一种磁悬浮式空间全自由度绝对位姿传感系统的制作方法

1.本发明涉及振动测量技术领域，特别是涉及一种磁悬浮式空间全自由度绝对位姿传感系统。


背景技术：

2.绝对式振动姿态测量技术在广阔的工业领域具有重要的应用价值，如船舶设备保护、振动环境下光学平台的精密隔振，机车振动记录，无人机平台防抖，海洋平台、大跨度桥梁的安全检测，大型旋转机械(如水轮发电机组)和地震波信号的监测等。这些振动的共同特点是：振动频率低；机座、地基随振动体一起振动，没有或很难找到静止参考点，因此大量成熟的相对测振方法均难以实施。在低频主动振动控制系统，为了取得理想的效果，往往依赖于准确、实时的绝对振动姿态反馈，而低频时加速度、转速信号很容易被噪声覆盖，基于绝对位移反馈的隔振系统具有较低的振动传递率及动柔度，可提高对外界干扰的鲁棒性，消除低频振动，因而可避免测量时延和误差累计问题、更好的描述被测对象的振动特性。
3.研究人员已经提出了一些测量物体绝对运动的方法，例如对加速度或速度信号进行积分，然而任何实际传感器件的测量信号中都不可避免的存在一定的测量噪声，对于低频振动，在长时间的积分过程中必然会引入不可忽略累计误差；而测量速度则需要附加的速度传感器，增加了使用成本。并且这些测量方式仅能测量单自由度运动，对于更高自由度的运动则不能很好的测量。即传统的绝对振动位移传感技术往往在安装、精度、成本等方面存在缺陷，通过加速度计、陀螺仪等惯性测量技术直接计算或间接估计振动姿态时，又很难兼顾准确性、实时性和成本。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种磁悬浮式空间全自由度绝对位姿传感系统，该系统通过电磁机构实现准零刚度，从而提供绝对静止的参考平台，实现空间全自由度振动位姿的准确测量。系统测量频带宽，灵敏度高，适应性强，使用寿命长。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种磁悬浮式空间全自由度绝对位姿传感系统，包括参考平台、多个准零刚度支腿和待测平台；所述参考平台与待测平台通过多个结所述准零刚度支腿以球铰的方式连接；
7.所述准零刚度支腿包括下端球铰、下端盖、正刚度单元、负刚度单元、轴、下端壳体、上端壳体和上端球铰；所述下端球铰的球铰一端与所述待测平台连接，所述下端球铰的另一端通过螺纹与所述下端盖的一端连接；所述下端盖的另一端通过螺纹与所述下端壳体的一端连接，所述下端壳体的另一端与所述上端壳体的一端连接，所述上端球铰的球铰一端与所述参考平台连接，所述上端球铰的另一端通过螺纹与所述上端壳体的另一端连接；所述轴设置在所述下端壳体内，所述轴的一端与所述上端壳体连接；所述正刚度单元和所述负刚度单元均设置在所述轴上以及所述下端壳体的内壁上。
8.进一步地，所述正刚度单元包括第一正刚度线圈、第二正刚度线圈、第一正刚度磁铁以及第二正刚度磁铁；所述第一正刚度线圈和所述第二正刚度线圈固定在所述下端壳体的内壁上；所述第一正刚度磁铁和所述第二正刚度磁铁均轴向充磁，磁化方向相反，异名磁极相对设置，所述第一正刚度磁铁和所述第二正刚度磁铁固定在所述轴上。
9.进一步地，所述第一正刚度磁铁和所述第二正刚度磁铁之间设置有垫片。
10.进一步地，所述负刚度单元包括第一负刚度线圈、第二负刚度线圈、第一负刚度磁铁以及第二负刚度磁铁；所述第一负刚度线圈和所述第二负刚度线圈固定在所述下端壳体的内壁上；所述第一负刚度磁铁和所述第二负刚度磁铁均轴向充磁，磁化方向相反，异名磁极相对设置，所述第一负刚度磁铁和所述第二负刚度磁铁固定在所述轴上。
11.进一步地，所述第一负刚度磁铁和所述第二负刚度磁铁之间设置有垫片。
12.进一步地，所述下端壳体上开有槽口。
13.进一步地，所述准零刚度支腿还包括电涡流传感器和测量块；所述电涡流传感器设置在所述下端盖上，所述电涡流传感器的探头一端对准所述测量块的一端端面，所述测量块的另一端设置在所述轴的另一端上；所述电涡流传感器用于测量所述准零刚度支腿的变形量。
