CN109625344A - 柔性伸展臂一体化展开微重力补偿控制系统 - Google Patents

柔性伸展臂一体化展开微重力补偿控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种柔性伸展臂一体化展开微重力补偿控制系统，包括：伸展臂支撑桁架装置；安装于所述支撑桁架上层的卸载装置，包括导轨、转接横杆和调节器；安装于所述吊挂装置下方能够实现各卸载点重力补偿的主动吊挂重力补偿系统；能够推动柔性伸展臂一体化展开的模拟运动装置；能够实现航天器本体重力卸载的随动装置；能够监控上述伸展臂一体化展开的控制系统。本发明将多点主动吊挂卸载、多参数数据采集与航天器本体随动卸载相结合，实现对柔性伸展臂一体化展开过程中的运动跟踪和微重力补偿，能够满足各卸载点恒力大范围运动主动跟踪，并保证重力补偿的精度、展开的直线度。

Description

柔性伸展臂一体化展开微重力补偿控制系统
技术领域
本发明涉及宇航条件下的模拟试验与测试技术领域，具体地，涉及柔性伸展臂一体化展开微重力补偿控制系统。尤其是涉及一种柔性伸展臂一体化展开微重力补偿控制系统。
背景技术
随着载人航天、深空探测、大型太空望远镜、高分辨率对地观测及空间大型光电转换收集等任务的推进和实施，空间可展开机构正向大型化、轻量化、高收纳比、高精度、高可靠性方向发展，其种类不断增多，构型日趋复杂、功能不断增强。空间伸展臂作为空间可展机构的一个重要研究方向，具有刚度高、质量轻、折叠体积小、重复展开精度高等特点，在空间展开机构领域扮演着越来越重要的角色。目前，国内外正积极开展空间可展机构的研究，但研究成果主要集中在空间可展机构的构型设计及性能优化等方面，对大尺寸空间可展机构地面测试的理论及方法研究较少，缺乏对地面展开零重力模拟控制方面的研究，制约了大尺寸空间可展机构的应用。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种柔性伸展臂一体化展开微重力补偿控制系统。
根据本发明提供的一种柔性伸展臂一体化展开微重力补偿控制系统，包括：
伸展臂支撑桁架装置11；
安装于卸载装置15下方能够实现各卸载点重力补偿的主动吊挂重力补偿系统12；能够监控伸展臂一体化展开的控制系统13；
能够推动柔性伸展臂17一体化展开的模拟运动装置14；
安装于伸展臂支撑桁架装置11上层的卸载装置15；
能够实现航天器本体重力卸载的随动装置16；
接受主动吊挂重力补偿系统12提供的拉力的柔性伸展臂17；
控制系统13对主动吊挂重力补偿系统12、模拟运动装置14、卸载装置15、随动装置16、柔性伸展臂17进行控制。
优选地，所述的伸展臂支撑桁架装置11，包括相互连接的上部凸型桁架111、下部门型桁架112。
优选地，主动吊挂重力补偿系统12，包括主动吊挂装置121、伺服电机驱动器122和传感器数据采集模块123；其中，主动吊挂装置121能够提供柔性伸展臂17在展开过程的拉力；
主动吊挂装置121包括依次连接的主动吊挂用滑车1211、拉力传感器1212、支撑框架1213、电机1214、减速器1215、锥齿轮1216、卷筒1217、压紧棒1218、导向杆1219、钢丝绳12110、花篮螺栓12111。
优选地，能够监控伸展臂一体化展开的控制系统13通过线缆132，将控制柜131内的PLC/运动控制器与各卸载点主动吊挂重力补偿系统12、模拟运动装置14、卸载装置15、随动装置16、柔性伸展臂17连接起来；线缆132包括电源线、通信线和信号线。
优选地，能够推动柔性伸展臂17一体化展开的模拟运动装置14与柔性伸展臂17连接，在模拟运动装置14的驱动下推动柔性伸展臂17沿Y方向做匀速直线运动。
