專利名稱：空間六自由度振動測量及阻尼減振方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種空間六自由度振動測量及阻尼減振方法，利用六位移傳感器并聯(lián)機構對運動物體進行空間六自由度機械振動位移動態(tài)測量，采用六組兩端安裝有球鉸的單自由度阻尼器并聯(lián)構成空間六自由度振動阻尼減振器對運動物體按實際需要進行減振。空間六自由度振動包括三自由度振動位移X⑴、y(t)、z⑴及三自由度振動角度θχα)、ey(t)、θζα)，振動位移及角度微分后可轉換成振動速度、振動加速度、振動角速度、振動角加速度。被減振運動物體的空間六自由度振動包括三自由度振動位移X α)、y (t)、Z (t)及三自由度振動角度Θ X⑴、Θ y⑴、Θ Z⑴。
背景技術：
現(xiàn)有工業(yè)、軍事、國防以及航空航天等各種行業(yè)對物體空間運動的測量和控制精度要求越來越高，工作環(huán)境也越來越復雜。原有的測量方式，已不能夠滿足現(xiàn)代社會的要求。采用現(xiàn)有的單自由度阻尼器控制具有空間六自由度振動的運動物體的振動已不能滿足控制精度、環(huán)境等要求。比如火箭彈(導彈)發(fā)射產生的大推力、強沖擊、高溫高壓讓發(fā)射車處于惡劣的力學環(huán)境中，引發(fā)的發(fā)射裝置的空間六自由度振動對火箭彈(導彈)產生的初始擾動，對火箭彈的飛行軌跡產生影響，甚至影響打擊精度并最終導致整個部隊的戰(zhàn)斗力下降等嚴重影響。為了評價惡劣的力學環(huán)境對發(fā)射車上各關鍵部位可靠性和安全性的影響，考察發(fā)射車的抗擾動能力及對火箭彈射擊精度的影響，對發(fā)射過程中的初始擾動各主要因素進行動態(tài)測試和研究。于是就需要有一種能夠適應特殊環(huán)境下的測量平臺，能夠精確測量出被測運動物體(發(fā)射箱)的六個自由度的變化量，分析其規(guī)律并消除或減少這種不利的影響，提高打擊精度。為了降低發(fā)射裝置的空間六自由度振動，提高火箭彈(導彈)的飛行軌跡精度及命中精度，需要根據實際情況設計一種六自由度減振器，采用單自由度阻尼器可以降低六自由度運動物體的振動，但會產生不可控的多自由度耦合減振，減振效果將產生原理性誤差。精度是衡量測量裝置或方法的主要標準之一，但目前如用拉線式位移傳感器測量發(fā)射裝置六自由度運動，會產生多自由度耦合測量，測量結果將產生原理性誤差，高溫、氣浪對拉線長度有影響，產生環(huán)境誤差。由于高溫氣浪的空氣折射波動及煙霧粉塵的影響，基于圖像的振動測量方法誤差大。采用振動加速度傳感器或振動速度傳感器直接安裝在發(fā)射裝置上，經積分成速度或位移，由于量程、頻響及積分誤差等造成誤差較大。采用三軸陀螺儀測量空間三軸角速度，積分成角位移，由于量程、頻響及積分誤差等造成誤差較大。
目前有關單自由度的各種典型設備的減振理論和方法都比較成熟，如氣彈簧減振，復合鋼板，鋁合金材料減振等。隨著科學技術的發(fā)展，多維振動問題已成影響各種機械設備、精密儀器儀表、車載、船載、航空、航天等相關設備的性能和使用壽命的主要原因。若采用常規(guī)單自由度阻尼減振裝置，則需要多層結構組合，才能達到多自由度減振的目的。為了做到互不干涉，勢必使結構十分復雜，也不能很好的完成多自由度減振的目的。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題在于提供一種空間六自由度振動測量及阻尼減振方法，能夠同時對運動物體進行空間六自由度振動位移高精度動態(tài)測量，并且能夠對運動物體起到很好的阻尼減振作用?？臻g六自由度振動包括三自由度振動位移X (t)、y (t)、z⑴及三自由度振動角度θχα)、ey(t)、θζα)，振動位移及角度微分后可轉換成振動速度、振動加速度、振動角速度、振動角加速度。