CN109118931B - 一种用于大位移三维展开结构的零重力无摩擦展开装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于大位移三维展开结构的零重力无摩擦展开装置，包含气浮导轨、气浮导轨悬挂固定杆、随动滑块装置、抑制杆系运动卷帘、杆系卸载装置吊挂板以及横向短距离运动卸载单层吊挂装置和横向长距离运动卸载双层吊挂装置等，展开运动的实施分为纵向展开运动和横向展开运动两个阶段，通过气浮导轨与随动滑块装置实现展开结构的纵向大位移长距离的卸载展开，通过杆系卸载装置实现展开结构的横向面内上下起伏以及纵向的小幅运动，通过两者的结合满足大位移三维展开结构的展开过程中的无摩擦、重力有效卸载和三维复杂运动轨迹的目的。

Description

一种用于大位移三维展开结构的零重力无摩擦展开装置

技术领域

本发明属于机械技术领域，特别涉及一种用于大位移三维展开结构的零重力无摩擦展开装置，主要应用于空间和地面大位移三维可展结构的无摩擦零重力卸载展开试验。

背景技术

大型可展开结构，如：反射阵天线、太阳翼帆板以及机械臂等，发射前处于收纳状态，当发射进入预定轨道后解锁展开至工作状态。由于此等结构具有低频、密模态、纵、横、扭耦合的空间三维模态以及非线性等复杂的动力学特性，因此需要通过地面展开试验保证其在轨执行任务的安全性。由于重力、摩擦阻力等因素的影响，在地面上对大型可展开航天器结构进行模拟太空展开试验是极其困难的。随着空间可展开机构越来越复杂且朝着大收纳比、大尺寸、大柔度等方向发展，其展开轨迹由原来的二维平面展开发展到空间多维展开，复杂的展开运动轨迹对地面零重力卸载装置系统提出了更高的要求。

一种用于大位移多维展开结构的零重力无摩擦展开装置主要是模拟大位移多维展开结构的无重力展开环境以实现此类结构的零重力条件下的多维展开试验之目的。

现有的大位移可展开结构的地面零重力试验系统，如太阳翼帆板的卸载装置，通常采用被动式机械悬挂系统来实现。资料显示该类被动式机械悬挂系统采用导轨小车在纵向导轨和横向导轨上移动来实现地面展开试验，可展开机构通过悬挂绳索与导轨小车相连，展开过程中通过展开机构的展开带动小车在导轨上的滑动以实现在横向与纵向的移动。该类系统无法消除摩擦力对机构展开的影响且也无法满足运动轨迹比较复杂的展开运动要求。由于气浮导轨具有摩擦阻力小、运动精度高等特点，已广泛应用于短距离、长距离等无摩擦装置中。专利申请号为201010165536.0的“用于超长距离跟随吊点运动轨迹的无摩擦气浮装置”以及专利申请号为201010165658.X的“不受气管扰动力影响的超长距离跟随吊点运动轨迹的气浮装置”等方案已实现了一维的无摩擦的平动。专利申请号为201210403329.3的“二维无摩擦长距离运动的多层气浮吊挂装置”提供了二维无摩擦大位移长距离运动的解决方案。虽然一维及二维长距离运动气浮吊挂装置实现了摩擦阻力小、大位移、长距离运动的解决方案，但针对于运动轨迹复杂的大位移三维展开结构来说，设计存在着一定的缺陷。

现有的大位移多维可展开结构的地面零重力试验卸载系统具有的缺陷如下：

(1)摩擦力较大。被动式机械悬挂系统采用导轨小车在纵向导轨和横向导轨上的滑动实现大位移长距离的运动，小车与导轨间的摩擦给可展结构的展开带来了一定的阻力，影响结构的展开。

(2)无法满足大位移多维复杂运动轨迹的可展结构的卸载需求。目前的大位移卸载系统只能满足一维或二维运动的需求，无法满足具有三维复杂运动轨迹的可展结构。

(3)无法实现结构重力的有效卸载。

随着大尺寸、大柔性和多维运动展开结构的应用发展，对地面零重力试验卸载系统提出了更高的要求，不仅要求消除摩擦力对展开的影响，还要保证卸载的充分性以避免对测量造成较大的影响。

