CN104803015A - 大扬程气浮高精度重力卸荷装置 - Google Patents

大扬程气浮高精度重力卸荷装置 Download PDF

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Abstract

大扬程气浮高精度重力卸荷装置，它属于地面微重力模拟实验平台的航空宇航技术领域。它是为了解决现有微重力及低重力模拟设备技术存在不足的问题。它的码盘式小功率电动机、码盘式大功率电动机、单边气浮常闭离合器、第三滑轮、减速器和制动器都安装在底座上，码盘式小功率电动机的输出转轴通过小量程扭矩传感器与大直径卷筒的左侧轴同轴传动连接；码盘式大功率电动机的输出转轴通过减速器、大量程扭矩传感器、单边气浮常闭离合器与小直径卷筒的右侧轴传动连接；第一吊索绳在切线出大直径卷筒的绳槽后进入第一滑轮的滑轮槽内。本发明的结构紧凑，由于引入了多种气浮设备，减小了系统部件运动的阻尼，消除了部件振动的影响，精度高，可靠性强。<u/>

Description

大扬程气浮高精度重力卸荷装置
技术领域
本发明属于地面微重力模拟实验平台的航空宇航技术领域。
背景技术
为降低宇航设备的开发成本，提高可靠性，缩短研发周期，需要在研发过程中或发射前在地面上对设备功能、性能指标、工作可靠性、操作流程、故障模式与应对措施等设备全寿命周期内可能面对的所有问题进行尽可能的和高效率的验证，以帮助设计人员尽早发现设计缺陷并修改、验证，并帮助操作人员和管理人员制定合理的操作流程，可靠的意外情况应对措施，熟悉操作过程。然而，由于宇航设备的结构设计与材料使用大多要适应低发射负载要求和低重力工作环境，所需要在地球重力环境中模拟在太空中微重力或低重力的工作状态。
地面微重力模拟的主要方法有计算机仿真和半物理实验的方法，但是依赖于计算机仿真的方案往往不能够准确反映出实际的环境。半物理实验的方法主要有落塔法、水浮法、悬吊法、气浮法等。“气浮法”的代表设备是各种气浮平台。原理是利用气体浮力将待测物于光滑的水平面上托起维持低重力环境。气体由平面止推气浮轴承喷出后，通过改变节流孔气体压力，使被测工件保持悬浮状态。上世纪60年代，欧洲空间局已经建立气浮平台来研究低重力系统。气浮法的优点在于它的精度高，可靠性强，并且成本较低，但缺点在于它只能实现二维平面内的实验，最多5个运动自由度。对于例如巡视车可能遇到的越障，爬坡情况无法做出有效的评价。气浮设备的供气管路、排气推力、气瓶在工作中的质量变化都是可能影响实验的因素，此类系统在设计时应尽量减小或避免这些因素的影响。气浮设备多种多样，是减小环境摩擦、振动影响的有力工具，但单纯使用气浮技术难以实现多自由的运动模拟，因而气浮平台技术一般都是忽略最困难的一个自由度，即垂直方向的。因此，将基于气浮法的微重力模拟设备与悬吊法重力卸荷相结合，实现大扬程、高精度、多功能的重力卸荷设备是非常重要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种大扬程气浮高精度重力卸荷装置，是为了解决现有微重力及低重力模拟设备技术存在不足的问题。
所述的目的是通过以下方案实现的：所述的一种大扬程气浮高精度重力卸荷装置，它包括底座1、码盘式小功率电动机2、小量程扭矩传感器3、第一气浮轴承4、大直径卷筒5、小直径卷筒6、第二气浮轴承7、单边气浮常闭离合器8、大量程扭矩传感器9、减速器10、制动器11、码盘式大功率电动机12、往复式滑动平台13、第一滑轮14、第二滑轮15、第三滑轮16、配重块17、第一吊索绳18、第二吊索绳19；
