DE2845209A1

DE2845209A1 - Vorrichtung zur messung der auf zwei achsen bezogenen traegheitsmomente eines geraets

Info

Publication number: DE2845209A1
Application number: DE19782845209
Authority: DE
Inventors: Kurt Beckel; Johannes Antonius Berkhout; Rudolf Broezel
Original assignee: Organisation Europeenne de Recherches Spatiales
Current assignee: Organisation Europeenne de Recherches Spatiales
Priority date: 1977-10-28
Filing date: 1978-10-17
Publication date: 1979-05-03
Also published as: GB2008780B; GB2008780A; US4213330A; FR2407462A1; FR2407462B1

Description

HOFFMANN · EITLS & PAKTNER 2 ö 4 b Z 0

PATE N TANWAtTE DR. ING. E. HOFFMANN {1930-1?7ί} . DI PL.-1 NG. W. EITLE · D R. RER. NAT. K. HOFFMANN · D1PL.-ING. W. LEHN

DtPL.-ING. K. FOCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 (STERNHAUS) · D-8000 MD NCHEN 81 · TELEFON (089) 911087 . TELEX 05-29619 (PATHE)

31 273 s/wa

ORGANISATION EUROPEENNE DE RECHERCHES SPATIALES,

PARIS/FRANKREICH

Vorrichtung zur Messung der auf zwei Achsen bezogenen Trägheitsmomente eines Geräts

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der auf zwei Drehachsen bezogenen Trägheitsmomente eines künstlichen Satelliten.

Die Verfahren zur Messung des Trägheitsmomentes stützen sich auf das Newton¹ sehe Gesetz T= fl, wobei I das Trägheitsmoment um die Drehachse darstellt, j die Winkelbeschleunigung des Satelliten und T das angewandte Drehmoment ist. Da die Mes-

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sung der Winkelbeschleunigung ^f schwierig auszuführen ist, verwenden die meisten bekannten Vorrichtungen eine Torsionsschwingung, durch welche ein Drehmoment ausgeübt wird, das

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der Winkelverschiebung des Satelliten proportional ist. Die Messung der Frequenz oder Zeitdauer der Schwingung gestattet es, das Trägheitsmoment I zu ermitteln.

Bekannte Vorrichtungen zur Messung des Trägheitsmoments bestehen hauptsächlich aus Vorrichtungen zur Erzeugung harmonischer Schwingungen, die elastische Schwenkzapfen oder Gaslager zur Festlegung der Drehachse eines Schwingtisches verwenden.

Die bekannten Vorrichtungen gestatten die Messung des absoluten Werts des Trägheitsmoments, bezogen auf eine Drehachse. Will man die Trägheitsmomente, bezogen auf zwei Drehachsen, ermitteln, beispielsweise das Trägheitsmoment bezogen auf die Drehachse eines künstlichen Satelliten und das seitliche Trägheitsmoment, so ist es bei den bekannten Vorrichtungen erforderlich, aufeinanderfolgende Messungen unter Veränderung des mechanischen und dynamischen Aufbaus der Vorrichtung vorzunehmen, wodurch die Messbedingungen von einer Messung zur nächsten geändert werden, so dass diese Messungen nicht exakt vergleichbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, welche die Messung des Trägheitsmomentes eines Geräts, bezogen auf zwei Achsen,ohne Veränderung des Aufbaus der Vorrichtung gestattet.

Die Erfindung zielt ferner darauf ab, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die die Messung eines Drehmomentunterschieds, bezogen auf zwei Achsen, anstelle der absoluten Werte der Trägheitsmomente ermöglicht.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet,

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dass sie eine festliegende Platte aufweist und dass der Schwingtisch durch ein Radiallager zentriert wird und unter Zwischenschaltung mehrerer, pneumatischer Stützanordnungen auf dieser ruht, die im Abstand von der Drehachse liegen und symmetrisch um diese angeordnet sind.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der Schwingtisch einen vertikalen Abschnitt auf, der sich vom*horizontalen Schwingtisch wegerstreckt, wobei der Schwingtisch und der vertikale Abschnitt jeweils eine Befestigungsvorrichtung für ein zu messendes Gerät haben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anschliessend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemässen Vorrichtung mit teilweise weggebrochenen Teilen, aus welcher die mittige Drehachse ersichtlich ist,

