CN114633904A - 自动调平式重载平面微重力模拟平台 - Google Patents

Abstract

一种自动调平式重载平面微重力模拟平台，属于空间微重力环境地面模拟设备领域。本发明针对现有重载平面微重力模拟平台需要人工使用水平仪进行调平，存在操作难度大且效率低的问题。包括：平台通过水平仪测量水平度；平台由多个均匀分布的支撑单元支撑，每个支撑单元包括底座和多个分支座，多个分支座均匀分布在底座上作为多个支点；每个支撑单元对应配置一个自动调平单元；所述自动调平单元包括水平移动分部和夹持分部；所述底座与水平移动分部相配合使水平移动分部沿底座长度方向移动；水平移动分部与夹持分部连接，夹持分部的终端用于夹持分支座的调节螺母，并旋动调节螺母实现对平台水平度的调节。本发明提高了平台提高效率。

Description

自动调平式重载平面微重力模拟平台

技术领域

本发明涉及自动调平式重载平面微重力模拟平台，属于空间微重力环境地面模拟设备领域。

背景技术

伴随航天技术的高速发展，航天产品的开发呈现出多元化、低成本化等趋势。为了降低航天产品的失效风险、提高其可靠程度，从而进一步提高开发效率并降低成本，在航天产品最终发射上天之前，需要在地面对其进行测试、实验等必要的环节。为了模拟航天产品进入太空之后所处的环境，地面测试设备需要为其提供良好的空间微重力模拟条件，而重载平面微重力模拟平台正是能够模拟微重力环境的关键设备之一。

重载平面微重力模拟平台主要包括一块表面平整度极高的平台，平台表面需要保持高水平度。工作时，待测试的航天产品安装在工装上，工装放置在台面上，工装向平台表面喷出压缩空气，从而在工装和平台表面之间形成一层薄气膜，进而工装悬浮在气膜上。工装与台面不产生接触，水平方向上不与台面产生摩擦，因此被测试的航天产品可看作在水平面上移动时不受地球重力的作用，即平台模拟了微重力的环境。

显然，平台表面的水平度越高，微重力模拟的效果越好。由于气膜显著的减小了摩擦力，即使当平台的表面有轻微的不水平，重力沿平台表面的分力都会让工装及待测的航天产品在平台上向平台下倾的方向滑动，此时微重力模拟的效果变差。因此，对平台进行定期的水平度调节是必不可少的工作。此外，为了满足大质量的航天产品的重载、大范围测试需求，平台通常具备大面积、高刚度、低涨缩、受力不易变形等特点，因此这些平台的材料通常为大理石、铸铁等。平台通常通过支撑柱固定在地面上，通过调节支撑柱的高度调节平台的水平度，而平台自身的大尺寸、大质量的特点意味着支撑柱数量多、分布密集，这为人工调节平台水平度带来了较大的困难。传统的人工调平方式使用水平仪测量平台各位置的水平度，并分别调节各支撑柱，最终使平台水平。这种方式工作量较大、效率不高。

因此，需要提供一种可自动调平的重载平面微重力模拟平台及相应的自动调平方法。

发明内容

针对现有重载平面微重力模拟平台需要人工使用水平仪进行调平，存在操作难度大且效率低的问题，本发明提供一种自动调平式重载平面微重力模拟平台。

本发明的一种自动调平式重载平面微重力模拟平台，包括平台、多个支撑单元、多个自动调平单元和水平仪，

平台通过水平仪测量水平度；

平台由多个均匀分布的支撑单元支撑，每个支撑单元包括底座和多个分支座，多个分支座均匀分布在底座上作为多个支点；每个支撑单元对应配置一个自动调平单元；所述自动调平单元包括水平移动分部和夹持分部；所述底座与水平移动分部相配合使水平移动分部沿底座长度方向移动；水平移动分部与夹持分部连接，夹持分部的终端用于夹持分支座的调节螺母，并旋动调节螺母实现对平台水平度的调节；

所述夹持分部包括顶板、滑轨、直线模组驱动电机、丝杠、滑台、钳口驱动电机一、钳口传动齿轮一、钳口传动齿轮二、钳口传动轴一、钳口传动齿轮三、钳口驱动电机二、钳口传动齿轮四、钳口传动齿轮五、钳口传动轴二、钳口传动齿轮六(2-26)、钳口罩、钳口、和钳口齿条，

顶板与水平移动分部末端固连，顶板上固连滑轨，滑轨上连接滑台，直线模组驱动电机通过丝杠驱动滑台移动；

钳口罩设置在滑台上，钳口罩呈具有缺口的圆环状，缺口伸出滑台边沿，并且处于伸出段的居中位置；钳口安装在钳口罩内侧，钳口外表面设置钳口齿条；钳口罩侧壁上镜像对称设置两个通孔，钳口齿条在一个通孔处与钳口罩外侧设置的钳口传动齿轮三啮合，钳口传动齿轮三通过钳口传动轴一连接钳口传动齿轮二，钳口传动齿轮二和钳口传动齿轮三共轴同向同步转动；钳口传动齿轮二与钳口传动齿轮一啮合，钳口传动齿轮一由设置在滑台上的钳口驱动电机一驱动；钳口齿条在另一个通孔处与钳口罩外侧设置的钳口传动齿轮六啮合，钳口传动齿轮六通过钳口传动轴二连接钳口传动齿轮五，钳口传动齿轮五和钳口传动齿轮六共轴同向同步转动；钳口传动齿轮五与钳口传动齿轮四啮合，钳口传动齿轮四由设置在滑台上的钳口驱动电机二驱动；

平台调平控制包括：计算自动调平单元与目标支点的距离，由控制器控制水平移动分部移动至目标位置，并使调节螺母卡进钳口；再根据水平仪测量结果对应的分支座高度调整目标数值计算调节螺母的目标旋转角度，由控制器同步控制钳口驱动电机一和钳口驱动电机二旋转目标旋转角度，最终使所有调节螺母的高度相同，平台被调至水平。

