CN111086662B - 一种适用于多自由度实验对象的三维主动重力卸载装置 - Google Patents

Abstract

一种适用于多自由度实验对象的三维主动重力卸载装置，属于微重力模拟技术领域。本发明解决了现有的重力模拟装置运动平稳性差，以及无法实现多点吊挂的问题。一个第二气浮块上固装有电动缸式卸载机构，其余每个第二气浮块上分别固装有配重式卸载机构，承力框架的下部固设有固定基座，实验对象与固定基座之间通过若干连杆连接，且每相临两个连杆之间以及连杆与固定基座之间均为铰接，电动缸式卸载机构的底端与靠近实验对象的一个连杆固接，每个配重式卸载机构的底端各对应固接有一个连杆。通过采用吊挂方式来实现大负载，长行程的微重力模拟。采用直线电机驱动，实现多点吊挂，并同时通过两种卸载装置结合，扩大微重力模拟装置的使用范围。

Description

一种适用于多自由度实验对象的三维主动重力卸载装置

技术领域

本发明涉及一种适用于多自由度实验对象的三维主动重力卸载装置，属于微重力模拟技术领域。

背景技术

现有微重力模拟装置存在多种问题，如气浮法只能在二维空间进行模拟实验，悬吊法精度差，落塔、失重飞机造价昂贵等问题。

专利201610569803.8提供了一种用于飞行器及天线模拟的三维主动式悬吊法，由于其在二维空间内移动采用直线导轨形式，运动平稳性较差，且由于只有一个移动导轨，故无法实现多点吊挂。

发明内容

本发明是为了解决现有的微重力模拟装置运动平稳性差，以及无法实现多点吊挂的问题，进而提供了一种适用于多自由度实验对象的三维主动重力卸载装置。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种适用于多自由度实验对象的三维主动重力卸载装置，它包括承力框架、电动缸式卸载机构、若干配重式卸载机构、两个固定气浮导轨及若干移动气浮导轨，其中两个固定气浮导轨沿水平方向平行固装在承力框架的顶端，每个固定气浮导轨上均滑动装设有若干第一气浮块，且两个固定气浮导轨上的若干第一气浮块一一对应布置，每组对应设置的两个第一气浮块之间均固装有移动气浮导轨，每个移动气浮导轨上均滑动装设有第二气浮块。

每个气浮块在其对应的气浮导轨上的运动均通过直线电机实现，一个第二气浮块上固装有电动缸式卸载机构，其余每个第二气浮块上分别固装有配重式卸载机构，承力框架的下部固设有固定基座，实验对象与固定基座之间通过若干连杆连接，且每相邻两个连杆之间以及连杆与固定基座之间均为铰接，电动缸式卸载机构的底端与靠近实验对象的一个连杆固接，每个配重式卸载机构的底端各对应固接有一个连杆。

进一步地，所述电动缸式卸载机构包括连接框架、第一角度传感器、第一拉力传感器及电动缸，所述连接框架固接在第二气浮块底端，所述第一角度传感器水平装设在连接框架底端，所述电动缸位于第一角度传感器的下方且通过第一拉力传感器与第一角度传感器固接，靠近实验对象的一个连杆通过钢丝绳固装在电动缸的活塞杆底端。

进一步地，第一角度传感器的数量为两个且呈L型布置。

进一步地，所述配重式卸载机构包括水平连接架、链传动组件及传感器组件，水平连接架的中部与第二气浮块固接，且链传动组件中的两个链轮分别位于水平连接架的两端部，两个链轮通过链条连接，且链条的两端分别垂设在水平连接架的下方，所述传感器组件固接在链条的一端，其中所述传感器组件包括第二角度传感器及固设在第二角度传感器下方的第二拉力传感器，且第二拉力传感器的底端与其下方连杆之间通过钢丝绳固接，配重固装在链条的另一端。

进一步地，水平连接架的两端部各固设有导向机构，所述导向机构包括导向框架及若干根竖直固接在水平连接架底端的导向杆，所述导向框架上下滑动穿设在若干导向杆上，传感器组件通过一个导向框架固接在链条的一端，配重通过另一个导向框架固接在链条的另一端。

