本發(fā)明涉及一種氣浮球軸承三維姿態(tài)測量裝置，屬于軸承姿態(tài)測量裝置技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

精密測量、高精度姿態(tài)控制、零重力環(huán)境模擬等要求相對轉(zhuǎn)動的兩體間不存在摩擦力或者摩擦力盡可能的小。氣懸浮球軸承通過從節(jié)流嘴噴出高壓氣體在氣浮球和球窩之間，實現(xiàn)它們的非接觸低摩擦相對轉(zhuǎn)動。由于氣懸浮球軸承具有高剛度、零摩擦等特點，因此在空間零重力環(huán)境模擬、精密裝配、高精度姿態(tài)控制等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

氣懸浮球軸承主要包括氣浮球和球窩，兩者通常采用研磨的方式保證最終的球面度，通過在氣浮球或者球窩的節(jié)流孔供入高壓氣體，使兩者相對懸浮，實現(xiàn)三軸的無摩擦轉(zhuǎn)動，可以高精度的模擬失重環(huán)境和三軸姿態(tài)運動。然而，氣浮球相對于球窩的轉(zhuǎn)動不同于框架式的轉(zhuǎn)臺，其轉(zhuǎn)動沒有固定的轉(zhuǎn)軸，這給對球軸承轉(zhuǎn)動角度和角速度的測量帶來困難。通常對球軸承姿態(tài)運動的測量采用在運動部件上安裝慣性測量單元，如陀螺等。然而這種測量方式的缺點是：1、造價高，2、氣浮球附加物改變其質(zhì)量特性，3、氣浮球軸承的三維姿態(tài)需要經(jīng)過復(fù)雜的解算得到，且精度有限。另一種實現(xiàn)方式是利用室內(nèi)GPS、視覺等手段進行測量，該方式雖然可以直接得到氣浮球軸承相對于地面坐標(biāo)系的三軸運動姿態(tài)，然而氣浮球上需要安裝靶標(biāo)等設(shè)備，同時需要與廠房的室內(nèi)GPS或視覺相機配合使用，每次移動后需要重新標(biāo)定，不僅使用復(fù)雜、成本高，而且失去了獨立性。

隨著空間技術(shù)等高新技術(shù)發(fā)展，氣浮球軸承的需求日益增加，其姿態(tài)測量問題也成了限制其推廣的瓶頸問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，進而提供一種氣浮球軸承三維姿態(tài)測量裝置。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種氣浮球軸承三維姿態(tài)測量裝置，包括：赤道面轉(zhuǎn)接件、內(nèi)環(huán)、外環(huán)、氣浮球、外環(huán)驅(qū)動電機、內(nèi)環(huán)驅(qū)動電機、氣浮球窩及底座、俯仰間隙傳感器、滾轉(zhuǎn)間隙傳感器、自轉(zhuǎn)角度傳感器、內(nèi)環(huán)角度傳感器和外環(huán)角度傳感器；所述赤道面轉(zhuǎn)接件與氣浮球的上部安裝端面連接，赤道面轉(zhuǎn)接件下部的環(huán)面與氣浮球的赤道面共面，用于轉(zhuǎn)接出過氣浮球赤道面的自轉(zhuǎn)角度傳感器、俯仰間隙傳感器和滾轉(zhuǎn)間隙傳感器的測量環(huán)面；所述外環(huán)安裝在氣浮球窩及底座上，內(nèi)環(huán)安裝在外環(huán)上，內(nèi)環(huán)與外環(huán)的轉(zhuǎn)動軸正交；所述內(nèi)環(huán)驅(qū)動電機連接外環(huán)和內(nèi)環(huán)，通過滾轉(zhuǎn)間隙傳感器反饋偏差驅(qū)動內(nèi)環(huán)相對外環(huán)轉(zhuǎn)動；所述外環(huán)驅(qū)動電機連接外環(huán)和氣浮球窩及底座，通過俯仰間隙傳感器反饋偏差驅(qū)動外環(huán)相對于氣浮球窩及底座轉(zhuǎn)動；所述氣浮球窩及底座相對地面安裝固定，通過高壓氣膜懸浮支撐氣浮球，與氣浮球構(gòu)成氣浮球軸承，同時提供外環(huán)驅(qū)動電機和外環(huán)角度傳感器的安裝位置；所述俯仰間隙傳感器和滾轉(zhuǎn)間隙傳感器分別安裝在內(nèi)環(huán)的滾轉(zhuǎn)軸和俯仰軸方位上，所述自轉(zhuǎn)角度傳感器安裝在內(nèi)環(huán)和赤道面轉(zhuǎn)接件之間，所述內(nèi)環(huán)角度傳感器安裝在內(nèi)環(huán)和外環(huán)之間，所述外環(huán)角度傳感器安裝在外環(huán)和氣浮球窩及底座之間。