发明内容

本发明提供一种用于大位移三维展开结构的零重力无摩擦展开装置，采用气浮导轨与杆系配重卸载组合的方式对大位移三维可展结构进行重力卸载，可展结构的每一个局部部件均可通过杆系卸载装置进行有效卸载。

本发明的技术方案如下：

一种用于大位移三维展开结构的零重力无摩擦展开装置，包括气浮导轨、气浮导轨悬挂固定杆、随动滑块装置、杆系卸载装置吊挂板以及杆系卸载装置，两根所述纵向气浮导轨由所述气浮导轨悬挂固定杆固定于天花板或具有较高稳定性的框架上，两根所述气浮导轨上对称分布若干个所述随动滑块装置，每两相对应的所述随动滑块装置下方固结一块狭长的所述杆系卸载装置吊挂板；所述杆系卸载装置上方固定于所述杆系卸载装置吊挂板上，所述杆系卸载装置由轻质悬挂杆、绳索以及配重组成，所述轻质悬挂杆通过所述绳索与所述杆系卸载装置吊挂板相连，所述轻质悬挂杆两端分别通过所述绳索与所述配重和结构的卸载点相连；

气浮导轨与随动滑块装置实现展开结构的纵向大位移长距离的展开卸载，杆系卸载装置实现展开结构的横向面内上下起伏以及纵向的小幅运动。

优选的，还包括抑制杆系运动卷帘，所述杆系卸载装置吊挂板一侧固定所述抑制杆系运动卷帘，在收拢及纵向展开过程中抑制杆系运动卷帘处于释放状态以控制杆系卸载系统不会出现较大的晃动，当纵向展开结束准备横向展开阶段，收起抑制杆系运动卷帘以实现卸载点的横向运动。

优选的，所述绳索与所述轻质悬挂杆的连接处设置有防倾倒凸台。

优选的，用于所述轻质悬挂杆与卸载点之间连接的所述绳索的中部设置有一轻质软弹簧。

优选的，所述杆系卸载装置根据卸载目标的复杂情况设计成单层或双层卸载方式，所述杆系卸载装置为横向短距离运动卸载单层吊挂装置或横向长距离运动卸载双层吊挂装置；

当所述杆系卸载装置为横向短距离运动卸载单层吊挂装置时，所述轻质悬挂杆一端通过所述绳索与所述配重相连，所述轻质悬挂杆另一端通过所述绳索和结构的卸载点相连；

当所述杆系卸载装置为横向长距离运动卸载双层吊挂装置时，上层的所述轻质悬挂杆两端分别通过所述绳索与所述配重和下层的所述轻质悬挂杆的相连，下层的所述轻质悬挂杆两端分别通过所述绳索与所述配重和结构的卸载点相连。

优选的，所述轻质悬挂杆的杆长设计原则为在满足卸载点运动范围的要求的基础上能尽量的短以避免运动过程中干涉的问题产生，根据运动范围的设计基准，单双层悬挂杆长设计分别为：L₁≥D₁/2；

其中D₁、D₂分别为单双层卸载装置的卸载点的展开初始态与展开末态之间的直线距离，L₁、

为沿所述轻质悬挂杆从防倾倒凸台中心至非配重端的长度。

优选的，单双层配重杆长设计分别为：L₂≤L₁；

以满足它们运动的空间包络线互不干涉，L₂、

为沿所述轻质悬挂杆从防倾倒凸台中心至配重端的长度。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明采用气浮导轨与杆系配重卸载组合的方式对大位移三维可展结构进行重力卸载，可展结构的每一个局部部件均可通过杆系卸载装置进行有效卸载；本卸载系统纵向运动通过气浮导轨实现，横向运动通过杆系卸载装置的转动来实现，因此消除了摩擦力对可展结构的展开运动带来的影响；还可以通过设计杆系卸载装置以满足可展开结构局部有效的卸载且杆系卸载装置可满足可展开结构的三维复杂的运动轨迹，各卸载点的卸载装置可设计成独立的形式完成各自单独卸载以避免相互之间的干扰。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