在根据本发明所述的自动调平式重载平面微重力模拟平台中，所述夹持分部还包括钳口滑槽和钳口滑条，

钳口的上下表面沿圆周方向各设置一个钳口滑条；钳口罩上下侧壁内侧沿圆周方向分别设置钳口滑槽，钳口滑条与钳口滑槽对应啮合。

在根据本发明所述的自动调平式重载平面微重力模拟平台中，自动调平单元的水平移动分部包括底盘、底盘驱动电机、底盘传动齿轮一、底盘传动齿轮二、底盘传动齿轮三、控制单元、立柱座、立柱、立柱传动齿轮二、立柱驱动电机和立柱传动齿轮一，

底盘上表面与立柱座固连，立柱座内插接立柱，立柱顶端作为水平移动分部末端与顶板固连；立柱传动齿轮二套接在立柱上，立柱传动齿轮二与立柱传动齿轮一啮合，立柱传动齿轮一由立柱驱动电机驱动，使立柱带动顶板转动；

底盘外侧设置底盘驱动电机，底盘驱动电机的输出轴连接底盘传动齿轮一的转轴，底盘传动齿轮一与底盘传动齿轮二啮合，底盘传动齿轮一与底盘传动齿轮二处于同一水平面上，并同时与其上方设置的底盘传动齿轮三啮合，底盘传动齿轮三设置在底盘立面上，并在底盘内侧与底座相配合沿底座长度方向移动；控制单元安装在底盘上，控制底盘驱动电机和立柱驱动电机的转动，使水平移动分部移动至目标位置，并使调节螺母卡进钳口。

在根据本发明所述的自动调平式重载平面微重力模拟平台中，每个支撑单元的底座包括两个方钢地脚、方钢、导轨、齿条和限位器，

方钢地脚相间隔固定在地面上，其上放置方钢，多个分支座设置在方钢上；方钢一侧表面设置导轨，导轨的滑道内设置齿条，导轨上表面两端分别设置限位器，

齿条与底盘传动齿轮三啮合；

导轨的上下表面沿长度方向分别设置凹槽；底盘内侧的上下表面沿长度方向分别设置凸起，底盘的凸起相对应嵌入在凹槽内。

在根据本发明所述的自动调平式重载平面微重力模拟平台中，每个支撑单元的分支座包括锥形座、支撑柱、调节螺母和柱形垫块，

锥形座设置在方钢上，锥形座上固连支撑柱，支撑柱外表面设置螺纹，调节螺母旋合在支撑柱的螺纹上，柱形垫块放置在调节螺母上，柱形垫块形成支点支撑在平台的下表面。

在根据本发明所述的自动调平式重载平面微重力模拟平台中，平台调平控制过程具体包括：

在调平过程中，设定支撑单元包括m个底座，每个底座上设置n个分支座，以S_ij表示第i行第j列对应的调节螺母；i＝1，2，3，……，m；j＝1，2，3，……，n；行方向相邻两个调节螺母的间距记为ΔL，列方向相邻两个调节螺母的间距记为ΔW；所有调节螺母的螺距η相同；

步骤一：按行方向调平：

对第i行，将水平仪依次放置在相邻两个调节螺母之间，记水平仪读数为

以第i行第1列调节螺母S_i1的高度为基准，计算第2至n列调节螺母S_i2～S_in相对于S_i1的高度差Δh_ij：

计算使Δh_ij＝0时，S_i2～S_in分别需要旋转的角度θ_sCMDij：

对于S_i2～S_in，由控制器同步控制钳口驱动电机一和钳口驱动电机二旋转角度θ_sCMDij，使每一行的调节螺母水平；

步骤二：按列方向调平：

任意选定一列调节螺母，将水平仪依次放置在相邻两个调节螺母之间，记水平仪读数为

以选定列调节螺母S_1j的高度为基准，依次计算选定列中第2至m行调节螺母S_2j～S_mj相对于S_1j的高度差Δh_ij：

计算使Δh_ij＝0时，S_2j～S_mj分别需要旋转的角度θ_sCMDij：

对于第2至m行的调节螺母，由控制器同步控制钳口驱动电机一和钳口驱动电机二依次按S_2j～S_mj对应的角度θ_sCMDij进行旋转，使所有调节螺母水平，从而达到平台水平。

本发明的有益效果：本发明设计了一种自动调平式重载平面微重力模拟平台，并给出了相应的调平方法。本发明的主要优点集中于以下几点：

(1)由于一套重载平面微重力模拟平台通常包括几十甚至上百个调节螺母，因此传统使用人工进行平台的调平工作工作量极大，并且受限于平台下方狭小的操作空间，人工拧动平台下方的调节螺母操作困难。应用本发明设计的自动调平平台后，人工仅需要操作水平仪测量台面各个位置处的水平度即可，拧动调节螺母的工作交由自动调平装置完成，极大减少了人工的工作量，降低人工作的劳动强度，提高平台调平效率。

(2)传统人工使用扳手拧动调节螺母时，螺母旋转的角度不准确，需反复根据水平仪的读数调节，效率较低。而本发明提出的方案则能够根据水平仪的测量结果，精确计算每个调节螺母需要旋转的角度，并且自动调平装置能够精准地将螺母按照需要的角度转动，工作效率得到了提高。

