CN106005494A - 基于磁液混合悬浮的地面微重力模拟实验通用载荷平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁液混合悬浮的地面微重力模拟实验通用载荷平台，包括立式框架和水平框架，立式框架的两侧边设置第一转轴和第二转轴，水平框架的另一组对边上分别安装第三转轴和第四转轴，第三转轴和第四转轴的内侧分别安装第一顶杆和第二顶杆，第一顶杆和第二顶杆的末端分别安装第一夹盘和第二夹盘，第一夹盘和第二夹盘之间夹持载荷模型。本发明可以用于固定任何尺寸、形状的载荷模型。并且安装于其上的载荷模型可以进行3自由度的角运动。通过该平台施加剩余重力补偿力，不会影响该平台的角运动，并且能保证剩余重力补偿力始终通过载荷模型的质心。

Description

基于磁液混合悬浮的地面微重力模拟实验通用载荷平台

【技术领域】

本发明属于地面微重力效应模拟及其实验技术领域，具体涉及一种基于磁液混合悬浮的地面微重力模拟实验通用载荷平台。

【背景技术】

在未来空间操作和技术发展过程中，涉及到诸多新理论和新技术，应用之前必须进行实验验证，地面实验是进行以上技术和理论验证的重要环节，实验系统必须具有长时间、大空间、运动自由度与空间相同的精确微重力模拟环境。传统的地面微重力实验设施各有不足，不能完全满足以上要求。例如失重飞机和微重力落塔的微重力时间太短；气浮台只能进行平面内运动试验，虽然通过一定的机械运动方式可以实现三维空间运动，但姿轨运动分离，不能模拟实际操作过程中的姿轨耦合(在复杂操作中经常出现而且不可忽略)；吊丝系统动态模拟水平低不适用于复杂运动的模拟；中性浮力设施可以提供长时间、三维运动空间，实验环境对运动无约束，能够进行三维六自由度运动模拟，但存在运动阻力干扰。从微重力模拟时间、运动空间、运动自由度等方面考虑，似乎中性浮力设施最令人满意，可用于空间复杂操作技术的验证。但其由于中性浮力方法存在以下不足：1)中性浮力配平过程复杂，配平周期长且精度不高；2)载荷运动过程中，会形成水动力和水波干扰，影响运动和操作控制效果，试验逼真度不高。因此，中性浮力设施在空间复杂操作方面的应用并不广泛。

磁液混合悬浮是近年来进行微重力效应模拟的一种新方式，通过引入电磁力对重力和浮力之差进行补偿，简化配平过程，缩短配平周期，通过对电磁力的精确控制以提高补偿精度，实现精确配平。但是磁液混合悬浮还存在诸多应用方面的不足，例如它要求整个实验空间中产生电磁力的永磁体保持水平状态，而永磁体与载荷相连，那么针对大小形状不同的各类载荷，如何将永磁体与载荷相连，并保证姿态水平和精确微重力模拟水平就是一个必须解决的关键问题。由于是水下环境，因此要求这种连接结构的运动阻力尽量小，而且要求载荷与永磁体姿态解耦。

现在的姿态解耦连接平台主要有气浮台的三轴转台与陀螺仪框架。气浮轴承为气浮台三轴转台的关键，它由一个球面和一个球缺状球窝组成，节流孔喷气使得球面与球窝之间形成气膜，从而提供滚转运动与偏航运动。台体绕垂直支撑面的轴的旋转提供俯仰运动。气浮台的机构与设计不适合用于水下，一是节流孔喷射气流形成气膜以减小摩擦的机制不适用与水下，并且还会对载荷的水环境形成干扰，此外该机制还需要气源，使得设备复杂；二是随着载荷模型的姿态运动，载荷模型的质心位置相对于永磁铁发生变化，永磁铁的电磁力将不再通过载荷模型的质心；三是气浮台三轴转台的迎流面积过大，水阻力过大。

陀螺仪的基本机构为：将陀螺的自转轴安装在封闭的内框架上，再将内框架的转轴安装在封闭外框架上，外框架的转轴安装在基座上，这样，陀螺与基座姿态运动解耦。将载荷模型与陀螺仪的自转轴固连，并且将陀螺仪的基座与永磁体相连，则电磁场对永磁体的作用力可以作用于载荷模型，而载荷模型相对于基座姿态解耦，这样可以基本满足磁夜混浮的剩余重力补偿的要求。但是简单地按照陀螺仪的结构设计制造姿态解耦连接平台，仍然不能满足要求，一是陀螺仪只需要一次将陀螺安装在框架上的操作，并且不需要将陀螺拆解下来，所以利用陀螺框架来承载载荷模型，实验前的安装准备不便；二是完成组装后，要保证永磁铁的电磁力能够通过载荷模型的质心，而陀螺仪框架并没有进行度量、调整、固定的平台；三是如果载荷模型的尺寸变大，内、外框架可能过小而无法使用。