进一步地，每个导向杆的底端均固设有限位块，导向框架与限位块之间的若干导向杆上还滑动穿装有限位板，所述限位板上开设有通孔，连接连杆与第二拉力传感器之间的钢丝绳穿设在对应所述通孔内。

进一步地，每个导向机构中的导向杆数量均为四根且呈矩形布置。

进一步地，配重与另一个导向框架之间通过钢丝绳固接，且配重与另一个导向框架之间的钢丝绳穿设在对应所述通孔内。

进一步地，所述第二角度传感器的数量为两个且呈L型布置。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

本申请通过采用气浮导轨来实现无摩擦，高精度的运动，通过采用吊挂方式来实现大负载，长行程的微重力模拟。同时，采用直线电机驱动，实现多点吊挂，并同时通过两种卸载装置结合，扩大微重力模拟装置的使用范围，适应多种型号产品的微重力模拟实验。

附图说明

图1为本申请的立体结构框线示意图；

图2为本申请的第一立体结构示意图(固定基座及连杆均未示出)；

图3为本申请的第二立体结构示意图(固定基座及连杆均未示出)；

图4为图3的P处放大示意图；

图5为配重式卸载机构的立体结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～5说明本实施方式，一种适用于多自由度实验对象的三维主动重力卸载装置，它包括承力框架、电动缸式卸载机构11、若干配重式卸载机构6、两个固定气浮导轨2及若干移动气浮导轨4，其中两个固定气浮导轨2沿水平方向平行固装在承力框架的顶端，每个固定气浮导轨2上均滑动装设有若干第一气浮块3，且两个固定气浮导轨2上的若干第一气浮块3一一对应布置，每组对应设置的两个第一气浮块3 之间均固装有移动气浮导轨4，每个移动气浮导轨4上均滑动装设有第二气浮块5。

每个气浮块在其对应的气浮导轨上的运动均通过直线电机实现，一个第二气浮块5 上固装有电动缸式卸载机构11，其余每个第二气浮块5上分别固装有配重式卸载机构6，承力框架的下部固设有固定基座12，实验对象14与固定基座12之间通过若干连杆13连接，且每相邻两个连杆13之间以及连杆13与固定基座12之间均为铰接，电动缸式卸载机构11的底端与靠近实验对象14的一个连杆13固接，每个配重式卸载机构6的底端各对应固接有一个连杆13。

每个气浮块分别对应在其所在的气浮导轨上实现无摩擦、无振动的平滑运动。

本申请通过将实验对象14的运动传递给移动气浮导轨4，完成水平方向跟踪运动；

电动缸式卸载机构11适用于质量较大的设备，配重式卸载机构6适用于质量较小的设备。实验对象14与固定基座12之间通过若干相互铰接的连杆13实现多自由度运动，与实验对象14距离最近的一个连杆13装设在电动缸式卸载机构11下方，以实现对大质量实验对象14的微重力模拟。

本申请通过电动缸式卸载机构11、若干配重式卸载机构6及若干连杆13，实现多点吊挂，适用于多自由度运动。配重式卸载机构6的数量根据连杆13的数量确定，实验对象14与固定基座12之间的连杆13数为n，则配重式卸载机构6的数量即为n-1，以实现对每个连杆13的吊挂。

本申请二维运动方式采用气浮导轨，能够实现无摩擦、无振动的平滑运动。具有高速度、高精度、无摩擦力、高承载的优越性能，运动精度高、响应速度快，无爬行现象，清洁无污染等特点。

气浮导轨驱动方式采用直线电机，定子安装在气浮导轨上，动子与气浮块连接。直线电机定子可拼接，可以满足长行程、大负载的实验要求。适用范围更广泛。直线电机可安装多动子，故移动气浮导轨4数目不受限制，可以对实验对象14进行多点吊挂，适用于长行程的天线、空间机械臂展开运动。可以实现高的运动定位精度，实现快速启停。

