CN110116824B - 一种刚柔约束转换装置及微重力翻滚状态模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种刚柔约束转换装置及微重力翻滚状态模拟系统，涉及在轨服务与维护技术领域，所述刚柔约束转换装置包括：驱动单元、被动驱动单元和柔性悬吊单元；所述被动驱动单元直接或间接的与所述柔性悬吊单元连接，所述被动驱动单元适于选择性的与所述驱动单元连接；所述柔性悬吊单元在所述被动驱动单元与所述驱动单元连接时处于刚性约束状态；所述柔性悬吊单元在所述被动驱动单元与所述驱动单元脱离时处于柔性约束状态，此时所述柔性悬吊单元通过钢丝绳进行悬吊。本发明所述的刚柔约束转换装置在悬吊目标达到指定转速前为刚性约束，达到指定转速后，刚性约束脱开，仅由钢丝绳承受重力，模拟微重力状态。

Description

一种刚柔约束转换装置及微重力翻滚状态模拟系统

技术领域

本发明涉及在轨服务与维护技术领域，特别涉及一种刚柔约束转换装置及微重力翻滚状态模拟系统。

背景技术

地球静止轨道(GEO)是人类重要的地球轨道资源，在轨资源受轨位限制，极为紧缺。然而随着航天任务的飞速发展，GEO带(GEO±200km)已经堆积了许多不可控的或废弃的卫星，这些卫星导致GEO轨位资源严重浪费。针对在轨失效卫星，在姿态特性方面，由于星体太阳翼和推进剂晃动等能量耗散作用，最终会呈现出翻滚姿态，对其进行在轨捕获是一大难点。为解决这一难点，亟待开展在轨服务与维护相关关键技术攻关；而相关关键技术攻关过程中，由于限于科研成本以及环保等问题，不能直接在太空中进行关键技术验证，通常在工程应用之前，需要先在地面开展大量的验证试验。因此在关键技术在轨验证及应用之前，急需提供一种能够对在轨失效卫星在太空工作环境及目标的真实在轨状态进行模拟的系统，然而，为实现上述目的，首先需要满足地面对悬吊目标自旋状态的模拟，因此，需要提供一种装置能够在悬吊目标旋转后，由旋转状态切换为模拟翻滚的状态，并且在模拟翻滚状态下，仍然能够对悬吊目标进行保护性约束。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种手自动一体化起旋装置，以实现空间微重力状态下，对目标进行翻滚姿态的地面模拟。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种刚柔约束转换装置，其适于对悬吊目标进行刚性约束或柔性约束，所述刚柔约束转换装置包括：驱动单元、被动驱动单元和柔性悬吊单元；

所述被动驱动单元直接或间接的与所述柔性悬吊单元连接，所述被动驱动单元适于选择性的与所述驱动单元连接；

所述柔性悬吊单元在所述被动驱动单元与所述驱动单元连接时处于刚性约束状态；

所述柔性悬吊单元在所述被动驱动单元与所述驱动单元脱离时处于柔性约束状态，此时所述柔性悬吊单元通过柔性组件进行悬吊。

可选的，所述驱动单元包括摩擦件，所述被动驱动单元包括锥形旋转轴，所述锥形旋转轴与所述摩擦件同轴设置；在起旋状态下，所述锥形旋转轴的第二摩擦面与所述摩擦件的第一摩擦面相贴合，所述摩擦件利用摩擦力带动所述锥形旋转轴同轴转动。

可选的，所述刚柔约束转换装置还包括一升降部；所述升降部在手动制动组件和或/制动电机提供的制动驱动力带动下，控制所述摩擦件与所述锥形旋转轴脱离或结合。

可选的，所述升降部包括：双向丝杠，所述双向丝杠绕自身轴线转动；正向丝杠螺母座，套设于所述双向丝杠上半部分，并在所述双向丝杠的带动下，沿升降滑轨滑动，并带动轴承座升降杆运动。

可选的，所述刚柔约束转换装置还包括套筒轴承座，所述轴承座升降杆通过轴承座升降杆法兰与所述套筒轴承座固定连接，所述套筒轴承座在所述轴承座升降杆带动下同步运动。

可选的，所述套筒轴承座套设于伸缩套筒外部，并通过轴承与所述伸缩套筒转动连接，且所述套筒轴承座与所述伸缩套筒同轴设置，同时，所述套筒轴承座能够带动所述伸缩套筒沿轴线方向上下运动，进而带动所述摩擦件沿轴线方向上下运动。

可选的，所述刚柔约束转换装置还包括至少一轴承座导向杆，所述轴承座导向杆一端与所述套筒轴承座固定连接，在所述套筒轴承座运动时，所述轴承座升降杆为所述套筒轴承座提供驱动力，所述轴承座导向杆为所述套筒轴承座进行导向。

可选的，所述柔性组件包括：钢丝绳，所述钢丝绳下端与钢丝绳套筒一端固定连接，所述钢丝绳套筒另一端与拉力传感器连接，所述拉力传感器通过球螺母与圆螺母座固定连接，所述圆螺母座固定连接于钢丝绳板上，所述钢丝绳板用于直接或间接悬吊所述悬吊目标。

