CN106005496B - 一种多点悬挂式主动重力补偿系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种多点悬挂式主动重力补偿系统包括模拟航天器、俯仰随动及装夹单元、滚转及竖向主动随动单元、偏航主动随动单元、水平随动及支撑单元与控制单元，俯仰随动及装夹单元可固定航天器并跟随航天器的俯仰运动，滚转及竖向主动随动单元主动跟随航天器的滚转运动及竖向运动，减小连接质量、惯性力等对试验精度的影响，偏航主动随动单元主动跟随航天器的偏航运动，补偿连接结构引入的摩擦力等的影响，水平随动及支撑单元主动跟随航天器的平面运动，保证航天器的悬挂钢丝绳始终处于竖直状态，控制单元根据航天器的运动信息驱动相关电机运动补偿航天器的重力保证航天器姿态轨道调整运动时不受自身重力与连接质量、摩擦及惯性力等的影响。

Description

一种多点悬挂式主动重力补偿系统

所属技术领域

本发明属于航天器及探测器等空间任务地面验证技术领域，具体涉及提供航天器空间运动地面验证的六自由微重力度环境。

背景技术

当前，空间任务的核心内容是空间合作，空间合作主要是指包括交会对接在内的各类在轨服务，空间站的补给、修复与航天员的轮替等。这些空间任务实施的一般步骤包括：任务内容的确定，执行方案的设计，方案的地面试验验证，任务执行器的研制，方案的在轨验证，以及空间任务的最后实施六个阶段，每个阶段缺一不可。作为空间任务实施的地面验证关键部分，地面试验的目标是验证空间任务方案的合理性和技术可行性，而其成功与否在很大程度上取决于所采用的验证方法对其空间任务实施过程特征是否是真实的反映。概括地说，这些特征包括：空间任务实施过程是在微重力环境中和航天器姿态位置运动不受约束等等。而目前所采用的地面验证方法对上述特征的反映都存在明显的不足，例如：系统仿真无法实时描述任务过程；半物理仿真虽然考虑了合作目标的相对轨道运行，但是通常不涉及微重力环境的影响，且也常常仅对空间任务中的某一子系统或者特定功能进行验证，而每个子系统性能的满足并不意味着综合系统的整体性能满足。全物理仿真中考虑到重力补偿和无约束运动的常用的方法有失重法、液浮法、气浮法和悬挂法。失重法常见的为抛物飞行和自由落体，此方法的缺点是时间短、占用的空间大、能够提供的空间有限并且成本高；液浮法阻尼大、维护成本高且只适合低速运动的情况；气浮法一般只能提供五个自由度的运动，在竖直方向的运动受限。悬挂法所占用的空间小、不受时间空间的约束，是重力补偿常用的方法，悬挂法一般可以分为主动重力补偿和被动重力补偿。被动重力补偿的补偿精度较低，对试验效果有较大影响；主动重力补偿能够提高补偿精度，但目前主动重力补偿方法一般通过单点悬挂提供三自由度运动空间或多点悬挂提供六自由度运动空间，针对实现航天器运动再现这个目标，三自由度运动空间显然不够，传统的多点悬挂所提供的六自由度空间会由于结构复杂、系统难控导致试验效果不佳，因此，发展一种能够更加真实反映空间任务实施过程微重力环境无约束运动环境，对促进未来空间试验先期在地面更为精确地进行，以降低研制风险，提高可靠性，缩短研究周期，节省投资，使相关研究成果尽快进入国际领先行列，大幅度提升我国的航天能力和可持续发展的潜力是非常必要的。

发明内容

本发明提出了一种多点悬挂式主动重力补偿系统，相对于传统的多点悬挂系统降低了控制的复杂度，提高了系统可靠性，此外还可以补偿附加连接质量对系统的影响，进一步提高了系统的验证精度。

本发明的技术方案：

本发明一种多点悬挂式主动重力补偿系统包括模拟航天器、俯仰随动及装夹单元、滚转及竖向主动随动单元、偏航主动随动单元、水平随动及支撑单元与控制单元。俯仰随动及装夹单元用以固定航天器并跟随航天器的俯仰运动，滚转及竖向主动随动单元主动跟随航天器的滚转运动及竖向运动，减小了附加的连接质量、惯性力等对试验精度的影响，偏航主动随动单元可主动跟随航天器的偏航运动，补偿连接结构引入的摩擦力等的影响，水平随动及支撑单元可主动跟随航天器的平面运动，保证航天器的悬挂钢丝绳始终处于竖直状态，控制单元根据航天器的运动信息驱动相关电机运动补偿航天器的重力保证航天器姿态轨道调整运动时不受自身重力与连接结构引入的连接质量、摩擦及惯性力等的影响。

