專利名稱：三桿模塊姿態(tài)控制機(jī)構(gòu)的測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種儀器的測試方法，具體涉及一種三桿模塊姿態(tài)控制機(jī)構(gòu)的測試方法。
背景技術(shù)：
天文望遠(yuǎn)鏡的口徑越大，獲取的天體信息就越多，所以建造巨大的天文望遠(yuǎn)鏡一直是天文學(xué)家不斷追求的目標(biāo)，但是隨著望遠(yuǎn)鏡口徑的加大，建造時(shí)的困難會(huì)呈指數(shù)式變大，以至無法建造。現(xiàn)有技術(shù)采用拼接式的大型望遠(yuǎn)鏡技術(shù)解決這一矛盾，即由若干塊“子鏡”拼接成大型天文望遠(yuǎn)鏡；拼接結(jié)構(gòu)中的各子鏡在控制系統(tǒng)操縱下同時(shí)動(dòng)作，可以形成整個(gè)鏡面的形變，達(dá)到天文觀測的需要，這一技術(shù)運(yùn)用在光學(xué)波段的天文望遠(yuǎn)鏡上即構(gòu)成主動(dòng)光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡。如運(yùn)用在無線電波段的射電望遠(yuǎn)鏡上就成為主動(dòng)主反射面的射電望遠(yuǎn)鏡。對于子鏡位置和姿態(tài)的控制，是該技術(shù)中的重要課題。
決定一個(gè)空間剛體的位置和姿態(tài)的參數(shù)共有六個(gè)，其中三個(gè)參數(shù)決定其在空間的位置，另外三個(gè)參數(shù)決定其在空間的姿態(tài)。對于六自由度的機(jī)構(gòu)如Stewart平臺(tái)，由于具有六個(gè)主動(dòng)輸入構(gòu)件，因此在其運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)六個(gè)位姿參數(shù)是由六個(gè)促動(dòng)器完全控制的。第99228295.0號(hào)中國實(shí)用新型專利公開了一種模塊姿態(tài)控制機(jī)構(gòu)，是只有三個(gè)主動(dòng)構(gòu)件的機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)的空間位姿參數(shù)仍然為六個(gè)，但由于只有三個(gè)促動(dòng)器，因此輸入的運(yùn)動(dòng)參數(shù)只有三個(gè)。也就是說，六個(gè)位姿參數(shù)中只有三個(gè)是由輸入運(yùn)動(dòng)參數(shù)決定的，另外三個(gè)參數(shù)是不獨(dú)立的，它們由機(jī)構(gòu)的約束關(guān)系決定。參照圖1該機(jī)構(gòu)的特殊空間約束關(guān)系有兩個(gè)；一是構(gòu)件1，2，3的軸線均相交于一點(diǎn)，二是構(gòu)件4，5，6按120°角分布在一個(gè)平面內(nèi)，同時(shí)也相交于一點(diǎn)。由于有這兩個(gè)特殊的約束關(guān)系，通過3個(gè)起始構(gòu)件輸入運(yùn)動(dòng)就可以控制剛體的空間運(yùn)動(dòng)位置和姿態(tài)。
把這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用到實(shí)際的天文望遠(yuǎn)鏡上，還需要解決大量的技術(shù)問題，其中之一就是該機(jī)構(gòu)的測試與調(diào)試方面的技術(shù)問題。而現(xiàn)有技術(shù)中沒有這方面的現(xiàn)成技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
為了完成上述技術(shù)課題，本發(fā)明提供一種三桿模塊姿態(tài)控制機(jī)構(gòu)的測試方法，該方法可以實(shí)現(xiàn)對第99228295.0號(hào)中國實(shí)用新型專利的模塊姿態(tài)控制機(jī)構(gòu)的測試工作，以使其達(dá)到在天文望遠(yuǎn)鏡中實(shí)際應(yīng)用的要求。
完成上述發(fā)明任務(wù)的方案是三桿模塊姿態(tài)控制機(jī)構(gòu)的測試方法，安裝與測量借助全站儀完成，步驟如下首先將全站儀安置在一個(gè)固定基座上，并在一定距離外的一根柱子上貼上靶標(biāo)，建立坐標(biāo)系；每次測量前均利用全站儀對該靶標(biāo)進(jìn)行一次復(fù)測以確定初始位置；將待測試的單元塊上貼三個(gè)以上的靶標(biāo)，并設(shè)置在坐標(biāo)系中；然后分別測量以下三個(gè)項(xiàng)目促動(dòng)器的定位精度；促動(dòng)器作上升下降運(yùn)動(dòng)后，背架和促動(dòng)器本身的復(fù)位性；三個(gè)促動(dòng)器同時(shí)上升一定距離后，背架與未上升位置的相對轉(zhuǎn)動(dòng)量。
