一種大型球球度誤差自動分離裝置及其方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種大型球球度誤差自動分離裝置及其方法，利用單軸氣浮臺和氣浮板代替圓度儀的功能來檢測球度誤差，氣浮平板用于調(diào)整氣浮球球心與單軸氣浮臺的回轉(zhuǎn)軸線的偏心量，弧形支架與單軸氣浮臺的軸套基座固聯(lián)，測微儀的安裝在弧形支架上，保證測頭的敏感方向指向球心。本發(fā)明建立了測微儀的讀數(shù)與單軸氣浮臺的旋轉(zhuǎn)角度、測微儀所在緯度角、單軸氣浮臺的傾角回轉(zhuǎn)誤差、徑向回轉(zhuǎn)誤差、軸向回轉(zhuǎn)誤差、氣浮球的安裝偏心誤差、氣浮球的球度誤差之間的函數(shù)關(guān)系，然后根據(jù)這個函數(shù)關(guān)系設(shè)計了誤差分離方法。本裝置實現(xiàn)大型球球度誤差的檢測；測量精度為0.4μm，本發(fā)明的方法，使分離出的球度誤差更加準(zhǔn)確、方便快捷。
【專利說明】一種大型球球度誤差自動分離裝置及其方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及非整球球度誤差的測試的誤差分離技術(shù)，具體涉及一種大型球球度誤 差自動分離裝置及其方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 衛(wèi)星是一類高風(fēng)險、高投入和高效益的太空飛行器，為了降低其研宄過程的風(fēng)險 以及節(jié)約其研宄的成本，在對衛(wèi)星控制系統(tǒng)研宄的過程中需要進行大量的不同類型的地面 仿真試驗，用以檢驗衛(wèi)星控制系統(tǒng)的功能，發(fā)現(xiàn)控制系統(tǒng)中的設(shè)計問題。
[0003] 在對衛(wèi)星控制系統(tǒng)的仿真中，依照所運用的評價標(biāo)準(zhǔn)的不同，可把其分為三種類 型，數(shù)學(xué)仿真、半物理仿真和全物理仿真。雖然三者都是衛(wèi)星研制過程中所使用的重要方法 和手段，但全物理仿真還有其獨到的用途。首先，在全物理仿真中，不僅衛(wèi)星的姿態(tài)控制系 統(tǒng)可以參與到仿真回路中，而且衛(wèi)星的姿態(tài)執(zhí)行系統(tǒng)也可以參與其中，這樣可以有效地發(fā) 現(xiàn)設(shè)計系統(tǒng)方案與實際執(zhí)行機構(gòu)之間可能存在的問題。其次，由于全物理仿真系統(tǒng)不要求 必須建立精確的數(shù)學(xué)模型，這就可以避免在設(shè)計仿真系統(tǒng)時，一些實物數(shù)學(xué)模型難以建立 所帶來的困難?？芍苯訉⑦@些實物接入到仿真回路中，能夠從仿真輸出結(jié)果中直觀的反映 出這些實物對衛(wèi)星控制系統(tǒng)性能的影響。最后，全物理仿真能夠進行多體衛(wèi)星動力學(xué)試驗 研宄和自旋衛(wèi)星晃動實驗的研宄，可以有效地驗證研宄方案的正確性，為實際運用各種研 宄方案提供了可能。
[0004] 在進行衛(wèi)星控制系統(tǒng)的全物理仿真時，由于實際衛(wèi)星的地面仿真裝置處在Ig的 重力加速度的作用下，要在地面精確的模擬出外太空環(huán)境的微重力和零力矩約束的環(huán)境是 相當(dāng)難的。借助于飛機的拋物線運動或者是落塔的實驗裝置可以得到微重力的試驗環(huán)境， 但是由于該方法作用時間過短（僅有幾十秒）以及試驗方法和裝置比較特殊，不能夠用于 航天飛行器系統(tǒng)的試驗中。而這一問題能夠借助于三軸氣浮轉(zhuǎn)臺得到很好的解決，它的工 作原理是運用氣浮軸承與軸承座之間的壓縮空氣在兩者之間形成的間隙里空氣的氣膜的 作用，使得氣浮臺懸浮，消除了重力影響以及構(gòu)造了一個微摩擦的相對運動環(huán)境，從而可模 擬外太空中微小干擾力矩（約為KT 6-KT4Nm級）的特征。衛(wèi)星控制系統(tǒng)的全物理仿真運用 氣浮臺作為其姿態(tài)運動的模擬器，對衛(wèi)星控制的實際系統(tǒng)展開的一系列的試驗。該仿真能 夠驗證穩(wěn)定的三軸空間飛行器的控制率，對在初期的衛(wèi)星研制過程中可能出現(xiàn)的問題進行 仿真分析，以便能夠使系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的缺點在設(shè)計階段及時的被發(fā)現(xiàn)，及時確定問題的 解決方案。