本發(fā)明的有益效果為：采用主動伺服跟蹤測量技術(shù)，實現(xiàn)對氣浮球軸承的三維姿態(tài)運動角度或角速度的解耦測量；整個裝置通過檢測間隙，跟蹤氣浮球的運動，保證所有部件與氣浮球為非接觸狀態(tài)，不影響氣浮球相對于氣浮球窩的無摩擦非接觸轉(zhuǎn)動；整體結(jié)構(gòu)緊湊，集成度和可靠性高，成本低；避免了在氣浮球上附加負(fù)載，也不需要廠房安裝其它設(shè)備配合，應(yīng)用于基于氣浮球軸承的高精度姿態(tài)模擬、零重力試驗設(shè)備或系統(tǒng)時，可以提高系統(tǒng)的集成度，提高系統(tǒng)的測量精度，降低整個系統(tǒng)的開發(fā)難度和成本、縮短開發(fā)周期。

附圖說明

圖1為本發(fā)明氣浮球軸承三維姿態(tài)測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖(主視)。

圖2為本發(fā)明氣浮球軸承三維姿態(tài)測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖(左視)。

圖3為本發(fā)明氣浮球軸承三維姿態(tài)測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖(俯視)。

圖4為本發(fā)明所提供的球軸承姿態(tài)角測量裝置的控制原理圖。

圖1～圖3中的附圖標(biāo)記，1為赤道面轉(zhuǎn)接件，2為內(nèi)環(huán)，3為外環(huán)，4為氣浮球，5為外環(huán)驅(qū)動電機，6為內(nèi)環(huán)驅(qū)動電機，7為氣浮球窩及底座，8為俯仰間隙傳感器，9為滾轉(zhuǎn)間隙傳感器，10為自轉(zhuǎn)角度傳感器，11為內(nèi)環(huán)角度傳感器，12為外環(huán)角度傳感器。

圖4中的附圖標(biāo)記，ψ為俯仰角、φ為滾轉(zhuǎn)角、θ為自轉(zhuǎn)角、Δψ為俯仰角跟蹤偏差、Δφ為滾轉(zhuǎn)角跟蹤偏差、δ_ψ為內(nèi)環(huán)與赤道面轉(zhuǎn)接件俯仰方向間隙、δ_φ為內(nèi)環(huán)與赤道面轉(zhuǎn)接件滾轉(zhuǎn)方向間隙、為俯仰間隙傳感器測量值、為滾轉(zhuǎn)間隙傳感器測量值、ψ_m為外環(huán)轉(zhuǎn)角、φ_m為內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)角、為外環(huán)角度傳感器測量值、為內(nèi)環(huán)角度傳感器測量值、為解算得到的外環(huán)跟蹤偏差、為解算得到的內(nèi)環(huán)跟蹤偏差、為解算得到的氣浮球俯仰角、為解算得到氣浮球滾轉(zhuǎn)角，為測量得到的自轉(zhuǎn)角度。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細(xì)說明：本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細(xì)的實施方式，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述實施例。