采用电动缸式卸载机构11与配重式卸载机构6相配合的方式，使装置对大负载和小负载同时适用，适用范围更广泛，可以适应多种结构的实验对象14的微重力模拟，如多种型号的天线的微重力模拟。

与现有技术中的单独的气浮法相比，适合大负载，长行程。

水平方向运动的气浮导轨，与竖直方向运动的卸载机构结合，能够实现三维微重力模拟。

与现有技术中单独的悬吊法相比，由于采用了气浮导轨，运动更加平稳，定位精度更高。

每个气浮导轨上均具有平行度、平面度调节装置，且气浮块通过直线电机实现在气浮导轨上的直线运动，此种气浮导轨结构为现有技术，本申请中不再赘述。

所述电动缸式卸载机构11包括连接框架11-1、第一角度传感器11-2、第一拉力传感器11-3及电动缸11-4，所述连接框架11-1固接在第二气浮块5底端，所述第一角度传感器11-2水平装设在连接框架11-1底端，所述电动缸11-4位于第一角度传感器11-2的下方且通过第一拉力传感器11-3与第一角度传感器11-2固接，靠近实验对象14的一个连杆13通过钢丝绳固装在电动缸11-4的活塞杆底端。采用钢丝吊挂的形式。可进行大负载长行程实验，更加适用于长行程展臂运动的微重力模拟。第一角度传感器11-2能够控制电动缸11-4的摆动，即控制电动缸11-4绕第一角度传感器11-2轴向的转动角度，进而控制电动缸11-4底端连杆13的偏转角度。

连杆13在竖直方向上的运动传递给第一拉力传感器11-3，由第一拉力传感器11-3可检测到钢丝绳张力发生的变化，电动缸11-4主动运动补偿，保持钢丝绳恒张力，精确追踪连杆13在竖直方向上的运动。

当实验对象14发生运动时，第一角度传感器11-2检测到倾角发生变化，通过计算可得连杆13在水平方向的运动的速度和位移，直线电机主动运动，调整第一角度传感器11-2 的倾角趋向于零，完成二维平面的跟踪。通过电动缸式卸载机构11适用于重载、高速的实验对象14，具有高速度、高精度、极低摩擦力、高承载的优点。

竖直方向采用电动缸11-4式重力卸载机构，能够保持吊挂钢丝绳恒张力，使整个装置在竖直面内跟踪被卸载物的运动。

第一角度传感器11-2的数量为两个且呈L型布置。如此设计，通过布置两个第一角度传感器11-2，实现钢丝绳及其下方固装的连杆13在传输过程中的全方位角度调节。

所述配重式卸载机构6包括水平连接架6-1、链传动组件及传感器组件，水平连接架 6-1的中部与第二气浮块5固接，且链传动组件中的两个链轮6-2分别位于水平连接架6-1 的两端部，两个链轮6-2通过链条6-3连接，且链条6-3的两端分别垂设在水平连接架6-1的下方，所述传感器组件固接在链条6-3的一端，其中所述传感器组件包括第二角度传感器6-4及固设在第二角度传感器6-4下方的第二拉力传感器6-5，且第二拉力传感器6-5 的底端与其下方连杆13之间通过钢丝绳固接，配重8固装在链条6-3的另一端。采用钢丝吊挂的形式。可进行大负载长行程实验，更加适用于长行程的微重力模拟。通过将连杆 13竖直方向的位移传递给第二拉力传感器6-5，当第二拉力传感器6-5检测到拉力与目标拉力值产生偏差时，产生控制信号，控制主动链轮6-2转动来带动第二拉力传感器6-5升降，保持钢丝绳恒拉力。

第二角度传感器6-4能够控制或带动与其固接的第二拉力传感器6-5转动，转动方向为绕第二角度传感器6-4自身轴线方向转动，通过第二角度传感器6-4的转动调节，实现其下方连杆13相对于垂直方向的角度调节。

