DE102008039981B3

DE102008039981B3 - Device for proportionate compensation of force of gravity on test object by force of gravity against compensatory force, has spring arrangement that supports test object flexibly with compensatory force

Info

Publication number: DE102008039981B3
Application number: DE200810039981
Authority: DE
Inventors: Lars Witte
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2008-08-27
Filing date: 2008-08-27
Publication date: 2010-04-08
Anticipated expiration: 2028-08-28

Abstract

The device (1) has a spring arrangement that flexibly supports a test object (2) with a compensatory force. The spring arrangement is supported at displaceable support points (9) in the direction of a gravitational force, where force measuring instrument detects an actual compensatory force of a spring arrangement.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur anteiligen Kompensation der Schwerkraft auf ein Testobjekt durch eine der Schwerkraft entgegen gerichtete Kompensationskraft, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1.The The invention relates to a proportional compensation device gravity against a test object by gravity directed compensatory force, with the characteristics of the generic term of the independent Patent claim 1.

Im Bereich der Weltraumforschung werden Flugkörper, z. B. Landefähren, und Fahrzeuge, z. B. so genannte Rover, eingesetzt, um auf fremden Himmelskörpern zu landen und sich dort zu bewegen. Auf vielen der für den Menschen interessanten Himmelskörper herrscht eine deutlich geringere Schwerkraft als auf der Erde. So ist die Schwerkraft auf dem Mond nur ein Sechstel und die Schwerkraft auf dem Mars nur ein Drittel so groß wie diejenige auf der Erde. Bei der Auslegung der Flugkörper und Fahrzeuge ist deren Interaktion mit dem Boden des Himmelskörpers von hoher Relevanz für den Energie- und Antriebsbedarf, die dynamische Lande- bzw. Fahrstabilität, die Sicherheit und Robustheit. Diese sehr komplexe Interaktion ist auch noch heute numerischen Simulationen nur begrenzt zugänglich, weshalb ergänzende Untersuchungen und Erprobungen experimentell durchgeführt werden müssen.in the Area of space research missiles, z. B. Landing, and Vehicles, z. As so-called rover, used to alien celestial bodies land and move there. On many of the people interesting celestial body There is a much lower gravity than on earth. So gravity on the moon is only one-sixth and gravity on Mars only one-third the size of Earth. When designing the missile and vehicles is their interaction with the bottom of the celestial body of high relevance for the energy and drive requirements, the dynamic landing or driving stability, the safety and robustness. This very complex interaction is still today limited access to numerical simulations, which is why complementary studies and experiments must be carried out experimentally.

Damit sich die Flugkörper und Fahrzeuge dabei dynamisch ähnlich verhalten, schreiben die Ähnlichkeitsgesetze vor, dass Trägheits- und Gewichtskräfte im gleichen Verhältnis zueinander stehen müssen. Die Masse des Testflugkörpers oder -fahrzeugs, hier im Weiteren allgemein als Testobjekt bezeichnet, entspricht idealer Weise derjenigen des Originalflugkörpers bzw. -fahrzeugs, um die Trägheitskräfte beizubehalten, so dass die notwendigen geringeren Gewichtskräfte auf der Erde nur durch eine Teilkompensation der Schwerkraft erzielt werden kann. Dazu ist eine konstante Kompensationskraft, die die Schwerkraft anteilig kompensiert, auf das Testobjekt aufzubringen. Gleichzeitig darf das Testobjekt aber nicht in seiner Bewegung behindert werden, um dessen Eigendynamik nicht zu verfälschen.In order to the missiles and vehicles are dynamically similar behave, write the laws of similarity that inertia and weight forces in the same proportion need to stand each other. The mass of the test missile or vehicle, hereinafter generally referred to as a test object corresponds ideally that of the original missile or vehicle to the To maintain inertial forces, so that the necessary lower weight forces on earth just by a partial compensation of gravity can be achieved. To is a constant compensatory force that divides gravity proportionally compensated to apply to the test object. At the same time allowed the test object but not be hampered in his movement to its momentum does not distort.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Bei einer bekannten Vorrichtung zur anteiligen Kompensation der Schwerkraft auf ein Testobjekt ist das Testobjekt an Seilen aufgehängt, die jedoch nicht der Übertragung einer Kompensationskraft dienen, sondern der kinematischen Führung einer Pendelbewegung. Es resultiert eine vektorielle Zerlegung der Gewichtskraft des Testobjekts in einen Anteil in Richtung der Seile, der durch diese abgestützt wird und in einen Anteil in Richtung der Pendelbewegung. Dieser Anteil lässt sich über den Auslenkungswinkel des Testobjekts zu dem Aufhängungspunkt der Seile einstellen. Dabei kann der Aufhängungspunkt mit der Bewegung des Testobjekts verfahren werden, um den Auslenkungswinkel konstant zu halten. Eine derartige Vorrichtung ist in Blanchard, U.: Evaluation of a full-scale lunar-gravity simulator by comparison of landing-impact tests of a full-scale and a 1/6-scale model, NASA TN D-4474, 1968 bekannt. Nachteilig bei der Benutzung dieser bekannten Vorrichtung ist, dass der Untergrund des Himmelskörpers ebenfalls in geneigter Aufstellung simuliert werden muss. Im Falle einer Mond-Simulation muss er beispielsweise um 9,5° aus der Vertikalen bzw. um 80,5° aus der Horizontalen verkippt werden. Dies macht es unmöglich, wirklichkeitsgetreue Bewegungen auf realistisch granularem Bodenmaterial, wie z. B. Sand, durchzuführen, da dieses nicht auf einer derart schiefen Ebene liegen bleibt. Die bekannte Vorrichtung ist daher nur sehr eingeschränkt zur experimentellen Untersuchung von Flugkörpern und Fahrzeugen unter den auf einem Himmelskörper herrschenden Bedingungen geeignet.at a known device for proportionate compensation of gravity on a test object, the test object is hung on ropes that but not the transmission serve a compensation force, but the kinematic leadership of a Pendulum motion. The result is a vectorial decomposition of the weight of the test object in a proportion in the direction of the ropes, by supported this and in a proportion in the direction of the pendulum motion. This Share lets over the deflection angle of the test object to the suspension point adjust the ropes. It can be the suspension point with the movement of the test object to constant the deflection angle hold. Such a device is in Blanchard, U .: Evaluation of a full-scale lunar-gravity simulator by comparison of landing-impact Tests of a full-scale and a 1/6-scale model, NASA TN D-4474, 1968 known. A disadvantage of using this known device is that the underground of the celestial body is also inclined Installation must be simulated. In the case of a moon simulation must For example, he out at 9.5 ° vertical or 80.5 ° tilted horizontally. This makes it impossible, true to life Movements on realistic granular soil material, such. Sand, perform, because this does not lie on such an oblique plane. The known device is therefore very limited to experimental investigation of missiles and vehicles under the ruling on a celestial body Conditions suitable.