可选的，所述刚柔约束转换装置还包括：导向件，所述导向件套设于所述摩擦件内部，所述导向件能够在柔性约束状态下，对所述锥形旋转轴进行偏摆幅度的限位；限位锥形块，所述限位锥形块设置于导向件远离所述摩擦件的一端端部，所述限位锥形块沿径向方向尺寸大于所述锥形旋转轴的最小内径。

相对于现有技术，本发明所述的刚柔约束转换装置具有以下优势：

本发明提供的刚柔约束转换装置在悬吊目标达到指定转速前为刚性约束，达到指定转速后，刚性约束脱开，仅由钢丝绳承受重力，模拟微重力状态；任意切换对悬吊目标的刚性约束和柔性约束状态，从而实现对在轨故障卫星某一种可能存在的姿态翻滚状态的地面模拟。

本发明的另一目的在于提出一种微重力翻滚状态模拟系统，所述包括如上述所述刚柔约束转换装置。

所述微重力翻滚状态模拟系统与上述刚柔约束转换装置相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明微重力翻滚状态模拟系统整体结构示意图；

图2为本发明悬吊起旋机构立体图一；

图3的本发明悬吊起旋机构立体图二；

图4为本发明手摇齿轮箱结构示意图；

图5为本发明起旋组件立体图；

图6为本发明起旋组件截面图；

图7为本发明悬吊起旋机构局部结构立体图；

图8为本发明升降单元立体图；

图9为图7中A处放大图；

图10为图7中B处放大图；

图11为本发明制动盘与套筒轴承座结构示意图；

图12为本发明悬吊起旋机构截面图一；

图13为图12中C处放大图；

图14为本发明摩擦件与锥形旋转轴结构示意图；

图15为本发明柔性悬吊单元示意图；

图16为本发明钢丝绳组件截面图；

图17为本发明制动盘非制动状态示意图；

图18为本发明制动盘制动状态示意图；

图19为本发明角度和偏心调整装置立体图；

图20为本发明角度和偏心调整装置角度调整示意图一；

图21为本发明角度和偏心调整装置角度调整示意图二。

附图标记说明：

11-桁架，12-电气箱，13-桁架连接板，9-悬吊目标；

2-手动组件；21-手摇齿轮箱，22-起旋齿轮箱，23-制动齿轮箱，24-制动第一万向联轴器，25-起旋第一万向联轴器，26-制动第二万向联轴器，27-起旋第二万向联轴器；211-第一手轮，212-第二手轮，213-第一锥齿，214-第二锥齿，215-第三锥齿，216-第四锥齿，221-第五锥齿，222-第六锥齿，421-第七锥齿，422-第八锥齿；

3-欠驱动装置；31-制动电机，32-制动传动部，33-升降部，35-锥形旋转轴；331-升降底座，332-升降滑轨，333-双向丝杠，334-正向丝杠螺母座，335-反向丝杠螺母座，336-轴承座升降杆，337-制动盘升降杆，338-丝杠固定座；341-安装板，342-制动盘，3421-制动器，343-套筒轴承座，344-制动盘导向杆，345-轴承座导向杆，346-直线轴承，347-导向件，348-限位锥形块，351-第一摩擦面，352-压紧部，353-第三轴承；

4-电动起旋组件；41-起旋电机，42-起旋传动部，43-起旋转动部，44-起旋伸缩部，45-摩擦件；411-联轴器，423-齿轮驱动轴，424-第一超越离合器，425-第二超越离合器，431-起旋轴承座，432-上部套筒，433-第一轴承，434-第二轴承，441-伸缩套筒，442-连接键，451-第一摩擦面；

5-角度和偏心调整装置；51-第一目标转接板，52-第二目标转接板，53-手摇部，54-丝杠部，55-连杆部；531-手轮，532-固定盘；541-丝杠，542-丝杠螺母座，543-丝杠支撑端，544-丝杠固定端，545-导轨，546-滑块；551-销轴，552-连杆，553-转接件，554-三角板，555-销轴锁紧件；

6-柔性悬吊单元，611-钢丝绳，612-钢丝绳焊接半球，613-钢丝绳上部固定件，614-钢丝绳套筒，615-拉力传感器，616-圆螺母座，617-球螺母；620-钢丝绳板，621-力传感器模块，631-光栅，632-光电传感器，633-测速模块。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。另外，在本申请的实施例中所提到的所有方向或位置关系(例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”)均为基于附图的位置关系，仅为了便于理解本申请和简化描述，而不是暗示所指的装置或元件必须具有的特定的方位，不能理解为对本申请的限制。

本发明旨在保护一种刚柔约束转换装置，所述刚柔约束转换装置作为悬吊起旋机构的组成部分，能够在悬吊目标达到指定转速前为刚性约束，达到指定转速后，刚性约束脱开，仅由钢丝绳承受重力，模拟微重力状态；为便于更清楚的对所述刚柔约束转换装置进行描述，且使本发明构成完整的技术方案，以下将对悬吊起旋机构整体技术方案进行描述，并在描述过程中，着重对所述刚柔约束转换装置的具体实现形式进行描述。

