CN108177802B - 一种基于空气弹簧的恒力装置及其使用方法 - Google Patents

一种基于空气弹簧的恒力装置及其使用方法 Download PDF

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Abstract

一种基于空气弹簧的恒力装置，包括机构转接件(1)、缸体(2)等；机构转接件(1)安装在缸体(2)一端，缸体(2)另一端安装气浮支撑挡块(10)；气悬浮式活塞(3)安装在缸体(2)内；气浮支座(5)固定安装在缸体(2)内，气浮支座(5)轴向通过气浮支撑挡块(10)进行限位，活塞杆件(4)一端连接气悬浮式活塞(3)，另一端依次穿过气浮支座(5)、气浮支撑挡块(10)后，通过螺杆(6)连接气浮轴承(7)；第一进气塞(8)、第二进气塞(9)分别安装在气悬浮式活塞(3)两侧的缸体(2)侧壁上。本发明基于气压控制且具有一定承载能力，为一种低刚度、低阻尼及低摩擦的空气恒力装置。

Description

一种基于空气弹簧的恒力装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种恒力装置。
背景技术
为了保证空间机构地面装调及试验的真实性，需要在地面上模拟空间微重力环境。在地面进行空间机构装调测试时，除了要保证机构处于微重力状态外，还要求机构处于自由状态。
目前，空间机构地面微重力模拟采用重力卸载工装补偿重力的方式实现微重力状态模拟，在实现在微重力的同时引入了约束或外干扰，严重影响产品的振动模态；同时引入过多附加质量，也会影响空间机构的频率振动特性。因此，空间机构地面装调测试需要实现“自由—自由”的边界条件，模拟产品在空间中无约束状态，这就要求微重力模拟设备具有一定承载能力的同时具有低刚度、低阻尼、低摩擦且在运动方向上具有一定的行程。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供一种基于空气弹簧的恒力装置，解决现有重力卸载工装在实现空间机构地面装调测试微重力模拟过程中，引入外界约束及附加质量的不足，本发明基于气压控制且具有一定承载能力，为一种低刚度、低阻尼及低摩擦的空气恒力装置。
本发明所采用的技术方案是：一种基于空气弹簧的恒力装置，包括机构转接件、缸体、气悬浮式活塞、活塞杆件、气浮支座、螺杆、气浮轴承、第一进气塞、第二进气塞及气浮支撑挡块；机构转接件安装在缸体一端，缸体另一端安装气浮支撑挡块；气悬浮式活塞为中空式腔体结构，安装在缸体内，径向分布有若干节流孔，轴向分布有若干条节流孔供气通道；气浮支座固定安装在缸体内，气浮支座轴向通过气浮支撑挡块进行限位；气浮支座轴向分布有若干条节流孔供气通道，径向分布有若干节流孔，沿中心轴开有中心通孔；活塞杆件一端连接气悬浮式活塞，另一端依次穿过气浮支座的中心通孔、气浮支撑挡块的中心通孔后，通过螺杆连接气浮轴承；第一进气塞、第二进气塞分别安装在气悬浮式活塞两侧的缸体侧壁上。
螺杆与气浮轴承的接触部分为球头结构。
所述气悬浮式活塞与缸体为间隙配合。
所述气浮支座中心通孔与活塞杆件间隙配合。
所述气悬浮式活塞径向的节流孔将气悬浮式活塞内的腔体与气悬浮式活塞侧壁连通；气悬浮式活塞轴向的节流孔供气通道将气悬浮式活塞内的腔体与气悬浮式活塞端面连通。
所述气浮支座径向的节流孔将气浮支座轴向的节流孔供气通路与气浮支座中心通孔连通。
所述缸体为圆筒结构。
所述机构转接件为圆盘形端盖。
一种基于空气弹簧的恒力装置的使用方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤一、将机构转接件与空间机构的运动部件连接，将所述恒力装置通过气浮轴承竖直放置在气浮平台上，调节所述恒力装置与空间机构的初始相对位置关系，使得空间机构的运动部件的质心与恒力装置同轴；