Als weitere Maßnahme zur anteiligen Kompensation der Schwerkraft auf ein Testobjekt durch eine der Schwerkraft entgegen gerichtete Kompensationskraft ist eine hydrostatische Entlastung bekannt, bei der der hydrostatische Auftrieb auf das Testobjekt zur anteiligen Kompensation seiner Schwerkraft benutzt wird. Durch die Viskosität der umgebenden Flüssigkeit wird das dynamische Verhalten sowohl des Testobjekts als auch von granularem Untergrundmaterial gegenüber den natürlichen Bedingungen extrem verschoben, so dass eine hydrostatische Entlastung für die Erprobung von Flugkörpern und Fahrzeugen unter realistischen Bedingungen ungeeignet ist.When further consequences for proportionate compensation of gravity on a test object by a Gravity counteracting compensation force is one hydrostatic discharge known in which the hydrostatic lift on the test object for proportionate compensation of its gravity is used. By the viscosity the surrounding liquid is the dynamic behavior of both the test object and of granular underground material over natural conditions extremely shifted, leaving a hydrostatic discharge for testing of missiles and vehicles are unsuitable under realistic conditions.

Auf sogenannten Parabelflügen können Bedingungen mit bis auf null reduzierter Schwerkraft generiert werden. Diese Bedingungen können jedoch nur für einige wenige Sekunden aufrechterhalten werden. Nachteilig sind auch die hohen Kosten aus dem Betrieb der für Parabelflüge speziell ausgerüsteten Flugzeuge. Größere Flugkörper, deren Auftreffen auf eine Himmelskörperoberfläche mit einer größeren Geschwindigkeit simuliert werden soll, finden in für Parabelflügel geeigneten Flugzeugen kaum Platz. Die Verwendung großer Mengen an Sand und Staub zur Nachbildung der Oberfläche eines Himmelskörpers, d. h. großer Mengen an schütt- bzw. fließfähigen Material ist aus Gründen der Flugsicherheit nicht möglich. Deshalb scheiden Parabelflüge für die experimentelle Untersuchung von Flugkörpern und Fahrzeugen unter Bedingungen mit reduzierter Schwerkraft aus.On so-called parabolic flights can Conditions are generated with zero gravity. These conditions can but only for be maintained for a few seconds. Disadvantages are also the high costs of operating the aircraft specially equipped for parabolic flights. Larger missiles whose Impact on a celestial surface with a greater speed to be simulated, found in parabolic wing suitable aircraft barely Space. The use of large Quantities of sand and dust to replicate the surface of a Celestial body, d. H. greater Quantities of bulk or flowable material is for reasons aviation safety not possible. That is why divide parabolic flights for the experimental investigation of missiles and vehicles under Conditions with reduced gravity off.

Als geeigneter Ansatz für die realitätsnahe experimentelle Untersuchung von Flugkörpern und Fahrzeugen unter reduzierter Schwerkraft verbleibt daher nur eine aktive mechanische Entlastung zur anteiligen Kompensation der Schwerkraft auf das jeweilige Testobjekt durch eine der Schwerkraft entgegen gerichtete Kompensationskraft. Hierzu ist es aus White, G., Xu, Y.: An active Z-gravity compensation system, CMU-RI-TR-92-09, Pittsburgh, Pennsylvania, Juli 1992 bekannt, die Kompensationskraft durch ein Gegengewicht aufzubringen, das über eine Zugseilanordnung auf das Testobjekt einwirkt. Dabei laufen die Zugseile über einen längs eines horizontal ausgerichteten Balkens verfahrenbaren Wagen, der dem Testobjekt so nachgefahren wird, dass die über die Zugseile auf das Testobjekt ausgeübten Kompensationskräfte immer genau in Z-Richtung verlaufen. Weiter wird die Spannung in den Zugseilen überwacht und mit einem auf das Seil einwirkenden Motor aktiv konstant gehalten, um die zusätzliche Trägheit des Gegengewichts zu kompensieren. Die Realisierung dieser bekannten Vorrichtung, um tatsächlich eine konstante Kompensationskraft auf ein Testobjekt aufzubringen, ist extrem aufwändig, da der Motor und seine Steuerung dieselbe Dynamik haben müssen wie die untersuchte Bewegung des Testobjekts.As a suitable approach for the realistic experimental investigation of missiles and vehicles under reduced gravity, therefore, only an active mechanical relief for the proportionate compensation of gravity on the respective test object by a gravity entge remains gen directed compensation force. To this end, it is known from White, G., Xu, Y .: An active Z-gravity compensation system, CMU-RI-TR-92-09, Pittsburgh, Pennsylvania, July 1992, to apply the compensating force by a counterweight that has a Zugseilanordnung acts on the test object. In this case, the traction cables run over a carriage which can be moved along a horizontally oriented beam and which is traced to the test object in such a way that the compensation forces exerted on the test object via the traction cables always run exactly in the Z direction. Further, the tension in the tension cables is monitored and actively kept constant with a motor acting on the cable to compensate for the additional inertia of the counterweight. The implementation of this known device to actually apply a constant compensation force to a test object is extremely expensive, since the motor and its control must have the same dynamics as the examined movement of the test object.

Eine ähnliche Vorrichtung, wie sie im letzten Absatz beschrieben wurde, ist auch aus Jagannathan, S., Fenn R.: Low-cost active anti-gravity suspension system, proceedings of the American control conference, Juni 1995 bekannt. Hier wird das Zugseil über eine mit dem Motor antreibbare Umlenkrolle zu dem Gegengewicht geführt und an dem Angriffspunkt des Zugseils an dem Testobjekt ist ein Kraftsensor vorgesehen, dessen Signal durch eine gezielte Ansteuerung des Motors für die Umlenkrolle konstant gehalten werden soll. Die Nachteile dieser Vorrichtung sind grundsätzlich dieselben wie diejenigen, die im letzten Absatz angeführt sind.A similar Device, as described in the last paragraph, is also from Jagannathan, S., Fenn R .: Low-cost active anti-gravity suspension System, proceedings of the American Control conference, June 1995 known. Here is the pull rope over a driven to the motor pulley led to the counterweight and a force sensor is provided at the point of application of the pull cable to the test object, its signal by a targeted control of the motor for the pulley should be kept constant. The disadvantages of this device are basically the same as those listed in the last paragraph.

Aus der WO 2005/116487 A1 ist eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 bekannt, bei der ein Zugseil über eine um eine horizontale Achse gelagerte Kurvenscheibe von dem Testobjekt zu einer Zugfeder führt, die die Kompensationskraft aufbringt. Die Kurvenscheibe ist so gestaltet, dass sie die Kompensationskraft unabhängig von der mit zunehmender Auszugslänge der Zugfeder steigenden Federkraft konstant hält. Abgesehen von der zwischen dem vertikalen Verfahrweg des Testobjekts und der Auszuglänge der Zugfeder wirkenden Übersetzung muss die Zugfeder dabei den gesamten vertikalen Verfahrweg des Testobjekts abdecken, und die Zugfeder und die Kurvenscheibe müssen je nach Testobjekt genau aufeinander abgestimmt sein.From the WO 2005/116487 A1 a device with the features of the preamble of independent claim 1 is known, in which a pull cable via a cam mounted about a horizontal axis of the test object leads to a tension spring, which applies the compensation force. The cam is designed so that it keeps the compensation force constant regardless of the increasing with increasing extension length of the tension spring spring force. Apart from the translation acting between the vertical travel of the test object and the extension length of the tension spring, the tension spring must cover the entire vertical travel of the test object, and the tension spring and the cam must be exactly matched depending on the test object.

Aus der US 3,330,052 A ist eine Vorrichtung zur anteiligen Kompensation der Schwerkraft auf ein Testobjekt offenbart, bei der mittels eines hydraulischen Kolbens eine der Schwerkraft entgegen gerichtete Kompensationskraft auf das Testobjekt ausgeübt wird. Dabei wird der Druck in dem hydraulischen Kolben mit Hilfe von Regelventilen konstant gehalten.From the US 3,330,052 A discloses a device for proportionate compensation of gravity on a test object, in which by means of a hydraulic piston, a gravity counteracting compensating force is exerted on the test object. The pressure in the hydraulic piston is kept constant by means of control valves.

AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur anteiligen Kompensation der Schwerkraft auf ein Testobjekt durch eine der Schwerkraft entgegen gerichtete Kompensationskraft aufzuzeigen, mit der verschiedene Testobjekte unter realitätsnahen Bedingungen experimentell untersucht werden können, ohne dass es einer aufwändigen Steuerung oder einer aufwändigen Anpassung an das jeweilige Testobjekt bedarf.Of the Invention is based on the object, a device for proportionate Compensation of gravity on a test object by gravity show opposing compensatory force, with the different Test objects under realistic Conditions can be studied experimentally, without requiring elaborate control or an elaborate one Adaptation to the respective test object is required.

LÖSUNGSOLUTION

Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der neuen Vorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 13 definiert.The The object of the invention is achieved by a device having the features of the independent claim 1 solved. Preferred embodiments the new device are in the dependent claims 2 to 13 defined.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION

Bei der neuen Vorrichtung ist die das Testobjekt elastisch abstützende Federanordnung ihrerseits an einem zumindest in Richtung der Schwerkraft verfahrbaren Abstützpunkt abgestützt; eine Kraftmesseinrichtung erfasst die von der Federanordnung aktuell ausgeübte Kompen sationskraft; und eine Steuerung verfährt den Abstützpunkt, um die Kompensationskraft konstant zu halten. Bei der neuen Vorrichtung dient die Federanordnung damit zwar zur elastischen Abstützung des Testobjekts, aber nicht zum originären Bereitstellen der Kompensationskraft. Hierfür ist vielmehr der Abstützpunkt vorgesehen. Die Federanordnung bewirkt dabei eine dynamische Entkopplung zwischen dem Testobjekt und dem Abstützpunkt. Das heißt, der Abstützpunkt muss nicht verfahren werden, um bei kleineren Bewegungen des Testobjekts die Kompensationskraft konstant zu halten. Diese kleineren Bewegungen des Testobjekts werden vielmehr von der Federanordnung durch kleine Veränderungen des Federwegs und entsprechend nur kleinen Variationen bei der Kompensationskraft aufgenommen. Der Abstützpunkt wird nur bei größeren und entsprechend niederfrequenten Bewegungen des Testobjekts verfahren. Die hierfür notwenigen Steuersignale liefert die Kraftmesseinrichtung an die Steuerung für den Abstützpunkt. Die Steuerung kann vergleichsweise einfach realisiert werden, weil sie nicht die volle Dynamik der Bewegungen des Testobjekts, sondern nur deren niederfrequente Anteile aussteuern muss.at the new device is the test object elastically supporting spring arrangement in turn on a movable at least in the direction of gravity support point supported; a force measuring device detects the current of the spring assembly practiced Compen sation force; and a controller moves the support point, to keep the compensation force constant. At the new device Although the spring assembly thus serves for the elastic support of the Test object, but not for the original provision of the compensation force. For this is rather the support point intended. The spring arrangement causes a dynamic decoupling between the test object and the support point. That is, the support point does not have to be moved to smaller movements of the test object to keep the compensation force constant. These smaller movements of the test object are rather of the spring assembly by small changes the spring travel and accordingly only small variations in the compensation force added. The support point is only available at larger and proceed in accordance with low-frequency movements of the test object. The necessary for this Control signals are supplied by the force measuring device to the controller for the Support point. The control can be realized comparatively easily because they do not have the full dynamics of the test object's movements, but rather only have to pay their low-frequency shares.

Vorzugsweise ist die Federanordnung bei der neuen Vorrichtung nur in Richtung der Schwerkraft elastisch verformbar, so dass sie das Testobjekt nur in Richtung der Schwerkraft elastisch abstützt.Preferably is the spring assembly in the new device only in the direction gravity is elastically deformable, so they only test the object is elastically supported in the direction of gravity.

Konkret kann die Federanordnung mindestens eine Zugfeder und mindestens ein Linearführungselement zwischen zwei endseitigen Befestigungselementen aufweisen. Es können auch mehrere Linearführungselemente und Zugfedern zwischen den endseitigen Befestigungselementen vorgesehen sein. Es versteht sich, dass die Linearführungselemente möglichst leichtgängig sind, d. h. einer Relativbewegung der beiden Befestigungselemente in der Richtung der Schwerkraft einen möglichst geringen Widerstand entgegensetzen.Specifically, the spring assembly at least one tension spring and at least one Linearfüh having locking element between two end-side fastening elements. It can also be provided between the end-side fastening elements a plurality of linear guide elements and tension springs. It is understood that the linear guide elements are as smooth as possible, ie oppose a relative movement of the two fasteners in the direction of gravity as low as possible resistance.

Die Federanordnung weist vorzugsweise eine Federsteifigkeit k auf, die mit der Masse m des Testobjekts eine Eigenfrequenz ω₀ = √(k/m) im Bereich von 5 bis 10 Hz ergibt. Durch die Eigenfrequenz wird eine Grenze definiert, oberhalb derer die Federanordnung das Testobjekt dynamisch von dem verfahrbaren Abstützpunkt entkoppelt und unterhalb derer es problemlos möglich ist, den Abstützpunkt quasi statisch zu verfahren, um die Kompensationskraft konstant zu halten. Entscheidend ist, dass die Eigenfrequenz ω₀ bei der gewünschten Kompensationskraft in dem genannten Bereich liegt, was aber nur bei einer Federanordnung, bei der k nicht über dem gesamten Kräftebereich konstant ist, zu berücksichtigen ist.The spring arrangement preferably has a spring stiffness k which, with the mass m of the test object, gives a natural frequency ω ₀ = √ (k / m) in the range from 5 to 10 Hz. By the natural frequency, a limit is defined above which the spring assembly dynamically decouples the test object from the movable support point and below which it is easily possible to move the support point quasi static in order to keep the compensation force constant. It is crucial that the natural frequency ω ₀ at the desired compensation force in the range mentioned, but this is only in a spring arrangement in which k is not constant over the entire range of forces to take into account.

Die Federanordnung der neuen Vorrichtung greift vorzugsweise über ein in der Richtung der Schwerkraft lang gestrecktes Kraftübertragungselement an dem Testobjekt an. Hierdurch wird zum einen ein Abstand zwischen den weiteren Bestandteilen der Vorrichtung und dem Testobjekt aufgebaut und damit der dynamische Bewegungsfreiraum des Testobjekts nicht eingeschränkt; zum anderen ermöglicht das Kraftübertragungselement dynamische Freiheitsgrade des Testobjekts in den linearen Richtungen normal zur Richtung der Schwerkraft. Dazu kann das Kraftübertragungselement beispielsweise ein Seil sein. Vorzugsweise ist das Kraftübertragungselement jedoch ein zugfester, aber biegeweicher Stab, beispielsweise ein Stab aus einem Faserverbundmaterial. Durch einen solchen Stab wird eine dynamische Entkopplung des Abstützpunkts auch gegenüber lateralen Bewegungen des Testobjekts erzielt. Gleichzeitig werden aber definierte Kräfte, die auf die laterale Auslenkung des Testobjekts hinweisen, auf den Abstützpunkt übertragen. Diese Kräfte können zusätzlich von der Kraftmesseinrichtung erfasst werden und dazu benutzt werden, dass die Steuerung den Abstützpunkt lateral so verfährt, dass diese Kräfte auf null zurückgeführt werden.The Spring arrangement of the new device preferably engages over in the direction of gravity elongated power transmission element on the test object. As a result, on the one hand, a distance between built the other components of the device and the test object and so that the dynamic freedom of movement of the test object is not restricted; to the others possible the power transmission element dynamic degrees of freedom of the test object in the linear directions normal to the direction of gravity. This can be the power transmission element for example, be a rope. Preferably, the power transmission element However, a tensile, but flexible rod, such as a Rod made of a fiber composite material. By such a rod is a dynamic decoupling of the support point against lateral Movements of the test object achieved. At the same time, however, are defined forces which indicate the lateral deflection of the test object, on the Transfer support point. These forces can additionally from the force measuring device are detected and used to that the controller is the support point laterally so, that these forces be reduced to zero.

