专利名称：三轴气浮转台台面加载荷后自动调整质心的装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种三轴气浮转台台面加载荷后调整质心的装置及方法。
背景技术：
航天器控制系统半物理仿真是研制航天器过程中特有的一种仿真方法，它利用气 浮转台作为运动模拟器并结合部分实物搭建的半物理仿真环境，进行控制系统方案的仿真 验证。三轴气浮转台通过压缩空气在气浮轴承与轴承座之间形成气膜使台面浮于空中，实 现气浮转台台面与台体之间近似无摩擦的相对转动，从而模拟航天器在外层空间所受干 扰力矩很小的力学环境，进而在地面上利用气浮转台台面的转动模拟刚体航天器的姿态运 动。在基于三轴气浮转台的航天器半物理仿真中，为了克服地球重力的作用，真正模 拟航天器在空间的三轴姿态运动，需要将台体质心调整到气浮台气体压力中心。目前，三轴 气浮转台台体质心调整大多采用手动方式，根据经验反复尝试将台体质心与压心偏差控制 在允许的范围之内，需要花费大量时间，调整难度大、效率低、精确度低。
发明内容
本发明是为了解决现有的采用手动方式调整三轴气浮转台台面加载荷后质心调 整难度大、效率低、精确度低的问题，从而提供一种三轴气浮转台台面加载荷后自动调整质 心的装置及方法。三轴气浮转台台面加载荷后自动调整质心的装置，它包括三轴气浮转台，还 包括电子水平仪、控制�？楹臀甯鱿嗤闹柿康髡爸茫灰匀崞∽ㄌ嬷行奈� 0，建立空间立体直角坐标系0XYZ，其中OX、0Y轴位于台面内，且以水平方向为0X轴，以垂直 水平方向为0Y轴，0Z轴逆铅垂方向远离地心；所述的五个质量调整装置分布在X正半轴、 X负半轴、Y负半轴、Y正半轴和Z正半轴上，即分别为调整水平质心装置的X正半轴质量调 整装置、X负半轴质量调整装置、Y正半轴质量调整装置、Y负半轴质量调整装置和调整铅垂 质心装置的Z正半轴质量调整装置，所述分布在X正半轴、X负半轴、Y负半轴、Y正半轴上 的质量调整装置两两对称；
所述的每个质量调整装置均由一个步进电机、一个质量块、导带和质量调整支架组成， 所述每个质量调整支架均沿其轴向水平方向开有导轨，所述步进电机固定在质量调整支架 上导轨的一端，质量块通过导带与步进电机的动子连接，质量块沿导轨的运动方向与导轨 滑动连接；调整水平质心装置的每个质量调整支架均固定在三轴气浮转台台面的边缘，调 整铅垂质心装置的质量调整支架固定在三轴气浮转台台面的中心；
电子水平仪和控制�？楣潭ㄔ谌崞∽ǖ奶嫔希凰龅缱铀揭堑男藕攀涑龆� 与控制�？榈男藕攀淙攵肆樱凰隹刂颇？榈奈甯銮藕攀涑龆朔直鹩胛甯霾浇缁� 的驱动信号输入端连接。基于上述装置的三轴气浮转台台面加载荷后自动调整质心的方法，它由以下步骤实现
步骤一、将三轴气浮转台台面上的外加载荷进行粗调，使所述外加载荷的质心基本位 于台面的中心位置，且使所述质心处于三轴气浮转台的压力中心之下；
步骤二、向三轴气浮转台注入压缩空气，使三轴气浮转台的台面浮在空中，并转动； 步骤三、电子水平仪采集三轴气浮转台X轴上的水平度信息和Y轴上的水平度信息，并 发送给控制�？椋�
步骤四、控制�？楦萁邮盏�0X轴上的水平度信息，驱动X正半轴质量调整装置中的 步进电机和X负半轴质量调整装置中的步进电机，调整所述两个步进电机对应的质量块沿 导轨滑动，直至三轴气浮转台台面在0X轴上水平时关闭两个步进电机；
