CN106114920B - 一种具有负载大范围可调功能的微重力模拟张力控制机构 - Google Patents

Abstract

一种具有负载大范围可调功能的微重力模拟张力控制机构，以解决现有吊索式微重力模拟张力控制缓冲机构存在负载重量不可调及弱阻尼特性的问题。驱动轴驱动驱动部件，绕线轮固装在驱动轴上，摆臂底轮安装在被动轴上，摆轮安装在摆轮轴上，前摆杆与后摆杆通过连接元件连接，绳轮固装在上支座上，阻尼铝板设置在两个磁铁之间，每个导轨上滑动连接两个滑块，螺母与丝杠螺纹连接，螺母和四个滑块均与弹簧底座固接，弹簧装置的一端与弹簧底座铰接、另一端与钢丝绳固接，钢丝绳的另一端绕过绳轮固连在钢丝固定轮上，吊索的一端缠绕在绕线轮上、另一端绕过摆臂底轮和摆轮与工件相连接。本发明用于在地面环境下模拟空间机构的工作情况和各项技术指标。

Description

一种具有负载大范围可调功能的微重力模拟张力控制机构

技术领域

本发明涉及一种空间微重力模拟机构，具体涉及一种具有负载大范围可调功能的吊索式微重力模拟张力控制机构。

背景技术

在航天宇航技术领域，为了保证空间机构能够有效运行，需要在地面环境中开发微重力空间环境地面模拟系统，进而对空间机构的各项功能、性能指标、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遇到的所有问题进行尽可能齐备和高效率的测试。

空间机械臂、行星探测车等装置的工作情况和各项技术指标在研发过程中需要在地面环境下进行评估，为模拟机构未来真实工作所处的重力环境，需要低重力模拟实验系统。在地球重力环境下，模拟系统基本的工作原理是通过始终与重力方向平行的吊索提供所需恒拉力，抵消地球重力与期望重力之间的差值。低重力模拟系统包括恒拉力控制子系统、二维随动子系统和悬挂机构。悬挂机构用于分配拉力；二维随动子系统使吊索的吊点跟踪被测工件运动，保持吊索与重力方向平行；恒拉力子系统用于保证吊索上所出拉力为指定值，能够抵消地球重力与期望重力的差值。

为了在地面模拟外行星或外层空间的低重力环境，需要研发相应的低重力模拟设备。吊索式低重力模拟设备是其中的重要一类。但由于一般吊索较长，受其挠性和分布参数的影响，致使控制系统带宽很难做得高；而从控制需求而言，吊索本身的弹性系数很大，毫米量级的长度拉伸或缩短即能引起张力数百牛顿的改变，因此，要求控制系统反应快，带宽高。为弥合理论需求与实际能够达到的控制系统带宽之间的矛盾，需要使吊索上的弹性系数(即等效刚度)降低。

中国专利号为201110188711.2、公开日为2015年2月4日的发明专利公开了一种吊索式低重力模拟张力控制缓冲机构及调整方法，该专利为吊索式低重力模拟张力控制缓冲机构，该专利虽然可以实现在较大的拉力工作点附近、在一定的缓冲运动范围内获得小的等效刚度。由于该专利的摆臂是固定不变的，且不具备弹簧缓冲机构行程可调节功能，所吊工件也只能是固定的重量，因此，该专利存在负载重量不可调的缺点。此外，从控制系统设计的角度而言，以上弹簧缓冲机构为弱阻尼系统，即开环情况下，当机构将负载悬挂，吊索张力处于指定张力的时候，系统受扰后摆臂将会持续在一定范围内震荡，能量难于衰减。这种弱阻尼特性将会在很大程度上增大高精度张力控制的难度。