下面将参考附图并结合具体技术方案来详细说明本发明。

本发明提出的悬吊起旋机构，能够实现空间微重力状态下，对目标进行翻滚姿态的地面模拟，从而在地面试验的基础上，验证空间任务方案的合理性和技术可行性。

一种悬吊起旋机构，结合图1-图3所示，其包括：

手自动一体化起旋装置，其适于使悬吊目标9绕自旋轴产生自旋；

刚柔约束转换装置，其适于使悬吊机构与悬吊目标之间在刚性约束和柔性约束之间切换；

角度和偏心调整装置5，其适于对悬吊目标9的偏摆角度与偏心位置进行调整。

所述悬吊起旋机构通过桁架连接板13安装设置于桁架11上，并与电气箱12进行电连接，以实现对所述悬吊起旋机构的操作控制。

所述桁架连接板13通过四个双螺母安装于桁架11的支撑螺杆上，可利用螺母调节桁架连接板13至水平位置，从而调整整个机构的主体部分的安装水平度。

[手自动一体化起旋装置]

所述手自动一体化起旋装置，其适于使悬吊目标9绕自旋轴产生自旋；包括：用于提供起旋驱动力的手动起旋组件和/或起旋电机41；适于在所述起旋驱动力的带动下将转矩转变为绕自身轴线转动运动的起旋转动部43；直接或间接与所述起旋转动部43连接的摩擦件45。

作为具体的实现形式，结合图4-图6所示，所述手自动一体化起旋装置包括：手动起旋组件，电动起旋组件4；所述手自动一体化起旋装置采用手自动一体化起旋形式，能够在手动起旋与电动起旋两种驱动方式之间切换。

所述手动起旋组件具体包括：依次连接的手摇齿轮箱21、起旋第一万向联轴器25、起旋齿轮箱22、起旋第二万向联轴器27。

其中，作为本发明的具体实现形式，所述手摇齿轮箱21包括：第一手轮211、第一锥齿213、第二锥齿214；其中，第一手轮211、第一锥齿213、第二锥齿214依次连接，用于对起旋动作进行手动控制；所述起旋齿轮箱22包括啮合连接的第五锥齿221与第六锥齿222；

所述第二锥齿214与所述起旋第一万向联轴器25第一端固定连接，所述起旋第一万向联轴器25第二端与所述第五锥齿221固定连接，所述第六锥齿222与所述起旋第二万向联轴器27第一端固定连接。

所述第一锥齿213与所述第二锥齿214啮合将传动力进行第一次变向，所述第五锥齿221与所述第六锥齿222啮合将传动力进行第二次变向；从而将所述第一手轮211上作用的手摇力进行传递。

额外的，所述手摇齿轮箱21还包括：依次连接的第二手轮212、第三锥齿215、第四锥齿216，用于对制动动作进行手动控制；将用于起旋动作与制动动作的结构部件设置于同一个手摇齿轮箱21内，能够方便操作人员进行控制，在手动试验阶段，能够快速的在起旋与制动之间进行调节切换。较佳的，手动驱动方式主要由手动组件2进行操控，所述手动组件2进一步包括手动起旋组件与手动制动组件，将手动起旋组件与手动制动组件放置在一起，结构紧凑，便于操作人员控制。

所述手动起旋组件的具体工作形式描述如下：摇动第一手轮211，所述第一手轮211与第一锥齿213连接，传递转矩；所述第一锥齿213与第二锥齿214啮合，将传动力进行第一次变向；第二锥齿214通过所述起旋第一万向联轴器25与第五锥齿221相连，传递转矩；所述第五锥齿221与所述第六锥齿222啮合，将传动力进行第二次变向；所述第六锥齿222与所述起旋第二万向联轴器27第一端固定连接，继续通过所述起旋第二万向联轴器27将转矩进行传递。

所述电动起旋组件4包括：

起旋电机41，起旋传动部42，起旋转动部43，起旋伸缩部44，摩擦件45；

所述起旋电机41适于对所述电动起旋组件4的起旋传动部42提供电动驱动力；

所述起旋传动部42适于传递驱动力，具体的，所述起旋传动部42包括啮合连接的第七锥齿421与第八锥齿422；所述起旋第二万向联轴器27的第二端通过第一超越离合器424与所述第七锥齿421连接，进而在手动模式下，将所述起旋第二万向联轴器27的转矩传递给所述第七锥齿421；所述第七锥齿421与所述第八锥齿422啮合，将传动力进行第三次变向。

所述起旋传动部42还包括一联轴器411，所述联轴器411第一端与所述起旋电机41的输出轴连接，所述联轴器411第二端与齿轮驱动轴423连接，所述第八锥齿422套设在所述齿轮驱动轴423上，所述第八锥齿422与所述齿轮驱动轴423同步且同轴转动，所述齿轮驱动轴423通过第二超越离合器425与所述起旋转动部43连接，具体的，所述齿轮驱动轴423通过第二超越离合器425与所述起旋转动部43的上部套筒432连接。

所述手自动一体化起旋装置采用手自动一体化起旋形式，能够在手动起旋与电动起旋两种驱动方式之间切换。所述手动起旋组件适于将手摇齿轮箱21上作用的手摇力传递至起旋传动部42，同时，所述起旋电机41也适于将转矩传递至起旋传动部42。通过设置第一超越离合器424与第二超越离合器425，使手动起旋与电动起旋互不干涉；在手动起旋状态下，第一超越离合器424与所述起旋第二万向联轴器27联接，将转矩经由所述第七锥齿421与所述第八锥齿422传递给上部套筒432；在电动起旋状态下，第一超越离合器424与所述起旋第二万向联轴器27脱开，所述第七锥齿421空转，起旋电机41上的转矩经由联轴器411、齿轮驱动轴423传递至上部套筒432。

