一种转位机构性能测试系统大惯量原位校准装置及方法

技术领域

本发明涉及计量校准技术领域，具体地，涉及一种转位机构性能测试系统大惯量原位校准装置。

背景技术

空间站转位机构性能测试系统是转位机构研制阶段所必须的关键测试设备，主要用于模拟太空环境中核心舱与实验舱对接之后，将实验舱转移到侧向对接口的相对运动过程。

在进行地面测试试验时，转动惯量等特殊测量参数是空间站转位机构性能测试系统用于模拟空间站转位过程中的关键参数，关系地面试验中模拟节点舱和待转舱的质量和惯性特性的准确性，进而影响转位机构对转位偏差的适应性，直接影响到整个试验系统的仿真精度和转位机构试验结果的正确性，导致无法对转位机构的性能与可靠性做出正确判断。特别是测试系统模拟大惯量的惯性模拟器体积庞大、质量重、形状结构复杂、惯量值远超常规量级(达到10

目前，对于转位机构性能测试系统的关键参数的量值溯源，还存在一定的局限，未形成一套系统的在线校准方法，测试系统的惯量模拟器转动惯量参数，采用质量称重加软件计算法，由于模拟器组件的加工精度和质量分布不均匀的因素，使得组件测量值和实际值存在一定偏差。此外，模拟大惯量参数存在不能测等突出的问题。因此，为保障转位机构研制生产的质量，保证转位机构性能测试系统等地面试验系统测量数据的准确可靠，提高现场校准的效率，迫切需要针对测试系统的结构特点，开展关键参数的在线校准技术研究，有效解决转位机构性能测试系统地面试验过程中计量保障的迫切需求，从而为空间站转位机构顺利完成正样研制的生产任务提供计量保障。

经检索，查到较为接近的3篇现有技术：

1)专利：一种大型重载转动惯量的高精度测量装置201710263281.3，该专利涉及一种大型重载转动惯量的高精度测量装置，采用力矩电机产生摇摆运动，通过编码器记录气浮轴承的位置角度值和周期，扭矩传感器记录产生摇摆运动时的力矩值，通过公式换算即可求出转动惯量值，但与本发明的原理不同，且应用领域具有较大差异，不能解决本发明的技术问题。

2)专利：一种主动控制正弦扭摆法转动惯量测量装置及方法201811359729.2，该专利涉及一种主动控制正弦扭摆法的转动惯量测量方法，可将转动惯量量值溯源至扭矩和角加速度，但与本发明的原理不同，且应用领域具有较大差异，不能解决本发明的技术问题。

3)专利：气浮轴承支撑台式扭摆法转动惯量测量装置及方法201610227419.X，该专利涉及一种气浮轴承支撑台式扭摆法转动惯量测量装置,包括底座、外套、扭摆组件和工作台。该发明无法用于现场原位校准测试，不能解决本发明的技术问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种转位机构性能测试系统大惯量原位校准装置，其特征在于，包括：测试系统实物惯量原位校准装置、力矩测量单元、高精度转速测量单元、上位机；其中，

所述力矩测量单元获取转位机构性能测试系统惯量模拟器模拟转动惯量状态下产生的摩擦力矩和输出力矩；

所述高精度测角单元获取转位机构性能测试系统惯量模拟器的输入输出端的转速，计算真实传动比的值；

所述实物惯量原位校准装置获取实物转动惯量；

通过摩擦力矩和输出力矩、真实传动比的值以及实物转动惯量得到转位机构性能测试系统惯量模拟器模拟大量级转动惯量的值。

优选地，所述测试系统实物惯量原位校准装置包括距离测量单元、数控单元、激振单元、附加质量单元和限位机构；其中，

所述激振单元包括音圈电机及其驱动器；

所述数控单元包括控制器以及数据处理与显示模块；

所述数控单元的控制器控制所述激振单元的音圈电机的驱动器，使音圈电机产生一个正弦激振，音圈电机推动惯量模拟器作自由扭摆运动；

所述数控单元的数据处理与显示模块通过数据处理分析，得到音圈电机的振动周期、加速度、振幅的值并显示；

所述距离测量单元包括靶球组件、激光跟踪仪；其中，激光跟踪仪和靶球组件固定放置在所述附加质量单元的质心位置，通过回转惯量模拟器，获得惯量模拟器飞轮回转中心轴线，和靶球位置即质量块单元的质心位置的坐标信息，得到标准质量块质心与摆动轴之间的水平距离；