(3)本发明设计的自动调平装置及调平方法能够适应任意多的调节螺母，并且调节螺母数量越多越能体现本发明的高效性。

附图说明

图1是本发明所述自动调平式重载平面微重力模拟平台的整体结构示意图；

图2是图1中一个支撑单元和对应的自动调平单元的结构示意图；

图3是自动调平单元的结构示意图；

图4是自动调平单元的夹持分部的结构示意图；

图5是自动调平单元的钳口罩和钳口的局部放大图，图中钳口罩被截去了一半；

图6是钳口、钳口罩以及两个钳口传动轴的俯视图；

图7是钳口齿条出现在钳口罩的两个通孔开窗处时的示意图；

图8是钳口齿条仅出现在钳口罩的一侧通孔开窗处的示意图；

图9是钳口齿条仅出现在钳口罩的另一侧通孔开窗处的示意图；

图10是自动调平单元从俯视角度的变量定义示意图；

图11是从侧视角度展示的自动调平单元的变量定义示意图；

图12是自动调平单元对调节螺母进行调节的初始状态示意图；

图13是具体实施方式中，调节螺母完成第1步调节后的状态示意图；

图14是具体实施方式中，调节螺母完成第2步调节后的状态示意图；

图15是具体实施方式中，调节螺母完成第3步调节后的状态示意图；

图16是对调节螺母行列分布的设定示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

具体实施方式一、结合图1至图5所示，本发明提供了一种自动调平式重载平面微重力模拟平台，包括平台1-1、多个支撑单元、多个自动调平单元和水平仪1-11，

平台1-1通过水平仪1-11测量水平度；

平台1-1由多个均匀分布的支撑单元支撑，每个支撑单元包括底座和多个分支座，多个分支座均匀分布在底座上作为多个支点；每个支撑单元对应配置一个自动调平单元；所述自动调平单元包括水平移动分部和夹持分部；所述底座与水平移动分部相配合使水平移动分部沿底座长度方向移动；水平移动分部与夹持分部连接，夹持分部的终端用于夹持分支座的调节螺母1-6，并旋动调节螺母1-6实现对平台1-1水平度的调节；

所述夹持分部包括顶板2-12、滑轨2-13、直线模组驱动电机2-14、丝杠2-15、滑台2-16、钳口驱动电机一2-17、钳口传动齿轮一2-18、钳口传动齿轮二2-19、钳口传动轴一2-20、钳口传动齿轮三2-21、钳口驱动电机二2-22、钳口传动齿轮四2-23、钳口传动齿轮五2-24、钳口传动轴二2-25、钳口传动齿轮六2-26、钳口罩3-1、钳口3-2、和钳口齿条3-2-2，

顶板2-12与水平移动分部末端固连，顶板2-12上固连滑轨2-13，滑轨2-13上连接滑台2-16，直线模组驱动电机2-14通过丝杠2-15驱动滑台2-16移动；滑轨2-13、直线模组驱动电机2-14、丝杠2-15和滑台2-16构成了一套直线模组。直线模组驱动电机2-14转动时，通过丝杠2-15的传动，驱动滑台2-16沿着滑轨2-13移动。

钳口罩3-1设置在滑台2-16上，钳口罩3-1呈具有缺口的圆环状，缺口伸出滑台2-16边沿，并且处于伸出段的居中位置；钳口3-2安装在钳口罩3-1内侧，钳口3-2外表面设置钳口齿条3-2-2，钳口3-2能够沿着钳口罩3-1内壁的圆周方向转动；钳口罩3-1侧壁上镜像对称设置两个通孔，钳口齿条3-2-2在一个通孔处与钳口罩3-1外侧设置的钳口传动齿轮三2-21啮合，钳口传动齿轮三2-21通过钳口传动轴一2-20连接钳口传动齿轮二2-19，钳口传动齿轮二2-19和钳口传动齿轮三2-21共轴同向同步转动；钳口传动齿轮二2-19与钳口传动齿轮一2-18啮合，钳口传动齿轮一2-18由设置在滑台2-16上的钳口驱动电机一2-17驱动；钳口齿条3-2-2在另一个通孔处与钳口罩3-1外侧设置的钳口传动齿轮六2-26啮合，钳口传动齿轮六2-26通过钳口传动轴二2-25连接钳口传动齿轮五2-24，钳口传动齿轮五2-24和钳口传动齿轮六2-26共轴同向同步转动；钳口传动齿轮五2-24与钳口传动齿轮四2-23啮合，钳口传动齿轮四2-23由设置在滑台2-16上的钳口驱动电机二2-22驱动；

当钳口驱动电机一2-17转动时，通过钳口传动齿轮一、二、三及钳口齿条3-2-2驱动钳口转动。钳口驱动电机一2-17、钳口传动齿轮一2-18、钳口传动齿轮二2-19和钳口传动齿轮三2-21共同构成了钳口驱动单元1。与之对称布置的钳口驱动电机二2-22、钳口传动齿轮四2-23、钳口传动齿轮五2-24、钳口传动齿轮六2-26和钳口传动轴二2-25则构成了钳口驱动单元2。两个钳口驱动单元功能相同，共同负责钳口的驱动。

平台调平控制包括：计算自动调平单元与目标支点的距离，由控制器2-6控制水平移动分部移动至目标位置，并使调节螺母1-6卡进钳口3-2；再根据水平仪1-11测量结果对应的分支座高度调整目标数值计算调节螺母1-6的目标旋转角度，由控制器2-6同步控制钳口驱动电机一2-17和钳口驱动电机二2-22旋转目标旋转角度，最终使所有调节螺母1-6的高度相同，平台1-1被调至水平。

下面结合图6至图9说明本发明中采用两个钳口驱动单元的原因。图6中点C₁、C₂、C₃分别表示钳口传动轴一2-10、钳口传动轴二2-25和钳口3-2转动中心的位置。角θ₁和θ₂分别表示钳口缺口占据的圆弧对应的圆心角以及点C₂、C₃相对点C₁构成的角的角度。本发明中，角θ₂被设计成大于角θ₁，从而保证至少有一个钳口驱动单元中的钳口传动齿轮三2-21或钳口传动齿轮六2-26能够与钳口齿条3-2-2啮合，以保证钳口3-2在钳口罩3-1内能够被驱动连续旋转。