图1(a)为本发明的一种用于大位移三维展开结构的零重力无摩擦展开装置收拢态示意图；

图1(b)为本发明的一种用于大位移三维展开结构的零重力无摩擦展开装置展开态示意图；

图2本发明实施例的用于横向短距离运动卸载单层吊挂装置；

图3本发明实施例的用于横向长距离运动卸载双层吊挂装置

图中标记：1-气浮导轨；2-气浮导轨悬挂固定杆；3-随动滑块装置；4-抑制杆系运动卷帘；5-杆系卸载装置吊挂板；6-轻质悬挂杆；7-绳索；8-防倾倒凸台；9-轻质软弹簧；10-配重；

L₁、

为沿所述轻质悬挂杆从防倾倒凸台中心至非配重端的长度；L₂、

为沿所述轻质悬挂杆从防倾倒凸台中心至配重端的长度。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应该理解，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限定本发明的保护范围。在实际应用中本领域技术人员根据本发明做出的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

为了更好的说明本发明，下方结合附图对本发明进行详细的描述。

一种用于大位移三维展开结构的零重力无摩擦展开装置，参见图1(a)、图1(b)、结合图2，包括气浮导轨1、气浮导轨悬挂固定杆2、随动滑块装置3、杆系卸载装置吊挂板5以及杆系卸载装置，两根所述纵向气浮导轨1由所述气浮导轨悬挂固定杆2固定于天花板或具有较高稳定性的框架上，两根所述气浮导轨上对称分布若干个所述随动滑块装置3，每两相对应的所述随动滑块装置3下方固结一块狭长的所述杆系卸载装置吊挂板5；所述杆系卸载装置上方固定于所述杆系卸载装置吊挂板5上，所述杆系卸载装置由轻质悬挂杆6、绳索7以及配重10组成，所述轻质悬挂杆6通过所述绳索7与所述杆系卸载装置吊挂板5相连，所述轻质悬挂杆6两端分别通过所述绳索7与所述配重10和结构的卸载点相连；

气浮导轨与随动滑块装置实现展开结构的纵向大位移长距离的展开卸载，杆系卸载装置实现展开结构的横向面内上下起伏以及纵向的小幅运动。

进一步的，还包括抑制杆系运动卷帘4，所述杆系卸载装置吊挂板5一侧固定所述抑制杆系运动卷帘4，在收拢及纵向展开过程中抑制杆系运动卷帘4处于释放状态以控制杆系卸载装置不会出现较大的晃动，当纵向展开结束准备横向展开阶段，收起抑制杆系运动卷帘4以实现卸载点的横向运动。

进一步的，所述绳索7与所述轻质悬挂杆6的连接处设置有防倾倒凸台，此处所述绳索7与所述轻质悬挂杆6的连接处指的是所述轻质悬挂杆6与所述吊挂板5之间的所述绳索7与所述轻质悬挂杆6的连接处，或指下层的所述轻质悬挂杆6与其上层的所述轻质悬挂杆6之间的所述绳索7与该下层的所述轻质悬挂杆6的连接处。

进一步的，用于所述轻质悬挂杆6与卸载点之间连接的所述绳索7的中部设置有一轻质软弹簧。

进一步的，所述杆系卸载装置根据卸载目标的复杂情况设计成单层或双层卸载方式，所述杆系卸载装置为横向短距离运动卸载单层吊挂装置或横向长距离运动卸载双层吊挂装置；

当所述杆系卸载装置为横向短距离运动卸载单层吊挂装置时，所述轻质悬挂杆6一端通过所述绳索7与所述配重10相连，所述轻质悬挂杆6另一端通过所述绳索7和结构的卸载点相连；

当所述杆系卸载装置为横向长距离运动卸载双层吊挂装置时，上层的所述轻质悬挂杆6两端分别通过所述绳索7与所述配重10和下层的所述轻质悬挂杆6的相连，下层的所述轻质悬挂杆6两端分别通过所述绳索7与所述配重10和结构的卸载点相连。

进一步的，所述轻质悬挂杆6的杆长设计原则为在满足卸载点运动范围的要求的基础上能尽量的短以避免运动过程中干涉的问题产生，根据运动范围的设计基准，单双层悬挂杆长设计分别为：L₁≥D₁/2；

