CN104290932B - 空间机构六自由度微重力模拟实现系统纵向重力补偿装置 - Google Patents
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Abstract
空间机构六自由度微重力模拟实现系统纵向重力补偿装置，它涉及一种重力补偿装置，具体涉及一种空间机构六自由度微重力模拟实现系统纵向重力补偿装置。本发明为了解决现有重力补偿机构在空间机构较重时，其采用的方案难以实现纵向重力补偿的问题。本发明的上层平台、中间平台、下层平台由上至下依次设置，中央立柱竖直设置在上层平台的下表面与中间平台的上表面之间，中央立柱的上端通过球轴承与上层平台的下表面连接，中央立柱的下端与中间平台的上表面连接，四个所述补偿系统呈正方形设置在下层平台的上表面上，中间平台通过四个所述补偿系统与下层平台连接，四个气足均布设置在下层平台的下表面。本发明用于航天领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种重力补偿装置，具体涉及一种空间机构六自由度微重力模拟实现系统纵向重力补偿装置。
背景技术
空间机构六自由度微重力模拟实验是在地球重力加速度条件下，给卫星等空间机构提供空间微重力环境，模拟其空间动力学环境的实验。实验的主要目的是在地面上完成对其新型有效载荷和控制能力的验证和测试。根据实现目的，实验系统应在空间机构运动时，实时消除地球重力加速度影响，同时不引入其它外力，以实时的模拟空间微重力环境。
要实现上述功能，实验系统的基本装置是微重力模拟器，模拟器可以分为上中下三层，上层承载空间机构，中层实现纵向移动自由度和三轴转动自由度的运动模拟器，下层实现水平方向两个自由度的模拟。目前，五自由度模拟器已经较多的应用在空间机构的地面模拟实验中，但六自由度模拟器由于纵向移动自由度的实现困难，应用较少。目前已知美国JPL实验室的FCT实验系统以及欧空局卫星自主机动六自由度仿真实验系统均完成了六自由度卫星模拟的研制。其中FCT实验系统使用了主动控制机构来实现纵向移动自由度。欧空局卫星自主机动六自由度仿真实验系统的模拟器使用了全配重的方式来实现纵向移动自由度。但这两个实验系统的模拟器上层承载均较小(200kg)，在空间机构较重时，其采用的方案难以实现纵向重力补偿，若直接采用主动控制机构来实现纵向重力补偿，活塞或者电机承载力较大、波动大、补偿效果差；若直接采用被动补偿机构实现纵向重力补偿，配重质量大，引入附加惯量大，补偿效果差。
发明内容
本发明为解决现有重力补偿机构在空间机构较重时，其采用的方案难以实现纵向重力补偿的问题，进而提出空间机构六自由度微重力模拟实现系统纵向重力补偿装置。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括球轴承、上层平台、中央立柱、下层平台、中间平台、四个气足和四个补偿系统，上层平台、中间平台、下层平台由上至下依次设置，中央立柱竖直设置在上层平台的下表面与中间平台的上表面之间，中央立柱的上端通过球轴承与上层平台的下表面连接，中央立柱的下端与中间平台的上表面连接，四个所述补偿系统呈正方形设置在下层平台的上表面上，中间平台通过四个所述补偿系统与下层平台连接，四个气足均布设置在下层平台的下表面。
本发明的有益效果是：本发明具有补偿重力大、补偿精度高、不引入附加质量和易于控制的优点；本发明在大型空间机构的微重力模拟实验系统中实现纵向重力补偿，采用了被动比例配重与主动伺服补偿相结合的方式，被动比例配重实现了使用小重量的配重块抵消大部分载荷重量，主动伺服补偿在此基础上进行补偿，消除机械摩擦干扰力，实现高精度的重力补偿。为了减小单套重力补偿机构的承载重量，在模拟器中央立柱周围均布四套独立的重力补偿机构，每套重力补偿机构均为被动比例配重与主动恒力伺服补偿结合的机构。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图，图2是补偿系统的结构示意图，图3是图1的俯视图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述空间机构六自由度微重力模拟实现系统纵向重力补偿装置包括球轴承1、上层平台2、中央立柱3、下层平台4、中间平台5、四个气足6和四个补偿系统，上层平台2、中间平台5、下层平台4由上至下依次设置，中央立柱3竖直设置在上层平台2的下表面与中间平台5的上表面之间，中央立柱3的上端通过球轴承1与上层平台2的下表面连接，中央立柱3的下端与中间平台5的上表面连接，四个所述补偿系统呈正方形设置在下层平台4的上表面上，中间平台5通过四个所述补偿系统与下层平台4连接，四个气足6均布设置在下层平台4的下表面。
具体实施方式二：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述空间机构六自由度微重力模拟实现系统纵向重力补偿装置的每个所述补偿系统包括收索机构、外侧支撑立柱7、内侧支撑立柱8、配重块9、霍尔位移传感器10、压力传感器11、连接杆12、弹簧13、直线电机14、外侧立柱径向轴承15、内侧立柱径向轴承16、阶梯轴18和第二钢丝绳19，配重块9通过外侧立柱径向轴承15套装在外侧支撑立柱7的下部，配重块9的上表面通过霍尔位移传感器10与外侧支撑立柱7的外侧壁连接，直线电机14安装在下层平台4的上表面上，内侧支撑立柱8的下端穿过中间平台5与细线电机14的定子连接，内侧支撑立柱8的上端通过阶梯轴18与外侧支撑立柱7的上端连接，所述收索机构安装在配重块9上，所述收索机构与阶梯轴18连接，第二钢丝绳19的一端与阶梯轴18的内侧端连接，第二钢丝绳19的另一端与中间平台5的上表面连接，连接杆12的下端与直线电机14的转子连接，连接杆12的上端通过弹簧13与压力传感器11的下端连接，压力传感器11的上端与中间平台5的下表面连接。