Um die dynamische Entkopplung durch die Federanordnung und ggf. auch den biegeweichen Stab bereits für das Ausgangssignal der Kraftmesseinrichtung zu nutzen, kann diese zwischen der Federanordnung und dem verfahrbaren Abstützpunkt vorgesehen sein. Grundsätzlich kann die Kraftmesseinrichtung aber auch näher an dem Messobjekt angeordnet sein. Je nachdem, welche dynamische Entkopplung dabei wegfällt, ist für das entsprechende Ausgangssignal der Kraftmesseinrichtung dann ein Tiefpassfilter vorzusehen, um die Steuerung für das Verfahren des Abstützpunkts nur hinsichtlich niederfrequenterer Bewegungsanteile des Testobjekts zu bemühen.Around the dynamic decoupling by the spring arrangement and possibly also the flexible rod already for to use the output of the force measuring device, this can provided between the spring assembly and the movable support point be. in principle However, the force measuring device can also be arranged closer to the measurement object be. Depending on which dynamic decoupling is omitted, is for the corresponding output signal of the force measuring device then a low-pass filter to provide the control for the method of the support point only with regard to lower-frequency movement components of the test object to try.

Um dem Testobjekt volle Rotationsbewegungsfreiheit gegenüber der neuen Vorrichtung zu geben, kann es über eine kardanische Aufhängung an dem Stab gelagert sein. Diese kardanische Aufhängung kann durch einen frei verschwenk- und verdrehbaren Kugelkopf ausgebildet sein, über den das Testobjekt an dem freien Ende des Stabs gelagert ist.Around the test object full rotation freedom from the To give it new device, it can be connected via a gimbal be stored the rod. This gimbal can be released by a free pivotable and rotatable ball head be formed over the the test object is mounted on the free end of the rod.

Der Abstützpunkt ist bei der neuen Vorrichtung zumindest in Z-Richtung linear verfahrbar, vorzugsweise jedoch in allen drei Raumrichtungen. Eine Verdrehung oder Verschwenkung des Abstützpunkts bzw. der daran abgestützten Federanordnung ist bei der neuen Vorrichtung nicht vorgesehen. Drehungen oder Verschwenkungen des Testobjekts werden über die Rotationsfreiheitsgrade dessen Aufhängung an der Vorrichtung ermöglicht. Dennoch wird zum Verfahren des Abstützpunkts vorzugsweise ein 6-Achs-Roboter eingesetzt, wie er Industriestandard ist. Die Möglichkeiten der dynamischen Ansteuerung eines solchen Roboters sind für die Erfordernisse der neuen Vorrichtung völlig ausreichend.Of the support point is linearly movable in the new device at least in the Z direction, but preferably in all three spatial directions. A twist or pivoting of the support point or the supported Spring arrangement is not provided in the new device. Turns or Swivels of the test object are determined by the rotational degrees of freedom its suspension allows on the device. Nevertheless, to operate the support point, preferably a 6-axis robot used as it is industry standard. The possibilities of dynamic Control of such a robot are for the needs of the new Device completely sufficient.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.advantageous Further developments of the invention will become apparent from the claims, the Description and the drawings. The in the introduction to the description advantages of features and combinations of several Features are merely exemplary and may be alternative or cumulative come into effect, without the benefits of mandatory embodiments of the invention must be achieved. Other features are the drawings - in particular the illustrated Geometries and the relative dimensions of several components to each other as well as their relative arrangement and operative connection - can be seen. The combination of features of different embodiments the invention or features of different claims is also different from the ones chosen The antecedents of the claims possible and is hereby stimulated. This also applies to such features as in separate drawings are shown or in their description to be named. These features can be combined with features of different claims. As well can in the claims listed Features for more embodiments the invention omitted.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert und beschrieben.In the following the invention with reference to a specific embodiment with reference to the attached figures and explained in more detail.

1 zeigt die neue Vorrichtung zur anteiligen Kompensation der Schwerkraft eines Testobjekts, das hier ein Flugkörper ist. 1 shows the new device for proportionate compensation of the gravity of a test object, which is here a missile.

2 zeigt eine in 1 hervorgehobene Testobjektaufhängung der neuen Vorrichtung in vergrößerter Darstellung. 2 shows an in 1 highlighted test object suspension of the new device in an enlarged view.

3 zeigt die Testobjektaufhängung gemäß 2 mit einem angehängten Testobjekt in Form eines über einen unebenen Untergrund fahrenden Fahrzeug. 3 shows the test object suspension according to 2 with an attached test object in the form of a vehicle traveling over an uneven ground.

4 zeigt die auf ein Testobjekt, das über eine Testobjektaufhängung gemäß 2 aufgehängt ist, einwirkenden Kräfte in Z-Richtung. 4 shows the on a test object, the over a test object suspension according to 2 is suspended, acting forces in the Z direction.

5 skizziert die Auswirkungen einer Auslenkung des Testobjekts gegenüber der Testobjektaufhängung gemäß 2 in lateraler Richtung. 5 outlines the effects of a deflection of the test object against the test object suspension according to 2 in lateral direction.

6 ist ein Blockdiagramm der Steuerung der neuen Vorrichtung gemäß 1. 6 FIG. 12 is a block diagram of the control of the new device according to FIG 1 ,

7 zeigt Zeitverläufe der Kraft an einem Abstützpunkt der Testobjektaufhängung, d. h. der Kompensationskraft, und der Bodenkontaktkraft eines Flugkörpers als Testobjekt bei dessen Landeaufprall unter simulierter reduzierter Schwerkraft. 7 10 shows time courses of the force at a support point of the test object suspension, ie the compensation force, and the ground contact force of a missile as a test object during its landing impact under simulated reduced gravity.

8 zeigt den Zeitverlauf der Höhe des Testobjekts über dem Boden für den auch bei der Auftragung gemäß 7 berücksichtigten Zeitraum. 8th shows the time course of the height of the test object above the ground for the also in the application according to 7 period considered.

9 zeigt Zeitverläufe der Bodenkontaktkraft eines Flugkörpers bei dessen Landeaufprall auf die Erde und den Mond jeweils ohne eine anteilige Kompensation der Schwerkraft; und 9 shows time courses of the ground contact force of a missile in its landing impact on the earth and the moon in each case without a proportional compensation of gravity; and

10 zeigt den Zeitverlauf der Höhe des Flugkörpers über dem Boden bei dessen Landeaufprall auf die Erde und den Mond für den in 9 berücksichtigten Zeitraum. 10 shows the time course of the height of the missile above the ground during its landing impact on the earth and the moon for the in 9 period considered.

