CN104731111A - 一种托架落体装置和托架落体控制装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种托架落体装置和托架落体控制装置及系统，其中托架落体控制系统，包括内部中空的真空上盖、上二通底座和真空筒，还包括下二通底座和托架落体控制装置；所述真空上盖、上二通底座、真空筒和下二通底座依次固定连接；所述真空上盖、上二通底座和真空筒的中空内部相互连通构成一个真空内腔；所述下二通底座与真空筒固定连接，用于封闭上述真空内腔；所述托架落体控制装置设置在真空上盖、上二通底座和真空筒构成的真空内腔中。当落体自由下落时，驱动电机处于静止状态，最大化消除由驱动电机引入的系统自振。同时考虑上限位单元和拖架上安装的弹性元件，可以有效控制落体自由飞行的高度。

Description

一种托架落体装置和托架落体控制装置及系统

技术领域

本发明涉及一种托架落体装置和托架落体控制装置及系统。

背景技术

高精度绝对重力测量数据广泛应用与资源勘探、地球科学、导航等领域。特别是20世纪60年代以来，随着深空探测和导弹技术的发展，对绝对重力测量的精度要求不断提高，由此世界各国加大了对绝对重力仪的研究和投入。

经典激光干涉绝对重力仪是通过测量落体做自由下落运动(或上抛运动)时相对于参考棱镜的位移来拟合求解测点重力加速度的。由于仪器的系统自振影响，使得参考棱镜在该过程中产生非线性振动，从而给测量结果带来振动误差，严重时可以达到上百微伽(1微伽＝1×10^-8m/s²)。因此在绝对重力仪研制的过程中，系统自振的最小化设计问题是测量系统及驱动单元研制时需要考虑的重要因素之一。

绝对重力仪进行测量时系统自振一般来自于落体的控制机构。目前国际上绝对重力仪研制采用的主要方法为激光干涉和原子干涉两种思路。激光干涉绝对重力仪的测量原理可以分为上抛法和下落法两种测量方式,上抛法是利用一套可控的抛射机构弹射抛体，测量抛体上升和下落过程中相对参考境的位移。由于抛射机构的存在，整个测量系统在抛体做上抛运动中必然会产生系统自振。下落法对落体的控制方式是将落体放置在拖架内，通过电动机将携带拖架的落体提升至一定的高度后反向加速推动拖架，推动拖架的加速度大于测点重力加速度，从而实现落体的自由下落。在此过程中，落体伺服跟踪机构的摩擦和系统的驱动力源就成了整个测量系统的振动源。这种振动还会与不同的地下介质结构耦合后会产生的不同振动模式，形成变化的系统偏差。实验表明不同的测点，系统自振产生的系统偏差不同，不能通过经验公式估计并从最终测量结果中修正。

国际上相关研究机构对于系统自振的处理方式利用长周期弹簧悬挂参考棱镜，同时隔离地面振动和系统自振对测量结果的影响。美国的FG5、A10、FGL、以及早期的JILA-g型绝对重力仪均利用超长弹簧(自振周期30～60s)悬挂参考棱镜。其基本结构是由支撑弹簧悬挂支架。支架上再悬挂主弹簧，而参考棱镜就安装在主弹簧底端。放于支架上的位置探测器会感知与其相连的质量块与参考棱镜之间的距离变化，然后将该变化转换为电信号控制伺服线圈，产生相应的反作用力于质量块上，从而保证质量块与参考棱镜之间的距离恒定，即保证参考棱镜的“绝对静止”。这种处理方式额外添加的隔振系统结构复杂，价格昂贵，不利于具有自主知识产权的激光干涉绝对重力测量仪器的开发。

发明内容

本发明提供一种可以应用于下落法激光干涉绝对重力仪用的托架落体装置和托架落体控制装置及系统，利用机械抓取结构、限位单元和停止单元的相互作用，实现对落体的提升、释放、承接和拖架的刹车，在落体自由下落阶段，动力单元即伺服电机处于静止状态，完全消除由于电机反转产生的系统自振对测量结果的影响。系统整体运行过程中电机均处于缓慢运动状态，大大降低了系统驱动所需的电机容量，减小的电机自身辐射对高精度数据采集带来的信号干扰。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种托架落体装置，包括托架、落体、弹性元件和配重质量块；

