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CN117419941A - 一种基于空气静压球轴系的三轴回转测量平台 - Google Patents

一种基于空气静压球轴系的三轴回转测量平台 Download PDF

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CN117419941A
CN117419941A CN202311357921.9A CN202311357921A CN117419941A CN 117419941 A CN117419941 A CN 117419941A CN 202311357921 A CN202311357921 A CN 202311357921A CN 117419941 A CN117419941 A CN 117419941A
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CN
China
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axis
ball
aerostatic
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driving motor
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胡鹏浩
杨龙
李瑞君
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Hefei University of Technology
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Hefei University of Technology
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    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Abstract

本发明公开了一种基于空气静压球轴系的三轴回转测量平台,包括空气静压球轴系、驱动模块、测角模块和基座;其空气静压球轴系是在球窝中的空腔中置入球头,通过球壳节流孔引入气流使球头轴向浮动,在球头顶部固定设置平台形成浮动平台,球头的底部固定连接球铰杆,球铰杆套装在空气静压轴套中,由电机驱动球铰杆绕Z轴回转;将球窝固定设置在基座上,并在基座上分别设置X轴和Y轴运动支架,由电机驱动并通过X轴和Y轴运动支架带动空气静压轴套的下端绕X轴和绕Y轴的回转,实现三轴回转,并设置测角光栅实时测量转动角。本发明测量精度高,能广泛用于模拟无重力环境中物体运动状态和模拟相关器件的空间姿态,以及用于校准载荷上角度传感器的精度和工作性能。

Description

一种基于空气静压球轴系的三轴回转测量平台
技术领域
本发明涉及三轴回转测量平台技术领域,具体涉及一种基于空气静压球轴系的三轴测量平台。
背景技术
三轴回转测量平台是一种在空间中实现三维角运动模拟和角度标定的设备,被广泛运用于航空、航天领域中,用以模拟飞行器的各种姿态角运动,复现其运动时的各种动力学特性。三轴回转测量平台需要在三维空间内提供方向、姿态、位置等信息,这要求其具备高精度的空间定位和测量技术,以确保数据的准确性和可靠性。
现有技术中的三轴回转测量平台普遍存在摩擦力矩大,精度不足的问题。
如在CN212254123U的专利文献中公开的一种手动惯导测试转台,其包括U型底座,U型底座内侧上端设有台面,台面两端分别连接有左主轴和右主轴,左主轴上套装有置于U型底座左端内部的座轴承组件和测角组件;右主轴上套装有置于U型底座右端内部的右轴承组件和蜗轮,蜗轮下端与调整组件内的蜗杆啮合连接。但是,由测试转台中设置蜗轮蜗杆传动,其存在较大的摩擦损失,极大地影响了转台精度。
