一種太陽翼驅(qū)動機構(gòu)微振動測試方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種太陽翼驅(qū)動機構(gòu)微振動測試方法，本發(fā)明采用氣浮臺作為氣壓支撐，克服了地面重力對太陽翼驅(qū)動機構(gòu)的影響，測試時測量裝置和被測量試件分離，不需要在被測試件上安裝附加設(shè)備和傳感器，不影響被測試件的動態(tài)特性，不損傷被測試件結(jié)構(gòu)，保證了被測試件的安全性；本發(fā)明通過八個普通壓電傳感器的合理布置，從而使得六個自由度的微擾動信號可以利用現(xiàn)有的單向壓電力傳感器來測量，克服了缺少高精度三向傳感器的問題，使得測量精度大大提高。本發(fā)明的擾動源可以置于測量系統(tǒng)內(nèi)部或外部，提高了測量系統(tǒng)的適應(yīng)性。
【專利說明】一種太陽翼驅(qū)動機構(gòu)微振動測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微振動測試方法，尤其涉及一種不同重力環(huán)境太陽翼驅(qū)動機構(gòu)微振動測試方法，屬于振動試驗【技術(shù)領(lǐng)域】，可用于太陽翼驅(qū)動機構(gòu)模擬在軌振動特性動態(tài)測量。
【背景技術(shù)】
[0002]影響衛(wèi)星抖動和姿態(tài)穩(wěn)定度的主要因素包括環(huán)境外力干擾、姿態(tài)機動、星上活動部件的擾動力矩等。衛(wèi)星成像器件和星上活動部件引起的抖動時始終存在的，對成像質(zhì)量的影響較大，因此有必要通過相應(yīng)的控制手段加以抑制或隔離。星上活動部件主要指衛(wèi)星太陽翼驅(qū)動機構(gòu)，如圖1所示，在衛(wèi)星太陽翼3遠(yuǎn)離衛(wèi)星本體結(jié)構(gòu)I的末端安裝一個轉(zhuǎn)軸，然后在轉(zhuǎn)軸上安裝滾珠軸承，轉(zhuǎn)軸與滾珠軸承配合實現(xiàn)衛(wèi)星太陽翼3以太陽翼驅(qū)動機構(gòu)(SADA) 2為軸自由轉(zhuǎn)動。為了研究在SADA (太陽翼驅(qū)動機構(gòu))等旋轉(zhuǎn)部件激勵下衛(wèi)星結(jié)構(gòu)抖動和撓性振動傳播特性，以及對有效載荷指向的影響，需要對衛(wèi)星太陽翼的擾動特性(不同邊界條件下的擾動頻譜特性)進行測量和數(shù)據(jù)分析，為展開抖動抑制方案研究奠定基礎(chǔ)。當(dāng)前，模擬太陽翼驅(qū)動機構(gòu)在軌環(huán)境并直接測量仍不失為一種可行和有效的方案。目前，國內(nèi)外尚未見有關(guān)此類太陽翼驅(qū)動機構(gòu)微振動測試方法的文獻報導(dǎo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種太陽翼驅(qū)動機構(gòu)微振動測試方法，保證了被測試件的安全性，大大提高了測試精度。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種太陽翼驅(qū)動機構(gòu)微振動測試方法，步驟如下:
[0005](I)建立微振動測試系統(tǒng)，該微振動測試系統(tǒng)包括支架、氣浮臺、扭矩傳感器、直線軸承、法蘭、微振動六分量測試臺、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)及模擬負(fù)載，氣浮臺通過螺栓固定在支架上，氣浮臺的轉(zhuǎn)軸同扭矩傳感器固連，扭矩傳感器通過直線軸承與法蘭固連并使三者的軸線成一條直線，微振動六分量測試臺設(shè)置在支架內(nèi)并通過框架與支架連接在一起，微振動六分量測試臺中布置有四個沿水平方向安裝的壓電傳感器和四個沿豎直方向安裝的壓電傳感器，輔助系統(tǒng)由空氣壓縮機及輸送管組成，空氣壓縮機產(chǎn)生的高壓氣體通過輸送管輸送到氣浮臺中用于氣浮臺進行重力卸載；模擬負(fù)載與氣浮臺固連且保證同心，用來測試負(fù)載對太陽翼驅(qū)動機構(gòu)(6)微振動特性的影響；