优选地，卸载装置15，包括转接横杆151、导轨152、调节器153，其中，转接横杆151上部与伸展臂支撑桁架装置11连接，下部与调节器153连接，转接横杆151上安装导轨152；导轨152与Z方向平行，能够在一体化展开过程中提供各点吊挂装置沿Z方向的运动；调节器153连接转接横杆151与导轨152，实现Y方向的水平调节；其中，Y方向为水平方向。
优选地，随动装置16，提供航天器本体的支撑、重力平衡及运动跟随。
优选地，所述的柔性伸展臂17，主要由收纳框架和多节折展单元组成。
更为优选地，微重力补偿控制系统是柔性伸展臂地面一体化展开试验系统的重要组成部分。当柔性伸展臂水平展开到位后，需要在模拟运动装置的驱动下做一体化摆动展开，需要微重力补偿控制系统对伸展臂进行重力卸载和跟随，伸展臂上设置多个卸载点，当有吊点的负载力或位移需要调整时，通过PLC/运动控制器，驱动卸载装置上的伺服电机带动卷筒运动，并利用PC机进行上位机监控，从而实现微重力卸载。本发明能够完成对柔性伸展臂一体化展开的微重力补偿，保证补偿的精度、展开的直线度，实现在地面环境下模拟柔性伸展臂在空间微重力环境下的运动情况，验证其在空间微重力环境下的工作性能。
控制系统，能够跟踪柔性伸展臂的运动，监控柔性伸展臂的一体化展开过程中各卸载点力、位移等参数，并保证重力补偿的精度、展开的直线度。
上部凸型桁架、下部门型桁架两部分，采用模块化设计，主要分为10m桁架单元和2m标准节单元两类模块，且模块间可相互自由组合。
主动重力补偿装置连接绳索收放装置并控制后者上下收放，实现恒力控制。
所述主动吊挂装置的吊挂点穿过本区间段伸展臂的重心，从而保证该吊挂装置不会相对于所述伸展臂发生X、Z方向的位移。
控制系统，包括：上位机软件子系统、下位机电控子系统。所述控制系统通过电源线、通信线和信号线，将控制柜内的PLC/运动控制器与各卸载点主动吊挂重力补偿系统、模拟运动装置、卸载装置、随动装置、柔性伸展臂连接起来。根据各吊挂点布局情况，以伸展臂一体化展开建立解算模型，以伸展臂与模拟运动装置连接点作为主轴，各吊挂点作为从轴，通过主轴带动从轴运动，按位置关系进行位移控制。
所述上位机软件子系统由PC机来实现，通过EtherNet/IP协议与主动吊挂重力补偿系统通信，并运行上位机软件，将反馈的各吊点电机位移、速度、转矩、状态等运转参数和传感器数据采集模块的数采值在PC机显示器上进行实时数据、曲线显示，历史数据查询，对电机的故障进行自动化检测、诊断和报警。通过该一体化地面测控系统，实现对卫星展开机构地面展开试验的自动测试与控制。
下位电控子系统由PLC/运动控制器实现，主要完成测量数据的采集、计算、主动吊挂重力补偿系统的运动控制等，接收上位机的控制命令，然后通过驱动器对各个电机分别进行转速、转向、转动角度、加减速控制等，同时还能通过编码器和电流采集来实时测量驱动电机的运转参数，并将参数反馈给上位机进行监测。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
柔性伸展臂地面一体化展开试验，需要克服各卸载装置引入的摩擦力、惯性力、卸载位置和力偏差，分析多个卸载点之间存在运动牵连和耦合，实现卸载点的高精度重力补偿，补偿精度的高低将直接影响航天器在轨运行的成败，对大尺寸空间可展机构在航天领域的应用具有重要意义。本发明将多点主动吊挂卸载、多参数数据采集与航天器本体随动卸载相结合，实现对柔性伸展臂一体化展开过程中的运动跟踪和微重力补偿，能够满足各卸载点恒力大范围运动主动跟踪，并保证重力补偿的精度、展开的直线度。本发明应能够航天卫星领域的柔性伸展臂的一体化展开试验，能够为柔性伸展臂一体化展开微重力模拟提供了一套可行的试验方法，后续也可应能够深空探测、大型太空望远镜、高分辨率对地观测等相关领域，具有很高实用性和可扩展性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的系统示意图；
