CN111017274A - 一种适用于超长轻质结构展开的地面模拟零重力试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于超长轻质结构展开的地面模拟零重力试验系统，包括：X向随动执行机构、Y向随动执行机构、随动平台、检控装置、气磁混合轴承、悬吊绳、高稳支撑架和轻质展开机构；其中，所述高稳支撑架作为支撑主体与Y向随动执行机构连接，所述X向随动执行机构的下部与Y向随动执行机构连接，所述X向随动执行机构的中部安装随动平台及检控装置，气磁混合轴承通过磁力与随动平台贴合，所述悬吊绳的下端与所述轻质展开机构连接，所述悬吊绳的上端与气磁混合轴承连接。本发明解决了轻质机构大范围运动、低摩擦随动的展开特性需求。
Description
技术领域
本发明属于航天器地面零重力模拟试验技术领域，尤其涉及一种适用于超长轻质结构展开的地面模拟零重力试验系统。
背景技术
伴随着航天科技的发展，世界各国在模拟太空零重力环境技术逐渐成熟，迄今为止，模拟空间零重力环境下展开方案主要有以下几种：惯性补偿(失重)法、气悬浮法、水下模拟失重方法、悬吊法等。
根据对超长轻质展开机构的展开运动特性分析可知，机构自身质量轻，摩擦力对其展开运动影响大，惯性补偿法和水下模拟失重法显然不适用本试验件，常规应用“导轨+滑车+弹簧吊挂”形式的悬吊法受自身摩擦力及惯性影响，无法满足轻质机构的展开需求。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种适用于超长轻质结构展开的地面模拟零重力试验系统，提出了二维随动+气磁混合悬吊的自适应零重力方式，解决了轻质机构大范围运动、低摩擦随动的展开特性需求。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种适用于超长轻质结构展开的地面模拟零重力试验系统，包括：X向随动执行机构、Y向随动执行机构、随动平台、检控装置、气磁混合轴承、悬吊绳、高稳支撑架和轻质展开机构；其中，所述高稳支撑架作为支撑主体与Y向随动执行机构连接，所述X向随动执行机构的下部与Y向随动执行机构连接，所述X向随动执行机构的中部安装随动平台及检控装置，气磁混合轴承通过磁力与随动平台贴合，所述悬吊绳的下端与所述轻质展开机构连接，所述悬吊绳的上端与气磁混合轴承连接。
上述适用于超长轻质结构展开的地面模拟零重力试验系统中，所述X向随动执行机构包括X向伺服驱动机构、X向移动构件、X向直线导轨和X向丝杠；其中，X向伺服驱动机构与X向丝杠连接，X向丝杠连接嵌套螺纹的X向移动构件，X向移动构件与X向直线导轨连接。
上述适用于超长轻质结构展开的地面模拟零重力试验系统中，所述Y向随动执行机构包括Y向伺服驱动机构、Y向移动构件、Y向直线导轨和Y向丝杠；其中，Y向伺服驱动机构与Y向丝杠连接，Y向丝杠连接嵌套螺纹的Y向移动构件，Y向移动构件与Y向直线导轨连接。
上述适用于超长轻质结构展开的地面模拟零重力试验系统中，所述随动平台包括铸铁平台、调节机构、支架和移动构件；其中，铸铁平台与调节机构连接，支架的下部连接调节机构，支架的上部连接移动构件。
上述适用于超长轻质结构展开的地面模拟零重力试验系统中，所述检控装置包括X向触发信号装置、Y向触发信号装置、铸铁平台和气磁混合轴承；其中，所述X向触发信号装置设置于所述铸铁平台的左上边沿角点位置和右下边沿角点位置；所述Y向触发信号装置设置于所述铸铁平台的右上边沿角点位置和左下边沿角点位置；所述气磁混合轴承通过磁力吸附于铸铁平台的中心位置。
上述适用于超长轻质结构展开的地面模拟零重力试验系统中，所述气磁混合轴承包括气浮装置、永磁装置、机械结构和电磁装置；其中，气浮装置、永磁装置和电磁装置均集成在机械结构中，机械结构的上部依靠磁力吸附于随动平台，机械结构的下部连接悬吊绳。
上述适用于超长轻质结构展开的地面模拟零重力试验系统中，所述悬吊绳包括上端绳索、力检测装置和下端绳索；其中，上端绳索的上端与气磁混合轴承连接，上端绳索的下端与力检测装置连接，下端绳索的上端与力检测连接，下端绳索的下端与轻质展开机构连接。