如在CN112857844A的专利文献中公开了一种三轴仿真试验转台,其包括旋转组、试验平台组、70°变位组和试验台座,旋转组包括转盘、固定盘、万向球轴承和转轴,转盘底端安装有四组刀向球轴承,并均匀布置在固定盘表面,转盘中心通过转轴与固定盘相连接,转盘在固定盘上绕Z轴360°转动。试验转台采用电机驱动转台,但是只采用刻度板指针在需要的角度定位,无法实时获知转台的姿态位置,测量精度难以保证。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足,提供一种基于空气静压球轴系的三轴回转测量平台,用于模拟无重力环境中物体运动状态,以及模拟相关器件的空间姿态,实现高精度的实时测量。
本发明为实现发明目的采用如下技术方案:
本发明基于空气静压球轴系的三轴回转测量平台的特点是:包括空气静压球轴系、驱动模块、测角模块和基座;所述空气静压球轴系是在球窝中的空腔中置入气浮球头,通过球壳上的节流孔引入气流使气浮球头轴向浮动,在气浮球头的顶部固定设置平台形成浮动平台,在气浮球头的底部固定连接球铰杆,所述球铰杆套装在空气静压轴套中,由电机驱动球铰杆绕Z轴回转;将球窝固定设置在基座上,并在基座上分别设置X轴运动支架和Y轴运动支架,由电机驱动并分别通过X轴运动支架和Y轴运动支架带动空气静压轴套的下端绕X轴和绕Y轴回转,实现三轴回转;所述测角模块用于实时测量三轴回转角。
本发明基于空气静压球轴系的三轴回转测量平台的特点也在于:
所述球窝由上半球窝和下半球窝构成;所述上半球窝固定在基座上,下半球窝与上半球窝固定连接形成空腔,在上半球窝和下半球窝的球壳上分布有节流孔,气体沿节流孔进入空腔,形成气膜压力从而使位于空腔内的球头能够在空腔内部沿竖直方向浮动;
在所述驱动模块中设置有X轴驱动电机、Y轴驱动电机和Z轴驱动电机;所述X轴驱动电机的电机座固定在基座上,X轴驱动电机用于驱动X轴运动支架绕X轴摆动;所述Y轴驱动电机的电机座固定在基座上,Y轴驱动电机用于驱动Y轴运动支架绕Y轴摆动;所述空气静压轴套在下端分别由X轴运动支架和Y轴运动支架带动摆动;所述Z轴驱动电机设置在空气静压轴套的底部,球铰杆置于空气静压轴套的轴套内,所述Z轴驱动电机的转轴与球铰杆固定连接,利用球铰杆传递绕Z轴的旋转扭矩;
所述测角模块包括X轴测角光栅、Y轴测角光栅和Z轴测角光栅,所述X轴测角光栅设置在X轴运动支架的一侧,用于测量X轴运动支架绕X轴的摆动角度;所述Y轴测角光栅设置在Y轴运动支架的一侧,用于测量Y轴运动支架绕Y轴的摆动角度;所述Z轴测角光栅设置在球铰杆的顶部,用于测量球铰杆绕Z轴的转动角度。
本发明基于空气静压球轴系的三轴回转测量平台的特点也在于:
所述X轴运动支架是带有长槽的U形架,U形架的两端与X轴气浮轴承内转轴固定连接,X轴气浮轴承座与上半球窝固定连接,X轴驱动电机的转轴通过X轴气浮轴承内转轴与X轴运动支架的一端固定连接;
所述Y轴运动支架是带有长槽的U形架,U形架的两端与Y轴气浮轴承内转轴固定连接,Y轴气浮轴承座与上半球窝固定连接,Y轴驱动电机的转轴通过Y轴气浮轴承内转轴与Y轴运动支架的一端固定连接;
所述X轴运动支架与Y轴运动支架的U形架呈一上一下叠置;所述空气静压轴套共同贯穿X轴运动支架和Y轴运动支架中的长槽,并能在各长槽中移动;使气浮球头与平台同步绕X轴和绕Y轴转动。
与已有技术相比,本发明有益效果体现在:
1、本发明设置空气静压球轴系大大降低了摩擦力,提升了动态响应特性及运动精度;
2、本发明采用十字交叉垂直的框架式驱动技术且同步实现三轴回转测量;
3、本发明可以用于模拟无重力环境中物体的运动状态和模拟相关器件、载荷的空间姿态;
4、本发明还可用于比对和校准载荷上角度传感器的精度和工作性能。
附图说明
图1为本发明中三轴回转测量平台整体结构示意图;
图2为本发明中X轴和Y轴运动支架俯视图;
图3为本发明中X轴组件示意图
图4为本发明中Y轴组件示意图;
图5为本发明中Z轴组件示意图