所述附加质量单元用于获取惯量模拟器额外增加的转动惯量，通过相应的计算公式得出飞轮惯量模拟器的转动惯量；

所述限位机构用于使惯量模拟器能够绕经过飞行模拟器的质心的回转轴进行无阻尼微幅扭振，对转动惯量摆频周期参数的测量。

优选地，所述力矩测量单元包括力矩加载机构、测角单元、数据同步采集单元；其中，

所述力矩加载机构为电机加载机构，同时测量摩擦力矩参数；

所述测角单元采用光电编码器，监测力矩加载时轴系的角度变化情况，当角度发生明显改变时，即摩擦力矩最大值，配合摩擦力矩测量单元完成摩擦力矩参数的测量；

所述数据同步采集单元用于同步获取力矩和角度变化值，完成对摩擦力矩在线精确测量。

优选地，所述力矩加载机构包括力矩电机、传动机构、驱动器和控制器；其中，

所述传动机构采用减速增力装置作传动，所述驱动器驱动力矩电机施行力矩加载，所述控制器通过对电机的电流电压的控制来实现对加载转速和力矩的精确控制，实现对扭矩传感器安全平稳地施加负载。

优选地，所述摩擦力矩测量时，加载机构的前端安装标准扭矩传感器，需要用联轴器与测试系统的力矩加载单元轴系相连接；加载机构对力矩加载单元的轴系端部以一定方式逐点加载，经过信号调理和数据处理，从显示仪器中记录测量单元中扭矩传感器的输出量值。

优选地，所述高精度测角单元采用光学编码器进行转速原位测量，与力矩加载机构组成力矩测量单元进行摩擦力矩的实时原位测量，同时实现对测试系统输入和输出端转速的测量；

通过研制工装和微调机构实现“基准同一”，通过上位机测量软件数据处理分析，得到转速测量值，完成原位校准工作。

优选地，所述光电编码器包括光栅盘和光电检测装置；所述光栅盘是将圆板上等分地开通若干个长方形孔；采用联轴器将光电码盘与被测设备转轴同轴，被测设备旋转时，光栅盘与其同步旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。

优选地，为判断旋转方向，码盘提供相位相差90°的两路脉冲信号。

本发明还提供了一种采用转位机构性能测试系统大惯量原位校准装置的校准方法，包括：

对测试系统惯量模拟器实物转动惯量进行原位校准；

控制力矩测量单元的力矩加载机构对惯量模拟器进行指定转速的低速旋转，旋转过程中通过力矩测量单元获取输入力矩和摩擦力矩值；

安装在输入轴和输出轴上的两套高精度测角单元分别获取在增速器作用下输入端和输出端的不同转速值，得到转速比参数；

通过转动惯量解算公式，得到相对应的模拟大惯量值，实现对测试系统惯量模拟器模拟大量级转动惯量的原位校准。

优选地，所述对测试系统惯量模拟器实物转动惯量进行原位校准的方法包括：

音圈电机产生正弦激振，音圈电机推动惯量模拟器作自由扭摆运动；

激振单元对转位机构性能测试系统惯量模拟器沿切向方向进行激振；

数控单元获取扭振周期，低摩擦低阻尼自由度的限位机构确保惯量模拟器绕指定轴扭振；

附加质量单元获取整个系统附加的质量和转动惯量值；

基于转动惯量解算公式，计算相对应的转动惯量值，实现对测试系统惯量模拟器实物惯量的原位校准。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1.原位校准装置可以分别实现对测试系统惯量模拟器实物惯量和模拟大量级惯量的原位校准。

2.力矩测量单元采用力矩电机研制力矩加载机构，具有响应快、特性线性度好、力矩波动小的特点，可以精确平稳施加恒定力矩。借助高精度测角单元和数据同步采集单元可以实现对测试系统输入端摩擦力矩的高精度实时在线测量。

3.安装在输入轴和输出轴上的高精度测角单元可以测量测试系统输入端和输出端的转角参数值，也可以测量转速参数值。

4.采用基于PXI技术的同步数据采集技术，同步监测回转轴系的转角变化情况，将摩擦力矩值和转角变化值进行同步数据采集，准确的测得系统所受到的摩擦力矩。

5.研制与测试系统配套的带有定位调整功能的限位机构解决原位校准中坐标基准同一的问题。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为转位机构性能测试系统实物惯量原位校准装置框图；