上述适用于超长轻质结构展开的地面模拟零重力试验系统中，所述高稳支撑架包括主支撑模块和辅助支撑模块；其中，主支撑模块分别与辅助支撑模块、Y向随动执行机构连接。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明利用磁力吸附于随动平台以及气体顶升使其悬浮，实现平面内无摩擦高精度随动，解决了常规悬吊式零模拟装置阻力大、随动滞后问题；
(2)本发明通过XY平面二维随动粗精度跟随，解决了超长结构气浮悬吊展开所需的高精度大面积平台实现难题，仅需保证小面积随动平台精度即可进行工程应用；
(3)本发明填补了国内适用于航天器超长轻质展开机构地面零重力模拟试验领域空白。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的适用于超长轻质展开机构的地面模拟零重力试验系统组成示意图；
图2是本发明实施例提供的适用于超长轻质展开机构的地面模拟零重力试验系统组成的另一示意图；
图3是本发明实施例提供的X向随动执行机构示意图；
图4是本发明实施例提供的Y向随动执行机构示意图；
图5是本发明实施例提供的随动平台示意图；
图6是本发明实施例提供的检控装置示意图；
图7是本发明实施例提供的气磁混合轴承示意图；
图8是本发明实施例提供的悬吊绳示意图；
图9是本发明实施例提供的高稳支撑架示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。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。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1是本发明实施例提供的适用于超长轻质展开机构的地面模拟零重力试验系统组成示意图；图2是本发明实施例提供的适用于超长轻质展开机构的地面模拟零重力试验系统组成的另一示意图。如图1和图2所示，该适用于超长轻质展开机构的地面模拟零重力试验系统包括X向随动执行机构1、Y向随动执行机构2、随动平台3、检控装置4、气磁混合轴承5、悬吊绳6、高稳支撑架7和轻质展开机构8；其中，
所述高稳支撑架7作为支撑主体与Y向随动执行机构2连接，所述X向随动执行机构1的下部与Y向随动执行机构2连接，所述X向随动执行机构1的中部安装随动平台3及检控装置4，气磁混合轴承5通过磁力与随动平台3贴合，所述悬吊绳6的下端与所述轻质展开机构8连接，所述悬吊绳6的上端与气磁混合轴承5连接。
工作原理：当轻质展开机构8运动，机构带动悬吊绳6、气磁混合轴承5在随动平台3上随动，当气磁混合轴承5运动至一定位移后检控装置4识别气磁混合轴承5运动边界，计算得出主动跟随参数，发出控制指令使X向随动执行机构1、Y向随动执行机构2定向运动，使气磁混合轴承5回到随动平台3安全区域，从而实现超长轻质展开机构的地面模拟零重力试验功能。
如图3所示，X向随动执行机构1包括X向伺服驱动机构110、X向移动构件120、X向直线导轨130和X向丝杠140；其中，
X向伺服驱动机构110与X向丝杠140连接，X向丝杠140连接嵌套螺纹的X向移动构件120，X向移动构件120与X向直线导轨130连接。
工作原理：当伺服驱动机构110接收指令后工作带动丝杠140轴向旋转使连接嵌套螺纹的移动构件120实现平动，直线导轨130与移动构件120连接实现构件姿态稳定功能。
如图4所示，Y向随动执行机构2包括Y向伺服驱动机构210、Y向移动构件220、Y向直线导轨230和Y向丝杠240；其中，
Y向伺服驱动机构210与Y向丝杠240连接，Y向丝杠240连接嵌套螺纹的Y向移动构件220，Y向移动构件220与Y向直线导轨230连接。
工作原理：当Y向伺服驱动机构210接收指令后工作带动Y向丝杠240轴向旋转使连接嵌套螺纹的Y向移动构件220实现平动，Y向直线导轨230与Y向移动构件220连接实现构件姿态稳定功能。
如图5所示，随动平台3包括铸铁平台310、调节机构320、支架330和移动构件340；其中，铸铁平台310与调节机构320连接，支架330的下部连接调节机构320，支架330的上部连接移动构件340。
工作原理：移动构件340为图3所示X向随动执行机构移动构架，下方连接支架330与调节机构320，调节机构三点连接铸铁平台310，通过三点定位方法调试实现铸铁平台310水平姿态。