通过二维被动平移与竖直主动补偿相结合的方式，实现连杆13在二维平面内无摩擦、平稳运动，配重式卸载机构6主动升降来保持钢丝绳恒张力，在竖直平面内跟踪实验的运动。尤其适用于小型低速运动的连杆13，整体结构更加简单，可以有效地节约空间、方便调整、降低成本。

二维平面运动采用被动形式，充分发挥了气浮导轨无摩擦的优势，使结构变得更加简单，适用于小型低速的连杆13，成本更低。竖直方向采用主动配重8式重力卸载机构，来完成对实验对象14的重力卸载任务。

通过配重式卸载机构6与直线电机式气浮导轨配合，实现水平方向控制及竖直方向控制，具体为：

水平方向控制策略：水平方向由于采用了气浮导轨，处于无摩擦运动状态，故连杆13二维方向上的零摩擦运动通过悬挂钢丝传递给顶部移动气浮导轨4，完成水平方向跟踪运动。

竖直方向控制策略：连杆13在竖直方向的位移通过钢丝绳传递给第二拉力传感器6-5，当第二拉力传感器6-5检测到拉力与目标拉力值产生偏差时，产生控制信号，控制主动链轮6-2转动来带动导向机构10升降，保持钢丝恒拉力。

水平连接架6-1的两端部各固设有导向机构10，所述导向机构10包括导向框架10-1 及若干根竖直固接在水平连接架6-1底端的导向杆10-2，所述导向框架10-1上下滑动穿设在若干导向杆10-2上，传感器组件通过一个导向框架10-1固接在链条6-3的一端，配重8通过另一个导向框架10-1固接在链条6-3的另一端。如此设计，链传动组件动作带动链条6-3的一端产生上下位移，进而带动导向框架10-1及传感器组件沿导向杆10-2上下滑动。导向杆10-2及导向框架10-1起到对传感器组件的导向作用。链传动组件中的链轮6-2转动，带动导向机构10上下运动来抵消配重式卸载机构6的摩擦和连杆13运动过程中产生的惯性力。

每个导向杆10-2的底端均固设有限位块10-3，导向框架10-1与限位块10-3之间的若干导向杆10-2上还滑动穿装有限位板10-4，所述限位板10-4上开设有通孔10-41，连接连杆13与第二拉力传感器6-5之间的钢丝绳穿设在对应所述通孔10-41内。如此设计，通过限位块10-3对导向框架10-1进行最低位置的限位，进一步防止导向框架10-1及其上传感器组件的脱落。通过通孔10-41实现对连杆13的导向作用，有效防止连杆13摆动过大。

每个导向机构10中的导向杆10-2数量均为四根且呈矩形布置。

配重8与另一个导向框架10-1之间通过钢丝绳固接，且配重8与另一个导向框架10-1 之间的钢丝绳穿设在对应所述通孔10-41内。如此设计，通过通孔10-41实现对配重8的导向作用，有效防止配重8摆动过大。

所述第二角度传感器6-4的数量为两个且呈L型布置。如此设计，通过布置两个第二角度传感器6-4，实现钢丝绳及其下方固装的连杆13在传输过程中的全方位角度调节。

具体实施方式二：结合图1～5说明本实施方式，所述实验对象14为大负载天线，其通过辅助吊环转动连接在连杆13的一端，通过辅助吊环使吊挂点所受平衡力始终通过大负载天线的质心，大负载天线通过两个连杆13安装在固定基座12上，一个连杆13通过上方的电动缸式卸载机构11吊挂，另一个连杆13通过配重式卸载机构6吊挂，使其具有三个自由度。

Claims (7)

1.一种适用于多自由度实验对象的三维主动重力卸载装置，其特征在于：它包括承力框架、电动缸式卸载机构(11)、若干配重式卸载机构(6)、两个固定气浮导轨(2)及若干移动气浮导轨(4)，其中两个固定气浮导轨(2)沿水平方向平行固装在承力框架的顶端，每个固定气浮导轨(2)上均滑动装设有若干第一气浮块(3)，且两个固定气浮导轨(2)上的若干第一气浮块(3)一一对应布置，每组对应设置的两个第一气浮块(3)之间均固装有移动气浮导轨(4)，每个移动气浮导轨(4)上均滑动装设有第二气浮块(5)，