图2为转位机构性能测试系统大惯量原位校准装置框图；

图3为转位机构性能测试系统实物惯量原位校准示意图；

图4为转位机构性能测试系统实物惯量原位校准总体框图；

图5为激振单元与数控单元原理框图；

图6为距离测量单元原理框图；

图7为限位机构结构示意图；

图8为力矩测量单元原理框图；

图9为加载机构框图；

图10为摩擦力矩测量框图；

图11为光电编码器测转速原理图；

图12为高精度测角单元装置框图；

图13为惯量模拟器结构图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

转位机构综合试验系统模拟转动惯量达到10

基于转位测试系统结构特点，本发明研制了相应的限制运动自由度的限位机构，使惯量模拟器只绕特定回转轴作自由回转；然后研制精密控制的激振单元，使惯量模拟器作近似无阻尼自由扭振。通过距离测量单元、数控单元以及附加质量单元获得转动惯量所需的参数，通过相应计算公式得到转动惯量实际测量值，完成转位机构综合试验系统实物惯量的原位校准。对于物理模拟大惯量，本项目将基于高精度转速测量技术和摩擦力矩在线测量技术，研制高精度测角单元和力矩测量单元，突破对10

本发明设计研制了一种转位机构性能测试系统大惯量原位校准方法和校准装置，可以对测试系统10

(1)测试系统大惯量原位校准装置由测试系统实物惯量原位校准装置、转矩测量单元、高精度转速测量单元、上位机等组成。其中，测试系统实物惯量原位校准装置由距离测量单元、数控单元、激振单元、附加质量单元和限位机构等组成；转矩测量单元由力矩加载机构、标准力矩传感器、数据同步采集单元、校准工装组成；高精度测角单元由光电编码器、数据同步采集单元、微调工装组成。

(2)测试系统实物惯量原位校准方法为：采用基于音圈电机的电弹簧扭振测量方法，研制激振单元对转位机构性能测试系统惯量模拟器沿切向方向进行激振，由数控单元获取扭振周期，研制低摩擦低阻尼自由度的限位机构确保惯量模拟器绕指定轴扭振，研制附加质量单元获取整个系统附加的质量和转动惯量值，基于转动惯量解算公式，计算相对应的转动惯量值，实现对测试系统惯量模拟器实物惯量的原位校准。

(3)测试系统大惯量原位校准方法为：首先对测试系统惯量模拟器实物转动惯量进行原位校准。然后控制力矩测量单元的力矩加载机构对惯量模拟器进行指定转速的低速旋转，旋转过程中通过力矩测量单元获取输入力矩和摩擦力矩值，安装在输入轴和输出轴上的两套高精度测角单元分别获取在增速器作用下输入端和输出端的不同转速值，得到转速比参数，最后通过转动惯量解算公式，得到相对应的模拟大惯量值，实现对测试系统惯量模拟器模拟大量级转动惯量的原位校准。

(4)在测试系统大惯量原位校准时，力矩测量单元可以获取旋转时的摩擦力矩，具体方法为：基于力矩电机研制力矩加载机构并组建力矩测量单元，基于光电编码器测角技术研制高精度测角单元，基于PXI模块化测量的同步数据采集技术研制数据同步采集单元，将摩擦力矩值和转角变化值进行同步数据采集，同步监测受到力矩加载的轴系的转角变化，通过精确力矩加载控制，获取惯量模拟器加载时的摩擦力矩参数值。

(5)利用摩擦力矩测量时用的高精度测角单元，基于高精度细分信号处理技术对输入/输出输入输出端的转角和时序进行测量和分析处理，通过同步数据采集单元给上位机得到对应的转速值。

