基于雙頻激光干涉儀的垂向伺服機(jī)構(gòu)測量裝置及利用其實(shí)現(xiàn)高精度垂向運(yùn)動(dòng)的方法
【專利摘要】基于雙頻激光干涉儀的垂向伺服機(jī)構(gòu)測量裝置及利用其實(shí)現(xiàn)高精度垂向運(yùn)動(dòng)的方法，屬于物理仿真領(lǐng)域。所述伺服機(jī)構(gòu)測量裝置包括氣路部分、線性電機(jī)部分、傳感器部分和垂向運(yùn)動(dòng)部分。本發(fā)明通過高壓氣瓶為內(nèi)套筒腔部提供恒壓氣體，并通過氣壓控制器調(diào)節(jié)比例閥開度使外套筒部分得到重力補(bǔ)償；通過外部工控機(jī)發(fā)送位置指令給控制器，控制器控制定子內(nèi)部磁場實(shí)現(xiàn)垂向運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)動(dòng)子帶動(dòng)外套筒垂向運(yùn)動(dòng)；雙頻激光干涉儀實(shí)時(shí)測量當(dāng)前位移量，并根據(jù)壓力、溫度、濕度測量單元測量的當(dāng)前氣壓、溫度、濕度對測量值實(shí)時(shí)校正，從而控制線性電機(jī)部分實(shí)現(xiàn)外套筒的高精度垂向運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明具有控制方便、摩擦力小、行程長、精度高等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】基于雙頻激光干涉儀的垂向伺服機(jī)構(gòu)測量裝置及利用其實(shí)現(xiàn)高精度垂向運(yùn)動(dòng)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于物理仿真領(lǐng)域，涉及一種模擬外太空無摩擦微重力環(huán)境的高精度伺服機(jī)構(gòu)及利用其實(shí)現(xiàn)高精度垂向運(yùn)動(dòng)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國航天航空技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化的不斷飛速發(fā)展，不僅縮短了與發(fā)達(dá)國家之間的差距，同時(shí)也加速了國內(nèi)物理仿真領(lǐng)域的發(fā)展。目前已廣泛應(yīng)用于航天、航空系統(tǒng)和國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門，尤其是對航天器。其在使用前必須進(jìn)行地面的全物理仿真，用以方案論證和功能驗(yàn)證。物理仿真試驗(yàn)?zāi)軌蛴行У目s短航天器的效費(fèi)比，降低風(fēng)險(xiǎn)，縮短開發(fā)周期。
[0003]已有的仿真裝置，如200610098165.2中公開了一種三維氣浮平臺，該平臺的垂向伺服機(jī)構(gòu)通過空壓機(jī)將壓縮空氣經(jīng)過處理后通過比例閥輸入氣缸內(nèi)，驅(qū)動(dòng)氣浮活塞上下運(yùn)動(dòng)，通過控制器調(diào)整比例閥的開度控制流量，使氣浮活塞上所支撐的仿真設(shè)備得到重力補(bǔ)償。該裝置存在以下幾個(gè)問題:
[0004]1、因?yàn)闅怏w對壓力非常敏感，氣缸無法做到零泄漏，所以氣缸內(nèi)壓力的微小波動(dòng)勢必會影響垂向控制的精度。同時(shí)控制比較復(fù)雜。
[0005]2、由于仿真裝置與放置于地面的氣罐連接，導(dǎo)致其平動(dòng)時(shí)無法做到無摩擦運(yùn)動(dòng)，限制其使用范圍。
[0006]3、由于采用氣浮活塞，導(dǎo)致其垂向測量很難做到缸體內(nèi)部，影響其測量精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種便于控制、可靠性好、精度高的基于雙頻激光干涉儀的垂向伺服機(jī)構(gòu)測量裝置及利用其進(jìn)行實(shí)時(shí)校正實(shí)現(xiàn)高精度垂向運(yùn)動(dòng)的方法。