所述俯仰随动及装夹单元包括电磁制动、螺柱、俯仰内轴、俯仰轴承、俯仰连接板与悬挂框。俯仰轴承外圈固定在俯仰连接板上，其内圈固定有俯仰内轴，俯仰内轴安装有螺柱用以固定航天器，俯仰连接板连接到悬挂框上。

所述滚转及竖向主动随动单元包括钢丝绳、导轨组件、传动组件、滑块连接板、电机安装板、竖向固定板、卷丝轮电机、卷丝轮组件、导线轮与张力传感器。导轨组件与传动组件安装在竖向固定板上，导轨组件包括直线轴承、导轨与导轨固定件，导轨通过导轨固定件固定到竖向固定板上，其上配合有直线轴承，直线轴承上连接有滑块连接板，滑块连接板上固定有电机安装板；传动组件包括齿条、齿轮与伺服电机，伺服电机安装在电机安装板上，伺服电机轴上安装有齿轮，齿轮与齿条配合，在伺服电机的驱动下，沿导轨方向运动。卷丝轮电机固定在电机安装板上，其电机轴上安装有卷丝轮组件，卷丝轮组件包括卷丝轮、平面涡卷弹簧、连接轴与滚动轴承，其中连接轴与卷丝轮电机轴固连，连接轴上固定有滚动轴承，滚动轴承的外圈与卷丝轮固连，卷丝轮与平面涡卷弹簧外端连接，平面涡卷弹簧内端与连接轴固定。导线轮与张力传感器都安装在电机安装板上，钢丝绳一端连接到俯仰随动及装夹单元的悬挂框上，另一端通过导线轮、张力传感器连接到卷丝轮上，当钢丝绳上的张力由于航天器的运动变化时，平面涡卷弹簧上的力随之变化，防止钢丝绳松弛或受力过大崩断。

所述偏航主动随动单元包括偏航固定板、偏航滚动轴承、偏航推力轴承、偏航大齿轮、偏航电机与偏航小齿轮，偏航滚动轴承与偏航推力轴承安装在偏航固定板上，偏航滚动轴承的内圈、偏航推力轴承上端内圈与滚转及竖向主动随动单元的竖向固定板配合，竖向固定板上端安装有偏航大齿轮，并通过偏航大齿轮将竖向固定板与偏航推力轴承固连，偏航电机安装在偏航固定板上，其电机轴上安装有与偏航大齿轮啮合的偏航小齿轮，在偏航电机的带动下，偏航小齿轮通过与偏航大齿轮的啮合带动竖向固定板转动，主动跟随航天器的偏航运动。

所述水平随动及支撑单元包括筋板、立柱、横向连接板、纵向导轨、纵向滑块、横梁、横向电机及纵向电机，纵向滑块与偏航主动随动单元的偏航固定板固连，纵向滑块安装在纵向滑轨上，纵向滑轨安装在横向连接板上，横向连接板安装在横向导轨上，可沿横向导轨运动，横向导轨固定在立柱上，立柱间上端连接有横梁，下端连接有筋板。纵向滑块及横向连接板在纵向电机与横向电机的驱动下分别沿纵向导轨及横向导轨运动。

所述控制单元包括控制卡与驱动器，控制卡根据航天器的运动信息通过驱动器控制相关电机动作，为航天器提供六自由度近似无约束的微重力环境。

本发明一种多点悬挂式主动重力补偿系统的工作过程为：航天器将自身的运动信息传递给本发明一种多点悬挂式主动重力补偿系统的控制单元，控制单元根据航天器的运动信息，驱动相关执行机构运动，跟随航天器的姿态调整或轨道机动，保证航天器在运动时处于微重力近似无约束的环境中。

本发明对比已有的技术有如下特点：

1、在卷丝轮中加入了缓冲装置，避免了由于航天器在竖向受力时导致钢丝绳松弛或崩断；

2、补偿了连接机构引入的附加质量、摩擦及惯性力等；

3、适用于各种不同类型的航天器；

4、易于增加悬挂点。

附图说明

图1是一种多点悬挂式主动重力补偿系统的正视图。

图中标号：1：模拟航天器；2：俯仰随动及装夹单元；3：滚转及竖向主动随动单元；4：偏航主动随动单元；5：水平随动及支撑单元；26：悬挂框；30：钢丝绳；51：筋板；52：立柱。