下面参考附图1-12对本发明的具体方案进行说明。

如图2所示，本发明的一种转位机构性能测试系统大惯量原位校准装置，包括：测试系统实物惯量原位校准装置、力矩测量单元、高精度转速测量单元、上位机；其中，

所述力矩测量单元获取转位机构性能测试系统惯量模拟器模拟转动惯量状态下产生的摩擦力矩和输出力矩；

所述高精度测角单元获取转位机构性能测试系统惯量模拟器的输入输出端的转速，计算真实传动比的值；

所述实物惯量原位校准装置获取实物转动惯量；

通过摩擦力矩和输出力矩、真实传动比的值以及实物转动惯量得到转位机构性能测试系统惯量模拟器模拟大量级转动惯量的值。

如图1和图4所示，本发明依据转位机构性能测试系统的测量技术指标和安装结构特点，采用激光跟踪测量系统组建距离测量单元测量标准质量块与回转轴之间的距离；研制标准质量块组建附加质量单元，标准质量块的质量特性参数通过计量技术机构溯源得到；利用音圈电机的数控系统(数控单元)获取整个系统扭摆过程中音圈电机的振动周期(惯量模拟器摆频周期)、加速度和振幅等参数；采用音圈电机和配套安装工装构建激振单元，产生一定幅度的激振使得飞轮惯量模拟器能够绕回转轴系扭摆；研制与试验台和振动单元配套的限位机构，使整个系统只能绕指定轴摆动。最后，由激振单元、数控单元、距离测量单元、附加质量单元和限位机构共同组建转位机构性能测试系统惯量模拟器实物转动惯量原位校准装置。通过对数控单元、距离测量单元和标准质量块等相应的指标参数获取，基于转动惯量计算公式，计算相对应的转动惯量值，实现对转位机构性能测试系统惯量模拟器实物转动惯量的原位校准。

所述测试系统实物惯量原位校准装置包括距离测量单元、数控单元、激振单元、附加质量单元和限位机构；其中，

所述激振单元包括音圈电机及其驱动器；如图5所示，本发明采用音圈电机及其驱动控制器组成的系统研建转位机构性能测试系统实物惯量原位校准装置的激振单元和数控单元，如下图所示。控制器控制音圈电机的驱动器，使音圈电机产生一个正弦激振，音圈电机推动惯量模拟器作自由扭摆运动。控制器作为音圈电机的数控系统单元通过数据处理分析，得到音圈电机的各种参数指标(振动周期、加速度、振幅)的值。

所述数控单元包括控制器以及数据处理与显示模块；

所述数控单元的控制器控制所述激振单元的音圈电机的驱动器，使音圈电机产生一个正弦激振，音圈电机推动惯量模拟器作自由扭摆运动；

所述数控单元的数据处理与显示模块通过数据处理分析，得到音圈电机的振动周期、加速度、振幅的值并显示；

所述距离测量单元包括靶球组件、激光跟踪仪；其中，激光跟踪仪和靶球组件固定放置在所述附加质量单元的质心位置，通过回转惯量模拟器，获得惯量模拟器飞轮回转中心轴线，和靶球位置即质量块单元的质心位置的坐标信息，得到标准质量块质心与摆动轴之间的水平距离。距离测量单元的框图如图6所示，惯量模拟器转动惯量在线校准中，标准质量块质心与摆动轴之间的水平距离L

所述附加质量单元用于获取惯量模拟器额外增加的转动惯量，通过相应的计算公式得出飞轮惯量模拟器的转动惯量。其中，转位机构性能测试系统实物转动惯量原位校准需要借助在飞轮外缘附加的标准质量块，获取惯量模拟器额外增加的转动惯量，通过相应的计算公式得出飞轮惯量模拟器的转动惯量。附加的转动惯量如果太小，与惯量模拟器本身转动惯量的量级差别太大，会导致测量精度下降，因此需要研制一套与转位机构性能测试系统惯量模拟器结构与测量量级配套的标准质量块组建附加质量单元。

根据转动惯量平行轴定理，可知惯量模拟器整个系统增加的转动惯量主要由标准质量块自身的转动惯量和距离回转轴距离产生的附加转动惯量两部分组成。标准质量块按照中心对称原则安放在惯量模拟器飞轮外缘弧形连接板上，能够得到距离回转轴较远的距离，即获得较大的附加转动惯量。

根据设计的校准方法，实物转动惯量的校准时需要4块形状、质量相同的标准质量块，为了确保标准质量块自身质量特性易于校准，将标准质量块设计成形状规则的圆盘形状，不仅易于加工和计量，同时安装方便，而且能够在实际校准过程中获得较大的附加转动惯量。

所述限位机构用于使惯量模拟器能够绕经过飞行模拟器的质心的回转轴进行无阻尼微幅扭振，对转动惯量摆频周期参数的测量。

在对转位机构性能测试系统惯量模拟器实物转动惯量进行原位校准测量时，必须使得惯量模拟器能够绕某一特定回转轴(回转轴经过飞行模拟器的质心)进行近似无阻尼微幅扭振，才能进行转动惯量摆频周期等参数的测量，进而计算出转动惯量的值。

