CN104444896B - 具有测量和缓冲功能的一体化恒张力吊索控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体化恒张力吊索控制装置，其中电机安装在基座一侧，提供力矩输出，通过连轴器传递力矩到滚珠花键轴，滚珠花键轴将力矩传递到滚珠花键套，再传递到卷簧，卷簧一端与滚珠花键套连接，另一端与卷筒连接，卷筒通过轴承与滚珠花键套形成转动副，同吊索配合，将转动转换为吊索的直线运动，通过滚珠滑槽与卷筒的线槽形成配合，在卷筒转动过程中保持吊索出索点相对于基座的位置不变。与现有技术相比，本发明的一体化恒张力控制装置张力控制精度高，出索点固定，且体积质量较小。

Description

具有测量和缓冲功能的一体化恒张力吊索控制装置

技术领域

本发明属于航天器地面试验技术领域，具体涉及使用恒张力吊索控制装置满足航天器地面微重力环境试验的要求。

背景技术

国内恒张力吊索控制方法主要分为：配重法、弹簧机构法、纯电机力矩控制法、力矩传感器闭环控制法和张力传感器闭环控制法。其中，配重法使用重物来控制吊索张力；弹簧机构法利用特殊的机构将弹簧的变弹力转换为恒定力，作用于吊索产生恒定张力；纯电机力矩控制法是使用直流电机或永磁同步电机，根据电机电流与力矩近似成线性的原理，通过给电机施加相应的电流实现吊索的张力控制的；力矩传感器闭环控制法使用力矩传感器测量电机输出轴力矩，折算成吊索张力，再由力矩电机对吊索张力进行控制；张力传感器闭环控制法使用张力传感器测量吊索张力，然后由力矩电机对吊索张力进行控制。

配重法利用重物的重力产生恒张力，结构最为简单，由吊索、滑轮和重物即可实现，但是该方法获得的吊索张力与吊索加速度有关，当吊索加速度为0时(匀速或静止状态)，吊索的张力为：

F＝m×g，

而当吊索加速度为a(方向与张力方向相同为正向)且a小于等于重力加速度g时，吊索的张力为：

F＝m×(g-a),

当吊索加速度为a且a大于重力速度g时，吊索的张力为0，因为吊索只能承受张力不能承受压力。因此配重法仅适用于加速度较小的微重力模拟。另外，当出现张力误差时，配重法需要手动调节配重质量。

弹簧机构法实现恒张力是通过主辅式恒力弹簧支吊架配合一对辅助弹簧和摆动刀形凸轮,将主弹簧压缩时的力-位移三角形特性曲线切补成矩形,使得在整个过程中机构所提供的力是恒定的。该方法的缺点在于行程较短。

电流闭环控制法的控制原理如下，首先通过电流闭环控制的方法实现力矩电机的恒转矩输出，再使用卷筒将恒定转矩转换为恒定张力。力矩闭环控制法的控制原理如下图所 示，首先通过力矩闭环控制的方法实现力矩电机的恒转矩输出，再使用卷筒将恒定的转矩转换为恒定张力。

张力闭环控制法直接通过张力闭环控制实现恒定张力输出。

配重法对运动加速度敏感，精度难以保证，弹簧法的行程较短，电机控制法理论上能够通过电机电流控制实现任意速度、任意行程下的高精度张力控制。

电流闭环控制法和力矩闭环控制法是一种张力的半闭环控制，稳定性高，但精度较差，张力闭环控制是全闭环控制，精度相对较高。力矩闭环控制法和张力闭环控制法都需要使用传感器进行反馈测量，而电流闭环控制法不需要，因为电流传感器是伺服驱动器内置的，因此，电流闭环控制法硬件少，易实现小型化和轻量化。张力闭环控制法的张力传感器必须安装在绳索的运动端，实施较为不便。

目前，存在有一种空间机械臂，该空间机械臂由多个臂杆通过转动关节连接而成，在整臂总装完成后，按照要求进行地面展开及运动测试试验，以验证机械臂的运动功能是否正常。为此，需要建立一套地面微重力试验辅助系统，抵消重力对机械臂关节的影响，具体则采用悬吊式方案。