14.进一步地，所述系统还包括位姿解算器，所述位姿解算器与所述电涡流传感器连接，用于根据所述变形量求解得到所述待测平台的空间全自由度的绝对位移和姿态。
15.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
16.(1)采用磁悬浮式准零刚度机构实现参考平台的绝对静止，将空间运动物体的绝对运动测量转化为相对运动测量。装置测量频带宽，灵敏度高，无摩擦接触，系统使用寿命长。
17.(2)通过电磁机构提供正刚度与负刚度，调节电流可实现刚度调控，正、负刚度同步调节，易于调控。
18.(3)调节线圈中电流大小，可与不同大小的负载匹配，系统适应性强。
19.(4)通过单自由度磁悬浮式准零刚度传感系统与stewar平台结合，通过合理配置系统参数，传感系统可在空间全自由度表现出高静低动特性，从而实现空间全自由度的振动姿态传感。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明实施例磁悬浮式空间全自由度绝对位姿传感系统的等轴测图；
22.图2为本发明实施例磁悬浮式空间全自由度绝对位姿传感系统的主视图；
23.图3为本发明实施例磁悬浮式空间全自由度绝对位姿传感系统的俯视图；
24.图4为本发明实施例准零刚度支腿主视图；
25.图5为本发明实施例准零刚度支腿剖视图；
26.图6为磁悬浮式准零刚度机构剖视图。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.本发明的目的是提供一种磁悬浮式空间全自由度绝对位姿传感系统，该系统通过电磁机构实现准零刚度，从而提供绝对静止的参考平台，实现空间全自由度振动位姿的准确测量。系统测量频带宽，灵敏度高，适应性强，使用寿命长。
29.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
30.如1
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3所示，本发明公开的一种磁悬浮式空间全自由度绝对位姿传感系统，包括参考平台1、多个准零刚度支腿2和待测平台3；所述参考平台1与待测平台3通过多个结所述准零刚度支腿2以球铰的方式连接。
31.如图4
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5所示，所述准零刚度支腿包括下端球铰201、下端盖202、正刚度单元、负刚度单元、轴209、下端壳体210、上端壳体211和上端球铰212。所述下端球铰201的球铰一端与所述待测平台3连接，所述下端球铰201的另一端通过螺纹与所述下端盖202的一端连接；所述下端盖202的另一端通过螺纹与所述下端壳体210的一端连接，所述下端壳体210的另一端与所述上端壳体211的一端连接，所述上端球铰212的球铰一端与所述参考平台1连接，所述上端球铰212的另一端通过螺纹与所述上端壳体211的另一端连接。所述轴209设置在所述下端壳体210内，所述轴209的一端与所述上端壳体211连接；所述正刚度单元和所述负刚度单元均设置在所述轴209上以及所述下端壳体210的内壁上。
32.如图6所示为磁悬浮式准零刚度机构，所述正刚度单元包括第一正刚度线圈205、第二正刚度线圈206、第一正刚度磁铁214以及第二正刚度磁铁215。通电线圈产生的电磁场与永磁体产生的磁场产生相互作用以产生正刚度。所述第一正刚度线圈205和所述第二正刚度线圈206固定在所述下端壳体210的内壁上；二者无相对滑动，两个线圈之间有固定间隙，该间隙会影响刚度的非线性度，可根据实际需要选取，一般情况下为一个线圈厚度。