[0005] 三軸氣浮臺是衛(wèi)星控制系統(tǒng)的全物理仿真的關(guān)鍵設(shè)備，而氣浮臺主要由氣浮球和 軸承座組成，而氣浮球和軸承座的球度誤差直接決定了仿真系統(tǒng)的精度。所以對氣浮球和 軸承座的球度檢測，判斷是否滿足技術(shù)指標(biāo)的要求，顯得尤為重要。目前球度誤差的檢測都 是采用圓柱度儀來測試。但是所涉及的球直徑大，球直徑達到S?624mm，目前國內(nèi)很少有能 夠測試這么大球的球度誤差的圓柱度儀，即使有也不能夠滿足高精度的檢測要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明中涉及一種大型球球度誤差自動分離裝置及其方法，主要目的是提高大型 球球度誤差的測試精度。本專利中提出的誤差自動分離技術(shù)能夠?qū)y量裝置的誤差，包括 軸系的傾角回轉(zhuǎn)誤差、軸線回轉(zhuǎn)誤差、徑向回轉(zhuǎn)誤差、安裝偏心誤差從氣浮球球度誤差測試 中的數(shù)據(jù)有效的分離出來，從而大大提高了球度誤差的測試精度。
[0007] 本發(fā)明所采用的技術(shù)如下：一種大型球球度誤差自動分離裝置，包括單軸氣浮臺 和氣浮平板，氣浮平板包括平板底板、平板臺體和平板臺面，平板臺面固定安裝在平板臺體 上，平板臺體和平板臺面之間安裝有密封圈，平板臺體位于平板底板上方，平板臺體的下平 面安裝有節(jié)流器，節(jié)流器與氣源相連接，氣浮平板安裝在單軸氣浮臺的臺面上，單軸氣浮臺 的臺面兩側(cè)安裝有兩個微調(diào)機構(gòu)，能夠調(diào)整平板臺體的位置，被測氣浮球安裝在氣浮平板 上，平板臺體處于懸浮狀態(tài)時，通過微調(diào)機構(gòu)調(diào)整平板臺體的位置，對被測氣浮球機械調(diào) 心，調(diào)整被測氣浮球的球心位于單軸氣浮臺的回轉(zhuǎn)軸線上，弧形支架與單軸氣浮臺的軸套 基座固聯(lián)，測微儀的測頭通過夾具安裝在弧形支架上，測微儀的敏感方向為被測氣浮球球 面處的法線方向，誤差小于Γ，夾具在弧形支架的弧槽中自由滑動并能鎖定在被測氣浮球 某煒度位置；單軸氣浮臺的傾角回轉(zhuǎn)誤差小于0. 3"，徑向回轉(zhuǎn)誤差小于0. 5 μπι，軸向回轉(zhuǎn) 誤差小于〇. 5 μ m。
[0008] 本發(fā)明還具有如下技術(shù)特征：采用如上所述的裝置得出的一種大型球球度誤差的 誤差自動分離方法，步驟如下：
[0009] 步驟一：氣浮球的調(diào)心過程：
[0010] 1)氣浮平板接通氣源，氣浮板浮起，旋轉(zhuǎn)單軸氣浮臺，調(diào)整測微儀測頭，使敏感方 向?qū)?zhǔn)球心，在0°、90°、180°、270°位置，讀取測微儀的讀數(shù)，求取平均值；
[0011] 2)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺，調(diào)整氣浮平板上的微調(diào)機構(gòu)使測微儀的讀數(shù)接近平均值；
[0012] 3)氣浮臺轉(zhuǎn)動90°，測微儀測頭對準(zhǔn)另一維微調(diào)機構(gòu)，再調(diào)整微調(diào)機構(gòu)使測微儀 的讀數(shù)接近于平均值。
[0013] 重復(fù)步驟一中的1)、2)、3)步驟，直到將偏心量調(diào)整到小于5 μm為止，然后鎖定氣 浮平板上的微調(diào)機構(gòu)，并切斷氣浮平板上的氣源；
[0014] 步驟二：球度誤差的測試及誤差分離：
[0015] 1)將測微儀測頭分別安裝在被測氣浮球的0°、30°、45°、60°煒度角，測微儀 的敏感方向與球面法線方向一致，主軸每隔15°采樣，記錄測微儀讀數(shù) Xj (j = 0,1，2,...， 23)；
[0016] 2)計算當(dāng)測微儀在被測點處的敏感方向與該點在球面的法線方向一致時，測微儀 到球心的距離，其中轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)角為γ時，測微儀的測頭在主軸坐標(biāo)系的齊次坐標(biāo)為（d x，dy， dz，I)，實際氣浮球與測微儀的接觸點的經(jīng)度為-γ和煒度供
[0017]

【權(quán)利要求】