图2为本发明中的伸展臂支撑桁架装置示意图；
图3为本发明中的支撑桁架上层卸载装置示意图；
图4为本发明中的主动吊挂重力补偿系统吊挂装置示意图。
图中示出：
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
为了适应空间可展机构的发展，满足柔性伸展臂地面一体化展开试验需求，本发明提供了一种柔性伸展臂一体化展开微重力补偿控制系统，能够为柔性伸展臂一体化展开微重力模拟提供了一套可行的试验方法，并保证试验过程中重力补偿的精度、展开的直线度。
本发明提供的一种柔性伸展臂一体化展开微重力补偿控制系统，包括：伸展臂支撑桁架装置11；安装于所述伸展臂支撑桁架装置11上层的卸载装置15，卸载装置15包括导轨152、转接横杆151和调节器153；能够实现各卸载点重力补偿的主动吊挂重力补偿系统12；能够推动柔性伸展臂17一体化展开的模拟运动装置；能够实现航天器本体重力卸载的随动装置16；能够监控上述伸展臂一体化展开的控制系统。本发明将多点主动吊挂卸载、多参数数据采集与航天器本体随动卸载相结合，实现对柔性伸展臂一体化展开过程中的运动跟踪和微重力补偿，能够满足各卸载点恒力大范围运动主动跟踪，并保证重力补偿的精度、展开的直线度。
如图1所示，本发明提供的柔性伸展臂一体化展开微重力补偿控制系统，包括：能够支撑伸展臂的伸展臂支撑桁架装置11，安装于卸载装置下方能够实现各卸载点重力补偿的主动吊挂重力补偿系统12(主动吊挂重力补偿系统12包括主动吊挂装置121、伺服电机驱动器122和传感器数据采集模块123)，能够监控伸展臂一体化展开的控制系统13，能够推动柔性伸展臂一体化展开的模拟运动装置14，安装于伸展臂支撑桁架装置11上层的卸载装置15，能够实现航天器本体重力卸载的随动装置16，柔性伸展臂17。
所述伺服电机驱动器122和传感器数据采集模块122，分散布置于伸展臂支撑桁架装置11上，每个主动吊挂装置对应1台伺服电机驱动器，每4个传感器对应1台传感器数据采集模块，通过EtherNet/IP总线与控制柜内的PLC/运动控制器通信，通过控制柜内的220V和24V电源母线给伺服电机驱动器和传感器数据采集模块供电。
如图2所示，伸展臂支撑桁架装置11，包括上部凸型桁架111、下部门型桁架112两部分112，采用模块化设计，主要分为10m桁架单元和2m标准节单元两类模块，且模块间可相互自由组合，桁架装置外形尺寸38m(L)×15m(W)×13m(H)。
如图3所示，支撑桁架上层卸载装置15，包括转接横杆151、导轨152、调节器153，其中，转接横杆151上部与伸展臂支撑桁架装置11连接，下部与调节器153连接，能够安装导轨152，转接横杆15每1m均布一个，共40套；导轨152与Z方向平行，由3组长40m直线度优于1mm导轨组成，每组由10根4米导轨拼接而成，能够实现一体化展开过程中各点吊挂装置沿Z方向的运动；调节器153能够连接转接横杆151与导轨152，实现导轨Y方向的水平调节，可调范围为120mm-160mm。
如图4所示，主动吊挂重力补偿系统12的吊挂装置121，能够提供伸展臂在展开过程的拉力，主要包括主动吊挂用滑车1211、拉力传感器1212、支撑框架1213、电机1214、减速器1215、锥齿轮1216、卷筒1217、压紧棒1218、导向杆1219、钢丝绳12110、花篮螺栓12111等部组件。
下面以一实例来说明该系统的工作原理：