33.所述第一正刚度磁铁214和所述第二正刚度磁铁215均轴向充磁，磁化方向相反，异名磁极相对设置，所述第一正刚度磁铁214和所述第二正刚度磁铁215通过第一固定环213固定在所述轴209上。永磁体与运动轴无相对滑动，所述第一正刚度磁铁214和所述第二正刚度磁铁215间装有垫片220，该垫片厚度也会影响刚度的非线性度，需根据具体尺寸计算。电磁线圈内径略大于永磁体外径，因此当永磁体带动轴上下运动时，电磁线圈与永磁体之间不会发生运动干涉。
34.所述负刚度单元包括第一负刚度线圈207、第二负刚度线圈208、第一负刚度磁铁216以及第二负刚度磁铁217。
35.所述第一负刚度线圈207和所述第二负刚度线圈208固定在所述下端壳体210的内壁上。所述第一负刚度磁铁216和所述第二负刚度磁铁217均轴向充磁，磁化方向相反，异名磁极相对设置，所述第一负刚度磁铁216和所述第二负刚度磁铁217通过第二固定环218固定在所述轴209上。所述第一负刚度磁铁216和所述第二负刚度磁铁217之间设置有垫片219。
36.负刚度单元的尺寸与安装条件与正刚度单元无异，不同点在于永磁体的线圈通电方向与运动范围。其中正刚度单元中第二正刚度线圈206通电方向应使得该线圈产生的磁场与第二正刚度磁铁215产生的磁场方向相同，第一正刚度线圈205的通电方向与第二正刚度线圈206相反。负刚度单元中第二负刚度线圈208的通电方向应使得该线圈产生的磁场与第二负刚度磁铁217产生的磁场方向相反，第一负刚度线圈207的通电方向与第二正刚度线圈206相反；所有线圈中电流大小相同。为使正负刚度单元不相互影响，第二正刚度线圈206与第一负刚度线圈207之间需留一定间隙，通常至少为两个线圈厚度，可根据需要选取。
37.其中，下端壳体210上开有槽口，以便接线与观察内部情况。
38.其中，所述准零刚度支腿2还包括电涡流传感器203和测量块204；所述电涡流传感器203设置在所述下端盖202上，所述电涡流传感器203的探头一端对准所述测量块204的一端端面，所述测量块204的另一端设置在所述轴209的另一端上；测量块204与上壳体210随运动轴209运动。所述电涡流传感器203用于测量所述准零刚度支腿2的变形量。
39.所述系统还包括位姿解算器4，所述位姿解算器4与所述电涡流传感器203连接，用于根据所述变形量求解得到所述待测平台的空间全自由度的绝对位移和姿态。
40.为使系统在运动过程中，产生恒定的力来承担轴、测量块、永磁体、上端壳体的重量，需使得正刚度单元与负刚度单元产生的力均沿轴向向上。在电磁单元中以两线圈的轴向中间位置为分界线分为上半区与下半区，下半区为靠近待测平台一段，上半区为靠近参考平台一端，则正刚度元中永磁体运动范围应在下半区，负刚度单元永磁体运动范围应在上半区。
41.本实施例中，每一条支腿中正刚度单元与负刚度单元均采用电磁式，线圈通电时实现磁悬浮状态，轴及固定在轴上的零件在运动时，与周围零件无摩擦接触，可有效减少机构阻尼。由于正负刚度单元结构尺寸相同，各线圈中电流大小相同，因此可以产生大小相等，方向相反的刚度，二者叠加后实现准零刚度，拓展了低频测量带宽；同时调节正负刚度单元中的电流大小，可进行刚度调节，增加了机构调控的便捷性；改变电流大小，可与不同的负载进行匹配，增加了机构的适应性。六条磁悬浮式准零刚度支腿共同实现整个系统的准零刚度。待测平台发生空间振动时，由于系统综合刚度近零，使其运动不能传递至参考平台，因此参考平台处于绝对静止状态；此时，通过电涡流传感器可以测得六个支腿的变形量，将六组变形量分别输入到位姿解算器，通过六自由度装置的运动学正解，即可求解得到待测平台的空间全自由度的绝对位移和姿态。
42.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
43.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。