Fig. 2 einen vertikalen Schnitt des zentralen Teils der Vorrichtung,

Fig. 3 eine Teilansicht in perspektivischer Darstellung einer Ausführungsform der Anlaufvorrichtung,

Fig. 4+5 schematisch die Ausbildung der Vorrichtung zur Messung des Trägheitsmoments, bezogen auf zwei Achsen,

Fig. 6 schematisch eine Vorrichtung zur Messung der Schwingungsperiode des Schwingtisches, und

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Fig. 7 schematisch eine fotoelektrische Unterbrechervorrichtung, die zur Messung der Schwingungsamplitude des Schwingtisches verwendet wird.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, weist die Vorrichtung eine festliegende horizontale Platte 1 und einen Schwingtisch 2 auf, der aus einem Teil mit zwei aufeinander senkrechten Abschnitten besteht, nämlich einem horizontalen Abschnitt 21 und einem vertikalen Abschnitt 22, der sich an einem Ende des horizontalen Abschnitts 21 nach oben erstreckt. Die Abschnitte 21 und 22 tragen jeweils eine Befestigungsvorrichtung 23 für das zu messende Gerät, so dass die Trägheitsmomente, bezogen auf zwei Achsen des Geräts, in der später erläuterten Weise gemessen werden können.

Der Schwingtisch 2 wird von der festliegenden Platte 1 unter Zwischenschaltung von drei pneumatischen Stützvorrichtungen 4 getragen, die symmetrisch um die vertikale Achse 3 angeordnet sind, die am horizontalen Abschnitt 21 des Schwingtisches 2 aufgehängt ist. Die Achse 3 erstreckt sich durch die festliegende Platte 1 und ist an einem ihrer Enden mit einem Torsionsstab 5 verbunden. Das andere Ende des Drehstabs ist an der festliegenden Platte unter Zwischenschaltung hydraulischer Spannfutter befestigt. Der Drehstab 5 gewährleistet einen wechselnden Antrieb des Schwingtisches 2, um ihm eine Schwingung um die Längsachse I der " Achse 3 zu erteilen.

Die Achse 3 ist in der mittigen öffnung der feststehenden Platte 1 mittels eines Radiallagers zentriert, von welchem ein Ausführungsbeispiel in Fig. 2 dargestellt ist, die einen Vertikalschnitt des zentralen Bereichs der Vorrichtung darstellt. Die

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Platte 1 trägt einen Zylinder 6, der ein pneumatisches Radiallager 7 aufnimmt, welches die Zentrierung der Achse 3
mit Hilfe eines Druckgases gewährleistet, das zwischen
der Achse 3 und der Innenwand des Zylinders 6 strömt. Die
Achse 3 ist ferner mit einer Zuführvorrichtung 9 für das Druckgas ausgestattet, durch welche die Stützvorrichtungen 4 gespeist werden.

Der Schwingtisch 2 ist mit einer Anlaufvorrichtung verbunden, durch welche die Anlaufstellung des Schwingtisches mit Präzision bestimmt wird und diese selbsttätig bei jedem Anlaufvorgang in diese Stellung gebracht wird, damit jedesmal ein genau reproduzierbares Anlaufen gewährleistet wird. Diese Anlaufvorrichtung gestattet auch das Einleiten der Schwingung mittels
einer Fernsteuerung, so dass diese Vorgänge in einer Vakuumkammer vorgenommen werden, um damit nachteilige Wirkungen von
Luftmassen auszuschalten. Eine pneumatische Ausführungsform
dieser Anlaufvorrichtung ist in Fig. 3 dargestellt. Eine derartige, mit pneumatischer Steuerung ausgestattete Ausführung hat den Vorteil, dass jede Verunreinigung der das zu messende Gerät umgebenden Atmosphäre vermieden wird.

Die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung weist einen Hebel 11 auf, der auf der festliegenden Platte 1 derart befestigt ist, dass er um eine horizontale Achse X-X und um eine vertikale Achse
Z-Z schwenkbar ist. Der Hebel 11 wird mittels zweier Pneumatik-Zylinder 13 und 14 betätigt. Die Steuerung dieser Vorrichtung erfolgt in"zwei Phasen über ein nicht dargestelltes Steuerpult.