[0006](2)對微振動六分量測試臺進行標(biāo)定；標(biāo)定方法為:首先將標(biāo)定盤固定安裝在微振動六分量測試臺上，采用標(biāo)準(zhǔn)力錘敲擊標(biāo)定盤上的16個標(biāo)定點，每次敲擊時，數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)分別采集六分量測試臺的八個傳感器的頻響函數(shù)，利用模態(tài)理論和廣義逆算法求出標(biāo)定矩陣，得到八個傳感器的輸出電壓與力錘輸入力之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，即微振動六分量測試臺的標(biāo)定系數(shù)。
[0007](3)將太陽翼驅(qū)動機構(gòu)的下端安裝在標(biāo)定后的微振動六分量測試臺上并使太陽翼驅(qū)動機構(gòu)與微振動六分量測試臺保持形心重合，法蘭將太陽翼驅(qū)動機構(gòu)的上端進行固定，模擬負(fù)載安裝在氣浮臺的上部；
[0008](4)由輔助系統(tǒng)向氣浮臺充氣，使氣浮臺開始工作，將模擬負(fù)載的重力進行卸載；
[0009](5)測試開始，控制太陽翼驅(qū)動機構(gòu)產(chǎn)生微小擾動和轉(zhuǎn)軸擾動，微振動六分量測試臺上安裝的八個壓電傳感器對微小擾動進行測量，扭矩傳感器和光柵角位移傳感器對轉(zhuǎn)軸擾動進行測量；
[0010](6)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)對壓電傳感器測量的微小擾動信號、扭矩傳感器測量的扭矩信號和光柵角位移傳感器測量的角位移信號進行采集處理，得到太陽翼驅(qū)動機構(gòu)的微振動特性。
[0011]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點:
[0012](I)本發(fā)明采用氣浮臺作為氣壓支撐，克服了地面重力對太陽翼驅(qū)動機構(gòu)的影響，測試時測量裝置和被測量試件分離，不需要在被測試件上安裝附加設(shè)備和傳感器，不影響被測試件的動態(tài)特性，不損傷被測試件結(jié)構(gòu)，保證了被測試件的安全性。
[0013](2)本發(fā)明通過八個普通壓電傳感器的合理布置，從而使得六個自由度的微擾動信號可以利用現(xiàn)有的單向壓電力傳感器來測量，克服了缺少高精度三向傳感器的問題，使得測量精度大大提高。
[0014](3)本發(fā)明的擾動源可以置于測量系統(tǒng)內(nèi)部或外部，提高了測量系統(tǒng)的適應(yīng)性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明的測試流程圖；
[0016]圖2為測試系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖；
[0017]圖3為本發(fā)明微振動六分量測試臺的標(biāo)定原理圖。
【具體實施方式】
[0018]如圖1所示，本發(fā)明首先建立如圖2所示微振動測試系統(tǒng)，該測試系統(tǒng)包括:支架