如图6所示，检控装置4包括X向触发信号装置410、Y向触发信号装置420、铸铁平台430和气磁混合轴承440；其中，
所述X向触发信号装置410设置于所述铸铁平台430的左上边沿角点位置和右下边沿角点位置；所述Y向触发信号装置420设置于所述铸铁平台430的右上边沿角点位置和左下边沿角点位置；所述气磁混合轴承440通过磁力吸附于铸铁平台430的中心位置。
工作原理：X向触发信号装置410，Y向触发信号装置420工作状态为光路闭合，当气磁混合轴承440运动至铸铁平台430边沿位置时将遮挡触发信号装置，致使光路断开，识别断开信号后，系统以PXI控制板卡作为系统控制核心，控制板卡通过PXI总线与CAN卡进行通信，然后与具有CAN总线结构的运动控制模块通信，实现对X向随动执行机构(Y向随动执行机构)的伺服驱动机构群控，X向随动执行机构(Y向随动执行机构)按程序拖动铸铁平台430运动后，X向触发信号装置410，Y向触发信号装置420工作状态重回光路闭合，从而实现主动跟随。
如图7所示，气磁混合轴承包括气浮装置520、永磁装置530、机械结构540和电磁装置550；其中，气浮装置520、永磁装置530和电磁装置550均集成在机械结构540中，机械结构540的上部依靠磁力吸附于随动平台3，机械结构540的下部连接悬吊绳6。
工作原理：永磁装置530固有磁力F1，气浮装置520通过供气至随动平台3可提供气支撑力F2，电磁装置可通过调节电场，实现磁力F3，悬吊绳6为系统可实现提升力F。F＝F1+F3-F2，可通过调节F3实现所需F力值控制，从而实现重力卸载功能。
如图8所示，悬吊绳包括上端绳索620、力检测装置630和下端绳索640；其中，上端绳索620的上端与气磁混合轴承5连接，上端绳索620的下端与力检测装置630连接，下端绳索640的上端与力检测630连接，下端绳索640的下端与轻质展开机构8连接。
工作原理：上端绳索620、下端绳索640分别实现与气磁混合轴承5、轻质展开机构8的连接，中间串联力检测装置630，工作过程中通过力检测装置630判读卸载力值。
如图9所示，高稳支撑架7包括主支撑模块710和辅助支撑模块720；其中，主支撑模块710分别与辅助支撑模块720、Y向随动执行机构2连接。
工作原理：高稳支撑架按所服务航天产品包络尺寸需求确定主支撑模块710外形尺寸，通过辅助支撑模块720进行结构加强，提升产品刚度，主支撑模块710提供Y向随动执行机构2安装接口，从而实现对零重力试验系统的支撑。
随动执行机构包含X/Y向随动执行机构和控制器，每套机构由伺服驱动机构、传动丝杠、导向滑轨等组成，实现随动平台对机构的主动粗精度跟随。
随动平台由随动执行机构驱动，为气磁混合倒挂式悬吊装置提供一个稳定、光滑的运动支撑结构，以保证悬吊装置自适应随动，在随动平台的四角点设置运动检控装置的物理安装接口。
气磁混合轴承倒挂在随动平台下，包括气浮部分、永磁部分、电磁部分以及机械结构部分。通过磁力吸附于随动平台上，通过气体实现悬浮，能够在刚性随动平台上实现近乎无摩擦的运动，具备自适应的能力，实现高精度跟随。
检控装置通过激光束对气磁混合轴承进行位置检测，并控制随动执行机构做出跟随动作，以保证气磁混合悬吊装置对机构的随动。
悬吊绳实现气磁混合轴承与超长轻质展开机构产品的可靠连接，并实现卸载力检测功能。
高稳支撑架为试验系统提供高稳定支撑结构，提供机械接口，使用型材焊接、组装而成。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (8)
1.一种适用于超长轻质结构展开的地面模拟零重力试验系统，其特征在于包括：X向随动执行机构(1)、Y向随动执行机构(2)、随动平台(3)、检控装置(4)、气磁混合轴承(5)、悬吊绳(6)、高稳支撑架(7)和轻质展开机构(8)；其中，
所述高稳支撑架(7)作为支撑主体与Y向随动执行机构(2)连接，所述X向随动执行机构(1)的下部与Y向随动执行机构(2)连接，所述X向随动执行机构(1)的中部安装随动平台(3)及检控装置(4)，气磁混合轴承(5)通过磁力与随动平台(3)贴合，所述悬吊绳(6)的下端与所述轻质展开机构(8)连接，所述悬吊绳(6)的上端与气磁混合轴承(5)连接。
