CN104318828A - 一种用于空间多维展开机构的零重力实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于空间多维展开机构的零重力实验系统，包括模拟墙(1)、展开架(2)、摇臂吊挂装置和气浮车装置；所述空间多维展开机构由大臂(13)、小臂(14)与负载(15)组成；模拟墙(1)用于固定空间多维展开机构；大臂(13)的一端活动连接在模拟墙(1)上，大臂(13)的另一端与小臂(14)铰接，小臂(14)与负载(15)固定连接；摇臂吊挂装置安装在展开架(2)上，能够相对于展开架旋转；摇臂吊挂装置能够将大臂(13)吊起；负载(15)位于气浮车装置上。本发明的实验系统卸载阻力小，卸载效率达到了95％。

Description

一种用于空间多维展开机构的零重力实验系统

技术领域

本发明涉及一种用于空间多维展开机构的零重力实验系统。

背景技术

零重力又可称为失重或减重力，是太空环境的一个最重要的特征。卫星、飞行器和空间站等航天系统在轨飞行以前，为保证系统的高精度和可靠性，必须在地面上对其空间机构各子系统进行动力学试验。然而，地面的重力环境会导致无法通过试验获得机构的功能性能特性。因此，空间展开机构的地面测试需要精确模拟其所处的零重力环境。只有经过地面的零重力展开试验，对空间展开机构的展开功能、展开时间、锁定位置精度等功能性能进行充分的验证，才能保证空间展开机构在轨有效展开并实现其功能。

随着空间展开机构越来越复杂，展开轨迹逐渐由原来的二维平面展开发展到空间多维展开，展开轨迹的复杂对零重力试验装置提出了更高的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种附加阻力小、卸载效率高、能够实现复杂结构形式空间机构多维复杂展开轨迹的零重力实验系统。

本发明的技术方案是：

一种用于空间多维展开机构的零重力实验系统，包括模拟墙、展开架、摇臂吊挂装置和气浮车装置；所述空间多维展开机构由大臂、小臂与负载组成；模拟墙用于固定空间多维展开机构；大臂的一端活动连接在模拟墙上，大臂的另一端与小臂铰接，小臂与负载固定连接；摇臂吊挂装置安装在展开架上，能够相对于展开架旋转；摇臂吊挂装置能够将大臂吊起；负载位于气浮车装置上；

摇臂吊挂装置包括支撑板、三角架、至少两个第一双旋调节组件、第一导轨和至少两个吊挂单元，每个吊挂单元由滑车、第一力传感器、第二双旋调节组件’、钢丝绳、第一滑轮、闭锁环和大臂抱环组成；支撑板固定在展开架上；三角架通过两个轴承组件安装在支撑板上，能够绕支撑板进行转动；第一导轨通过至少两个第一双旋调节组件连接在三角架上；滑车能够沿第一导轨滑动；第一力传感器的一端与滑车固定连接，第一力传感器的另一端固定在第二双旋调节组件的一端，第二双旋调节组件的另一端与钢丝绳的一端固定连接，钢丝绳的另一端固定在第一滑轮的中心上，大臂抱环通过闭锁环吊装在第一滑轮下方，第一滑轮能够沿自身轴线进行转动；第一滑轮圆周上设置用于容纳闭锁环的弧形槽；大臂抱环由两个半圆环组成，固定在大臂上；大臂抱环圆周上设置用于容纳闭锁环的弧形槽；

气浮车装置包括平台、第二导轨、车体、竖直气浮导轨、竖直滑动装置、配重、第二滑轮、第二力传感器、气浮托盘、位移传感器和柔性绳，第二导轨安装在平台上；竖直气浮导轨安装在车体的一侧上，竖直气浮导轨是一个表面光滑的四方形的立柱，竖直滑动装置与竖直气浮导轨之间形成气膜，能够相对竖直气浮导轨在竖直方向上滑动；第二滑轮位于车体的上方，与配重相连的一柔性绳绕过第二滑轮后与第二力传感器的一端相连，第二力传感器的另一端通过另一柔性绳连接到竖直滑动装置上；第二力传感器用于监测小臂及负载展开时的卸载力；气浮托盘的上方用于支撑负载，气浮托盘的下方与竖直滑动装置之间形成气膜，能够相对于竖直滑动装置在水平方向上运动；位移传感器用于测量气浮托盘相对于竖直滑动装置的运动位移，车体根据位移传感器输出的运动位移沿第二导轨移动，以实现对负载展开的跟随。

竖直滑动装置由第一框架、四个第一气足及气浮平板组成，四个第一气足分别安装在第一框架与竖直气浮导轨的四个对立的面之间，通气后四个第一气足与竖直气浮导轨之间形成气膜，气浮平板安装在第一框架上。

