RU2565807C2

RU2565807C2 - System of simulating weightlessness

Info

Publication number: RU2565807C2
Application number: RU2014105600/28A
Authority: RU
Inventors: Сергей Викторович Агашкин; Александр Ревович Ушаков; Александр Владимирович Анкудинов
Original assignee: Акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва"
Priority date: 2014-02-14
Filing date: 2014-02-14
Publication date: 2015-10-20
Also published as: RU2014105600A

Abstract

FIELD: testing equipment.

SUBSTANCE: invention relates to testing equipment, in particular to ground tests of mechanisms designed for operation in weightlessness, and can be used for weightlessness of large size transformable structures. The device consists of a control unit based on computer and a microcontroller and the required number of modules arranged one above the other. Each module comprises two servo drives arranged with its end part, which pulleys operate for the common toothed belt, and a carriage is mounted on it through passive pulleys, which moves on rails, and a trolley, fixed on the common toothed belt and moving on its own rail. At that on the trolley there is a pulley through which the flexible connection passes, connecting the compensating load suspended through the units with the weightlessness element. Also, on the trolley there is a sensor-inclinometer which determines the vertical position of the flexible connection, on the signals from which the control unit actuates the servo drives of the device and moves the carriage and the trolley, maintaining verticality of the flexible connection with respect to the object of weightlessness. The number of modules and the sizes of each module are chosen based on the geometry and the required number of points of application of force of weightlessness relative to the particular object.

EFFECT: simplifying the design, the possibility of simulation of weightlessness for moving elements of transformable mechanisms with a large number of application of force of weightlessness to the movable elements.

3 dwg

Description

Изобретение относится к различным областям промышленности, прежде всего авиационной и ракетно-космической. В частности, изобретение относится к испытательной технике, к наземным испытаниям механизмов, имеющих гибкую, многозвенную конструкцию, рассчитанную на работу в невесомости.The invention relates to various fields of industry, primarily aviation and space rocket. In particular, the invention relates to testing equipment, to ground testing of mechanisms having a flexible, multi-link design, designed to work in zero gravity.

Подобные конструкции (складные панели солнечных батарей космических аппаратов, раскрываемые многозвенные антенные конструкции и т.п.) необходимо равномерно «обезвешивать», прилагая усилие к каждому звену конструкции, в процессе перемещения этих звеньев относительно друг друга. Изобретение может быть использовано для «обезвешивания» крупногабаритных трансформируемых конструкций и устранения деформаций или разрушения под действием силы земного тяготения при наземных испытаниях (экспериментального уточнения или идентификации параметров математической модели конструкции механизмов на Земле) или при физической отработке и проверке работы систем управления трансформируемыми конструкциями на Земле до проведения летных испытаний.Such structures (folding solar panels of spacecraft, expandable multi-link antenna structures, etc.) must be uniformly “weighed” by applying force to each link in the structure during the movement of these links relative to each other. The invention can be used to "weightless" large transformable structures and eliminate deformations or destruction under the influence of gravity during ground tests (experimental refinement or identification of the parameters of a mathematical model of the construction of mechanisms on Earth) or during physical testing and verification of the operation of control systems of transformable structures on Earth before flight tests.

Известно обезвешивающее устройство (см. заявку №98104331 RU, G01M 1/00). Оно выполнено в виде двухплечего рычага, шарнирно закрепленного в точке равновесия, на одном конце которого закреплен обезвешиваемый объект, а на другом - уравновешивающий груз, плечи рычага выполнены раздвижными и кинематически связанными. Возможно снабжение устройства вертикальной осью вращения, установление в подвесе испытываемого объекта датчика ошибки разгружающей силы и гироскопического датчика отклонения подвеса от вертикали. Обезвешивающее устройство может содержать несколько двухплечих рычагов.A known weighting device (see application No. 98104331 RU, G01M 1/00). It is made in the form of a two-shouldered lever pivotally mounted at the equilibrium point, on one end of which a weightless object is fixed, and on the other - a balancing weight, the lever shoulders are made sliding and kinematically connected. It is possible to supply the device with a vertical axis of rotation, to establish in the suspension of the test object a sensor for the unloading force error and a gyroscopic sensor for deviation of the suspension from the vertical. The weightless device may comprise several two-arm levers.