图7至图9展示了三种典型工况，并且为了展示方便，三幅图中钳口罩3-1被截去了一半，展示了钳口在钳口罩内连续旋转时钳口齿条所处的不同位置，从而说明本设计采用两个钳口驱动单元以保证钳口能连续旋转的原理。如图7，钳口齿条3-2-2出现在了钳口罩3-1的两个开窗处，钳口传动齿轮三2-21和钳口传动齿轮六2-26能够同时与钳口齿条3-2-2啮合；如图8，钳口齿条3-2-2仅出现在了钳口罩3-1的左侧开窗处，此时仅有钳口传动齿轮三2-21能够与钳口齿条3-2-2啮合；如图9，钳口齿条3-2-2出现在了钳口罩3-1的右侧开窗处，此时仅有钳口传动齿轮六2-26能够与钳口齿条3-2-2啮合。

进一步，结合图3至图5所示，所述夹持分部还包括钳口滑槽3-1-1和钳口滑条3-2-1，

图5中为了展示清晰，钳口罩被截去了一半。钳口3-2的上下表面沿圆周方向各设置一个钳口滑条3-2-1；钳口罩3-1上下侧壁内侧沿圆周方向分别设置钳口滑槽3-1-1，(图5中只展示了下方的一条钳口滑槽)，钳口滑条3-2-1与钳口滑槽3-1-1对应啮合，保证钳口3-2沿着钳口滑槽3-1-1转动而不发生与钳口罩3-1的脱离。

再进一步，结合图3所示，自动调平单元的水平移动分部包括底盘2-1、底盘驱动电机2-2、底盘传动齿轮一2-3、底盘传动齿轮二2-4、底盘传动齿轮三2-5、控制单元2-6、立柱座2-7、立柱2-8、立柱传动齿轮二2-9、立柱驱动电机2-10和立柱传动齿轮一2-11，

底盘2-1上表面与立柱座2-7固连，立柱座2-7内插接立柱2-8，立柱2-8与立柱座2-7之间可以相对转动，立柱2-8顶端作为水平移动分部末端与顶板2-12固连；立柱传动齿轮二2-9套接在立柱2-8上，立柱传动齿轮二2-9与立柱传动齿轮一2-11啮合，立柱传动齿轮一2-11由立柱驱动电机2-10驱动，使立柱2-8带动顶板2-12转动；立柱驱动电机2-10通过立柱传动齿轮一2-11和立柱传动齿轮二2-9驱动立柱2-8转动。

底盘2-1外侧设置底盘驱动电机2-2，底盘驱动电机2-2的输出轴连接底盘传动齿轮一2-3的转轴，底盘传动齿轮一2-3与底盘传动齿轮二2-4啮合，底盘传动齿轮一2-3与底盘传动齿轮二2-4处于同一水平面上，并同时与其上方设置的底盘传动齿轮三2-5啮合，底盘传动齿轮三2-5设置在底盘2-1立面上，并在底盘2-1内侧与底座相配合沿底座长度方向移动；控制单元2-6安装在底盘2-1上，控制底盘驱动电机2-2和立柱驱动电机2-10的转动，使水平移动分部移动至目标位置，并使调节螺母1-6卡进钳口3-2。

再进一步，结合图2所示，每个支撑单元的底座包括两个方钢地脚1-2、方钢1-3、导轨1-8、齿条1-9和限位器1-10，

方钢地脚1-2相间隔固定在地面上，其上放置方钢1-3，多个分支座设置在方钢1-3上；方钢1-3一侧表面设置导轨1-8，导轨1-8的滑道内设置齿条1-9，导轨1-8上表面两端分别设置限位器1-10，

齿条1-9与底盘传动齿轮三2-5啮合；

导轨1-8的上下表面沿长度方向分别设置凹槽；底盘2-1内侧的上下表面沿长度方向分别设置凸起，底盘2-1的凸起相对应嵌入在凹槽内。

如图3，当底盘驱动电机2-2通过底盘传动齿轮一、二驱动底盘传动齿轮三转动时，底盘传动齿轮三2-5沿着齿条1-9转动，从而驱动底盘2-1沿着导轨1-8移动。控制器2-6可用于控制装置的各个驱动电机的转动。

再进一步，结合图2所示，每个支撑单元的分支座包括锥形座1-4、支撑柱1-5、调节螺母1-6和柱形垫块1-7，

锥形座1-4设置在方钢1-3上，锥形座1-4上固连支撑柱1-5，支撑柱1-5外表面设置螺纹，调节螺母1-6旋合在支撑柱1-5的螺纹上，柱形垫块1-7放置在调节螺母1-6上，柱形垫块1-7内表面没有螺纹，不与支撑柱1-5的螺纹旋合，柱形垫块1-7形成支点支撑在平台1-1的下表面，即平台1-1通过若干个柱形垫块1-7被支撑起来。

当微重力模拟平台需要调节水平度的时候，拧动调节螺母1-6使其上升或者下降，带动柱形垫块1-7沿着支撑柱1-5上升或者下降，进而使平台1-1在铅锤方向产生位移。由于平台1-1通常表面积较大，即使其刚度较高也不能避免轻微的形变，因此整块平台1-1需要通过若干个柱形垫块1-7的支撑以及调节螺母1-6的调节，以保证平台1-1表面各个位置处水平度相同。这项工作的传统方法全部由人工完成，人工使用水平仪1-11测量平台1-1多个位置的水平度，再使用扳手拧动调节螺母1-6调平。一方面，对于位置在平台1-1内侧的调节螺母1-6，需要人工俯身钻入平台下表面与地面之间的狭小空间中进行调节，增加了工作难度；另一方面，调节螺母1-6数量多，增加了工作量。本发明设计的自动调平式微重力模拟平台解决了以上两个痛点。