如圖1～圖3所示，本實施例所涉及的一種氣浮球軸承三維姿態(tài)測量裝置，包括：赤道面轉(zhuǎn)接件1、內(nèi)環(huán)2、外環(huán)3、氣浮球4、外環(huán)驅(qū)動電機5、內(nèi)環(huán)驅(qū)動電機6、氣浮球窩及底座7、俯仰間隙傳感器8、滾轉(zhuǎn)間隙傳感器9、自轉(zhuǎn)角度傳感器10、內(nèi)環(huán)角度傳感器11和外環(huán)角度傳感器12，所述赤道面轉(zhuǎn)接件1與氣浮球4的上部安裝端面連接，赤道面轉(zhuǎn)接件1下部的環(huán)面與氣浮球4的赤道面(與安裝端面平行的最大圓面)共面，用于轉(zhuǎn)接出過氣浮球赤道面的自轉(zhuǎn)角度傳感器10、俯仰間隙傳感器8和滾轉(zhuǎn)間隙傳感器9的測量環(huán)面；

所述內(nèi)環(huán)2安裝在外環(huán)3上，通過外環(huán)3的轉(zhuǎn)動和內(nèi)環(huán)2相對外環(huán)3的轉(zhuǎn)動，跟蹤氣浮球4的赤道面保證始終與赤道面共面，其與赤道面的不共面偏差由安裝在內(nèi)環(huán)2上的俯仰間隙傳感器8和滾轉(zhuǎn)間隙傳感器9檢測赤道面轉(zhuǎn)接件1上赤道環(huán)與內(nèi)環(huán)2上邊緣及下邊緣之間的偏差實現(xiàn)，通過將俯仰間隙傳感器8檢測到的偏差反饋給外環(huán)驅(qū)動電機5和將滾轉(zhuǎn)間隙傳感器9檢測的偏差反饋給內(nèi)環(huán)驅(qū)動電機6，控制外環(huán)驅(qū)動電機5和內(nèi)環(huán)驅(qū)動電機6，消除偏差；內(nèi)環(huán)2通過安裝在外環(huán)3的內(nèi)環(huán)驅(qū)動電機6驅(qū)動轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)動角度通過內(nèi)環(huán)角度傳感器11實現(xiàn)測量；

所述外環(huán)3安裝在氣浮球窩及底座7上，俯仰間隙傳感器8測量偏差反饋，并通過外環(huán)驅(qū)動電機5實現(xiàn)轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動角度通過安裝在底座和外環(huán)之間的外環(huán)角度傳感器12測量；外環(huán)3提供內(nèi)環(huán)2的安裝位置，包括轉(zhuǎn)軸、驅(qū)動電機和角度測量裝置；內(nèi)環(huán)2與外環(huán)3的轉(zhuǎn)動軸正交；

所述氣浮球4與氣浮球窩及底座7配合，通過通入壓縮氣體形成高壓氣膜，構(gòu)成氣浮球軸承，實現(xiàn)無摩擦三軸轉(zhuǎn)動；

所述外環(huán)驅(qū)動電機5、氣浮球窩及底座7和外環(huán)3，通過俯仰間隙傳感器8反饋偏差驅(qū)動外環(huán)3轉(zhuǎn)動來消除偏差；

所述內(nèi)環(huán)驅(qū)動電機6連接外環(huán)3和內(nèi)環(huán)2，通過滾轉(zhuǎn)間隙傳感器反饋偏差驅(qū)動內(nèi)環(huán)2相對外環(huán)3轉(zhuǎn)動，消除偏差；

所述氣浮球窩及底座7相對地面安裝固定，通過高壓氣膜懸浮支撐氣浮球4，與氣浮球4構(gòu)成氣浮球軸承，同時提供外環(huán)驅(qū)動電機5和外環(huán)角度傳感器12的安裝位置；