其中D₁、D₂分别为单双层卸载装置的卸载点的展开初始态与展开末态之间的直线距离，L₁、

为沿所述轻质悬挂杆从防倾倒凸台中心至非配重端的长度。

进一步的，单双层配重杆长设计分别为：L₂≤L₁；

以满足它们运动的空间包络线互不干涉，L₂、

为沿所述轻质悬挂杆从防倾倒凸台中心至配重端的长度。

下面结合具体实施例进一步阐释本发明。

实施例

一种用于大位移三维展开结构的地面零重力无摩擦试验卸载装置。该装置包括：气浮导轨1、气浮导轨悬挂固定杆2、随动滑块装置3、抑制杆系运动卷帘4、杆系卸载装置吊挂板5以及横向短距离运动卸载单层吊挂装置和横向长距离运动卸载双层吊挂装置。杆系卸载装置由轻质悬挂杆6、绳索7、防倾倒凸台8、轻质软弹簧9以及配重10组成。

两根纵向气浮导轨1由气浮导轨悬挂固定杆2固定于天花板或具有较高稳定性的框架上，两根导轨上对称分布随动滑块装置3，每两相对应的随动滑块装置3下方固结一块狭长的杆系卸载装置吊挂板5，杆系卸载装置上方固定于杆系卸载装置吊挂板5上。杆系卸载装置吊挂板5一侧固定一抑制杆系运动卷帘4，在收拢及纵向展开过程中抑制杆系运动卷帘4处于释放状态以控制杆系卸载装置不会出现较大的晃动，当纵向展开结束准备横向展开阶段，收起抑制杆系运动卷帘4以实现卸载点的横向运动。气浮导轨1与随动滑块装置3实现展开结构的纵向大位移长距离的展开卸载，杆系卸载装置实现展开结构的横向面内上下起伏以及纵向的小幅运动。杆系卸载装置根据卸载目标的复杂情况可设计成单层或双层卸载方式，如：实现小幅度横向运动的单层杆系卸载装置和实现大幅度横向运动双层杆系卸载装置。

由轻质悬挂杆6、绳索7和配重10组成单层杆系卸载装置的主体部分，轻质悬挂杆6通过绳索7与杆系卸载装置吊挂板5相连，轻质悬挂杆6两端分别通过绳索7与配重10和结构的卸载点相连，与卸载点相连的绳索中间增加一个轻质软弹簧9。双层杆系卸载装置与单层杆系卸载装置类似，在一层的基础上再续加一根轻质悬挂杆6与相应的配重10等构成双层杆系卸载装置。单层杆系卸载装置通过轻质悬挂杆绕悬挂点的转动实现卸载点的运动，而双层杆系卸载装置通过两根轻质悬挂杆绕各自悬挂点的转动共同实现卸载点的运动。防倾倒凸台8使得绳索7在凸台口的位置产生一个横向张力，使得轻质悬挂杆不会产生过大的倾斜。轻质软弹簧9能够平缓地传递卸载点与轻质悬挂杆一端的悬挂点间的上下浮动以控制系统的协调性与稳定性。

本发明的一种用于大位移三维展开结构的零重力无摩擦展开装置示意图如图1所示，气浮导轨随动滑块上固定的吊挂板下挂一系列的杆系配重组合装置，每个杆系配重组合装置单独卸载一个部件。