以上方案中所述的全站儀與貼靶標(biāo)柱子的“一定距離”是指在全站儀望遠(yuǎn)鏡可清楚分辨靶標(biāo)的距離內(nèi)。
單元塊上的靶標(biāo)數(shù)量在理論上只要三個(gè)即可，多設(shè)可以改善測量的重復(fù)性。靶標(biāo)安置在六角型單元塊的三個(gè)角上，構(gòu)成一個(gè)三角型。
以上步驟中的三個(gè)測試項(xiàng)目分別詳述如下促動(dòng)器定位精度的測試通過控制計(jì)算機(jī)發(fā)出信號(hào)讓促動(dòng)器運(yùn)動(dòng)一定的距離，在運(yùn)動(dòng)前、后分別利用全站儀測出設(shè)置在促動(dòng)器軸線上靶標(biāo)的坐標(biāo)值，求出兩次坐標(biāo)位置間的距離，將此值與計(jì)算機(jī)發(fā)出的運(yùn)動(dòng)命令相比較即可得到促動(dòng)器的定位精度。
重復(fù)精度的測試先由全站儀測出單元塊上各靶標(biāo)的某一初始坐標(biāo)值，同時(shí)控制計(jì)算機(jī)記錄下此時(shí)促動(dòng)器的位置值；用各種方式運(yùn)動(dòng)促動(dòng)器有3臺(tái)依次開動(dòng)、或三臺(tái)一起開動(dòng)、或兩臺(tái)先開一臺(tái)后開，經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行后讓控制計(jì)算機(jī)控制促動(dòng)器回到起始位置；此時(shí)再次用全站儀測出各個(gè)靶標(biāo)的坐標(biāo)值；比較兩次測量數(shù)據(jù)的差值即可看出促動(dòng)器的重復(fù)精度。
背架平行上升后的轉(zhuǎn)動(dòng)測試(單元塊背架的空間位姿參數(shù)為六個(gè)，由于三個(gè)促動(dòng)器僅控制其中三個(gè)位置參數(shù)。單元塊在運(yùn)動(dòng)后可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)微小的旋轉(zhuǎn)，在實(shí)驗(yàn)中將對此旋轉(zhuǎn)量進(jìn)行測量)首先測出單元塊上3個(gè)靶標(biāo)A1，B1，C1在初始位置時(shí)的坐標(biāo)；然后將3個(gè)促動(dòng)器都上升到實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕叩臉O限位置；在此位置測出3個(gè)靶標(biāo)的坐標(biāo)值(因?yàn)?個(gè)促動(dòng)器是等距離上升，所以背架在這兩個(gè)位置理論上是平行的)；
利用測出的兩組坐標(biāo)值，考察由3個(gè)靶標(biāo)組成的ΔA1B1C1在兩個(gè)位置的相互關(guān)系，可以很方便地計(jì)算出背架在此兩個(gè)位置是否相互平行，同時(shí)通過計(jì)算ΔA1B1C1的3條邊在這兩個(gè)位置水平投影對Y軸的夾角即可以比較背架在這兩個(gè)位置的相對旋轉(zhuǎn)量。
本發(fā)明上述方案中的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析這是一個(gè)3自由度的空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)由3個(gè)相同的獨(dú)立支鏈組成。在每個(gè)支鏈中促動(dòng)器固定在基座上，促動(dòng)器推動(dòng)滑塊沿導(dǎo)軌作上下運(yùn)動(dòng)構(gòu)成移動(dòng)副(簡稱P)。滑塊上端與一個(gè)球鉸相連構(gòu)成一個(gè)球面副(簡稱S)。球面副與背架間通過一個(gè)移動(dòng)副相連接。因此該空間機(jī)構(gòu)為3-PSP型空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)。在此機(jī)構(gòu)中，基座作為定平臺(tái)，背架為動(dòng)平臺(tái)。該機(jī)構(gòu)共有8個(gè)構(gòu)件，三個(gè)球面副，六個(gè)移動(dòng)副。