[0008]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0009]一種基于雙頻激光干涉儀的伺服機(jī)構(gòu)測量裝置，包括氣路部分、線性電機(jī)部分、傳感器部分和垂向運(yùn)動(dòng)部分，其中:
[0010]所述的垂向運(yùn)動(dòng)部分由基座、內(nèi)套筒、外套筒和上平面組成。內(nèi)套筒的下端與基座無縫固聯(lián)，外套筒的上端與上平面無縫固聯(lián)，外套筒的下端套于內(nèi)套筒上部的外面，內(nèi)套筒與外套筒之間可以微小摩擦相互滑動(dòng)；
[0011]所述的氣路部分位于垂向運(yùn)動(dòng)部分外部，由高壓氣瓶、開關(guān)閥、比例閥、氣壓控制器組成，高壓氣瓶安裝在基座上面，高壓氣瓶與內(nèi)套筒之間連接有開關(guān)閥，比例閥與內(nèi)套筒相連，氣壓控制器與比例閥連接，高壓氣瓶為氣源，通過開關(guān)閥為機(jī)構(gòu)內(nèi)部提供高壓氣體，比例閥為排氣閥，排除腔內(nèi)氣體，各部件之間通過耐壓管線連接；
[0012]所述線性電機(jī)部分位于垂向運(yùn)動(dòng)部分內(nèi)部，采用圓柱形線性電機(jī)，包括動(dòng)子和定子，動(dòng)子的一端和上平面固聯(lián)，定子通過剛體與內(nèi)套筒內(nèi)壁上部固聯(lián)，定子上固定有垂向運(yùn)動(dòng)控制器；
[0013]所述傳感器部分位于垂向運(yùn)動(dòng)部分內(nèi)部，由雙頻激光干涉儀和壓力、溫度、濕度測量單元組成，雙頻激光干涉儀由固定在內(nèi)套筒底部的激光頭、固定在內(nèi)套筒內(nèi)壁上的干涉鏡和固定在定子底部的移動(dòng)反射鏡組成，壓力、溫度、濕度測量單元固定在垂向運(yùn)動(dòng)控制器上，檢測環(huán)境的壓力、溫度和濕度。
[0014]本發(fā)明中，所述的比例閥可由氣壓控制器精確控制其精度，通過氣壓控制器控制比例閥排除內(nèi)腔的氣體，保證氣體壓力補(bǔ)償外套筒和上平面的重力。
[0015]本發(fā)明中，所述的線性電機(jī)由固定在線性電機(jī)定子上的垂向運(yùn)動(dòng)控制器控制其內(nèi)部磁場實(shí)現(xiàn)垂向運(yùn)動(dòng)，通過垂向運(yùn)動(dòng)控制器控制線性電機(jī)驅(qū)動(dòng)線性電機(jī)動(dòng)子帶動(dòng)外套筒垂向運(yùn)動(dòng)。
[0016]利用上述伺服機(jī)構(gòu)測量裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)校正方法，可根據(jù)當(dāng)前環(huán)境檢測的壓力、溫度和濕度值對腔內(nèi)的空氣折射率進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)而提高位移的測量精度，具體步驟如下:
[0017]一、打開開關(guān)閥，通過高壓氣瓶為內(nèi)套筒腔部提供恒壓氣體，并通過氣壓控制器調(diào)節(jié)比例閥開度使外套筒部分得到重力補(bǔ)償；
[0018]二、通過外部工控機(jī)發(fā)送位置指令給垂向運(yùn)動(dòng)控制器，垂向運(yùn)動(dòng)控制器控制定子內(nèi)部磁場實(shí)現(xiàn)垂向運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)動(dòng)子帶動(dòng)外套筒垂向運(yùn)動(dòng)；
[0019]三、雙頻激光干涉儀實(shí)時(shí)測量當(dāng)前位移量，并根據(jù)壓力、溫度、濕度測量單元測量的當(dāng)前氣壓、溫度、濕度對測量值實(shí)時(shí)校正，從而控制線性電機(jī)部分實(shí)現(xiàn)外套筒的高精度垂向運(yùn)動(dòng)。