步骤二、将第一进气塞与气压传感器相连，气压传感器连接控制器，控制器连接放大器，放大器通过比例阀与气源相连；将第二进气塞通过比例阀与气源相连；
步骤三、当空间机构的运动部件运动时，机构转接件随空间机构的运动发生位移变化；通过气压传感器将缸体内部气压变化反馈至控制器，控制器控制比例阀，通过比例阀调节第一进气塞、第二进气塞的进气量，对缸体内进行气压及气体补偿，保证气悬浮式活塞运动过程中两侧气压差恒定，使得所述恒力装置抵消空间机构的重力。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明的恒力装置，具有压力补偿精确、响应快速、低冲击的特性。通过压力补偿的方式实现空间机构装调测试过程中准动态时力的变化低于0.1N，具有快速响应、低冲击的能力。
(2)本发明的恒力装置，具有低刚度的特性。与传统弹簧相比，恒力装置和空间机构所构成的系统的最高固有频率的第一阶弹性体共振频率之比小于0.1，可实现无约束“自由-自由”边界条件的精确模拟。
(3)本发明的恒力装置采用气浮空气润滑，具有低摩擦、低阻尼的特性。与传统气缸相比，活塞缸体处于低速相对运动，发生控制不稳，活塞爬行等不良现象，气动定位系统会产生难以消除的稳态误差。本发明的恒力装置依靠空气润滑，会提高气动系统控制的精度、稳定性及响应时间。
附图说明
图1为本发明的恒力装置结构主视图；
图2为本发明的恒力装置结构俯视图；
图3为本发明的恒力装置工作原理图。
具体实施方式
如图1、图2所示，一种基于空气弹簧的恒力装置，包括机构转接件1，缸体2，气悬浮式活塞3，活塞杆件4，气浮支座5，螺杆6，气浮轴承7，进气塞8、9及气浮支撑挡块10。
机构转接件1是空间机构的安装接口，通过螺纹连接或胶接的方式与缸体2进行连接，同时保证连接的气密性；气悬浮式活塞3为中空式腔体结构，与缸体2间隙配合，是装置中的运动部件，其径向布局有若干节流孔，轴向布局有若干条节流孔供气通道，与活塞杆件4通过螺纹连接，气悬浮式活塞3径向的节流孔将气悬浮式活塞3内的腔体与侧壁连通，气悬浮式活塞3轴向的节流孔供气通道将气悬浮式活塞3内的腔体与端面连通；气浮支座5径向固定安装在在缸体2上，保证气浮支座5与缸体2之间的气密性，气浮支座5轴向通过气浮支撑挡块10进行限位，其径向布局有系列节流孔，轴向布局有节流孔供气通道，与活塞杆件4间隙配合，气浮支座5的节流孔将气浮支座5的节流孔供气通路与气浮支座5中心通孔连通；螺杆6为活塞杆件4与气浮轴承7的转接部件，与气浮轴承7接触部分为球头结构；进气塞8、9连接在缸体2上，分别位于气悬浮式活塞3的两侧。气浮支撑挡块10为回转结构，沿中心轴开有通孔。
本发明的基于空气弹簧的恒力装置的使用方法如下：
(1)将恒力装置与空间机构的运动部件连接，竖直放置在气浮平台上，调节恒力装置与空间机构的初始相对位置关系，使得空间机构的运动部件的质心与恒力装置同轴；
(2)如图3所示，空间机构在进行装调展开测试时，机构转接件1会随空间机构的运动，位移发生变化；将第一进气塞8与气压传感器相连，气压传感器连接控制器，控制器连接放大器，放大器通过比例阀与气源相连；第二进气塞9通过比例阀与气源相连；
(3)恒力装置通过气压传感器将缸体2内部气压变化反馈给控制器，控制器控制比例阀，比例阀分别调节进气塞8、9的进气量，对缸体2内进行气压及气体补偿，保证气悬浮式活塞3运动过程中气压差恒定，使得恒力装置通过缸体2内压力调节，抵消空间机构的重力。
机构转接件1运动过程中，气悬浮式活塞3、气浮支座5通过节流孔及其供气通路分别与缸体2、活塞杆件4形成空气润滑，保证低摩擦、低阻尼；恒力装置在气浮平台平面运动过程中，气浮轴承7与气浮平台间形成空气润滑，保证运动低摩擦。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (7)

