專利名稱：一種用于質量特性集成測試的三坐標轉換機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種應用于航天器質量特性測試時被測件坐標系與測試臺坐標 系之間位置關系自動轉換的三坐標轉換裝置。
背景技術：
隨著航天技術的飛速發展，航天器的種類越來越多，研制周期不斷縮短。 因此，航天器的質量特性測試作為航天器研制中必不可少的重要指標參數，其 測試時間和精確度在高精航天器研制中將占據重要的地位。
航天器的質量特性測試涉及到航天器本體坐標系與測試臺坐標系之間的轉 換和測試。如何實現質量特性集成測試和坐標轉換是航天器質量特性測試的才支 術關鍵。對航天器進行坐標轉換是質量特性測試的基礎，只有通過合理的坐標 轉換，使航天器位于不同的測試工位，測試設備和測試軟件才能采集到不同的 測量特性數據，再通過對數據的處理和計算得到航天器的質量特性參數。目前 常用的航天器質量特性測試方法主要是分步轉換被測件坐標系、分步測試質量
特性參數，其通常采用的測試設備包含了質心臺、扭擺臺、L型支架、工裝(花 盆)及相關的吊裝設備。測試質心時利用工裝和質心臺測量航天器的橫向質心 和縱向質心，在進行橫向和縱向轉換時利用L型支架將航天器進行翻轉。同理， 測試轉動慣量時利用工裝和扭擺臺測量航天器各軸的轉動慣量，在進行各軸的 測試轉換時利用L型支架將航天器進行翻轉。采用上述方法進行航天器的X、 Y、 Z軸特性測試時需要利用L型支架對航天器進行反復的翻轉、吊裝后分別與 質心臺和扭擺臺裝配才能完成航天器各個質量特性參數的測量，由于采用設備 的種類和數量較多，集成度低，操作過程復雜。此外，對于不同平臺的航天器， 往往需要不同接口關系的L型支架。L型支架屬于復雜的大型工裝，其研制成 本和周期較長，導致采用上述方法進行測量時不僅增加了研制成本，同時也增加了研制周期和操作難度，越來越不適應航天器快速研制發展的需要。
發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有技術的不足，提供了一種結構筒單、 操作方便的用于質量特性集成測試的三坐標轉換機。
本發明的技術解決方案是 一種用于質量特性集成測試的三坐標轉換機， 包括弧形基體、滑臺、驅動機構和弧形導軌，弧形基體上設置有用于與弧形導 軌配合的圓弧面以及用于固定安裝弧形基體的水平面，兩條弧形導軌分別安裝 在弧形基體的圓弧面上且弧形導軌的弧,爻與弧形基體的圓弧段平行，滑臺置于 弧形導軌上并在驅動機構的作用下沿弧形導軌滑動，滑臺自身還可以沿弧形導 軌所在弧段各點的法線方向進行轉動，驅動機構置于弧形基體的內部；被測件 置于滑臺上，通過滑臺在弧形導軌上的運動實現被測件在豎直位置時慣性坐標 系下質量特性參數與被測件在弧形導軌上任意位置時慣性坐標系下質量特性參 數的自動轉換。
所述的滑臺包括滑座、平面軸承、蝸桿蝸輪傳動組件和轉接盤，滑座為主 支撐結構，滑座與弧形導軌配合保證滑臺在弧形導軌上滑動，平面軸承置于滑 座上用于被測件的旋轉并承受被測件的傾覆力矩，蝸桿蝸輪傳動組件置于滑臺 上用于驅動平面軸承旋轉，轉接盤置于平面軸承上用于對接被測件。
所述的驅動機構包括滑軌、螺桿和推桿，兩條滑軌安裝于弧形基體的用于 固定安裝弧形基體的水平面兩側，保證驅動機構直線運動；螺桿位于弧形基體 的內腔底板上，用于將驅動機構的直線運動轉換為曲線運動；推桿與螺桿連接 并在螺桿的作用下驅動滑臺在弧形導軌上滑動。
所述的三坐標轉換機還包括兩套配重系統，兩套配重系統對稱安裝于弧形 基體的兩側，用于調整當滑臺停留在弧形導軌所在弧段各點時三坐標轉換機的 平衡。
