CN103514792B - 空间六自由度气浮随动运动平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间六自由度气浮随动运动平台，包括气浮平台、随动装置、气浮轴承、控制力矩陀螺、联接件、六维力传感器、气浮球、气浮轴承托架、运动导轨、重力平衡装置、试验舱；本发明平台采用气浮技术实现两个自由度平动和三个自由度转动，采用液力平衡方法实现一个自由度方向的随动和升降；该平台将气浮与重力平衡技术和现代控制方法相结合，整个平台结构紧凑，可模拟空间微重力环境下航天器姿态运动，用于航天器对接、转位等任务的地面全时序综合试验。

Description

空间六自由度气浮随动运动平台

技术领域

本发明属于物理仿真平台领域，特别是一种空间六自由度气浮随动运动平台。

背景技术

大型组合式航天器像大型空间站等需要通过航天器在轨对接、转位等过程来实现。如何在地面实现全时序的地面运动学和动力学模拟，是航天研制任务中关键和重要的必要环节。本发明针对大型航天器地面模拟试验的要求，设计了一种能够模拟空间六自由度运动的地面物理仿真平台，用于模拟天空失重环境下航天器全时序综合性试验，可用于对接机构、转位机构、航天控制等的研制、验收和鉴定试验。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可模拟空间微重力环境下航天器姿态运动，用于航天器对接、转位等任务的地面全时序综合试验的空间六自由度气浮随动运动平台。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种空间六自由度气浮随动运动平台，包括气浮平台、随动装置、气浮轴承、控制力矩陀螺、联接件、六维力传感器、气浮球、气浮轴承托架、运动导轨、重力平衡装置、试验舱；其中，气浮轴承、控制力矩陀螺、联接件、六维力传感器、气浮球、气浮轴承托架、运动导轨、重力平衡装置设置在试验舱内，随动装置固定于气浮平台上，气浮轴承托架通过运动导轨连接于随动装置上，气浮轴承固定于气浮轴承托架上，气浮球悬浮于气浮轴承内，气浮球正上方设置六维力传感器，控制力矩陀螺安装于六维力传感器上，联接件将试验舱与控制力矩陀螺相连接，丝杠和直线导轨固定在实验舱内，经过试验舱重心并与气浮平台台面相平行，丝杠和直线导轨上安装重力平衡装置。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

1、本发明与框架式+吊绳、并联机构等单纯机械方式相比，气浮技术可以几乎没有摩擦的随动能够更好地模拟空间微重力动力学环境。利用现代多孔材料技术生产的气垫、气浮轴承具有成千上万的微米级气孔，性能更加可靠和稳定、支撑强度更大，使得气浮支撑结构的尺寸可以做得越来越小、结构更加紧凑。

2、本发明利用液力平衡重力的方法，使得运动平台能够实时抵消扰动载荷实现主动/被动的随动功能，随动响应快、控制精度高。

3、本发明采用重力平衡系统抵消航天器机构运动导致的重力影响，使得整个系统的重心始终位于气浮球轴承的中心，完全抵消了地面试验中重力对系统运动姿态的影响。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明空间六自由度气浮随动运动平台的结构示意图。

图2是本发明空间六自由度气浮随动运动平台液压重力平衡装置的结构示意图。

图3是本发明空间六自由度气浮随动运动平台气浮球受力分析示意图。

具体实施方式

本发明一种空间六自由度气浮随动运动平台，包括气浮平台1、随动装置2、气浮轴承3、控制力矩陀螺4、联接件5、六维力传感器6、气浮球7、气浮轴承托架8、运动导轨9、重力平衡装置10、试验舱11；其中，气浮轴承3、控制力矩陀螺4、联接件5、六维力传感器6、气浮球7、气浮轴承托架8、运动导轨9、重力平衡装置10设置在试验舱11内，随动装置2固定于气浮平台1上，气浮轴承托架8通过运动导轨9连接于随动装置2上，气浮轴承3固定于气浮轴承托架8上，气浮球7悬浮于气浮轴承3内，气浮球7正上方设置六维力传感器6，控制力矩陀螺4安装于六维力传感器上，联接件5将试验舱11与控制力矩陀螺4相连接，丝杠和直线导轨固定在实验舱11内，经过试验舱重心并与气浮平台1台面相平行，丝杠和直线导轨上安装重力平衡装置10。

气浮轴承3安装五个，其中一个气浮球轴承3位于气浮球7的底部，其余四个气浮轴承3垂直于相对应的两个气浮轴承3的方向的最大夹角满足

$\cos \frac{\mathrm{\θ}}{2}=\frac{1}{4}(\frac{P}{\left[F\right]}-1),$

其中，P是气浮球需要承受的负载，[F]为气浮球轴承的理想承载。

随动装置2为液压重力平衡装置，液压重力平衡装置由主动液压缸12、随动液压缸13、平衡质量块14和直线电机15组成，其中，气浮轴承托架8通过运动导轨9连接在随动装置2的随动液压缸13顶端，平衡质量块14设置在主动液压缸12和直线电机15顶端，主动液压缸12与随动液压缸13之间通过底部的通气管道连接，主动液压缸12、随动液压缸13和直线电机15分别设置在气浮平台1上。

实施例：

如图1所示：为保证空间六自由度气浮随动运动平台正常工作，通过将其置于一个防震且绝对平滑的平台（如花岗岩平台）之上。设备底部的气浮平台1通过喷气力等控制方式可在花岗岩平台面内任意移动，此喷气力通过减压阀由外界输入气压获得，平台上计算机利用无线通讯模块接收控制指令，并借由单片机将其转换成TTL高低电平，输出至快速切换阀控制推力组件，气浮平台1的运动状态由动态测量系统获取。

