CN105206133B - 一种气浮模拟器推射装置及其推射方法 - Google Patents

Abstract

一种气浮模拟器推射装置及其推射方法，推射装置包括基座、轴承组件、气缸、摆杆、手动平移台和气动伺服控制系统，轴承组件固定在基座上；摆杆通过凸轴与轴承组件连接，气缸安装在摆杆的粗端上；手动平移台固定在基座上，且与轴承组件高度相同，用于调节摆杆的角度；气动伺服控制系统用于控制气缸的进气量，进而控制气缸推杆的速度。推射方法首先通过手动平移台控制摆杆的摆角，使其推射方向与气浮模拟器需要的运动方向重合，通过气动伺服控制系统控制气缸的进气量，用传感器实时反馈气缸中推杆的位置和速度行程闭环控制，进而控制推杆精确输出给气浮模拟器需要的初始速度。本发明的装置能够给气浮模拟器提供一个较大初始速度，可以满足对气浮模拟器任意角度的推射需求。

Description

一种气浮模拟器推射装置及其推射方法

技术领域

本发明涉及一种气浮模拟器推射装置及其推射方法，使气浮模拟器在运动开始获得一个初始速度和推射角度，属于空间飞行器半实物仿真领域。

背景技术

气浮仿真试验是在地面上模拟太空失重环境的一种试验方法，是研制卫星等航天器过程中特有的一种仿真方法。气浮模拟器可以模拟出航天器在太空环境中微重力、零摩擦的空间活动。

气浮模拟器在地面模拟试验开始时，需要一定的初速度和推射角度。如初速度的获得完全由冷气喷嘴推力产生，由于运动模拟器属于自备冷气推进剂的方式，那么将耗费较大的冷气储备，同时加速过程的冷气推力与实现姿控等的精确小推力等不易匹配，因此需要一个气动伺服推射装置来对气浮模拟器进行初始的加速，目前还没有见到相关文献中有类似装置。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种气浮模拟器推射装置及其推射方法，能够为气浮模拟器提供精确的初始速度和推射角度。

本发明的技术解决方案是：一种气浮模拟器推射装置，包括基座、轴承组件、气缸、摆杆、手动平移台和气动伺服控制系统，基座上加工有凸台，轴承组件包括轴承底座和固定在轴承底座上的轴承，轴承底座固定在基座的凸台上；摆杆的两端粗细不同，粗端部分下表面有一圆柱型凸轴，摆杆通过该凸轴与轴承连接，气缸安装在摆杆的粗端上；手动平移台固定在基座上，且与轴承组件高度相同，手动平移台与摆杆细端部分连接，用于调节摆杆的角度；

气动伺服控制系统包括传感器、流量比例阀、A/D转换器、D/A转换器和上位机；流量比例阀连接高压气体与气缸，上位机通过D/A转换器与流量比例阀连接，通过控制流量比例阀的动作方向和动作时间控制气缸的推杆的速度；传感器位于气缸中，用于测量气缸的推杆移动的速度和位移，A/D转换器采集传感器测得的信息，并反馈给上位机；

所述手动平移台包括平移台台体、手柄、丝杠、滑块和两个滚轮，平移台台体固定在基座上，平移台台体上加工有导向槽，滑块放置于导向槽上，丝杠通过轴承固定在平移台台体上，丝杠穿过滑块，与滑块螺纹副连接，丝杠的一端与手柄连接，滑块上安装有两个滚轮；手动平移台和轴承组件高度相同；摆杆细端部分两侧开导槽，导槽与滑块上两个滚轮啮合。

所述手动平移台上还带有刻度，用于表征摆杆的摆动角度。

所述气缸选用带滑台低摩擦气缸，行程300mm，加速段总时间≤10s；气动伺服加速距离≤50mm，平稳等速跟踪距离≤200mm。

一种利用气浮模拟器推射装置的推射方法，包括如下步骤：

(a)调节手动平移台，使摆杆的推射方向与气浮模拟器需要的运动方向重合；

(b)调节气浮模拟器，使其质心在摆杆轴线上；

(c)上位机控制流量比例阀的进气阀开启，并通过传感器实时采集气缸推杆的速度和位移，当推杆的速度等于气浮模拟器需要的初始速度时，上位机控制流量比例阀的进气阀关闭；

(d)上位机判断此时推杆的位移是否在气缸气动伺服加速距离内，如果在，则通过气缸的推杆给气浮模拟器需要的初始速度，完成推射；否则，进入步骤(e)；

(e)上位机控制流量比例阀的排气阀开启，推杆复位，调节高压气体的压力，重复步骤(c)—(d)，直到通过气缸的推杆给气浮模拟器需要的初始速度，完成推射为止。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)传统方法中没有推射装置，仅利用气浮模拟器自身的冷气喷嘴推力产生初始速度，该初始速度较小，在一些需要大初始速度的场合不能满足应用要求，且加速过程的冷气推力与实现气浮模拟器姿态控制等需要的精确小推力相互冲突，本发明的装置能够给气浮模拟器提供一个较大初始速度，与实现气浮模拟器姿态控制的过程相互独立。