悬吊式方案的核心环节是吊索张力的控制，具有以下主要要求：

1)保证张力控制的精度不小于99％；

2)适应被试验物体的运动速度(最大200mm/s)和加速度(最大100mm/s²)，在机械臂运动过程要求吊索同步收放而张力控制的精度仍满足要求；

3)具有不小于3m的扬程；

4)足够小的体积(不大于500mm×500mm×500mm)和重量(不大于100kg)，降低吊点间干涉的机率和运动过程中惯性的影响。

现有的配重法在机械臂加速度运动过程中精度不满足要求；弹簧法扬程不能满足要求；电流闭环控制法精度不满足要求；扭矩传感器容易受到卷筒惯量的影响，精度不满足要求；只有拉力传感器法能够满足扬程和精度要求，但拉力传感器需要布置在运动端，一方面会造成附加惯量，降低张力控制精度，另一方面布线实施较为困难。

发明内容

本发明目的是提供一种一体化恒张力吊索控制装置，满足航天器地面微重力或低重力试验的要求。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一体化恒张力吊索控制装置，包括基座、电机、连轴器、滚珠花键轴、滚珠花键套、绝对式编码器、卷簧、卷筒、吊索、出索点控制支架，电机安装在基座一侧，提供力矩输出，连轴器连接设置在电机输出轴上，传递力矩到滚珠花键轴，滚珠花键轴将力矩传递到套设在滚珠花键轴中部的滚珠花键套，但不会限制滚珠花键套的轴向位移，滚珠花键套传递力矩到卷簧，卷簧一端与滚珠花键套连接，另一端与卷筒连接，卷筒通过轴承与滚珠花键套形成转动副，同吊索配合，将转动转换为吊索的直线运动，基座的底板上设有吊索引出孔以供吊索穿过，吊索用于连接被试验物体，绝对式旋转编码器一与卷筒的另一端相连，其光电读数头安装在基座上，用于测量花键套与基座的相对转角，位于卷筒下方的出索点控制支架设置在基座上，其滚珠滑槽与卷筒的线槽形成配合，在卷筒转动过程中保持吊索出索点相对于基座的位置不变。

其中，所述被试验物体为机械臂。

其中，滚珠花键轴和连轴器通过轴承座架设在基座的底板上。

其中，电机为永磁同步型力矩电机，尾部安装有绝对式旋转编码器二，用于测量电机输出轴相对于基座的转角。

其中，绝对式旋转编码器一由刻线玻璃盘、光电读数头和信号线组成。

其中，卷筒通过在圆柱筒的外圆柱面上加工吊索导线槽而成，吊索导线槽既能控制吊索的缠绕形状，又能与出索点控制支架配合，完成卷筒在转动过程中的同步轴向移动。

进一步地，卷筒上安装有轴承以便与滚珠花键套连接。

其中，出索点控制支架上设有滚珠滑槽，与卷筒上的吊索导槽形成配合，在卷筒转动过程中，向卷筒施加轴向力，使卷筒轴向移动，保持出索点位置不变。

与现有技术相比，本发明可应用于空间站核心舱空间机械臂舱上展开运动测试，该恒张力吊索控制装置使用内置卷簧实现缓冲，通过编码器与卷簧配合实现张力测量，使用滚珠花键、出索点控制支架和线槽保持出索点恒定，用较小的尺寸和重量实现高精度的吊索张力控制。本发明具有结构简单，紧凑和出力稳定的特点。

附图说明

图1是本发明具有测量和缓冲功能的一体化恒张力吊索控制装置的结构示意图；

其中：1为基座，2为滚珠花键轴，3为滚珠花键套，4为卷筒，5为卷簧，6为出索点控制支架，7为吊索，8为绝对式编码器一，9为连轴器，10为电机。

图2是本发明一体化恒张力吊索控制装置一实施方式的基座结构示意图；

其中：21为底板，22为轴承座，23为吊索引出孔。

图3是本发明一体化恒张力吊索控制装置一实施方式的滚珠花键轴结构示意图；

其中：31为滚珠花键轴段，32为轴承安装轴段，33为轴承、连轴器安装轴段。

图4是本发明一体化恒张力吊索控制装置一实施方式的滚珠花键套结构示意图；

其中：41为滚珠花键轴套主体，42为端盖。

图5是本发明一体化恒张力吊索控制装置一实施方式的绝对式旋转编码器结构示意图；

其中：51为刻线玻璃盘，52为读数头，53为信号线。

图6是本发明一体化恒张力吊索控制装置一实施方式的卷筒结构示意图；

其中：61为吊索导线槽，62为轴承一。

图7是本发明一体化恒张力吊索控制装置一实施方式的出索点控制支架结构示意图；

其中：71为滚珠滑槽，72为安装孔。

具体实施方式

以下介绍的是作为本发明所述内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明的所述内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。