所述大直径卷筒5的右端面与小直径卷筒6的左端面同轴连接；大直径卷筒5的左侧轴通过第一气浮轴承4转动安装在底座1上，小直径卷筒6的右侧轴通过第二气浮轴承7转动安装在底座1上，码盘式小功率电动机2、码盘式大功率电动机12、单边气浮常闭离合器8、第三滑轮16、减速器10和制动器11都安装在底座1上，使码盘式小功率电动机2的输出转轴通过小量程扭矩传感器3与大直径卷筒5的左侧轴同轴传动连接；使码盘式大功率电动机12的输出转轴通过减速器10、大量程扭矩传感器9、单边气浮常闭离合器8与小直径卷筒6的右侧轴传动连接；在码盘式大功率电动机12的输出转轴上安装有制动器11；第一吊索绳18缠绕在大直径卷筒5的绳槽内，第二吊索绳19缠绕小直径卷筒6的绳槽内；大直径卷筒5的绳槽节距与小直径卷筒6的绳槽节距相等；往复式滑动平台总成13安装在底座1上，第一滑轮14和第二滑轮15都安装在往复式滑动平台总成13的滑动平台上，当往复式滑动平台总成13按大直径卷筒5的轴向移动工作时，使第一吊索绳18在水平切线出大直径卷筒5的绳槽后能直接进入第一滑轮14的滑轮槽内，使第一吊索绳18水平向下折弯90度，实现垂直悬吊被测工件20；同时也使第二吊索绳19在水平切线出小直径卷筒6的绳槽后能直接进入第二滑轮15的滑轮槽内，然后再通过第三滑轮16变换方向使第二吊索绳19垂直向下悬吊配重块17。
本发明相对现有技术具有如下有益效果：本装置结构紧凑，由于引入了多种气浮设备，减小了系统部件运动的阻尼，消除了部件振动的影响，精度高，可靠性强，并且成本较低；采用大小两个电机，即起重电机与平衡电机，控制吊索的悬吊运动，既可分别用于不同工作模式，也可按照粗调微调的分工协同运动。滑动支架的运动可以始终保证吊索沿直线由线槽引出，平滑进入滑轮槽，无额外摩擦干扰。大电机在离合器分离后伺服跟踪小电机运动，使离合器输出端与输入端的相对转速近似为0。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是图1的俯视结构示意图；
图3是具体实施方式二的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1、图2所示，它包括底座1、码盘式小功率电动机2、小量程扭矩传感器3、第一气浮轴承4、大直径卷筒5、小直径卷筒6、第二气浮轴承7、单边气浮常闭离合器8、大量程扭矩传感器9、减速器10、制动器11、码盘式大功率电动机12、往复式滑动平台总成13、第一滑轮14、第二滑轮15、第三滑轮16、配重块17、第一吊索绳18、第二吊索绳19；
所述大直径卷筒5的右端面与小直径卷筒6的左端面同轴连接；大直径卷筒5的左侧轴通过第一气浮轴承4转动安装在底座1上，小直径卷筒6的右侧轴通过第二气浮轴承7转动安装在底座1上，码盘式小功率电动机2、码盘式大功率电动机12、单边气浮常闭离合器8、第三滑轮16、减速器10和制动器11都安装在底座1上，使码盘式小功率电动机2的输出转轴通过小量程扭矩传感器3与大直径卷筒5的左侧轴同轴传动连接；使码盘式大功率电动机12的输出转轴通过减速器10、大量程扭矩传感器9、单边气浮常闭离合器8与小直径卷筒6的右侧轴传动连接；在码盘式大功率电动机12的输出转轴上安装有制动器11；第一吊索绳18缠绕在大直径卷筒5的绳槽内，第二吊索绳19缠绕小直径卷筒6的绳槽内；大直径卷筒5的绳槽节距与小直径卷筒6的绳槽节距相等；往复式滑动平台总成13安装在底座1上，第一滑轮14和第二滑轮15都安装在往复式滑动平台总成13的滑动平台上，当往复式滑动平台总成13按大直径卷筒5的轴向移动工作时，使第一吊索绳18在水平切线出大直径卷筒5的绳槽后能直接进入第一滑轮14的滑轮槽内，使第一吊索绳18水平向下折弯90度，实现垂直悬吊被测工件20；同时也使第二吊索绳19在水平切线出小直径卷筒6的绳槽后能直接进入第二滑轮15的滑轮槽内，然后再通过第三滑轮16变换方向使第二吊索绳19垂直向下悬吊配重块17。
