一種零重力模擬系統(tǒng)及其使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于地面微重力模擬實(shí)驗平臺的航空宇航技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種零重力模擬系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]為降低宇航設(shè)備的開發(fā)成本，提高可靠性，縮短研發(fā)周期，需要在研發(fā)過程中或發(fā)射前在地面上對設(shè)備功能、性能指標(biāo)、工作可靠性、操作流程、故障模式與應(yīng)對措施等設(shè)備全壽命周期內(nèi)可能面對的所有問題進(jìn)行盡可能的和高效率的驗證，以幫助設(shè)計人員盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷并修改、驗證，并幫助操作人員和管理人員制定合理的操作流程，可靠的意外情況應(yīng)對措施，熟悉操作過程。然而，由于宇航設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料使用大多要適應(yīng)低發(fā)射負(fù)載要求和低重力工作環(huán)境，所需要在地球重力環(huán)境中模擬在太空中微重力或低重力的工作狀態(tài)。
[0003]地面微重力模擬的主要方法有計算機(jī)仿真和半物理實(shí)驗的方法，但是依賴于計算機(jī)仿真的方案往往不能夠準(zhǔn)確反映出實(shí)際的環(huán)境。半物理實(shí)驗的方法主要有落塔法、水浮法、懸吊法、氣浮法等?！皻飧》ā钡拇碓O(shè)備是各種氣浮平臺。原理是利用氣體浮力將待測物于光滑的水平面上托起維持低重力環(huán)境。氣體由平面止推氣浮軸承噴出后，通過改變節(jié)流孔氣體壓力，使被測工件保持懸浮狀態(tài)。上世紀(jì)60年代，歐洲空間局已經(jīng)建立氣浮平臺來研究低重力系統(tǒng)。氣浮法的優(yōu)點(diǎn)在于它的精度高，可靠性強(qiáng)，并且成本較低，但缺點(diǎn)在于它只能實(shí)現(xiàn)二維平面內(nèi)的實(shí)驗，最多5個運(yùn)動自由度。對于例如巡視車可能遇到的越障，爬坡情況無法做出有效的評價。氣浮設(shè)備的供氣管路、排氣推力、氣瓶在工作中的質(zhì)量變化都是可能影響實(shí)驗的因素，此類系統(tǒng)在設(shè)計時應(yīng)盡量減小或避免這些因素的影響。氣浮設(shè)備多種多樣，是減小環(huán)境摩擦、振動影響的有力工具，但單純使用氣浮技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)多自由的運(yùn)動模擬，因而氣浮平臺技術(shù)一般都是忽略最困難的一個自由度，即垂直方向的。因此，將基于氣浮法的微重力模擬設(shè)備與懸吊法重力卸荷相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)三旋轉(zhuǎn)自由度與垂直方向均可模擬的微重力模擬設(shè)備是非常重要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種零重力模擬系統(tǒng)，是為了解決現(xiàn)有微重力及低重力模擬設(shè)備技術(shù)存在不足的問題。
[0005]具體技術(shù)方案如下:包括底座1、球形氣浮軸承2、氣罐3、反射鏡4、第一吊索繩5、激光器和光檢測組件6、第一組氣浮軸承7、第二組氣浮軸承8、平衡電機(jī)9、起重電機(jī)10、離合器11、制動器12、扭矩傳感器13、配重14、氣浮導(dǎo)軌15、無摩擦氣缸16、大直徑卷筒17、小直徑卷筒18、滑輪19、第二吊索繩20、待測工件平臺21 ;
