CN106348097B - 空间绳系组合体姿态角和张力测量复合的系绳收放装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了空间绳系组合体姿态角和张力测量复合的系绳收放装置。在外壳内，沿外壳长度方向，依次装有六维力测量部件、导绳部件、张力预紧部件、绳长测量部件、排绳部件和系绳卷绕部件。本发明具有系绳姿态入角可测，系绳长度可测可控，系绳张力可测可控的功能，且由于带有排绳部件使得回收到卷筒上的系绳较多时系绳可在卷筒上均匀排列而避免了因系绳相互挤压造成的塌落现象。利用系绳在六维力传感器本体坐标系各坐标轴上的张力分量，通过计算可得系绳姿态入角及系绳张力，即利用一个力传感器可同时间接测得系绳张力与系绳姿态入角。本发明具有张力精度高、张力量程大（最大可控可测张力200N）以及系绳尺度大（最大收绳长度200m）等优点。

Description

空间绳系组合体姿态角和张力测量复合的系绳收放装置
技术领域
本发明涉及空间系绳收放装置，尤其涉及一种空间绳系组合体姿态角和张力测量复合的系绳收放装置。
背景技术
空间绳系系统一般采用易卷取的柔性系绳，在系统的在轨操作过程中，一般需要通过系绳末端连接的系绳卷取机构对系绳实现长度控制或者张力控制。因此，系绳卷取机构的设计以及性能对空间绳系系统能否顺利完成任务起着相当重要的作用，如上述的TSS-1在轨试验，就因系绳释放机构的技术故障使得系绳因张力过大而断裂，导致了任务的失败。对于空间绳系系统而言，系绳控制机构是控制系绳长度、速率及张力的执行机构，在绳系系统方案设计、动力学模型分析、控制系统设计及试验验证等各个环节都必须加以考虑。另外，针对空间特殊要求，装置还需集成度要高、质量轻、体积小、结构简单可靠等特点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空间绳系组合体姿态角和张力测量复合的系绳收放装置，该装置同时具备空间系绳姿态入角可测、系绳长度可测可控、系绳张力可测可控等功能，通过合理设计使得装置能同时具有张力精度高、张力量程大(最大可控可测张力200N)以及系绳尺度大(最大收绳长度200m)等功能特色。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：
本发明在外壳内，沿外壳长度方向，依次装有六维力测量部件、导绳部件、张力预紧部件、绳长测量部件、排绳部件和系绳卷绕部件。
所述六维力测量测量部件，包括：受力板、导绳轮、六维力传感器、基座和过绳环；六维力传感器的安装面固定在基座中部，六维力传感器的受力面固接有受力板，受力板中心位置安装有过绳环，基座上方安装有能自由转动的导绳轮。
所述导绳部件，包括：第一小导轮、第二小导轮、第一心轴、第二心轴和Γ形固定板；第一小导轮与第一心轴为转动配合，第二小导轮与第二心轴为转动配合，第一心轴与第二心轴的一端与外壳顶部连接，第一心轴与第二心轴的另一端与Γ形固定板的一面连接，所述二个小导轮中部均开有U形导绳槽，且位于同一水平位置，Γ形固定板的另一面与过绳立板固连。
所述张力预紧部件，包括：第一陶瓷片、第二陶瓷片、弹簧和带螺母心轴；带螺母心轴与过绳立板连接，第一陶瓷片、第二陶瓷片和弹簧依次套在带螺母心轴上，通过调节带螺母心轴的螺母调节系绳的预紧张力。
