CN105931522A - 一种微重力两自由度随动平衡吊挂、转移装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及载荷转移机构机械组件性能测试系统，具体的说是一种微重力两自由度随动平衡吊挂、转移装置。包括支撑架体、偏航随动单元、平衡吊挂装置、纵向和横向调整平台、转台、载荷转移机构及模拟载荷单元，其中支撑架体与地基固连，偏航随动单元可转动地与支撑架体连接，纵向和横向调整平台安装在支撑架体的底部，转台安装在纵向和横向调整平台上，载荷转移机构安装在转台上，偏航随动单元通过与其滑动连接的平衡吊挂装置与载荷转移机构和模拟载荷单元连接。本发明可实现载荷转移机构伸展、收缩、位置调整、旋转、再次伸缩及收拢过程中的重力实时平衡和被动运动跟随，是微重力环境下载荷转移系统研制过程中所必须的装置。

Description

一种微重力两自由度随动平衡吊挂、转移装置

技术领域

本发明涉及载荷转移机构机械组件性能测试系统，具体的说是一种微重力两自由度随动平衡吊挂、转移装置。

背景技术

当前人类探索浩瀚宇宙的活动日益频繁，开展的航天任务也多种多样，如卫星和航天飞船的在轨对接、空间站的建设与维护、空间机器人活动以及航天员的舱外活动等等。鉴于这些航天任务的代价高度昂贵及地位特殊重要等特点，必须要求其具有相当高的安全性和可靠性。因此，在地面预先进行各种航天设备的仿真试验以及人员的操作训练等是必不可少的研究阶段，所以地面微(零)重力环境模拟技术在整个航天工程体系中有着不可或缺的地位

目前，国内还没有出现可用的模拟微重力环境的多点平衡吊挂、转移装置，当模拟载荷单元在微重力环境下受到六维力的作用，模拟载荷单元很难在空中形成一种实时无重力化完全浮动状态。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种微重力两自由度随动平衡吊挂、转移装置。该微重力两自由度随动平衡吊挂、转移装置可实现载荷转移机构伸展、收缩、位置调整、旋转、再次伸缩及收拢过程中的重力实时平衡和被动运动跟随。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种微重力两自由度随动平衡吊挂、转移装置，包括支撑架体、偏航随动单元、平衡吊挂装置、纵向和横向调整平台、转台、载荷转移机构及模拟载荷单元，其中支撑架体与地基固连，所述偏航随动单元可转动地与支撑架体连接，所述纵向和横向调整平台安装在支撑架体的底部，所述转台安装在纵向和横向调整平台上，所述载荷转移机构安装在转台上，所述偏航随动单元通过与其滑动连接的平衡吊挂装置与载荷转移机构和模拟载荷单元连接。

所述偏航随动单元包括旋转动力源、刹车制动装置、旋转梁框架和设置于旋转梁框架上的上、中、下三层滑架组件，每层滑架组件上都安装有一套平衡吊挂装置，位于中、上层的平衡吊挂装置与载荷转移机构连接，位于下层的平衡吊挂装置与模拟载荷单元连接，所述旋转动力源安装在支撑架体上、并且与旋转梁框架传动连接，所述刹车制动装置安装在支撑架体和旋转梁框架上，用于对旋转梁框架的制动。

所述旋转动力源包括伺服电机、减速器及同步带传动装置，其中伺服电机固连在支撑架体上、并通过联轴器与减速器相连，所述同步带传动装置通过键连接与减速器连接，所述旋转梁框架通过转轴与同步带传动装置连接。

所述刹车制动装置包括刹车安装基座、气缸、凸轮连杆组合体、缓冲弹簧、摩擦片组及制动板，其中刹车安装基座安装于支撑架体上，所述气缸和摩擦片组安装于刹车安装基座上，所述制动板与旋转梁框架连接、并且穿过摩擦片组，所述气缸的气动推杆连接凸轮连杆组合体，所述凸轮连杆组合体与滑块线接触，滑块通过缓冲弹簧与摩擦片组相连；当气缸动作时，所述气动推杆深长或缩短，通过凸轮连杆组合体将力传到滑块上，改变缓冲弹簧的变形量，从而使摩擦片组压紧制动板，实现对旋转梁框架制动的功能。

所述平衡吊挂装置包括滑车组件、绳索吊挂装置和绳索，其中滑车组件与滑架组件滑动连接，所述绳索吊挂装置上端与滑车组件连接，下端与绳索连接，所述绳索与载荷转移机构或模拟载荷单元连接。