FIGURENBESCHREIBUNGDESCRIPTION OF THE FIGURES

Die in 1 dargestellte Vorrichtung 1 dient zur anteiligen Kompensation der Schwerkraft auf ein Testobjekt 2, bei dem es sich hier um einen Flugkörper 3 handelt. Beispielsweise dient die Vorrichtung 1 dazu, Landebeine 4 des Flugkörpers 3 bezüglich ihres Verhaltens beim Auftreffen auf einen granularen Untergrund 5 im Fall unter reduzierter Schwerkraft zu testen, wie sie beispielsweise auf dem Mond herrscht. Die Vorrichtung 1 umfasst im Wesentlichen einen 6-Achs-Roboter 6 von normalem Industriestandard und eine zwischen einem Anschlussflansch des Roboters 6 und dem Testobjekt 2 geschaltete Testobjektaufhängung 8. Mit dem Roboter 6 wird auf das Testobjekt 2 eine der Schwerkraft entgegen gerichtete Kompensationskraft aufgebracht. Dazu muss der Anschlussflansch 7, der einen Abstützpunkt 9 für die Testobjektaufhängung 8 ausbildet, den Bewegungen des Testobjekts sowohl in Z-Richtung als auch den lateralen Richtungen nachgefahren werden, wobei der Anschlussflansch 7 nicht verschwenkt wird. Damit sich die Steuerung des Roboters 6 bei dieser Art der aktiven Gewichtsentlastung des Testobjekts 2 auf langsame Bewegungen, d. h. quasi-statische Lageveränderungen des Testobjekts 2 fokussieren kann, was die Ansteuerung des Roboters 6 erheblich vereinfacht, ist die Testobjektaufhängung 8 in spezieller Weise ausgebildet.In the 1 illustrated device 1 serves to proportionate compensation of gravity on a test object 2 , which is a missile here 3 is. For example, the device serves 1 in addition, landing legs 4 of the missile 3 in terms of their behavior when hitting a granular surface 5 in the case under reduced gravity to test, as it prevails, for example, on the moon. The device 1 essentially comprises a 6-axis robot 6 of normal industry standard and one between a flange of the robot 6 and the test object 2 switched test object suspension 8th , With the robot 6 will be on the test object 2 applied a gravity counteracting compensation force. This requires the connection flange 7 , the one support point 9 for the test object suspension 8th traverses the movements of the test object in both the Z-direction and the lateral directions, wherein the connecting flange 7 is not pivoted. Thus the control of the robot 6 in this type of active weight reduction of the test object 2 on slow movements, ie quasi-static changes in position of the test object 2 can focus what the control of the robot 6 greatly simplified, is the test object suspension 8th designed in a special way.

Die in 2 vergrößert wiedergegebene Testobjektaufhängung 8 weist einen Anschlussflansch 10 zur Befestigung an dem hier nicht dargestellten Testobjekt 2 auf. Der Anschlussflansch 10 ist an dem unteren Ende eines zugfesten, aber biegeweichen Stabs 11, vorzugsweise eines Faserverbundstabs, über eine kardanische Aufhängung 12 gelagert, die einen in allen drei Rotationsfreiheitsgraden frei verdreh- und verschwenkbaren Kugelkopf 13 aufweist. An seinem oberen Ende ist der Stab 11 starr an einem unteren Befestigungselement 14 einer Federanordnung 15 gelagert. Die Federanordnung 15 weist zwischen dem unteren Befestigungselement 14 und einem oberen Befestigungselement 16 Zugfedern 17 und Linearführungselemente 18 auf. Die Linearführungselemente 18 erlauben eine Relativbewegung des Befestigungselements 14 gegenüber dem Befestigungselement 16 ausschließlich in Z-Richtung, wobei diese Relativbewegung durch die Zugfedern 17 elastisch abgestützt wird. Das obere Befestigungselement 16 ist an eine Kraftmesseinrichtung 19 angesetzt, die sowohl Kräfte in Z-Richtung als auch laterale Kräfte erfasst und diese Kräfte an eine Steuerung des Robotors 6 gemäß 1 übermittelt. Die Messeinrichtung 19 ist zum Anschluss an den Anschlussflansch 7 gemäß 1 bzw. den von diesem ausgebildeten Abstützpunkt 9 vorgesehen. Die Testobjektaufhängung 8 gemäß 2 bewirkt eine dynamische Entkopplung zwischen dem Anschlussflansch 10 und dem Abstützpunkt 9 sowohl in Z-Richtung durch die Federanordnung 15 als auch in lateraler Richtung durch den biegeweichen Stab 11. Diese dynamische Entkopplung wirkt wie ein Tiefpassfilter für Lageveränderungen des Testobjekts gegenüber dem Abstützpunkt 9, so dass die Messeinrichtung 19 nur solche Änderungen der Kräfte in Z-Richtung und in lateralen Richtungen erfasst, die mit quasi-statischen Lageveränderungen des Testobjekts verbunden sind. Die dynamischen Verlagerungen des Testobjekts gegenüber dem Abstützpunkt 9 werden in den lateralen Richtungen von dem Stab 11 und in der Z-Richtung von der Federanordnung 15 ”geschluckt”. Wenn durch Verfahren des Abstützpunkts 9 mit dem Roboter 6 gemäß 1 die Kraft in Z-Richtung, die von der Messeinrichtung 19 erfasst wird, konstant gehalten wird und die Kräfte in den lateralen Richtungen auf null gehalten werden, wird eine im Wesentlichen konstante, der Schwerkraft entgegen wirkende Kompensationskraft auf das Testobjekt ausgeübt. Es versteht sich, dass hierfür die Federsteifigkeiten des Stabs 11 in den lateralen Richtungen und der Federanordnung 15 in Z-Richtung in geeigneter Weise abgestimmt sein müssen, wie im Nachfolgenden noch näher erläutert werden wird.In the 2 magnified reproduced test object suspension 8th has a connection flange 10 for attachment to the test object, not shown here 2 on. The connection flange 10 is at the lower end of a tensile but flexible rod 11 , preferably a fiber composite rod, via a gimbal 12 stored, the one in all three rotational degrees of freedom freely rotatable and pivotable ball head 13 having. At its upper end is the rod 11 rigid to a lower fastener 14 a spring arrangement 15 stored. The spring arrangement 15 points between the lower fastener 14 and an upper fastening element 16 Tension springs 17 and linear guide elements 18 on. The linear guide elements 18 allow a relative movement of the fastener 14 opposite the fastener 16 exclusively in the Z direction, this relative movement being due to the tension springs 17 is elastically supported. The upper fastening element 16 is to a force measuring device 19 which detects forces in the Z direction as well as lateral forces and applies these forces to a controller of the robot 6 according to 1 transmitted. The measuring device 19 is for connection to the connection flange 7 according to 1 or the support point formed by this 9 intended. The test object suspension 8th according to 2 causes a dynamic decoupling between the connection flange 10 and the support point 9 both in the Z direction by the spring arrangement 15 as well as in the lateral direction by the flexible rod 11 , This dynamic decoupling acts as a low-pass filter for changes in position of the test object relative to the support point 9 so that the measuring device 19 detects only those changes in the forces in the Z direction and in lateral directions, which are associated with quasi-static changes in position of the test object. The dynamic displacements of the test object relative to the support point 9 become in the lateral directions of the rod 11 and in the Z direction of the spring assembly 15 "Swallowed". If by procedures of the support point 9 with the robot 6 according to 1 the force in Z-direction, by the measuring device 19 is detected, held constant and the forces are kept in the lateral directions to zero, a substantially constant, counteracting the force of gravity compensation force is exerted on the test object. It is understood that this is the spring stiffness of the rod 11 in the lateral directions and the spring arrangement 15 must be suitably tuned in the Z direction, as will be explained in more detail below.