所述起旋转动部43适于在外部驱动力的带动下，将转矩转变为上部套筒432绕自身轴线的转动运动。所述起旋转动部43包括：上部套筒432，所述上部套筒432设置于起旋轴承座431内，且所述上部套筒432与所述起旋轴承座431之间设置有转动轴承，使所述上部套筒432能够在驱动力的带动下，在所述起旋轴承座431内转动；较佳的，作为具体的实现形式，所述转动轴承包括第一轴承433与第二轴承434，所述第一轴承433与第二轴承434分别设置于所述上部套筒432的两端，便于使所述上部套筒432平稳转动。

所述起旋伸缩部44包括伸缩套筒441，所述伸缩套筒441通过连接键442与所述上部套筒432滑动连接，所述伸缩套筒441与所述上部套筒432同轴设置，使所述伸缩套筒441能够与所述上部套筒432沿轴线方向相对滑动，同时，所述伸缩套筒441能够跟随所述上部套筒432同轴转动。

所述伸缩套筒441远离所述上部套筒432一端端部固定连接有所述摩擦件45，所述摩擦件45与所述伸缩套筒441同轴设置，同步转动，在所述伸缩套筒441带动下，所述摩擦件45的第一摩擦面451绕轴线转动，进而与后续部件产生相对转动的摩擦力。

所述手自动一体化起旋装置的具体工作形式描述如下：通过手动起旋组件或所述起旋电机41提供转矩，将转矩经由联轴器411、齿轮驱动轴423传递至上部套筒432；所述上部套筒432在所述起旋轴承座431内绕自身轴线转动，进而所述上部套筒432带动所述伸缩套筒441，所述伸缩套筒441进一步带动所述摩擦件45绕轴转动；同时，所述伸缩套筒441能够带动所述摩擦件45沿轴线方向伸缩。

本发明提供的所述悬吊起旋机构，同时具有手动与电机两种驱动方式，配置离合器，两种驱动方式互不干涉，一次装配完成后可在手动驱动与电机驱动间任意切换，不用重新更改硬件，不必重新调试。可根据试验需要、试验成熟度及试验安全性等自由选择驱动方式。

本发明提供的所述悬吊起旋机构，起旋转速可控，使用初期可采用手动驱动保证安全，确保无安全隐患后改为电机驱动，可自行控制转速与转矩，安全隐患小。

[刚柔约束转换装置]

结合图7-图14所示，所述刚柔约束转换装置适于使悬吊机构与悬吊目标之间在刚性约束和柔性约束之间切换；在起旋过程中，所述悬吊机构与悬吊目标之间为刚性约束约束，在所述悬吊目标处于稳定的翻滚状态后，所述刚柔约束转换装置使所述悬吊机构与悬吊目标之间转变为柔性约束。所述刚柔约束转换装置包括：驱动单元、被动驱动单元、欠驱动装置3和柔性悬吊单元6；所述被动驱动单元直接或间接的与所述柔性悬吊单元6连接，所述被动驱动单元适于选择性的与所述驱动单元连接；所述柔性悬吊单元6在所述被动驱动单元与所述驱动单元连接时处于刚性约束状态；所述柔性悬吊单元6在所述被动驱动单元与所述驱动单元脱离时处于柔性约束状态，此时所述柔性悬吊单元6通过柔性组件进行悬吊。作为本发明的具体实现形式，所述被动驱动单元适于在所述手自动一体化起旋装置的驱动下，进行被动动作，并将作用力传递给悬吊目标9；所述欠驱动装置3适于在悬吊目标9达到预定转速后，将手自动一体化起旋装置进行脱离，并适于对处于翻滚状态的悬吊目标9进行制动；所述柔性悬吊单元6适于对所述悬吊目标9进行柔性约束。

作为本发明的具体实现形式，所述驱动单元包括摩擦件45，作为一种复用的结构，所述驱动单元包括的摩擦件45与所述电动起旋组件4包括的摩擦件45为同一结构；所述被动驱动单元包括锥形旋转轴35，所述锥形旋转轴35与所述摩擦件45相对设置，较佳的，在本发明中，所述锥形旋转轴35与所述摩擦件45同轴设置；在起旋状态下，所述锥形旋转轴35的第二摩擦面351与所述摩擦件45的第一摩擦面451相贴合，所述摩擦件45利用摩擦力带动所述锥形旋转轴35，使所述锥形旋转轴35与所述摩擦件45同轴转动。

[欠驱动装置]