所述绳索吊挂装置包括相互连接的挂钩和横向扩展连杆，其中挂钩与滑车组件连接，横向扩展连杆与绳索连接；位于中、下层的绳索吊挂装置还加装有平衡吊，所述平衡吊位于挂钩和横向扩展连杆之间。

所述载荷转移机构包括吊挂工装和上、中、下三层依次滑动配合的滑板，位于下层的滑板和转台固接，位于中、上层的滑板上均设有吊挂工装，位于中层的吊挂工装通过一套平衡吊挂装置与位于上层的滑架组件连接，位于上层的吊挂工装通过一套平衡吊挂装置与位于中层的滑架组件连接。

所述纵向和横向调整平台包括上下垂直布置的上层调整平台和下层调整平台，所述下层调整平台通过纵向导轨滑块机构与支撑架体滑动连接；所述上层调整平台通过横向导轨滑块机构与下层调整平台滑动连接，所述上层调整平台和下层调整平台分别通过一组丝杠螺母机构驱动作直线运动，所述横向导轨滑块机构和纵向导轨滑块机构均设有导轨锁和防撞块。

所述转台包括转盘、减速器、转盘支撑台和伺服电机，其中转盘支撑台安装在纵向和横向调整平台上，所述转盘上端面与载荷转移机构固连，下端面与转盘支撑台转动连接，所述转盘通过齿轮啮合与减速器连接，所述减速器与伺服电机通过联轴器连接。

所述支撑架体包括安装基座、架体单元、扶梯及安装维护工作台，其中安装基座与地基固接，架体单元通过与安装基座连接成一体，扶梯和安装维护平台依次与架体单元固接。

本发明的优点与积极效果是：

1.本发明的采用悬挂式转轴支撑方式，能在简化载荷转移机构形式的基础上，消除转动同轴带来的载荷转移机构收拢状态下的吊挂工装与转轴支撑的干涉。总体上，该套装置设计方案在功能性完备的前提下具有结构紧凑，干涉较少的特点。

2.本发明填充了国内微重力环境下，载荷随动平衡多点吊挂转移装置的空白，实现了可用于在地面实验系统中，模拟微重力环境下载荷转移的重力平衡及被动随动运动。

3.本发明中重力平衡吊点位于模拟载荷和上层板组合体的质心处，吊点垂直方向高度可手动调整。

4.本发明的智能平衡吊通过吊挂工装与载荷转移机构的吊点相连接，并可通过智能平衡吊进行1000mm范围内的高度调节，进行实时重力平衡。

5.本发明的吊装夹具和水平跟随平台能实现模拟系统吊索的铅垂和吊点跟随载荷在试验场合理范围内运动，具有相应的跟随速度和精度。

6.本发明的重力平衡吊挂装置使用低摩擦阻力的导轨与滑槽相配合的形式，以减少该装置随动过程中的阻力，优化重力平衡效果。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的侧视图；

图3为图1的俯视图；

图4为本发明中刹车制动装置的结构示意图；

图5为本发明中纵向和横向调整平台的结构示意图；

图6为本发明中平衡吊挂装置的结构示意图；

图7为图6中的滑车组件的结构示意图；

图8为图7的俯视图。

图中：1为架体，2为偏航随动单元，3为平衡吊挂装置，4为纵向和横向调整平台，5为转盘，6为载荷转移机构，7为防撞块，8为转动副，9为配重块，10为球轴承，11为刹车制动装置，12为旋转梁框架，13为滑架组件，14为滑车组件，15为绳索吊挂装置，16为平衡吊，17为载荷单元，18为伺服电机，19为旋转动力源，20为减速器，21a为同步齿形带，21b为安装基座，22为联轴器，23为扶梯，24为安装维护工作台，25为刹车安装基座，26为气缸，27为凸轮连杆组合体，28为缓冲弹簧，29为摩擦片组，30为制动板，31为气动推杆，32为滑块，33为载荷吊挂板，34为限位支架，35为挂钩，36为绳索，37为过度连接件，38a为下层调整平台，38b为上层调整平台，39为导轨安装基座，40为纵向导轨，41为导轨滑块，42为导轨锁，43为手轮，44为丝杠，45为防撞块，46为转盘，47为减速器，48为伺服电机，49为吊挂工装，50为滑板，51为转盘支撑台，52为横向扩展连杆。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1-3所示，本发明提供的一种微重力两自由度随动平衡吊挂、转移装置，包括支撑架体1、偏航随动单元2、平衡吊挂装置3、纵向和横向调整平台4、转台5、载荷转移机构6及模拟载荷单元17，其中支撑架体1与地基固连，所述偏航随动单元2可转动地与支撑架体1连接，所述纵向和横向调整平台4安装在支撑架体1的底部，所述转台5安装在纵向和横向调整平台4上，所述载荷转移机构6安装在转台5上，所述偏航随动单元2通过与其滑动连接的平衡吊挂装置3与载荷转移机构6和模拟载荷单元17连接。