2.根据权利要求1所述的适用于超长轻质结构展开的地面模拟零重力试验系统，其特征在于：所述X向随动执行机构(1)包括X向伺服驱动机构(110)、X向移动构件(120)、X向直线导轨(130)和X向丝杠(140)；其中，
X向伺服驱动机构(110)与X向丝杠(140)连接，X向丝杠(140)连接嵌套螺纹的X向移动构件(120)，X向移动构件(120)与X向直线导轨(130)连接。
3.根据权利要求1所述的适用于超长轻质结构展开的地面模拟零重力试验系统，其特征在于：所述Y向随动执行机构(2)包括Y向伺服驱动机构(210)、Y向移动构件(220)、Y向直线导轨(230)和Y向丝杠(240)；其中，
Y向伺服驱动机构(210)与Y向丝杠(240)连接，Y向丝杠(240)连接嵌套螺纹的Y向移动构件(220)，Y向移动构件(220)与Y向直线导轨(230)连接。
4.根据权利要求1所述的适用于超长轻质结构展开的地面模拟零重力试验系统，其特征在于：所述随动平台(3)包括铸铁平台(310)、调节机构(320)、支架(330)和移动构件(340)；其中，铸铁平台(310)与调节机构(320)连接，支架(330)的下部连接调节机构(320)，支架(330)的上部连接移动构件(340)。
5.根据权利要求1所述的适用于超长轻质结构展开的地面模拟零重力试验系统，其特征在于：所述检控装置(4)包括X向触发信号装置(410)、Y向触发信号装置(420)、铸铁平台(430)和气磁混合轴承(440)；其中，
所述X向触发信号装置(410)设置于所述铸铁平台(430)的左上边沿角点位置和右下边沿角点位置；所述Y向触发信号装置(420)设置于所述铸铁平台(430)的右上边沿角点位置和左下边沿角点位置；所述气磁混合轴承(440)通过磁力吸附于铸铁平台(430)的中心位置。
6.根据权利要求1所述的适用于超长轻质结构展开的地面模拟零重力试验系统，其特征在于：所述气磁混合轴承包括气浮装置(520)、永磁装置(530)、机械结构(540)和电磁装置(550)；其中，气浮装置(520)、永磁装置(530)和电磁装置(550)均集成在机械结构(540)中，机械结构(540)的上部依靠磁力吸附于随动平台(3)，机械结构(540)的下部连接悬吊绳(6)。
7.根据权利要求1所述的适用于超长轻质结构展开的地面模拟零重力试验系统，其特征在于：所述悬吊绳包括上端绳索(620)、力检测装置(630)和下端绳索(640)；其中，上端绳索(620)的上端与气磁混合轴承(5)连接，上端绳索(620)的下端与力检测装置(630)连接，下端绳索(640)的上端与力检测(630)连接，下端绳索(640)的下端与轻质展开机构(8)连接。
8.根据权利要求1所述的适用于超长轻质结构展开的地面模拟零重力试验系统，其特征在于：所述高稳支撑架(7)包括主支撑模块(710)和辅助支撑模块(720)；其中，主支撑模块(710)分别与辅助支撑模块(720)、Y向随动执行机构(2)连接。
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| CN111806734A (zh) * | 2020-07-02 | 2020-10-23 | 中国人民解放军国防科技大学 | 重力补偿系统、航天器相对运动地面悬吊实验系统及方法 |
| CN111806734B (zh) * | 2020-07-02 | 2022-06-07 | 中国人民解放军国防科技大学 | 重力补偿系统、航天器相对运动地面悬吊实验系统及方法 |
| CN113479355A (zh) * | 2021-08-12 | 2021-10-08 | 哈尔滨工业大学 | 地面变质心零重力模拟装置及模拟方法 |
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| CN116767519A (zh) * | 2023-06-18 | 2023-09-19 | 哈尔滨理工大学 | 一种磁气重力平衡航天模拟器对接试验装置 |
| CN116767519B (zh) * | 2023-06-18 | 2024-02-09 | 哈尔滨理工大学 | 一种磁气重力平衡航天模拟器对接试验装置 |
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