[0020]本發(fā)明通過氣瓶為內(nèi)套筒腔部提供恒壓氣體，并通過調(diào)節(jié)出口閥開度使外套筒部分得到重力補(bǔ)償。利用雙頻激光干涉儀實(shí)時(shí)測量當(dāng)前位移，并根據(jù)當(dāng)前氣壓、溫度、濕度對測量值實(shí)時(shí)校正，從而控制線性電機(jī)實(shí)現(xiàn)外套筒的高精度垂向運(yùn)動(dòng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下:
[0021]1、控制簡單
[0022]采用線性電機(jī)控制，具有摩擦小、響應(yīng)快、噪聲低、效率高、控制簡單等優(yōu)點(diǎn)。
[0023]2、載重大，適用范圍廣
[0024]采用氣浮技術(shù)，載重大。
[0025]3、精度高
[0026]采用雙頻激光干涉儀，細(xì)分后可達(dá)到納米量級。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明基于雙頻激光干涉儀的伺服機(jī)構(gòu)測量裝置的結(jié)構(gòu)簡圖；
[0028]圖2為本發(fā)明的控制流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明，但并不局限如此，凡是對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。
[0030]參照圖1，本發(fā)明提供的線性電機(jī)和氣浮復(fù)合驅(qū)動(dòng)的垂向伺服機(jī)構(gòu)主要包括高壓氣瓶1、上平面2、外套筒3、內(nèi)套筒4、開關(guān)閥5、壓力、溫度、濕度測量單元6、比例閥7、氣壓控制器8、基座9、線性電機(jī)動(dòng)子10、垂向運(yùn)動(dòng)控制器11、線性電機(jī)定子12、移動(dòng)反射鏡13、干涉鏡14和激光頭15。
[0031]高壓氣瓶I安裝在基座9上面。內(nèi)套筒4的下端與基座9之間無縫固聯(lián)，不會存在漏氣。高壓氣瓶I與內(nèi)套筒4之間連接有一個(gè)開關(guān)閥5，比例閥7與內(nèi)套筒4相連，氣壓控制器8與比例閥7相連。外套筒3的上端與上平面2之間無縫固聯(lián)，下端套于內(nèi)套筒4上部的外面，內(nèi)外套筒接觸面之間形成氣膜面，使之可以相互微小摩擦滑動(dòng)。內(nèi)套筒4的底部固定有激光頭15，內(nèi)壁上固定有干涉鏡14，線性電機(jī)定子12的底部固定有移動(dòng)反射鏡13，移動(dòng)反射鏡13、干涉鏡14和激光頭15組成雙頻激光干涉儀16，實(shí)時(shí)測量當(dāng)前位移量。線性電機(jī)定子12通過剛體與內(nèi)套筒4內(nèi)壁固聯(lián)，線性電機(jī)定子12上固定有垂向運(yùn)動(dòng)控制器11，壓力、溫度、濕度測量單元6固定在垂向運(yùn)動(dòng)控制器11上，檢測環(huán)境的壓力、溫度和濕度。線性電機(jī)動(dòng)子10 —端與上平面2固聯(lián)，使之與上平面2 —同運(yùn)動(dòng)。
[0032]如圖2所示，打開開關(guān)閥5為內(nèi)套筒4充氣，通過氣壓控制器8控制比例閥7的開度，使內(nèi)腔內(nèi)壓力接近補(bǔ)償重力。通過外部工控機(jī)17發(fā)送位置指令給垂向運(yùn)動(dòng)控制器11，垂向運(yùn)動(dòng)控制器11控制線性電機(jī)定子12繞組電流大小，從而控制磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度，驅(qū)動(dòng)線性電機(jī)動(dòng)子10垂向運(yùn)動(dòng)。雙頻激光干涉儀實(shí)時(shí)測量當(dāng)前位移量，激光干涉儀中計(jì)算位移所使用的空氣折射率由壓力、溫度、濕度測量單元6測量當(dāng)前時(shí)刻的壓力、溫度、濕度根據(jù)Edlen公式?jīng)Q定。Edlen公式本身的精度為5X 10_8,如此便極大的消除了壓力、溫度、濕度等環(huán)境因素對測量產(chǎn)生的影響，提高了測量精度。