所述绳长测量部件，包括：过绳立板、绳长测量导轮、第一辅助轮、第二辅助轮、联轴器、轴承座、固定架和旋转编码器；过绳立板垂直安装在外壳上、下面间，过绳立板的板面与外壳的长边平行，过绳立板上安装有轴承座，绳长测量导轮的伸出轴穿过轴承座的轴承内圈并插入联轴器的一端内孔中，联轴器的另一端内孔与旋转编码器的伸出轴连接，旋转编码器与固定架连接，固定架固定在过绳立板上，以绳长测量导轮为中心，左右上方对称安装有能自由转动的第一辅助轮和第二辅助轮，第一辅助轮和第二辅助轮安装在过绳立板上。
所述排绳部件，包括：直线电机底座、直线电机滑块、连接板、第一导轮和第二导轮；直线电机底座两端垂直安装在外壳上、下面间，直线电机滑块与连接板滑动连接，连接板上部安装有第一导轮和第二导轮，第一导轮和第二导轮配合，第一导轮与第二导轮通过U形导绳槽形成过绳孔，直线电机滑块的上、下极限位置分别对应于卷绳筒轴向绕绳的有效极限位置。
所述系绳卷绕部件，包括：轴承端盖、卷绳筒、承力套筒、电磁刹车、光电编码器、伺服电机、轴承卡簧、大轴承、减速器、平键和小轴承；在承力套筒内，减速器尾部与伺服电机头部连接，伺服电机尾部与承力套筒内端面贴合，电磁刹车的头部与承力套筒外端面连接，电磁刹车尾部与光电编码器连接，以上零件构成动力模块；将所述动力模块插入卷绳筒内部，减速器输出轴轴头键槽，通过平键与卷绳筒固定连接，卷绳筒的一端与小轴承内圈配合，卷绳筒的另一端孔内台阶放置大轴承，大轴承内圈与承力套筒配合，通过卡簧实现大轴承的轴向固定，承力套筒的安装法兰与外壳底部固定，小轴承端部通过轴承端盖与外壳上部固定。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明同时具备空间系绳摆角可测、系绳长度可测可控、系绳张力可测可控等功能，通过合理设计使得装置能同时具有张力精度高、张力量程大(最大可控可测张力200N)。
2、本发明利用六维力传感器可间接测量得到系绳张力与系绳姿态入角。
3、本发明的排绳部件使得回收到卷绳筒上的系绳较多时系绳可在卷筒上均匀排列而避免了系绳的相互挤压及塌落现象，装置收放系绳尺度大(最大收绳长度200m)
4、本发明可根据要求分别工作于系绳张力控制模式、系绳收放控制模式及系绳锁定控制模式，且各工作模式间可自由切换。
本发明具有原理巧妙、结构简单紧凑，精度较高等优点。
附图说明
图1是本发明的正视图。
图2是本发明的前侧三维图。
图3是本发明的后侧三维图。
图4是本发明的六维力测量部件三维图。
图5是本发明的卷绕部件剖视图。
图6是本发明的系绳张力及姿态入角测量示意图。
图中：1、六维力测量部件，2、导绳部件，3、张力预紧部件，4、绳长测量部件，5、排绳部件，6、系绳卷取部件，7、系绳，8、外壳，1.1、受力板，1.2、导绳轮，1.3、六维力传感器，1.4、基座，1.5、过绳环，2.1、第一小导轮，2.2、第二小导轮，2.3、第一心轴，2.4、第二心轴，2.5、Γ形固定板，3.1、第一陶瓷片，3.2、第二陶瓷片，3.3、弹簧，3.4、带螺母心轴，4.1、过绳立板，4.2、绳长测量导轮，4.3、第一辅助轮，4.4、第二辅助轮，4.5、联轴器，4.6、轴承座，4.7、固定架，4.8、旋转编码器，5.1、直线电机底座，5.2、直线电机滑块，5.3、连接板，5.4、第一导轮，5.5、第二导轮，6.1、轴承端盖，6.2、卷绳筒，6.3、承力套筒，6.4、电磁刹车，6.5、光电编码器，6.6、伺服电机，6.7、轴承卡簧，6.8、大轴承，6.9、减速器，6.10、平键，6.11、小轴承。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1、图2所示，本发明在外壳8内，沿外壳长度方向，依次装有六维力测量部件1、导绳部件2、张力预紧部件3、绳长测量部件4、排绳部件5和系绳卷绕部件6。