3 skizziert die Testobjektaufhängung 8 gemäß 2 in Verbindung mit einem Testobjekt 2 in Form eines Fahrzeugs 20, das bezüglich seines Verhaltens bei der Fahrt über einen unebenen Untergrund 5 unter reduzierter Schwerkraft getestet werden soll. 3 outlines the test object suspension 8th according to 2 in connection with a test object 2 in the form of a vehicle 20 that respect its behavior when driving over a rough surface 5 to be tested under reduced gravity.

Da hoch dynamische Vorgänge wie das Fahren auf unebenem Untergrund oder der Landestoß beim Aufsetzen eines Flugkörpers zu hochfrequent für jede Steuerung oder Regelung für das Verfahren des Abstützpunkts 9 sind, sind das Testobjekt 2 und der Abstützpunkt 9 bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß 1 durch die Testobjektaufhängung 8 dynamisch entkoppelt. Die dynamische Entkopplung von Testobjekt 2 und Abstützpunkt 9 wird im Folgenden beispielhaft in der Vertikalrichtung erläutert, in der die Federanordnung 15 wirksam ist. Die hier getroffenen Aussagen gelten analog für die lateralen Freiheitsgrade, bei denen der Stab 11 durch seine Verbiegung das Federelement darstellt.Since highly dynamic operations such as driving on uneven ground or the impact of landing a missile to high frequency for any control or regulation for the procedure of the support point 9 are, are the test object 2 and the support point 9 in the device according to the invention 1 according to 1 through the test object suspension 8th dynamically decoupled. The dynamic decoupling of the test object 2 and support point 9 is explained below by way of example in the vertical direction, in which the spring arrangement 15 is effective. The statements made here apply analogously to the lateral degrees of freedom in which the rod 11 represents the spring element by its bending.

Das aus Testobjekt 2 und der Testobjektaufhängung 8 gebildete System kann durch das in 5 wiedergegebenen Ersatzsystem dargestellt werden. Für die Bewegung des Schwerpunkts des Testobjekts gilt die folgende Differentialgleichung: mx .. = –FL + G – FR The test object 2 and the test object suspension 8th educated system can by the in 5 represented replacement system. The following differential equation applies to the movement of the center of gravity of the test object: mx .. = -F L + G - F R

Nach Umwandlung zur Darstellung als Kräfteverhältnis aus Kompensationskraft F_R und Fahrwerkkräften F_L führt die Lösung der Differentialgleichung auf: FR/FL = f = Vcos(η·τ – a)mit η = Ω/ω_o als dimensionsloser Frequenz, sowie τ als dimensionslose Zeit.After conversion to the representation as a force ratio of compensation force F _R and chassis forces F _L , the solution of the differential equation leads to: F R / F L = f = V cos (η · τ - a) with η = Ω / ω _o as dimensionless frequency, and τ as dimensionless time.

Dabei ist V der Verstärkungsfaktor: V = 1/|1 – η2| Where V is the gain factor: V = 1/1 - η 2 |

Dynamische Entkopplung bedeutet also, dass die Dynamik des Testobjekts 2 idealer Weise nicht auf den Abstützpunkt 9 zurückwirkt.Dynamic decoupling therefore means that the dynamics of the test object 2 ideally not on the support point 9 reacts.

Hierzu muss der Verstärkungsfaktor V möglichst klein sein, was eine möglichst hohe dimensionslose Frequenz erfordert. Diese Forderung wird erfüllt, wenn die Eigenfrequenz wo des durch das Testobjekt 2 und die Testobjektaufhängung 8 gebildeten Schwingers deutlich kleiner als die kritische Frequenz Ω ist. Dieses Systems lässt sich auch als mechanischer Tiefpassfilter interpretieren, dessen Flanke durch ω_o gebildet wird.For this purpose, the gain factor V must be as small as possible, which requires the highest possible dimensionless frequency. This requirement is met if the natural frequency where of by the test object 2 and the test object suspension 8th formed oscillator is significantly smaller than the critical frequency Ω. This system can also be interpreted as a mechanical low-pass filter whose edge is formed by ω _o .

In der praktischen technischen Realisierung ist ω_o mindestens zu so wählen, dass die verbleibenden dynamischen Anteile innerhalb der Regelungsbandbreite des Roboters liegen. Damit können diese Anteile als quasi-statische Abweichungen von der einzunehmenden Ruhelage aufgefasst und durch Nachführen des Roboters in vertikaler Richtung ausgeglichen werden. Die Zielfrequenz liegt bei ω_o = 5 bis 10 Hz, wenn ein üblicher Industrieroboter eingesetzt wird.In practical industrial implementation, ω _{o is} at least to be chosen such that the remaining dynamic components are within the control bandwidth of the robot. Thus, these proportions can be considered as quasi-static deviations from the rest position to be taken and compensated by tracking the robot in the vertical direction. The target frequency is ω _o = 5 to 10 Hz when a conventional industrial robot is used.

Da gemäß der nachstehenden Beziehung die Eigenfrequenz ω_o durch die Masse des Testobjekts und die Federsteifigkeit der Zugfeder bestimmt wird, ist letztere auf das Testobjekt abgestimmt zu wählen. Solche Zugfedern sind Industriestandart.Since, according to the following relationship, the natural frequency ω _{o is} determined by the mass of the test object and the spring stiffness of the tension spring, the latter is to be selected in accordance with the test object. Such tension springs are Industriestandart.

Wie eingangs angesprochen gelten die Beziehungen analog auch für die lateralen Freiheitsgrade. Dabei bildet der biegeweise Stab 11 das Federelement, dessen Steifigkeit wie nachstehend gezeigt aus der Biegelinie des Stabs errechnet wird. Der Stab 11 ist also zur Erzielung der notwendigen geringen Steifigkeiten in Länge und Durchmesser zu dimensionieren. Faserverbundmaterialien ermöglichen dabei eine hohe Zugfestigkeit, um auch schwere Objekte halten zu können, bei gleichzeitig geringer Biegesteifigkeit.As mentioned above, the relationships also apply analogously to the lateral degrees of freedom. This forms the bending rod 11 the spring element whose stiffness is calculated from the bending line of the bar as shown below. The rod 11 is therefore to be dimensioned to achieve the necessary low stiffness in length and diameter. Fiber composite materials allow a high tensile strength to hold even heavy objects, while low bending stiffness.

Die Ersatzfedersteifigkeit des Stabs berechnet sich gemäß der Formel:

The replacement spring stiffness of the rod is calculated according to the formula:

Darin ist L die Länge des Stabs, I_y sein Flächenträgheitsmoment und E sein Elastizitätsmodul. In den 5a und 5b sind die Richtungen der hier berücksichtigten Vektoren eingetragen.Therein, L is the length of the rod, I _y its area moment of inertia and E be Young's modulus. In the 5a and 5b the directions of the vectors considered here are entered.