所述大直径卷筒5的直径大于小直径卷筒6的直径。
当本装置工作在低重力模拟和零重力非悬空运动模拟场景下，配重块17的质量小于实际质量或为零质量。
往复式滑动平台总成13可为齿轮齿条式往复机构总成或丝杠螺母式往复机构总成。
所述码盘式小功率电动机2的型号为C041；小量程扭矩传感器3的型号为T20WN；第一气浮轴承4和第二气浮轴承7的型号为S304002；大量程扭矩传感器9的型号为LDN-08D-2000Nm；码盘式大功率电动机12的型号为C090。
工作原理：用气罐或气泵向第一气浮轴承4和第二气浮轴承7供气使之悬浮；根据本装置的工作模式，确定单边气浮常闭离合器8的连通或分离：有配重块17时的高动态微重力仿真模式时，单边气浮常闭离合器8分离，码盘式小功率电动机2通过小量程扭矩传感器3带大直径卷筒5和小直径卷筒6转动工作；无配重块17时的高动态微重力仿真模式时，单边气浮常闭离合器8连通，码盘式大功率电动机12作为主动电机工作；确定工作模式后，本装置内的相对应的电动机加电，电动机的力矩粗调到被测工件20重量的计算值附近，第一吊索绳18将被测工件20初步悬吊； 被测工件20的动态实验开始，在被测工件20的垂直方向产生位移时由相对应的电动机驱动第一吊索绳18进行伺服跟踪，并通过力反馈保持第一吊索绳18的拉力恒定；制动器11在本装置运行中和停止时进行掉电保护、断电拉力保持和故障保护。为减小摩擦对重力卸荷精度影响，本装置中的轴承都可更换为气浮轴承；小量程扭矩传感器3用于测量拉力补偿误差，零重力悬空模式下测量配平后的残留误差。大量程扭矩传感器9用于测量低重力与零重力非悬空运动模拟模式下测量扭矩，或在零重力悬空状态下测量切换条件是否满足。
配重块17的配重质量                                               的计算与调整方法：标称值按下式计算，，其中为被测工件20的质量，符合所述大直径卷筒5的直径大于小直径卷筒6的直径的规定。由于使用配重，会产生额外的附加质量，的设计需使满足试验允许的附加质量要求。按标称数值配平后，需通过增减砝码的方式进一步进行微调，调整目标为：单边气浮常闭离合器8闭合、码盘式大功率电动机12工作在位置伺服状态、静止，码盘式小功率电动机2工作在力矩控制模式、零扭矩输出条件下，小量程扭矩传感器3和大量程扭矩传感器9的读数之和小于小量程扭矩传感器3满量程的1/10。在大量程扭矩传感器9测量值在零位附近时才容许单边气浮常闭离合器8分离。单边气浮常闭离合器8分离后码盘式大功率电动机12对码盘式小功率电动机2进行跟踪，以保证单边气浮常闭离合器8在闭合时相对转速接近于零。其方法是取码盘式小功率电动机2的码盘信号作为参考信号，与码盘式大功率电动机12的码盘反馈信号做差，经PI控制算法后控制码盘式大功率电动机12转动，使差趋近于零。
具体实施方式二：结合图1、图3所示，本具体实施方式在具体实施方式一的基础上增加有带电位器的低摩擦气缸21；带电位器的低摩擦气缸21的底座安装在往复式滑动平台总成13的滑动平台上，带电位器的低摩擦气缸21的活塞杆端头上的滑轮21-1转动顶在大直径卷筒5与第一滑轮14之间的第一吊索绳18上，带电位器的低摩擦气缸21用于模拟低刚度弹簧的作用。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。本具体实施方式为工作在低重力模拟和零重力非悬空运动模拟场合的情况下。
所述带电位器的低摩擦气缸21的型号为SCSA6378S0+KTC-125。

