CN108382616B - 基于磁悬浮随动的悬吊重力补偿装置 - Google Patents

基于磁悬浮随动的悬吊重力补偿装置 Download PDF

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Abstract

一种基于磁悬浮随动的悬吊重力补偿装置，其主要包括磁悬浮驱动补偿系统和悬吊补偿系统，磁悬浮驱动补偿系统包括磁悬浮驱动模块、磁悬浮导轨，磁悬浮导轨上分别设两个磁悬浮驱动模块；所述悬吊补偿系统包括悬吊架、悬吊恒力控制模块和位置伺服模块，悬吊架的四条支腿分别与上述磁悬浮驱动模块固连，两个位置伺服模块设在悬吊架上的滑轨上，并分别与两个悬吊恒力控制模块垂直连接；所述位置伺服模块包括两个X向移动滑块、Y向移动滑块、伺服电机、丝杠和两个辅助导杆；所述悬吊恒力控制模块包括直流电机、卷扬筒、钢丝绳、角度传感器、拉力传感器。本发明具有结构简单，重力补偿精度高，通用性强，可扩展性好等良好的综合性能。

Description

基于磁悬浮随动的悬吊重力补偿装置
技术领域
本发明涉及一种航天器的地面测试装置，特别是一种重力补偿装置。
背景技术
地面微重力模拟是随着航天技术不断发展而出现的研究领域。人类活动不断地向太空发展，对航天器的研究越来越深入，在航天器的地面测试设备中，重力补偿装置是不可缺少的一部分，现有的微重力模拟方法主要有：落塔法、抛物飞行法、水浮法、气浮法、悬吊法和磁悬浮法。
落塔法造价昂贵，空间飞行器尺寸受限，通用性差，且单次微重力实验时间过短，无法全面考核飞行器的各性能指标。
抛物飞行法同样造价昂贵，并受空间机器人外形尺寸、飞行器重量及飞行安全性等多重因素影响。同样因单次实验的时间短，无法全面考核飞行器的各项性能指标。
水浮法易受水的阻力和紊流的影响，降低飞行器的模拟精度。且飞行器须做专门防水密封处理，维护成本高，目前主要应用于宇航员的培训试验。
气浮法只能实现平面的微重力实验，而对于飞行器在三维空间的复杂运动测试则显得无能为力，主要用于二维平动的轻-中-重载的飞行器微重力模拟。
悬吊法适用范围相对较广，可模拟三维空间运动，且成本相对较低。但支撑绳索的桁架结构复杂、导轨布局困难、加工精度要求高、占地空间大。受绳索随动机构的运动摩擦、柔性索的随动滞后运动和柔性抖动耦合等因素影响，重力补偿精度难以保证。目前主要应用于轻质飞行器的微重力模拟实验。
磁悬浮法通常与其他方法配合使用，具有能耗低、维修少、无污染的优点，但同时存在风险较大和兼容性小的缺点，目前在混合式重力补偿装置中应用较多。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、占地空间小、成本低、通用性强、重力补偿精度高、维护成本低的基于磁悬浮随动的悬吊重力补偿装置。
本发明的技术方案如下：
本发明包括磁悬浮驱动补偿系统和悬吊补偿系统，整体结构为对称结构；所述磁悬浮驱动补偿系统包括磁悬浮驱动模块和磁悬浮导轨，其中磁悬浮导轨为平行的两条直线或曲线导轨，以适应月球车的直线或曲线行驶，每条磁悬浮导轨上分别设两个磁悬浮驱动模块；所述磁悬浮驱动模块是利用磁悬浮列车中的磁悬浮技术，采用常导吸附式的悬浮原理，通过控制系统使得整个装置获得重力抵消，同时获得牵引力，并与月球车同步随动；
所述悬吊补偿系统包括悬吊架、悬吊恒力控制模块和位置伺服模块，其中悬吊架的四条支腿分别与上述磁悬浮驱动模块固连，由磁悬浮驱动模块驱动，并将悬吊系统自身重量及其承担的补偿载荷传递给磁悬浮补偿系统，实现月球车的重力实时补偿；悬吊架的顶部设有两条平行的滑轨，两个相互平行的位置伺服模块的两端设在悬吊架上的滑轨上，并分别与两个悬吊恒力控制模块垂直连接；
所述位置伺服模块包括两个X向移动滑块、Y向移动滑块、伺服电机、丝杠和两个辅助导杆，其中两个X向移动滑块均连接在悬吊架顶的滑轨上，并可沿滑轨移动，伺服电机固定在其中一个X向移动滑块上，丝杠一端通过联轴器与伺服电机连接，丝杠的另一端通过轴承配合设在轴承支撑座上，该轴承支撑座固定在另一个X向移动滑块上，为提高丝杠精度并分担载荷，在丝杠两边各设一根辅助导杆，辅助导杆两端分别与两个X向移动滑块螺纹连接；Y向移动滑块与丝杠和两个导杆套装在一起，Y向移动滑块与丝杠连接的孔为与丝杠相同的弧形螺旋槽，套装在一起形成螺旋滚道，在运动过程中，滚珠的滚动转化为滑块的直线运动，Y向移动滑块与辅助导杆连接的孔为光孔；