【權(quán)利要求】
1.一種基于雙頻激光干涉儀的垂向伺服機(jī)構(gòu)測量裝置，其特征在于所述伺服機(jī)構(gòu)測量裝置包括氣路部分、線性電機(jī)部分、傳感器部分和垂向運(yùn)動(dòng)部分，其中: 所述的垂向運(yùn)動(dòng)部分由基座、內(nèi)套筒、外套筒和上平面組成，內(nèi)套筒的下端與基座無縫固聯(lián)，外套筒的上端與上平面無縫固聯(lián)，外套筒的下端套于內(nèi)套筒上部的外面； 所述的氣路部分位于垂向運(yùn)動(dòng)部分外部，由高壓氣瓶、開關(guān)閥、比例閥、氣壓控制器組成，高壓氣瓶安裝在基座上面，高壓氣瓶與內(nèi)套筒之間連接有開關(guān)閥，比例閥與內(nèi)套筒相連，氣壓控制器與比例閥連接； 所述線性電機(jī)部分位于垂向運(yùn)動(dòng)部分內(nèi)部，包括動(dòng)子和定子，動(dòng)子的一端和上平面固聯(lián)，定子通過剛體與內(nèi)套筒內(nèi)壁上部固聯(lián)，定子上固定有垂向運(yùn)動(dòng)控制器； 所述傳感器部分位于垂向運(yùn)動(dòng)部分內(nèi)部，由雙頻激光干涉儀和壓力、溫度、濕度測量單元組成，雙頻激光干涉儀由固定在內(nèi)套筒底部的激光頭、固定在內(nèi)套筒內(nèi)壁上的干涉鏡和固定在定子底部的移動(dòng)反射鏡組成，壓力、溫度、濕度測量單元固定在垂向運(yùn)動(dòng)控制器上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙頻激光干涉儀的垂向伺服機(jī)構(gòu)測量裝置，其特征在于所述線性電機(jī)部分采用圓柱形線性電機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙頻激光干涉儀的垂向伺服機(jī)構(gòu)測量裝置，其特征在于所述氣路部分的各部件之間通過耐壓管線連接。
4.一種利用權(quán)利要求1-3任一權(quán)利要求所述的伺服機(jī)構(gòu)測量裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)校正實(shí)現(xiàn)高精度垂向運(yùn)動(dòng)的方法，其特征在于所述方法步驟如下: 一、打開開關(guān)閥，通過高壓氣瓶為內(nèi)套筒腔部提供恒壓氣體，并通過氣壓控制器調(diào)節(jié)比例閥開度使外套筒部分得到重力補(bǔ)償； 二、通過外部工控機(jī)發(fā)送位置指令給垂向運(yùn)動(dòng)控制器，垂向運(yùn)動(dòng)控制器控制定子內(nèi)部磁場實(shí)現(xiàn)垂向運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)動(dòng)子帶動(dòng)外套筒垂向運(yùn)動(dòng)； 三、雙頻激光干涉儀實(shí)時(shí)測量當(dāng)前位移量，并根據(jù)壓力、溫度、濕度測量單元測量的當(dāng)前氣壓、溫度、濕度對測量值實(shí)時(shí)校正，從而控制線性電機(jī)部分實(shí)現(xiàn)外套筒的高精度垂向運(yùn)動(dòng)。
【文檔編號】G01B11/02GK104029829SQ201410277196
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月20日
【發(fā)明者】劉楊, 劉啟循, 陳興林, 李宗哲, 李欣, 陳震宇, 范文超 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)