所述落体设置在托架内；

所述托架下端通过弹性元件与配重质量块相连接；

所述配重质量块控制托架被释放后，实现按照设定的规律向下运动。

本发明的有益效果是：可以保证落体自由脱离托架和恢复初始状态的工作需要。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述托架内部设有具有定位槽的定位环，所述落体上安装三个定位柱；

所述三个定位柱分别放置在定位环上的定位槽内，保证落体在每次自由下落运动的初始状态完全相同。

进一步，所述弹性元件包括至少2个均匀设置的弹簧。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种托架落体控制装置，包括位置固定的伺服电机、真空侧齿轮、齿条和托架落体装置；

所述伺服电机控制真空侧齿轮转动；

所述真空侧齿轮与齿条相互啮合，在伺服电机的控制下，真空侧齿轮控制齿条在垂直方向上下运动；

所述齿条与托架落体装置的托架上盖相连接；所述齿条用于带动托架落体装置沿垂直方向上下运动。

本发明的有益效果是：当落体自由下落时，驱动电机处于静止状态，最大化消除由驱动电机引入的系统自振。系统整体运行过程中电机均处于缓慢运动状态，大大降低了系统驱动所需的电机容量，减小的电机自身辐射对高精度数据采集带来的信号干扰。同时考虑上限位单元和拖架上安装的弹性元件，可以有效控制落体自由飞行的高度。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述托架落体控制装置还包括电机控制齿轮和大气侧齿轮，所述伺服电机的两侧分别为真空侧和大气侧，所述伺服电机真空侧设有真空侧齿轮；所述电机控制齿轮和大气侧齿轮设置在伺服电机大气侧；

所述伺服电机直接控制电机控制齿轮转动；

所述电机控制齿轮与大气侧齿轮相互啮合，所述电机控制齿轮带动大气侧齿轮转动；

所述大气侧齿轮驱动真空侧齿轮转动；所述真空侧齿轮与伺服电机不直接连接。

进一步，所述大气侧齿轮与真空侧齿轮之间设有过真空传动机构，所述大气侧齿轮通过过真空传动机构驱动真空侧齿轮转动。

进一步，所述托架落体控制装置还包括齿条运动导座，所述齿条运动导座设置在真空侧齿轮与齿条相连接的位置，用于限制齿条在垂直方向上的运动。

进一步，所述托架落体控制装置还包括连接托架与齿条的抓杆、机械抓取装置和万向连轴节；

所述抓杆固定在托架上端；

所述机械抓取装置与抓杆活动连接，所述抓杆可伸入机械抓取装置中以固定机械抓取装置与抓杆之间的位置；

所述万向连轴节一端与机械抓取装置活动连接，所述万向连轴节另一端与齿条固定连接，所述万向连轴节在运动过程中会根据水平方向受力产生相应的小尺度偏移。

采用上述进一步方案的有益效果是，所述万向连轴节在运动过程中会根据水平方向受力产生相应的小尺度偏移，从而抵消水平方向的安装误差引入的径向力对托架落体装置的作用力。

进一步，所述机械抓取装置包括三组弹簧钢珠机构。

采用上述进一步方案的有益效果是，所述弹簧钢珠机构包括相互匹配的钢珠和弹簧，当托架落体装置受到向上的外力阻止其下落时，此向上的外力对钢珠作用，钢珠向上压缩弹簧，此时可以将安装在托架上的抓杆放入内腔中，抓杆上预先铣出一个固定槽，当钢珠沿抓杆外圆面运动到该固定槽后，在弹簧的作用下将会停止在固定槽上，则可以抓取托架。当托架落体装置受到向下的外力阻止其上升时，此向下的外力对钢珠作用，钢珠将脱离固定槽，从而释放托架，则托架就会在弹性元件和配重质量块的作用下以大于重力加速度的加速度加速下落，实现落体的自由飞行。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种托架落体控制系统，包括内部中空的真空上盖、上二通底座和真空筒，还包括下二通底座和托架落体控制装置；

所述真空上盖、上二通底座、真空筒和下二通底座依次固定连接；各个连接面之间设有密封圈(如：氟橡胶材质O型圈等)实现真空密封；所述真空上盖、上二通底座和真空筒的中空内部相互连通构成一个真空内腔；