再进一步，结合图16所示，平台调平控制过程具体包括：

在调平过程中，设定支撑单元包括m个底座，每个底座上设置n个分支座，以S_ij表示第i行第j列对应的调节螺母1-6；i＝1，2，3，……，m；j＝1，2，3，……，n；如图16，矩形框表示平台1-1，圆形代表调节螺母1-6且分布均匀。自动调平单元能够适用于操作任意多的均布的调节螺母1-6进行调平，按照图中所示的行方向和列方向，有m行、n列的调节螺母1-6。行方向相邻两个调节螺母1-6的间距记为ΔL，列方向相邻两个调节螺母1-6的间距记为ΔW；所有调节螺母1-6的螺距η相同；其单位通常是(mm/r)。

步骤一：按行方向调平：

对第i行，将水平仪依次放置在相邻两个调节螺母1-6之间，记水平仪1-11读数为

即

将水平仪1-11放置在S_i1与S_i2之间，测量方向沿行方向，记水平仪1-11读数为

再将水平仪1-11放置在S_i2与S_i3之间，记读数为

依次类推，得到第i行的共计(n-1)个数据

以第i行第1列调节螺母1-6S_i1的高度为基准，计算第2至n列调节螺母1-6S_i2～S_in相对于S_i1的高度差Δh_ij：

为了使每行除第1列以外的调节螺母1-6均与该行第1列的调节螺母1-6高度相同，计算使Δh_ij＝0时，S_i2～S_in分别需要旋转的角度θ_sCMDij：

对于S_i2～S_in，由控制器2-6同步控制钳口驱动电机一2-17和钳口驱动电机二2-22旋转角度θ_sCMDij，使每一行的调节螺母1-6水平；分别对螺母S_ij(i＝1,2,…,m；j＝2,3,…,n)进行调节。调节完毕之后，每一行调节螺母1-6分别在本行内按照行方向水平。

步骤二：按列方向调平：

任意选定一列调节螺母1-6，将水平仪依次放置在相邻两个调节螺母1-6之间，记水平仪1-11读数为

以选定列调节螺母1-6S_1j的高度为基准，依次计算选定列中第2至m行调节螺母1-6S_2j～S_mj相对于S_1j的高度差Δh_ij：

为了使每列除第1行以外的调节螺母1-6均与该列第1行的调节螺母1-6高度相同，计算使Δh_ij＝0时，S_2j～S_mj分别需要旋转的角度θ_sCMDij：

对于第2至m行的调节螺母1-6，由控制器2-6同步控制钳口驱动电机一2-17和钳口驱动电机二2-22依次按S_2j～S_mj对应的角度θ_sCMDij进行旋转，使所有调节螺母1-6水平，从而达到平台1-1水平。

步骤二中，由于步骤一中已经调节每一行中调节螺母1-6的高度相同，因此任选一列中相邻调节螺母1-6的高度差同时为相邻两行调节螺母1-6的高度差，此时由第二行开始，对每一行的调节螺母1-6按照测量获得的列间高度差统一调节，即可实现平台的水平调节。

对于步骤二，也可以逐个的进行测量并调节。对于第j列(j＝1,2,…,n)，将水平仪1-11放置在S_1j与S_2j之间，测量方向沿列方向，记水平仪1-11读数为

再将水平仪1-11放置在S_2j与S_3j之间，记读数为

依次类推，得到第j列的共计(m-1)个数据

以第j列第1行调节螺母1-6S_1j的高度为基准，将本列其余S_2j～S_mj相对于S_1j的高度差记作Δh_ij(i＝2,3,…,m；j＝1,2,…,n)。

完成以上两步以后，所有调节螺母1-6的高度相同，平台1-1被调至水平。

再进一步，图10中，以点C_p标记立柱2-8旋转轴线Z_d的位置，角θ_p为使调节螺母1-6卡进钳口3-2立柱2-8需绕轴Z_d旋转的角度；d₁为滑轨2-13边线与点C_p的距离，为已知的定值；d₂为滑台2-16边线与点C_p的距离，d₃为滑轨2-13边线与滑台2-16边线的距离，也即滑台2-16在滑轨2-13上沿着轴Y_d正方向的位移大小；点C_c标记钳口3-2旋转轴线Z_c的位置，角θ_c为钳口3-2绕轴Z_c旋转的目标角度，d₄为滑台2-16边线与点C_c的距离，为已知的定值；线段AB为导轨1-8中心线，点C_s标记调节螺母1-6旋转轴线的位置，选定点C使线段C_sC与线段AB正交，点S为调节螺母1-6的顶点，线段C_sS与线段C_sC之间的夹角θ_s定义为调节螺母1-6的转角，由于调节螺母1-6为六角螺母，故有六个顶点，对应六个角θ_s，所以点S约定为使角θ_s绝对值最小的顶点，也即角θ_s的范围为-30°～30°；点O_s为线段C_sC与线段AB的交点，如图10建立以点O_s为原点的坐标系{X_sO_sY_s}，O_sX_s正方向为从点O_s指向点B，O_sY_s正方向为从点O_s指向点C_s；自动调平单元在导轨1-8上沿着轴O_sX_s的目标位移为d₅，自动调平单元在导轨1-8上可沿着轴O_sX_s的正方向或者负方向移动；点C_p和C_s在O_sY_s方向的距离为d₆，即调节螺母1-6的转动轴线与立柱2-8旋转轴线在O_sY_s方向的距离，为定值；图11所示，从侧视的角度补充展示了部分上述的定义；初始时刻，角θ_p、角θ_c和位移d₃均为0；角θ_s为已知；初始时刻如图12所示。