(2)本发明将气缸和传感器集成在一起，结构简单，在气缸动作的同时能够即时采集推杆的速度和位移，响应速度快，缩短了标定时间，简化了数据处理的难度。

(3)本发明的手动平移台采用丝杠和滑块的螺纹副配合结构，使摆杆的角度可调，从而可以满足对气浮模拟器任意角度的推射需求。

(4)本发明的手动平移台上标有用于表征摆杆的摆动角度刻度值，方便将摆杆摆到需要的推射角度，避免了用测量设备进行手工测量，提高了效率和精度。

(5)气缸选用行程300mm带滑台低摩擦气缸，行程短，加速度大，能够节约推射装置的安装空间。气缸平稳等速跟踪距离≤200mm，既保证了推杆有一定的平稳等速运动，使得推杆输出速度稳定，以减少冲击，同时又避免了推杆平稳等速距离过长从而减小输出的加速度。气动伺服加速距离≤50mm，能够有效缩短加速时间，使气浮模拟器在短时间内达到要求的初速度。

(6)采用本发明所述的推射方法，用传感器采集推杆的速度，作为反馈控制，形成气动闭环伺服控制系统，输出精确的推杆速度，给气浮模拟器输出要求的初速度。这样避免了通过多次标定试验测定输出的速度，工作效率高，输出速度的精度高。

附图说明

图1为本发明气浮模拟器推射装置主视图；

图2为本发明气浮模拟器推射装置俯视图；

图3为本发明摆杆结构示意图；

图4为本发明气动伺服控制系统结构示意图。

具体实施方式

本发明提出一种气浮模拟器推射装置，在气浮试验开始给气浮模拟器较大的初速度和推射角度。推射主要由气缸实现。推射角度的改变主要由手动平移台的运动实现。平移台的运动带动摆杆摆动，使固定在摆杆上气缸的推射角度可在一定范围内做出调整。在确定好推射角度后，通过气缸的推动使气浮模拟器加速运动。在气动控制系统中，接入流量比例阀，通过控制流量比例阀的流量，使气缸推动气浮模拟器，为气浮模拟器提供不同的初速度。

如图1和图2所示，本发明的气浮模拟器推射装置，包括基座1、轴承组件2、气缸3、摆杆4、手动平移台5和气动伺服控制系统16，基座1上加工有凸台，轴承组件2包括轴承底座和固定在轴承底座上的轴承，轴承底座固定在基座1的凸台上；如图3所示，摆杆4的两端粗细不同，粗端部分下表面有一圆柱型凸轴，摆杆4通过该凸轴与轴承连接。手动平移台5固定在基座1上，且与轴承组件2高度相同，手动平移台5与摆杆4细端部分连接，用于调节摆杆4的角度；手动平移台5包括平移台台体6、手柄7、丝杠8、滑块9和两个滚轮10，平移台台体6固定在基座1上，平移台台体6上加工有导向槽，滑块9放置于导向槽上，丝杠8通过轴承固定在平移台台体6上，丝杠8穿过滑块9，与滑块9螺纹副连接，丝杠8的一端与手柄7连接，滑块9上安装有两个滚轮10，摆杆4细端部分两侧开导槽，导槽与滑块9上两个滚轮10啮合。气缸3通过气缸脚座安装在摆杆4的粗端上。手动平移台5上还带有刻度，用于表征摆杆4的摆动角度。

气缸3可以根据需要选择，如选用带滑台低摩擦气缸，行程300mm，加速段总时间≤10s；气动伺服加速距离≤50mm，平稳等速跟踪距离≤200mm，该种气缸采用变增益前馈控制方法，可实现较大速度范围的调速。

如图4所示，气动伺服控制系统16包括传感器11、流量比例阀12、A/D转换器13、D/A转换器14和上位机15；流量比例阀12一侧与高压气体连接，另一侧分别与气缸3的进气口和排气口连接，上位机15通过D/A转换器14与流量比例阀12连接，通过控制流量比例阀12的动作方向和动作时间控制气缸3进气量，进而控制气缸3的推杆的速度；传感器11位于气缸3中，用于测量气缸3的推杆移动的速度和位移，A/D转换器13采集传感器11测得的信息，并反馈给上位机15。

利用本发明推射装置的推射方法，包括如下步骤：

(a)调节手动平移台5，使摆杆4的推射方向与气浮模拟器需要的运动方向重合；

如果手动平移台5采用上述丝杠和滑块结构，那么调节手动平移台5的方式为：转动手柄7，丝杠带动滑块可沿平移台台体6上的导向槽来回运动，带动摆杆以凸轴(O点)为转轴摆动，使摆杆4的推射方向与气浮模拟器需要的运动方向重合；其中推射方向摆角大小≥±30°。推射角度范围大，能够满足大范围推射角度、多种推射角度的要求。