所述欠驱动装置3包括：安装板341，制动电机31，制动传动部32，升降部33；

所述安装板341与所述桁架连接板13固定连接；

所述制动传动部32用于传递所述制动电机31或手动制动组件所施加的转矩；所述手动制动组件适于将施加在第二手轮212上的转矩传递至所述制动传动部32上，用于对制动动作进行手动控制；所述手动制动组件包括依次连接的第二手轮212、第三锥齿215、第四锥齿216、制动第一万向联轴器24、制动齿轮箱23、制动第二万向联轴器26；所述手动制动组件与所述手动起旋组件结构形式相同，在此不再赘述。进一步的，所述制动传动部32与所述起旋传动部42结构形式相同，均采用手自动一体化制动形式，并通过超越离合器在手动制动与电动制动两种驱动方式之间切换，在此不再赘述；

所述升降部33包括：升降底座331，所述升降底座331与所述安装板341共同固定设置于所述桁架连接板13上；升降滑轨332，所述升降滑轨332固定设置于所述升降底座331上；双向丝杠333，所述双向丝杠一半为左旋、一半为右旋，所述双向丝杠333接受所述制动传动部32传递过来的扭矩绕自身轴线转动；丝杠固定座338，所述丝杠固定座338固定设置于所述升降底座331上，且所述双向丝杠333贯穿设置于所述丝杠固定座338内，所述丝杠固定座338与所述双向丝杠333之间设置有轴承，所述丝杠固定座338适于对所述双向丝杠333进行径向限位；正向丝杠螺母座334，套设于所述双向丝杠333上半部分，并在所述双向丝杠333的带动下，沿所述升降滑轨332滑动；反向丝杠螺母座335，套设于所述双向丝杠333下半部分，并在所述双向丝杠333的带动下，沿所述升降滑轨332滑动；轴承座升降杆336，与所述正向丝杠螺母座334固定连接，并跟随所述正向丝杠螺母座334运动；制动盘升降杆337，与所述反向丝杠螺母座335固定连接，并跟随所述反向丝杠螺母座335运动。

所述欠驱动装置3还包括：

制动盘342，所述制动盘升降杆337通过制动盘升降杆法兰与所述制动盘342固定连接，所述制动盘342在所述制动盘升降杆337带动下同步运动；

至少一个制动盘导向杆344，所述制动盘导向杆344一端与所述制动盘342固定连接，所述制动盘导向杆344通过直线轴承346与所述安装板341滑动连接，在所述制动盘342运动时，所述制动盘升降杆337为所述制动盘342提供驱动力，所述制动盘导向杆344为所述制动盘342进行导向；

套筒轴承座343，所述轴承座升降杆336通过轴承座升降杆法兰与所述套筒轴承座343固定连接，所述套筒轴承座343在所述轴承座升降杆336带动下同步运动；所述套筒轴承座343套设于所述伸缩套筒441外部，并通过轴承与所述伸缩套筒441转动连接，且所述套筒轴承座343与所述伸缩套筒441同轴设置，同时，所述套筒轴承座343能够带动所述伸缩套筒441沿轴线方向上下运动，进而带动所述摩擦件45沿轴线方向上下运动；

至少一轴承座导向杆345，所述轴承座导向杆345一端与所述套筒轴承座343固定连接，所述轴承座导向杆345通过直线轴承346与所述安装板341滑动连接，在所述套筒轴承座343运动时，所述轴承座升降杆336为所述套筒轴承座343提供驱动力，所述轴承座导向杆345为所述套筒轴承座343进行导向；

所述制动盘342底部还设置有至少一个制动器3421。

所述欠驱动装置3具体动作形式如下：通过所述制动电机31或手动制动组件所施加的转矩，带动所述制动传动部32动作，进而将将转矩传递给所述双向丝杠333，当双向丝杠333正转时，双向丝杠333带动正向丝杠螺母座334向上运动，正向丝杠螺母座334带动轴承座升降杆336向上运动，进而，轴承座升降杆336带动套筒轴承座343向上运动，使所述伸缩套筒441向上运动，从而使所述摩擦件45向上运动并与所述锥形旋转轴35脱开；此时，双向丝杠333正转同步带动反向丝杠螺母座335向下运动，反向丝杠螺母座335带动制动盘升降杆337向下运动，制动盘升降杆337进一步带动所述制动盘342向下运动，当所述制动盘342下降到一定高度时，所述制动盘342上的制动器3421将对第一目标转接板51进行制动，从而使悬吊目标9停止转动。

同理，当双向丝杠333反转时，双向丝杠333带动正向丝杠螺母座334向下运动，并依次带动正向丝杠螺母座334、轴承座升降杆336、套筒轴承座343、伸缩套筒441、摩擦件45向下运动，进而使所述摩擦件45与所述锥形旋转轴35贴合；此时，双向丝杠333同步带动反向丝杠螺母座335向上运动，并依次带动制动盘升降杆337、制动盘342、制动器3421向上运动，进而使制动器3421与第一目标转接板51脱开。

较佳的，结合图17-图18所示，其中，图18为制动盘制动状态示意图，制动盘升降杆337带动所述制动盘342向下运动，当所述制动盘342下降到一定高度时，所述制动盘342上的制动器3421将对第一目标转接板51进行制动，从而使悬吊目标9停止转动。

较佳的，作为本发明的具体实现形式，所述起旋轴承座431固定设置于所述安装板341上方，所述上部套筒432设置于起旋轴承座431内并贯穿所述安装板341，所述上部套筒432能够相对所述安装板341转动。