本發(fā)明的技術方案如下一種空間六自由度振動測量及阻尼減振方法，其特征在于包括以下步驟I)搭建六位移傳感器并聯(lián)測量及阻尼減振機構在定平臺(I)上裝有六個下球鉸(2)，這六個下球鉸(2)圍成一個環(huán)形，并且六個下球鉸(2)分成左邊三個右邊三個，左右兩邊的下球鉸(2)對稱分布；在所述定平臺(I)的上方設有動平臺(7)，該動平臺(7)上裝有六個上球鉸(8)，六個上球鉸(8)也圍成一個環(huán)形，并且上球鉸⑶與下球鉸⑵一一對應，上球鉸⑶與對應的下球鉸⑵之間通過伸縮拉桿(3)連接，在伸縮拉桿(3)上裝有位移傳感器(4);所述伸縮拉桿(3)內安裝有可控單自由度阻尼器(12)，或者伸縮拉桿(3)的旁邊并聯(lián)安裝有可控單自由度阻尼器(12)2)通過動平臺(7)上的安裝孔(9)將被測運動物體固定在動平臺(7)上，通過定平臺(I)上的安裝孔(10)將定平臺(I)固定在相對大地靜止不動的物體上；3)讓被測運動物體振動，實時記錄下六個位移傳感器記錄下的六根伸縮拉桿的伸縮變化的位移時間曲線，然后通過伸縮拉桿的伸縮變化位移時間得出伸縮拉桿的運動變化規(guī)律，再通過正解的測量算法得出被測運動物體的振動規(guī)律；4)查看正解的測量算法得出被測運動物體的振動規(guī)律是否是所需要的振動，如不是所需的振動，通過阻尼減振算法得出滿足所需振動需要的六個可控單自由度阻尼器的阻尼值；5)調節(jié)六個可控單自由度阻尼器的阻尼值到阻尼減振算法得出的值，使被測運動物體的振動滿足要求。采用以上技術方案，定平臺、伸縮拉桿和動平臺通過球鉸連接有機的組成一個整體，通過球鉸使動平臺帶動伸縮拉桿做各種轉動。位移傳感器和伸縮拉桿固定在一起可以檢測出伸縮拉桿的伸縮變化量。測量算法是所述動平臺與被測運動物體剛性固定連接在一起，根據測量的實際需要設定空間直角正交體坐標系o-xyz。測量時，被測運動物體與動平臺剛性固定連接，一起運動并帶動六根伸縮拉桿運動。根據六個位移傳感器測量的伸縮拉桿的長度變化量Ali(t)，i = 1，2，3，4，5，6，經機構運動學的正解算法計算，得到被測運動物體空間六自由度振動三自由度振動位移X (t)、y (t)、z⑴及三自由度振動角度Θ x(t)、Θ y(t)、Θ z(t)。從而判定此時被測運動物體的位置姿態(tài)，就可得到被測運動物體的運動規(guī)律。根據本六個位移傳感器測量的伸縮拉桿的長度變化量AliU)與六個可控單自由度阻尼器阻尼Ci (t)的關系得到相應的阻尼減振方法。六位移傳感器并聯(lián)機構在測量及阻尼減振過程中需承受大的沖擊和震動，兩端設計有球鉸保證伸縮拉桿與定平臺和動平臺之間的轉動。伸縮拉桿剛度高、質量小，并且轉動靈活，抗沖擊能力強，降低了六位移傳感器并聯(lián)機構對被測運動物體的附加力及附加質量。本發(fā)明搭建的六位移傳感器并聯(lián)測量及阻尼減振機構結構簡單、應用范圍廣，并擁有較大的測量空間，能夠對運動物體進行空間六自由度振動位移高精度動態(tài)測量，并且能夠對運動物體起到很好的阻尼減振作用。為了適應不同的使用需要，可控單自由度阻尼器可以安裝在伸縮拉桿內，也可以與可控單自由度阻尼器并聯(lián)安裝。測量空間六自由度振動時可控單自由度阻尼器不通電工作；起阻尼減振作用時，才將可控單自由度阻尼器通電工作。為了簡化結構、方便加工制造、降低成本，同時簡化算法，所述定平臺(I)和動平臺(7)均為圓形。定平臺(I)和動平臺(7)根據需要也可以采用其它的形狀，定平臺(I)和動平臺(7)可以采用正對安裝或偏心安裝，定平臺(I)和動平臺(7)可以采用平行安裝或不平行安裝。在特殊情況下，被測運動物體也可自帶動動平臺(7)。下球鉸(2)在定平臺(I)上按六角形分布，上球鉸(8)在動平臺(7)上按六角形分布。上球鉸(8)可以在同一個平面內，也可是不在同一個平面內的臺體結構。下球鉸(2)可以在同一個平面內，也可 是不在同一個平面內的臺體結構。為了簡化結構、方便加工制造、降低成本，同時簡化算法，所述定平臺(I)和動平臺(7)均為正六邊形，在定平臺(I)的六個角處安裝下球鉸(2)，動平臺(7)的六個角處安裝上球鉸⑶。所述伸縮拉桿(3)包括拉桿外殼(31)和伸縮桿(32)，拉桿外殼(31)為上端敞口下端密封的筒狀結構，該拉桿外殼(31)的下端通過連接頭(11)與下球鉸(2)連接，拉桿外殼(31)的上端套入伸縮桿(32)，所述伸縮桿(32)的上端通過連接頭與上球鉸(8)連接，在所述拉桿外殼(31)與伸縮桿(32)之間裝有可控單自由度阻尼器(12)。采用上述伸縮拉桿