6 skizziert eine Steuerung 21 für den Roboter 6 gemäß 1 in Verbindung mit der Objektaufhängung 8. Die Funktion dieser Steuerung 21 wird im Folgenden anhand eines Anwendungsbeispiels erläutert. Der Roboter 6 vollführt eine vorab programmierte Bewegung, die das zu untersuchende Testobjekt, das an der Testobjektaufhängung 8 aufgehängt ist, mit der für den Versuch notwendigen Geschwindigkeit fahren oder landen lässt. Der Roboter nimmt dabei in vertikaler Richtung eine Position ein, die der erwarteten Federspannung für die Gewichtsentlastung in notwendiger Größe entspricht (z. B. im Falle des Landens/Fahrens auf dem Mond F_R = 5/6 G_TESTOBJEKT). Dies entspricht der von der Steuerung 21 kommandierten Position des Roboters 6. Tatsächlich entstehen Abweichungen zwischen der mit der vorgesteuerten Position erzielten Kraft und der Soll-Kraft, welche durch die Kraftmesseinrichtung 19 gemessen werden. Diese Abweichungen resultieren aus zwangsläufig ungenauer Parameterkenntnis, dem Einsinken des Testobjekts 2 in den weichen Untergrund 5, was eine geänderte Federspannung der Federanordnung 15 bewirkt, und verbleibenden niederfrequenten dynamischen Anteilen aus der Lande-/Fahrdynamik. Analog entstehen Horizontalkräfte und Biegemomente, wenn das Testobjekt 2 seitlich wegrutscht, kippt oder aufgrund von Hindernissen seine Fahrgeschwindigkeit verlangsamt. Die Soll-Kraft in vertikaler Richtung ist im Beispiel des Mondes 5/6 G_TESTOBJEKT. Die Regelabweichung wird als Positionskorrektur an den Roboter zurückgeführt, da er eine entsprechende vertikale Bewegung durchführt. Die Soll-Werte für Horizontalkräfte und Beigemomente sind null. Die Regelabweichung wird als horizontale Positionskorrektur zurückgeführt, wodurch der Roboter 6 einem seitlich auswandernden Testobjekt 2 folgt, bzw. seine Geschwindigkeit anpasst. Die Testobjektaufhängung 8 überträgt aufgrund ihres Aufbaus im Gegensatz zu Seilen Kräfte in Z-Richtung und lateralen Richtungen. Diese sind direkt messbar und haben die gleiche physikalische Dimension wie die Soll-Größen. Der Bewegungszustand des aus Testobjekt 2 und Aufhängung 8 gebildeten Systems ist also im regelungstechnischen Sinne direkt beobachtbar und regelbar. 6 outlines a control 21 for the robot 6 according to 1 in conjunction with the object suspension 8th , The function of this controller 21 will be described below with reference to an application explained. The robot 6 Performs a pre-programmed movement that includes the test object to be examined, the test object suspension 8th is suspended, with the speed necessary for the attempt to drive or land. The robot assumes in the vertical direction a position which corresponds to the expected spring tension for the weight reduction of the required size (eg in the case of landing / driving on the moon F _R = 5/6 G _{TEST OBJECT} ). This corresponds to that of the controller 21 commanded position of the robot 6 , In fact, deviations arise between the force achieved with the pilot-controlled position and the desired force, which is determined by the force measuring device 19 be measured. These deviations result from inevitably inaccurate knowledge of the parameter, the subsidence of the test object 2 in the soft underground 5 what a changed spring tension of the spring assembly 15 and remaining low-frequency dynamic shares from the landing / driving dynamics. Similarly arise horizontal forces and bending moments when the test object 2 slips sideways, tilts or slows down due to obstacles its driving speed. The nominal force in the vertical direction is in the example of the Moon 5/6 G _TESTOBJEKT . The control deviation is returned to the robot as a position correction because it performs a corresponding vertical movement. The nominal values for horizontal forces and moments are zero. The control deviation is returned as a horizontal position correction, which causes the robot 6 a laterally emigrating test object 2 follows or adjusts its speed. The test object suspension 8th transmits forces in the Z-direction and lateral directions due to their structure in contrast to cables. These are directly measurable and have the same physical dimension as the target sizes. The state of movement of the test object 2 and suspension 8th The system formed is thus directly observable and controllable in terms of control technology.

Der in 7 gezeigte Graph ist ein Ergebnis einer numerischen Simulation, welche die Arbeitsweise der Vorrichtung 1 gemäß 1 anhand eines Beispiels der Vertikalbewegung mit Gewichtskraftentlastung zeigt. Hierbei ist der Aufsetzvorgang eines Flugkörpers 3 als Testobjekt mit einer Masse von m_TESTOBJEKT = 400 kg simuliert. Die Aufsetzgeschwindigkeit liegt bei 1 m/sec. Das Aufsetzen erfolgt ca. bei t = 0,5 sec. Dargestellt sind die Kraft 22 F_R, das ist die von dem Roboter 6 aufgebrachte bzw. an dem Abstützpunkt 9 wirkende Kraft, also die Kompensationskraft, und die Kraft 23 F_L, das ist die Landekraft bzw. Bodenkontaktkraft resultierend aus der Landebahndynamik des Flugkörpers. Bis zum Zeitpunkt des Aufsetzens des Testobjekts beträgt die Kompensationskraft F_R 3924 N, der Roboter 6 trägt also das Testobjekt 2. F_L ist 0. Im Moment des Aufsetzens entsteht ein Landestoß mit hohen Lastspitzen. Das Testobjekt 2 hebt kurzzeitig wieder vom Boden ab. Es erfolgt ein erneutes Aufsetzen und Ausschwingen des Flugkörpers. Die Landebeine tragen anschließend eine statische Last von F_L = 654 N, was einem Sechstel der Schwerkraft auf der Erde bzw. der zu erwartenden Schwerkraft auf dem Mond entspricht. F_R ist während des Aufsetzens auf die kommandierte Kraft 5/6 G_ERDE zurückgegangen. Auch der Landestoß und das Hüpfen des Testobjekts ändern daran nichts. Das Testobjekt erfährt also die erforderliche korrekte Entlastung durch die die Schwerkraft auf der Erde auf die Schwerkraft auf dem Mond zurückführenden Kompensationskraft. Es ist zu betonen, dass F_R und F_L nicht die vollständige Kräftebilanz darstellen, wie 7 vielleicht suggeriert. Dies trifft nur auf die stationären Zustände zu, also bis zum Aufsetzzeitpunkt bei 0,5 s und ab dem Ausklingen der Schwingung. In den dynamischen Phasen erzeugt F_L einen korrespondierenden Term der d'Alembert'schen Trägheitskraft, welcher zu einer Änderung des Bewegungszustands des Testobjekts führt und sich im Abbremsen bzw. Hüpfen desselben zeigen. Erst dies führt zu einer Weg- und damit Kraftänderung in der Federanordnung 8.The in 7 The graph shown is a result of a numerical simulation showing the operation of the device 1 according to 1 using an example of vertical movement with weight relief shows. Here is the placement of a missile 3 as a test object with a mass of m _TESTOBJEKT = 400 kg simulated. The touchdown speed is 1 m / sec. The touchdown takes place at t = 0.5 sec. Shown are the force 22 F _R , that's the one from the robot 6 applied or at the support point 9 acting force, so the compensation force, and the force 23 F _L , that is the landing force or ground contact force resulting from the runway dynamics of the missile. By the time the test object is set up, the compensation force F _{R is} 3924 N, the robot 6 So carries the test object 2 , F _L is 0. At the moment of touchdown, a landing with high peak loads occurs. The test object 2 takes off from the ground for a short time. There is a renewed touchdown and swinging of the missile. The landing legs then carry a static load of F _L = 654 N, which corresponds to a sixth of gravity on Earth or the expected gravity on the moon. F _R has declined during touchdown on the commanded force 5/6 G _ERDE . The landing impact and the hopping of the test object do not change that. The test object thus undergoes the required correct discharge by the force of gravity on the earth due to gravity on the moon compensating force. It should be emphasized that F _R and F _L do not represent the complete force balance, such as 7 maybe suggested. This only applies to the stationary states, ie up to the touchdown time at 0.5 s and from the end of the oscillation. In the dynamic phases, F _L generates a corresponding term of d'Alembert's inertial force, which results in a change in the state of motion of the test object and manifests itself in the deceleration or hopping thereof. Only this leads to a displacement and thus force change in the spring arrangement 8th ,