气浮托盘由第二框架、四个滑轮及三个第二气足组成，四个滑轮用于支撑负载，四个滑轮安装在第二框架的上方，在第二框架的下方安装三个第二气足，通气后第二气足与气浮平板之间形成气膜。

模拟墙由铝板加工而成。

展开架为螺栓球头连接的桁架式结构。

导轨由不锈钢管加工而成，并在不锈钢管表面渗氮。

每个双旋调节组件由左旋螺柱、双旋套筒和右旋螺柱组成，左旋螺柱通过左旋螺纹与双旋套筒连接，右旋螺柱通过右旋螺纹与双旋套筒连接。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明采用吊挂卸载方式，实现了空间多维展开机构绕自身轴线回转时的零重力卸载；

(2)本发明首次采用竖直气浮导轨与水平气浮托盘结合的卸载方式，实现了空间多维展开机构回转展开时的零重力卸载；

(3)本发明系统通过吊挂与气浮结合的零重力卸载方式，降低了卸载阻力，巧妙实现了复杂结构形式空间多维展开机构的零重力展开；卸载效率能够达到95％，保证了展开过程中对展开功能和卸载效率的需求，有效地提高了空间多维展开机构的研制效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中的摇臂吊挂装置示意图；

图3为本发明中的气浮车装置示意图；

图4为双旋调节组件的示意图；

图5为竖直滑动装置的示意图；

图6为气浮托盘的示意图；

图7为空间多维展开机构的展开过程示意图，图7a为收拢状态、图7b为大臂展开状态、图7c为大臂回转展开状态、图7d为小臂展开状态。

具体实施方式

如图1所示，本发明的用于空间多维展开机构的零重力实验系统，包括模拟墙1、展开架2、摇臂吊挂装置和气浮车装置。空间多维展开机构由大臂13、小臂14与负载15组成。模拟墙1用于固定空间多维展开机构。大臂13的一端活动连接在模拟墙1上，大臂13的另一端与小臂14铰接，小臂14与负载15固定连接。展开架2用于为摇臂吊挂装置提供支撑。摇臂吊挂装置用于实现大臂13的零重力展开。气浮车装置用于实现小臂14与负载15的零重力展开。在地面进行展开时首先大臂13带动小臂14与负载15绕位于模拟墙附近的铅垂轴线进行展开、其次大臂13带动小臂14与负载15绕大臂13臂杆轴线进行回转展开、最后小臂14与负载15相对大臂13绕大臂与小臂连接处的铅垂轴线进行展开，展开轨迹为空间三维轨迹，如图7所示。本发明系统通过吊挂与气浮结合的零重力卸载方式，巧妙实现了空间多维展开机构的零重力展开；卸载效率能够达到95％。

模拟墙1由铝板加工而成。

展开架2为螺栓球头连接的桁架式结构。

如图2所示，摇臂吊挂装置包括支撑板3、三角架4、第一双旋调节组件5、第一导轨6和至少两个吊挂单元，每个吊挂单元由滑车7、第一力传感器8、第二双旋调节组件5’、钢丝绳9、第一滑轮10、闭锁环11和大臂抱环12组成。支撑板3通过螺栓固定在展开架2上；三角架4通过根部的两个轴承组件安装在支撑板3上，能够绕支撑板3进行转动。第一导轨6通过至少两个第一双旋调节组件5连接在三角架4上，优选为五个第一双旋调节组件5，在实验开始前通过调节第一双旋调节组件5使得第一导轨6与大臂吊挂点之间的距离满足实验要求。滑车7能够沿第一导轨6滑动；第一力传感器8用于监测摇臂吊挂装置对大臂13的卸载力，当吊挂力＞大臂重力时，旋动力传感器和钢丝绳9之间的双旋调节组件5的双旋套筒，使导轨与大臂吊挂点之间的距离增大，吊挂力则会减小；当吊挂力＜大臂重力时，旋动力传感器和钢丝绳9之间的双旋调节组件5的双旋套筒，使导轨与大臂吊挂点之间的距离减小，吊挂力则会增大；第一力传感器8的一端与滑车7固定连接，第一力传感器8的另一端固定在第二双旋调节组件5的一端，第二双旋调节组件5的另一端与钢丝绳9的一端固定连接，钢丝绳9起到连接作用，长度根据导轨6与大臂13之间的距离进行调整；钢丝绳9的另一端固定在第一滑轮10的中心上，大臂抱环12通过闭锁环11吊装在第一滑轮10下方；第一滑轮10能够沿自身轴线进行转动，第一滑轮10圆周上设置用于容纳闭锁环11的弧形槽；闭锁环11是由钢丝绳连接成的封闭圆环；大臂抱环12由两个半圆环组成，固定在大臂13上，大臂抱环12圆周上设置用于容纳闭锁环11的弧形槽。大臂13绕铅垂轴线展开时通过大臂抱环12、闭锁环11等连接件带动三角架4一起绕支撑板3转动；大臂13绕自身轴线回转展开时通过大臂抱环12带动闭锁环与第一滑轮10绕第一滑轮10自身轴线进行转动。优选地，导轨6由不锈钢管加工而成，表面渗氮增加硬度。