所述悬吊恒力控制模块包括直流电机、卷扬筒、钢丝绳、角度传感器、拉力传感器，其中直流电机固定在Y向移动滑块上，卷扬筒与直流电机的输出轴连接，卷扬筒上缠绕着钢丝绳，钢丝绳竖直向下，拉力传感器通过轴销固定在钢丝绳上，钢丝绳的末端联接于月球车质心位置并在连接处设有角度传感器。当月球车曲线行驶或坡路行驶时，钢丝绳角度偏转不再铅垂，此时绳上拉力变化，直流电机恒扭矩输出的特性使其控制卷筒收绳或放绳，保证钢丝绳上拉力恒定。拉力传感器用于检测悬吊系统的补偿精度，角度传感器则将信号实时传递给位置伺服模块，通过闭环控制保证钢丝绳的铅垂。
位置伺服模块通过接收角度传感器的信号实时驱动伺服电机实现随动，保证钢丝绳的铅垂，避免附加载荷，导致重力补偿精度降低。
位置伺服模块的X向移动和Y向移动的作用是调整钢丝绳方向及吊点的位置，而钢丝绳和吊点的位置则根据不同型号月球车的质量分布确定，通过X向移动和Y向移动，能够满足不同质量分布的要求，具有良好的拓展性，不仅可作为月球车的重力补偿装置，也可通过选择不同的悬吊点，作为其它行星探测车的重力补偿装置。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
具有结构简单，重力补偿精度高，通用性强，可扩展性好等良好的综合性能，利用磁悬浮随动系统代替复杂的悬吊桁架及导轨，克服了悬吊法重力补偿时，摩擦力大、随动滞后等因素引起的精度问题，解决了悬吊系统模拟复杂运动时，占地面积大、结构复杂的问题。
附图说明：
图1是本发明的立体示意简图。
图2是图1的俯视图。
图3是图1的右视图。
图4是本发明中的位置伺服模块和悬吊恒力控制模块示意简图。
图中：1-位置伺服模块、2-悬吊恒力控制模块、3-悬吊架、4-磁悬浮驱动模块、5-磁悬浮导轨、6-模拟月球、7-月球车、8-X向移动滑块、9-伺服电机、10-Y向移动滑块、11-丝杠、12-辅助导杆、13-卷扬筒、14-钢丝绳、15-角度传感器、16-拉力传感器、17-直流电机。
具体实施方式
在图1、图2和图3所示的基于磁悬浮随动的悬吊重力补偿装置示意图中，磁悬浮驱动补偿系统中的磁悬浮导轨5为平行的两条直线或曲线导轨，以适应月球车7的直线或曲线行驶，每条磁悬浮导轨上分别设两个磁悬浮驱动模块4；
悬吊补偿系统中的悬吊架3的四条支腿分别与上述磁悬浮驱动模块固连，由磁悬浮驱动模块驱动，并将悬吊系统自身重量及其承担的补偿载荷传递给磁悬浮补偿系统，实现月球车的重力实时补偿；悬吊架的顶部设有两条平行的滑轨，两个相互平行的位置伺服模块1的两端设在悬吊架上的滑轨上，并分别与两个悬吊恒力控制模块2垂直连接；
所述位置伺服模块中的两个X向移动滑块8均连接在悬吊架顶的滑轨上，并可沿滑轨移动，伺服电机9固定在其中一个X向移动滑块上，丝杠11一端通过联轴器与伺服电机连接，丝杠的另一端通过轴承配合设在轴承支撑座上，该轴承支撑座固定在另一个X向移动滑块上，为提高丝杠精度并分担载荷，在丝杠两边各设一根辅助导杆12，辅助导杆的两端分别与两个X向移动滑块螺纹连接；Y向移动滑块10与丝杠和两个导杆套装在一起，Y向移动滑块与丝杠连接的孔为与丝杠相同的弧形螺旋槽，套装在一起形成螺旋滚道，在运动过程中，滚珠的滚动转化为滑块的直线运动，Y向移动滑块与辅助导杆连接的孔为光孔；
所述悬吊恒力控制模块中的直流电机17固定在Y向移动滑块上，卷扬筒13与直流电机的输出轴连接，卷扬筒上缠绕着钢丝绳14，钢丝绳竖直向下，拉力传感器16通过轴销固定在钢丝绳上，钢丝绳的末端联接于月球车质心位置并在连接处设有角度传感器15。当月球车在模拟月球6上曲线行驶或坡路行驶时，钢丝绳角度偏转不再铅垂，此时绳上拉力变化，直流电机恒扭矩输出的特性使其控制卷筒收绳或放绳，保证钢丝绳上拉力恒定。拉力传感器用于检测悬吊系统的补偿精度，角度传感器则将信号实时传递给位置伺服模块，通过闭环控制保证钢丝绳的铅垂。

