羽流力/力矩测量系统在线标定研究

摘要

我国探月工程在嫦娥三号任务圆满成功后，全面进入“绕、落、回”三步走发展的第三期，即采样返回。返回器从月面发射时产生真空羽流，羽流撞击航天器表面，产生的扰动力和力矩会影响航天器姿态控制。北京航天试验技术研究所针对嫦娥五号空间飞行器进行全尺寸羽流导流综合验证试验，试验首次使用基于压电效应开发的羽流力/力矩测量系统，测量羽流试验中六维力输出情况。实现羽流力/力矩测量系统的在线标定是保证试验测量数据准确可靠的基础，对羽流力热效应分析，提高航天器姿态控制精度和稳定度都具有重要意义。
　　本文以羽流力/力矩测量系统在线标定为研究对象。针对测量系统实现在线标定、远程加载、空间受限等难点，从标定方法、理论分析和实验研究等方面，对羽流力/力矩测量系统在线标定进行深入分析，提出相应解决方案，并研制出羽流力/力矩测量系统在线标定平台。
　　首先介绍羽流力/力矩测量系统组成和压电式六维力传感器测量原理。在分析羽流力/力矩测量系统结构的基础上，提出在线标定要求并分析难点。建立六维力在线标定加载模型和力学模型，详细阐述六维力各分量标定时传感器理论输出情况。
　　其次针对立式结构羽流力/力矩测量系统，选择液压力源配合标准力传感器的加载方式，设计具备远程操作、在线标定、实时校准功能的标定平台。轴向力加载采用力源在上端，拉杆在下端的标定方案;侧向力标定装置采用4个力源加载器正交布置方案。导轨滑块机构和导向柱丝杠机构使液压缸分别在竖直平面和水平平面内实现无级移动，通过改变加载点位置分别进行力、力矩标定。设计密封结构和液压控制方式，满足多力源稳定加载要求。
　　最后分别从零部件尺寸形位公差，系统结构刚度和加载点偏移三个方面分析在线标定平台加载偏差导致的最大干扰输出。利用在线标定平台对压电传感器和整个测试系统进行静态标定，通过与实验室标定进行对比，验证在线标定精度和可靠性。结果表明，在线标定与实验室标定其线性、重复性指标均在1.5％以内，满足测量系统技术要求，在线标定平台具备较好的加载精度。在线标定和实验室标定各分量线性拟合直线斜率偏差在2.5％以内，在线标定系统稳定可靠。通过实验研究侧向力加载点作用位置对三向力输出影响。实验表明，侧向力加载点对三向合力输出影响较小，在线标定平台满足羽流力/力矩实际测试要求。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外六维力测量及其标定研究现状

1．3 本论文主要研究内容

2 在线标定难点及力学模型分析

2．1 压电式六维力传感器测量原理

2．2 羽流力／力矩测量系统组成

2．2．1 测量系统硬件部分

2．2．2 测量系统软件部分

2．3 六维力在线标定要求和难点分析

2．4 六维力在线标定力学模型

2．5 本章小结

3 在线标定平台总体方案设计

3．1 加载方式选择

3．2 主向力标定装置设计

3．3 侧向力和力矩标定装置设计

3．4 液压控制系统

3．5 本章小结

4 在线标定加载精度影响分析

4．1 零部件尺寸形位公差对标定精度影响

4．1．1 侧向液压加载缸套与导向槽配合公差

4．1．2 导向柱形位公差

4．1．3 导向孔和导向柱的配合公差

4．2 加载过程中系统结构刚度对标定精度影响

4．3 加载点偏差对标定精度影响

4．4 本章小结

5 在线标定实验研究

5．1 压电传感器静态标定实验

5．1．1 实验系统组成

5．1．2 传感器静态特性分析

5．2 测量系统在线标定实验

5．2．1 静态标定对比实验

5．2．2 六维力在线标定补偿系数矩阵建立

5．2．3 六维力在线标定性能分析

5．3 侧向力加载点对传感器输出影响

5．3．1 侧向力加载点偏移对主方向干扰

5．3．2 侧向力加载点对三向合力输出影响

5．3．3 侧向力加载点对各向分力输出影响

5．4 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