1、氣浮臺2、扭矩傳感器3、直線軸承4、法蘭5、微振動六分量測試臺7、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)8、輔助系統(tǒng)9及模擬負(fù)載10，氣浮臺2通過螺栓固定在支架I上，氣浮臺2的轉(zhuǎn)軸201同扭矩傳感器3固連，扭矩傳感器3通過直線軸承4與法蘭5固連并使三者的軸線成一條直線，直線軸承4用于傳遞太陽翼驅(qū)動機構(gòu)6Z方向的扭矩，微振動六分量測試臺7設(shè)置在支架I內(nèi)并通過框架11與支架I連接在一起，微振動六分量測試臺7將太陽翼驅(qū)動機構(gòu)6的下端進行固定，法蘭5將太陽翼驅(qū)動機構(gòu)6的上端進行固定，微振動六分量測試臺7中布置有四個沿水平方向安裝的壓電傳感器和四個沿豎直方向安裝的壓電傳感器，當(dāng)太陽翼驅(qū)動機構(gòu)產(chǎn)生振動時壓電傳感器產(chǎn)生電壓信號，用于測量太陽翼驅(qū)動機構(gòu)6產(chǎn)生的振動,八個壓電傳感器的輸出信號由數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)8進行采集處理轉(zhuǎn)化為三個微小振動力信號和三個微小振動力矩信號，用于分析出太陽翼驅(qū)動機構(gòu)的安裝界面的振動特性，輔助系統(tǒng)9由空氣壓縮機及輸送管組成，空氣壓縮機產(chǎn)生的高壓氣體通過輸送管輸送到氣浮臺2中，保證氣浮臺2中的氣壓足夠支持重力卸載；模擬負(fù)載10與氣浮臺2固連且保證同心，用于氣浮臺2重力卸載后向太陽翼驅(qū)動機構(gòu)施加作用力。進行振動試驗時，氣浮臺通過扭矩傳感器、直線軸承、法蘭依次成一直線并由螺栓連接，同時與位于支架底部的剛性六分量測試臺中的太陽翼驅(qū)動機構(gòu)輸出軸連成一體，模擬負(fù)載通過氣浮臺、支架結(jié)構(gòu)傳至地面，不對太陽翼驅(qū)動機構(gòu)產(chǎn)生影響，太陽翼驅(qū)動機構(gòu)作為擾動源，安裝界面擾動由微振動六分量測試臺測得，轉(zhuǎn)軸輸出擾動由扭矩傳感器及位于氣浮臺中的光柵角位移傳感器測得。數(shù)據(jù)采集設(shè)備為比利時LMS公司的LMS Testlab及電腦設(shè)備，輔助系統(tǒng)為空氣壓縮機，為重力卸載系統(tǒng)提供氣源支持，試驗通過加載不同級別的模擬負(fù)載，可模擬太陽翼驅(qū)動機構(gòu)在軌環(huán)境的擾動特性。
[0019]支架I為由四根底板、四根上板、四根垂直立柱組成的立體結(jié)構(gòu)。氣浮臺2安裝在支架I上板的中心位置。氣浮臺2包含有一個光柵角位移傳感器202，與扭矩傳感器同步測量測量太陽翼驅(qū)動機構(gòu)6Z方向的轉(zhuǎn)角位移和扭矩；光柵角位移傳感器202的輸出信號由數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)8進行采集處理，光柵角位移傳感器的型號為RESM20USA200，外徑200mm,內(nèi)徑180mm，柵距20m，刻線數(shù)31488。扭矩傳感器采用型號XSM/A-HMT2A3B3V0N，量程200匪，精度0.1%FS的扭矩傳感器；四個沿豎直方向安裝的壓電傳感器、四個沿水平方向安裝的壓電傳感器均為壓電陶瓷元件，必須在強度允許的范圍內(nèi)盡量擰緊，以提高壓電傳感器的測量精度。微振動六分量測試臺7內(nèi)有一個空腔用于安裝太陽翼驅(qū)動機構(gòu)6。模擬負(fù)載10由鋼管梁與方鋼通過螺栓固定連接組成。
[0020](2)對微振動六分量測試臺進行標(biāo)定:
[0021]根據(jù)模態(tài)分析理論，對于N自由度線性系統(tǒng)有:
[0022]X(Co)=H(CO)F(CO) (I)
[0023]上式中,Χ(ω)為響應(yīng)譜向量(電壓信號),維數(shù)為NX I ；Η(ω)為頻響函數(shù)矩陣,維數(shù)為NXN;F(co)為載荷譜向量，維數(shù)為ΝΧ1。一般情況下，真實系統(tǒng)特別是連續(xù)結(jié)構(gòu)，其自由度數(shù)N很大，不可能測得所有自由度上的響應(yīng)來求解結(jié)構(gòu)受到的載荷。通常情況下，由于待確定的載荷數(shù)P不會很大，所以希望用盡量少的響應(yīng)數(shù)據(jù)來確定待識別的載荷，也就是通過結(jié)構(gòu)的部分響應(yīng)來識別載荷。假設(shè)待定的載荷數(shù)為P，響應(yīng)的測點數(shù)為L，兩者均小于系統(tǒng)的總自由度數(shù)N，因此:X(co)LX1=H(GJ)lxpF(CO)pxi (2)