首先，通过重力场中静力计算获取可展开结构卸载点需要卸载的重力值。

其次，根据卸载点需要卸载的重力值和运动范围设计杆系配重组合装置；具体计算如下：

如图2所示为单层杆系配重组合装置，在忽略绳索及轻质软弹簧重量的前提下，配重的重量根据杠杆平衡原理设计为：

其中G_d是卸载重量，L₁、L₂分别为杆防倾倒凸台中心至卸载端和配重端的长度，ρ为杆的线密度；

或者，如图3所示为双层杆系配重组合装置，第一层配重根据杠杆平衡原理设计为：

其中G_s是卸载重量，

分别为该层杆凸台中心至两端的长度，同理第二层的配重设计为：

其中

分别为该层杆凸台中心至两端的长度；

上述杆长设计原则为在满足卸载点运动范围的要求基础上能尽量的短以避免运动过程中干涉的问题产生；根据运动范围的设计基准，单双层悬挂杆长设计分别为：L₁≥D₁/2；

其中D₁、D₂分别为单双层卸载装置的卸载点的展开初始态与末态之间的直线距离；同时，单双层悬挂杆长设计分别为：L₂≤L₁；

以满足它们运动的空间包络线互不干涉；

设计好的杆系配重组合装置悬挂于卸载装置吊挂板上，通过计算每一个卸载装置吊挂板所吊挂的总重量，设计气浮随动滑块的浮力，每个气浮随动滑块的浮力设计为：

其中G_h为随动滑块重量，G_b为吊挂板和抑制杆系运动卷帘的重量。

最后，卸载运动的实施分为两个阶段：第一阶段为纵向展开运动，在该运动期间抑制杆系运动卷帘处于释放状态以抑制纵向运动过程中杆系的运动，从而消除杆系的晃动对纵向展开的影响；第二阶段为横向展开运动，在该运动期间收起抑制杆系运动卷帘通过杆系的联合转动以实现横向卸载展开。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (6)

1.一种用于大位移三维展开结构的零重力无摩擦展开装置，其特征在于，包括气浮导轨、气浮导轨悬挂固定杆、随动滑块装置、杆系卸载装置吊挂板以及杆系卸载装置，两根纵向气浮导轨由所述气浮导轨悬挂固定杆固定于天花板或具有较高稳定性的框架上，两根所述气浮导轨上对称分布若干个所述随动滑块装置，每两相对应的所述随动滑块装置下方固结一块狭长的所述杆系卸载装置吊挂板；所述杆系卸载装置上方固定于所述杆系卸载装置吊挂板上，所述杆系卸载装置由轻质悬挂杆、绳索以及配重组成，所述轻质悬挂杆通过所述绳索与所述杆系卸载装置吊挂板相连，所述轻质悬挂杆两端分别通过所述绳索与所述配重和结构的卸载点相连；

气浮导轨与随动滑块装置实现展开结构的纵向大位移长距离的展开卸载，杆系卸载装置实现展开结构的横向面内上下起伏以及纵向的小幅运动；还包括抑制杆系运动卷帘，所述杆系卸载装置吊挂板一侧固定所述抑制杆系运动卷帘，在收拢及纵向展开过程中抑制杆系运动卷帘处于释放状态以控制杆系卸载系统不会出现较大的晃动，当纵向展开结束准备横向展开阶段，收起抑制杆系运动卷帘以实现卸载点的横向运动。

2.根据权利要求1所述的用于大位移三维展开结构的零重力无摩擦展开装置，其特征在于，所述绳索与所述轻质悬挂杆的连接处设置有防倾倒凸台。

3.根据权利要求1所述的用于大位移三维展开结构的零重力无摩擦展开装置，其特征在于，用于所述轻质悬挂杆与卸载点之间连接的所述绳索的中部设置有一轻质软弹簧。

4.根据权利要求1-3任一权利要求所述的用于大位移三维展开结构的零重力无摩擦展开装置，其特征在于，所述杆系卸载装置根据卸载目标的复杂情况设计成单层或双层卸载方式，所述杆系卸载装置为横向短距离运动卸载单层吊挂装置或横向长距离运动卸载双层吊挂装置；

当所述杆系卸载装置为横向短距离运动卸载单层吊挂装置时，所述轻质悬挂杆一端通过所述绳索与所述配重相连，所述轻质悬挂杆另一端通过所述绳索和结构的卸载点相连；

当所述杆系卸载装置为横向长距离运动卸载双层吊挂装置时，上层的所述轻质悬挂杆两端分别通过所述绳索与所述配重和下层的所述轻质悬挂杆的相连，下层的所述轻质悬挂杆两端分别通过所述绳索与所述配重和结构的卸载点相连。

5.根据权利要求4所述的用于大位移三维展开结构的零重力无摩擦展开装置，其特征在于，单双层悬挂杆长设计分别为：L₁≥D₁/2；

其中D₁、D₂分别为单双层卸载装置的卸载点的展开初始态与展开末态之间的直线距离，L₁、

为沿所述轻质悬挂杆从防倾倒凸台中心至非配重端的长度。

6.根据权利要求5所述的用于大位移三维展开结构的零重力无摩擦展开装置，其特征在于，单双层配重杆长设计分别为：L₂≤L₁；

以满足它们运动的空间包络线互不干涉，L₂、

为沿所述轻质悬挂杆从防倾倒凸台中心至配重端的长度。

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