一種姿控系統全物理仿真用三自由度磁浮臺的製作方法
2023-05-26 16:19:06 1
本發明涉及一種姿控系統全物理仿真用三自由度磁浮臺，適用於對小衛星進行三自由度全物理仿真，具有全物理仿真真空環境、高低溫環境的能力。
背景技術：
太空飛行器姿控系統全物理仿真平臺用以在地面上模擬太空環境下的太空飛行器運動，其上搭載太空飛行器上使用的單機。全物理仿真比數學仿真更接近太空飛行器實際運行環境、精度更高，且可以考察各單機對姿控系統性能的影響。太空飛行器姿控系統全物理仿真對驗證太空飛行器控制系統方案設計的正確性、檢驗實際控制性能至關重要。
目前姿控系統全物理仿真平臺主要採用氣浮臺形式。氣浮臺的氣浮軸承噴射出高壓氣體產生反作用力用以平衡氣浮臺的重力，同時在氣浮軸承與軸承窩之間形成一層氣膜，使得氣浮臺可以模擬出外太空中微重力以及零摩擦的衛星運動。但是，氣浮臺具有以下不足：
(1)加工難度大：氣隙大小只有10～20微米，對氣浮軸承的球面粗糙度要求極高。
(2)擾動大：氣浮軸承噴射出的高壓氣體會對負載端產生一定的氣流擾動，這些擾動均降低物理仿真精度。
(3)無法模擬熱真空環境：基於氣浮臺的全物理仿真需要在常溫常壓下進行。各單機的性能隨溫度、真空度等環境參數變化，會影響姿控系統的穩定度和精度。雖然各單機系統均經過熱真空、熱循環實現，但整個姿控系統在真空、高低溫環境下的控制穩定性和精度無法進行全物理仿真。
李智斌,李明航,李健等發明了一種單軸全物理仿真磁浮臺(CN200710064795.2)，將轉臺的框架軸用磁軸承懸浮，模擬一個自由度的零摩擦運動。但是，模擬太空飛行器姿態控制需要三個自由度。
技術實現要素：
本發明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提供了一種姿控系統全物理仿真用三自由度磁浮臺，該系統用磁軸承懸浮負載仿真平臺，實現對姿控系統的三自由度全物理仿真。消除了氣浮臺負載端無氣流擾動，同時可實現主動隔振。可對整個姿控系統在真空、高低溫環境下的控制穩定性和精度進行三自由度全物理仿真。
本發明的技術方案是：一種姿控系統全物理仿真用三自由度磁浮臺，包括負載平臺、磁軸承組和支承基座；負載平臺上放置姿控系統的各種姿控系統單機；磁軸承組給負載平臺提供三個自由度的可控磁力，懸浮負載平臺，使其在三個轉動方向上自由運動；支承基座給非懸浮狀態下的負載平臺提供支承和保護作用。
所述的負載平臺為啞鈴結構，包括支承球檯、連接軸和負載面；支承球檯位於中間位置，支承球檯的球面粗糙度不超過10微米；連接軸有兩個，均為圓筒形，兩個連接軸的一端分別固定在支承球檯的兩個檯面上，連接軸的中心軸通過支承球檯的球心，並與支承球檯的臺面垂直；負載面有兩個，為薄圓臺形，兩個連接軸的另一端分別固定在兩個負載面上，負載面的中心軸與連接軸的中心軸重合；姿控系統單機固定在負載面上；連接軸中心軸放置有平衡塊A，在負載面上平衡塊B、平衡塊C，調整平衡塊A、平衡塊B、平衡塊C的位置，使支承球檯的球心與負載平臺的質心重合。
所述的磁軸承組包括三個獨立的磁軸承，即第一磁軸承、第二磁軸承、第三磁軸承；三個磁軸承均固定到外部真空罐內壁頂端；每個磁軸承有N、S兩個磁極，磁極端面均為球凹面，球面粗糙度不超過10微米；在懸浮支承球檯的情況下，各磁極中心軸均通過支承球檯的球心；磁軸承兩磁極中心軸的中線為磁軸承中心軸，三個磁軸承中心軸兩兩垂直，給支承球檯提供磁力，實現對負載平臺的三自由度平動運動的懸浮解耦控制。
