CN105823600A

CN105823600A - 一种三轴气浮台上运动机构的动态平衡方法

Info

Publication number: CN105823600A
Application number: CN201610160447.4A
Authority: CN
Inventors: 周扬; 何英姿; 朱志斌; 张勇智; 张海博
Original assignee: Beijing Institute of Control Engineering
Current assignee: Beijing Institute of Control Engineering
Priority date: 2016-03-21
Filing date: 2016-03-21
Publication date: 2016-08-03
Anticipated expiration: 2036-03-21
Also published as: CN105823600B

Abstract

本发明一种三轴气浮台上运动机构的动态平衡方法，根据待平衡运动机构的动力学反解，计算得出作用在气浮球轴承球心处的不平衡力矩，并控制调平衡机构补偿该力矩，使气浮台保持动态平衡，包括建立气浮台坐标系；计算得出该坐标系下待平衡运动机构当前总质心位置矢量；将该矢量代入待平衡运动机构的动力学反解得到作用于气浮球轴承球心处的不平衡力矩表达式；将该表达式代入气浮台调平衡机构的动力学正解计算得出期望的调平衡机构位置矢量；根据该矢量控制调平衡机构运动。该方法使载荷中包含运动机构的气浮台的质心始终在气浮球轴承的球心处，达到保持动态平衡的目的，具有较高的实用性。

Description

一种三轴气浮台上运动机构的动态平衡方法

技术领域

本发明涉及一种转台的动态平衡方法，尤其涉及一种三轴气浮台上运动机构的动态平衡方法。

背景技术

三轴气浮台是在地面模拟空间微重力环境飞行器运动姿态的支撑平台。为了逼真模拟空间飞行器的运动姿态，必须先调节气浮台调平衡机构的位置，使气浮台及其载荷的质心与气浮球轴承的球心完全重合。但是，当载荷中包含运动机构时(如机械臂、对接装置等)，由于机构运动产生的载荷质心位置变化，破坏了气浮台原有的平衡，所以必须进行动态补偿。

现有的气浮台平衡方法属于静态平衡方法，要求调平的静态和测量的静态。调平的静态是指气浮台的载荷完全固定不动，因此无法消除载荷中运动机构质心变化产生的不平衡力矩；测量的静态是指利用水平仪或者陀螺等姿态测量仪器测量时气浮台不能晃动或者倾斜，因此无法保证气浮台姿态变化时，气浮台及其载荷的质心始终位于气浮球轴承的球心处。

发明内容

本发明解决的技术问题：克服现有气浮台调平技术不能消除气浮台载荷中运动机构质心变化产生的不平衡力矩问题，提供一种三轴气浮台上运动机构的动态平衡方法。

本发明的技术方案是：一种三轴气浮台上运动机构的动态平衡方法，包括以下步骤：

1)建立气浮台坐标系，该坐标系的原点位于气浮球轴承球心处，坐标系的x轴和y轴分别与气浮台的台面平行，坐标系的z轴与气浮台的台面垂直并向上；

2)根据步骤1)定义的气浮台坐标系，计算得出待平衡运动机构当前总质心位置矢量

p_{o} = \frac{Σ_{i = 1}^{n} m_{i} p_{i}}{Σ_{i = 1}^{n} p_{i}};

式中p_i(i＝1,2,…,n)为待平衡运动机构各部件质心位置矢量，m_i(i＝1,2,…,n)为待平衡运动机构各部件质量；

3)根据步骤2)得到的待平衡运动机构当前总质心位置矢量，通过待平衡运动机构的动力学反解得到作用于气浮球轴承球心处的不平衡力矩表达式

f_{o} = Σ_{i = 1}^{n} m_{i} {Rp}_{o};

式中R为三轴气浮台当前姿态矩阵；

4)根据步骤3)得到的不平衡力矩表达式，通过气浮台调平衡机构的动力学正解计算得出期望的调平衡机构位置矢量

p_{d} = {(R C M)}^{- 1} f_{o} = {(C M)}^{- 1} R^{- 1} Σ_{i = 1}^{n} m_{i} {Rp}_{o} = Σ_{i = 1}^{n} m_{i} {(C M)}^{- 1} p_{o};

式中M为调平衡机构配重块质量，C为配重块安装矩阵；

5)根据步骤4)得出的调平衡机构位置矢量，控制调平衡机构运动，以抵消作用于气浮球轴承球心处的不平衡力矩。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明是一种动态平衡方法，是根据待平衡运动机构自身的运动状态，通过动力学计算并控制调平衡机构运动，从而消除气浮台上运动机构运动产生的不平衡力矩。