转位机构性能测试系统回转轴轴系本身能够限制惯量模拟器在水平面上的二维自由平动，但是轴系下部的驱动电机联轴部分和上部的增速机构联轴部分会产生较大的摩擦力矩，产生较大的阻尼效应，影响惯量模拟器系统进行近似无阻尼扭摆。因此需要将两者与轴系脱开，自行研制能够与轴系连接、确保回转轴线保持不变、不产生二维平动的运动限位机构。

根据转位机构性能测试系统本身的特点，研制与之配套的能够开展转动惯量测试的限位机构，图7为限位机构结构示意图，主要由限位轴承和安装工装组成。主要承担了以下功能：1)转动惯量校准时绕特定回转轴进行摆动；2)对转动惯量原位校准装置激振单元(音圈电机)的固定和支撑；3)保持激振方向始终平行与惯量模拟器切线方向；4)确保限位机构轴线与回转轴线一致不产生角度偏差。

如图8所示，所述力矩测量单元包括力矩加载机构、测角单元、数据同步采集单元；其中，所述力矩加载机构为电机加载机构，同时测量摩擦力矩参数；所述测角单元采用光电编码器，监测力矩加载时轴系的角度变化情况，当角度发生明显改变时，即摩擦力矩最大值，配合摩擦力矩测量单元完成摩擦力矩参数的测量；所述数据同步采集单元用于同步获取力矩和角度变化值，完成对摩擦力矩在线精确测量。

例如，本发明采用基于力矩电机的加载机构作为力矩测量单元，通过精确力矩加载控制，获取输入力矩和摩擦力矩参数值；采用光电编码测角系统配合回转组件组建高精度测角单元，获取转速参数，完成对传动比的测量。根据测量得到的惯量模拟器实物转动惯量值，最终通过模拟转动惯量表达式，计算相对应的模拟转动惯量值，实现对模拟大量级转动惯量的原位校准。原理框图如图2所示。

模拟大量级转动惯量原位校准中，如何精确测得摩擦力矩的值是一项关键技术。摩擦力矩在从静摩擦状态转变成动摩擦状态时，达到最大值，这个时候可以认为是整个系统所受到的摩擦力矩。要准确的测得这个时刻的摩擦力矩，必须同步监测受到力矩加载的轴系的转角变化，同步进行数据采集，才能完成对摩擦力矩的原位校准测量。

如图9所示，所述力矩加载机构包括力矩电机、传动机构、驱动器和控制器；其中，所述传动机构采用减速增力装置作传动，所述驱动器驱动力矩电机施行力矩加载，所述控制器通过对电机的电流电压的控制来实现对加载转速和力矩的精确控制，实现对扭矩传感器安全平稳地施加负载。

根据本发明的一个实施例，采用电机加载机构作为力矩加载源，同时承担摩擦力矩参数的测量；采用光电编码器组建高精度测角单元，监测力矩加载时轴系的角度变化情况，当角度发生明显改变时，即摩擦力矩最大值，配合摩擦力矩测量单元完成摩擦力矩参数的测量；采用基于PXI技术的数据同步采集单元确保同步获取力矩和角度变化值，完成对摩擦力矩难以在线精确测量的难题。

加载机构是测量单元的关键部件，主要用于实现力矩的加载，确保施加的力矩稳定准确，是转位力矩在线校准的基础。在线校准的加载方式采用电机加载的方式。电机加载以电机作为动力源，通过减速箱等传动增力机构，能够产生较大的标准力矩值，而且装置结构紧凑，可以在试验舱外进行远端操作，对环境影响也比较小。

本发明采用力矩电机加载方法施加力矩。力矩电机是以力矩/扭矩为控制方向的电机，采用的是开环控制的方式；其主要特点是：具有软的机械特性，可以堵转。当负载转矩增大时能自动降低转速，同时加大输出转矩。当负载转矩为一定值时改变电机端电压便可调速。力矩电机适用于低转速、大扭矩的加载场合，其过载能力强、响应快、特性线性度好、力矩波动非常小，主要原因是力矩电动机的轴不是以恒功率输出动力而是以恒力矩输出动力。