Der Zylinder 13 wird derart betätigt, dass sich der Kopf 12
des Hebels 11 nach unten verschiebt, bis er einem Anschlag 15

gegenüberliegt, der am Schwingtisch 2 befestigt ist. Hat der Hebel 11 diese Bewegung ausgeführt, so öffnet ein nicht gezeigtes Pneumatik-Ventil sich selbsttätig und betätigt den Zylinder 14, wodurch der Kopf 12 des Hebels 11 in einer horizontalen Ebene derart verschoben wird, dass er gegen den Anschlag 15 stösst und den Schwingtisch 2 in die gewünschte Anlaufstellung bringt, wodurch das gewünschte Torsionsmoment in dem mit dem Schwingtisch 2 (Fig. 1) gekoppelten Drehstab 5 erzeugt wird. Darauf wird der Zylinder 13 betätigt, um den Hebel 11 nach oben zu verschieben, wodurch der Kopf 12 des Hebels den Anschlag 15 freigibt: Das Torsionsmoment des Drehstabs 5 leitet dann die Schwingung des Schwingtisches 2 ein. Am Ende dieser vertikalen Bewegung des Hebels 11 öffnet sich ein Pneumatik-Ventil selbsttätig und betätigt den Zylinder 14, um den Hebel 11 in seine Ausgangsposition zurückzuführen.

Die Vorrichtung gestattet eine Präzisionsmessung des Trägheitsmoments eines Geräts, bezogen auf zwei Achsen. Die Fig. 4 und zeigen schematisch die Gesamtanordnung der Vorrichtung und des Geräts für die beiden Messungen. Die Fig. 4 zeigt die Anordnung für die Messung des Trägheitsmoments, bezogen auf die Rollachse: Das Gerät S ist auf dem horizontalen Abschnitt des Schwingtisches 2 derart befestigt, dass seine Rollachse, die durch den Schwerpunkt C des Geräts verlaufend angenommen wird, mit der Achse 1 der Drehachse 3 der Vorrichtung zusammenfällt.

Fig. 5 zeigt die Anordnung zur Messung des seitlichen Trägheitsmoments: Das Gerät S ist auf dem vertikalen Abschnitt des Schwingtisches 2 befestigt, wobei seine Achse senkrecht zur Achse I der Achse 3 verläuft. Die Strecke d bezeichnet den Abstand des Schwerpunkts C gegenüber der Achse der Vorrichtung. Diese

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Strecke soll so klein wie möglich sein, um Fehler bei der Messung des seitlichen Trägheitsmoments infolge von Messungenauigkeiten bei der Bestimmung der Strecke d zu verringern, d.h. bei der Bestimmung des Schwerpunkts auf der Rollachse.

Bei einer derartigen Vorrichtung ist es bekannt, dass, wenn das Drehmoment proportional der WinkelverSchiebung des zu messenden Geräts ist, das Trägheitsmoment durch die Messung der Schwingungsdauer bestimmt werden kann, nachdem die Vorrichtung mit einem Körper geeicht wurde, dessen Trägheitsmoment mit der gewünschten Genauigkeit bekannt ist.

Zur Ausführung der Messungen der Schwingungsamplitude und der Schwingungsdauer muss die Vorrichtung mit optischen und/oder elektronischen Messvorrichtungen verbunden werden.

Die Messung der Schwingungsdauer des Schwingtisches 2 erfolgt mittels einer optischen Vorrichtung, die die Schwingung nicht behindert. Eine Ausführungsform ist dabei in Fig. 6 dargestellt. Am Schwingtisch 2 ist ein Planspiegel 61 befestigt, der mit einer auf der festliegenden Platte 1 befestigten Anordnung zusammenarbeitet. Die letzgenannte Anordnung weist eine Lichtquelle 62, einen Parabolspiegel 63 und eine Fotozelle 64 auf. Das von der Lichtsquelle 62 durch einen Spalt 65 abgegebene Strahlenbündel, wird vom Parabolspiegel 63 gegen den Planspiegel 61 zu reflektiert; letzterer reflektiert das Strahlenbündel in einer von der Winkellage des Schwingtisches 2 abhängigen Richtung. Während der Schwingung des Schwingtisches wird das vom Parabolspiegel 63 kommende Strahlenbündel bei jedem Wechsel der Schwingung reflektiert. Während der Ausbreitung dieses Strahlenbündels reflektiert der Parabolspiegel 63 seinerseits, wobei