因此，已有技术还不能解决该问题，有必要研制一种通用载荷平台，以便在磁液混合悬浮环境中，同时搭载永磁体和不同大小形状的实验载荷，能够将作用于永磁体上的电磁作用力传递给载荷，使该力通过载荷的质心，同时保证载荷姿态变化过程中永磁体始终保持水平状态，实现精确微重力效应的模拟。

【发明内容】

本发明的目的在于针对磁液混合悬浮空间微重力效应模拟实验，提供一种基于磁液混合悬浮的地面微重力模拟实验通用载荷平台，改(该)载荷平台可搭载永磁体和不同大小形状的实验载荷，能够将作用于永磁体上的电磁作用力传递给载荷，使该力通过载荷的质心，同时保证载荷姿态变化过程中永磁体始终保持水平状态，实现精确微重力效应的模拟。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

基于磁液混合悬浮的地面微重力模拟实验通用载荷平台，包括立式框架和水平框架，水平框架为封闭的矩形框架，立式框架为上部开口的U型框架，立式框架的两侧边设置第一转轴和第二转轴，通过第一转轴和第二转轴安装于水平框架的一组对边上；水平框架的另一组对边上分别安装第三转轴和第四转轴，第三转轴和第四转轴的内侧分别安装第一顶杆和第二顶杆，第一顶杆和第二顶杆的末端分别安装第一夹盘和第二夹盘，第一夹盘和第二夹盘之间夹持载荷模型。

本发明进一步的改进在于：

所述立式框架包括三个功能杆、两个用于安装转轴的转轴杆，第一转轴杆的下端第一功能杆，第二转轴杆的下端连接第二功能杆，第三功能杆水平设置，且两端分别通过第一直角杆和第二直角杆与第一功能杆和第二功能杆的下端相连；第一转轴安装于第一转轴杆上，第二转轴安装于第二转轴杆上。

所述水平框架包括两个用于安装转轴的转轴杆以及六个的功能杆；第四功能杆、第三转轴杆和第五功能杆依次连接，第六功能杆、第四转轴杆和第七功能杆依次连接；第四功能杆和第六功能杆分别通过第三直角杆和第五直角杆与第八功能杆相连，第五功能杆和第七功能杆分别通过第四直角杆和第六直角杆与第九功能杆相连；第三转轴安装于第三转轴杆上，第四转轴安装于第四转轴杆上。

各转轴杆上均安装双列角接触球轴承，各转轴均套装于对应转轴杆的双列角接触球轴承中。

所述第一顶杆和第二顶杆的结构相同，均包括套装相连的内杆和外杆，内杆与水平框架上的转轴杆连接，外杆与夹盘中心连接。

所述内杆的末端设置有螺纹固定装置，外杆的前端安装于螺纹固定装置内。

所述内杆的侧面设置有刻度，其读数为螺纹固定装置上所对应的刻度。

所述第一夹盘和第二夹盘的结构相同，均包括四根滑轨杆，且四根滑轨杆的前端固定在一起，呈十字形布置；每根滑轨杆上均安装滑轨限位器，滑轨杆靠近载荷模型的一侧加工齿，并在滑轨杆两侧均加工刻度，零刻度线位于滑轨杆远离夹盘中心的一端，读数为滑轨限位器远离夹盘中心的一端。

所述四个滑轨限位器上均安装夹持杆，夹持杆的内侧安装有胶皮。

所述四根滑轨杆的截面均为长方形。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明可以用于固定任何尺寸、形状的载荷模型。并且安装于其上的载荷模型可以进行3自由度的角运动。通过该平台施加剩余重力补偿力，不会影响该平台的角运动，并且能保证剩余重力补偿力始终通过载荷模型的质心。本发明能满足载荷模型与永磁铁之间姿态解耦，即通过该平台的连接，永磁体对载荷模型仅仅产生剩余重力补偿力的作用。在安装载荷模型的过程之中，本发明能进行精确定位安装，以便永磁铁的剩余电磁力能通过载荷模型的质心；并且精确定位安装的操作要简单易行。此外，在载荷模型运动的过程中，载荷模型的质心相对于永磁铁位置始终保持不变。本发明能适应水下工作环境，自身的水阻力小。