如图1、图4所示，所述六维力测量测量部件1，包括：受力板1.1、导绳轮1.2、六维力传感器1.3、基座1.4和过绳环1.5；六维力传感器1.3的安装面通过螺钉固定在基座1.4中部，六维力传感器1.3的受力面固接有受力板1.1，受力板1.1中心位置通过螺纹连接安装有过绳环1.5，基座上方安装有能自由转动的导绳轮1.2。
如图2所示，所述导绳部件2，包括：第一小导轮2.1、第二小导轮2.2、第一心轴2.3、第二心轴2.4和Γ形固定板2.5；第一小导轮2.1与第一心轴2.3为转动配合，第二小导轮2.2与第二心轴2.4为转动配合，第一心轴2.3与第二心轴2.4的一端通过螺纹与外壳7顶部连接，第一心轴2.3与第二心轴2.4的另一端通过螺纹与Γ形固定板2.5的一面连接，所述二个小导轮中部均开有U形导绳槽，且位于同一水平位置，Γ形固定板2.5的另一面通过螺钉与过绳立板4.1固连。
如图2所示，所述张力预紧部件3，包括：第一陶瓷片3.1、第二陶瓷片3.2、弹簧3.3和带螺母心轴3.4；带螺母心轴3.4通过螺纹与过绳立板4.1连接，第一陶瓷片3.1、第二陶瓷片3.2和弹簧3.3依次套在带螺母心轴3.4上，通过调节带螺母心轴3.4的螺母调节系绳7的预紧张力。
如图2、图3所示，所述绳长测量部件4，包括：过绳立板4.1、绳长测量导轮4.2、第一辅助轮4.3、第二辅助轮4.4、联轴器4.5、轴承座4.6、固定架4.7和旋转编码器4.8；过绳立板4.1垂直安装在外壳8上、下面间，过绳立板4.1的板面与外壳8的长边平行，过绳立板4.1上安装有轴承座4.6，绳长测量导轮4.2的伸出轴穿过轴承座4.6的轴承内圈并插入联轴器4.5的一端内孔中，联轴器4.5的另一端内孔与旋转编码器4.8的伸出轴连接。旋转编码器4.8与固定架4.7连接，固定架4.7固定在过绳立板4.1上，以绳长测量导轮4.2为中心，左右上方对称安装有能自由转动的第一辅助轮4.3和第二辅助轮4.4，第一辅助轮4.3和第二辅助轮4.4安装在过绳立板4.1上。
如图2所示，所述排绳部件5，包括：直线电机底座5.1、直线电机滑块5.2、连接板5.3、第一导轮5.4和第二导轮5.5；直线电机底座5.1两端留有螺孔，通过螺钉垂直安装在外壳8上、下面间，直线电机滑块5.2与连接板5.3滑动连接，连接板5.3上部安装有第一导轮5.4和第二导轮5.5，第一导轮5.4和第二导轮5.5配合，外缘距离很小但又可各种绕中心自由转动，第一导轮5.4与第二导轮5.5通过U形导绳槽形成过绳孔，此过绳孔的轴线与卷筒内壁相切，保证卷筒卷取系绳之前，系绳是沿着卷筒内壁切线方向进入卷筒的，直线电机滑块5.2的上、下极限位置分别对应于卷绳筒6.2轴向绕绳的有效极限位置。