所述支撑架体1包括安装基座21b、架体单元22、扶梯23及安装维护工作台24，其中安装基座21b与地基固接，架体单元22通过与安装基座21b连接成一体，扶梯23和安装维护平台24依次与架体单元22固接。

所述偏航随动单元2包括旋转动力源19、刹车制动装置11、旋转梁框架12和设置于旋转梁框架12上的上、中、下三层滑架组件13，每层滑架组件13上都安装有一套平衡吊挂装置3，位于中、上层的平衡吊挂装置3与载荷转移机构6连接，位于下层的平衡吊挂装置3与模拟载荷单元17连接。所述旋转动力源19安装在支撑架体1上、并且与旋转梁框架12传动连接，所述刹车制动装置11安装在支撑架体1和旋转梁框架12上，用于对旋转梁框架12的制动。所述旋转梁框架12上安装有配重块9，采用悬挂式转轴支撑方式设置在旋转梁框架12上的配重块9可以有效平衡悬挂式承载引起的偏载。

所述旋转动力源19包括伺服电机18、减速器20及同步带传动装置21a，其中伺服电机18固连在支撑架体1上、并通过联轴器与减速器20相连，所述同步带传动装置21a通过键连接与减速器20连接，所述旋转梁框架12通过转轴与同步带传动装置21a连接。

如图3、图4所示，所述刹车制动装置11包括刹车安装基座25、气缸26、凸轮连杆组合体27、缓冲弹簧28、摩擦片组29及制动板30，其中刹车安装基座25安装于支撑架体1上，所述气缸26和摩擦片组29安装于刹车安装基座25上，所述制动板30与旋转梁框架12连接、并且穿过摩擦片组29，所述气缸26的气动推杆31连接凸轮连杆组合体27，所述凸轮连杆组合体27与滑块32线接触，滑块32通过两个缓冲弹簧28与摩擦片组29相连；当气缸26动作时，所述气动推杆31深长或缩短，通过凸轮连杆组合体27将力传到滑块32上，改变缓冲弹簧28的变形量，从而使摩擦片组29压紧制动板30，实现对旋转梁框架12制动的功能。

所述平衡吊挂装置3包括滑车组件14、绳索吊挂装置15和绳索36，其中滑车组件14与滑架组件13滑动连接，所述绳索吊挂装置15上端与滑车组件14连接，下端与绳索36连接，所述绳索36与载荷转移机构6或模拟载荷单元17连接。

如图6所示，所述绳索吊挂装置15包括相互连接的挂钩35和横向扩展连杆52，其中挂钩35与滑车组件14连接，横向扩展连杆52与绳索36连接；位于中、下层的绳索吊挂装置15还加装具有智能调节功能的平衡吊16，所述平衡吊16的力调节方向为竖直方向、并且一端通过过度连接件37与挂钩35相连，另一输出端与横向扩展连杆52连接。

进一步地，位于下层的滑车组件14上通过螺栓连接有载荷吊挂板33，载荷吊挂板33上连接有限位支架34。所述滑车组件14底部设有球轴承10，滑车组件14通过球轴承10在滑架组件13上滚动，如图7-8所示。所述载荷单元17的两端分别通过绳索36与载荷吊挂板33连接，所述载荷单元17的中间位置通过绳索36与绳索吊挂装置15连接。

所述载荷转移机构6包括吊挂工装49和上、中、下三层依次滑动配合的滑板50，位于下层的滑板50和转台5固接，位于中、上层的滑板50上均设有吊挂工装49，位于中层的吊挂工装49通过一套平衡吊挂装置3与位于上层的滑架组件13连接，位于上层的吊挂工装49通过一套平衡吊挂装置3与位于中层的滑架组件13连接。

如图5所示，所述纵向和横向调整平台4包括上下垂直布置的上层调整平台38b和下层调整平台38a，所述下层调整平台38a通过纵向导轨滑块机构与支撑架体1滑动连接。所述纵向导轨滑块机构包括导轨安装基座39、纵向导轨40、导轨滑块41及导轨锁42，其中纵向导轨40安装在导轨安装基座39上，所述导轨滑块41与纵向导轨40滑动连接，所述下层调整平台38a与导轨滑块41连接。所述导轨锁42安装在下层调整平台38a上，用于限制下层调整平台38a与纵向导轨40的相对滑动，所述导轨锁42可以在平台调整到位后实现位置锁定，所述纵向导轨40的两端均设有防撞块45。