Claims (1)

1.一种基于磁悬浮随动的悬吊重力补偿装置，它包括磁悬浮驱动补偿系统和悬吊补偿系统，其特征在于：所述磁悬浮驱动补偿系统包括磁悬浮驱动模块(4)和磁悬浮导轨(5)，其中磁悬浮导轨(5)为平行的两条直线或曲线导轨，以适应月球车(7)的直线或曲线行驶，每条磁悬浮导轨(5)上分别设两个磁悬浮驱动模块(4)；
所述悬吊补偿系统包括悬吊架(3)、悬吊恒力控制模块(2)和位置伺服模块(1)，其中悬吊架(2)的四条支腿分别与上述磁悬浮驱动模块(4)固连，悬吊架(3)的顶部设有两条平行的滑轨，两个相互平行的位置伺服模块(1)的两端设在悬吊架(3)上的滑轨上，并分别与两个悬吊恒力控制模块(2)垂直连接；
所述位置伺服模块包括两个X向移动滑块(8)、Y向移动滑块(10)、伺服电机(9)、丝杠(11)和两个辅助导杆(12)，其中两个X向移动滑块(8)均连接在悬吊架(3)顶的滑轨上，并能沿滑轨移动，伺服电机(9)固定在其中一个X向移动滑块(8)上，丝杠(11)一端通过联轴器与伺服电机(9)连接，丝杠(11)的另一端通过轴承配合设在轴承支撑座上，该轴承支撑座固定在另一个X向移动滑块(8)上，在丝杠(11)两边各设一根辅助导杆(12)，辅助导杆(12)两端分别与两个X向移动滑块(8)螺纹连接；Y向移动滑块(10)与丝杠(11)和两个导杆(12)套装在一起，Y向移动滑块(10)与丝杠(11)连接的孔为与丝杠(11)相同的弧形螺旋槽，套装在一起形成螺旋滚道，Y向移动滑块(10)与辅助导杆(12)连接的孔为光孔；
所述悬吊恒力控制模块包括直流电机(17)、卷扬筒(13)、钢丝绳(14)、角度传感器(15)、拉力传感器(16)，其中直流电机(17)固定在Y向移动滑块(10)上，卷扬筒(13)与直流电机(17)的输出轴连接，卷扬筒(13)上缠绕着钢丝绳(14)，钢丝绳(14)竖直向下，拉力传感器(16)通过轴销固定在钢丝绳(14)上，钢丝绳(14)的末端联接于月球车(7)质心位置并在连接处设有角度传感器(15)。
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