如图2、图5所示，所述系绳卷绕部件6，包括：轴承端盖6.1、卷绳筒6.2、承力套筒6.3、电磁刹车6.4、光电编码器6.5、伺服电机6.6、轴承卡簧6.7、大轴承6.8、减速器6.9、平键6.10和小轴承6.11；在承力套筒6.3内，减速器6.9尾部与伺服电机6.6头部连接，伺服电机6.6尾部与承力套筒6.3内端面贴合，电磁刹车6.4的头部与承力套筒6.3外端面连接，电磁刹车6.4尾部与光电编码器6.5连接，以上零件构成动力模块；将上述动力模块插入卷绳筒6.2内部，减速器6.9输出轴轴头键槽，通过平键6.10与卷绳筒6.2固定连接，卷绳筒6.2的一端与小轴承6.11内圈配合，卷绳筒6.2的另一端孔内台阶放置大轴承6.8，大轴承6.8内圈与承力套筒6.3配合，通过卡簧6.7实现大轴承6.8的轴向固定，承力套筒6.3的安装法兰与外壳8底部固定，小轴承6.11端部通过轴承端盖6.1与外壳8上部固定。
本发明的工作原理：
系绳7首先从装置外壳8左部中心位置进入装置，穿过六维力测量部件1的过绳环1.5后竖直向上经过上部的过绳导轮1.2，再经过导绳部件2的二个小导轮U形导绳槽形成的过绳孔，改变成水平走向后进过张力预紧部件3的第一陶瓷片3.1和第二陶瓷片3.2间隙后，依次经过绳长测量部件4的第一辅助轮4.3、绳长测量导轮4.2及第二辅助轮4.4后再经过排绳部件5的第一导轮5.4和第二导轮5.5U形导绳槽形成的过绳孔后进入系绳卷绕部件6的卷绳筒6.2，系绳7固定在卷绳筒6.2的内壁处。通过伺服电机6.6驱动卷绳筒6.2旋转实现系绳7的收放，通过直线电机滑块5.2的往复直线运动实现系绳收绳时在卷绳筒6.2上的均匀排列，放绳时直线电机滑块5.2处于非工作的自由运动状态，通过张力预紧部件3防止系绳7在装置内部松弛，通过导绳部件2改变系绳走向，收放绳时通过绳长测量部件4实现系绳收放长度的测量，通过六维力测量部件1实现系绳张力与系绳姿态入角的测量。六维力测量部件1间接测量系绳张力与系绳姿态入角的原理如下。
如图6所示，假设系绳7与xz平面上的投影与z轴的夹角为α，系绳7与xz平面的夹角为β，系绳张力为T，六维力传感器1.3测得的张力分量分别为Fx，Fy，Fz。
根据力的分解有：
根据上式可解得：

Claims (6)

1.空间绳系组合体姿态角和张力测量复合的系绳收放装置，其特征在于：在外壳(8)内，沿外壳长度方向，依次装有六维力测量部件(1)、导绳部件(2)、张力预紧部件(3)、绳长测量部件(4)、排绳部件(5)和系绳卷绕部件(6)；
所述六维力测量部件(1)，包括：受力板(1.1)、导绳轮(1.2)、六维力传感器(1.3)、基座(1.4)和过绳环(1.5)；六维力传感器(1.3)的安装面固定在基座(1.4)中部，六维力传感器(1.3)的受力面固接有受力板(1.1)，受力板(1.1)中心位置安装有过绳环(1.5)，基座(1.4)上方安装有能自由转动的导绳轮(1.2)。
2.根据权利要求1所述的空间绳系组合体姿态角和张力测量复合的系绳收放装置，其特征在于：所述导绳部件(2)，包括：第一小导轮(2.1)、第二小导轮(2.2)、第一心轴(2.3)、第二心轴(2.4)和Γ形固定板(2.5)；第一小导轮(2.1)与第一心轴(2.3)为转动配合，第二小导轮(2.2)与第二心轴(2.4)为转动配合，第一心轴(2.3)与第二心轴(2.4)的一端与外壳(8)顶部连接，第一心轴(2.3)与第二心轴(2.4)的另一端与Γ形固定板(2.5)的一面连接，所述第一、第二小导轮中部均开有U形导绳槽，且位于同一水平位置，Γ形固定板(2.5)的另一面与过绳立板(4.1)固连。