(b)调节气浮模拟器，使其质心在摆杆4轴线上；

(c)上位机15控制流量比例阀12的进气阀开启，并通过传感器11实时采集气缸3推杆的速度和位移，当推杆的速度等于气浮模拟器需要的初始速度时，上位机15控制流量比例阀12的进气阀关闭；

(d)上位机15判断此时推杆的位移是否在气缸3气动伺服加速距离内，如果在，则通过气缸3的推杆给气浮模拟器需要的初始速度，完成推射；否则，进入步骤(e)；

(e)上位机15控制流量比例阀12的排气阀开启，推杆复位，调节高压气体的压力，重复步骤(c)—(d)，直到通过气缸3的推杆给气浮模拟器需要的初始速度完成推射为止。

应用本发明的装置和方法能够给气浮模拟器提供一个较大初始速度，克服了传统方法中没有推射装置，仅利用气浮模拟器自身的冷气喷嘴推力产生的初始速度较小的缺陷。能够应用于三自由度、四自由度、五自由度、六自由度等气浮运动模拟器中。

本发明说明书中未详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种气浮模拟器推射装置，其特征在于：包括基座(1)、轴承组件(2)、气缸(3)、摆杆(4)、手动平移台(5)和气动伺服控制系统(16)，基座(1)上加工有凸台，轴承组件(2)包括轴承底座和固定在轴承底座上的轴承，轴承底座固定在基座(1)的凸台上；摆杆(4)的两端粗细不同，粗端部分下表面有一圆柱型凸轴，摆杆(4)通过该凸轴与轴承连接，气缸(3)安装在摆杆(4)的粗端上；手动平移台(5)固定在基座(1)上，且与轴承组件(2)高度相同，手动平移台(5)与摆杆(4)细端部分连接，用于调节摆杆(4)的角度；

气动伺服控制系统(16)包括传感器(11)、流量比例阀(12)、A/D转换器(13)、D/A转换器(14)和上位机(15)；流量比例阀(12)连接高压气体与气缸(3)，上位机(15)通过D/A转换器(14)与流量比例阀(12)连接，通过控制流量比例阀(12)的动作方向和动作时间控制气缸(3)的推杆的速度；传感器(11)位于气缸(3)中，用于测量气缸(3)的推杆移动的速度和位移，A/D转换器(13)采集传感器(11)测得的信息，并反馈给上位机(15)。

2.根据权利要求1所述的一种气浮模拟器推射装置，其特征在于：所述手动平移台(5)包括平移台台体(6)、手柄(7)、丝杠(8)、滑块(9)和两个滚轮(10)，平移台台体(6)固定在基座(1)上，平移台台体(6)上加工有导向槽，滑块(9)放置于导向槽上，丝杠(8)通过轴承固定在平移台台体(6)上，丝杠(8)穿过滑块(9)，与滑块(9)螺纹副连接，丝杠(8)的一端与手柄(7)连接，滑块(9)上安装有两个滚轮(10)；手动平移台(5)和轴承组件(2)高度相同；摆杆(4)细端部分两侧开导槽，导槽与滑块(9)上两个滚轮(10)啮合。

3.根据权利要求1所述的一种气浮模拟器推射装置，其特征在于：所述手动平移台(5)上还带有刻度，用于表征摆杆(4)的摆动角度。

4.根据权利要求1所述的一种气浮模拟器推射装置，其特征在于：所述气缸(3)选用带滑台低摩擦气缸，行程300mm，加速段总时间≤10s；气动伺服加速距离≤50mm，平稳等速跟踪距离≤200mm。

5.一种利用权利要求1所述装置的推射方法，其特征在于包括如下步骤：

(a)调节手动平移台(5)，使摆杆(4)的推射方向与气浮模拟器需要的运动方向重合；

(b)调节气浮模拟器，使其质心在摆杆(4)轴线上；

(c)上位机(15)控制流量比例阀(12)的进气阀开启，并通过传感器(11)实时采集气缸(3)推杆的速度和位移，当推杆的速度等于气浮模拟器需要的初始速度时，上位机(15)控制流量比例阀(12)的进气阀关闭；

(d)上位机(15)判断此时推杆的位移是否在气缸(3)气动伺服加速距离内，如果在，则通过气缸(3)的推杆给气浮模拟器需要的初始速度，完成推射；否则，进入步骤(e)；

(e)上位机(15)控制流量比例阀(12)的排气阀开启，推杆复位，调节高压气体的压力，重复步骤(c)—(d)，直到通过气缸(3)的推杆给气浮模拟器需要的初始速度完成推射为止。