如图4所示，每个双旋调节组件5由左旋螺柱51、双旋套筒52和右旋螺柱53组成，左旋螺柱51通过左旋螺纹与双旋套筒52连接，右旋螺柱53通过右旋螺纹与双旋套筒52连接，通过旋动双旋套筒52可以调节长度，进而调节摇臂吊挂装置对大臂13的卸载力。

整个展开过程中，小臂14与负载15由气浮车装置实现零重力卸载。小臂14与负载15在展开过程中有3个动作：首先跟大臂13一起绕铅垂轴线展开，其次绕大臂13轴线回转展开，最后小臂14与负载15相对大臂13绕铅垂轴线进行展开。

如图3所示，气浮车装置包括平台16、第二导轨17、车体18、竖直气浮导轨19、竖直滑动装置20、配重21、第二滑轮22、第二力传感器23、气浮托盘24、位移传感器25和柔性绳26。平台16为铸铁台面，用于安装第二导轨17；第二导轨17的形状与负载的展开轨迹一致；车体18能在控制系统的控制下沿第二导轨17移动；竖直气浮导轨19是一个四方形的立柱，安装在车体18上，四个表面十分光洁；如图5所示，竖直滑动装置20由第一框架201、四个第一气足202及气浮平板203组成，四个第一气足202分别安装在第一框架201与竖直气浮导轨19的四个对立的面之间，通气后四个第一气足202与竖直气浮导轨19之间形成气膜，减小竖直滑动装置20沿竖直气浮导轨19滑动时的摩擦力；气浮平板203安装在第一框架201上，并向外延伸。配重21的重量为气浮托盘24、竖直滑动装置20、第二力传感器23、位移传感器25、柔性绳26、小臂14和负载15的重量之和；第二滑轮22位于车体18的上方，与配重21相连的一柔性绳26绕过第二滑轮22后与第二力传感器23的一端相连，第二力传感器23的另一端通过另一柔性绳26连接到竖直滑动装置20的第一框架上；第二力传感器23用于监测小臂及负载展开时的卸载力，当卸载力＞小臂及负载重力时，则减小配重21，反之，则增大配重21；如图6所示，气浮托盘24由第二框架241、四个滑轮242及三个第二气足243组成，四个滑轮242用于支撑负载15，负载15转动时通过四个滑轮的转动实现与负载15的相对运动，四个滑轮242安装在第二框架241的上方，在第二框架241的下方具有三个第二气足243，通气后第二气足243与气浮平板203之间形成气膜，实现气浮托盘24与竖直滑动装置20之间的低摩擦运动；当气浮托盘24在负载15的带动下与竖直滑动装置20之间相对运动时位移传感器25输出电压信号用于控制车体18移动来实现对负载15展开的跟随。当小臂14与负载15跟大臂13一起绕铅垂轴线展开时及小臂14与负载15相对大臂13绕铅垂轴线进行展开时，展开机构质心只在水平面内运动。展开时，小臂14与负载15带动气浮托盘24与竖直滑动装置20的气浮平板产生相对运动，此时位移传感器25将相对运动的位移量转化为电压信号用于控制车体移动，实现对负载15展开的跟随。小臂14与负载15的重力由配重21抵消；小臂14与负载15绕大臂13轴线回转展开时，展开机构质心运动可分解为在水平面内的运动及在竖直面内的运动。质心在水平面内运动时轨迹跟踪的方式见上述。质心在竖直面内运动时，配重21绕过滑轮22通过第二力传感器23与柔性绳26拉动竖直滑动装置20、气浮托盘24与负载一起在竖直平面内运动，同时实现零重力卸载与轨迹跟踪，卸载效率通过第二力传感器23的示数计算可知，卸载效率＝1-|卸载力-产品重力|/产品重力×100％。

所述柔性绳26可以为凯夫拉绳或其它具有一定强度的绳。

位移传感器25可以为激光传感器，包括激光发射器和激光接收器，激光发射器固定在气浮托盘24的第二框架241上，激光接收器固定在气浮平板203上，当小臂与负载展开时带动第二框架241运动，激光发射器相对激光接收器产生位移，激光接收器将位移转化为电信号用于驱动车体移动，实现轨迹跟踪。也可以采用其它的位移传感器。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种用于空间多维展开机构的零重力实验系统，其特征在于，包括模拟墙(1)、展开架(2)、摇臂吊挂装置和气浮车装置；所述空间多维展开机构由大臂(13)、小臂(14)与负载(15)组成；模拟墙(1)用于固定空间多维展开机构；大臂(13)的一端活动连接在模拟墙(1)上，大臂(13)的另一端与小臂(14)铰接，小臂(14)与负载(15)固定连接；摇臂吊挂装置安装在展开架(2)上，能够相对于展开架旋转；摇臂吊挂装置能够将大臂(13)吊起；负载(15)位于气浮车装置上；