发明内容

本发明为解决现有吊索式微重力模拟张力控制缓冲机构存在负载重量不可调以及弱阻尼特性的问题，提供了一种具有负载大范围可调功能的微重力模拟张力控制机构。

本发明的一种具有负载大范围可调功能的微重力模拟张力控制机构包括底座、驱动部件、驱动轴、绕线轮、被动轴、摆臂底轮、摆轮轴、摆轮、摆杆、绳轮、导轮轴、右支座、左支座、下支座、上支座、螺母、丝杠、轴承座、手轮、弹簧底座、弹簧装置、钢丝绳、阻尼铝板、吊索、工件、两个磁铁、钢丝固定轮、两个导轨和四个滑块，驱动部件安装在右支座上，驱动轴安装在左支座上，右支座和左支座均固装在底座上，驱动轴的输入端与驱动部件的输出轴连接，绕线轮固装在驱动轴上，被动轴与驱动轴平行设置，摆臂底轮通过轴承安装在被动轴上，被动轴的两端分别通过轴承支撑在下支座中，下支座固装在底座上，摆轮轴与被动轴平行设置，摆轮通过轴承安装在摆轮轴上，摆杆由前摆杆和后摆杆组成，前摆杆与后摆杆通过连接元件连接，前摆杆与被动轴固接，后摆杆与摆轮轴固接，两个钢丝固定轮对称设置在摆杆的左右侧，且每个钢丝固定轮固装在前摆杆上，上支座安装在下支座上方，绳轮固装在上支座上，阻尼铝板的一端套装在被动轴上，阻尼铝板的另一端设置在两个磁铁之间，两个导轨平行设置在底座上，每个导轨上滑动连接两个滑块，四个滑块呈矩形布置，螺母设置在四个滑块中间，螺母与丝杠螺纹连接，丝杠的两端支撑在轴承座中，手轮固装在丝杠的输入端上，螺母上端面和四个滑块的上端面均与弹簧底座固接，弹簧装置的一端与弹簧底座铰接，弹簧装置的另一端与钢丝绳固接，钢丝绳的另一端绕过绳轮固连在钢丝固定轮上，吊索的一端缠绕在绕线轮上，吊索的另一端绕过摆臂底轮和摆轮与工件相连接。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

一、本发明设计了导轨、丝杠、丝母、滑块和手轮机构，这样设计可以方便的通过手轮来移动弹簧底座在底座上沿着导轨方向的位置，利用丝杠的自锁功能以及顶丝来固定弹簧底座的位置，从而可以方便的调整弹簧装置的预紧力，使得弹簧装置可以适应不同负载的情况。

二、本发明设计了阻尼机构(由阻尼铝板和两个磁铁构成)，通过两块磁铁使得阻尼铝板产生涡流，从而为摆杆提供运动阻力，耗减摆杆运动能量，起到吸能减震的作用。

三、本发明的摆杆由前摆杆和后摆杆组成，使得摆杆长度实现可调，可以方便地更换不同长度的后摆杆，来以改变弹簧装置的力平衡，从而进一步扩大恒力机构适应不同负载重量的情况。更换不同长度的后摆杆，只需通过螺栓将后摆杆换成长度适合的摆臂，不需要改变整个机构的其它部件，实现非常方便。

四、本发明与中国专利号为201110188711.2的专利相比，本发明增加了导轨、丝杠、丝母、滑块、手轮，组合式摆杆及磁阻尼机构，使得本发明实现了负载重量在大范围可调这一功能，从而避免了在吊索式微重力模拟张力控制缓冲机构及调整方法中无法应用于负载重量可调的情况这一缺陷。同时本发明可以实现在固定的拉力工作点附近，在一定的缓冲运动范围内吊索上获得小的等效刚度，从而避免了对控制系统的带宽要求过高与吊索自身过长时其挠性和分布参数对其带宽影响较大的矛盾。这种弱阻尼特性将会在很大程度上增大高精度张力控制的难度。