Claims (3)

1.大扬程气浮高精度重力卸荷装置，其特征在于它包括底座（1）、码盘式小功率电动机（2）、小量程扭矩传感器（3）、第一气浮轴承（4）、大直径卷筒（5）、小直径卷筒（6）、第二气浮轴承（7）、单边气浮常闭离合器（8）、大量程扭矩传感器（9）、减速器（10）、制动器（11）、码盘式大功率电动机（12）、往复式滑动平台总成（13）、第一滑轮（14）、第二滑轮（15）、第三滑轮（16）、配重块（17）、第一吊索绳（18）、第二吊索绳（19）；
所述大直径卷筒（5）的右端面与小直径卷筒（6）的左端面同轴连接；大直径卷筒（5）的左侧轴通过第一气浮轴承（4）转动安装在底座（1）上，小直径卷筒（6）的右侧轴通过第二气浮轴承（7）转动安装在底座（1）上，码盘式小功率电动机（2）、码盘式大功率电动机（12）、单边气浮常闭离合器8、第三滑轮（16）、减速器（10）和制动器（11）都安装在底座（1）上，使码盘式小功率电动机（2）的输出转轴通过小量程扭矩传感器（3）与大直径卷筒（5）的左侧轴同轴传动连接；使码盘式大功率电动机（12）的输出转轴通过减速器（10）、大量程扭矩传感器（9）、单边气浮常闭离合器（8）与小直径卷筒（6）的右侧轴传动连接；在码盘式大功率电动机（12）的输出转轴上安装有制动器（11）；第一吊索绳（18）缠绕在大直径卷筒（5）的绳槽内，第二吊索绳（19）缠绕小直径卷筒（6）的绳槽内；大直径卷筒（5）的绳槽节距与小直径卷筒（6）的绳槽节距相等；往复式滑动平台总成（13）安装在底座（1）上，第一滑轮（14）和第二滑轮（15）都安装在往复式滑动平台总成（13）的滑动平台上，当往复式滑动平台总成（13）按大直径卷筒（5）的轴向移动工作时，使第一吊索绳（18）在水平切线出大直径卷筒（5）的绳槽后能直接进入第一滑轮（14）的滑轮槽内，使第一吊索绳（18）水平向下折弯90度，实现垂直悬吊被测工件（20）；同时也使第二吊索绳（19）在水平切线出小直径卷筒（6）的绳槽后能直接进入第二滑轮（15）的滑轮槽内，然后再通过第三滑轮（16）变换方向使第二吊索绳（19）垂直向下悬吊配重块（17）。
2.根据权利要求1所述的大扬程气浮高精度重力卸荷装置，其特征在于它增加有带电位器的低摩擦气缸（21）；带电位器的低摩擦气缸（21）的底座安装在往复式滑动平台总成（13）的滑动平台上，带电位器的低摩擦气缸（21）的活塞杆端头上的滑轮（21-1）转动顶在大直径卷筒（5）与第一滑轮（14）之间的第一吊索绳（18）上，带电位器的低摩擦气缸（21）用于模拟低刚度弹簧的作用。
3.根据权利要求1所述的大扬程气浮高精度重力卸荷装置，其特征在于当本装置工作在低重力模拟和零重力非悬空运动模拟场景下，配重块（17）的质量小于实际质量或为零质量。
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