所述俯仰間隙傳感器8和滾轉(zhuǎn)間隙傳感器9分別安裝在內(nèi)環(huán)2的滾轉(zhuǎn)軸和俯仰軸方位上，分別用于測量氣浮球4的俯仰運動和滾轉(zhuǎn)運動造成的赤道面轉(zhuǎn)接件1赤道面邊緣與內(nèi)環(huán)2之間的在俯仰方向和滾裝方向上的間隙偏差，用來驅(qū)動外環(huán)驅(qū)動電機5和內(nèi)環(huán)驅(qū)動電機6轉(zhuǎn)動；

所述自轉(zhuǎn)角度傳感器10安裝在內(nèi)環(huán)2和赤道面轉(zhuǎn)接件1之間，用于測量赤道面轉(zhuǎn)接件1和氣浮球4相對于內(nèi)環(huán)2的轉(zhuǎn)動角度或角速度；

所述內(nèi)環(huán)角度傳感器11安裝在內(nèi)環(huán)2和外環(huán)3之間，用于測量內(nèi)環(huán)2相對于外環(huán)3的轉(zhuǎn)動角度或角速度；

所述外環(huán)角度傳感器12安裝在外環(huán)3和氣浮球窩及底座7之間，用于測量外環(huán)相對于氣浮球窩及底座7的轉(zhuǎn)動角度或角速度。

所述自轉(zhuǎn)角度傳感器10采用圓光柵，但不限于圓光柵。

所述俯仰間隙傳感器8或滾轉(zhuǎn)間隙傳感器9采用電渦流傳感器，但不限于電渦流傳感器。

所述內(nèi)環(huán)角度傳感器11或外環(huán)角度傳感器12采用編碼器，但不限于編碼器。

在氣浮球4繞自身體軸自轉(zhuǎn)時，通過自轉(zhuǎn)角度傳感器10測量氣浮球4相對于內(nèi)環(huán)2的轉(zhuǎn)動角度或角速度；在氣浮球4發(fā)生俯仰運動時，通過俯仰間隙傳感器8測量偏差并驅(qū)動外環(huán)驅(qū)動電機5驅(qū)動內(nèi)環(huán)2跟蹤氣浮球4的俯仰運動，氣浮球4的俯仰角度或角速度通過外環(huán)角度傳感器12和俯仰間隙傳感器8共同測量得到；在氣浮球4發(fā)生滾轉(zhuǎn)運動時，通過滾轉(zhuǎn)間隙傳感器9測量偏差并驅(qū)動內(nèi)環(huán)驅(qū)動電機6驅(qū)動外環(huán)3轉(zhuǎn)動跟蹤氣浮球4的滾轉(zhuǎn)運動，氣浮球4的滾轉(zhuǎn)角度或角速度通過內(nèi)環(huán)角度傳感器11和滾轉(zhuǎn)間隙傳感器9共同測量得到；在氣浮球發(fā)生任意姿態(tài)運動時，外環(huán)驅(qū)動電機5驅(qū)動外環(huán)3跟蹤氣浮球4的俯仰運動，內(nèi)環(huán)驅(qū)動電機6驅(qū)動內(nèi)環(huán)2跟蹤氣浮球的滾轉(zhuǎn)運動，從而保證內(nèi)環(huán)2始終跟蹤氣浮球4的赤道面，也即赤道面轉(zhuǎn)接件1的赤道面，跟蹤偏差分別由俯仰間隙傳感器8和滾轉(zhuǎn)間隙傳感器9測量得到，此時，氣浮球4的自轉(zhuǎn)角度和角速度由自轉(zhuǎn)角度傳感器10測量，俯仰角度或角速度由外環(huán)角度傳感器12和俯仰間隙傳感器8共同測量得到，滾轉(zhuǎn)角度或角速度通過內(nèi)環(huán)角度傳感器11和滾轉(zhuǎn)間隙傳感器9共同測量得到。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，這些具體實施方式都是基于本發(fā)明整體構(gòu)思下的不同實現(xiàn)方式，而且本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護范圍為準(zhǔn)。