所述支承基座由圓柱臺和三個萬向軸承組成；圓柱臺下部為圓柱狀，固定到外部真空罐內壁低端；圓柱臺上部有三個斜臺面，斜臺面以圓柱臺頂端圓面圓心為中心，相隔120度圓周分布，斜臺面頂端法線通過支承球檯的球心，斜臺面與圓柱臺頂面夾角為35.3度；三個萬向軸承固定在斜檯面上，萬向軸承與負載平撞球面三個接觸點之間的距離為支承球檯半徑的倍；支承基座上端面外沿嵌入橡膠圈，對負載平臺起到限位保護作用。
本發明與現有技術相比的有益效果是：
本發明使用磁軸承懸浮負載平臺，可以在真空、高低溫環境下進行姿控系統全物理仿真，使姿控系統全物理仿真更接近太空環境。本發明設計了一種三自由度全解耦磁懸浮軸承分布結構，實現對負載平面三自由度平動控制力的同時，不產生對負載平臺的轉動力矩，同時消除了氣浮臺的氣流擾動，並且可以主動隔離負載和真空罐的振動，提高了全物理仿真的精度。
附圖說明
圖1為姿控系統全物理仿真用磁浮臺結構框圖；
圖2為負載平臺結構圖；
圖3為負載平臺靜平衡調整結構圖；
圖4為磁軸承分布俯視圖；
圖5為支承基座結構圖。
具體實施方式
如圖1所示，本發明主要包括三個模塊：1、負載平臺；2、磁軸承組；3、支承基座。負載平臺上放置姿控系統的各種單機。磁軸承組給負載平臺提供三個自由度的可控磁力，懸浮負載平臺，使其在三個轉動方向上自由運動。支承基座給非懸浮狀態下的負載平臺提供支承和保護作用。
如圖2所示為負載平臺結構圖，負載平臺為啞鈴結構，包括支承球檯、連接軸和負載面；支承球檯位於中間位置，為球檯體，支承球檯的球面粗糙度不超過10微米；連接軸有兩個，均為圓筒形，兩個連接軸的一端分別固定在支承球檯的兩個檯面上，連接軸的中心軸通過支承球檯的球心，並與支承球檯的臺面垂直；負載面有兩個，為薄圓臺形，兩個連接軸的另一端分別固定在兩個負載面上，負載面的中心軸與連接軸的中心軸重合；姿控系統單機固定在負載面上。
圖3所示為負載平臺靜平衡調整結構圖，在連接軸的中心軸放置平衡塊A，在負載面兩垂直軸上放置平衡塊B、平衡塊C，用直線電機驅動平衡塊A、平衡塊B、平衡塊C，調整其位置,使支承球檯的球心與負載平臺的質心重合。
圖4所示為磁軸承組分布俯視圖，磁軸承組包括三個獨立的磁軸承，即第一磁軸承、第二磁軸承、第三磁軸承；三個磁軸承均固定到真空罐內壁頂端；每個磁軸承有N、S兩個磁極，磁極端面均為球凹面，球面粗糙度不超過10微米；在懸浮支承球檯的情況下，各磁極中心軸均通過支承球檯的球心；磁軸承兩磁極中心軸的中線為磁軸承中心軸，三個磁軸承中心軸兩兩垂直，給支承球檯提供磁力，實現對負載平臺的三自由度平動運動的懸浮解耦控制。
如圖5所示為支承基座結構圖。支承基座由圓柱臺和三個萬向軸承組成。圓柱臺下部為圓柱狀，固定到真空罐內壁低端；圓柱臺上部有三個斜臺面，斜臺面以圓柱臺頂端圓面圓心為中心，相隔120度圓周分布，斜臺面頂端法線通過支承球檯的球心，斜臺面與圓柱臺頂面夾角為35.3度。三個萬向軸承固定在斜檯面上，萬向軸承與負載平撞球面三個接觸點之間的距離為支承球檯半徑的倍。支承基座上端面外沿嵌入橡膠圈，對負載平臺起到限位保護作用。
本發明說明書中未作詳細描述的內容屬於本領域專業技術人員的公知技術。