控制�？楦萁邮盏結轴上的水平度信息，驱动Y正半轴质量调整装置中的步进电 机和Y负半轴质量调整装置中的步进电机，调整所述两个步进电机对应的质量块沿导轨滑 动，直至三轴气浮转台台面在0Y轴上水平时关闭两个步进电机；
控制�？榍痁正半轴质量调整装置中的步进电机，调整所述步进电机对应的质量块 沿导轨滑动以提高台面质心，直至电子水平仪输出非零信号，即三轴气浮转台台面出现水 平临界状态时关闭步进电机，此时，Z轴质心与压力中心重合；
实现三轴气浮转台台面在0X轴和0Y轴上外加载荷后质心调整和在Z轴质心在铅垂方 向的质心调整，进而实现了三轴气浮转台台面加载荷后的质心调整。步骤四中的控制�？榍浇缁姆椒ㄊ强刂颇？橹械牡テ萁邮盏絏 轴上的水平度信息，控制步进电机驱动器，驱动X正半轴质量调整装置中的步进电机和X负 半轴质量调整装置中的步进电机；控制�？橹械牡テ萁邮盏�0Y轴上水平度信息，控 制步进电机驱动器，驱动Y正半轴质量调整装置中的步进电机和Y负半轴质量调整装置中 的步进电机；控制�？橹械牡テ卸铣鏊街市牡髡瓯虾螅刂撇浇缁鳎� Z正半轴质量调整装置中的步进电机，直至电子水平仪再次出现输出信号后停止。有益效果本发明通过电子水平仪获取外加载荷后的三轴气浮转台台面水平的偏 离程度，通过控制�？榭刂撇浇缁柿靠樵硕聊勘晡恢茫佣迪滞饧釉睾傻闹� 心、三轴气浮转台的台面中心和气体压力中心的三心重合的自动调整，使得三轴气浮台能 够有效克服地球重力对卫星姿态仿真结果的影响。本发明的调整时间小于10分钟，调整难 度小、效率高、精确度高，且成本低。
图1是本发明装置的结构示意图；图2是图1的侧视图；图3是本发明的控制部分 的原理示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一、结合图1和图2说明本具体实施方式
，1、三轴气浮转台台面加载 荷后自动调整质心的装置，它包括三轴气浮转台1，还包括电子水平仪2、控制�？�3和五 个相同的质量调整装置4;以三轴气浮转台1台面中心为原点0，建立空间立体直角坐标系 0XYZ，其中OX、0Y轴位于台面内，且以水平方向为0X轴，以垂直水平方向为0Y轴，0Z轴逆 铅垂方向远离地心；所述的五个质量调整装置4分布在X正半轴、X负半轴、Y负半轴、Y正半轴和Z正半轴上，即分别为调整水平质心装置的X正半轴质量调整装置、X负半轴质量调 整装置、Y正半轴质量调整装置、Y负半轴质量调整装置和调整铅垂质心装置的Z正半轴质 量调整装置，所述分布在X正半轴、X负半轴、Y负半轴、Y正半轴上的质量调整装置4两两 对称；
所述的每个质量调整装置4均由一个步进电机4-1、一个质量块4-2、导带和质量调整 支架4-3组成，所述每个质量调整支架4-3均沿其轴向水平方向开有导轨，所述步进电机 4-1固定在质量调整支架4-3上导轨的一端，质量块4-2通过导带与步进电机4-1的动子连 接，质量块4-2沿导轨的运动方向与导轨滑动连接；调整水平质心装置的每个质量调整支 架4-3均固定在三轴气浮转台1台面的边缘，调整铅垂质心装置的质量调整支架4-3固定 在三轴气浮转台1台面的中心；
电子水平仪2和控制�？�3固定在三轴气浮转台1的台面上；所述电子水平仪2的信 号输出端与控制�？�3的信号输入端连接；所述控制�？�3的五个驱动信号输出端分别与 五个步进电机4-1的驱动信号输入端连接。
具体实施方式
二、本具体实施方式
与具体实施方式