所述上层调整平台38b通过横向导轨滑块机构与下层调整平台38a滑动连接，所述横向导轨滑块机构与纵向导轨滑块机构结构相同。所述上层调整平台38b和下层调整平台38a分别通过一组丝杠螺母机构驱动作横向和纵向直线运动，所述丝杠螺母机构包括丝母、丝杠44和连接在丝杠44端部的手轮43，丝母和丝杠44螺纹连接，形成螺纹副。所述丝杠44通过联轴器与手轮43连接，转动手轮43即可实现对上一层平台的调整。

所述转台5包括转盘46、减速器47、转盘支撑台51和伺服电机48，其中转盘支撑台51安装在纵向和横向调整平台4上，所述转盘46上端面与载荷转移机构6固连，下端面与转盘支撑台51转动连接，所述转盘46通过齿轮啮合与减速器47连接，所述减速器47与伺服电机48通过联轴器连接。

本发明提供的一种微重力两自由度随动平衡吊挂、转移装置，是载荷转移测试系统中的重要模块，该装置能够实现地面载荷单元的重力智能平衡，进而实现实时微重力环境的模拟。

本发明采用同轴载荷吊挂转移方式，偏航随动单元2主要完成载荷转移过程中的重力平衡工作。随动形式采用摩擦阻力较小的滑架组件13与滑车组件14相结合的形式，以减小随动过程中的阻力。平衡吊挂装置3结构简单，能够实时平衡所挂重物，安全的同时满足吊点位置可调的技术要求。平衡吊挂装置3采用最先进的气压反馈技术智能自适应负载的变化达到平衡，令被吊负载在空中形成一种无重力化浮动状态，即：被吊负载的重力被相应的气控系统所平衡，使重物在提升或下降时形成浮动状态，达到模拟实验环境的目的。

本发明的工作原理是：

当载荷转移机构6运动，带动平衡吊挂装置3随动，同时平衡载荷转移机构6和模拟载荷单元17的重力，使用智能平衡吊16来平衡载荷转移机构重力。平衡过程中，智能平衡吊16通过吊挂工装49与载荷转移机构吊点相连接，并可通过智能平衡吊16进行1000mm范围内的高度调节，进行实时重力平衡。偏航随动单元2采用与载荷转移机构6同步运动的方式来对其机构重力进行平衡，其旋转中心与载荷转移机构旋转中心同轴。偏航随动单元2转动的工作范围为四分之一圆(0-90度)。为消除转动同轴带来的载荷转移机构6收拢状态下的吊挂工装49与转轴支撑干涉情况，设计采用悬挂式转轴支撑方式设置在旋转梁框架上的配重块9可以有效平衡悬挂式承载引起的偏载，改善转轴处的受力情况，有效提高整个系统的验证精度。

本发明的吊挂、转移装置可实现载荷转移产品的重力平衡及被动随动运动，是微重力环境下载荷转移系统研制过程中所必须的装置。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。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、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种微重力两自由度随动平衡吊挂、转移装置，其特征在于：包括支撑架体(1)、偏航随动单元(2)、平衡吊挂装置(3)、纵向和横向调整平台(4)、转台(5)、载荷转移机构(6)及模拟载荷单元(17)，其中支撑架体(1)与地基固连，所述偏航随动单元(2)可转动地与支撑架体(1)连接，所述纵向和横向调整平台(4)安装在支撑架体(1)的底部，所述转台(5)安装在纵向和横向调整平台(4)上，所述载荷转移机构(6)安装在转台(5)上，所述偏航随动单元(2)通过与其滑动连接的平衡吊挂装置(3)与载荷转移机构(6)和模拟载荷单元(17)连接。

2.按权利要求1所述的微重力两自由度随动平衡吊挂、转移装置，其特征在于：所述偏航随动单元(2)包括旋转动力源(19)、刹车制动装置(11)、旋转梁框架(12)和设置于旋转梁框架(12)上的上、中、下三层滑架组件(13)，每层滑架组件(13)上都安装有一套平衡吊挂装置(3)，位于中、上层的平衡吊挂装置(3)与载荷转移机构(6)连接，位于下层的平衡吊挂装置(3)与模拟载荷单元(17)连接，所述旋转动力源(19)安装在支撑架体(1)上、并且与旋转梁框架(12)传动连接，所述刹车制动装置(11)安装在支撑架体(1)和旋转梁框架(12)上，用于对旋转梁框架(12)的制动。