图中标号:1平台,2上半球窝,3为Y轴测角光栅,4为X轴驱动电机,5下半球窝,6为Y轴运动支架,7气浮球头,8为X轴测角光栅,9为X轴运动支架,10空气静压轴套,11基座,12为Z轴驱动电机,13为Y轴驱动电机,101球铰杆,102电机支架,103为Z轴测角光栅,104空气静压衬垫,105端面止推气浮轴承,106柔性联轴器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理,但不能用来限制本发明的范围,即本发明不限于所描述的实施例,在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
参见图1,本实施例中基于空气静压球轴系的三轴回转测量平台包括空气静压球轴系、驱动模块、测角模块和基座11;空气静压球轴系是在球窝中的空腔中置入气浮球头7,通过球壳上的节流孔引入气流形成气膜压力使气浮球头7轴向浮动,在气浮球头7的顶部固定设置平台1形成浮动平台,在气浮球头7的底部固定连接球铰杆101,球铰杆101套装在空气静压轴套10中,由电机驱动球铰杆101绕Z轴回转;将球窝固定设置在基座上,并在基座上分别设置X轴运动支架9和Y轴运动支架6,由电机驱动并分别通过X轴运动支架9和Y轴运动支架6带动空气静压轴套10的下端绕X轴和绕Y轴回转,实现三轴回转;测角模块用于实时测量三轴回转角。
如图1所示,本实施例中球窝由上半球窝2和下半球窝5构成;上半球窝2固定在基座11上,下半球窝5与上半球窝2固定连接形成空腔,在上半球窝2和下半球窝5的球壳上分布有节流孔,气体沿节流孔进入空腔,形成气膜压力从而使位于空腔内的气浮球头7能够在空腔内部沿竖直方向浮动。
在驱动模块中设置有X轴驱动电机4、Y轴驱动电机13和Z轴驱动电机12;X轴驱动电机4的电机座固定在基座11上,X轴驱动电机4用于驱动X轴运动支架9绕X轴摆动;Y轴驱动电机13的电机座固定在基座11上,Y轴驱动电机13用于驱动Y轴运动支架6绕Y轴摆动;空气静压轴套10在下端分别由X轴运动支架9和Y轴运动支架6带动摆动;Z轴驱动电机12设置在空气静压轴套10的底部,球铰杆101置于空气静压轴套10的轴套内,Z轴驱动电机12的转轴与球铰杆101固定连接,利用球铰杆101传递绕Z轴的旋转扭矩;
测角模块包括X轴测角光栅8、Y轴测角光栅3和Z轴测角光栅103,X轴测角光栅8设置在X轴运动支架9的一侧,用于测量X轴运动支架9绕X轴的摆动角度;Y轴测角光栅3设置在Y轴运动支架6的一侧,用于测量Y轴运动支架6绕Y轴的摆动角度;Z轴测角光栅103设置在球铰杆101的顶部,用于测量球铰杆101绕Z轴的转动角度。
具体实施中,相应的技术措施也包括:
如图2和图3所示,X轴运动支架9是带有长槽的U形架,U形架的两端与X轴气浮轴承内转轴固定连接,X轴气浮轴承座与上半球窝2固定连接,X轴驱动电机4的转轴通过X轴气浮轴承内转轴与X轴运动支架9的一端固定连接。
如图2和图4所示,Y轴运动支架6是带有长槽的U形架,U形架的两端与Y轴气浮轴承内转轴固定连接,Y轴气浮轴承座与上半球窝2固定连接,Y轴驱动电机13的转轴通过Y轴气浮轴承内转轴与Y轴运动支架6的一端固定连接。
如图2和图5所示,X轴运动支架9与Y轴运动支架6的U形架呈一上一下叠置;空气静压轴套10共同贯穿X轴运动支架9和Y轴运动支架6中的长槽,并能在各长槽中移动,适当设置长槽的宽度,保证空气静压轴套10在长槽中得到准确导向并滑动顺畅,使气浮球头7与平台1同步绕X轴和绕Y轴转动;空气静压轴套10下方设置电机支架102用以固定Z轴驱动电机12;球铰杆101通过柔性联轴器106与Z轴驱动电机12输出轴联接;空气静压轴套10内设置有空气静压衬垫104和端面止推气浮轴承105,用以减小球铰杆101在运动中的摩擦力。
本实施例中,平台1的X轴和Y轴方向是固定的,Z轴方向为球铰杆的轴线方向,Z轴方向不是固定坐标,当气浮球头7和平台1绕X或Y轴回转时,Z轴方向发生变化。