控制器2-6同步控制钳口驱动电机一2-17和钳口驱动电机二2-22带动调节螺母1-6旋转的流程包括：

第1步：采用控制器2-6控制立柱驱动电机2-10驱动立柱2-8转动角度θ_s，使θ_p＝θ_s，从而使钳口3-2的开口方向正对调节螺母1-6；

然后，采用控制器2-6控制底盘驱动电机2-2驱动底盘2-1沿导轨1-8移动；底盘2-1的停止位置在O_sX_s轴上的分量d₅为：

d₅＝d₆tan(θ_s)；

此步骤完成后的状态如图13所示；

第2步：计算直线模组驱动电机2-14驱动滑台2-16沿滑轨2-13移动的位移d₃；使调节螺母1-6被卡进钳口3-2；设定当前调节螺母1-6所需旋转的角度为θ_sCMD；采用控制器2-6控制钳口驱动电机一2-17和钳口驱动电机二2-22共同驱动钳口3-2使当调节螺母1-6旋转角度θ_sCMD；记录角θ_c与角θ_s的值；此步骤完成后的状态如图14所示；

第3步：控制钳口3-2与调节螺母1-6脱离；完成调节螺母1-6的一次调节。

再进一步，结合图10和图11所示，位移d₃的计算方法包括：

根据：

得到：

再进一步，结合图10和图11所示，在完成第2步后，调节螺母1-6和钳口3-2没有脱离，因此在第3步需要完成二者的脱离，从而使调平装置结束本次调平工作。

控制钳口3-2与调节螺母1-6脱离的方法包括：

整体上，此步需要重新调整底盘2-1的位置以及立柱2-8的角度，在不改变角θ_s大小的情况下使得角θ_c的值变为0：

一)、采用控制器2-6控制底盘驱动电机2-2驱动底盘2-1沿导轨1-8移动，停止位置d₅根据第2步记录的角θ_s计算；

二)、驱动立柱2-8转动，转动至第2步记录的角θ_s，使θ_p＝θ_s；

三)、为了保证角θ_s不变，即保证调节螺母1-6不转动，需要驱动钳口3-2按照与第2步相反的转动方向旋转，旋转角度大小与二中立柱2-8转动的角度相同，

为了保证此步中调节螺母1-6不转动，此步中底盘2-1的移动、立柱2-8的转动、钳口3-2的转动需同步进行。

四)、驱动滑台2-16向Y_d轴线负方向运动，使钳口3-2与调节螺母1-6脱离；Y_d轴线为丝杠2-15的轴线，其正方向为指向点C_c的方向。此步骤完成后的状态如图15所示。

值得注意的是，若要求第3步钳口3-2能顺利地与调节螺母1-6脱离，需保证第2步完成之后角θ_c的值不超过一定范围。由于调节螺母1-6为六角型螺母，因此这里约定角θ_c的范围为-30°～30°。当调节螺母1-6所需旋转的角度θ_sCMD较大时，若直接执行第2步，可能造成该步执行完毕之后，角θ_c的值超过其范围。此时，将θ_sCMD按照下式拆分：

θ_sCMD＝I×(+60°)+θ_sCMD′θ_sCMD>0

θ_sCMD＝I×(-60°)+θ_sCMD′θ_sCMD<0

式中，I是从0开始的整数，θ_sCMD′∈[-30°,30°]。如此，将较大的θ_sCMD拆分成若干个绝对值小于60°的角度，再将拆分后的角度作为每次第2步中调节螺母1-6所转动的角度。重复执行第2步和第3步，直至调节螺母1-6转动的角度最终为θ_sCMD。

此外，本实施方式中自动调平单元的立柱2-8长度设计为固定的，这是因为在进行微重力模拟平台调平的过程中，调节螺母1-6在竖直方向上的位移很小，通常不超过3mm。因此，一旦微重力模拟平台的尺寸确定，立柱2-8的长度则设计为一方面使调节螺母1-6能够被卡入钳口3-2；另一方面留有使调节螺母1-6在竖直方向上位移时，螺母不与装置的滑台2-10发生碰撞的余量。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

Claims (10)

1.一种自动调平式重载平面微重力模拟平台，其特征在于，包括平台(1-1)、多个支撑单元、多个自动调平单元和水平仪(1-11)，

平台(1-1)通过水平仪(1-11)测量水平度；

平台(1-1)由多个均匀分布的支撑单元支撑，每个支撑单元包括底座和多个分支座，多个分支座均匀分布在底座上作为多个支点；每个支撑单元对应配置一个自动调平单元；所述自动调平单元包括水平移动分部和夹持分部；所述底座与水平移动分部相配合使水平移动分部沿底座长度方向移动；水平移动分部与夹持分部连接，夹持分部的终端用于夹持分支座的调节螺母(1-6)，并旋动调节螺母(1-6)实现对平台(1-1)水平度的调节；

所述夹持分部包括顶板(2-12)、滑轨(2-13)、直线模组驱动电机(2-14)、丝杠(2-15)、滑台(2-16)、钳口驱动电机一(2-17)、钳口传动齿轮一(2-18)、钳口传动齿轮二(2-19)、钳口传动轴一(2-20)、钳口传动齿轮三(2-21)、钳口驱动电机二(2-22)、钳口传动齿轮四(2-23)、钳口传动齿轮五(2-24)、钳口传动轴二(2-25)、钳口传动齿轮六(2-26)、钳口罩(3-1)、钳口(3-2)、和钳口齿条(3-2-2)，

顶板(2-12)与水平移动分部末端固连，顶板(2-12)上固连滑轨(2-13)，滑轨(2-13)上连接滑台(2-16)，直线模组驱动电机(2-14)通过丝杠(2-15)驱动滑台(2-16)移动；

