈电机模组，利用音圈电机的力与电流成正比的关系控制所述音圈电机模组进行摆动激励。

3.如权利要求2所述的转动惯量校准装置，其特征在于，所述数控单元包括：

控制器，用于控制驱动器，并通过驱动器控制音圈电机产生正弦激振，推动飞行模拟器作自由扭摆运动；

数据处理与显示单元，用于进行数据处理分析，获得所述音圈电机模组的加速度和振幅。

4.如权利要求3所述的转动惯量校准装置，其特征在于，所述摆动周期测量单元包括：

光电传感器，用于接收来自光源的光线信号，转换电脉冲信号；

信号处理单元，用于对来自光电传感器的电脉冲信号进行放大整形；

数字频率计，用于对经过信号处理单元处理后的信号进行计算，获得所述飞行模拟器的摆动周期参数，并将所述摆动周期参数传输至所述数控单元的数据处理与显示单元进行数据处理分析；

遮光板，所述遮光板的中线经过飞行模拟器的质心,在所述飞行模拟器做摆动运动时，所述遮光板将所述光源的光线挡住或放开，以使得从光源进入所述光电传感器的光线信号明暗相间。

5.如权利要求3所述的转动惯量校准装置，其特征在于，所述距离测量单元包括：

位移传感器，用于测量所述标准质量块的质心与摆动轴之间的距离，所述位移传感器为拉线位移传感器，所述拉线位移传感器的拉线一端与标准质量块的质心固定，所述拉线方向与待测量的所述距离的方向一致；

位移信号处理单元，用于将位移传感器的模拟信号转换为电信号，将该电信号传输至数据处理与显示单元。

6.如权利要求3所述的转动惯量校准装置，其特征在于，所述飞行模拟的主梁为两个碳纤维横梁，所述配重杆为碳纤维配重杆，所述标准质量块进一步包括：

主动质量块，其质量不超过主动飞行模拟器设计质量的5%，设置在主动飞行模拟器的主梁的两端，主动质量块与所述主梁之间通过螺纹连接；

被动质量块，其质量不超过被动飞行模拟器设计质量的10%，设置在被动飞行模拟器的配重杆的两端，被动质量块与配重杆之间通过螺纹连接。

7.如权利要求6所述的转动惯量校准装置，其特征在于，所述限位机构进一步包括：

气浮平台/导柱，用于实现飞行模拟器的垂直方向的运动限制；

二维转台机构，用于实现滚动运动限制、俯仰运动限制和偏航运动限制。

8.如权利要求7所述的转动惯量校准装置，其特征在于，所述限位机构可实现限制平动和转动两套运动限位方案，使得飞行模拟器绕指定轴摆动。

9.如权利要求8所述的转动惯量校准装置，其特征在于，所述两组音圈电机模组包括：位于碳纤维横梁前端的前端音圈电机模组和位于碳纤维横梁后端的后端音圈电机模组，所述二维转台机构包括：

两组支撑座，分别用于支撑设置所述前端音圈电机模组和后端音圈电机模组，所述支撑座与其对应支撑的音圈电机模组的一端通过球铰方式连接，所述支撑座的底部设置4个调节底座，所述支撑座的底部与所述调节底座之间设置调节螺杆，通过所述调节螺杆实现支撑座的上升和下降；

滚动限位单元，用于限制飞行模拟器的滚动，该滚动限位单元包括：滚动限位连接杆，所述滚动限位连接杆通过横梁转接块将所述两个碳纤维横梁连接，所述滚动限位连接杆还通过球铰方式与所述音圈电机模组的另一端连接；

俯仰转动限位单元，包括：后端支架，前端转接块、后端转接块，

前端音圈电机模组的一端通过前端转接块与碳纤维横梁的前端相连接，所述前端的音圈电机模组的另一端通过球铰方式与所述音圈电机模组相连接，所述音圈电机模组的一端与前端转接块通过球铰方式连接；

后端音圈电机模组通过后端支架和后端转接块与所述支撑座和碳纤维横梁的后端相连接，所述后端支架包括：后端连接板和后端连接支架，所述后端连接板设置有腰子槽，用于实现在所述碳纤维横梁在轴向方向上的位置调节，所述前端音圈电机模组作用点与旋转中心的距离等于后端音圈电机模组作用点与旋转中心的距离；

偏航方向限位单元，包括：偏航转接板，偏航连接板，所述偏航转接板和偏航连接板之间与所述前端音圈电机模组和后端音圈电机模组的底部相连接。