CN104535247B - 空间系绳系统展开控制机构地面试验装置 - Google Patents

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Abstract

空间系绳系统展开控制机构地面试验装置，包括底座，所述底座上设有放线机构、展开控制机构、张力测量机构、测速装置、收线机构和显示面板；放线机构、展开控制机构和张力测量机构，完成基站航天器上系绳张紧释放，并通过改变系绳与涡轮轴之间的摩擦力，进而改变系绳展开速度和张力，来控制空间系绳系统的展开过程；测速装置、收线机构和显示面板，实现对系绳速度的测量、系绳回收和设置、显示参数功能；具有结构简单、成本低、适用于长达1Km系绳的特点。

Description

空间系绳系统展开控制机构地面试验装置
技术领域
本发明属于航天技术领域，特别涉及一种空间系绳系统展开控制机构地面试验装置。
背景技术
空间系绳系统是通过系绳将小航天器与基站航天器连接起来而形成的新型空间飞行器，是非常有前景的空间科学发展方向。它在近地空间和深空探测方面具有广阔的应用前景，如微重力产生、卫星姿态稳定、航天器发射及轨道转移、系绳辅助航天器再入、绳系交会及捕捉系统、空间碎片移除和对地观测和深空探测等。在空间系绳系统研究与应用过程中，实现系绳根据给定控制律从基站航天器中精确释放，系绳系统的展开控制机构是主要元件。因此研制系绳系统展开控制机构原理样机并建立地面模拟仿真试验平台开展地面试验验证研究是一项基础而非常重要的工作。地面模拟试验装置是用来初步检验航天系统动力学和控制理论研究成果的重要工具，通常作为代价昂贵且耗时的在轨飞行实验的必要准备步骤。南京航空航天大学的国家自然科学基金项目“绳系控制系统非线性动力学：理论和实验研究”（编号：10372039）在借鉴国外研究成果基础之上根据天-地动力学相似原理,设计了圆轨道系绳卫星面内运动地面试验系统。该试验系统的特点在于利用气垫和喷气模拟系绳系统的空间动力学环境, 如重力梯度和科氏力。但仍存在不足之处，由于地面试验系统的空间局限性，系绳展开最大长度仅为3m，没有考虑系绳展开控制机构工作的仿真模拟，而实际空间系绳系统的系绳长度可达几十公里。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明目的在于提供一种空间系绳系统展开控制机构地面试验装置，具有结构简单、成本低、适用于长达1Km系绳的特点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种空间系绳系统展开控制机构地面试验装置，包括有底座，底座上设有放线机构；伺服电机A的右侧设有导向轮；导向轮的右侧设有展开控制机构；展开控制机构右侧设有张力测量机构；张力测量机构右侧设有测速装置；测速装置右侧设有收线机构；显示面板。
所述的放线机构包括伺服电机A，放线轮、导向轮和缓冲装置，放线轮安装在转轴上，伺服电机带动转轴转动进而带动放线轮转动放线，系绳依次通过导向轮和缓冲装置。
所述的展开控制机构包括有支座，步进电机设在支座上，步进电机与涡轮蜗杆机构相连；系绳从固定在展开控制机构内壁上的涡轮件上的小孔穿入，从涡轮与蜗杆相连一端穿出，，步进电机带动蜗杆机构转动进而带动涡轮转动，改变涡轮轴上系绳的缠绕圈数。
所述张力测量机构设有支座和应变传感器，应变传感器安装在支座上，系绳穿过支座架上固定的3个导向轮产生弹性形变，通过应变传感器测量系绳张力。
所述测速装置设有一个和编码器和支架，编码器安装在支架上，所述编码器中心轴上安装一个轮盘，系绳通过轮盘的下沿，系绳展开过程中收线机构带动轮盘转动，通过编码器产生的脉冲信号来测量轮盘的转速。
所述收线机构设有伺服电机B、转轴和收线轮，收线轮安装在转轴上，伺服电机B带动转轴转动进而带动收线轮转动收线。
所述显示面板设有电源启动按钮、停止按钮、急停按钮和触摸显示屏，触摸显示屏上可设置初始启动参数并实时显示系绳长度、速度等参数。
本发明的有益效果是：
本发明的第一个目的是提供一种结构简单、成本低、适用于长达1Km系绳的系绳展开控制机构测试试验的地面试验装置。
本发明的第二个目的在于测试给定控制律下不同展开控制机构的展开特性，从而选取合适的展开控制机构。
本发明的第三个目的在于提供一种采用了上述地面试验装置完成基站航天器上系绳展开释放长度测量和展开控制机构功能的模拟，测试控制机构对控制算法的影响。
本发明空间系绳系统展开控制机构地面试验装置通过收放线机构、测量机构和展开控制机构和显示机构来完成地面试验。收放线机构完成系绳释放和回收；测量机构完成系绳速度、长度和张力；展开控制机构完成制动控制功能；显示机构完成初始参数设置，实时显示参数功能；具有结构简单、成本低、适用于长达1Km系绳和易于实现的特点。
本发明提供的地面试验装置适用于初步检验空间系绳系统展开过程中控制机构和控制理论研究成果，可以测试控制机构对控制算法的影响。
附图说明
图1 为本发明的俯视图。
图2为本发明的主视图。
图3 为本发明控制机构展开示意图。
图4 本发明放线机构结构示意图。
图中：1-底座；2-伺服电机A；3-放线轮；4-缓冲装置；5-导向轮；6-步进电机；7-涡轮蜗杆机构；8-支座A；9-支座B；10-应变传感器；11-伺服电机B；12-收线轮； 13-显示面板；14-测速装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。
照图1、图2、图3、图4，一种空间系绳系统展开控制机构地面试验装置，包括有底座1，底座1上设有放线机构；伺服电机A2的右侧设有导向轮5；导向轮5的右侧设有展开控制机构；展开控制机构右侧设有张力测量机构；张力测量机构右侧设有测速装置；测速装置右侧设有收线机构；显示面板13与测速装置和应变传感器相连。
所述的放线机构包括伺服电机A2，放线轮3、导向轮5和缓冲装置4，放线轮3安装在转轴上，伺服电机A2带动转轴转动进而带动放线轮3转动放线，系绳依次通过导向轮5和缓冲装置4，使系绳沿正确方向张紧释放。
所述的展开控制机构包括有支座A8，步进电机6设在支座A上，步进电机与涡轮蜗杆机构7相连；系绳从固定在展开控制机构内壁上的涡轮件上的小孔穿入，从涡轮与蜗杆相连一端穿出，步进电机6带动蜗杆机构7转动进而带动涡轮转动，改变涡轮轴上系绳的缠绕圈数，改变系绳与轴的相互摩擦力，进而调节空间系绳系统的展开过程。
所述张力测量机构设有支座B9和应变传感器10，应变传感器10安装在支座B9上，系绳穿过支座B9上固定的3个导向轮后产生弹性形变，通过应变传感器10测量系绳张力。
所述测速装置14设有支架和编码器，编码器安装在支架上，所述编码器中心轴上安装一个轮盘，系绳通过轮盘的下沿，系绳展开过程中收线机构带动轮盘转动，通过编码器产生的脉冲信号来测量轮盘的转速。
所述收线机构设有伺服电机B11、转轴和收线轮12，收线轮安装在转轴上，伺服电机B带动转轴转动进而带动收线轮转动收线。
所述显示面板13设有电源启动按钮、停止按钮、急停按钮和触摸显示屏，触摸显示屏上可设置初始启动参数并实时显示系绳长度、速度等参数。
本发明空间系绳系统展开控制机构地面试验装置可分为基站航天器上的设备模块和辅助设备模块两部分。
基站航天器上的设备模块包括放线机构、展开控制机构和张力测量机构，完成基站航天器上系绳张紧释放，并通过改变系绳与涡轮轴之间的摩擦力，进而改变系绳展开速度和张力，来控制空间系绳系统的展开过程。系绳张力测量机构对系绳进行应变测量，本发明主要试验展开控制机构对系绳展开过程的影响，张力测量范围要求较广，根据这个要求，选择德国SCHMIDT公司的FS1-20K-A2型应变传感器作为系绳张力测量敏感元件，该应变传感器的测量上限为20daN(200N)，精度为0.1N。地面试验开始之后，利用张力测量机构的应变传感器信号作为输入信号，调节展开控制机构对系绳释放过程进行控制。展开控制机构利用步进电机改变系绳在涡轮轴上的缠绕圈数，改变系绳与轴的相互摩擦力，进而改变系绳展开速度和张力，来控制空间系绳系统的展开过程。
辅助设备模块包括测速装置、收线机构和显示面板，实现对系绳速度的测量、系绳回收和设置、显示参数功能。测速轮盘的材料应保证与系绳良好的接合，避免打滑。测速装置支架上固定一个传感器作为敏感元件，从而测量测速轮的转数。测速轮半径为R=3.15cm，根据圆周长公式有L= 2πR=19.782cm，那么转轮转过一圈记录一个脉冲，计算每秒的脉冲数，即得到系绳释放速度。
本实施例提供的地面试验装置能够控制释放速度在0-30m/s之间任意变化，并且提供精度0.1N、变化范围0～200的拉力，适用于初步检验空间系绳系统展开过程中控制机构和控制理论研究成果，可以测试控制机构对控制算法的影响，且结构简单，易于实现。