根據(jù)Kutzbach grubler公式，機(jī)構(gòu)的自由度可由下式計(jì)算M=d(n-g-1)+Σi=1gfi---(1)]]>式中M-機(jī)構(gòu)自由度數(shù)d-環(huán)路階數(shù)n-構(gòu)件數(shù)g-運(yùn)動(dòng)副數(shù)fi-第i個(gè)運(yùn)動(dòng)副的自由度數(shù)根據(jù)上式可得機(jī)構(gòu)自由度M＝6(8-9-1)+(3×3+1×3+1×3)＝3該機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)是3個(gè)，而構(gòu)件1，2，3是3個(gè)主動(dòng)輸入的起始構(gòu)件，起始構(gòu)件數(shù)與自由度數(shù)相等，因此該機(jī)構(gòu)可以做受控運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明方法簡單實(shí)用，解決了主動(dòng)光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡或設(shè)有主動(dòng)主反射面的射電望遠(yuǎn)鏡中子鏡模塊姿態(tài)控制機(jī)構(gòu)的測試、調(diào)試方面的技術(shù)問題。


圖1為模塊姿態(tài)控制系統(tǒng)機(jī)構(gòu)原理圖；圖2為單元模塊姿態(tài)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3單元塊在坐標(biāo)系中的位置示意圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1，我國大射電望遠(yuǎn)鏡“FAST”主動(dòng)主反射面預(yù)研究中，用于控制主動(dòng)反射面單元塊運(yùn)動(dòng)的“三桿模塊姿態(tài)控制機(jī)構(gòu)”的測試。
參照圖2、圖3三桿模塊姿態(tài)控制機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)裝置的安裝與測量是借助全站儀完成的。首先將全站儀安置在圖中7位置的固定基座上，并在約42m外的一根柱子上貼上靶標(biāo)，建立了坐標(biāo)系。單元塊8在坐標(biāo)系中的位置見圖3，9表示被測點(diǎn)。每次測量前均利用全站儀對該靶標(biāo)進(jìn)行一次復(fù)測以確定初始位置。主要測量三個(gè)項(xiàng)目。一是促動(dòng)器的定位精度；二是促動(dòng)器上升下降運(yùn)動(dòng)后背架和促動(dòng)器本身的復(fù)位性；三是三個(gè)促動(dòng)器同時(shí)上升一定距離后背架與未上升位置的相對轉(zhuǎn)動(dòng)。
在促動(dòng)器軸線上放置了3個(gè)靶標(biāo)A，B，C，對應(yīng)球節(jié)點(diǎn)上分別放置了3個(gè)靶標(biāo)分別為A1，B1，C1。在各種狀態(tài)下對6個(gè)靶標(biāo)進(jìn)行了測量。
促動(dòng)器定位精度的測試促動(dòng)器定位精度的測試是通過控制計(jì)算機(jī)發(fā)出信號(hào)讓促動(dòng)器運(yùn)動(dòng)一定的距離。在運(yùn)動(dòng)前后利用全站儀測出設(shè)置在促動(dòng)器軸線上靶標(biāo)的坐標(biāo)值，求出兩次坐標(biāo)位置間的距離，將此值與計(jì)算機(jī)發(fā)出的運(yùn)動(dòng)命令相比較即可得到促動(dòng)器的定位精度?？臻g任意兩點(diǎn)M1(x1，y1，z1)，M2(x2，y2，z2)間的距離可以由下列公式求出d=(x2-x1)2+(y2-y1)2+(z2-z1)2---(5-1)]]>表1a、1b分別是A促動(dòng)器由初始位置上升80mm、160mm、240mm以及B促動(dòng)器由初始位置升到240mm四種工作狀態(tài)下的誤差值。由于C促動(dòng)器軸線靶標(biāo)正好被背架的球節(jié)點(diǎn)阻擋，未能測到該促動(dòng)器的軸線運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。
表1a A促動(dòng)器運(yùn)動(dòng)的精度測試

表1b B促動(dòng)器運(yùn)動(dòng)的精度測試