[0006]所述大直徑卷筒17的一端面與小直徑卷筒18的一端面同軸連接；大直徑卷筒17另一端的軸和小直徑卷筒18另一端的軸通過第二組氣浮軸承8轉(zhuǎn)動安裝在底座I上，平衡電機(jī)9的輸出軸與扭矩傳感器13的一端傳動連接，起重電機(jī)10的輸出軸與大扭矩傳感器10-1的一端傳動連接，扭矩傳感器13的另一端和大扭矩傳感器10-1的另一端都通過離合器11、制動器12與小直徑卷筒18的轉(zhuǎn)軸傳動連接，第一吊索繩5纏繞在大直徑卷筒17的繩槽內(nèi)，第二吊索繩20纏繞在小直徑卷筒18的繩槽內(nèi)；氣浮導(dǎo)軌15垂直安裝在底座1，配重14滑動安裝在氣浮導(dǎo)軌15上，配重14吊接在第二吊索繩20的下端上；第一吊索繩5切線出大直徑卷筒17后通過滑輪19變向垂直吊接待測工件平臺21 ;無摩擦氣缸16的基座安裝在底座I上，滑輪19通過第一組氣浮軸承7轉(zhuǎn)動安裝在底座I上；無摩擦氣缸16的活塞桿端頭上的滑輪16-1轉(zhuǎn)動頂在大直徑卷筒17與滑輪19之間的第一吊索繩5上，無摩擦氣缸16用于模擬低剛度彈簧的作用；反射鏡4安裝在滑輪19與待測工件平臺21之間的第一吊索繩5上，激光器和光檢測組件6安裝在底座I上，使激光器和光檢測組件6發(fā)射出的激光能通過反射鏡4反射回到激光器和光檢測組件6的光檢測窗口 ；氣罐3安裝在待測工件平臺21的下端，待測工件22水平設(shè)置在球形氣浮軸承2的上端面上，球形氣浮軸承2的下端面設(shè)置在待測工件平臺21上，氣罐3為球形氣浮軸承2供氣使其懸浮。
[0007]上述零重力模擬系統(tǒng)使用方法如下:光學(xué)測量系統(tǒng)由激光器6、反射鏡4組成，反射鏡4安裝在吊索5下端，反射鏡平面與吊索方向垂直反射面豎直朝上，激光器6固聯(lián)在負(fù)載平臺下端，發(fā)出豎直向下的參考光線，經(jīng)由反射鏡4返回，當(dāng)?shù)跛髌x鉛垂方向時反射光線與參考光線產(chǎn)生夾角，光學(xué)系統(tǒng)經(jīng)過計算即可測得吊索偏角；負(fù)載平臺上主要安裝有滑輪傳動機(jī)構(gòu)與驅(qū)動電機(jī)及配重，實(shí)現(xiàn)待測工件在不同工況下，系統(tǒng)對于對吊索拉力的控制。其中，滑輪傳動機(jī)構(gòu)由第一組氣浮軸承7和第二組氣浮軸承8支撐，減小摩擦對與控制拉力的影響；兩個滑輪之間的吊索直接與無摩擦氣缸16的氣缸活塞連接，氣缸活塞為系統(tǒng)提供恒定拉力，并且當(dāng)工件出現(xiàn)豎直方向頻率高幅值小抖動時，汽缸活塞通過活塞運(yùn)動吸收掉部分高頻干擾，減輕電機(jī)的工作負(fù)擔(dān)，可實(shí)現(xiàn)大揚(yáng)程、高精度的恒力控制及緩沖；驅(qū)動電機(jī)部分包括平衡電機(jī)9與起重電機(jī)10及配重14，配重14連接在第二組氣浮軸承8所支撐的滑輪上，在豎直方向的氣浮導(dǎo)軌15上運(yùn)動，用來平衡和抵消待測工件的重力，減小電機(jī)的負(fù)載范圍，配重塊的引入同時減小了扭矩傳感器13量程，提高測量精度，可以為高精度的低重力模擬打下基礎(chǔ)；平衡電機(jī)9的輸出軸連接滑輪軸，補(bǔ)償并控制配重14在平衡垂直方向運(yùn)動時所需的拉力差，用于有配重情況下的微重力模擬，其輸出力由扭矩傳感器13測量，構(gòu)成力控制回路；起重電機(jī)10具有較大的量程，主要功能為位置伺服，用于無配重情況下的“有根”系統(tǒng)高動態(tài)的微重力仿真，以及實(shí)現(xiàn)工件安裝起吊、下放過程的位置控制。