3.根据权利要求1所述的空间绳系组合体姿态角和张力测量复合的系绳收放装置，其特征在于：所述张力预紧部件(3)，包括：第一陶瓷片(3.1)、第二陶瓷片(3.2)、弹簧(3.3)和带螺母心轴(3.4)；带螺母心轴(3.4)与过绳立板(4.1)连接，第一陶瓷片(3.1)、第二陶瓷片(3.2)和弹簧(3.3)依次套在带螺母心轴(3.4)上，通过调节带螺母心轴(3.4)的螺母调节系绳(7)的预紧张力。
4.根据权利要求1所述的空间绳系组合体姿态角和张力测量复合的系绳收放装置，其特征在于：所述绳长测量部件(4)，包括：过绳立板(4.1)、绳长测量导轮(4.2)、第一辅助轮(4.3)、第二辅助轮(4.4)、联轴器(4.5)、轴承座(4.6)、固定架(4.7)和旋转编码器(4.8)；过绳立板(4.1)垂直安装在外壳(8)上、下面间，过绳立板(4.1)的板面与外壳(8)的长边平行，过绳立板(4.1)上安装有轴承座(4.6)，绳长测量导轮(4.2)的伸出轴穿过轴承座(4.6)的轴承内圈并插入联轴器(4.5)的一端内孔中，联轴器(4.5)的另一端内孔与旋转编码器(4.8)的伸出轴连接，旋转编码器(4.8)与固定架(4.7)连接，固定架(4.7)固定在过绳立板(4.1)上，以绳长测量导轮(4.2)为中心，左右上方对称安装有能自由转动的第一辅助轮(4.3)和第二辅助轮(4.4)，第一辅助轮(4.3)和第二辅助轮(4.4)安装在过绳立板(4.1)上。
5.根据权利要求1所述的空间绳系组合体姿态角和张力测量复合的系绳收放装置，其特征在于：所述排绳部件(5)，包括：直线电机底座(5.1)、直线电机滑块(5.2)、连接板(5.3)、第一导轮(5.4)和第二导轮(5.5)；直线电机底座(5.1)两端留有螺孔，通过螺钉垂直安装在外壳(8)上、下面间，直线电机滑块(5.2)与连接板(5.3)滑动连接，连接板(5.3)上部安装有第一导轮(5.4)和第二导轮(5.5)，第一导轮(5.4)和第二导轮(5.5)配合，第一导轮(5.4)与第二导轮(5.5)通过U形导绳槽形成过绳孔，直线电机滑块(5.2)的上、下极限位置分别对应于卷绳筒(6.2)轴向绕绳的有效极限位置。
6.根据权利要求1所述的空间绳系组合体姿态角和张力测量复合的系绳收放装置，其特征在于：所述系绳卷绕部件(6)，包括：轴承端盖(6.1)、卷绳筒(6.2)、承力套筒(6.3)、电磁刹车(6.4)、光电编码器(6.5)、伺服电机(6.6)、轴承卡簧(6.7)、大轴承(6.8)、减速器(6.9)、平键(6.10)和小轴承(6.11)；在承力套筒(6.3)内，减速器(6.9)尾部与伺服电机(6.6)头部连接，伺服电机(6.6)尾部与承力套筒(6.3)内端面贴合，电磁刹车(6.4)的头部与承力套筒(6.3)外端面连接，电磁刹车(6.4)尾部与光电编码器(6.5)连接，构成动力模块；将上述动力模块插入卷绳筒(6.2)内部，减速器(6.9)输出轴轴头键槽，通过平键(6.10)与卷绳筒(6.2)固定连接，卷绳筒(6.2)的一端与小轴承(6.11)内圈配合，卷绳筒(6.2)的另一端孔内台阶放置大轴承(6.8)，大轴承(6.8)内圈与承力套筒(6.3)配合，通过卡簧(6.7)实现大轴承(6.8)的轴向固定，承力套筒(6.3)的安装法兰与外壳(8)底部固定，小轴承(6.11)端部通过轴承端盖(6.1)与外壳(8)上部固定。
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