Недостатком устройства является то, что его трудно применить при больших габаритах обезвешиваемой конструкции и нескольких перемещающихся относительно друг друга точках приложения усилия. Система рычагов получится неоправданно сложной, малогабаритной и нетехнологичной.The disadvantage of this device is that it is difficult to apply with large dimensions of the weightless structure and several points of application of force moving relative to each other. The leverage system will turn out to be unreasonably complex, small-sized and low-tech.

Известно также "Устройство обезвешивания элементов" (см. патент SU 1828261 A1, G01M 19/00). Оно содержит шестистепенное газостатическое устройство подвеса, включающее, например, сферическую газостатическую опору, плоскую газостатическую опору, подпятник которой находится в камере с газом, и следящую систему по поддерживанию заданного давления газа, в которую входят последовательно соединенные датчик давления, блок управления и исполнительный орган по регулировке давления; три следящие системы, обеспечивающие перемещение шестистепенного газостатического устройства подвеса соответственно по вертикали и в плоскости горизонта, причем следящая система по вертикали содержит привод вертикального перемещения, соединенный через блок управления с датчиком относительного вертикального перемещения подпятника плоской газовой опоры относительно корпуса камеры с газом, а два привода для горизонтального перемещения соединены через соответствующий блок управления с соответствующим датчиком, измеряющим относительное горизонтальное перемещение обезвешиваемого элемента конструкции относительно подпятника плоской газовой опоры.Also known is a "Device for weightless elements" (see patent SU 1828261 A1, G01M 19/00). It contains a six-stage gas-static suspension device, including, for example, a spherical gas-static support, a flat gas-static support, the thrust bearing of which is in the chamber with gas, and a tracking system for maintaining a given gas pressure, which includes a pressure sensor, a control unit and an actuator connected in series pressure adjustment; three tracking systems that provide for the movement of the six-stage gas-static suspension device vertically and horizontally, respectively, and the vertical tracking system includes a vertical movement actuator connected via a control unit to a sensor for relative vertical movement of the thrust bearing of the flat gas support relative to the chamber body with gas, and two actuators for horizontal movement are connected via an appropriate control unit to a corresponding sensor measuring noe horizontal movement obezveshivaemogo structural member relatively planar gas thrust bearing.

Недостатком указанного аналога является чрезмерная сложность конструкции, обусловленная, в том числе, и применением газа под регулируемым давлением.The disadvantage of this analogue is the excessive complexity of the design, due, inter alia, to the use of gas under controlled pressure.

В качестве прототипа выбрана "Система имитации невесомости многозвенных механизмов" (см. патент RU 2402470 С2, G01M 19/00), состоящая из блока управления, в состав которого входят персональный компьютер, микроконтроллер, и соответствующее программное обеспечение, система содержит и три исполнительных механизма, каждый из которых состоит из весоизмерительной ячейки, соединенной с платформой с датчиком угла горизонтального отклонения стропа и электроприводом, редуктор которого связан с катушкой, на которой намотан строп, идущий на тросоукладчик, на котором установлены датчик угла, определяющий его вертикальное отклонение, и датчик расхода стропа. Концы стропа с исполнительных механизмов соединяются, образуя точку подвеса обезвешиваемого элемента.As a prototype, the "System for simulating the zero gravity of multi-link mechanisms" (see patent RU 2402470 C2, G01M 19/00) was selected, consisting of a control unit, which includes a personal computer, a microcontroller, and the corresponding software, the system also contains three actuators , each of which consists of a load cell connected to the platform with a horizontal line deviation sensor and an electric drive, the gearbox of which is connected to a coil on which a sling is wound that goes to the cable-laying machine, n wherein the set angle sensor, determines its vertical deviation and flow sensor sling. The ends of the slings from the actuators are connected, forming a suspension point of the weightless element.

