CN113565872A - 电磁辅助式气浮恒力弹簧支架 - Google Patents

电磁辅助式气浮恒力弹簧支架 Download PDF

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Abstract

电磁辅助式气浮恒力弹簧支架，涉及飞行器地面零重力模拟技术领域。本发明是为了使卫星模拟器能够提供六自由度的全方位三维空间模拟。本发明所述的电磁辅助式气浮恒力弹簧支架，包括：恒力弹簧系统和电磁主动式恒力补偿系统，电磁主动式恒力补偿系统包括：直线电机和直线电机输出端力传感器。直线电机的芯轴首端通过直线电机输出端力传感器与恒力弹簧系统的滚轮支架下表面相连，直线电机输出端力传感器用于采集直线电机的输出力，直线电机位于恒力弹簧系统的主弹簧的内部、且二者轴线重合，直线电机的末端连接有预紧螺母，主弹簧的两端分别与滚轮支架的下表面和预紧螺母相接触。

Description

电磁辅助式气浮恒力弹簧支架
技术领域
本发明属于飞行器地面零重力模拟技术领域。
背景技术
随着航天技术的发展，空间机构的在轨服务与维护已成为了航天领域的前沿方向，而空间航天器的编队飞行技术、交会对接技术、空间机械臂的展开和抓捕技术等空间操纵技术作为空间在轨服务与维护的技术基础，更是航天技术目前的热点与难点。然而，空间操纵技术作为空间机构完成应用任务的技术基础，具有系统复杂、技术难度大、难以在实际工作环境下进行实验等困难。近年来，基于气浮平台系统开发的地面空间环境仿真系统成为了进行地面物理仿真验证工作的主流手段。该系统利用气浮机构超低摩擦的特点，能够以极逼真的程度在地面模拟空间飞行器在轨运动的实际状态，能够将空间零重力环境在地面进行高置信度的还原，代表了当今空间飞行器地面物理仿真的主流方向和先进水平。
目前，国内外地面仿真系统多采用三自由度或五自由度模拟器。三自由度模拟器仅能提供水平面的平动和竖直轴的转动，五自由度模拟器是在三自由度模拟器的基础上加上了气浮球轴承，增加了两个转动自由度。但日益增加的航天任务需求要求卫星模拟器提供六自由度的全方位三维空间模拟，使得传统的模拟器已无法满足需求。
发明内容
本发明是为了使卫星模拟器能够提供六自由度的全方位三维空间模拟，现提供电磁辅助式气浮恒力弹簧支架。
电磁辅助式气浮恒力弹簧支架，包括：恒力弹簧系统，和电磁主动式恒力补偿系统，电磁主动式恒力补偿系统包括：直线电机和直线电机输出端力传感器，直线电机的芯轴首端通过直线电机输出端力传感器与恒力弹簧系统的滚轮支架下表面相连，直线电机输出端力传感器用于采集直线电机的输出力，直线电机位于恒力弹簧系统的主弹簧的内部、且二者轴线重合，直线电机的末端连接有预紧螺母，主弹簧的两端分别与滚轮支架的下表面和预紧螺母相接触。
进一步的，上述恒力弹簧系统包括：主弹簧、两个辅助弹簧、两个刀式凸轮、两个滚轮和滚轮支架，两个滚轮分别架设在滚轮支架的两端、并能够转动，滚轮支架上表面设有恒力输出立柱，两个刀式凸轮分别位于两个滚轮的外侧，滚轮能够在其对应的刀式凸轮工作面上滚动，刀式凸轮上设有横杆，横杆与直线电机的芯轴垂直，两个辅助弹簧分别套接在两个横杆上，调节螺母设置在横杆的末端，辅助弹簧的两端分别与调节螺母和横杆首端固定连接，恒力输出立柱与载荷之间通过气浮机构相连。
进一步的，上述气浮机构包括：五层支撑板、N个气浮导向杆和2N个气浮导套，N为正整数，五层支撑板由上至下平行层叠设置，第一层支撑板和第二层支撑板之间通过3个载荷力传感器相连，载荷力传感器用于采集第一层支撑板和第二层支撑板之间的应力，N个气浮导向杆的首端与第二层支撑板底面垂直并固定连接，N个气浮导向杆的末端依次穿过第三、四层支撑板并与第五层支撑板上表面固定连接，每个气浮导向杆上均套接有两个气浮导套，同一个气浮导向杆上的两个气浮导套分别位于气浮导向杆与第三、四层支撑板的交界处。