所述下二通底座与真空筒固定连接，用于封闭上述真空内腔；

所述托架落体控制装置设置在真空上盖、上二通底座和真空筒构成的真空内腔中。

本发明的有益效果是：当落体自由下落时，驱动电机处于静止状态，最大化消除由驱动电机引入的系统自振。系统整体运行过程中电机均处于缓慢运动状态，大大降低了系统驱动所需的电机容量，减小的电机自身辐射对高精度数据采集带来的信号干扰。同时考虑上限位单元和拖架上安装的弹性元件，可以有效控制落体自由飞行的高度。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述伺服电机、真空侧齿轮和过真空传动机构固定设置在上二通底座内；所述电机控制齿轮和大气侧齿轮延伸到上二通底座外侧，用于封闭上二通底座；

所述齿条贯穿真空上盖、上二通底座和真空筒构成的真空内腔；

所述托架落体装置、抓杆、机械抓取装置和万向连轴节设于真空筒内。

进一步，所述真空筒内还设有导轨支柱、导轨和导轨滑块；

所述导轨支柱竖直固定下二通底座与真空筒相连接的一侧，所述导轨支柱贴近真空筒内侧壁设置；

所述导轨安装在导轨支柱上，保证托架在竖直方向运动；

所述导轨滑块沿导轨做竖直运动，所述托架落体装置放置在导轨滑块上。

进一步，所述真空筒内还设有停止机构、两个限位轴、两个上限位装置和两个下限位装置；

所述停止机构固定设置在下二通底座上；所述停止结构限制托架落体装置在真空筒内的最低位置；

所述两个限位轴分别设置在导轨支柱两侧，所述一个上限位装置和一个下限位装置设置在一个限位轴上，通过调整上限位装置和下限位装置在限位轴上的位置，可实现对托架落体装置的位置限制调整；

所述上限位装置用于限制托架落体装置在真空筒内的上限位置；

所述下限位装置设置在距离真空筒底部的停止机构一定距离处，用于限制托架落体装置在真空筒内的活动范围。

采用上述进一步方案的有益效果是，保证在托架落体装置运行到下限位机构设定的位置时，弹性元件快速静止，避免弹簧的剧烈晃动影响弹性元件中各个弹簧的弹性系数。

附图说明

图1为本发明具体实施例所述的一种托架落体控制系统立体结构图；

图2为本发明具体实施例所述的一种托架落体控制系统右视剖视图；

图3为图2中B部分的局部放大图；

图4为图2中C部分的局部放大图；

图5为本发明具体实施例所述的一种托架落体控制系统主视剖视图；

图6为激光干涉绝对重力仪测量原理图；

图7为基于弹性元件双振子模型的绝对重力仪用落体控制原理图；

图8为M3＝0.2Kg、k＝200和l0＝0.1m时落体与拖架之间的位移原理图；

图9为M3＝0.1Kg、k＝100和l0＝0.1m时落体与拖架之间的位移原理图；

图10为M3＝0.15Kg、k＝100和l0＝0.05m时落体与拖架之间的位移原理图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、托架，2、落体，3、弹性元件，4、配重质量块，5、伺服电机，6、真空侧齿轮，7、齿条，8、电机控制齿轮，9、大气侧齿轮，10、过真空传动机构，11、齿条运动导座，12、抓杆，13、机械抓取装置，14、万向连轴节，15、真空上盖，16、上二通底座，17、真空筒，18、下二通底座，19、导轨支柱，20、停止机构，21、限位轴，22、上限位装置，23、下限位装置。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图3所示，在图2的B部分的局部放大图中显示的是一种托架落体装置的结构示意图，包括托架1、落体2、弹性元件3和配重质量块4；

所述落体2设置在托架1内；

所述托架1下端通过弹性元件3与配重质量块4相连接；

所述配重质量块4控制托架1被释放后，实现按照设定的规律向下运动。

所述托架1内部设有定位环；

所述落体2设置在定位环内。

所述弹性元件3包括至少2个均匀设置的弹簧。

如图1、3、4和5所示，本发明具体实施例所述的一种托架落体控制装置，包括位置固定的伺服电机5、真空侧齿轮6、齿条7和托架落体装置；

所述伺服电机5控制真空侧齿轮6转动；

所述真空侧齿轮6与齿条7相互啮合，在伺服电机5的控制下，真空侧齿轮6控制齿条7在垂直方向上下运动；

所述齿条7与托架落体装置的托架1上端相连接；所述齿条7用于带动托架落体装置沿垂直方向上下运动。

所述托架落体控制装置还包括电机控制齿轮8和大气侧齿轮9，所述伺服电机5的两侧分别为真空侧和大气侧，所述伺服电机5真空侧设有真空侧齿轮6；所述电机控制齿轮8和大气侧齿轮9设置在伺服电机5大气侧；