当模拟运动装置14推动柔性伸展臂17沿一水平Y方向一体化展开时，安装于卸载装置15下方的主动吊挂装置121，在伺服电机驱动器122的驱动下也跟随运动，此时通过传感器数据采集模块123采集的各吊挂点传感器1212拉力值，以及对应的位移值都将发生改变，将采集值上传到控制系统13。控制系统13根据各吊挂点布局情况，以伸展臂一体化展开建立解算模型，以柔性伸展臂17与模拟运动装置14连接点作为主轴，各吊装置与伸展臂的连接点作为从轴，通过控制柜131内PLC/多轴运动控制器使主轴带动从轴运动，按一定位置关系进行位移控制，实现钢丝绳12110的收放，并实时监测各吊挂点的拉力传感器1212拉力值的变化，从而实现柔性伸展臂17一体化展开的运动跟随和重力补偿。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种柔性伸展臂一体化展开微重力补偿控制系统，其特征在于，包括：
伸展臂支撑桁架装置(11)；
安装于卸载装置(15)下方能够实现各卸载点重力补偿的主动吊挂重力补偿系统(12)；能够监控伸展臂一体化展开的控制系统(13)；
能够推动柔性伸展臂(17)一体化展开的模拟运动装置(14)；
安装于伸展臂支撑桁架装置(11)上层的卸载装置(15)；
能够实现航天器本体重力卸载的随动装置(16)；
接受主动吊挂重力补偿系统(12)提供的拉力的柔性伸展臂(17)；
控制系统(13)对主动吊挂重力补偿系统(12)、模拟运动装置(14)、卸载装置(15)、随动装置(16)、柔性伸展臂(17)进行控制。
2.根据权利要求1所述的柔性伸展臂一体化展开微重力补偿控制系统，其特征在于，所述的伸展臂支撑桁架装置(11)，包括相互连接的上部凸型桁架(111)、下部门型桁架(112)。
3.根据权利要求1所述的柔性伸展臂一体化展开微重力补偿控制系统，其特征在于，主动吊挂重力补偿系统(12)，包括主动吊挂装置(121)、伺服电机驱动器(122)和传感器数据采集模块(123)；其中，主动吊挂装置(121)能够提供柔性伸展臂(17)在展开过程的拉力；
主动吊挂装置(121)包括依次连接的主动吊挂用滑车(1211)、拉力传感器(1212)、支撑框架(1213)、电机(1214)、减速器(1215)、锥齿轮(1216)、卷筒(1217)、压紧棒(1218)、导向杆(1219)、钢丝绳(12110)、花篮螺栓(12111)。
4.根据权利要求1所述的柔性伸展臂一体化展开微重力补偿控制系统，其特征在于，能够监控伸展臂一体化展开的控制系统(13)通过线缆(132)，将控制柜(131)内的PLC/运动控制器与各卸载点主动吊挂重力补偿系统(12)、模拟运动装置(14)、卸载装置(15)、随动装置(16)、柔性伸展臂(17)连接起来；线缆(132)包括电源线、通信线和信号线。
5.根据权利要求1所述的柔性伸展臂一体化展开微重力补偿控制系统，其特征在于，能够推动柔性伸展臂(17)一体化展开的模拟运动装置(14)与柔性伸展臂(17)连接，在模拟运动装置(14)的驱动下推动柔性伸展臂(17)沿Y方向做匀速直线运动。
6.根据权利要求1所述的柔性伸展臂一体化展开微重力补偿控制系统，其特征在于，卸载装置(15)，包括转接横杆(151)、导轨(152)、调节器(153)，其中，转接横杆(151)上部与伸展臂支撑桁架装置(11)连接，下部与调节器(153)连接，转接横杆(151)上安装导轨(152)；导轨(152)与Z方向平行，能够在一体化展开过程中提供各点吊挂装置沿Z方向的运动；调节器(153)连接转接横杆(151)与导轨(152)，实现Y方向的水平调节；其中，Y方向为水平方向。
7.根据权利要求1所述的柔性伸展臂一体化展开微重力补偿控制系统，其特征在于，随动装置(16)，提供航天器本体的支撑、重力平衡及运动跟随。
8.根据权利要求1所述的柔性伸展臂一体化展开微重力补偿控制系统，其特征在于，所述的柔性伸展臂(17)，主要由收纳框架和多节折展单元组成。
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