进一步的，上述主弹簧、两个辅助弹簧、两个刀式凸轮、两个滚轮和滚轮支架均位于第三层支撑板和第四层支撑板之间，主弹簧、两个辅助弹簧、两个刀式凸轮、两个滚轮和滚轮支架还位于N个气浮导向杆的合围区域内，恒力输出立柱穿过第三层支撑板与第二层支撑板的底面相连。
进一步的，上述第一层支撑板的上表面设有用于支撑载荷的支撑立柱。
进一步的，上述N的取值为3，支撑板为三角形。
进一步的，上述电磁辅助式气浮恒力弹簧支架还包括支撑壳体，恒力弹簧系统和电磁主动式恒力补偿系统均位于支撑壳体内部，恒力输出立柱从支撑壳体的顶部伸出至支撑壳体的外部，两个辅助弹簧架设在支撑壳体的侧壁上。
进一步的，上述支撑壳体包括：两个壳体支撑件、两个侧面支撑板、顶板、底板、前面板和后面板，两个侧面支撑板、顶板、前面板和后面板构成下开口的壳体结构，该壳体结构的下开口边缘通过两个壳体支撑件固定在底板上。
进一步的，上述壳体结构位于第三、四层支撑板之间，第三层支撑板坐落在支撑壳体顶部。
进一步的，上述第四层支撑板坐落在支撑壳体顶部两个壳体支撑件上。
针对地面零重力模拟当中竖直方向需要有一定位移，且系统输出需满足高精度、高频响的要求，本发明提出电磁辅助式气浮恒力弹簧支架，它能够利用电磁与机械的主被动混合形式实现恒力输出，为六自由度卫星模拟器提供零重力条件，且在竖直方向有一定的运动自由度。电磁辅助式气浮恒力弹簧支架系统具有主被动混合、高精度、高频响的特点。该系统能够提高卫星地面仿真精度，为有关六自由度卫星模拟器在竖直方向零重力的实现提供关键技术。
附图说明
图1为电磁辅助式气浮恒力弹簧支架主体结构示意图；
图2为去掉前面板的电磁辅助式气浮恒力弹簧支架结构示意图；
图3为电磁辅助式气浮恒力弹簧支架的整体结构示意图。
主弹簧1、辅助弹簧2、刀式凸轮3、滚轮4、直线电机5、芯轴6、直线电机输出端力传感器7、调节螺母8、预紧螺母9、恒力输出立柱10、气浮导向杆11、气浮导套12、载荷力传感器13、壳体支撑件14、侧面支撑板15、支撑立柱16、前面板17、滚轮支架18、横杆19。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1至图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的电磁辅助式气浮恒力弹簧支架，包括：恒力弹簧系统和电磁主动式恒力补偿系统。
恒力弹簧系统包括：主弹簧1、两个辅助弹簧2、两个刀式凸轮3、两个滚轮4和滚轮支架18。两个滚轮4分别架设在滚轮支架18的两端、并能够转动，滚轮支架18上表面设有恒力输出立柱10，两个刀式凸轮3分别位于两个滚轮4的外侧，滚轮4能够在其对应的刀式凸轮3工作面上滚动，刀式凸轮3上设有横杆19，横杆19与直线电机5的芯轴6垂直，两个辅助弹簧2分别套接在两个横杆19上，调节螺母8设置在横杆19的末端，辅助弹簧2的两端分别与调节螺母8和横杆19首端固定连接，恒力输出立柱10与载荷之间通过气浮机构相连。
电磁主动式恒力补偿系统包括：直线电机5和直线电机输出端力传感器7。直线电机(5)位于恒力弹簧系统的主弹簧(1)的内部、且二者轴线重合，直线电机5的芯轴6首端通过直线电机输出端力传感器7与恒力弹簧系统的滚轮支架18下表面相连，直线电机输出端力传感器7用于采集直线电机5的输出力，直线电机5的末端连接有预紧螺母9，主弹簧1的两端分别与滚轮支架18的下表面和预紧螺母9相接触。