所述的三坐標轉換機還包括安裝連接盤，安裝連接盤為中間設有多圈連接 孔的圓盤并通過中心銷孔定位，用于將三坐標轉換機固定于安裝基面上。本發明與現有技術相比的優點在于 (1 )本發明三坐標轉換機采用兩軸轉臺方式，滑臺在驅動機構的驅動下沿 弧形基體上的弧形導軌滑動，被測件置于滑臺上即可實現不同角度的測試工位，
形導軌上的運動實現被測件笛卡爾坐標系與測試臺笛卡爾坐標系的自動轉換, 在試件一次定位的情況下，通過坐標系統的轉換能夠實現試件質量、質心與轉 動慣量的集成測試，結構簡單，易于工程實現；
(2) 滑臺結構通過平面軸承和蝸桿蝸輪傳動組件相配合，實現自身的旋轉 及被測件的旋轉并承受被測件的傾覆力矩，能夠保證三坐標轉換機運行平穩， 提高定位精度；
(3) 驅動結構通過螺桿和推桿配合實現直線運動與曲線運動的轉換，從而 保證滑臺在弧形導軌上的滑動，操作簡單，易于工程實現；
(4 )配重系統地加入可以調整當滑臺停留在弧形導軌所在弧段各點時三坐 標轉換機的平衡，從而能夠保證測試質心的穩定，提高了測試精度。
圖1為本發明三坐標轉換機的立體圖； 圖2為本發明三坐標轉換才幾中滑臺的結構圖； 圖3為本發明三坐標轉換機中驅動機構的結構圖； 圖4為釆用本發明三坐標轉換機進行質量特性測試的示意圖； 圖5為采用本發明三坐標轉換機進行質量特性測試時坐標系變換示意圖。
具體實施例方式
本發明三坐標轉換機是用于航天器質量特性測試的精密兩軸轉臺，主要完 成測試過程中被測件(航天器)坐標系與測試臺坐標系之間位置關系的自動轉 換。
如圖1所示，為本發明三坐標轉換機的立體圖，包括弧形基體1、滑臺2、 驅動機構3和弧形導軌7，弧形基體1為船搶型結構，其上設置有圓弧面，是整個結構的支撐勤出。弧形基體1底部設置安裝連接盤6與固定基面連接，安 裝連接盤6為中間設有多圈連接孔的圓盤，通過中心銷孔定位，能保證三坐標 轉換機與固定基面集成連接。弧形導軌7有兩條，對稱裝配在弧形基體1的圓 弧面兩側。
滑臺2安裝于弧形導軌7上，是本發明三坐標轉換機的關鍵部件之一，是 被測件與三坐標轉換機的連接紐帶，需要承受較大的傾覆載荷，其結構如圖2 所示，包括滑座8、平面軸承9、蝸桿渦輪傳動組件10和轉接盤11。滑座8 為鑄件，是滑臺2其他零件的支撐，與弧形導軌7配合，保持滑臺2在弧形導 軌7上滑動。平面軸承9為專用設計軸承，安裝在滑座8上面，可以承受較大 的傾覆力矩，用于對被測件的旋轉。蝸桿蝸輪傳動組件10通過高精度伺服電 機驅動實現轉接盤11的分度旋轉。轉接盤11安裝于平面軸承9上，用于三坐 標轉換機與#:測件連接。
驅動機構3安裝于弧形基體1底部(水平面)的中心，上端連接滑座8， 是實現滑臺2精確傾斜的關鍵，其具體結構如圖3所示，包括滑軌12，螺桿 13和推桿14。滑軌12安裝于弧形基體1底部兩側，用于保證驅動機構3直線 運動。螺桿13位于弧形基體1的內腔底板上對稱中心，是將直線運動轉換為 曲線運動的傳動機構。推桿14可以驅動滑臺2在弧形導軌7上滑動。
另外，本發明三坐標轉換機還設置有兩套配重系統4,對稱安裝于弧形基 體1的兩側，配重系統是調整滑臺2處于不同傾角時三坐標轉換機平衡的裝置。 為了實現對三坐標轉換機的精確控制，還設置有電控系統5用于控制驅動機構 3 (伺服電機的步進角度)和數據采集。
如圖4所示，在實際測試過程中，三坐標轉換機通過安裝連接盤6裝配于 測試臺上，先分別在水平位置(即圖中滑臺2位于水平位置)和傾斜位置(即 圖中滑臺2位于弧形導軌7的某一弧段上)測出4黃向、縱向工裝的質心。圖5 為圖4中滑臺2位于水平位置時坐標系的建立方法，以弧形導軌7上表面與弧 形基體1中心軸線的交點為原點，X軸垂直弧形基體1的底面，向上為正向；