加载单元(加载机构)由力矩电机、传动机构、驱动器和控制器组成(图9)。传动机构采用减速箱等结构的减速增力装置作传动，驱动器驱动力矩电机施行力矩加载，控制器通过对电机的电流电压的控制来实现对加载转速和力矩的精确控制，从而实现对扭矩传感器安全平稳地施加负载。

如图10所示，所述摩擦力矩测量时，加载机构的前端安装标准扭矩传感器，需要用联轴器与测试系统的力矩加载单元轴系相连接；加载机构对力矩加载单元的轴系端部以一定方式逐点加载，经过信号调理和数据处理，从显示仪器中记录测量单元中扭矩传感器的输出量值。

如图12所示，本发明研制的高精度测角单元装置框图如图12所示。由光电编码器、微调工装和上位计算机(含数据采集分析软件)组成。完成被校轴系的角度参数测量，经测量软件分析处理，得到角度参数数据，实现对转速参数的原位校准。

所述高精度测角单元采用光学编码器进行转速原位测量，与力矩加载机构组成力矩测量单元进行摩擦力矩的实时原位测量，同时实现对测试系统输入和输出端转速的测量；

通过研制工装和微调工装实现“基准同一”，通过上位机测量软件数据处理分析，得到转速测量值，完成原位校准工作。基准同一在这里具体是指通过工装的研制确保被测的测试系统轴系的坐标系基准与原位校准装置高精度测角单元的坐标系基准相同一致。

如图11所示，利用光学编码器测量系统配合相应组件进行转速原位测量，组建高精度测角单元，既可以与力矩加载机构组成力矩测量单元进行摩擦力矩的实时原位测量，又可以实现对测试系统输入和输出端转速的测量。通过研制工装和微调机构实现“基准同一”，通过测量软件数据处理分析，得到转速测量值，完成原位校准工作。

光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。采用联轴器将光电码盘与被测设备转轴同轴，被测设备旋转时，光栅盘与其同步旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90°的两路脉冲信号。

采用定角测时的方法即通过测量被测设备平台转动一定角度的时间间隔来确定平台的转动速度。以一个高频信号作为基准，通过脉冲记数器采集光电码盘发出的两个相邻脉冲信号之间的时基脉冲数，则转动速率为

ω＝360f

式中：ω为角速率，单位°/s；f

根据本发明的一个实施例，所述对测试系统惯量模拟器实物转动惯量进行原位校准的方法包括：

音圈电机产生正弦激振，音圈电机推动惯量模拟器作自由扭摆运动；

激振单元对转位机构性能测试系统惯量模拟器沿切向方向进行激振；

数控单元获取扭振周期，低摩擦低阻尼自由度的限位机构确保惯量模拟器绕指定轴扭振；

附加质量单元获取整个系统附加的质量和转动惯量值；

基于转动惯量解算公式，计算相对应的转动惯量值，实现对测试系统惯量模拟器实物惯量的原位校准。

具体地，图3为音圈电机法测量转位机构性能测试系统惯量模拟器实物转动惯量的原位校准示意图，惯量模拟器整个机构的质心位置在回转轴系的轴线上。在试验状态时，惯量模拟器回转轴上端与测试系统的扭矩传感器、增速机构等机构联接，下部与测试系统的驱动电机联接，在转动过程中都会产生一定的摩擦力/力矩。为了实现惯量模拟器的近似阻尼振动，本发明设计了针对轴系的限位机构，将惯量模拟器上端与增速机构等脱离，下端与驱动电机脱离，同时又确保其结构的回转轴线不变，即与运动轴系重合，使其只做偏航扭振运动。

作为被测系统的惯量模拟器如下：惯量模拟器飞轮主要由八角轮毂、辐杆、弧形配重板组成，见图13和图3中的俯视图。

八角轮毂用于连接测试系统轴系，辐杆用于连接固定八角轮毂和弧形配重板，弧形配重板承担惯量模拟器绝大部分的质量和惯量。

校准装置中的激振单元通过安装工装安装在测试系统平台支架上，通过调整安装工装，使得激振单元的运动激励方向与惯量模拟器飞轮切向方向一致。附加质量单元(附加质量块组)绕轴系中心，均匀对称分布在惯量模拟器的弧形配重板上。