(3)可以在高溫氣浪、煙霧粉塵等惡劣的環(huán)境下能很好使用，伸縮拉桿(3)的拉桿外殼(31)和伸縮桿(32)之間可相對滑動，可在拉桿外殼(31)和伸縮桿(32)的中空部分布置可控單自由度阻尼器。上述方案與采用其它具有移動副的機構相比結構更簡單可靠。安裝在伸縮拉桿(3)上的位移傳感器(4)為直線光柵位移傳感器，該直線光柵位移傳感器由直線光柵尺(41)和讀數(shù)頭(42)組成，在所述伸縮桿(32)的外壁上沿其長度方向開有一條定位槽，直線光柵尺(41)安裝在該定位槽中，在所述拉桿外殼(31)上部對應定位槽的位置開有一個缺口，讀數(shù)頭(42)安裝在該缺口中，且讀數(shù)頭(42)通過基座(5)與拉桿外殼(31)相固定。直線光柵尺(41)測量時不存在任何附加的機械傳動兀件,直線光柵位移傳感器(4)封閉式結構能保證在煙霧粉塵等惡劣環(huán)境下使用。直線光柵位移傳感器的鋁質外殼和密封軟條能很好的保護直線光柵尺(41)、讀數(shù)頭(42)和軌道免受灰塵等其它雜質的影響。讀數(shù)頭(42)的運動軌道摩擦力很好，使得六位移傳感器并聯(lián)測量及阻尼減振機構測量振動的附加力和附加質量很小。為了適應不同的使用需要，安裝在伸縮拉桿(3)上的位移傳感器(4)為拉線式位移傳感器或磁電式位移傳感器或電渦流式位移傳感器或激光位移傳感器。作為優(yōu)選，步驟3)中正解的測量算法為在定平臺上選取參考坐標系0-ΧΥΖ，其原點O與定平臺的形心重合，X軸平行于B1B2, B1B2為其中兩個下球鉸的距離，Y軸在定平面內垂直于B1B2,動坐標系X'、V、V建立在動平臺的中心位置，初始狀態(tài)下Γ、V、V坐標軸分別平行于X、Y、Z軸，當動平臺改變時根據平面與平面上點的關系求出此時新點的坐標值P :
Ρ = Τ*Ρ0+Ρ'(I)其中T為動平臺面姿態(tài)的方向余弦，
權利要求
1.一種空間六自由度振動測量及阻尼減振方法，其特征在于包括以下步驟 1)搭建六位移傳感器并聯(lián)測量及阻尼減振機構 在定平臺(I)上裝有六個下球鉸(2)，這六個下球鉸(2)圍成一個環(huán)形，并且六個下球鉸(2)分成左邊三個右邊三個，左右兩邊的下球鉸(2)對稱分布；在所述定平臺(I)的上方設有動平臺(7)，該動平臺(7)上裝有六個上球鉸(8)，六個上球鉸(8)也圍成一個環(huán)形，上球鉸(8)與下球鉸(2) —一對應，上球鉸(8)與對應的下球鉸(2)之間通過伸縮拉桿(3)連接，在伸縮拉桿(3)上裝有位移傳感器(4);所述伸縮拉桿(3)內安裝有可控單自由度阻尼器(12)，或者伸縮拉桿(3)的旁邊并聯(lián)安裝有可控單自由度阻尼器(12)； 2)通過動平臺(7)上的安裝孔(9)將被測運動物體固定在動平臺(7)上，通過定平臺(I)上的安裝孔(10)將定平臺(I)固定在相對大地靜止不動的物體上； 3)讓被測運動物體振動，實時記錄下六個位移傳感器記錄下的六根伸縮拉桿的伸縮變化的位移時間曲線，然后通過伸縮拉桿的伸縮變化位移時間得出伸縮拉桿的運動變化規(guī)律，再通過正解的測量算法得出被測運動物體的振動規(guī)律； 4)查看正解的測量算法得出被測運動物體的振動規(guī)律是否是所需要的振動，如不是所需的振動，通過阻尼減振算法得出滿足所需振動需要的六個可控單自由度阻尼器的阻尼值； 5)調節(jié)六個可控單自由度阻尼器的阻尼值到阻尼減振算法得出的值，使被測運動物體的振動滿足要求。