【附图说明】

图1为总体外形图

图2为立式框架1结构图

图3为立式框架1与水平框架2的转轴杆结构图

图4为水平框架2结构图

图5为顶杆结构及顶杆与水平框架2的连接关系图

图6为夹盘结构图

图7为夹盘的滑轨杆的细节设计图

其中：1-立式框架；2-水平框架；3-第一夹盘；4-第二夹盘；5-第一转轴；6-第二转轴；7-第三转轴；8-第四转轴；9-第五转轴；10-第一顶杆；11-第二顶杆；12-第一转轴杆；13-第二转轴杆；14-第一功能杆；15-第二功能杆；16-第三功能杆(16没有标出)；17-第一直角杆；18-第二直角杆；19-双列角接触球轴承；20-第三转轴杆；21-第四转轴杆；22-第四功能杆；23-第五功能杆；24-第六功能杆；25-第七功能杆；26-第三直角杆；27-第四直角杆；28-第五直角杆；29-第六直角杆；30-第八功能杆；31-第九功能杆；32-内杆；33-外杆；34-螺纹固定装置；35-滑轨杆；36-滑轨限位器；37-夹持杆；38-胶皮。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明基于磁液混合悬浮的地面微重力模拟实验通用载荷平台，包括2个长方形框架(即立式框架1与水平框架2)、5个转轴、2根顶杆、2个夹盘。其中转轴处采用双列角接触球轴承19，如图2所示；框架与顶杆满足刚度要求。立式框架1包括两个转轴杆、三个功能杆以及两个直角杆，各部件为空心或实心的金属杆；组装时立式框架1的转轴杆与水平框架2的第八功能杆30和第九功能杆31固定连接，同理，立式框架1的第三功能杆16与第五转轴9的一端相连，如图3所示。立式框架1与水平框架2的功能杆有不同的长度与粗细系列，但立式框架1的第一功能杆14、第二功能杆15相同，水平框架2的第四功能杆22、第五功能杆23、第六功能杆24和第七功能杆25相同，水平框架2的第八功能杆30和第九功能杆31相同，根据搭载航天器的大小，选择不同长度的功能杆，可以得到不同尺寸的立式框架1、水平框架2。各功能杆与各转轴杆、各指教杆之间的连接形式为螺纹连接。

如图5所示，第一顶杆10、第二顶杆11大小结构相同，以第一顶杆10为例进行说明，第一顶杆10分为内杆32与外杆33，外杆33为中空，使用时套在内杆之上，内杆32的一端与水平框架2的第三转轴杆7连接、外杆33的一端与夹盘中心连接。内杆上有螺纹，外杆前端安装有螺纹固定装置34；内杆32从前端开始有刻度，读数为固定装置前端所对应刻度。

如图6所示，四根滑轨杆35在其交叉的地方固连，相邻的滑轨杆35相互垂直，即为夹盘中心；四根滑轨杆35的截面为长方形，在滑轨杆35靠近载荷模型的一侧加工齿，并在滑轨杆两侧均加工刻度，零刻度线位于滑轨杆35远离夹盘中心的一端，读数为滑轨限位器36远离夹盘中心的一端。齿形滑轨限位器套在滑轨杆上，并与结构杆相互配合。

如图7所示，以其中一根滑轨杆及套在其上的滑轨限位器为例来进行说明。滑轨限位器36上装夹持杆37，夹持杆37用来夹持载荷模型，并在夹杆37的内侧安装硬质的胶皮38。

实施例：

采用一个长1米、直径0.2米的载荷模型(类似与空间站的核心舱)在混合悬浮水池中进行水下模拟实验。

根据载荷的尺寸，选择合适的长度和粗细的功能杆，组装水平框架2，组装完成后水平框架2为矩形，第三转轴7与第四转轴8轴线共线，并且要求水平框架2不阻碍载荷模型在其内绕第三转轴7与第四转轴8运动。

使用两个夹盘夹住空间站的两端，根据四根滑轨杆上的刻度，调整四个滑轨限位器，四根滑轨杆上的读数相同(即滑轨限位器远离夹盘中心的一端所指向的滑轨杆上的刻度)，两个夹盘中心的连线通过载荷模型的形心。

再将顶杆的内杆对称安装于水平框架2的转轴杆上，然后将顶杆的外杆套于内杆之上，并将外杆远离水平框架2的转轴的一端与夹盘中心连接，然后调整内杆上的螺纹固定装置，保证顶杆顶紧，并使得两个内杆上的读数相同。如此便使得载荷的形心通过水平框架2的第八功能杆30、第九功能杆31的中点的连线，即载荷的形心通过第一转轴5级第二转轴6的轴线。