由表可見，在所測的四組數(shù)據(jù)中促動(dòng)器的運(yùn)行精度均在1mm以內(nèi)。需要指出的是這些位置的數(shù)據(jù)均多次反復(fù)測量，重復(fù)性很好。
重復(fù)精度的測試是先由全站儀測出單元塊上6個(gè)靶標(biāo)的某一初始坐標(biāo)值，同時(shí)控制計(jì)算機(jī)記錄下此時(shí)促動(dòng)器的位置值。用各種方式運(yùn)動(dòng)促動(dòng)器；有3臺(tái)依次開動(dòng)、或三臺(tái)一起開動(dòng)、或兩臺(tái)先開一臺(tái)后開。經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行后讓控制計(jì)算機(jī)控制促動(dòng)器回到起始位置。此時(shí)再次用全站儀測出6個(gè)靶標(biāo)的坐標(biāo)值。比較兩次測量數(shù)據(jù)的差值即可看出促動(dòng)器的重復(fù)精度。觀測數(shù)據(jù)見表2表中以A，B，C代表促動(dòng)器軸線的靶標(biāo)，以A1，B1，C1代表對應(yīng)的背架靶標(biāo)。
表2促動(dòng)器運(yùn)動(dòng)到不同位置后返回時(shí)的重復(fù)性

由表2可以非常直觀地看到促動(dòng)器隨意升降后的復(fù)位情況是很好的。
背架平行上升后的轉(zhuǎn)動(dòng)測試單元塊背架的空間位姿參數(shù)為六個(gè)，由于三個(gè)促動(dòng)器僅控制其中三個(gè)位置參數(shù)。單元塊在運(yùn)動(dòng)后可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)微小的旋轉(zhuǎn)，在實(shí)驗(yàn)中將對此旋轉(zhuǎn)量進(jìn)行測量。測量方法是首先測出單元塊上3個(gè)靶標(biāo)A1，B1，C1在初始位置時(shí)的坐標(biāo)，然后將3個(gè)促動(dòng)器都上升240mm(此為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕叩臉O限位置)。在此位置測出3個(gè)靶標(biāo)的坐標(biāo)值。因?yàn)?個(gè)促動(dòng)器是距離上升，所以背架在這兩個(gè)位置理論上是平行的。利用測出的兩組坐標(biāo)值，考察由3個(gè)靶標(biāo)組成的ΔA1B1C1在兩個(gè)位置的相互關(guān)系，可以很方便地計(jì)算出背架在此兩個(gè)位置是否相互平行。同時(shí)通過計(jì)算ΔA1B1C1的3條邊在這兩個(gè)位置水平投影對Y軸的夾角即可以比較背架在這兩個(gè)位置的相對旋轉(zhuǎn)量。表3是背架在初始位置和升高240mm后的實(shí)測坐標(biāo)值。在后面計(jì)算過程中將把升高后背架的坐標(biāo)記為A1’，B1’，C1’。
表3促動(dòng)器在零位和升到240mm后網(wǎng)架上三點(diǎn)坐標(biāo)

根據(jù)公式tanα=x2-x1y2-y1]]>
可以求出ΔA1B1C1和ΔA1’B1’C1’各邊在坐標(biāo)系XOY平面上的投影。由公式可以求出兩個(gè)三角形的邊長。計(jì)算結(jié)果見表4。
表4ΔA1B1C1和ΔA1’B1’C1’各邊水平投影與Y軸夾角

由公式還可以求出A1，A1’等對應(yīng)點(diǎn)兩點(diǎn)間的距離結(jié)果如下。
A1A1’＝241mm B1B1’＝239mm C1C1’＝240mm。
由表5-4和上面數(shù)據(jù)分析比較B1C1與B1’C1’的偏差量最大為0.015°，即背架上升240mm后的旋轉(zhuǎn)量小于1角分。同時(shí)背架的傾銷角也是0.015°。由此可見實(shí)驗(yàn)單元塊背架在目前的控制器和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)下上升240毫米時(shí)相對轉(zhuǎn)動(dòng)量及傾斜都是很小的，可以滿足FAST觀測要求。
權(quán)利要求