7Y軸包含在底面內，與X軸垂直，正向水平向左；Z軸符合右手笛卡爾坐標系 的規則。在對被測件的質量特性參數進行測試時，先置滑臺2于水平位置，將 被測件與滑臺2連接。這時，通過測試臺可以測試出^皮測件的質量和橫向質心 (Ye，ze),這里Y。，z。分別為質心在Y軸和Z軸上的坐標值。測試縱向質心x。時， 在電控系統5的控制下啟動驅動機構3的伺服電機，帶動螺桿13運轉，這時 與螺桿13連接的推桿14底部沿滑軌12作直線運動，上部推動滑臺2沿弧形 導軌7運動，當運動到某一指定的傾角(應與前述測量工裝參數時的傾斜位置 一致)時，電控系統5關閉伺服電機，在此狀態下通過測量計算被測件的縱向 質心X。。再按設計要求，通過配重系統4進行配重，重復測量過程，直到滿足
指標要求。
具體測試原理及方法如下
(1 )質心測量
設定質心臺X坐標與重力方向平行，根據力和力矩平衡原理可以得到待測 件的質心在YOZ坐標平面上的坐標值。 在YOZ平面上質心坐標為
^=^+^ — V^(A-尸3) _尸1+尸2+尸3 — 2(尸1 +戶2+尸3) (1 )
式中Yc—質心在Y軸上的坐標；
Zc—質心在Z軸上的坐標；
r一三個支點所在圓半徑；
P1、 P2、 P3—三個支點所測的力；
y1、 y2、 y3—三個支點的y坐標；
z1、 z2、 z3—三個支點的z坐標。
這里所提到的三個支點，是對本發明三坐標轉換機進行稱重時所用到的三個支點，在實際應用過程中，上述三個支點位于弧形基底1的地面，且三個支 點從同一個圓周上獲得，三個支點所測的力由設置在三個支點處的稱重傳感器 獲得。
驅動三坐標轉換機的滑臺2運動，置滑臺2于傾斜角a,此狀態下同樣根 據公式1和公式2得到質心,。根據圖5所示幾何關系，可以計算出待測件的 縱向質心Xc。
Xc = i — (dc cosa)/sinor (3)
式中R—滑臺回轉中心到衛星定位面距離(即旋轉前后X軸正方向和X'軸 正方向的交點與滑臺上表面的距離)。
(2)轉動慣量與慣性積測量 根據剛體過固定點繞任意軸轉動慣量的表達公式
/ =人cos2 a十/y cos2 " + /z cos2 ;k —2/xy cos " cos々—2/xz cos a cosy-2; cos/ cos ;r 設測量坐標軸X、 Y、 Z (也就是滑臺2以及被測件處于水平位置時的笛卡 兒坐標系的三個坐標軸)與試件坐標軸x'、 r、 z'(也就是當滑臺2帶動被測 件沿著弧形導軌7滑動一定距離后所在位置時的笛卡兒坐標系的三個坐標軸) 的夾角分別為ct、 P、 y,當ot:O時，得到方向余弦(1, 0， 0),可以測得/,。 當a^0時，利用三坐標轉換枳i設置4組方向余弦((^,C々,0)， (Ca，-Cp0)， (Ca，0,C,)， (Ca,0,-C》，并分別測試出這幾組方向余弦對應的轉動慣量A，^，/3,A， 列方禾呈組
A = 7j^Ca + - 2/j^yC"C"
/4=7,。+/20，+2/忍匚"(^
其中
A ——試件坐標軸沒有轉動時，試件繞測量軸X的轉動慣量；
厶一一試件繞試件坐標軸X'轉動90。時，試件繞測量軸X的轉動慣量；A—一試件繞試件坐標軸^'轉動180°時，試件繞測量軸X的轉動慣量；
A—一試件繞試件坐標軸X'轉動270。時，試件繞測量軸X的轉動慣量； 各未知量為
、 一一試件繞試件坐標軸r的轉動慣量； 厶 一一試件繞試件坐標軸z'的轉動慣量。
4與Az為對應試件坐標軸的慣性積。 在試件坐標軸沒有轉動或轉動180°時，a與/ 互余，由余弦定理知
在試件坐標軸沒有轉動90°或轉動270°時，"與y互余，由余弦定理知:
代入方程組中，得到:
Iy-:7rV(li+l廣2lx) + Ix 2sm "
2sm a
xy 2sin2a
I
2sin2a
以上即為過旋轉中心點，繞平行于試件坐標軸的三個軸的轉動慣量，再使 用移軸公式就可以計算出過質心位置的繞平行于試件坐標軸的三個軸的轉動慣 量。