一所述的三轴气浮转台台面加 载荷后自动调整质心的装置的区别在于，控制�？�3包括单片机和步进电机驱动器，单片 机的信号输入端是控制�？�3的信号输入端，单片机的信号输出端与步进电机驱动器的信 号输入端连接，步进电机驱动器的五个驱动信号端是控制�？�3的驱动信号输出端。本实施方式中，控制�？�3中单片机和步进电机驱动器的工作电源电压均为+5v， 由三轴气浮转台1台面上的仿真系统电源提供。
具体实施方式
三、本具体实施方式
与具体实施方式
二所述的三轴气浮转台台面加 载荷后自动调整质心的装置的区别在于，它还包括RS232总线，所述电子水平仪2与单片机 之间通过RS232总线连接。
具体实施方式
四、本具体实施方式
与具体实施方式
三所述的三轴气浮转台台面加 载荷后自动调整质心的装置的区别在于，单片机的型号为C8051F040。
具体实施方式
五、本具体实施方式
与具体实施方式
一、二、三或四所述的三轴气浮 转台台面加载荷后自动调整质心的装置的区别在于，电子水平仪2的型号为2D-120的二维 电子水平仪。
具体实施方式
六、本具体实施方式
与具体实施方式
五所述的三轴气浮转台台面加 载荷后自动调整质心的装置的区别在于，步进电机4-1的型号为DM3938E。
具体实施方式
七、本具体实施方式
与具体实施方式
六所述的三轴气浮转台台面加 载荷后自动调整质心的装置的区别在于，步进电机驱动器的型号为DMD202A。
具体实施方式
八、基于具体实施方式
一所述的三轴气浮转台台面加载荷后自动调 整质心装置的三轴气浮转台台面加载荷后自动调整质心方法，包括水平质心调整和铅垂质 心调整两方面，它由以下步骤实现它由以下步骤实现
步骤一、将三轴气浮转台1台面上的外加载荷12进行粗调，使所述外加载荷12的质心 基本位于台面的中心位置，且使所述质心处于三轴气浮转台1的压力中心之下；
步骤二、向三轴气浮转台1注入压缩空气，使三轴气浮转台1的台面浮在空中，并转
动；
步骤三、电子水平仪2采集三轴气浮转台1在X轴上的水平度信息和在Y轴上的水平度信息，并发送给控制模块3;
步骤四、控制模块3根据接收到0X轴上的水平度信息，驱动X正半轴质量调整装置中 的步进电机4-1和X负半轴质量调整装置中的步进电机4-1，调整所述两个步进电机4-1对 应的质量块4-2沿导轨滑动，直至三轴气浮转台1台面在0X轴上水平时关闭两个步进电机 4-1 ；
控制模块3根据接收到Y轴上的水平度信息，驱动Y正半轴质量调整装置中的步进电 机4-1和Y负半轴质量调整装置中的步进电机4-1，调整所述两个步进电机4-1对应的质量 块4-2沿导轨滑动，直至三轴气浮转台1台面在0Y轴上水平时关闭两个步进电机4-1 ；
以上实现三轴气浮转台台面在X和Y轴质量水平，即实现三轴气浮转台台面加载荷后 在水平方向的质心调整；
控制�？�3驱动Z正半轴质量调整装置中的步进电机4-1，调整所述步进电机4-1对应 的质量块4-2沿导轨滑动以提高台面质心，直至电子水平仪2输出非零信号，即三轴气浮转 台1台面出现水平临界状态时关闭步进电机4-1，此时，Z轴质心与压力中心重合；
此部分实现了三轴气浮转台台面在Z轴质心与压心的重合，即实现三轴气浮转台台面 加载荷后在铅垂方向的质心调整，进而实现了三轴气浮转台台面加载荷后的质心调整；