可任意升降的纵向的随动装置2固定于气浮平台1之上，气浮轴承托架8通过运动导轨9连接于随动装置2上。运动导轨9可限制气浮轴承托架8的横向运动，其运用多孔介质技术通过上百万亚微米级的孔使气流均匀缓慢穿过整个轴承表面，形成厚度为微米级的气膜，避免对导轨面损伤。由气浮平台1支撑的试验舱11（SYC）可以在加速或者减速过程中无外加质量作用，其零摩擦保证了无限分辨率及重复性，零磨损保证了导轨的机械性能，高阻尼保证了气隙建立速度快。

随动装置2即为液压重力平衡装置。如图2所示，液压重力平衡装置由主动液压缸12、随动液压缸13、平衡质量块14和直线电机15组成，其中SYC通过控制力矩陀螺固定安装于随动液压缸13上（图2为表述方便，将SYC和控制力矩陀螺4一起简化为图2中的一质量块），平衡质量块14置于主动液压缸12和直线电机15上，而主动液压缸12、随动液压缸13和直线电机15分别设置在气浮平台1上，主动液压缸12与随动液压缸13之间通过底部的通气管道连接，管道起到传递气压的作用。平衡质量块的重力经液压放大后用来平衡SYC沿Z轴向的重力。

液压重力平衡采用液压重力平衡原理进行SYC主动随动，由两个液压缸、平衡质量块14和直线电机15组成，平衡质量块14的重力经液压放大后用来平衡SYC沿Z轴向的重力，在重力平衡的基础上，通过直线电机15实现SYC主动升降。

气浮轴承3固定于气浮轴承托架8上，其具有三自由度可任意转动，采用五个气浮球轴承3，其中1个气浮球轴3承位于气浮球7的底部，其余4个气浮球轴承3以一定的安装倾角位于气浮球4的左右和前后两侧，形成“回型”气浮轴承，如图3所示。气浮球7需要承受的负载为P，根据铅垂向平衡条件和气浮球轴承3的理想承载[F]约束，有

$\left\{\begin{array}{c}F+4F\cos \frac{\mathrm{\&theta;}}{2}=P\\ F<\left[F\right]\end{array}\right.$

则最大安装倾角满足

$\frac{\mathrm{\&theta;}}{2}=\frac{1}{4}(\frac{P}{\left[F\right]}-1)$

以气浮球7的理想承载作为约束，可以获得不同负载下最大许可的安装倾角。

例如采用420不锈钢材料制成的气浮球7，球径变动量Vdws<8μm，球形误差△Sph<8μm，表面粗糙度Ra<0.4μm，基础公差Tdn<37.5μm，使其悬浮于气浮轴承3内可做无摩擦转动。气浮球7正上方为一个进行力测量的六维力传感器6，六维力传感器上安装控制力矩陀螺4，其通过改变角动量方向输出力矩，能够输出连续精确的大力矩且能量利用率高。控制力矩陀螺顶部为联接件5，起到SYC与气浮球7的连接作用，能够调节SYC及其组件的质心CG的高度，使质心CG初始位于气浮球中心。

在SYC中轴位置安装一重力平衡装置10，通过丝杠和直线导轨对重心移动的位置进行精确定位，使重心沿对接机构行进方向的移动为空间点运动。

Claims (2)

1.一种空间六自由度气浮随动运动平台，其特征在于：包括气浮平台(1)、随动装置(2)、气浮轴承(3)、控制力矩陀螺(4)、联接件(5)、六维力传感器(6)、气浮球(7)、气浮轴承托架(8)、运动导轨(9)、重力平衡装置(10)、试验舱(11)；其中，气浮轴承(3)、控制力矩陀螺(4)、联接件(5)、六维力传感器(6)、气浮球(7)、气浮轴承托架(8)、运动导轨(9)、重力平衡装置(10)设置在试验舱(11)内，随动装置(2)固定于气浮平台(1)上，气浮轴承托架(8)通过运动导轨(9)连接于随动装置(2)上，气浮轴承(3)固定于气浮轴承托架(8)上，气浮球(7)悬浮于气浮轴承(3)内，气浮球(7)正上方设置六维力传感器(6)，控制力矩陀螺(4)安装于六维力传感器上，联接件(5)将试验舱(11)与控制力矩陀螺(4)相连接，丝杠和直线导轨固定在实验舱(11)内，经过试验舱重心并与气浮平台(1)台面相平行，丝杠和直线导轨上安装重力平衡装置(10)，其中，所述的气浮轴承(3)安装五个，其中一个气浮球轴承(3)位于气浮球(7)的底部，垂直于其余的四个气浮轴承(3)中位置相对的两个气浮轴承(3)的方向的夹角满足

$cos\frac{\mathrm{\&theta;}}{2}=\frac{1}{4}(\frac{P}{\&lsqb;F\&rsqb;}-1),$

其中，P是气浮球需要承受的负载，[F]为气浮球轴承的理想承载。

2.根据权利要求1所述的一种空间六自由度气浮随动运动平台，其特征在于：所述的随动装置(2)为液压重力平衡装置，液压重力平衡装置由主动液压缸(12)、随动液压缸(13)、平衡质量块(14)和直线电机(15)组成，其中，气浮轴承托架(8)通过运动导轨(9)连接在随动装置(2)的随动液压缸(13)顶端，平衡质量块(14)设置在主动液压缸(12)和直线电机(15)顶端，主动液压缸(12)与随动液压缸(13)之间通过底部的通气管道连接，主动液压缸(12)、随动液压缸(13)和直线电机(15)分别设置在气浮平台(1)上。