[0024]由上式可知只要確定頻響函數(shù)矩陣以及響應(yīng)向量的頻譜，就可以求解載譜，進而用傅立葉逆變換得到載荷的時域信號，即模態(tài)分析理論中的載荷識別頻響函數(shù)矩陣求逆法。若式(2)中待定的載荷數(shù)P與響應(yīng)的測點數(shù)L相等即L=P，則頻響函數(shù)矩陣Η(ω)為方陣，此時載荷譜向量F(co)可由下式求得:
[0025]F ( ω ) =F1 (ω)Χ(ω) (3)
[0026]若待定的載荷數(shù)P與響應(yīng)的測點數(shù)L不相等，通常是L >Ρ，則頻響函數(shù)矩陣Η(ω)就不再是方陣，必須對頻響函數(shù)求廣義逆，這樣，載荷識別的公式為:
[0027]Ρ(ω) = [ΗΗ(ω)Η(ω)]-1ΗΗ(ω)Χ(ω) (4)
[0028]式中，上標(biāo)H表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置。通常動響應(yīng)Χ(ω)比較容易得到,而頻響函數(shù)矩陣Η(ω)的確定則不是容易的，因為Η(ω)矩陣中各元素反映的是各個離散的激勵點和響應(yīng)點之間的關(guān)系，響應(yīng)點對于各個不同的激勵點及激勵點對于各個不同的響應(yīng)點之間的頻響函數(shù)是互不相同的，也就是說，上式中的Η(ω)和F(co)是緊密聯(lián)系在一起的，如果不知道載荷向量F(co)中各分量？」(《)的作用位置，也就無法確定Η(ω)中的各元素。因此，頻響函數(shù)矩陣求逆法只能用于識別已知作用位置的動態(tài)載荷，對于作用位置未知或隨時間變化的情況則不能用這種方法識別。
[0029]對于有些擾動源(如動量輪)，其擾動力作用點不能夠準(zhǔn)確確定。這時在應(yīng)用前面所述的頻響函數(shù)矩陣求逆法時會遇到兩個問題:1)如何定義擾動力作用點；2)由于對于定義的擾動力作用點往往無法直接施加載荷，如何對該作用點進行傳遞矩陣標(biāo)定。
[0030]針對上述兩個問題，本發(fā)明的解決方法為:
[0031](I)加工一個相對剛硬的擾動源安裝盤，安裝盤本身固有頻率大于檢測頻率3倍以上，這時可認(rèn)為安裝盤相對系統(tǒng)其它部分為剛體；
[0032](2)將所有擾動力等效為作用點在安裝盤中的六個外力載荷，即三個平動力、兩個彎矩和一個扭矩；
[0033](3)設(shè)安裝盤上的標(biāo)定力激勵點與其中心點O之間為剛性連接，直接對該盤的不同作用點和不同方向施加標(biāo)定力進行標(biāo)定。
[0034]根據(jù)上述描述，首先將標(biāo)定載荷轉(zhuǎn)換到安裝盤形心，即:
[0035]
【權(quán)利要求】
1.一種太陽翼驅(qū)動機構(gòu)微振動測試方法，其特征在于步驟如下: (1)建立微振動測試系統(tǒng)，該微振動測試系統(tǒng)包括支架(I)、氣浮臺(2)、扭矩傳感器(3)、直線軸承(4)、法蘭(5)、微振動六分量測試臺(7)、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)(8)、輔助系統(tǒng)(9)及模擬負(fù)載(10)，氣浮臺(2)通過螺栓固定在支架(I)上，氣浮臺(2)的轉(zhuǎn)軸(201)同扭矩傳感器(3)固連，扭矩傳感器(3)通過直線軸承(4)與法蘭(5)固連并使三者的軸線成一條直線，微振動六分量測試臺(7 )設(shè)置在支架(I)內(nèi)并通過框架(11)與支架(I)連接在一起，微振動六分量測試臺(7)中布置有四個沿水平方向安裝的壓電傳感器和四個沿豎直方向安裝的壓電傳感器，輔助系統(tǒng)(9)由空氣壓縮機及輸送管組成，空氣壓縮機產(chǎn)生的高壓氣體通過輸送管輸送到氣浮臺(2)中用于氣浮臺(2)進行重力卸載；模擬負(fù)載(10)與氣浮臺(2)固連且保證同心，用來測試負(fù)載對太陽翼驅(qū)動機構(gòu)(6)微振動特性的影響； (2)對微振動六分量測試臺(7)進行標(biāo)定； (3)將太陽翼驅(qū)動機構(gòu)(6)的下端安裝在標(biāo)定后的微振動六分量測試臺(7)上并使太陽翼驅(qū)動機構(gòu)(6)與微振動六分量測試臺(7)保持形心重合，法蘭(5)將太陽翼驅(qū)動機構(gòu)(6)的上端進行固定，模擬負(fù)載(10)安裝在氣浮臺(2)的上部； (4)由輔助系統(tǒng)(9)向氣浮臺(2)充氣，使氣浮臺(2)開始工作，將模擬負(fù)載(10)的重力進行卸載； (5)測試開始，控制太陽翼驅(qū)動機構(gòu)(6)產(chǎn)生微小擾動和轉(zhuǎn)軸擾動，微振動六分量測試臺(7)上安裝的八個壓電傳感器對微小擾動進行測量，扭矩傳感器(3)和光柵角位移傳感器(202)對轉(zhuǎn)軸擾動進行測量； (6)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)(8)對壓電傳感器測量的微小擾動信號、扭矩傳感器測量的扭矩信號和光柵角位移傳感器(2)測量的角位移信號進行采集處理，得到太陽翼驅(qū)動機構(gòu)的微振動特性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種太陽翼驅(qū)動機構(gòu)微振動測試方法，其特征在于:所述步驟(2)的標(biāo)定方法為:首先將標(biāo)定盤固定安裝在微振動六分量測試臺(7)上，采用標(biāo)準(zhǔn)力錘敲擊標(biāo)定盤上的16個標(biāo)定點，每次敲擊時，數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)(8)分別采集六分量測試臺(7)的八個傳感器的頻響函數(shù)，利用模態(tài)理論和廣義逆算法求出標(biāo)定矩陣，得到八個傳感器的輸出電壓與力錘輸入力之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，即微振動六分量測試臺(7)的標(biāo)定系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種太陽翼驅(qū)動機構(gòu)微振動測試方法，其特征在于:所述氣浮臺(2 )安裝在支架(I)上板的中心位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種太陽翼驅(qū)動機構(gòu)微振動測試方法，其特征在于:所述氣浮臺(2)包含有一個光柵角位移傳感器(202)用于測量太陽翼驅(qū)動機構(gòu)(6) Z方向的轉(zhuǎn)角位移，光柵角位移傳感器(202)的輸出信號由數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)(8)進行采集處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種太陽翼驅(qū)動機構(gòu)微振動測試方法，其特征在于:所述直線軸承(4 )用于傳遞太陽翼驅(qū)動機構(gòu)(6 ) Z方向的扭矩。
【文檔編號】G01H11/08GK103674224SQ201310446691
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月26日
【發(fā)明者】劉鳳晶, 夏明一, 李果, 程偉, 楊文濤, 陳江攀, 王成倫, 趙煜, 王光遠(yuǎn), 沈中 申請人:北京空間飛行器總體設(shè)計部, 北京航空航天大學(xué)