步骤四中的控制�？�3驱动步进电机的方法是控制�？�3中的单片机根据接收到X 轴上的水平度信息，控制步进电机驱动器，驱动X正半轴质量调整装置中的步进电机4-1和 X负半轴质量调整装置中的步进电机4-1 ；控制�？�3中的单片机根据接收到0Y轴上水平 度信息，控制步进电机驱动器，驱动Y正半轴质量调整装置中的步进电机4-1和Y负半轴质 量调整装置中的步进电机4-1 ；控制模块3中的单片机判断出水平质心调整完毕后，控制步 进电机驱动器，驱动Z正半轴质量调整装置中的步进电机4-1，直至电子水平仪2再次出现 输出信号后停止。
权利要求
三轴气浮转台台面加载荷后自动调整质心的装置，它包括三轴气浮转台(1)，其特征是还包括电子水平仪(2)、控制�？�(3)和五个相同的质量调整装置(4)；以三轴气浮转台(1)台面中心为原点O，建立空间立体直角坐标系OXYZ，其中OX、OY轴位于台面内，且以水平方向为OX轴，以垂直水平方向为OY轴，OZ轴逆铅垂方向远离地心；所述的五个质量调整装置(4)分布在X正半轴、X负半轴、Y负半轴、Y正半轴和Z正半轴上，即分别为调整水平质心装置的X正半轴质量调整装置、X负半轴质量调整装置、Y正半轴质量调整装置、Y负半轴质量调整装置和调整铅垂质心装置的Z正半轴质量调整装置，所述分布在X正半轴、X负半轴、Y负半轴、Y正半轴上的质量调整装置(4)两两对称；所述的每个质量调整装置(4)均由一个步进电机(4 1)、一个质量块(4 2)、导带和质量调整支架(4 3)组成，所述每个质量调整支架(4 3)均沿其轴向水平方向开有导轨，所述步进电机(4 1)固定在质量调整支架(4 3)上导轨的一端，质量块(4 2)通过导带与步进电机(4 1)的动子连接，质量块(4 2)沿导轨的运动方向与导轨滑动连接；调整水平质心装置的每个质量调整支架(4 3)均固定在三轴气浮转台(1)台面的边缘，调整铅垂质心装置的质量调整支架(4 3)固定在三轴气浮转台(1)台面的中心；电子水平仪(2)和控制�？�(3)固定在三轴气浮转台(1)的台面上；所述电子水平仪(2)的信号输出端与控制�？�(3)的信号输入端连接；所述控制模块(3)的五个驱动信号输出端分别与五个步进电机(4 1)的驱动信号输入端连接。
2.根据权利要求1所述的三轴气浮转台台面加载荷后自动调整质心的装置，其特征在 于控制�？�(3)包括单片机和步进电机驱动器，单片机的信号输入端是控制�？�(3)的信 号输入端，单片机的信号输出端与步进电机驱动器的信号输入端连接，步进电机驱动器的 五个驱动信号端是控制�？�(3)的驱动信号输出端。
3.根据权利要求2所述的三轴气浮转台台面加载荷后自动调整质心的装置，其特征在 于它还包括RS232总线，所述电子水平仪(2)与单片机之间通过RS232总线连接。
4.根据权利要求3所述的三轴气浮转台台面加载荷后自动调整质心的装置，其特征在 于单片机的型号为C8051F040。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的三轴气浮转台台面加载荷后自动调整质心的装置， 其特征在于电子水平仪(2)的型号为2D-120的二维电子水平仪。
6.根据权利要求5所述的三轴气浮转台台面加载荷后自动调整质心的装置，其特征在 于步进电机4-1的型号为DM3938E。
7.根据权利要求6所述的三轴气浮转台台面加载荷后自动调整质心的装置，其特征在 于步进电机驱动器的型号为DMD202A。