所述伺服电机5直接控制电机控制齿轮8转动；

所述电机控制齿轮8与大气侧齿轮9相互啮合，所述电机控制齿轮8带动大气侧齿轮9转动；

所述大气侧齿轮9驱动真空侧齿轮6转动；所述真空侧齿轮6与伺服电机5不直接连接。

所述大气侧齿轮9与真空侧齿轮6之间设有过真空传动机构10，所述大气侧齿轮9通过过真空传动机构10驱动真空侧齿轮6转动。

所述托架落体控制装置还包括齿条运动导座11，所述齿条运动导座11设置在真空侧齿轮6与齿条7相连接的位置，用于限制齿条7在水平方向上的运动。

所述托架落体控制装置还包括连接托架1与齿条7的抓杆12、机械抓取装置13和万向连轴节14；

所述抓杆12固定在托架1上端；

所述机械抓取装置13与抓杆12活动连接，所述抓杆12可伸入机械抓取装置13中以固定机械抓取装置13与抓杆12之间的位置；

所述万向连轴节14一端与机械抓取装置13活动连接，所述万向连轴节14另一端与齿条7固定连接，所述万向连轴节14在运动过程中会根据水平方向受力产生相应的小尺度偏移。

所述万向连轴节14在运动过程中会根据水平方向受力产生相应的小尺度偏移，从而抵消水平方向的安装误差引入的径向力对托架落体装置的作用力。

所述机械抓取装置13包括三组弹簧钢珠机构；所述弹簧钢珠机构包括相互匹配的钢珠和弹簧，当托架落体装置受到向上的外力(下限位机构)阻止其下落时，此向上的外力对钢珠作用，钢珠向上压缩弹簧，此时可以将安装在托架上的抓杆12放入内腔中，抓杆12上预先铣出一个固定槽，当钢珠沿抓杆12外圆面运动到该固定槽后，在弹簧的作用下将会停止在固定槽上，则可以抓取托架1。当托架落体装置受到向下的外力(上限位机构)阻止其上升时，此向下的外力对钢珠作用，钢珠将脱离固定槽，从而释放托架1，则托架1就会在弹性元件3和配重质量块4的作用下以大于重力加速度的加速度加速下落，实现落体的自由飞行。

如图1、2和5所示，为本发明具体实施例所述的一种托架落体控制系统，包括内部中空的真空上盖15、上二通底座16和真空筒17，还包括下二通底座18和托架落体控制装置；

所述真空上盖15、上二通底座16、真空筒17和下二通底座18依次固定连接；所述真空上盖15、上二通底座16和真空筒17的中空内部相互连通构成一个真空内腔；

所述下二通底座18真空筒固定连接，用于封闭上述真空内腔；

所述托架落体控制装置设置在真空上盖15、上二通底座16和真空筒17构成的真空内腔中。

所述伺服电机5、真空侧齿轮6和过真空传动机构10固定设置在上二通底座16内；所述电机控制齿轮8和大气侧齿轮9延伸到上二通底座16外侧，用于封闭上二通底座16；

所述齿条7贯穿真空上盖15、上二通底座16和真空筒17构成的真空内腔；

所述托架落体装置、抓杆12、机械抓取装置13和万向连轴节14设于真空筒17内。

所述真空筒17内还设有导轨支柱19、导轨和导轨滑块；

所述导轨支柱19竖直固定下二通底座与真空筒相连接的一侧，所述导轨支柱19贴近真空筒内侧壁设置；

所述导轨安装在导轨支柱19上，保证托架1在竖直方向运动；

所述导轨滑块沿导轨做竖直运动，所述托架落体装置放置在导轨滑块上。

所述真空筒17内还设有停止机构20、两个限位轴21、两个上限位装置22和两个下限位装置23；

所述停止机构20固定设置在下二通底座18上；所述停止结构20限制托架落体装置在真空筒17内的最低位置；

所述两个限位轴21分别设置在导轨支柱19两侧，所述一个上限位装置22和一个下限位装置23设置在一个限位轴21上，通过调整上限位装置22和下限位装置23在限位轴21上的位置，可实现对托架落体装置的位置限制调整；