图2是模拟航天器。

图3俯仰随动及装夹单元。

图中标号：21:电磁制动；22：螺柱；23：俯仰内轴；24：俯仰轴承；25：俯仰连接板

图4是滚转及竖向主动随动单元。

图中标号：31：导轨组件；32：传动组件；33：滑块连接板；34：电机安装板；35：竖向固定板；36：卷丝轮电机；37：卷丝轮组件；38：导线轮；39：张力传感器；311：直线轴承；312：导轨；313：导轨固定件；321：齿条；322：齿轮；323：伺服电机。

图5是卷丝轮组件示意图。

图中标号：371：卷丝轮；372：平面涡卷弹簧；373：连接轴；374：滚动轴承。

图6是偏航主动随动单元。

图中标号：41：偏航固定板；42：偏航滚动轴承；43：偏航推力轴承；44：偏航大齿轮；45：偏航电机；46：偏航小齿轮；55：纵向导轨。

图7是水平随动及支撑单元。

图中标号：53：横向导轨；54：横向连接板；55：纵向导轨；56：纵向滑块；57：横梁。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

结合图1，本发明一种多点悬挂式主动重力补偿系统包括模拟航天器1、俯仰随动及装夹单元2、滚转及竖向主动随动单元3、偏航主动随动单元4、水平随动及支撑单元5。模拟航天器1通过俯仰随动及装夹单元2与滚转及竖向主动随动单元3连接，滚转及竖向主动随动单元3安装在偏航主动随动单元4上，偏航主动随动单元4安装在水平随动及支撑单元5上。俯仰随动及装夹单元2可跟随模拟航天器1的俯仰运动，滚转及竖向主动随动单元3可主动跟随模拟航天器1的滚转运动，偏航主动随动单元4可主动跟随模拟航天器1偏航运动，从而完成对模拟航天器1的姿态调整运动的跟随，使其在姿态调整过程中不受连接装置的影响；水平随动及支撑单元5与滚转及竖向主动随动单元3可主动跟随模拟航天器1的轨道运动并主动补偿模拟航天器1的重力。

结合图1～图3，俯仰随动及装夹单元2包括电磁制动21、螺柱22、俯仰内轴23、俯仰轴承24、俯仰连接板25与悬挂框26。其连接装配顺序为将俯仰轴承24安装到俯仰连接板25内，将俯仰内轴23安装到俯仰轴承24内，将螺柱22安装到俯仰内轴23内，然后将俯仰连接板25连接到悬挂框26上，另一侧以同样的顺序装配，将模拟航天器1通过调整螺柱22的旋入长度固定，最后将电磁制动21安装到俯仰连接板25的两侧。

结合图1、图4与图5，滚转及竖向主动随动单元3包括钢丝绳30、导轨组件31、传动组件32、滑块连接板33、电机安装板34、竖向固定板35、卷丝轮电机36、卷丝轮组件37、导线轮38与张力传感器39。其中导轨组件31包括直线轴承311、导轨312与导轨固定件313，传动组件32包括齿条321、齿轮322与伺服电机323，卷丝轮组件37包括卷丝轮371、平面涡卷弹簧372、连接轴373与滚动轴承374。

滚转及竖向主动随动单元3的装配步骤为：

1)将直线轴承311安装在导轨312上，然后通过导轨固定件313将导轨313安装到竖向固定板35上；

2)将齿条321安装在竖向固定板35上；

3)将滑块连接板33安装到直线轴承311上，将电机安装板34安装到滑块连接板33上；

4)将伺服电机323安装到电机安装板34上，将齿轮322安装到伺服电机323上，与齿条321啮合；

5)将卷丝轮电机36安装到电机安装板34上；

6)将滚动轴承374外圈安装到卷丝轮371上，将平面涡卷弹簧372与连接轴373连接，并将连接轴373安装到滚动轴承374的内圈，完成卷丝轮组件37的装配；

7)将卷丝轮组件37安装到卷丝轮电机36上；

8)将导线轮38与张力传感器39安装到电机安装板34上。

结合图6偏航主动随动单元4包括偏航固定板41、偏航滚动轴承42、偏航推力轴承43、偏航大齿轮44、偏航电机45与偏航小齿轮46，其安装步骤为：将偏航滚动轴承42安装到滚转及竖向主动随动单元3的竖向固定板35上，将偏航固定板41安装到偏航滚动轴承42上，将偏航推力轴承43安装到偏航固定板41与竖向固定板35上，将偏航大齿轮44固定到竖向固定板35上，偏航小齿轮46与偏航大齿轮44啮合并固定在偏航电机45上，偏航固定板45安装在纵向导轨55的滑块上。