整个空气静压球轴系放置在一个对称结构的基座11上,系统总体上轴对称设计,能形成力平衡、热平衡,整体变形小,便于稳定精度。
需要明确的是,本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述,各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且,为了简明起见,这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上仅为本申请的实施例而已,并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (3)

1.一种基于空气静压球轴系的三轴回转测量平台,其特征是:包括空气静压球轴系、驱动模块、测角模块和基座;所述空气静压球轴系是在球窝中的空腔中置入气浮球头(7),通过球壳上的节流孔引入气流使气浮球头(7)轴向浮动,在气浮球头(7)的顶部固定设置平台(1)形成浮动平台,在气浮球头(7)的底部固定连接球铰杆(101),所述球铰杆(101)套装在空气静压轴套(10)中,由电机驱动球铰杆(101)绕Z轴回转;将球窝固定设置在基座上,并在基座上分别设置X轴运动支架(9)和Y轴运动支架(6),由电机驱动并分别通过X轴运动支架(9)和Y轴运动支架(6)带动空气静压轴套(10)的下端绕X轴和绕Y轴回转,实现三轴回转;所述测角模块用于实时测量三轴回转角。
2.根据权利要求1所述的基于空气静压球轴系的三轴回转测量平台,其特征是:
所述球窝由上半球窝(2)和下半球窝(5)构成;所述上半球窝(2)固定在基座(11)上,下半球窝(5)与上半球窝(2)固定连接形成空腔,在上半球窝(2)和下半球窝(5)的球壳上分布有节流孔,气体沿节流孔进入空腔,形成气膜压力从而使位于空腔内的球头(7)能够在空腔内部沿竖直方向浮动;
在所述驱动模块中设置有X轴驱动电机(4)、Y轴驱动电机(13)和Z轴驱动电机(12);所述X轴驱动电机(4)的电机座固定在基座(11)上,X轴驱动电机(4)用于驱动X轴运动支架(9)绕X轴摆动;所述Y轴驱动电机(13)的电机座固定在基座(11)上,Y轴驱动电机(13)用于驱动Y轴运动支架(6)绕Y轴摆动;所述空气静压轴套(10)在下端分别由X轴运动支架(9)和Y轴运动支架(6)带动摆动;所述Z轴驱动电机(12)设置在空气静压轴套(10)的底部,球铰杆(101)置于空气静压轴套(10)的轴套内,所述Z轴驱动电机(12)的转轴与球铰杆(101)固定连接,利用球铰杆(101)传递绕Z轴的旋转扭矩;
所述测角模块包括X轴测角光栅(8)、Y轴测角光栅(3)和Z轴测角光栅(103),所述X轴测角光栅(8)设置在X轴运动支架(9)的一侧,用于测量X轴运动支架(9)绕X轴的摆动角度;所述Y轴测角光栅(3)设置在Y轴运动支架(6)的一侧,用于测量Y轴运动支架(6)绕Y轴的摆动角度;所述Z轴测角光栅(103)设置在球铰杆(101)的顶部,用于测量球铰杆(101)绕Z轴的转动角度。
3.根据权利要求1所述的基于空气静压球轴系的三轴回转测量平台,其特征是:
所述X轴运动支架(9)是带有长槽的U形架,U形架的两端与X轴气浮轴承内转轴固定连接,X轴气浮轴承座与上半球窝(2)固定连接,X轴驱动电机(4)的转轴通过X轴气浮轴承内转轴与X轴运动支架(9)的一端固定连接;
所述Y轴运动支架(6)是带有长槽的U形架,U形架的两端与Y轴气浮轴承内转轴固定连接,Y轴气浮轴承座与上半球窝(2)固定连接,Y轴驱动电机(13)的转轴通过Y轴气浮轴承内转轴与Y轴运动支架(6)的一端固定连接;
所述X轴运动支架(9)与Y轴运动支架(6)的U形架呈一上一下叠置;所述空气静压轴套(10)共同贯穿X轴运动支架(9)和Y轴运动支架(6)中的长槽,并能在各长槽中移动;使气浮球头(7)与平台(1)同步绕X轴和绕Y轴转动。
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