所述上限位装置22用于限制托架落体装置在真空筒17内的上限位置；

所述下限位装置23设置在距离真空筒17底部的停止机构20一定距离处，用于限制托架落体装置在真空筒17内的活动范围。

保证在托架落体装置运行到下限位机构设定的位置时，弹性元件快速静止，避免弹簧的剧烈晃动影响弹性元件中各个弹簧的弹性系数。

如图3所示，在托架1盖上安装抓杆12，齿条7通过万向连轴节14与机械抓取装置13连接。机械抓取装置13是一个特殊设计的结构，主要动作部分是三组弹簧钢珠机构，当受到下限位机构23作用后，产生的支持力对钢珠作用，钢珠向后压缩弹簧，此时可以将安装在托架上盖的抓杆12放入内腔中，抓杆12上预先铣出一个固定槽，当钢珠沿抓杆外圆面运动到该固定槽后，在弹簧的作用下将会停止在固定槽上，则可以抓取托架1。当收到上限位机构22的作用后，支持力再次对钢珠作用，钢珠将脱离固定槽，从而释放托架1，则托架1就会在弹性元件3和配重质量块4的作用下以大于重力加速度的加速度加速下落，实现落体的自由飞行。

这样一方面可以通过大气测的伺服电机5带动的电机控制齿轮8和大气侧齿轮9，通过过过真空传动机构10，驱动真空侧齿轮6，真空侧齿轮6拖动齿条7将落体托架结构提升到设定位置，另一方面万向连轴节14在运动过程中会根据水平方向受力产生相应的小尺度偏移，从而抵消水平方向的安装误差引入的径向力对驱动机构的作用。

如图4所示，在局部放大图C中，位于真空内部的真空侧齿轮6拖动齿条7上下往复运动，为了保证齿条7仅仅沿竖直方向运动，这里设计了一个齿条运动导座11来对齿条7的水平向运动状态进行限制。

整套落体控制机构安装在由真空上盖15、上二通底座16、真空筒17和下二通底座18构成的真空腔体内。

托架落体机构安装在导轨滑块上，导轨滑块沿导轨做直线运动(详见附图3所示)，为了保证托架沿竖直方向运动，将导轨安装在导轨支柱19上，导轨支柱19呈竖直方向通过三个M5螺钉与下二通底座18固定。同时下二通底座18上还安装了停止机构20，导轨支柱两侧设置两根限位轴21，限位轴上安装下限位机构23和上限位机构22。上、下限位机构22、23控制着托架上行和下行停止的位置，上限位机构22设定了托架1向上运行到该位置时机械抓取装置13释放托架1，伺服电机5静止，落体2、托架1、弹性元件3和悬挂的配重质量块4按照双子振子模型分析确定的运动规律向下运动。在下二通底座18上安装的停止机构20保证在托架运行到下限位机构23设定的位置时，弹性元件3快速静止，避免弹簧的剧烈晃动影响弹性元件3中各个弹簧的弹性系数。

图6是激光干涉绝对重力仪测量原理图。

具体测量过程是，首先从激光源出射的激光经过准直后，入射分光镜，分光镜将入射光分成相干的参考光束和测量光束。其中参考光束透射分光镜，测量光束在分光镜的分光面反射，经过落体和参考棱镜反射后与透射的参考光束叠加，形成包含落体相对于参考棱镜的位移信息的干涉条纹。通过对干涉条纹过零信息的提取，可以重建落体的下落轨迹，进而计算测点的重力加速度值。在该过程中，落体通过伺服控制机构的工作实现其自由下落，在落体自由下落时，参考棱镜感受的振动将会影响从干涉条纹重建的落体下落轨迹，这就是振动对测量结果的影响方式。

图7是基于弹性元件双振子模型的绝对重力仪用落体控制原理图。

质量为M2和M3的两块支撑板之间用劲度系数为k弹性元件相连，M2在力F作用下固定，M3自由，将弹性元件拉伸长度为x。质量为M1的块体放置在M2上，之间没有连接。初始状态，三者各自的受力如图1所示，处于平衡状态。当某时刻力F突然消失，则M2在弹性元件弹力作用下会加速下落，加速度大于重力加速度。此时与M1之间的支撑力N1消失，M1在重力作用下竖直下落，与M2分离。此后，M2与M3组成一个系统，在重力作用下竖直下落，并保持与M1一定的距离。这个距离与弹性元件的劲度系数和M3的质量有关。