(2)本发明计算得到的调平衡机构位置与三轴气浮台的姿态无关，因此不需要姿态测量仪器，即使气浮台姿态变化时，也能使气浮台及其载荷的质心始终位于气浮球轴承的球心处。

附图说明

图1为本发明实施例气浮台及待平衡运动机构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述：

本实施例的三轴气浮台由气浮平台、气浮球轴承和调平衡机构组成(如图1所示)。气浮平台用于承载试验设备。气浮球轴承位于气浮平台和地面基座之间，用于托起气浮平台，使其在工作时只受到很小的摩擦阻力，包括气浮球和球碗两部分。气浮平台上安装了三个调平衡机构，起到调节气浮台质心位置的作用。每个调平衡机构分别由电机通过丝杠拖动配重块(质量为M)作直线运动，运动轴与气浮台面夹角与相邻轴在气浮平台投影的夹角θ＝120°。为保证气浮平台的转动过程沿理想的气浮球轴承中心旋转，气浮台质心位置应与气浮球轴承的旋转中心(即球心)重合，达到模拟真实微重力环境下姿态运动的目的。

本实施例在三轴气浮台上安装有一个三自由度机械臂(即本实施例的待平衡运动机构)，由于机械臂运动导致气浮平台质心变化，破坏了三轴气浮台原有平衡，所以需要进行动态补偿。机械臂的臂杆1质量为m₁，质心位置为p₁＝(x₁,y₁,z₁)，臂杆2质量为m₂，质心位置为p₂＝(x₂,y₂,z₂)，臂杆3质量为m₃，质心位置为p₃＝(x₃,y₃,z₃)，上述参数可从机械臂获得。

(1)在气浮球轴承质心处建立坐标系，如图1所示。

(2)根据气浮台上机械臂当前运动状态，计算得出机械臂当前总质心位置p_o＝(x_o,y_o,z_o)^T，其中

x_{o} = \frac{m_{1} x_{1} + m_{2} x_{2} + m_{3} x_{3}}{m_{1} + m_{2} + m_{3}}

y_{o} = \frac{m_{1} y_{1} + m_{2} y_{2} + m_{3} y_{3}}{m_{1} + m_{2} + m_{3}}

z_{o} = \frac{m_{1} z_{1} + m_{2} z_{2} + m_{3} z_{3}}{m_{1} + m_{2} + m_{3}}

(3)根据机械臂的动力学反解，得出作用于气浮球轴承球心处的不平衡力矩表达式

f_o＝(m₁+m₂+m₃)R(x_o,y_o,z_o)^T

(4)根据调平衡机构的动力学正解，计算得出期望的调平衡机构位置矢量

p_d＝(r₁,r₂,r₃)^T＝(m₁+m₂+m₃)(CM)^-1(x_o,y_o,z_o)^T

其中，本实施例的调平衡机构安装矩阵

式中为调平衡机构与气浮台面夹角(本实施例为60°)，θ为调平衡机构相邻轴在气浮平台投影的夹角(本实施例为120°)，代入上式得

(5)根据上式计算得到

r_{1} = \frac{2 (m_{1} + m_{2} + m_{3})}{9 M} \sqrt{3} (3 x_{o} + 6 y_{o} - z_{o})

r_{2} = \frac{2 (m_{1} + m_{2} + m_{3})}{9 M} (- 6 y_{o} - \sqrt{3} z_{o})

r_{3} = \frac{2 (m_{1} + m_{2} + m_{3})}{9 M} (3 \sqrt{3} x_{o} + 6 y_{o} - \sqrt{3} z_{o})

控制三个调平衡机构分别运动r₁,r₂,r₃，从而抵消作用于气浮球轴承球心处的不平衡力矩。

本实施例的工作效果为：气浮台上机械臂在运动时，气浮台三轴仍保持平衡状态，不平衡力矩小于1Nm。

本发明所公开的气浮台动态平衡方法创造性的利用气浮台上运动机构的运动信息实现三轴气浮台的动态平衡，可以推广到多轴转台的动态平衡中。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims

1.一种三轴气浮台上运动机构的动态平衡方法，其特征在于包括以下步骤：

p_{o} = \frac{Σ_{i = 1}^{n} m_{i} p_{i}}{Σ_{i = 1}^{n} p_{i}};

f_{o} = Σ_{i = 1}^{n} m_{i} {Rp}_{o};

式中R为三轴气浮台当前姿态矩阵；

p_{d} = {(R C M)}^{- 1} f_{o} = {(C M)}^{- 1} R^{- 1} Σ_{i = 1}^{n} m_{i} {Rp}_{o} = Σ_{i = 1}^{n} m_{i} {(C M)}^{- 1} p_{o};

式中M为调平衡机构配重块质量，C为配重块安装矩阵；