1. 一種大型球球度誤差自動分離裝置，包括單軸氣浮臺和氣浮平板，其特征在于，氣浮 平板包括平板底板、平板臺體和平板臺面，平板臺面固定安裝在平板臺體上，平板臺體和平 板臺面之間安裝有密封圈，平板臺體位于平板底板上方，平板臺體的下平面安裝有節(jié)流器， 節(jié)流器與氣源相連接，氣浮平板安裝在單軸氣浮臺的臺面上，單軸氣浮臺的臺面兩側(cè)安裝 有兩個微調(diào)機構(gòu)，能夠調(diào)整平板臺體的位置，被測氣浮球安裝在氣浮平板上，平板臺體處于 懸浮狀態(tài)時，通過微調(diào)機構(gòu)調(diào)整平板臺體的位置，對被測氣浮球機械調(diào)心，調(diào)整被測氣浮球 的球心位于單軸氣浮臺的回轉(zhuǎn)軸線上，弧形支架與單軸氣浮臺的軸套基座固聯(lián)，測微儀的 測頭通過夾具安裝在弧形支架上，測微儀的敏感方向為被測氣浮球球面處的法線方向，誤 差小于1 °，夾具在弧形支架的弧槽中自由滑動并能鎖定在被測氣浮球某煒度位置；單軸 氣浮臺的傾角回轉(zhuǎn)誤差小于〇. 3 "，徑向回轉(zhuǎn)誤差小于0. 5μm，軸向回轉(zhuǎn)誤差小于0. 5μm。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大型球球度誤差自動分離裝置得出的一種大型球球度 誤差的誤差自動分離方法，其特征在于，方法步驟如下： 步驟一：氣浮球的調(diào)心過程： 1) 氣浮平板接通氣源，氣浮板浮起，旋轉(zhuǎn)單軸氣浮臺，調(diào)整測微儀測頭，使敏感方向?qū)?準(zhǔn)球心，在0°、90°、180°、270°位置，讀取測微儀的讀數(shù)，求取平均值； 2) 旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺，調(diào)整氣浮平板上的微調(diào)機構(gòu)使測微儀的讀數(shù)接近平均值； 3) 氣浮臺轉(zhuǎn)動90°，測微儀測頭對準(zhǔn)另一維微調(diào)機構(gòu)，再調(diào)整微調(diào)機構(gòu)使測微儀的讀 數(shù)接近于平均值。 重復(fù)步驟一中的1)、2)、3)步驟，直到將偏心量調(diào)整到小于5μm為止，然后鎖定氣浮平 板上的微調(diào)機構(gòu)，并切斷氣浮平板上的氣源； 步驟二：球度誤差的測試及誤差分離： 1) 將測微儀測頭分別安裝在被測氣浮球的0°、30°、45°、60°煒度角，測微儀的敏 感方向與球面法線方向一致，主軸每隔15°采樣，記錄測微儀讀數(shù)\(」=0，1，2，...，23); 2) 計算當(dāng)測微儀在被測點處的敏感方向與該點在球面的法線方向一致時，測微儀到球 心的距離，其中轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)角為γ時，測微儀的測頭在主軸坐標(biāo)系的齊次坐標(biāo)為（dx，dy，dz，l)， 實際氣浮球與測微儀的接觸點的經(jīng)度為-γ和煒度P
3) 去掉讀數(shù)中的均值若回轉(zhuǎn)誤差只考慮安裝偏心ex、ey和回轉(zhuǎn)誤差x2c;、x2s、zlc;、zls、z2。、 z2s這8個系數(shù)，得
4) 將上式按照單軸氣浮臺的角位置離散化，得
其中約=0。、仍=30。、約=45。、供4=60〇、γ i= 2 π i/n(i = 0,1. · ·，23) 寫成矩陣形式為 Y = ΦΧ (4) 其中量測向量為 Y = [y(l，〇)，···，y(l，23)，y(2,0)，···，y(2,23)，y(3,0)，···，y(3,23)，y(4,0)，···， y(4,23)]T 誤差系數(shù)向量為 X - [θχ X2c X2s Zlc Zls Z2c Z2s 9 y2c 9 y2s] 結(jié)構(gòu)矩陣為
根據(jù)最小二乘法，誤差系數(shù)向量的估計值為 Χ={ΦτΦ)ιΦ ?Υ (5) 再求出各個測點殘差向量為 ε = Y-φ ((Dt(D)-1CDtY (6) 即為球度誤差。
【文檔編號】G05B17/02GK104460340SQ201410607947
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年10月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月19日
【發(fā)明者】任順清, 高亢, 王常虹 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)