上述气浮机构包括：五层三角形的支撑板、3个气浮导向杆11和6个气浮导套12。五层支撑板由上至下平行层叠设置，第一层支撑板和第二层支撑板之间通过3个载荷力传感器13相连，载荷力传感器13用于采集第一层支撑板和第二层支撑板之间的应力，3个气浮导向杆11的首端与第二层支撑板底面垂直并固定连接，3个气浮导向杆11的末端依次穿过第三、四层支撑板并与第五层支撑板上表面固定连接，每个气浮导向杆11上均套接有两个气浮导套12，同一个气浮导向杆11上的两个气浮导套12分别位于气浮导向杆11与第三、四层支撑板的交界处。
主弹簧1、两个辅助弹簧2、两个刀式凸轮3、两个滚轮4和滚轮支架18均位于第三层支撑板和第四层支撑板之间，主弹簧1、两个辅助弹簧2、两个刀式凸轮3、两个滚轮4和滚轮支架18还位于3个气浮导向杆11的合围区域内，
恒力输出立柱10穿过第三层支撑板与第二层支撑板的底面相连。
第一层支撑板的上表面设有用于支撑载荷的支撑立柱16。
进一步的，上述电磁辅助式气浮恒力弹簧支架还包括支撑壳体，恒力弹簧系统和电磁主动式恒力补偿系统均位于支撑壳体内部，恒力输出立柱10从支撑壳体的顶部伸出至支撑壳体的外部，两个辅助弹簧2架设在支撑壳体的侧壁上。
上述支撑壳体包括：两个壳体支撑件14、两个侧面支撑板15、顶板、底板、前面板17和后面板，两个侧面支撑板15、顶板、前面板17和后面板构成下开口的壳体结构，该壳体结构的下开口边缘通过两个壳体支撑件14固定在底板上。
壳体结构位于第三、四层支撑板之间，第三层支撑板坐落在支撑壳体顶部。第四层支撑板坐落在支撑壳体顶部两个壳体支撑件14上。
本实施方式中，支撑壳体固定不动，载荷安装在支撑立柱16的顶部。当载荷沿着竖直方向动态运动过程中，两个滚轮4在两个刀式凸轮3的工作面上滚动、并挤压刀式凸轮3，从而改变辅助弹簧2的长度和角度，进一步改变刀式凸轮3对滚轮4的作用力在竖直方向的分量，该力与主弹簧1的力之和始终保持一个定值。
载荷力传感器13实时测量载荷竖直方向的受力情况，并反馈给外部控制设备，直线电机5根据控制设备的指令改变输出电流的大小，即改变输出力来补偿机械被动式恒力部分输出的力误差，直线电机输出端力传感器7能够实时反馈直线电机的输出力大小，从而使直线电机输出精准的补偿力。直线电机5和气浮机构共同配合，大大减小机械被动式恒力部分的恒力输出误差，可以使整个系统的输出精度提高一个数量级以上。
通过转动预紧螺母9调节主弹簧1下表面的位置，从而改变恒力弹簧系统初始工作时主弹簧1的压缩量，就能够在一定范围内调节恒力输出的力值范围。
安装在系统周围的气浮导向杆11、气浮导套12为气浮机构，能够提供一定的径向支撑，消除因载荷的质心偏量引起的翻转力矩，同时也消除因直线电机5输出力作用点偏离中支撑板质心而造成的中支撑板翻转力矩，保证系统的竖直方向运动。并且气浮机构采用气浮的非接触方式，能够大大减小因导向装置引起的摩擦，降低直线电机控制难度，提高零重力模拟精度。
综上所述，本实施方式中恒力弹簧系统属于被动部分，刀式凸轮3的工作曲线与滚轮4接触，给滚轮4一个支撑力，在主辅弹簧的配合工作下，恒力弹簧系统在工作区间的任意位置对载荷的重力进行卸载。电磁主动式恒力补偿系统属于主动部分，力敏感器测量恒力误差，通过直线电机5非接触地补偿刀式凸轮3恒力弹簧的恒力误差。本实施方式能够实现恒力输出，为六自由度卫星模拟器提供零重力条件，且在竖直方向有一定的运动自由度。具有主被动混合、高精度、高频响的点，能够提高卫星地面仿真精度。本实施方式在一定范围内可以对不同重量的载荷有适应能力，能够用于六自由度卫星模拟器中的竖直方向零重力模拟。