参见图2，图2显示了本发明的一体化恒张力吊索控制装置一实施方式的基座结构示意图；其中，基座1包括底板21和设置在底板21两侧的轴承座22，轴承座用于穿设并支撑滚珠花键轴2以及连接电机输出端的连轴器9，底板21上设有吊索引出孔23，供吊索从底板上部穿过底板到底板下部。基座为整个装置的机械部分提供支撑和安装基础，在不影响各部件安装和设置吊索引出孔的前提下，基座底板的形状可以根据需要进行调整。

图3是本发明一体化恒张力吊索控制装置一实施方式的滚珠花键轴结构示意图；本发明中的滚珠花键轴2包括三个轴段，即轴承安装轴段32，滚珠花键轴段31，轴承与连轴器的安装轴段33。滚珠花键轴段31上设置有纵长凸棱，通过凸棱与滚珠花键套上纵向凹槽的配合作用使得电机产生的力矩传递给滚珠花键套，但同时不限制滚珠花键套的轴向移动。

图4是本发明一体化恒张力吊索控制装置一实施方式的滚珠花键套结构示意图；本发明中的滚珠花键套与滚珠花键轴配合使用，其作用是将力矩传递至卷簧，该滚珠花键套结构包括滚珠花键轴套主体41和设置在滚珠花键轴套主体41一侧的端盖42。滚珠花键轴套主体41内部开设有纵向凹槽，以与上述滚珠花键轴上的凸棱配合，传递力矩。

图5是本发明一体化恒张力吊索控制装置一实施方式的绝对式旋转编码器结构示意图；其中绝对式旋转编码器结构包括刻线玻璃盘51，读数头52以及信号线53，刻线玻璃盘51竖直设置在读数头52上，读数头52电连接有信号线53。图6和图7分别显示了本发明一体化恒张力吊索控制装置一实施方式的卷筒与出索点控制支架结构示意图；如图6中所示，卷筒4是在圆柱筒的外圆柱面上加工螺旋形的吊索导线槽61而成，吊索导线槽61既能够控制吊索的缠绕形状，又能够与出索点控制支架配合，完成卷筒在转动过程中的同步轴向移动。卷筒4上安装有轴承一62以便与滚珠花键套连接。如图7中所示，出索点控制支架安装在基座上，出索点控制支架包括底座和竖立在底座中部的支撑座，支撑座顶部平行设有若干排，优选两排的平行滚珠滑槽71，可以与卷筒上的吊索导槽形成配合，在卷筒转动过程中，向卷筒施加轴向力，使卷筒轴向移动，保持出索点位置不变。在图示的实施方式中，竖立的支撑座与底座之间设置有三角形的加强肋条且在底座四个角的位置处还设置有安装孔，以将其固定设置在基座底板上。