较佳的，所述制动传动部32的输出轴通过联轴器与双向丝杠333连接，所述联轴器上开设有螺纹孔，通过拧入顶丝进行防松。

较佳的，使用双向丝杠代替了两根丝杠，在保证行程的同时使结构简单。

较佳的，双向丝杠一端安装于丝杠固定座338、一端套有轴承后装于升降底座331底端，节约空间与成本。

较佳的，丝杠螺母座上打孔，同时侧面切槽，将轴承座升降杆/制动盘升降杆装入孔内后使用螺钉拧紧防松。

较佳的，制动盘导向杆344、轴承座导向杆345分别设置三组，能够防止目标产生偏摆。

较佳的，制动盘导向杆344、轴承座导向杆345均安装于直线轴承中，保证升降时的流畅度。

[柔性悬吊单元]

结合图15-图16所示，所述柔性悬吊单元6包括：

柔性组件，所述柔性组件适于对所述柔性悬吊单元6进行悬吊，所述柔性组件可以为：钢丝绳611，还可以为柔性钢带，还可以为其它能够对所述柔性悬吊单元6进行悬吊并具有一定柔性的材质，作为优选的实现形式，本发明中，所述柔性组件优选为钢丝绳611。所述钢丝绳611上端与钢丝绳焊接半球612固定连接，钢丝绳焊接半球612设置于钢丝绳上部固定件613内；所述钢丝绳611下端与钢丝绳套筒614一端固定连接，所述钢丝绳套筒614另一端与拉力传感器615螺纹连接，所述拉力传感器615通过球螺母617与圆螺母座616固定连接，所述圆螺母座616固定连接于钢丝绳板620上，从而使钢丝绳611对所述钢丝绳板620进行柔性悬吊。

较佳的，钢丝绳上部固定件613固定连接于所述起旋轴承座431下方，即所述钢丝绳上部固定件613与所述安装板341、所述桁架连接板13均为相对固定设置，从而使所述钢丝绳板620与所述安装板341、所述桁架连接板13均为相对固定设置。

较佳的，所述钢丝绳611与钢丝绳套筒614焊接连接，钢丝绳套筒614攻外螺纹，且加工了4条缝隙，所述钢丝绳套筒614可被抱紧，所述钢丝绳套筒614侧面为矩形，方便装夹。

作为本发明的具体实现形式，在试验初期，所述摩擦件45带动所述锥形旋转轴35转动，进而使所述悬吊目标9进行旋转，当所述悬吊目标9到达预期的稳定转速后，所述摩擦件45向上运动，解除刚性约束，起旋电机41不再提供动力，使得悬吊目标9自由旋转，仅由钢丝绳611承受重力，模拟载荷失重状态，此时转为柔性约束。

较佳的，所述锥形旋转轴35与钢丝绳板620之间通过第三轴承353滑动连接；所述锥形旋转轴35底部与第一目标转接板51固定连接，所述钢丝绳板620与所述第一目标转接板51能够相对转动；柔性悬吊单元6在悬吊状态下，对所述锥形旋转轴35进行柔性约束，此时，所述锥形旋转轴35能够与钢丝绳板620发生相对转动，从而使锥形旋转轴35带动第一目标转接板51转动，进而带动悬吊目标9转动。

较佳的，所述拉力传感器615与力传感器模块621电连接，便于监测拉力数据；所述钢丝绳板620底部还设置有光电传感器632，所述第一目标转接板51上还设置有光栅631，所述锥形旋转轴35转动，带动第一目标转接板51转动，进而带动光栅631转动，从而使光栅631与光电传感器632发生相对转动，所述光电传感器632与测速模块633电连接，从而监测转速数据。

所述刚柔约束转换装置还包括：导向限位单元，所述导向限位单元适于限制所述被动驱动单元的偏摆幅度。

具体的，所述导向限位单元包括一导向件347，所述导向件347套设于所述摩擦件45内部，并通过轴承与所述摩擦件45相对转动连接，所述导向件347能够跟随所述摩擦件45沿轴线方向上下运动，所述导向件347贯穿所述锥形旋转轴35，所述导向件347能够在柔性约束状态下，对所述锥形旋转轴35进行偏摆幅度的限位；所述导向限位单元还包括限位锥形块348，所述限位锥形块348设置于导向件347远离所述摩擦件45的一端端部，所述限位锥形块348沿径向方向尺寸大于所述锥形旋转轴35的最小内径，能够防止所述锥形旋转轴35沿上下方向运动超出限制，避免所述轴承座导向杆345从所述安装板341内滑脱。

本发明提供的所述悬吊起旋机构具备制动功能，使用过程中可随时根据需要对悬吊目标制动，并增加了旋转限位锥形块可限制目标的偏摆幅度，增加安全性。

较佳的，所述柔性悬吊单元6安装于与轴承外圈相连的钢丝绳板620上部，因此，所述柔性悬吊单元6可以保持竖直状态而不参与旋转。

较佳的，所述柔性悬吊单元6下端连接拉力传感器，可实时测量钢丝绳承受重量，使操作者更加了解试验状态，利于试验分析；

较佳的，锥形旋转轴35采用类似摩擦轮结构。

本发明提供的悬吊起旋机构，在悬吊目标达到指定转速前为刚性约束，达到指定转速后，刚性约束脱开，仅由钢丝绳承受重力，模拟微重力状态；任意切换对悬吊目标的刚性约束和柔性约束状态，从而实现对在轨故障卫星某一种可能存在的姿态翻滚状态的地面模拟。