Claims (10)

1.电磁辅助式气浮恒力弹簧支架，包括：恒力弹簧系统，
其特征在于，还包括电磁主动式恒力补偿系统，电磁主动式恒力补偿系统包括：直线电机(5)和直线电机输出端力传感器(7)，
直线电机(5)的芯轴(6)首端通过直线电机输出端力传感器(7)与恒力弹簧系统的滚轮支架(18)下表面相连，直线电机输出端力传感器(7)用于采集直线电机(5)的输出力，直线电机(5)位于恒力弹簧系统的主弹簧(1)的内部、且二者轴线重合，直线电机(5)的末端连接有预紧螺母(9)，主弹簧(1)的两端分别与滚轮支架(18)的下表面和预紧螺母(9)相接触。
2.根据权利要求1所述的电磁辅助式气浮恒力弹簧支架，其特征在于，恒力弹簧系统包括：主弹簧(1)、两个辅助弹簧(2)、两个刀式凸轮(3)、两个滚轮(4)和滚轮支架(18)，
两个滚轮(4)分别架设在滚轮支架(18)的两端、并能够转动，滚轮支架(18)上表面设有恒力输出立柱(10)，两个刀式凸轮(3)分别位于两个滚轮(4)的外侧，滚轮(4)能够在其对应的刀式凸轮(3)工作面上滚动，
刀式凸轮(3)上设有横杆(19)，横杆(19)与直线电机(5)的芯轴(6)垂直，两个辅助弹簧(2)分别套接在两个横杆(19)上，调节螺母(8)设置在横杆(19)的末端，辅助弹簧(2)的两端分别与调节螺母(8)和横杆(19)首端固定连接，
恒力输出立柱(10)与载荷之间通过气浮机构相连。
3.根据权利要求2所述的电磁辅助式气浮恒力弹簧支架，其特征在于，气浮机构包括：五层支撑板、N个气浮导向杆(11)和2N个气浮导套(12)，N为正整数，
五层支撑板由上至下平行层叠设置，第一层支撑板和第二层支撑板之间通过3个载荷力传感器(13)相连，载荷力传感器(13)用于采集第一层支撑板和第二层支撑板之间的应力，N个气浮导向杆(11)的首端与第二层支撑板底面垂直并固定连接，N个气浮导向杆(11)的末端依次穿过第三、四层支撑板并与第五层支撑板上表面固定连接，每个气浮导向杆(11)上均套接有两个气浮导套(12)，同一个气浮导向杆(11)上的两个气浮导套(12)分别位于气浮导向杆(11)与第三、四层支撑板的交界处。
4.根据权利要求3所述的电磁辅助式气浮恒力弹簧支架，其特征在于，主弹簧(1)、两个辅助弹簧(2)、两个刀式凸轮(3)、两个滚轮(4)和滚轮支架(18)均位于第三层支撑板和第四层支撑板之间，主弹簧(1)、两个辅助弹簧(2)、两个刀式凸轮(3)、两个滚轮(4)和滚轮支架(18)还位于N个气浮导向杆(11)的合围区域内，
恒力输出立柱(10)穿过第三层支撑板与第二层支撑板的底面相连。
5.根据权利要求3所述的电磁辅助式气浮恒力弹簧支架，其特征在于，第一层支撑板的上表面设有用于支撑载荷的支撑立柱(16)。
6.根据权利要求3所述的电磁辅助式气浮恒力弹簧支架，其特征在于，N的取值为3，支撑板为三角形。
7.根据权利要求3所述的电磁辅助式气浮恒力弹簧支架，其特征在于，还包括支撑壳体，恒力弹簧系统和电磁主动式恒力补偿系统均位于支撑壳体内部，恒力输出立柱(10)从支撑壳体的顶部伸出至支撑壳体的外部，两个辅助弹簧(2)架设在支撑壳体的侧壁上。
8.根据权利要求7所述的电磁辅助式气浮恒力弹簧支架，其特征在于，支撑壳体包括：两个壳体支撑件(14)、两个侧面支撑板(15)、顶板、底板、前面板(17)和后面板，
两个侧面支撑板(15)、顶板、前面板(17)和后面板构成下开口的壳体结构，该壳体结构的下开口边缘通过两个壳体支撑件(14)固定在底板上。
9.根据权利要求8所述的电磁辅助式气浮恒力弹簧支架，其特征在于，壳体结构位于第三、四层支撑板之间，第三层支撑板坐落在支撑壳体顶部。
10.根据权利要求8或9所述的电磁辅助式气浮恒力弹簧支架，其特征在于，第四层支撑板坐落在支撑壳体顶部两个壳体支撑件(14)上。
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