8.基于权利要求1所述的三轴气浮转台台面加载荷后自动调整质心装置的三轴气浮 转台台面加载荷后自动调整质心方法，其特征是它由以下步骤实现步骤一、将三轴气浮转台(1)台面上的外加载荷(12)进行粗调，使所述外加载荷(12) 的质心基本位于台面的中心位置，且使所述质心处于三轴气浮转台(1)的压力中心之下；步骤二、向三轴气浮转台(1)注入压缩空气，使三轴气浮转台(1)的台面浮在空中，并 转动；步骤三、电子水平仪(2)采集三轴气浮转台(1)X轴上的水平度信息和Y轴上的水平度 信息，并发送给控制�？�(3);步骤四、控制�？�(3)根据接收到0X轴上的水平度信息，驱动X正半轴质量调整装置 中的步进电机(4-1)和X负半轴质量调整装置中的步进电机(4-1)，调整所述两个步进电机 (4-1)对应的质量块(4-2)沿导轨滑动，直至三轴气浮转台(1)台面在0X轴上水平时关闭 两个步进电机(4-1)；控制�？�(3)根据接收到Y轴上的水平度信息，驱动Y正半轴质量调整装置中的步进 电机(4-1)和Y负半轴质量调整装置中的步进电机(4-1)，调整所述两个步进电机(4-1)对 应的质量块(4-2)沿导轨滑动，直至三轴气浮转台(1)台面在0Y轴上水平时关闭两个步进 电机(4-1)；控制�？�(3)驱动Z正半轴质量调整装置中的步进电机(4-1)，调整所述步进电机 (4-1)对应的质量块(4-2)沿导轨滑动以提高台面质心，直至电子水平仪(2)输出非零信 号，即三轴气浮转台(1)台面出现水平临界状态时关闭步进电机(4-1)，此时，Z轴质心与压 力中心重合；实现三轴气浮转台(1)台面在0X轴和0Y轴上外加载荷(12)后质心调整和在Z轴质心 在铅垂方向的质心调整，进而实现了三轴气浮转台台面加载荷(12)后的质心调整。
9.根据权利要求8所述的三轴气浮转台台面加载荷后自动调整质心的方法，其特征在 于步骤四中的控制�？�(3)驱动步进电机的方法是控制�？�(3)中的单片机根据接收到X 轴上的水平度信息，控制步进电机驱动器，驱动X正半轴质量调整装置中的步进电机(4-1) 和X负半轴质量调整装置中的步进电机(4-1)；控制�？�(3)中的单片机根据接收到0Y轴 上水平度信息，控制步进电机驱动器，驱动Y正半轴质量调整装置中的步进电机(4-1)和Y 负半轴质量调整装置中的步进电机(4-1);控制模块(3)中的单片机判断出水平质心调整完 毕后，控制步进电机驱动器，驱动Z正半轴质量调整装置中的步进电机(4-1)，直至电子水 平仪(2)再次出现输出信号后停止。
全文摘要
三轴气浮转台台面加载荷后自动调整质心的装置及方法，涉及一种三轴气浮转台台面加载荷后调整质心的装置及方法。它解决了现有的采用手动方式调整三轴气浮转台台面加载荷后质心调整难度大、效率低、精确度低的问题。其装置气浮转台台面边缘均布四个质量调整装置，与台面中心为原点，逆铅垂方向固定一个质量调整装置，其中每个质量调整支架上开有导轨，导轨一端固定的步进电机带动质量块沿导轨滑行，电子水平仪的信号输出端与控制�？榈男藕攀淙攵肆樱刂颇？榈那藕攀涑龆擞氩浇缁那藕攀淙攵肆印Ｆ浞椒òㄋ街市牡髡颓Υ怪市牡髡�。本发明适用于三轴气浮转台台面外加载荷后质心调整。
文档编号G01M1/12GK101900627SQ20101024946
公开日2010年12月1日 申请日期2010年8月10日 优先权日2010年8月10日
发明者叶东, 曹喜滨, 王峰, 耿云海, 董晓光, 陈雪芹 申请人:哈尔滨工业大学
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