本实施方式中配重块9、外侧支撑立柱7、内侧支撑立柱8、阶梯轴18组成被动比例配重机构，配重块9的配置质量与中央立柱3承载质量比等于阶梯轴18小轴直径与大轴直径的比，可以调整质量以实现较好的配重效果；压力传感器11、连接杆12、弹簧13、直线电机14、外侧立柱径向轴承15、内侧立柱径向轴承16组成主动伺服补偿机构。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述空间机构六自由度微重力模拟实现系统纵向重力补偿装置的每个所述收索机构包括第一钢丝绳17、伺服电机20、减速器21和收索卷筒22，伺服电机20的转动轴通过减速器21与收索卷筒22连接，第一钢丝绳17的一端与收索卷筒22连接，第一钢丝绳17的另一端与阶梯轴18连接。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。
工作原理
被动比例配重机构主要由配重块、阶梯轴、支撑立柱、收索伺服机构和若干轴承组成，阶梯轴具有四段阶梯，其中两段轴为旋转轴承，另两段轴为卷筒结构，边缘为绳槽，可缠绕钢丝绳，钢丝绳采用专用卡具固定在卷筒轴上。小轴卷筒上缠绕的钢丝绳下端连接中央立柱的连接点。大轴卷筒上缠绕的钢丝绳下端连接配重块。阶梯轴的另两段轴与两个支撑立柱通过旋转轴承配合。内侧的支撑立柱上端为方形柱，中间为圆柱轴，与中央立柱下方的连接板通过轴套配合，形成中央立柱上下运动的导向立柱。外侧的支撑柱上端为方形柱，下端为圆柱轴，与配重块通过轴套配合，形成配重块的导向立柱。由于使用了阶梯轴，配重块与模拟器上层的重量比应等于阶梯轴小轴卷筒与大轴卷筒的直径比，从而减小了配重块质量。
当模拟器上层上下运动时，悬挂配重块的钢丝绳的与悬挂中央立柱的钢丝绳的运动速度比为大轴卷筒与小轴卷筒的直径比，因此在配重块悬吊绳下方设置一套收索伺服机构，在配重块导向立柱的一侧设置霍尔位移传感器，时刻采集配重块位置，将位置反馈给控制计算机，计算机控制收索伺服机构收钢丝绳，保证配重块的位置大致不变。这样，在不引入附加质量的同时减小了配重块质量，实现了被动比例配重。
在中央立柱的导向立柱下方设置一套主动伺服补偿机构，主动伺服补偿机构由直线电机、弹性环节(弹簧)、力传感器和连接杆构成。根据被动比例配重的配重效果，可以测量得到其运动过程中的机械摩擦和配重不平衡力的大小。根据标定结果，主动伺服补偿机构提供相应的反力补偿该干扰力，从而实现高精度重力补偿。其通过以下技术方案实现：直线电机输出位移，弹性环节将位移转化为力，再通过力传感器采集伺服补偿机构输出力大小，形成闭环控制系统，始终实现在某位置处输出的反力等于标定干扰力。
Claims (2)
1.空间机构六自由度微重力模拟实现系统纵向重力补偿装置，其特征在于：所述空间机构六自由度微重力模拟实现系统纵向重力补偿装置包括球轴承(1)、上层平台(2)、中央立柱(3)、下层平台(4)、中间平台(5)、四个气足(6)和四个补偿系统，上层平台(2)、中间平台(5)、下层平台(4)由上至下依次设置，中央立柱(3)竖直设置在上层平台(2)的下表面与中间平台(5)的上表面之间，中央立柱(3)的上端通过球轴承(1)与上层平台(2)的下表面连接，中央立柱(3)的下端与中间平台(5)的上表面连接，四个所述补偿系统呈正方形设置在下层平台(4)的上表面上，中间平台(5)通过四个所述补偿系统与下层平台(4)连接，四个气足(6)均布设置在下层平台(4)的下表面，每个所述补偿系统包括收索机构、外侧支撑立柱(7)、内侧支撑立柱(8)、配重块(9)、霍尔位移传感器(10)、压力传感器(11)、连接杆(12)、弹簧(13)、直线电机(14)、外侧立柱径向轴承(15)、内侧立柱径向轴承(16)、阶梯轴(18)和第二钢丝绳(19)，配重块(9)通过外侧立柱径向轴承(15)套装在外侧支撑立柱(7)的下部，配重块(9)的上表面通过霍尔位移传感器(10)与外侧支撑立柱(7)的外侧壁连接，直线电机(14)安装在下层平台(4)的上表面上，内侧支撑立柱(8)的下端穿过中间平台(5)与细线电机(14)的定子连接，内侧支撑立柱(8)的上端通过阶梯轴(18)与外侧支撑立柱(7)的上端连接，所述收索机构安装在配重块(9)上，所述收索机构与阶梯轴(18)连接，第二钢丝绳(19)的一端与阶梯轴(18)的内侧端连接，第二钢丝绳(19)的另一端与中间平台(5)的上表面连接，连接杆(12)的下端与直线电机(14)的转子连接，连接杆(12)的上端通过弹簧(13)与压力传感器(11)的下端连接，压力传感器(11)的上端与中间平台(5)的下表面连接。
2.根据权利要求1所述空间机构六自由度微重力模拟实现系统纵向重力补偿装置，其特征在于：每个所述收索机构包括第一钢丝绳(17)、伺服电机(20)、减速器(21)和收索卷筒(22)，伺服电机(20)的转动轴通过减速器(21)与收索卷筒(22)连接，第一钢丝绳(17)的一端与收索卷筒(22)连接，第一钢丝绳(17)的另一端与阶梯轴(18)连接。
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