在此基础上，由它们组装构成本发明的具有测量和缓冲功能的一体化恒张力吊索控制装置，其结构示意图如图1所示。其中，该恒张力吊索控制装置包括基座1、电机10、连轴器9、滚珠花键轴2、滚珠花键套3、绝对式旋转编码器一8、卷簧5、卷筒4、吊索7、出索点控制支架6，电机10安装在基座1的一侧，提供力矩输出，连轴器9一端连接设置在电机输出轴上，另一端与滚珠花键轴2连接并传递力矩到滚珠花键轴2上，滚珠花键轴2两端分别穿过基板1两侧的支撑座22并由其支撑，滚珠花键轴2将力矩传递到套设在滚珠花键轴2中部的滚珠花键套3上，由于滚珠花键套的纵向凹槽与滚珠花键轴2纵向上设置的凸棱的配合作用使得滚珠花键套3随着滚珠花键轴2的旋转而转动，但不会限制滚珠花键套3的轴向位移，滚珠花键套3可以在滚珠花键轴的滚珠花键轴段31处沿轴向移动，轴承与连轴器的安装轴段33用于设置支承座22右以及连轴器9，轴承安装轴段32用于安装支承座22左，卷筒4一端通过轴承一62与滚珠花键套3的非端盖侧形成转动副，另一端通过卷簧5与滚珠花键套3的端盖侧形成弹性转动连接，卷筒4与优选钢丝绳的吊索7配合，将转动转换为吊索7的直线运动，基座1的底板21上设有吊索引出孔23以供吊索7穿过，吊索7用于连接被试验物体，绝对式旋转编码器一8的刻线玻璃盘51与卷筒4的右端相连，其光电读数头安装固定在基座上，用于测量卷筒与基座的相对转角，位于卷筒4下方的出索点控制支架6设置在基座1上，其滚珠滑槽71与卷筒的吊索导线槽61形成配合，在卷筒4转动过程中保持吊索出索点相对于基座的位置不变。

在一优选的实施方式中，电机采用永磁同步型力矩电机，尾部安装有绝对式旋转编码器，用于测量电机输出轴相对于基座的转角。电机的作用是产生可控的转矩输出。连轴器为刚性连轴器，用于连接电机输出轴与滚珠花键轴。

本发明的一体化恒张力吊索控制装置不仅为吊索的恒张力控制提供缓冲功能，降低加速度对张力的影响，还可用于测量电机输出力矩。

通过测量绝对式旋转编码器的转角和电机编码器的转角差，即可计算出卷簧所受力矩的大小，计算公式如下：

T＝k(θ₁-θ₂)

其中T为力矩值，k为卷簧弹性系数，θ₁为电机编码器测量得到的转角，θ₂为绝对式旋转编码器测量得到的转角。

尽管上文对本发明的具体实施方式进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，我们可以对上述实施方式进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和所附的权利要求所记载的范围。

Claims (8)

1.一体化恒张力吊索控制装置，包括基座、电机、连轴器、滚珠花键轴、滚珠花键套、绝对式编码器、卷簧、卷筒、吊索、出索点控制支架；其中，电机安装在基座一侧，提供力矩输出，连轴器连接设置在电机输出轴上，传递力矩到滚珠花键轴，滚珠花键轴将力矩传递到套设在滚珠花键轴中部的滚珠花键套，但不会限制滚珠花键套的轴向位移，滚珠花键套传递力矩到卷簧，卷簧一端与滚珠花键套连接，另一端与卷筒连接，卷筒通过轴承与滚珠花键套形成转动副，同吊索配合，将转动转换为吊索的直线运动，基座的底板上设有吊索引出孔以供吊索穿过，吊索用于连接被试验物体，绝对式旋转编码器一与卷筒的另一端相连，其光电读数头安装在基座上，用于测量花键套与基座的相对转角，位于卷筒下方的出索点控制支架设置在基座上，其滚珠滑槽与卷筒的线槽形成配合，在卷筒转动过程中保持吊索出索点相对于基座的位置不变，尾部安装有绝对式旋转编码器二，用于测量电机输出轴相对于基座的转角。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述被试验物体为机械臂。

3.如权利要求1所述的装置，其中，滚珠花键轴和连轴器通过轴承座架设在基座的底板上。

4.如权利要求1-3任一项所述的装置，其中，电机为永磁同步型力矩电机。

5.如权利要求1-3任一项所述的装置，其中，绝对式旋转编码器一由刻线玻璃盘、光电读数头和信号线组成。

6.如权利要求1-3任一项所述的装置，其中，卷筒通过在圆柱筒的外圆柱面上加工吊索导线槽而成，吊索导线槽既能控制吊索的缠绕形状，又能与出索点控制支架配合，完成卷筒在转动过程中的同步轴向移动。

7.如权利要求6所述的装置，其中，卷筒上安装有轴承以便与滚珠花键套连接。

8.如权利要求1-3任一项所述的装置，其中，出索点控制支架上设有滚珠滑槽，与卷筒上的吊索导槽形成配合，在卷筒转动过程中，向卷筒施加轴向力，使卷筒轴向移动，保持出索点位置不变。