2.根據權利要求I所述的空間六自由度振動測量及阻尼減振方法，其特征在于所述定平臺(I)和動平臺(7)均為圓形，下球鉸(2)在定平臺(I)上按六角形分布，上球鉸(8)在動平臺(X)上按六角形分布。
3.根據權利要求I所述的空間六自由度振動測量及阻尼減振方法，其特征在于所述定平臺(I)和動平臺(7)均為正六邊形，在定平臺(I)的六個角處安裝下球鉸(2)，動平臺(7)的六個角處安裝上球鉸(8)。
4.根據權利要求I或2或3所述的空間六自由度振動測量及阻尼減振方法，其特征在于所述伸縮拉桿(3)包括拉桿外殼(31)和伸縮桿(32)，拉桿外殼(31)為上端敞口下端密封的筒狀結構，該拉桿外殼(31)的下端通過連接頭(11)與下球鉸(2)連接，拉桿外殼(31)的上端套入伸縮桿(32)，所述伸縮桿(32)的上端通過連接頭與上球鉸(8)連接，在所述拉桿外殼(31)與伸縮桿(32)之間裝有可控單自由度阻尼器(12)。
5.根據權利要求4所述的空間六自由度振動測量及阻尼減振方法，其特征在于安裝在伸縮拉桿(3)上的位移傳感器(4)為光柵位移傳感器,該光柵位移傳感器由直線光柵尺(41)和讀數(shù)頭(42)組成，在所述伸縮桿(32)的外壁上沿其長度方向開有一條定位槽，直線光柵尺(41)安裝在該定位槽中，在所述拉桿外殼(31)上部對應定位槽的位置開有一個缺口，讀數(shù)頭(42)安裝在該缺口中，且讀數(shù)頭(42)通過基座(5)與拉桿外殼(31)相固定。
6.根據權利要求I或2或3所述的空間六自由度振動測量及阻尼減振方法，其特征在于安裝在伸縮拉桿(3)上的位移傳感器(4)為拉線式位移傳感器或磁電式位移傳感器或電渦流式位移傳感器或激光位移傳感器。
7.根據權利要求I所述的空間六自由度振動測量及阻尼減振方法，其特征在于步驟3)中正解的測量算法為在定平臺上選取參考坐標系0-XYZ，其原點O與定平臺的形心重合，X軸平行于B1B2,B1B2為其中兩個下球鉸的距離，Y軸在定平面內垂直于B1B2，動坐標系X'、V、V建立在動平臺的中心位置，初始狀態(tài)下X'、V、V坐標軸分別平行于X、Y、Z軸， 當動平臺改變時根據平面與平面上點的關系求出此時新點的坐標值P :P = WO+P'(I) 其中T為動平臺面姿態(tài)的方向余弦，
8.根據權利要求I所述的空間六自由度振動測量及阻尼減振方法，其特征在于步驟4)中的阻尼減振算法為 六自由度阻尼振動系統(tǒng)的運動微分方程 MQ]HCM+[K][q] = [F](6) 式中[M]為慣性矩陣，[C]為阻尼矩陣，[K]是剛度矩陣，[q]指伸縮拉桿的長度Ii⑴； 指伸縮拉桿運動的速度列向量指伸縮拉桿運動的加速度列向量；[F]指空間六自由度振動對伸縮拉桿力的列向量； 將方程出)寫成矩陣形式得
全文摘要
本發(fā)明公開了一種空間六自由度振動測量及阻尼減振方法，包括以下步驟1)搭建六位移傳感器并聯(lián)測量及阻尼減振機構；2)固定被測運動物體及定平臺；3)通過伸縮拉桿的伸縮變化位移時間得出伸縮拉桿的運動變化規(guī)律，再通過正解的測量算法得出被測運動物體的振動規(guī)律；4)通過阻尼減振算法得出滿足所需振動需要的六個單自由度可控阻尼器的阻尼值；5)調節(jié)六個單自由度可控阻尼器的阻尼值到阻尼減振算法得出的值。本發(fā)明通過一套機構實現(xiàn)了運動物體同一測量點的三個振動位移和三個振動角度的六自由度測量，同時能夠實現(xiàn)對運動物體的振動控制，具有精度高、結構簡單、靈活性好，適應能力強、應用范圍廣泛等特點。
文檔編號F16F15/02GK102628728SQ20121010580
公開日2012年8月8日 申請日期2012年4月12日 優(yōu)先權日2012年4月12日
發(fā)明者倪衛(wèi), 熊遷, 王成程, 石萬凱, 袁曉東, 謝志江, 蹇開林, 鄭萬國, 陳平 申請人:中國工程物理研究院激光聚變研究中心, 重慶大學