本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。
權利要求
1、一種用于質量特性集成測試的三坐標轉換機，其特征在于包括弧形基體(1)、滑臺(2)、驅動機構(3)和弧形導軌(7)，弧形基體(1)上設置有用于與弧形導軌(7)配合的圓弧面以及用于固定安裝弧形基體(1)的水平面，兩條弧形導軌(7)分別安裝在弧形基體(1)的圓弧面上且弧形導軌(7)的弧段與弧形基體(1)的圓弧段平行，滑臺(2)置于弧形導軌(7)上并在驅動機構(3)的作用下沿弧形導軌(7)滑動，滑臺(2)自身還可以沿弧形導軌(7)所在弧段各點的法線方向進行轉動，驅動機構(3)置于弧形基體(1)的內部；被測件置于滑臺(2)上，通過滑臺(2)在弧形導軌(7)上的運動實現被測件在豎直位置時慣性坐標系下質量特性參數與被測件在弧形導軌(7)上任意位置時慣性坐標系下質量特性參數的自動轉換。
2、 根據權利要求1所述的一種用于質量特性集成測試的三坐標轉換機， 其特征在于所述的滑臺(2)包括滑座(8)、平面軸承(9)、蝸桿蝸輪傳動 組件(10)和轉接盤(11)，滑座(8)為主支撐結構，滑座(8)與弧形導軌(7)配合保證滑臺(2)在弧形導軌(7)上滑動，平面軸承(9)置于滑座(8) 上用于被測件的旋轉并承受被測件的傾覆力矩，蝸桿蝸輪傳動組件(10)置于 滑臺(2)上用于驅動平面軸承(9)旋轉，轉接盤(11)置于平面軸承(9) 上用于對接凈皮測件。
3、 根據權利要求1或2所述的一種用于質量特性集成測試的三坐標轉換 機，其特征在于所述的驅動機構(3)包括滑軌(12)、螺桿(13)和推桿(14)， 兩條滑軌(12)安裝于弧形基體(1 )的用于固定安裝弧形基體(1 )的水平面 兩側，保證驅動機構(3)直線運動；螺桿(13)位于弧形基體(1 )的內腔底 板上，用于將驅動機構(3)的直線運動轉換為曲線運動；推桿(14)與螺桿(13)連接并在螺桿(13)的作用下驅動滑臺(2)在弧形導軌(7)上滑動。
4、 根據權利要求3所述的一種用于質量特性集成測試的三坐標轉換機， 其特征在于所述的三坐標轉換機還包括兩套配重系統(4),兩套配重系統(4)對稱安裝于弧形基體(1)的兩側，用于調整當滑臺(2)停留在弧形導軌(7) 所在弧段各點時三坐標轉換機的平衡。
5、根據權利要求3所述的一種用于質量特性集成測試的三坐標轉換機， 其特征在于所述的三坐標轉換機還包括安裝連接盤(6),安裝連接盤(6) 為中間設有多圈連接孔的圓盤并通過中心銷孔定位，用于將三坐標轉換^L固定 于安裝基面上。
全文摘要
一種用于質量特性集成測試的三坐標轉換機，在弧形基體上設置有用于與弧形導軌配合的圓弧面以及用于固定安裝弧形基體的水平面，兩條弧形導軌分別安裝在弧形基體的圓弧面上且弧形導軌的弧段與弧形基體的圓弧段平行，滑臺置于弧形導軌上并在驅動機構的作用下沿弧形導軌滑動，滑臺自身還可以沿弧形導軌所在弧段各點的法線方向進行轉動，驅動機構置于弧形基體的內部；被測件置于滑臺上，通過滑臺在弧形導軌上的運動實現被測件在豎直位置時笛卡爾坐標系下質量特性參數與被測件在弧形導軌上任意位置時笛卡爾坐標系下質量特性參數的自動轉換。本發明結構簡單、操作方便，可用于航天器等大型設備的質量特性集成測試。
文檔編號G01M1/02GK101603874SQ20091008966
公開日2009年12月16日 申請日期2009年7月23日 優先權日2009年7月23日
發明者劉希忠, 張詩軍, 晨 杜, 薛忠明, 勉 陳, 韓建超 申請人:北京衛星制造廠
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