摇臂吊挂装置包括支撑板(3)、三角架(4)、至少两个第一双旋调节组件(5)、第一导轨(6)和至少两个吊挂单元，每个吊挂单元由滑车(7)、第一力传感器(8)、第二双旋调节组件(5’)、钢丝绳(9)、第一滑轮(10)、闭锁环(11)和大臂抱环(12)组成；支撑板(3)固定在展开架(2)上；三角架(4)通过两个轴承组件安装在支撑板(3)上，能够绕支撑板(3)进行转动；第一导轨(6)通过至少两个第一双旋调节组件(5)连接在三角架(4)上；滑车(7)能够沿第一导轨(6)滑动；第一力传感器(8)的一端与滑车(7)固定连接，第一力传感器(8)的另一端固定在第二双旋调节组件(5)的一端，第二双旋调节组件(5)的另一端与钢丝绳(9)的一端固定连接，钢丝绳(9)的另一端固定在第一滑轮(10)的中心上，大臂抱环(12)通过闭锁环(11)吊装在第一滑轮(10)下方，第一滑轮(10)能够沿自身轴线进行转动；第一滑轮(10)圆周上设置用于容纳闭锁环(11)的弧形槽；大臂抱环(12)由两个半圆环组成，固定在大臂(13)上；大臂抱环(12)圆周上设置用于容纳闭锁环(11)的弧形槽；

气浮车装置包括平台(16)、第二导轨(17)、车体(18)、竖直气浮导轨(19)、竖直滑动装置(20)、配重(21)、第二滑轮(22)、第二力传感器(23)、气浮托盘(24)、位移传感器(25)和柔性绳(26)，第二导轨(17)安装在平台(16)上；竖直气浮导轨(19)安装在车体(18)的一侧上，竖直气浮导轨(19)是一个表面光滑的四方形的立柱，竖直滑动装置(20)与竖直气浮导轨(19)之间形成气膜，能够相对竖直气浮导轨(19)在竖直方向上滑动；第二滑轮(22)位于车体(18)的上方，与配重(21)相连的一柔性绳(26)绕过第二滑轮(22)后与第二力传感器(23)的一端相连，第二力传感器(23)的另一端通过另一柔性绳(26)连接到竖直滑动装置(20)上；第二力传感器(23)用于监测小臂及负载展开时的卸载力；气浮托盘(24)的上方用于支撑负载(15)，气浮托盘(24)的下方与竖直滑动装置(20)之间形成气膜，能够相对于竖直滑动装置(20)在水平方向上运动；位移传感器(25)用于测量气浮托盘(24)相对于竖直滑动装置(20)的运动位移，车体(18)根据位移传感器(25)输出的运动位移沿第二导轨(17)移动，以实现对负载(15)展开的跟随。

2.根据权利要求1所述的零重力实验系统，其特征在于，竖直滑动装置(20)由第一框架(201)、四个第一气足(202)及气浮平板(203)组成，四个第一气足(202)分别安装在第一框架(201)与竖直气浮导轨(19)的四个对立的面之间，通气后四个第一气足(202)与竖直气浮导轨(19)之间形成气膜，气浮平板(203)安装在第一框架(201)上。

3.根据权利要求1所述的零重力实验系统，其特征在于，气浮托盘(24)由第二框架(241)、四个滑轮(242)及三个第二气足(243)组成，四个滑轮用于支撑负载(15)，四个滑轮(242)安装在第二框架(241)的上方，在第二框架(241)的下方安装三个第二气足(243)，通气后第二气足(243)与气浮平板(203)之间形成气膜。

4.根据权利要求1所述的零重力实验系统，其特征在于，模拟墙(1)由铝板加工而成。

5.根据权利要求1所述的零重力实验系统，其特征在于，展开架(2)为螺栓球头连接的桁架式结构。

6.根据权利要求1所述的零重力实验系统，其特征在于，导轨(6)由不锈钢管加工而成，并在不锈钢管表面渗氮。

7.根据权利要求1所述的零重力实验系统，其特征在于，每个双旋调节组件(5)由左旋螺柱(51)、双旋套筒(52)和右旋螺柱(53)组成，左旋螺柱(51)通过左旋螺纹与双旋套筒(52)连接，右旋螺柱(53)通过右旋螺纹与双旋套筒(52)连接。