3.按权利要求2所述的微重力两自由度随动平衡吊挂、转移装置，其特征在于：所述旋转动力源(19)包括伺服电机(18)、减速器(20)及同步带传动装置(21a)，其中伺服电机(18)固连在支撑架体(1)上、并通过联轴器与减速器(20)相连，所述同步带传动装置(21a)通过键连接与减速器(20)连接，所述旋转梁框架(12)通过转轴与同步带传动装置(21a)连接。

4.按权利要求2所述的微重力两自由度随动平衡吊挂、转移装置，其特征在于：所述刹车制动装置(11)包括刹车安装基座(25)、气缸(26)、凸轮连杆组合体(27)、缓冲弹簧(28)、摩擦片组(29)及制动板(30)，其中刹车安装基座(25)安装于支撑架体(1)上，所述气缸(26)和摩擦片组(29)安装于刹车安装基座(25)上，所述制动板(30)与旋转梁框架(12)连接、并且穿过摩擦片组(29)，所述气缸(26)的气动推杆(31)连接凸轮连杆组合体(27)，所述凸轮连杆组合体(27)与滑块(32)线接触，滑块(32)通过缓冲弹簧(28)与摩擦片组(29)相连；当气缸(26)动作时，所述气动推杆(31)深长或缩短，通过凸轮连杆组合体(27)将力传到滑块(32)上，改变缓冲弹簧(28)的变形量，从而使摩擦片组(29)压紧制动板(30)，实现对旋转梁框架(12)制动的功能。

5.按权利要求2所述的微重力两自由度随动平衡吊挂、转移装置，其特征在于：所述平衡吊挂装置(3)包括滑车组件(14)、绳索吊挂装置(15)和绳索(36)，其中滑车组件(14)与滑架组件(13)滑动连接，所述绳索吊挂装置(15)上端与滑车组件(14)连接，下端与绳索(36)连接，所述绳索(36)与载荷转移机构(6)或模拟载荷单元(17)连接。

6.按权利要求5所述的微重力两自由度随动平衡吊挂、转移装置，其特征在于：所述绳索吊挂装置(15)包括相互连接的挂钩(35)和横向扩展连杆(52)，其中挂钩(35)与滑车组件(14)连接，横向扩展连杆(52)与绳索(36)连接；位于中、下层的绳索吊挂装置(15)还加装有平衡吊(16)，所述平衡吊(16)位于挂钩(35)和横向扩展连杆(52)之间。

7.按权利要求2所述的微重力两自由度随动平衡吊挂、转移装置，其特征在于：所述载荷转移机构(6)包括吊挂工装(49)和上、中、下三层依次滑动配合的滑板(50)，位于下层的滑板(50)和转台(5)固接，位于中、上层的滑板(50)上均设有吊挂工装(49)，位于中层的吊挂工装(49)通过一套平衡吊挂装置(3)与位于上层的滑架组件(13)连接，位于上层的吊挂工装(49)通过一套平衡吊挂装置(3)与位于中层的滑架组件(13)连接。

8.按权利要求1所述的微重力两自由度随动平衡吊挂、转移装置，其特征在于：所述纵向和横向调整平台(4)包括上下垂直布置的上层调整平台(38b)和下层调整平台(38a)，所述下层调整平台(38a)通过纵向导轨滑块机构与支撑架体(1)滑动连接；所述上层调整平台(38b)通过横向导轨滑块机构与下层调整平台(38a)滑动连接，所述上层调整平台(38b)和下层调整平台(38a)分别通过一组丝杠螺母机构驱动作直线运动，所述横向导轨滑块机构和纵向导轨滑块机构均设有导轨锁(42)和防撞块(45)。

9.按权利要求1所述的微重力两自由度随动平衡吊挂、转移装置，其特征在于：所述转台(5)包括转盘(46)、减速器(47)、转盘支撑台(51)和伺服电机(48)，其中转盘支撑台(51)安装在纵向和横向调整平台(4)上，所述转盘(46)上端面与载荷转移机构(6)固连，下端面与转盘支撑台(51)转动连接，所述转盘(46)通过齿轮啮合与减速器(47)连接，所述减速器(47)与伺服电机(48)通过联轴器连接。

10.按权利要求1所述的微重力两自由度随动平衡吊挂、转移装置，其特征在于：所述支撑架体(1)包括安装基座(21b)、架体单元(22)、扶梯(23)及安装维护工作台(24)，其中安装基座(21b)与地基固接，架体单元(22)通过与安装基座(21b)连接成一体，扶梯(23)和安装维护平台(24)依次与架体单元(22)固接。