附图说明

图1是本发明的整体结构主剖视图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1的A-A剖视图；

图4是摆杆9的主视图；

图5是图4的俯视图；

图6是长度较长的后摆杆9-2的主视图；

图7是长度较长的后摆杆9-2的俯视图；

图8是长度较短的后摆杆9-2的主视图；

图9是长度较短的后摆杆9-2的俯视图；

图10是两个磁铁26的磁极方向示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图9说明本实施方式，本实施方式包括底座1、驱动部件2、驱动轴3、绕线轮4、被动轴5、摆臂底轮6、摆轮轴7、摆轮8、摆杆9、绳轮10、导轮轴11、右支座12、左支座13、下支座14、上支座15、螺母18、丝杠19、轴承座20、手轮21、弹簧底座22、弹簧装置23、钢丝绳24、阻尼铝板25、吊索27、工件28、两个磁铁26、钢丝固定轮29、两个导轨16和四个滑块17，驱动部件2安装在右支座12上，驱动轴3安装在左支座13上，右支座12和左支座13均固装在底座1上，驱动轴3的输入端与驱动部件2的输出轴连接，绕线轮4固装在驱动轴3上，被动轴5与驱动轴3平行设置，摆臂底轮6通过轴承安装在被动轴5上，被动轴5的两端分别通过轴承支撑在下支座14中，下支座14固装在底座1上，摆轮轴7与被动轴5平行设置，摆轮8通过轴承安装在摆轮轴7上，摆杆9由前摆杆9-1和后摆杆9-2组成，前摆杆9-1与后摆杆9-2通过连接元件连接，前摆杆9-1与被动轴5固接，后摆杆9-2与摆轮轴7固接，两个钢丝固定轮29对称设置在摆杆9的左右侧，且每个钢丝固定轮29固装在前摆杆9-1上，上支座15安装在下支座14上方，绳轮10固装在上支座15上，阻尼铝板25的一端套装在被动轴5上，阻尼铝板25的另一端设置在两个磁铁26之间，两个导轨16平行设置在底座1上，每个导轨16上滑动连接两个滑块17，四个滑块17呈矩形布置，螺母18设置在四个滑块17中间，螺母18与丝杠19螺纹连接，丝杠19的两端支撑在轴承座20中，手轮21固装在丝杠19的输入端上，螺母18上端面和四个滑块17的上端面均与弹簧底座22固接，弹簧装置23的一端与弹簧底座22铰接，弹簧装置23的另一端与钢丝绳24固接，钢丝绳24的另一端绕过绳轮10固连在钢丝固定轮29上，吊索27的一端缠绕在绕线轮4上，吊索27的另一端绕过摆臂底轮6和摆轮8与需要控制拉力的工件28相连接。弹簧装置23为现有技术。

摆轮8可绕摆动轴7的轴心旋转；摆臂底轮6可绕被动轴5的轴心旋转。绕线轮4与驱动轴3同轴安装，驱动部件2的旋转可以驱动绕线轮4同步旋转，并对吊索27进行收放。摆杆9可绕驱动轴3做独立的摆动。

具体实施方式二：结合图10说明本实施方式，本实施方式的两个磁铁26上的N极朝向一致，两个磁铁26上的S极朝向一致。这样设置可以在两块磁铁间产生磁场，进而由阻尼铝板25切割磁感线，产生涡流，从而可以提供运动阻力，耗减运动能量，起到吸能减震的作用。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图3说明本实施方式，本实施方式是导轮轴11的轴线与被动轴5的轴线在同一水平面内。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图3说明本实施方式，本实施方式的摆轮8的半径与摆臂底轮6的半径相同。无论摆杆9在任何位置，吊索27在摆臂底轮6上的出线点32和在摆轮8的入线点31之间的一段始终平行于摆杆9的轴线。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式的驱动部件2包括驱动电机2-1、减速器2-2和联轴器2-3，减速器2-2的输入端与驱动电机2-1输出端连接，联轴器2-3的输入端与减速器2-2的输出端连接，联轴器2-3的输出端与驱动轴3连接。其它组成及连接关系与具体实施方式三或四相同。

具体实施方式六：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式五不同的是它还增加有吊索固定装置30，吊索固定装置30的一端固定在底座1上，吊索固定装置30的另一端用于为工件28导向，同时用于防止吊索27随钢丝绳24向上拉伸。吊索固定装置30为现有技术。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。

本发明的工作原理：转动手轮21，驱动丝杠19转动，螺母18带动其上的弹簧底座22沿导轨16向左滑动，实现了弹簧装置23的预紧功能，从而带动弹簧装置23的另一端钢丝绳24，通过钢丝绳24的另一端绕过绳轮10，带动两个对称设置在摆杆9的左右侧的钢丝固定轮29转动。

打开驱动电机2-1，驱动电机2-1中转子的旋转可以驱动绕线轮4同步旋转，由于吊索27的一端缠绕在绕线轮4上，吊索27的另一端绕过摆臂底轮6和摆轮8与需要控制拉力的工件28相连接，从而绕线轮4的旋转可以对吊索27进行收放。