钳口罩(3-1)设置在滑台(2-16)上，钳口罩(3-1)呈具有缺口的圆环状，缺口伸出滑台(2-16)边沿，并且处于伸出段的居中位置；钳口(3-2)安装在钳口罩(3-1)内侧，钳口(3-2)外表面设置钳口齿条(3-2-2)；钳口罩(3-1)侧壁上镜像对称设置两个通孔，钳口齿条(3-2-2)在一个通孔处与钳口罩(3-1)外侧设置的钳口传动齿轮三(2-21)啮合，钳口传动齿轮三(2-21)通过钳口传动轴一(2-20)连接钳口传动齿轮二(2-19)，钳口传动齿轮二(2-19)和钳口传动齿轮三(2-21)共轴同向同步转动；钳口传动齿轮二(2-19)与钳口传动齿轮一(2-18)啮合，钳口传动齿轮一(2-18)由设置在滑台(2-16)上的钳口驱动电机一(2-17)驱动；钳口齿条(3-2-2)在另一个通孔处与钳口罩(3-1)外侧设置的钳口传动齿轮六(2-26)啮合，钳口传动齿轮六(2-26)通过钳口传动轴二(2-25)连接钳口传动齿轮五(2-24)，钳口传动齿轮五(2-24)和钳口传动齿轮六(2-26)共轴同向同步转动；钳口传动齿轮五(2-24)与钳口传动齿轮四(2-23)啮合，钳口传动齿轮四(2-23)由设置在滑台(2-16)上的钳口驱动电机二(2-22)驱动；

平台调平控制包括：计算自动调平单元与目标支点的距离，由控制器(2-6)控制水平移动分部移动至目标位置，并使调节螺母(1-6)卡进钳口(3-2)；再根据水平仪(1-11)测量结果对应的分支座高度调整目标数值计算调节螺母(1-6)的目标旋转角度，由控制器(2-6)同步控制钳口驱动电机一(2-17)和钳口驱动电机二(2-22)旋转目标旋转角度，最终使所有调节螺母(1-6)的高度相同，平台(1-1)被调至水平。

2.根据权利要求1所述的自动调平式重载平面微重力模拟平台，其特征在于，所述夹持分部还包括钳口滑槽(3-1-1)和钳口滑条(3-2-1)，

钳口(3-2)的上下表面沿圆周方向各设置一个钳口滑条(3-2-1)；钳口罩(3-1)上下侧壁内侧沿圆周方向分别设置钳口滑槽(3-1-1)，钳口滑条(3-2-1)与钳口滑槽(3-1-1)对应啮合。

3.根据权利要求2所述的自动调平式重载平面微重力模拟平台，其特征在于，自动调平单元的水平移动分部包括底盘(2-1)、底盘驱动电机(2-2)、底盘传动齿轮一(2-3)、底盘传动齿轮二(2-4)、底盘传动齿轮三(2-5)、控制单元(2-6)、立柱座(2-7)、立柱(2-8)、立柱传动齿轮二(2-9)、立柱驱动电机(2-10)和立柱传动齿轮一(2-11)，

底盘(2-1)上表面与立柱座(2-7)固连，立柱座(2-7)内插接立柱(2-8)，立柱(2-8)顶端作为水平移动分部末端与顶板(2-12)固连；立柱传动齿轮二(2-9)套接在立柱(2-8)上，立柱传动齿轮二(2-9)与立柱传动齿轮一(2-11)啮合，立柱传动齿轮一(2-11)由立柱驱动电机(2-10)驱动，使立柱(2-8)带动顶板(2-12)转动；

底盘(2-1)外侧设置底盘驱动电机(2-2)，底盘驱动电机(2-2)的输出轴连接底盘传动齿轮一(2-3)的转轴，底盘传动齿轮一(2-3)与底盘传动齿轮二(2-4)啮合，底盘传动齿轮一(2-3)与底盘传动齿轮二(2-4)处于同一水平面上，并同时与其上方设置的底盘传动齿轮三(2-5)啮合，底盘传动齿轮三(2-5)设置在底盘(2-1)立面上，并在底盘(2-1)内侧与底座相配合沿底座长度方向移动；控制单元(2-6)安装在底盘(2-1)上，控制底盘驱动电机(2-2)和立柱驱动电机(2-10)的转动，使水平移动分部移动至目标位置，并使调节螺母(1-6)卡进钳口(3-2)。

4.根据权利要求3所述的自动调平式重载平面微重力模拟平台，其特征在于，

每个支撑单元的底座包括两个方钢地脚(1-2)、方钢(1-3)、导轨(1-8)、齿条(1-9)和限位器(1-10)，

方钢地脚(1-2)相间隔固定在地面上，其上放置方钢(1-3)，多个分支座设置在方钢(1-3)上；方钢(1-3)一侧表面设置导轨(1-8)，导轨(1-8)的滑道内设置齿条(1-9)，导轨(1-8)上表面两端分别设置限位器(1-10)，

齿条(1-9)与底盘传动齿轮三(2-5)啮合；

导轨(1-8)的上下表面沿长度方向分别设置凹槽；底盘(2-1)内侧的上下表面沿长度方向分别设置凸起，底盘(2-1)的凸起相对应嵌入在凹槽内。

5.根据权利要求4所述的自动调平式重载平面微重力模拟平台，其特征在于，

每个支撑单元的分支座包括锥形座(1-4)、支撑柱(1-5)、调节螺母(1-6)和柱形垫块(1-7)，

锥形座(1-4)设置在方钢(1-3)上，锥形座(1-4)上固连支撑柱(1-5)，支撑柱(1-5)外表面设置螺纹，调节螺母(1-6)旋合在支撑柱(1-5)的螺纹上，柱形垫块(1-7)放置在调节螺母(1-6)上，柱形垫块(1-7)形成支点支撑在平台(1-1)的下表面。