1.一种基于空气弹簧的恒力装置，其特征在于：包括机构转接件(1)、缸体(2)、气悬浮式活塞(3)、活塞杆件(4)、气浮支座(5)、螺杆(6)、气浮轴承(7)、第一进气塞(8)、第二进气塞(9)及气浮支撑挡块(10)；机构转接件(1)安装在缸体(2)一端，缸体(2)另一端安装气浮支撑挡块(10)；气悬浮式活塞(3)为中空式腔体结构，安装在缸体(2)内，径向分布有若干节流孔，轴向分布有若干条节流孔供气通道；气浮支座(5)固定安装在缸体(2)内，气浮支座(5)轴向通过气浮支撑挡块(10)进行限位；气浮支座(5)轴向分布有若干条节流孔供气通道，径向分布有若干节流孔，沿中心轴开有中心通孔；活塞杆件(4)一端连接气悬浮式活塞(3)，另一端依次穿过气浮支座(5)的中心通孔、气浮支撑挡块(10)的中心通孔后，通过螺杆(6)连接气浮轴承(7)；第一进气塞(8)、第二进气塞(9)分别安装在气悬浮式活塞(3)两侧的缸体(2)侧壁上；
所述气悬浮式活塞(3)径向的节流孔将气悬浮式活塞(3)内的腔体与气悬浮式活塞(3)侧壁连通；气悬浮式活塞(3)轴向的节流孔供气通道将气悬浮式活塞(3)内的腔体与气悬浮式活塞(3)端面连通；
所述气浮支座(5)径向的节流孔将气浮支座(5)轴向的节流孔供气通路与气浮支座(5)中心通孔连通。
2.根据权利要求1所述的一种基于空气弹簧的恒力装置，其特征在于：螺杆(6)与气浮轴承(7)的接触部分为球头结构。
3.根据权利要求2所述的一种基于空气弹簧的恒力装置，其特征在于：所述气悬浮式活塞(3)与缸体(2)为间隙配合。
4.根据权利要求3所述的一种基于空气弹簧的恒力装置，其特征在于：所述气浮支座(5)中心通孔与活塞杆件(4)间隙配合。
5.根据权利要求1所述的一种基于空气弹簧的恒力装置，其特征在于：所述缸体(2)为圆筒结构。
6.根据权利要求5所述的一种基于空气弹簧的恒力装置，其特征在于：所述机构转接件(1)为圆盘形端盖。
7.一种如权利要求1-6任意一项所述的基于空气弹簧的恒力装置的使用方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤一、将机构转接件(1)与空间机构的运动部件连接，将所述恒力装置通过气浮轴承(7)竖直放置在气浮平台上，调节所述恒力装置与空间机构的初始相对位置关系，使得空间机构的运动部件的质心与恒力装置同轴；
步骤二、将第一进气塞(8)与气压传感器相连，气压传感器连接控制器，控制器连接放大器，放大器通过比例阀与气源相连；将第二进气塞(9)通过比例阀与气源相连；
步骤三、当空间机构的运动部件运动时，机构转接件(1)随空间机构的运动发生位移变化；通过气压传感器将缸体(2)内部气压变化反馈至控制器，控制器控制比例阀，通过比例阀调节第一进气塞(8)、第二进气塞(9)的进气量，对缸体(2)内进行气压及气体补偿，保证气悬浮式活塞(3)运动过程中两侧气压差恒定，使得所述恒力装置抵消空间机构的重力。
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