由此可知，如果设计一个落体控制系统，通过调整M3的质量和弹性元件劲度系数k，就可以方便的控制M1和M2之间的距离。这种控制方式可以实现拖架与落体的瞬间脱离，并保持一定的距离下落，由于该距离很小，可以实现最后落体与拖架接触式产生的振动很小，方便落体姿态的调整。

相对于M2和M3组成的系统，在真空中自由下落的过程中外力仅有重力一项，该系统的质心将按照自由下落运动规律运动，此时M1亦按照自由下落运动规律运动。因此在机械手释放M2后，其所受的M1带来的压力N1同时消失，其加速度可以写成：

$a_{M2}=\frac{M2g+\mathrm{kx}}{M2}=g+\frac{\mathrm{kx}}{M2}>g$

M2在该加速作用下，加速下落，与M1分离，实现M1本身的自由下落。但是在释放时刻，M3受力平衡，其加速度a_M3＝0，M2和M3之间的距离逐渐缩小，弹性元件也从原始的伸长x逐渐缩短，当弹性元件恢复至原长的时候，M2和M3以及二者组成的系统质心均以重力加速度g向下做自由下落运动。但是由于M2的速度大于M3，故弹性元件会进一步缩短，即x进一步变小，弹性元件进入压缩状态，此时M2的向下加速度变小，M3向下加速度变大，当弹性元件压缩量最大时，M2的速度小于M3，于是弹性元件又开始变长，直至恢复二者被释放时的状态。由此分析，M2、M3以及之间的弹性元件组成的系统变化规律是弹性元件的长度在伸长x-变短-原长-压缩-伸长-原长-伸长x之间周期变化。

而M2与M3之间的最大距离出现在弹性元件最短的位置，当弹性元件重新伸长到x时M2与M3接触，这个过程就是基于M1自由下落运动进行重力加速度测量的过程。

M2与M1之间的间距可以写为：

$Y_2=\left(\frac{M3l}{M2+M3}\right)+(-\frac{M3l_0}{M2+M3})+\frac{{M3}^{2}g}{k(M2+M3)}\cos (2\mathrm{\πft}+\mathrm{\π})$

其中M2固定，l与M3、和l₀相关，因此(5)中仅有M3、和l_0可调。

图8是M3＝0.2Kg、k＝200和l₀＝0.1m时落体与拖架之间的位移，可见落体与拖架之间的位移在0-12毫米之间变化，变化周期约为0.13秒，相当于落体下落的距离是8.3毫米。

图9是M3＝0.1Kg、k＝100和l₀＝0.1m时落体与拖架之间的位移，可见落体与拖架之间的位移在0-8毫米之间变化，变化周期约为0.15秒，相当于落体下落距离是110毫米。

图10是M3＝0.15Kg、k＝100和l₀＝0.05m时落体与拖架之间的位移，可见落体与拖架之间的位移在0-1.5毫米之间变化，变化周期约为0.17秒，相当于落体下落距离是14.2毫米。

由以上的分析可以发现，落体与拖架之间的距离大小比较敏感与M3的质量，而落体与拖架分离然后到接触的时间基本上由弹性元件的劲度系数决定，而弹性元件的原长对这两个参数的影响不大。

现有技术中拖架落体定位机构原理，拖架安装在导轨的滑块上，在实际工作中，拖架被机械抓取结构抓取释放，该过程中拖架始终沿导轨运动。从而通过调整导轨的垂直状态，可以保证拖架以及落体沿竖直方向运动。落体上安装有三个定位柱，与定位环上120的V型槽相互作用，可以保证落体自由脱离拖架和恢复初始状态的工作需要。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种托架落体装置，其特征在于，包括托架、落体、弹性元件和配重质量块；