起重電機(jī)10輸出軸安裝有可提供電機(jī)轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速反饋信號的傳感器，實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)功能；離合器11控制起重電機(jī)10或平衡電機(jī)9的主軸與滑輪軸的連接或分離，實(shí)現(xiàn)兩個電機(jī)的切換使用，實(shí)現(xiàn)不同工況下的微重力模擬，提高該系統(tǒng)的應(yīng)用范圍；制動器12安裝在滑輪軸上，可在斷電掛在的情況下制動滑輪軸的運(yùn)動，保證待測工件的安全；負(fù)載平臺下拉的吊索在鉛錘面內(nèi)運(yùn)動，使得被測工件完成豎直平面內(nèi)的運(yùn)動，并通過3自由度氣浮軸承，保證待測工件在水平面內(nèi)不受外界干擾力，實(shí)現(xiàn)3自由度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。
[0008]本發(fā)明的零重力模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，可提供六自由度的模擬，克服了一般氣浮式微重力設(shè)備無法進(jìn)行垂直方向自由度模擬的缺點(diǎn)，也增加了懸吊式微重力設(shè)備在三旋轉(zhuǎn)自由度上的模擬。由于引入了多種氣浮設(shè)備，減小了系統(tǒng)部件運(yùn)動的阻尼，消除了部件振動的影響，精度高，可靠性強(qiáng)，并且成本較低；采用大小兩個電機(jī)，即起重電機(jī)與平衡電機(jī)，控制吊索的懸吊運(yùn)動，既可分別用于不同工作模式，也可按照粗調(diào)微調(diào)的分工協(xié)同運(yùn)動；懸吊繩索上安裝有激光器和反射鏡作為光學(xué)測量系統(tǒng)測定吊索偏角。
【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010]【具體實(shí)施方式】一:結(jié)合圖1所示，零重力模擬系統(tǒng)包括底座1、球形氣浮軸承2、氣罐3、反射鏡4、第一吊索繩5、激光器和光檢測組件6、第一組氣浮軸承7、第二組氣浮軸承8、平衡電機(jī)9、起重電機(jī)10、離合器11、制動器12、扭矩傳感器13、配重14、氣浮導(dǎo)軌15、無摩擦氣缸16、大直徑卷筒17、小直徑卷筒18、滑輪19、第二吊索繩20、待測工件平臺21 ;
[0011]所述大直徑卷筒17的一端面與小直徑卷筒18的一端面同軸連接；大直徑卷筒17另一端的軸和小直徑卷筒18另一端的軸通過第二組氣浮軸承8轉(zhuǎn)動安裝在底座I上，平衡電機(jī)9的輸出軸與扭矩傳感器13的一端傳動連接，起重電機(jī)10的輸出軸與大扭矩傳感器10-1的一端傳動連接，扭矩傳感器13的另一端和大扭矩傳感器10-1的另一端都通過離合器11、制動器12與小直徑卷筒18的轉(zhuǎn)軸傳動連接，第一吊索繩5纏繞在大直徑卷筒17的繩槽內(nèi)，第二吊索繩20纏繞在小直徑卷筒18的繩槽內(nèi)；氣浮導(dǎo)軌15垂直安裝在底座1，配重14滑動安裝在氣浮導(dǎo)軌15上，配重14吊接在第二吊索繩20的下端上；第一吊索繩5切線出大直徑卷筒17后通過滑輪19變向垂直吊接待測工件平臺21 ;無摩擦氣缸16的基座安裝在底座I上，滑輪19通過第一組氣浮軸承7轉(zhuǎn)動安裝在底座I上；無摩擦氣缸16的活塞桿端頭上的滑輪16-1轉(zhuǎn)動頂在大直徑卷筒17與滑輪19之間的第一吊索繩5上，無摩擦氣缸16用于模擬低剛度彈簧的作用；反射鏡4安裝在滑輪19與待測工件平臺21之間的第一吊索繩5上，激光器和光檢測組件6安裝在底座I上，使激光器和光檢測組件6發(fā)射出的激光能通過反射鏡4反射回到激光器和光檢測組件6的光檢測窗口 ；氣罐3安裝在待測工件平臺21的下端，待測