每个气浮块在其对应的气浮导轨上的运动均通过直线电机实现，一个第二气浮块(5)上固装有电动缸式卸载机构(11)，其余每个第二气浮块(5)上分别固装有配重式卸载机构(6)，承力框架的下部固设有固定基座(12)，实验对象(14)与固定基座(12)之间通过若干连杆(13)连接，且每相邻两个连杆(13)之间以及连杆(13)与固定基座(12)之间均为铰接，电动缸式卸载机构(11)的底端与靠近实验对象(14)的一个连杆(13)固接，每个配重式卸载机构(6)的底端各对应固接有一个连杆(13)，

所述配重式卸载机构(6)包括水平连接架(6-1)、链传动组件及传感器组件，水平连接架(6-1)的中部与第二气浮块(5)固接，且链传动组件中的两个链轮(6-2)分别位于水平连接架(6-1)的两端部，两个链轮(6-2)通过链条(6-3)连接，且链条(6-3)的两端分别垂设在水平连接架(6-1)的下方，所述传感器组件固接在链条(6-3)的一端，其中所述传感器组件包括第二角度传感器(6-4)及固设在第二角度传感器(6-4)下方的第二拉力传感器(6-5)，且第二拉力传感器(6-5)的底端与其下方连杆(13)之间通过钢丝绳固接，配重(8)固装在链条(6-3)的另一端，

水平连接架(6-1)的两端部各固设有导向机构(10)，所述导向机构(10)包括导向框架(10-1)及若干根竖直固接在水平连接架(6-1)底端的导向杆(10-2)，所述导向框架(10-1)上下滑动穿设在若干导向杆(10-2)上，传感器组件通过一个导向框架(10-1)固接在链条(6-3)的一端，配重(8)通过另一个导向框架(10-1)固接在链条(6-3)的另一端。

2.根据权利要求1所述的一种适用于多自由度实验对象的三维主动重力卸载装置，其特征在于：所述电动缸式卸载机构(11)包括连接框架(11-1)、第一角度传感器(11-2)、第一拉力传感器(11-3)及电动缸(11-4)，所述连接框架(11-1)固接在第二气浮块(5)底端，所述第一角度传感器(11-2)水平装设在连接框架(11-1)底端，所述电动缸(11-4)位于第一角度传感器(11-2)的下方且通过第一拉力传感器(11-3)与第一角度传感器(11-2)固接，靠近实验对象(14)的一个连杆(13)通过钢丝绳固装在电动缸(11-4)的活塞杆底端。

3.根据权利要求2所述的一种适用于多自由度实验对象的三维主动重力卸载装置，其特征在于：第一角度传感器(11-2)的数量为两个且呈L型布置。

4.根据权利要求1所述的一种适用于多自由度实验对象的三维主动重力卸载装置，其特征在于：每个导向杆(10-2)的底端均固设有限位块(10-3)，导向框架(10-1)与限位块(10-3)之间的若干导向杆(10-2)上还滑动穿装有限位板(10-4)，所述限位板(10-4)上开设有通孔(10-41)，连接连杆(13)与第二拉力传感器(6-5)之间的钢丝绳穿设在对应所述通孔(10-41)内。

5.根据权利要求1或4所述的一种适用于多自由度实验对象的三维主动重力卸载装置，其特征在于：每个导向机构(10)中的导向杆(10-2)数量均为四根且呈矩形布置。

6.根据权利要求4所述的一种适用于多自由度实验对象的三维主动重力卸载装置，其特征在于：配重(8)与另一个导向框架(10-1)之间通过钢丝绳固接，且配重(8)与另一个导向框架(10-1)之间的钢丝绳穿设在对应所述通孔(10-41)内。

7.根据权利要求1或6所述的一种适用于多自由度实验对象的三维主动重力卸载装置，其特征在于：所述第二角度传感器(6-4)的数量为两个且呈L型布置。

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