两组限位机构(限位轴承)分别安装在惯量模拟器八角轮毂的顶端和底端位置，限制气浮平台二维平动，使得其只绕轴系做偏航运动。

将惯量模拟器的气足浮起，整个结构经过水平调整后，在模拟器飞轮切向方向一端安装一组音圈电机，则可将惯量模拟器视为一个单自由度弹簧振子系统。测试时保证振幅小于5°，以满足微幅振动条件。

由于惯量模拟器整个系统的质心位置在回转轴系的轴线上，通过限位机构，限制气浮平台的二维移动，使其只做偏航运动，同时确保整个系统的质心始终保持在轴线上。整个系统的振动方程为：

式中，J为系统的转动惯量值，θ为惯量模拟器运动的角位移，C为系统运动的阻尼系数，K为系统的折算刚度，L为电机距离回转轴线的水平距离。

由于惯量模拟器通过限位机构工装和气浮平台作用，其摩擦阻尼非常小，忽略空气阻尼和空气摩擦阻力，可视整个系统作无阻尼自由振动，其无阻尼自由振动方程为：

音圈电机相当于一个弹簧振子的功能，因此音圈电机的推力与系统刚度有如下关系式：

F

式中，F

将上式代入式(2)，可得：

求解上式的自由振动方程，可得：

式中，θ

可知惯量模拟器转动惯量J与系统的摆频周期T之间的关系式：

由上式可知，只要得到音圈电机相应的参数值(摆频周期、振动加速度、最大位移行程和负载质量)，就可根据式(6)获得系统的转动惯量。音圈电机的摆频周期T、振动加速度a和最大位移行程x

ΔJ＝4m

具体测量过程中增加的标准质量块配重及增加的转动惯量将根据惯量模拟器的整体质量和结构特点设计。

保持系统刚度一致，即K不变的情况，则振动方程可变为为：

测得对应的系统振动的固有频率ω’：

附加配重后系统的摆频周期T’

联立(6)式和(10)式，消去m

通过音圈电机的数控系统获取惯量模拟器在自由激振条件下的摆频周期T和附加配重后的摆频周期T’、振动加速度a和附加配重后的振动角速度a’、最大位移行程x

惯量模拟器通过安装配重块可以获得不同的质量和转动惯量。安装配重块的不同档的惯量模拟器的转动惯量原位校准方法与上述方法类似，只需要配备不同规格的附加质量单元，以配合相应量级的惯量模拟器系统进行实物转动惯量的原位校准。

本发明还提供了转位机构性能测试系统大惯量原位校准装置的校准方法，其特征在于，

对测试系统惯量模拟器实物转动惯量进行原位校准；

控制力矩测量单元的力矩加载机构对惯量模拟器进行指定转速的低速旋转，旋转过程中通过力矩测量单元获取输入力矩和摩擦力矩值；

安装在输入轴和输出轴上的两套高精度测角单元分别获取在增速器作用下输入端和输出端的不同转速值，得到转速比参数；

通过转动惯量解算公式，得到相对应的模拟大惯量值，实现对测试系统惯量模拟器模拟大量级转动惯量的原位校准。

具体地，转位机构性能测试系统采用行星轮增速器作为转速增速机构，通过增加转速量级来达到转动惯量的增加，从而实现对大量级的转动惯量的模拟。采用一定增速比的增速器，不更换增速器，通过更换飞轮上的配重块以实现模拟不同的转动惯量。增速器传动比设计为1：6。惯量模拟器的支架由八角气浮平台支撑，通过气浮装置把整个机构气浮起来。电机外壳与飞轮固定在一起。轴上安装有离合器，进行大惯量模拟时，离合器吸和，电机轴与惯量模拟器的连接盘相连，连接盘带动惯量模拟器共同旋转，电机作为实物惯量的一部分进行模拟。

根据动能守恒原则，进行惯量等效，可以得：

式中，J

上式转换可得：

式中，ω

增速器的结构为行星轮系结构。行星轮系的摩擦损失功率近似等于其转化机构固定轮系的摩擦损失功率，传动效率为η。设增速器输入/输出端功率为P

P

设输入/输出端的扭矩分别为T

T

式中，θ

输入端扭矩T

近似认为与理论状态保持不变，上式和理论转动惯量模拟公式相比较，可得模拟转动惯量的真实值表达式：

以一个高频信号作为基准，通过脉冲记数器采集光电码盘发出的两个相邻脉冲信号之间的时基脉冲数，则转动速率为

ω＝360f

式中：ω为角速率，单位°/s；f

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。