[角度和偏心调整装置]

结合图19所示，角度和偏心调整装置5，其适于对悬吊目标9的偏摆角度与偏心位置进行调整。所述角度和偏心调整装置5包括：第一目标转接板51、第二目标转接板52、手摇部53、丝杠部54、连杆部55；

所述第一目标转接板51与所述锥形旋转轴35固定连接并同步运动；

所述第一目标转接板51底部设置有丝杠541，所述丝杠541通过丝杠支撑端543、丝杠固定端544与所述第一目标转接板51连接，所述丝杠支撑端543与所述丝杠固定端544固定安装于所述第一目标转接板51下部，所述丝杠支撑端543与所述丝杠541沿轴线方向第一端之间通过轴承连接；所述丝杠固定端544与所述丝杠541沿轴线方向第二端之间通过轴承连接；所述丝杠支撑端543与所述丝杠固定端544对所述丝杠541进行悬吊并对丝杠541的绕轴运动进行导向，使调节过程更加顺畅；

所述丝杠541沿轴线方向一端与固定盘532固定连接，手轮531偏心安装在固定盘532上，通过摇动手轮531，进而带动固定盘532将转矩传递到丝杠541上，驱动丝杠541转动；

一丝杠螺母座542套设于丝杠541外侧，随着丝杠541的转动，所述丝杠螺母座542前后移动；

所述第一目标转接板51底部固定连接有至少一导轨545，所述丝杠螺母座542通过滑块546与所述导轨545相对滑动连接，所述滑块546安装于所述导轨545之上，对所述丝杠螺母座542的运动起到导向作用；

所述角度和偏心调整装置5共包括两组丝杠541，及对应的两组丝杠支撑端543、丝杠固定端544、丝杠螺母座542；

其中，第一组丝杠螺母座上连接至少一块三角板554，第二组丝杠螺母座上连接至少一块连杆552；作为本发明的具体实现形式，第一组丝杠螺母座542上连接两块三角板554，第二组丝杠螺母座542上连接两块连杆552；

所述三角板554与所述两块连杆552均通过转接件553与第二目标转接板52连接，所述第二目标转接板52与所述悬吊目标固定连接。

所述第一组丝杠螺母座与所述三角板554固定连接，较佳的，所述第一组丝杠螺母座与所述三角板554通过至少两个连接点固定，使所述第一组丝杠螺母座与所述三角板554不能够发生相对转动；

所述第二组丝杠螺母座与连杆552通过一根销轴551连接，所述第二组丝杠螺母座与连杆552能够发生相对转动；

所述三角板554以及所述连杆552均与所述转接件553通过一根销轴551连接；所述三角板554以及所述连杆552均能够与所述转接件553发生相对转动；

结合图20-图21所示，通过旋转手轮531，带动丝杠541转动，当两根丝杠转动相同角度时，即所述第一组丝杠螺母座与所述第二组丝杠螺母座移动相同距离，则所述角度和偏心调整装置带动所述悬吊目标9平移，可以调节悬吊目标9的重心；

当两根丝杠转动不同角度时，所述第一组丝杠螺母座与所述第二组丝杠螺母座移动不同距离，则所述连杆552同时绕所述第二组丝杠螺母座的销轴和所述转接件553的销轴转动，而所述三角板554仅能够绕所述转接件553的销轴转动，从而使第二目标转接板52发生角度a°的偏转，进而调节悬吊目标9的角度。

较佳的，本实施例中，所述固定盘532与所述丝杠固定端544转动连接；

较佳的，所述固定盘532上还设置有孔，并且与之相连的丝杠固定端上攻螺纹孔，当悬吊目标9调节到目标位置或重心后，通过所述孔将所述固定盘532与所述丝杠固定端544固定，使丝杠541固定在目标位置或重心；通过在手轮531处增加固定板，调节到目标角度或重心后可保持该状态；

较佳的，所述销轴551通过销轴锁紧件555进行锁紧，避免悬吊目标在转动过程中产生偏移；

较佳的，所述销轴551外套有铜套，降低转动的摩擦力。

较佳的，所述角度和偏心调整装置使用滑块546与导轨545进行导向，保证丝杠螺母座移动时的流畅度。

较佳的，转接件553为U型转接件，避免悬臂梁结构，加大结构强度。

在一可选实施例中，对转接件内的销轴一端安装销轴锁紧件，并且留有余量，使用螺钉连接时利用摩擦力对销轴进行固定。

本发明提供的所述悬吊起旋机构，可通过调节手柄调节悬吊目标的偏摆角度与重心位置，满足不同的实验需求；调节方法简单方便，只需摇动手轮，不用拆装机构；丝杠部54具有导向，使调节过程更加顺畅；

本发明提供的悬吊起旋机构采用手自动一体化欠驱动设计，具备起旋、刚柔约束转换、制动、悬吊位姿调整等多种功能；起旋转速可控，并具备制动功能，操作简单，安全可靠；同时具有手动与电机两种驱动方式，通过配置离合器使两种驱动方式互不干涉；