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bei jedem Durchtritt des Schwingtisches durch die Null-Stellung das vom Parabolspiegel 63 reflektierte Lichtbündel die Fotozelle 64 beleuchtet, die einen elektrischen Impuls erzeugt. Die Frequenz dieser Impulse entspricht dem Zweifachen der Schwingungsfrequenz des Schwingtisches 2. Die Fotozelle 64 wird unter Zwischenschaltung eines Spalts 66 beleuchtet, so das sie nur kurzzeitig Licht erhält und einen spitzen Impuls liefert. Die Impulse der Fotozelle werden einem elektronischen Zähler zugeführt, gegebenenfalls über einen elektronischen Frequenzteiler, um ihre Frequenz an jene des Schwingtisches anzupassen.

Die Messung der Schwingungsamplitude des Schwingtisches 2 erfolgt mit Hilfe von fotoelektrischen Unterbrechungsvorrichtungen, die auf der festliegenden Platte 1 in einem Kreis um die Schwingungsachse in vorgegebenen Winkellagen angeordnet sind,, wobei diese Unterbrechungsvorrichtungen mit einer Rippe zusammenwirken, die unter dem Schwingtisch 2, gemäss Fig. 7, befestigt ist. Jede Unterbrechungsvorrichtung 72 enthält eine Infrarotquelle 72, die einen Fototransistor 73 beleuchtet. Die verschiedenen Unterbrechungsvorrj-chtungen sind in einem Anzeigekreis angeordnet, der optische oder andere Anzeigevorrichtungen enthält, die auf dem nicht dargestellten Steuerpult vorgesehen sind. Die am Schwingtisch 2 befestigte Rippe'74 unterbricht bei ihrem Durchtritt während der Schwingung des Schwingtisches 2 das Lichtbündel 75, das den Fototransistor 73 beleuchtet, so dass dieser einen elektrischen Impuls erzeugt, der eine zugeordnete Anzeigelampe am Steuerpult zum Aufleuchten bringt.

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Claims

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DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) . DIPL.-!N G. W.EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMAN N · DIPL.-ING. W. LEH N

DIPL.-ING. K. FDCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 (STERNHAUS) · D-8000 MO N CH EN 81 · TELE FO N (089) 911087 · TELEX 05-29619 (PATH E)

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ORGANISATION EUROPEENNE DE RECHERCHES SPATIALES,

PARIS/FRANKREICH

Vorrichtung zur Messung der auf zwei Achsen bezogenen Trägheitsmomente eines Geräts

PATENTANSPRÜCHE

Vorrichtung zur Messung der Trägheitsmomente eines Geräts, bezogen auf zwei Achsen, mit einem Schwingtisch, der auf einer vertikalen Drehachse derart befestigt ist, dass er um diese Drehachse schwingen kann, gekennzeichnet durch eine festliegende horizontale Platte (1), auf welcher der Schwingtisch (2) unter Zwischenschaltung mehrerer pneumatischer Stützvorrichtungen (4) ruht, die im Abstand von der Drehachse (3) und symmetrisch um diese liegen,

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wobei die Drehachse (3) sich durch die festliegende Platte (1) erstreckt und in der Öffnung derselben mit Hilfe eines Radiallagers (7) zentriert ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der Schwingtisch (2) einen vertikalen Abschnitt aufweist, der sich vom horizontalen Schwingtisch (2) wegerstreckt, und dass der Schwingtisch und sein vertikaler Abschnitt jeweils eine Befestigungsvorrichtung (23) für das zu messende Gerät aufweisen.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass das Radiallager ein Gaslager ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , dass die Drehachse (3) mit einer Zuführvorrichtung (9) für Druckgas ausgestattet ist, durch welche die pneumatischen Stützvorrichtungen (4) versorgt werden.

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