一种悬吊式无重力模拟试验床及其使用方法

摘要

本发明提供了一种悬吊式无重力模拟试验床，包括主动跟踪子系统、多个被动跟踪子系统和多个悬吊系统，所述主动跟踪子系统包括第一导轨和沿所述第一导轨移动的多个主动移动平台，所述的多个被动跟踪子系统分别固定安装于所述的多个主动移动平台，所述被动跟踪子系统包括第二导轨和被动移动平台，所述的多个悬吊系统分别固定安装于多个被动移动平台。本发明的有益技术效果为：本发明的无重力试验床采用主被动混合跟踪模式并具有断电保护功能，可用于需要多点悬吊的复杂运动机构的无重力模拟试验。本发明还提供了一种悬吊式无重力模拟试验床的使用方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种无重力模拟试验床，尤其涉及一种平面主被动混合跟踪，垂向 闭环悬吊拉力控制的无重力模拟试验床和试验方法。

背景技术

无重力模拟试验对于空间机构的研发测试具有十分重要的意义，其可以通过模 拟无重力环境下系统的响应对空间机构的设计进行验证。

目前一般的无重力试验床及试验方法有以下几种：

(1)气浮平台以及气浮法，利用向下喷气的气浮装置来平衡重力，能获得非 常小运动的阻力以及良好的重力平衡效果，模拟精度高，模拟时间不受限制，可靠 性高，适应性强。缺点是无法难以实现三维空间内的运动；

(2)中性水池及水浮法，利用水浮力抵消重力，能够在三维运动的情况下模 拟无重力状态，但是对于设备防水性能要求高，且运动阻力较大，试验成本较高。

(3)失重飞行试验通过自由落体实现失重环境，具有模拟效果好的优势，但 是造价昂贵，持续时间往往只有十几秒；

(4)悬吊试验通过控制悬挂点的拉力来平衡重力，拉力可由气球、配重、电 机提供，为保持悬吊力竖直，需要匹配平面跟踪系统。悬吊模拟系统通常可分为被 动式、主动式、混合式。当运动速度缓慢时，可以视为准静态过程，被动跟随机构 的影响可以忽略，此时适用于被动式跟踪，且该方法系统简单，成本较低；当对于 跟踪的动态性或者运动维度要求较高时，则宜采用伺服系统主动跟踪的方式，如天 车、吊臂等；结合对于实验的要求，主被动混合系统能够在模拟精度以及成本控制 方面达成平衡。该方法优势在于可长时间试验，缺点是模拟精度不高且多个悬吊点 跟踪的实现和控制比较困难。

目前国内多悬吊点的无重力试验床均为单自由度被动跟踪式系统，而主动跟踪 式试验床则均为单一悬吊点系统，二者均无法满足三维空间运动机械臂的无重力模 拟实验要求。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种新的悬吊式无重力模拟试验 床，要解决的技术问题是实现半主动跟踪多点悬吊。

为解决上述问题，本发明采取的技术方案是：一种悬吊式无重力模拟试验床， 包括主动跟踪子系统、多个被动跟踪子系统和多个悬吊系统，所述主动跟踪子系统 包括第一导轨和沿所述第一导轨移动的多个主动移动平台，所述的多个被动跟踪子 系统分别固定安装于所述的多个主动移动平台，所述被动跟踪子系统包括第二导轨 和被动移动平台，所述的多个悬吊系统分别固定安装于多个被动移动平台。

优选地，所述第一导轨的轴线和所述第二导轨的轴线垂直。

优选地，所述的主动跟踪子系统还包括多个驱动装置，分别用于驱动所述的 多个主动移动平台沿所述第一导轨移动。更优选地，所述驱动装置包括步进驱动电 机、安装于所述步进驱动电机驱动的转轴的直齿轮、与所述直齿轮啮合的直齿齿条， 所述直齿齿条与所述主动移动平台连接。