1.一種三桿模塊姿態(tài)控制機(jī)構(gòu)的測試方法，安裝與測量借助全站儀完成，步驟如下首先將全站儀安置在一個(gè)固定基座上，并在一定距離外的一根柱子上貼上靶標(biāo)，建立坐標(biāo)系；每次測量前均利用全站儀對該靶標(biāo)進(jìn)行一次復(fù)測以確定初始位置；將待測試的單元塊上貼三個(gè)以上的靶標(biāo)，并設(shè)置在坐標(biāo)系中；然后分別測量以下三個(gè)項(xiàng)目促動(dòng)器的定位精度；促動(dòng)器作上升下降運(yùn)動(dòng)后，背架和促動(dòng)器本身的復(fù)位性；三個(gè)促動(dòng)器同時(shí)上升一定距離后背架與未上升位置的相對轉(zhuǎn)動(dòng)量。
2.按照權(quán)利要求1所述的三桿模塊姿態(tài)控制機(jī)構(gòu)的測試方法，其特征在于，所述的三個(gè)測試項(xiàng)目的具體步驟如下，促動(dòng)器定位精度的測試通過控制計(jì)算機(jī)發(fā)出信號(hào)讓促動(dòng)器運(yùn)動(dòng)一定的距離，在運(yùn)動(dòng)前、后分別利用全站儀測出設(shè)置在促動(dòng)器軸線上靶標(biāo)的坐標(biāo)值，求出兩次坐標(biāo)位置間的距離，將此值與計(jì)算機(jī)發(fā)出的運(yùn)動(dòng)命令相比較即得到促動(dòng)器的定位精度；重復(fù)精度的測試先由全站儀測出單元塊上各個(gè)靶標(biāo)的某一初始坐標(biāo)值，同時(shí)控制計(jì)算機(jī)記錄下此時(shí)促動(dòng)器的位置值；用各種方式運(yùn)動(dòng)促動(dòng)器，經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行后讓控制計(jì)算機(jī)控制促動(dòng)器回到起始位置；此時(shí)再次用全站儀測出各個(gè)靶標(biāo)的坐標(biāo)值；比較兩次測量數(shù)據(jù)的差值即得出促動(dòng)器的重復(fù)精度；背架平行上升后的轉(zhuǎn)動(dòng)測試；首先測出單元塊上3個(gè)靶標(biāo)A1，B1，C1在初始位置時(shí)的坐標(biāo)；然后將3個(gè)促動(dòng)器都上升到實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕叩臉O限位置；在此位置測出3個(gè)靶標(biāo)的坐標(biāo)值；利用測出的兩組坐標(biāo)值，考察由3個(gè)靶標(biāo)組成的ΔA1B1C1在兩個(gè)位置的相互關(guān)系，計(jì)算出背架在此兩個(gè)位置是否相互平行，同時(shí)通過計(jì)算ΔA1B1C1的3條邊在這兩個(gè)位置水平投影對Y軸的夾角，比較出背架在這兩個(gè)位置的相對旋轉(zhuǎn)量。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的三桿模塊姿態(tài)控制機(jī)構(gòu)的測試方法，其特征在于，所述的單元塊上的靶標(biāo)設(shè)置方法是在促動(dòng)器軸線上放置3個(gè)靶標(biāo)，對應(yīng)球節(jié)點(diǎn)上放置3個(gè)靶標(biāo)。
全文摘要
三桿模塊姿態(tài)控制機(jī)構(gòu)的測試方法，安裝與測量借助全站儀完成，步驟如下首先將全站儀安置在一個(gè)固定基座上，并在一定距離外的一根柱子上貼上靶標(biāo)，建立坐標(biāo)系；每次測量前均利用全站儀對該靶標(biāo)進(jìn)行一次復(fù)測以確定初始位置；將待測試的單元塊上貼三個(gè)以上的靶標(biāo)，并設(shè)置在坐標(biāo)系中；然后分別測量以下三個(gè)項(xiàng)目促動(dòng)器的定位精度；促動(dòng)器作上升下降運(yùn)動(dòng)后，背架和促動(dòng)器本身的復(fù)位性；三個(gè)促動(dòng)器同時(shí)上升一定距離后背架與未上升位置的相對轉(zhuǎn)動(dòng)量。本發(fā)明方法簡單實(shí)用，解決了主動(dòng)光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡或設(shè)有主動(dòng)主反射面的射電望遠(yuǎn)鏡中子鏡模塊姿態(tài)控制機(jī)構(gòu)的測試、調(diào)試方面的技術(shù)問題。
文檔編號(hào)G05B23/00GK1851594SQ20061003986
公開日2006年10月25日 申請日期2006年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月25日
發(fā)明者陳憶, 屈元根 申請人:中國科學(xué)院國家天文臺(tái)南京天文光學(xué)技術(shù)研究所