根据水平框架2的尺寸，选择合适长度与粗细的功能杆，保证立式框架1不阻碍载荷模型在其内绕第一转轴5、第二转轴6运动，并利用选择的部件组装立式框架1，组装的过程中，先让水平框架2的第八功能杆30与第九功能杆31分别与立式框架1的第一转轴5、第二转轴6连接，然后再组装其它部件。

最后将第五转轴9与立式框架1的第三功能杆16固连，则完成组装。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于磁液混合悬浮的地面微重力模拟实验通用载荷平台，其特征在于，包括立式框架(1)和水平框架(2)，水平框架(2)为封闭的矩形框架，立式框架(1)为上部开口的U型框架，立式框架(1)的两侧边设置第一转轴(5)和第二转轴(6)，通过第一转轴(5)和第二转轴(6)安装于水平框架(2)的一组对边上；水平框架(2)的另一组对边上分别安装第三转轴(7)和第四转轴(8)，第三转轴(7)和第四转轴(8)的内侧分别安装第一顶杆(10)和第二顶杆(11)，第一顶杆(10)和第二顶杆(11)的末端分别安装第一夹盘(3)和第二夹盘(4)，第一夹盘(3)和第二夹盘(4)之间夹持载荷模型。

2.根据权利要求1所述的基于磁液混合悬浮的地面微重力模拟实验通用载荷平台，其特征在于，所述立式框架(1)包括三个功能杆、两个用于安装转轴的转轴杆，第一转轴杆(12)的下端第一功能杆(14)，第二转轴杆(13)的下端连接第二功能杆(15)，第三功能杆(16)水平设置，且两端分别通过第一直角杆(17)和第二直角杆(18)与第一功能杆(14)和第二功能杆(15)的下端相连；第一转轴(5)安装于第一转轴杆(12)上，第二转轴安装于第二转轴杆(13)上。

3.根据权利要求1所述的基于磁液混合悬浮的地面微重力模拟实验通用载荷平台，其特征在于，所述水平框架(2)包括两个用于安装转轴的转轴杆以及六个的功能杆；第四功能杆(22)、第三转轴杆(20)和第五功能杆(23)依次连接，第六功能杆(24)、第四转轴杆(21)和第七功能杆(25)依次连接；第四功能杆(22)和第六功能杆(24)分别通过第三直角杆(26)和第五直角杆(28)与第八功能杆(30)相连，第五功能杆(23)和第七功能杆(25)分别通过第四直角杆(27)和第六直角杆(29)与第九功能杆(31)相连；第三转轴(7)安装于第三转轴杆(20)上，第四转轴(8)安装于第四转轴杆(21)上。

4.根据权利要求2或3所述的基于磁液混合悬浮的地面微重力模拟实验通用载荷平台，其特征在于，各转轴杆上均安装双列角接触球轴承(19)，各转轴均套装于对应转轴杆的双列角接触球轴承(19)中。

5.根据权利要求1所述的基于磁液混合悬浮的地面微重力模拟实验通用载荷平台，其特征在于，所述第一顶杆(10)和第二顶杆(11)的结构相同，均包括套装相连的内杆(32)和外杆(33)，内杆(32)与水平框架(2)上的转轴杆连接，外杆(33)与夹盘中心连接。

6.根据权利要求5所述的基于磁液混合悬浮的地面微重力模拟实验通用载荷平台，其特征在于，所述内杆(32)的末端设置有螺纹固定装置(34)，外杆(33)的前端安装于螺纹固定装置(34)内。

7.根据权利要求5所述的基于磁液混合悬浮的地面微重力模拟实验通用载荷平台，其特征在于，所述内杆(32)的侧面设置有刻度，其读数为螺纹固定装置(34)上所对应的刻度。

8.根据权利要求1或5所述的基于磁液混合悬浮的地面微重力模拟实验通用载荷平台，其特征在于，所述第一夹盘(3)和第二夹盘(4)的结构相同，均包括四根滑轨杆(35)，且四根滑轨杆(35)的前端固定在一起，呈十字形布置；每根滑轨杆(35)上均安装滑轨限位器(36)，滑轨杆(35)靠近载荷模型的一侧加工齿，并在滑轨杆(35)两侧均加工刻度，零刻度线位于滑轨杆(35)远离夹盘中心的一端，读数为滑轨限位器(36)远离夹盘中心的一端。

9.根据权利要求8所述的基于磁液混合悬浮的地面微重力模拟实验通用载荷平台，其特征在于，所述四个滑轨限位器(36)上均安装夹持杆(37)，夹持杆(37)的内侧安装有胶皮(38)。

10.根据权利要求8所述的基于磁液混合悬浮的地面微重力模拟实验通用载荷平台，其特征在于，所述四根滑轨杆(35)的截面均为长方形。