Недостатком системы является необходимость располагать исполнительные механизмы на расстоянии, равном длине пути раскрытия обезвешиваемого объекта, что делает невозможным применение подобной системы в случае, если точек приложения усилия несколько и они первоначально расположены рядом. Кроме этого стропы находятся под углом к обезвешиваемому элементу, что легко может привести к нештатному нагружению системы раскрытия боковым усилием.The disadvantage of the system is the need to position the actuators at a distance equal to the length of the opening path of the weightless object, which makes it impossible to use such a system if there are several points of application of force and they are initially located nearby. In addition, the slings are at an angle to the weightless element, which can easily lead to abnormal loading of the opening system with lateral force.

Отличительной особенностью технологического процесса раскрытия крупногабаритных трансформируемых конструкций является то, что первоначально, когда конструкция находится в сложенном положении, точки приложения усилий обезвешивания расположены компактно, а затем, по мере раскрытия и приведения в рабочее состояние, эти точки удаляются друг от друга, и каждая по самостоятельной траектории проходит свое расстояние. Создание универсальной системы имитации невесомости для подобных конструкций предполагает способность такой системы обеспечивать необходимое количество точек приложения усилия, и в то же время разумные габариты всего устройства по вертикали, учитывая значительные размеры обезвешиваемых конструкций. Все привода, механизмы в отличие от приведенных выше аналогов должны иметь специфическую компоновку, позволяющую разместить все оборудование таким образом, чтобы имелась возможность присоединить необходимое количество тросов системы к обезвешиваемому объекту. Для компенсации весовой составляющей желательно прикладывать усилие перпендикулярно вверх на всем диапазоне раскрытия объекта, чтобы исключить нештатное нагружение объекта раскрытия боковыми усилиями.A distinctive feature of the process of disclosing large-sized transformable structures is that initially, when the structure is in the folded position, the points of application of the efforts of weightlessness are compact, and then, as they open and bring into working condition, these points are removed from each other, and each An independent trajectory travels its distance. The creation of a universal system of simulating weightlessness for such structures implies the ability of such a system to provide the necessary number of points of application of force, and at the same time, reasonable vertical dimensions of the entire device, given the significant dimensions of the weightless structures. All drives, mechanisms, in contrast to the above analogs, must have a specific layout that allows you to place all the equipment in such a way that it is possible to attach the required number of system cables to a weightless object. To compensate for the weight component, it is desirable to apply a force perpendicular upward over the entire range of disclosure of the object in order to prevent abnormal loading of the object of disclosure by lateral forces.

Задачей изобретения является упрощение и унификация конструкции, создание возможности имитации невесомости в наземных условиях для подвижных элементов трансформируемых механизмов, когда необходимо большое количество точек приложения усилий обезвешивания к подвижным элементам, предназначенным для работы в состоянии невесомости.The objective of the invention is to simplify and unify the design, creating the possibility of simulating weightlessness in ground conditions for moving elements of transformable mechanisms, when a large number of points of application of weightless forces to moving elements designed to work in zero gravity are necessary.