通过摆杆9长度的改变，增加弹簧预紧力，实现负载重量可调的功能。

Claims (6)

1.一种具有负载大范围可调功能的微重力模拟张力控制机构，所述模拟张力控制机构包括底座(1)、驱动部件(2)、驱动轴(3)、绕线轮(4)、被动轴(5)、摆臂底轮(6)、摆轮轴(7)、摆轮(8)、摆杆(9)、绳轮(10)、导轮轴(11)、右支座(12)、左支座(13)、下支座(14)、上支座(15)、螺母(18)、丝杠(19)、轴承座(20)、手轮(21)、弹簧底座(22)、弹簧装置(23)、钢丝绳(24)、阻尼铝板(25)、吊索(27)、工件(28)、两个磁铁(26)、钢丝固定轮(29)、两个导轨(16)和四个滑块(17)，其特征在于：驱动部件(2)安装在右支座(12)上，驱动轴(3)安装在左支座(13)上，右支座(12)和左支座(13)均固装在底座(1)上，驱动轴(3)的输入端与驱动部件(2)的输出轴连接，绕线轮(4)固装在驱动轴(3)上，被动轴(5)与驱动轴(3)平行设置，摆臂底轮(6)通过轴承安装在被动轴(5)上，被动轴(5)的两端分别通过轴承支撑在下支座(14)中，下支座(14)固装在底座(1)上，摆轮轴(7)与被动轴(5)平行设置，摆轮(8)通过轴承安装在摆轮轴(7)上，摆杆(9)由前摆杆(9-1)和后摆杆(9-2)组成，前摆杆(9-1)与后摆杆(9-2)通过连接元件连接，前摆杆(9-1)与被动轴(5)固接，后摆杆(9-2)与摆轮轴(7)固接，两个钢丝固定轮(29)对称设置在摆杆(9)的左右侧，且每个钢丝固定轮(29)固装在前摆杆(9-1)上，上支座(15)安装在下支座(14)上方，绳轮(10)固装在上支座(15)上，阻尼铝板(25)的一端套装在被动轴(5)上，阻尼铝板(25)的另一端设置在两个磁铁(26)之间，两个导轨(16)平行设置在底座(1)上，每个导轨(16)上滑动连接两个滑块(17)，四个滑块(17)呈矩形布置，螺母(18)设置在四个滑块(17)中间，螺母(18)与丝杠(19)螺纹连接，丝杠(19)的两端支撑在轴承座(20)中，手轮(21)固装在丝杠(19)的输入端上，螺母(18)上端面和四个滑块(17)的上端面均与弹簧底座(22)固接，弹簧装置(23)的一端与弹簧底座(22)铰接，弹簧装置(23)的另一端与钢丝绳(24)固接，钢丝绳(24)的另一端绕过绳轮(10)固连在钢丝固定轮(29)上，吊索(27)的一端缠绕在绕线轮(4)上，吊索(27)的另一端绕过摆臂底轮(6)和摆轮(8)与工件(28)相连接。

2.根据权利要求1所述的具有负载大范围可调功能的微重力模拟张力控制机构，其特征在于：所述两个磁铁(26)上的N极朝向一致，两个磁铁(26)上的S极朝向一致。

3.根据权利要求2所述的具有负载大范围可调功能的微重力模拟张力控制机构，其特征在于：所述导轮轴(11)的轴线与被动轴(5)的轴线在同一水平面内。

4.根据权利要求3所述的具有负载大范围可调功能的微重力模拟张力控制机构，其特征在于：摆轮(8)的半径与摆臂底轮(6)的半径相同。

5.根据权利要求3或4所述的具有负载大范围可调功能的微重力模拟张力控制机构，其特征在于：所述驱动部件(2)包括驱动电机(2-1)、减速器(2-2)和联轴器(2-3)，减速器(2-2)的输入端与驱动电机(2-1)输出端连接，联轴器(2-3)的输入端与减速器(2-2)的输出端连接，联轴器(2-3)的输出端与驱动轴(3)连接。

6.根据权利要求5所述的具有负载大范围可调功能的微重力模拟张力控制机构，其特征在于：所述模拟张力控制机构还包括吊索固定装置(30)，吊索固定装置(30)的一端固定在底座(1)上，吊索固定装置(30)的另一端为工件(28)导向。