Claims (1)

1.空间系绳系统展开控制机构地面试验装置，包括有底座1，其特征在于，底座上设有放线机构；伺服电机A的右侧设有导向轮；导向轮的右侧设有展开控制机构；展开控制机构右侧设有张力测量机构；张力测量机构右侧设有测速装置；测速装置右侧设有收线机构；显示面板13与测速装置和应变传感器相连；
所述的放线机构包括伺服电机A，放线轮、导向轮和缓冲装置，放线轮安装在转轴上，伺服电机带动转轴转动进而带动放线轮转动放线，系绳依次通过导向轮和缓冲装置；
所述的展开控制机构包括有支座，步进电机设在支座上，步进电机与涡轮蜗杆机构相连；系绳从固定在展开控制机构内壁上的涡轮件上的小孔穿入，从涡轮与蜗杆相连一端穿出，步进电机带动蜗杆机构转动进而带动涡轮转动，改变涡轮轴上系绳的缠绕圈数；
所述张力测量机构设有支座和应变传感器，应变传感器安装在支座上，系绳穿过支座架上固定的3个导向轮产生弹性形变，通过应变传感器测量系绳张力；
所述测速装置设有一个和编码器和支架，编码器安装在支架上，所述编码器中心轴上安装一个轮盘，系绳通过轮盘的下沿，系绳展开过程中收线机构带动轮盘转动，通过编码器产生的脉冲信号来测量轮盘的转速；
所述收线机构设有伺服电机B、转轴和收线轮，收线轮安装在转轴上，伺服电机B带动转轴转动进而带动收线轮转动收线；
所述显示面板设有电源启动按钮、停止按钮、急停按钮和触摸显示屏。
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