Указанная цель достигается тем, что в предлагаемой системе имитации невесомости имеется блок управления на основе компьютера и микроконтроллера и необходимое количество модулей, установленных один над другим. Каждый модуль включает в себя два сервопривода, расположенных с его торцевой части, шкивы которых работают на общий зубчатый ремень, и на нем через пассивные шкивы крепится каретка, перемещающаяся по оси X по направляющим, и тележка, закрепленная на общем зубчатом ремне и перемещающаяся по оси Y по собственной направляющей. На тележке имеется шкив, через который проходит гибкая связь, соединяющая подвешенный через блоки компенсирующий груз с обезвешиваемым элементом, и также на тележке имеется датчик-инклинометр, определяющий вертикальное положение гибкой связи, по сигналам с которого блок управления включает сервопривода устройства и перемещает каретку и тележку, поддерживая вертикальность гибкой связи по отношению к объекту «обезвешивания». Количество модулей и размеры каждого модуля подбираются исходя из геометрии и необходимого числа точек приложения усилия «обезвешивания» применительно к конкретному объекту.This goal is achieved by the fact that in the proposed system of simulating weightlessness there is a control unit based on a computer and a microcontroller and the required number of modules installed one above the other. Each module includes two servos located on its front end, the pulleys of which work on a common toothed belt, and on it through the passive pulleys a carriage is mounted that moves along the X axis along the guides, and a trolley mounted on a common toothed belt and moves along the axis Y in its own guide. On the trolley there is a pulley through which a flexible connection passes connecting the compensating load suspended through the blocks with a weighted element, and also on the trolley there is an inclinometer sensor that determines the vertical position of the flexible connection, according to the signals from which the control unit turns on the device’s servos and moves the carriage and trolley while maintaining the verticality of flexible communications with respect to the object of "weightlessness". The number of modules and the sizes of each module are selected based on the geometry and the required number of points of application of the "weightless" force as applied to a particular object.

Модульный принцип построения позволяет адаптировать систему под различные характеристики из небольшого, экономически обоснованного количества типоразмеров модулей.The modular construction principle allows you to adapt the system to various characteristics from a small, economically viable number of module sizes.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена система имитации в исходном положении, на фиг.2 - в конечном положении, на фиг.3 представлена кинематическая схема модуля - вид сверху, на фиг 4 - кинематическая схема модуля, вид сбоку.The invention is illustrated by drawings, where in Fig.1 shows a simulation system in the initial position, Fig.2 - in the final position, Fig.3 shows the kinematic diagram of the module - top view, Fig.4 - kinematic diagram of the module, side view.

Система включает в себя (см. фиг.1) блок управления 1 и необходимое количество модулей 2 (для примера на рисунке показана система с шестью модулями). Каждый модуль (см. фиг.3 и фиг.4) включает в себя два сервопривода 3 (M1 и М2), рабочие шкивы 4 которых работают на общий зубчатый ремень 5, на котором через пассивные шкивы 6 крепится каретка 7, перемещающаяся по двум направляющим 8, и тележка 9, закрепленная на ремне 5 и перемещающаяся по направляющей 10. На тележке 9 имеется шкив 11, через который проходит гибкая связь 12, соединяющая подвешенный через блок 13 компенсирующий груз 14 с объектом обезвешивания 17, причем для уменьшения сопротивления от трения гибкой связи шкив 11 и блок 13 установлены с возможностью поворота в горизонтальной плоскости при перемещениях гибкой связи. Также на тележке имеется датчик-инклинометр 16, определяющий величину отклонения гибкой связи от вертикального положения по двум направлениям. Сигналы от датчика-инклинометра 16 поступают в систему управления 1, в которой задается алгоритм и динамические характеристики сервопривода 3 (M1 и М2) системы и скорости, ускорения, с целью отслеживания поддержания вертикальности гибкой связи.The system includes (see Fig. 1) a control unit 1 and the required number of modules 2 (for example, the figure shows a system with six modules). Each module (see Fig. 3 and Fig. 4) includes two servos 3 (M1 and M2), the working pulleys 4 of which work on a common toothed belt 5, on which a carriage 7 is mounted through passive pulleys 6, moving along two guides 8, and a trolley 9 mounted on a belt 5 and moving along a guide 10. On the trolley 9 there is a pulley 11 through which a flexible connection 12 passes, connecting the compensating load 14 suspended through the block 13 to the object of weightlessness 17, and to reduce the resistance to friction by a flexible connection pulley 11 and block 13 are installed with possibly rotation in the horizontal plane when moving flexible communications. Also on the trolley there is an inclinometer sensor 16, which determines the amount of deviation of the flexible connection from the vertical position in two directions. The signals from the inclinometer sensor 16 enter the control system 1, which sets the algorithm and dynamic characteristics of the servo drive 3 (M1 and M2) of the system and speed, acceleration, in order to track the maintenance of the verticality of flexible communications.