优选地，所述第一导轨为V型导轨，所述主动移动平台包括匹配所述V型导 轨的滚轮、用于安装所述被动跟踪子系统的安装板。

优选地，所述第二导轨为直线圆导管，所述被动跟踪子系统还包括用于所述 直线圆导管沿所述第一导轨的轴线方向移动的直线圆导管滑动组件，所述直线圆导 管滑动组件包括与所述第一导轨平行的圆柱形导轨、沿所述圆柱形导轨滑动的滑 动块以及连接所述滑动块与所述直线圆导管的连接块。更优选地，所述被动移动 平台包括四个与所述直线圆导管匹配的安装有滚珠轴承的爪形件和用于安装所 述悬吊系统的固定底座。

优选地，所述悬吊系统包括恒拉力控制机构，所述恒拉力控制机构包括伺 服驱动电机、由所述伺服驱动电机驱动的钢丝卷筒、缠绕于所述钢丝卷筒的钢 丝挂绳以及用于监测所述钢丝挂绳的张力的张力传感器。更优选地，所述悬吊 系统还包括用于在断电时制动所述钢丝卷筒的失电制动器。

本发明提供一种本发明所提供的悬吊式无重力模拟试验床的使用方法，包括 如下步骤：

1)根据所需悬挂点的个数安装跟踪子系统；

2)手动调节移动平台的位置使钢丝绳竖直；

3)固定钢丝绳，设定每个悬吊点的悬吊力后使机构受力，根据张力传感 器的数据设置伺服驱动电机的参数，上电使失电制动器释放；

4)驱动被测物体，进行无重力试验；

5)试验结束后，断电使失电制动器抱死，松开钢丝绳移除被测机构。

本发明的有益技术效果为：本发明的无重力试验床采用主被动混合跟踪模式 并具有断电保护功能，可用于需要多点悬吊的复杂运动机构的无重力模拟试验，吊 点数量可扩展，且能够实现对每个悬吊点的悬吊力单独闭环控制，提供了一种满足 测试机构三维空间运动、运动阻力较小、成本较低、工作时间长且稳定的多点悬吊 平衡无重力模拟试验床，具有较高的普适性以及较好的模拟效果，填补了目前国内 采用半主动跟踪多点悬吊法无重力模拟试验床的空白。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明， 以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1为本发明所提供的悬吊式无重力模拟试验床的一种优选的具体实施方式 的前视图。

图2为图1所示的悬吊式无重力模拟试验床的左视图。

图3为图1所示的悬吊式无重力模拟试验床的跟踪子系统的正视图。

图4为图3所示的跟踪子系统的左视图。

图5为图3所示的跟踪子系统的Y轴跟踪子系统的结构示意图。

具体实施方式

图1-图4示出了本发明所提供的悬吊式无重力模拟试验床的一种优选的具体 实施方式。

如图-图4所示，该具体实施方式中的悬吊式无重力模拟试验床包括一套主动 跟踪子系统1、六套被动跟踪子系统2、六套悬吊系统和支撑框架4。主动跟踪子 系统1为X轴主动跟踪子系统1，被动跟踪子系统2为Y轴被动跟踪子系统2，悬 吊系统包括Z轴恒拉力控制机构3，支撑框架4由铝型材拼装而成。

其中，X轴主动跟踪子系统1包括主梁101、V型导轨102、主动移动平台、 驱动装置；主梁101两端固定于支撑框架4，下方通过型材专用条形螺母固定V型 导轨102，驱动装置驱动主动移动平台沿V型导轨102移动，V型导轨102即第一 导轨，主动移动平台以及驱动装置共安装有六套。

主动移动平台包括V型导轨配套滚轮104和可调电机支座107，主动移动平台 通过V型导轨配套滚轮104沿V型导轨102移动。驱动装置包括直齿齿条103、 直齿齿轮105以及步进电机108。直齿齿轮105安装于步进电机108的转轴，直齿 齿条103与直齿齿轮105啮合，直齿齿条103通过型材专用条形螺母固定于主梁 101下方，移动平台通过可调电机支座107连接步进电机108。这样，步进电机108 驱动直齿齿轮105从而实现主动移动平台在X轴方向上的主动跟踪控制。

主动移动平台还包括安装板106和连接螺柱109，连接螺柱109的一端安装于 安装板106，另一端连接Y轴被动跟踪子系统2，这样，主动移动平台通过连接螺 柱109与Y轴被动跟踪子系统2固定。