8 zeigt durch Auftragung des Zeitverlaufs der Höhe 24 des Testobjekts über dem Boden die Trajektorie des Testobjekts unter Einwirkung der Kräfte gemäß 7. 8th shows by plotting the time course of the height 24 of the test object above the ground, the trajectory of the test object under the action of the forces according to 7 ,

Die 9 und 10 geben Vergleichsrechnungen wieder, die so erstellt wurde, dass im Moment des ersten Bodenkontakts die gleichen Anfangsbedingungen für die Trajektorie herrschen, wie bei der robotergeführten Bewegung gemäß 7 und 8. Die Freifalltrajektorien der Vergleichsrechnungen vor dem ersten Aufsetzen sind dabei weggelassen. Weiterhin wurden die Kurven so in der Zeitachse verschoben, dass die Zeitpunkte des ersten Bodenkontakts vergleichbar übereinander liegen. So beschreiben die Bodenkontaktkraft 25 gemäß 9 und die zugehörige Höhe 28 über dem Boden gemäß 10 den Landeaufprall des Flugkörpers auf die Erde ohne anteilige Kompensation der Erdschwerkraft, während die Bodenkontaktkraft 26 gemäß 9 und die Höhe 27 über dem Boden gemäß 10 den Landeaufprall des Flugkörpers auf den Mond beschreiben. Aus dem Vergleich der Bodenkontaktkraft 26 und der Höhe 27 über dem Boden mit der Bodenkontaktkraft 23 gemäß 7 und der Höhe 24 über dem Boden gemäß 8 ist sofort ersichtlich, dass durch die erfindungsgemäße teilweise Kompensation der Schwerkraft auf der Erde, wie sie Grundlage der 7 und 8 ist, die Verhältnisse auf dem Mond gut nachgebildet werden.The 9 and 10 reproduce comparative calculations made so that, at the moment of the first ground contact, the same initial conditions exist for the trajectory as in the robot guided movement according to FIG 7 and 8th , The freefall trajectories of the comparative calculations before the first touchdown are omitted. Furthermore, the curves were shifted in the time axis so that the times of the first ground contact are comparable to each other. So describe the ground contact force 25 according to 9 and the associated height 28 according to the ground 10 the landing impact of the missile on the ground without proportional compensation of the earth's gravity, while the ground contact force 26 according to 9 and the height 27 according to the ground 10 describe the landing impact of the missile on the moon. From the comparison of ground contact force 26 and the height 27 above ground with ground contact force 23 according to 7 and the height 24 according to the ground 8th is immediately apparent that by the inventive partial compensation of gravity on earth, as the basis of 7 and 8th is that the conditions on the moon are well replicated.

In den in den 7 bis 10 dokumentierten Simulationen wurde das Testobjekt als Massepunkt angenommen, der ein masseloses, paralleles Feder-Dämpfer-Element als Landebein 4 von 0,5 m Länge aufweist. Der erste Bodenkontakt erfolgt also bei 0,5 m Höhe über dem Boden, da die Trajektorien, wie sie in den 8 und 10 dargestellt sind, die Bahn des Masseschwerpunkts beschreiben.In the in the 7 to 10 In documented simulations, the test object was adopted as a mass point, which is a massless, parallel spring-damper element as a landing leg 4 of 0.5 m Length. The first contact with the ground is therefore at 0.5 m above the ground, since the trajectories, as in the 8th and 10 are described, describe the path of the center of mass.

11: Vorrichtungcontraption
22: Testobjekttest object
33: Flugkörpermissile
44: Landebeinlanding gear
55: Untergrundunderground
66: Roboterrobot
77: Anschlussflanschflange
88th: TestobjektaufhängungDUT suspension
99: Abstützpunktsupport point
1010: Anschlussflanschflange
1111: StabRod
1212: kardanische Aufhängunggimbal suspension
1313: Kugelkopfball head
1414: Anschlusselementconnecting element
1515: Federanordnungspring assembly
1616: Anschlusselementconnecting element
1717: Zugfedermainspring
1818: LinearführungselementLinear guide element
1919: KraftmesseinrichtungForce measuring device
2020: Fahrzeugvehicle
2121: Steuerungcontrol
2222: Kompensationskraftcompensation force
2323: BodenkontaktkraftGround contact force
2424: Höheheight
2525: BodenkontaktkraftGround contact force
2626: BodenkontaktkraftGround contact force
2727: Höheheight
2828: Höheheight

Claims

Device for proportionate compensation of the force of gravity on a test object by a counteracting gravity counteracting force, with a test object with the compensating force elastically supporting spring arrangement, characterized in that the spring arrangement ( 15 ) on an at least in the direction of gravity movable support point ( 9 ) that a force measuring device ( 19 ) of the spring assembly ( 15 ) currently exercised compensatory force ( 22 ) and that a controller ( 21 ) the support point ( 9 ), the compensation force ( 22 ) to keep constant.

Device according to claim 1, characterized in that the spring arrangement ( 15 ) is elastically deformable only in the direction of gravity.

Device according to claim 2, characterized in that the spring arrangement ( 15 ) at least one tension spring ( 17 ) and at least one linear guide element ( 18 ) between two end-side fastening elements ( 14 . 16 ) having.

Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the spring arrangement ( 15 ) at the compensation force ( 22 ) has a spring stiffness k, which with the mass m of the test object ( 2 ) gives a natural frequency ω ₀ = √ (k / m) in the range of 5 to 10 Hz.

Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the spring arrangement ( 15 ) via a force transmission element elongated in the direction of the force of gravity on the test object ( 2 ) attacks.

Apparatus according to claim 5, characterized in that the force transmission element is a tensile, but flexible rod ( 11 ).

Device according to claim 6, characterized in that the rod ( 11 ) is a fiber composite rod.

Apparatus according to claim 6 or 7, characterized in that for the test object ( 2 ) a gimbal ( 12 ) on the rod ( 11 ) is provided.

Device according to claim 8, characterized in that the cardanic suspension ( 12 ) a freely pivotable and rotatable ball head ( 13 having.

Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the force measuring device ( 19 ) between the spring assembly ( 15 ) and the movable support point ( 9 ) is provided.

Device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the force measuring device ( 19 ) in addition orthogonal to the direction of gravity forces detected and that the control ( 21 ) the support point ( 9 ) to reduce these forces to zero.

Device according to one of claims 1 to 11, characterized in that the support point ( 9 ) is linearly movable in all three spatial directions.

Apparatus according to claim 12, characterized in that for the method of the support point ( 9 ) a 6-axis robot ( 6 ) is provided.