Предлагаемый модуль работает следующим образом: система управления 1 формирует алгоритм одновременной работы сервоприводов модуля таким образом, что имеется возможность:The proposed module works as follows: the control system 1 generates an algorithm for the simultaneous operation of the servo drives of the module in such a way that it is possible to:

- перемещать каретку 7 синхронным разнонаправленным вращением шкивов 4 сервоприводов 3,- move the carriage 7 by synchronous multidirectional rotation of the pulleys 4 of the servos 3,

- перемещать тележку 9 синхронным однонаправленным вращением шкивов 4 сервоприводов 3,- move the trolley 9 synchronous unidirectional rotation of the pulleys 4 servos 3,

- выполнять одновременное движение каретки 7 и тележки 9 при включении одного из сервоприводов 3 либо при вращении шкивов сервоприводов 4 с разной скоростью. Таким образом, два привода, компактно расположенные с торца модуля, позволяют осуществлять одновременное позиционирование тележки и каретки модуля.- perform simultaneous movement of the carriage 7 and the trolley 9 when one of the servos 3 is turned on or when the pulleys of the servos 4 are rotated at different speeds. Thus, two drives, compactly located at the end of the module, allow for simultaneous positioning of the cart and module carriage.

Предлагаемая система имитации невесомости работает следующим образом.The proposed system of simulating weightlessness works as follows.

Перед процессом раскрытия устанавливаются необходимое количество компенсирующих грузов 14, гибкие связи 12 присоединяются к элементам обезвешиваемого объекта, находящегося в сложенном положении (см. фиг.1 «Исходное положение»). При раскрытии - элементы объекта начинают поступательное движение, система имитации невесомости по сигналам с датчиков 16 осуществляет позиционирование тележек 9 таким образом, чтобы гибкие связи 11 всех тележек системы были вертикальны по отношению к объекту обезвешивания 17 вплоть до конечного расположения системы (см. рис.2 «Конечное положение»).Before the disclosure process, the required number of compensating weights 14 is established, flexible connections 12 are attached to the elements of the object being weighted in the folded position (see figure 1 "Initial position"). Upon disclosure, the elements of the object begin to translate, the system of simulating weightlessness by signals from the sensors 16 performs the positioning of the carts 9 so that the flexible connections 11 of all the carts of the system are vertical with respect to the object of weightlessness 17 up to the final location of the system (see Fig. 2 "End position").

Таким образом, заявленная система имитации невесомости ориентирована на различные скорости движения элементов обезвешиваемой конструкции, а также имеет возможность удерживать весь объект в целом в обезвешенном состоянии. Система имитации невесомости позволяет обезвешивать элементы конструкции, имеющие разную скорость движения в процессе раскрытия, так как работает в следящем режиме по сигналам с датчиков инклинометров, и каждый модуль системы работает на каждый отдельный элемент обезвешиваемой конструкции.Thus, the claimed system of simulating weightlessness is focused on various speeds of the elements of the weightless structure, and also has the ability to keep the whole object as a whole in a weightless state. The system of simulating weightlessness allows you to weightless structural elements that have different speeds during disclosure, as it works in a follow-up mode according to signals from inclinometer sensors, and each module of the system works for each individual element of the weightless structure.

Claims

A zero-gravity simulation system consisting of a control unit based on a computer and a microcontroller and the required number of modules installed one above the other, characterized in that each module includes two servos located on its front part, whose pulleys work on a common toothed belt, and on it, through the passive pulleys, a carriage is mounted, moving along the X axis along the guides, and a trolley mounted on a common gear belt and moving along the Y axis along its own guide, and there is a pulley on the trolley through which a flexible connection passes connecting the compensating load suspended through the blocks with a weighted element, and also on the trolley there is an inclinometer sensor that determines the vertical position of the flexible connection, according to the signals from which the control unit turns on the device’s servos and moves the carriage and the trolley, while maintaining the vertical flexibility communication with respect to the object of "weightlessness", and the number of modules and the dimensions of each module are selected based on the geometry and the required number of points of application of the effort hanging "in relation to a specific object.