Y轴被动跟踪子系统2包括直线圆导管201和被动移动平台，被动移动平台沿 着直线圆导管201在Y轴方向上移动，直线圆导管201即第二导轨。直线圆导管 201安装于连接螺柱109的另一端，Y轴被动跟踪子系统2通过直线圆导管201固 定于主动移动平台。当主动移动平台在X轴方向上移动时，直线圆导管201整体 会被带动，也在X轴方向上移动。为了实现直线圆导管201在X轴方向上的更好 的移动，Y轴被动跟踪子系统2还包括直线圆导管滑动组件。如图5所示，直线圆 导管滑动组件圆柱形导轨207、配套的滑动块206与连接块205。圆柱形导轨207 沿X轴线上延伸，与V型导轨102平行，滑动块206与圆柱形导轨207匹配并沿 圆柱形导轨207滑动，连接块205一端连接滑动块206，另一端连接圆柱形导轨207。 直线圆导管201在中央处通过连接螺柱109固定于X轴主动跟踪子系统1下方， 两侧通过螺栓以及连接块205固定于圆柱形导轨207配套的滑动块206上，由此直 线圆导管201实现在X轴方向上的更好的移动。

被动移动平台包括四个爪形件202和固定底座204，爪形件202上安装有滚 珠轴承203，四个爪形件202刚好卡出直线圆导管201的上部，被动移动平台通过 四个爪形件202的滚珠轴承203沿直线圆导管201滑动。由此被动移动平台悬挂 在直线圆导管下方。

固定底座204的作用是安装悬吊系统。另外，固定底座204与悬吊系统采用L 型支座连接，连接位置可调以消除自重以及悬吊力对被动移动平台的弯矩。

悬吊系统包括Z轴恒拉力控制机构3。Z轴恒拉力控制机构3包括机架301、 伺服驱动电机303、钢丝卷筒304、钢丝挂绳308、失电制动器305、张力传感器 307。机架301通过直角连接件302连接在固定底座204上，位置可调；伺服电机 303固定在机架301上，通过轴与钢丝卷筒304连接；钢丝卷筒通过另一根轴与失 电制动器305连接，失电制动器305在断电时自动抱死以保障被悬挂机构的安全； 失电制动器305通过螺栓固定在机架上，固定件包括制动器支座306以及套筒 309；钢丝绳308固定并缠绕在钢丝卷筒上，之后通过张力传感器307连接到被悬 挂机构上。在该具体实施方式中，张力传感器307为三轮张力传感器，在不改变所 述钢丝挂绳方向的情况下测定其张力，反馈给所述伺服驱动电机控制器，形成张力 的闭环控制。

在以上具体实施方式中，安装板106、可调电机支座107、爪形件202、底座 204、机架301、钢丝卷筒304采用铝合金或钢材加工制成；支撑框架4与主梁101 由铝型材制成。

利用以上具体实施方式的无重力模拟试验床进行无重力试验的具体工作过程 如下：

第一步，根据所需悬挂点的个数安装对应数量的跟踪子系统；

第二步，手动调节移动平台的位置使钢丝绳308竖直；

第三步，固定钢丝绳，设定每个悬吊点的悬吊力后使机构受力，张力传感器 307有示数，上电使失电制动器305释放，伺服电机303受力矩作用，通过电控平 衡，微调拉力设定值以及控制参数使得被吊物能自如地上下运动以及悬停且有合适 的阻尼；

第四步，驱动被测物体，并利用程序接口控制X轴主动跟踪子系统每个移动 平台的驱动速度和方向，以保持钢丝绳308基本竖直，此时，无重力试验正常进行；

第五步，试验结束后，断电使失电制动器305抱死，松开钢丝绳308移除被测 机构。

该具体实施方式中的无重力模拟试验床采用主被动混合跟踪模式并具有断电 保护功能，可用于需要多点悬吊的复杂运动机构的无重力模拟试验，吊点数量可扩 展，且能够实现对每个悬吊点的悬吊力单独闭环控制，提供了一种满足测试机构三 维空间运动、运动阻力较小、成本较低、工作时间长且稳定的多点悬吊平衡无重力 模拟试验床，具有较高的普适性以及较好的模拟效果，填补了目前国内采用半主动 跟踪多点悬吊法无重力模拟试验床的空白。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员 无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领 域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的 实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。