结合图1与图7水平随动及支撑单元5包括筋板51、立柱52、横向导轨53、横向连接板54、纵向导轨55、纵向滑块56、横梁57、纵向电机58及横向电机59，其连接关系为立柱52连接有筋板51与横向连接板54，其上端连接有横向导轨53，横向导轨53上安装有横向连接板54，横向连接板54上固定有纵向导轨55，纵向导轨55下端连接有纵向滑块56，纵向滑块56与横向连接板54的运动分别由安装在纵向导轨55与横向导轨53两侧的纵向电机58与横向电机59控制。

综上所述本发明的装配顺序为：将滚转及竖向主动随动单元3安装到偏航主动随动单元4上，将偏航主动随动单元4安装到水平随动及支撑单元5上，将模拟航天器1安装到俯仰随动及装夹单元2上，将俯仰随动及装夹单元2通过钢丝绳30安装到滚转及竖向主动随动单元3上。

Claims (2)

1.一种多点悬挂式主动重力补偿系统，其特征是：系统包括模拟航天器、俯仰随动及装夹单元、滚转及竖向主动随动单元、偏航主动随动单元、水平随动及支撑单元与控制单元；

所述俯仰随动及装夹单元包括电磁制动、螺柱、俯仰内轴、俯仰轴承、俯仰连接板与悬挂框；俯仰轴承外圈固定在俯仰连接板上，其内圈固定有俯仰内轴，俯仰内轴安装有螺柱用以固定航天器，俯仰连接板连接到悬挂框上，电磁制动安装在俯仰连接板上；

所述水平随动及支撑单元包括筋板、立柱、横向连接板、纵向导轨、纵向滑块、横梁、横向电机及纵向电机，纵向滑块与偏航主动随动单元的偏航固定板固连，纵向滑块安装在纵向滑轨上，纵向滑轨安装在横向连接板上，横向连接板安装在横向导轨上，横向导轨固定在立柱上，立柱间上端连接有横梁，下端连接有筋板，纵向滑块及横向连接板在纵向电机与横向电机的驱动下分别沿纵向导轨及横向导轨运动；

所述控制单元包括控制卡与驱动器，控制卡根据航天器的运动信息通过驱动器控制相关电机动作；

所述滚转及竖向主动随动单元包括钢丝绳、导轨组件、传动组件、滑块连接板、电机安装板、竖向固定板、卷丝轮电机、卷丝轮组件、导线轮与张力传感器，导轨组件包括直线轴承、导轨与导轨固定件，传动组件包括齿条、齿轮与伺服电机，卷丝轮组件包括卷丝轮、平面涡卷弹簧、连接轴与滚动轴承；

所述滚转及竖向主动随动单元的装配步骤为：

1)将直线轴承安装在导轨上，然后通过导轨固定件将导轨安装到竖向固定板上；

2)将齿条安装在竖向固定板上；

3)将滑块连接板安装到直线轴承上，将电机安装板安装到滑块连接板上；

4)将伺服电机安装到电机安装板上，将齿轮安装到伺服电机上，与齿条啮合；

5)将卷丝轮电机安装到电机安装板上；

6)将滚动轴承外圈安装到卷丝轮上，将平面涡卷弹簧与连接轴连接，并将连接轴安装到滚动轴承的内圈，完成卷丝轮组件的装配；

7)将卷丝轮组件安装到卷丝轮电机上；

8)将导线轮与张力传感器安装到电机安装板上；

系统的装配顺序为：将滚转及竖向主动随动单元安装到偏航主动随动单元上，将偏航主动随动单元安装到水平随动及支撑单元上，将模拟航天器安装到俯仰随动及装夹单元上，将俯仰随动及装夹单元通过钢丝绳安装到滚转及竖向主动随动单元上。

2.根据权利要求1所述的一种多点悬挂式主动重力补偿系统，其特征是：所述偏航主动随动单元包括偏航固定板、偏航滚动轴承、偏航推力轴承、偏航大齿轮、偏航电机与偏航小齿轮，其安装步骤为：将偏航滚动轴承安装到滚转及竖向主动随动单元的竖向固定板上，将偏航固定板安装到偏航滚动轴承上，将偏航推力轴承安装到偏航固定板与竖向固定板上，将偏航大齿轮固定到竖向固定板上，偏航小齿轮与偏航大齿轮啮合并固定在偏航电机上，偏航固定板安装在纵向导轨的滑块上。