所述落体设置在托架内；

所述托架下端通过弹性元件与配重质量块相连接；

所述配重质量块控制托架被释放后，实现按照设定的规律向下运动。

2.根据权利要求1所述的一种托架落体装置，其特征在于，所述托架内部设有具有定位槽的定位环，所述落体上安装三个定位柱；

所述三个定位柱分别放置在定位环上的定位槽内，保证落体在每次自由下落运动的初始状态完全相同；

所述弹性元件包括至少2个均匀设置的弹簧。

3.一种托架落体控制装置，其特征在于，包括位置固定的伺服电机、真空侧齿轮、齿条和如权利要求1或2所述的一种托架落体装置；

所述伺服电机控制真空侧齿轮转动；

所述真空侧齿轮与齿条相互啮合，在伺服电机的控制下，真空侧齿轮控制齿条在垂直方向上下运动；

所述齿条与托架落体装置的托架上盖相连接；所述齿条用于带动托架落体装置沿垂直方向上下运动。

4.根据权利要求3所述的一种托架落体控制装置，其特征在于，所述托架落体控制装置还包括电机控制齿轮和大气侧齿轮，所述伺服电机的两侧分别为真空侧和大气侧，所述伺服电机真空侧设有真空侧齿轮；所述电机控制齿轮和大气侧齿轮设置在伺服电机大气侧；

所述伺服电机直接控制电机控制齿轮转动；

所述电机控制齿轮与大气侧齿轮相互啮合，所述电机控制齿轮带动大气侧齿轮转动；

所述大气侧齿轮驱动真空侧齿轮转动；所述真空侧齿轮与伺服电机不直接连接。

5.根据权利要求4所述的一种托架落体控制装置，其特征在于，所述大气侧齿轮与真空侧齿轮之间设有过真空传动机构，所述大气侧齿轮通过过真空传动机构驱动真空侧齿轮转动；

所述托架落体控制装置还包括齿条运动导座，所述齿条运动导座设置在真空侧齿轮与齿条相连接的位置，用于限制齿条在垂直方向上的运动。

6.根据权利要求3-5任一项所述的一种托架落体控制装置，其特征在于，所述托架落体控制装置还包括连接托架与齿条的抓杆、机械抓取装置和万向连轴节；

所述抓杆固定在托架上端；

所述机械抓取装置与抓杆活动连接，所述抓杆可伸入机械抓取装置中以固定机械抓取装置与抓杆之间的位置；

所述万向连轴节一端与机械抓取装置活动连接，所述万向连轴节另一端与齿条固定连接，所述万向连轴节在运动过程中会根据水平方向受力产生相应的小尺度偏移。

7.一种托架落体控制系统，其特征在于，包括内部中空的真空上盖、上二通底座和真空筒，还包括下二通底座和如权利要求6所述的一种托架落体控制装置；

所述真空上盖、上二通底座、真空筒和下二通底座依次固定连接；所述真空上盖、上二通底座和真空筒的中空内部相互连通构成一个真空内腔；

所述下二通底座与真空筒固定连接，用于封闭上述真空内腔；

所述托架落体控制装置设置在真空上盖、上二通底座和真空筒构成的真空内腔中。

8.根据权利要求7所述的一种托架落体控制系统，其特征在于，所述伺服电机、真空侧齿轮和过真空传动机构固定设置在上二通底座内；所述电机控制齿轮和大气侧齿轮延伸到上二通底座外侧，用于封闭上二通底座；

所述齿条贯穿真空上盖、上二通底座和真空筒构成的真空内腔；

所述托架落体装置、抓杆、机械抓取装置和万向连轴节设于真空筒内。

9.根据权利要求7或8所述的一种托架落体控制系统，其特征在于，所述真空筒内还设有导轨支柱、导轨和导轨滑块；

所述导轨支柱竖直固定下二通底座与真空筒相连接的一侧，所述导轨支柱贴近真空筒内侧壁设置；

所述导轨安装在导轨支柱上，保证托架在竖直方向运动；

所述导轨滑块沿导轨做竖直运动，所述托架落体装置放置在导轨滑块上。

10.根据权利要求9所述的一种托架落体控制系统，其特征在于，所述真空筒内还设有停止机构、两个限位轴、两个上限位装置和两个下限位装置；

所述停止机构固定设置在下二通底座上；所述停止结构限制托架落体装置在真空筒内的最低位置；

所述两个限位轴分别设置在导轨支柱两侧，所述一个上限位装置和一个下限位装置设置在一个限位轴上，通过调整上限位装置和下限位装置在限位轴上的位置，可实现对托架落体装置的位置限制调整；

所述上限位装置用于限制托架落体装置在真空筒内的上限位置；

所述下限位装置设置在距离真空筒底部的停止机构一定距离处，用于限制托架落体装置在真空筒内的活动范围。