本发明提供的悬吊起旋机构既可实现悬吊目标绕自旋轴产生自旋，又可实现悬吊目标自旋轴产生摆动，并任意切换对悬吊目标的刚性约束和柔性约束状态，从而实现对在轨故障卫星某一种可能存在的姿态翻滚状态的地面模拟。

一种微重力翻滚状态模拟系统，所述微重力翻滚状态模拟系统采用上述所述的悬吊起旋机构，所述悬吊起旋机构通过桁架连接板13安装设置于桁架11上，并与电气箱12进行电连接，以实现对所述悬吊起旋机构的操作控制。

作为空间任务实施的地面验证关键部分，地面试验的目标是验证空间任务方案的合理性和技术可行性，而其成功与否在很大程度上取决于所采用的验证方法对其空间任务实施过程特征是否是真实的反映，因此，本发明提供的微重力翻滚状态模拟系统对空间目标在轨状态的地面模拟具有非常重要的工程意义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种刚柔约束转换装置，其特征在于，其适于对悬吊目标(9)进行刚性约束或柔性约束，所述刚柔约束转换装置包括：

驱动单元、被动驱动单元和柔性悬吊单元(6)；

所述被动驱动单元直接或间接的与所述柔性悬吊单元(6)连接，所述被动驱动单元适于选择性的与所述驱动单元连接；

所述柔性悬吊单元(6)在所述被动驱动单元与所述驱动单元连接时处于刚性约束状态；

所述柔性悬吊单元(6)在所述被动驱动单元与所述驱动单元脱离时处于柔性约束状态，此时所述柔性悬吊单元(6)通过柔性组件进行悬吊；

所述驱动单元包括摩擦件(45)，所述被动驱动单元包括锥形旋转轴(35)，所述锥形旋转轴(35)与所述摩擦件(45)同轴设置；在起旋状态下，所述锥形旋转轴(35)的第二摩擦面(351)与所述摩擦件(45)的第一摩擦面(451)相贴合，所述摩擦件(45)利用摩擦力带动所述锥形旋转轴(35)同轴转动；

所述刚柔约束转换装置还包括：

导向件(347)，所述导向件(347)套设于所述摩擦件(45)内部，所述导向件(347)能够在柔性约束状态下，对所述锥形旋转轴(35)进行偏摆幅度的限位；

限位锥形块(348)，所述限位锥形块(348)设置于导向件(347)远离所述摩擦件(45)的一端端部，所述限位锥形块(348)沿径向方向尺寸大于所述锥形旋转轴(35)的最小内径。

2.根据权利要求1所述的刚柔约束转换装置，其特征在于，所述刚柔约束转换装置还包括一升降部(33)；所述升降部(33)在手动制动组件和或/制动电机(31)提供的制动驱动力带动下，控制所述摩擦件(45)与所述锥形旋转轴(35)脱离或结合。

3.根据权利要求2所述的刚柔约束转换装置，其特征在于，所述升降部(33)包括：

双向丝杠(333)，所述双向丝杠(333)绕自身轴线转动；

正向丝杠螺母座(334)，套设于所述双向丝杠(333)上半部分，并在所述双向丝杠(333)的带动下，沿升降滑轨(332)滑动，并带动轴承座升降杆(336)运动。

4.根据权利要求3所述的刚柔约束转换装置，其特征在于，所述刚柔约束转换装置还包括套筒轴承座(343)，所述轴承座升降杆(336)通过轴承座升降杆法兰与所述套筒轴承座(343)固定连接，所述套筒轴承座(343)在所述轴承座升降杆(336)带动下同步运动。

5.根据权利要求4所述的刚柔约束转换装置，其特征在于，所述套筒轴承座(343)套设于伸缩套筒(441)外部，并通过轴承与所述伸缩套筒(441)转动连接，且所述套筒轴承座(343)与所述伸缩套筒(441)同轴设置，同时，所述套筒轴承座(343)能够带动所述伸缩套筒(441)沿轴线方向上下运动，进而带动所述摩擦件(45)沿轴线方向上下运动。

6.根据权利要求5所述的刚柔约束转换装置，其特征在于，所述刚柔约束转换装置还包括至少一轴承座导向杆(345)，所述轴承座导向杆(345)一端与所述套筒轴承座(343)固定连接，在所述套筒轴承座(343)运动时，所述轴承座升降杆(336)为所述套筒轴承座(343)提供驱动力，所述轴承座导向杆(345)为所述套筒轴承座(343)进行导向。

7.根据权利要求1所述的刚柔约束转换装置，其特征在于，所述柔性组件包括：钢丝绳(611)，所述钢丝绳(611)下端与钢丝绳套筒(614)一端固定连接，所述钢丝绳套筒(614)另一端与拉力传感器(615)连接，所述拉力传感器(615)通过球螺母(617)与圆螺母座(616)固定连接，所述圆螺母座(616)固定连接于钢丝绳板(620)上，所述钢丝绳板(620)用于直接或间接悬吊所述悬吊目标(9)。

8.一种微重力翻滚状态模拟系统，其特征在于，所述微重力翻滚状态模拟系统包括如权利要求1-7任意一项所述刚柔约束转换装置。

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