6.根据权利要求5所述的自动调平式重载平面微重力模拟平台，其特征在于，

平台调平控制过程具体包括：

在调平过程中，设定支撑单元包括m个底座，每个底座上设置n个分支座，以S_ij表示第i行第j列对应的调节螺母(1-6)；i＝1，2，3，……，m；j＝1，2，3，……，n；行方向相邻两个调节螺母(1-6)的间距记为ΔL，列方向相邻两个调节螺母(1-6)的间距记为ΔW；所有调节螺母(1-6)的螺距η相同；

步骤一：按行方向调平：

对第i行，将水平仪依次放置在相邻两个调节螺母(1-6)之间，记水平仪(1-11)读数为

以第i行第1列调节螺母(1-6)S_i1的高度为基准，计算第2至n列调节螺母(1-6)S_i2～S_in相对于S_i1的高度差Δh_ij：

计算使Δh_ij＝0时，S_i2～S_in分别需要旋转的角度θ_sCMDij：

对于S_i2～S_in，由控制器(2-6)同步控制钳口驱动电机一(2-17)和钳口驱动电机二(2-22)旋转角度θ_sCMDij，使每一行的调节螺母(1-6)水平；

步骤二：按列方向调平：

任意选定一列调节螺母(1-6)，将水平仪依次放置在相邻两个调节螺母(1-6)之间，记水平仪(1-11)读数为

以选定列调节螺母(1-6)S_1j的高度为基准，依次计算选定列中第2至m行调节螺母(1-6)S_2j～S_mj相对于S_1j的高度差Δh_ij：

计算使Δh_ij＝0时，S_2j～S_mj分别需要旋转的角度θ_sCMDij：

对于第2至m行的调节螺母(1-6)，由控制器(2-6)同步控制钳口驱动电机一(2-17)和钳口驱动电机二(2-22)依次按S_2j～S_mj对应的角度θ_sCMDij进行旋转，使所有调节螺母(1-6)水平，从而达到平台(1-1)水平。

7.根据权利要求6所述的自动调平式重载平面微重力模拟平台，其特征在于，

以点C_p标记立柱(2-8)旋转轴线Z_d的位置，角θ_p为使调节螺母(1-6)卡进钳口(3-2)立柱(2-8)需绕轴Z_d旋转的角度；d₁为滑轨(2-13)边线与点C_p的距离，d₂为滑台(2-16)边线与点C_p的距离，d₃为滑轨(2-13)边线与滑台(2-16)边线的距离，点C_c标记钳口(3-2)旋转轴线Z_c的位置，角θ_c为钳口(3-2)绕轴Z_c旋转的目标角度，d₄为滑台(2-16)边线与点C_c的距离，线段AB为导轨(1-8)中心线，点C_s标记调节螺母(1-6)旋转轴线的位置，选定点C使线段C_sC与线段AB正交，点S为调节螺母(1-6)的顶点，线段C_sS与线段C_sC之间的夹角θ_s定义为调节螺母(1-6)的转角，点S约定为使角θ_s绝对值最小的顶点，点O_s为线段C_sC与线段AB的交点，建立以点O_s为原点的坐标系{X_sO_sY_s}，O_sX_s正方向为从点O_s指向点B，O_sY_s正方向为从点O_s指向点C_s；自动调平单元在导轨(1-8)上沿着轴O_sX_s的目标位移为d₅，点C_p和C_s在O_sY_s方向的距离为d₆，初始时刻，角θ_p、角θ_c和位移d₃均为0；角θ_s为已知；

控制器(2-6)同步控制钳口驱动电机一(2-17)和钳口驱动电机二(2-22)带动调节螺母(1-6)旋转的流程包括：

第1步：采用控制器(2-6)控制立柱驱动电机(2-10)驱动立柱(2-8)转动角度θ_s，使θ_p＝θ_s，从而使钳口(3-2)的开口方向正对调节螺母(1-6)；

然后，采用控制器(2-6)控制底盘驱动电机(2-2)驱动底盘(2-1)沿导轨(1-8)移动；底盘(2-1)的停止位置在O_sX_s轴上的分量d₅为：

d₅＝d₆tan(θ_s)；

第2步：计算直线模组驱动电机(2-14)驱动滑台(2-16)沿滑轨(2-13)移动的位移d₃；使调节螺母(1-6)被卡进钳口(3-2)；设定当前调节螺母(1-6)所需旋转的角度为θ_sCMD；采用控制器(2-6)控制钳口驱动电机一(2-17)和钳口驱动电机二(2-22)共同驱动钳口(3-2)使当调节螺母(1-6)旋转角度θ_sCMD；记录角θ_c与角θ_s的值；

第3步：控制钳口(3-2)与调节螺母(1-6)脱离；完成调节螺母(1-6)的一次调节。

8.根据权利要求7所述的自动调平式重载平面微重力模拟平台，其特征在于，

位移d₃的计算方法包括：

根据：

得到：

9.根据权利要求8所述的自动调平式重载平面微重力模拟平台，其特征在于，

控制钳口(3-2)与调节螺母(1-6)脱离的方法包括：

在不改变角θ_s大小的情况下使得角θ_c的值变为0：

一)、采用控制器(2-6)控制底盘驱动电机(2-2)驱动底盘(2-1)沿导轨(1-8)移动，停止位置d₅根据第2步记录的角θ_s计算；

二)、驱动立柱(2-8)转动，转动至第2步记录的角θ_s，使θ_p＝θ_s；

三)、驱动钳口(3-2)按照与第2步相反的转动方向旋转，旋转角度大小与二)中立柱(2-8)转动的角度相同，

四)、驱动滑台(2-16)向Y_d轴线负方向运动，使钳口(3-2)与调节螺母(1-6)脱离；Y_d轴线为丝杠(2-15)的轴线，其正方向为指向点C_c的方向。

10.根据权利要求9所述的自动调平式重载平面微重力模拟平台，其特征在于，

角θ_c的范围为-30°～30°。

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