专利名称：二维主动跟随减重吊挂装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及减重吊挂技术领域，尤其是一种二维主动跟随减重吊挂装置。
背景技术：
如在地面模拟月球环境进行机构的运动性能测试试验，由于地面的重力是月球表面的6倍，模拟装置须提供月面l/6g重力环境模拟。
我们以月球车的机械臂伸展为例，机械臂绕机座可以在与地面平行的平面内转动，机械臂的伸展臂和腕部俯仰关节绕着肩部俯仰关节可以在与地面垂直的平面内运动， 机械臂在转动过程中伸展臂和腕部俯仰关节之间的相对位置不变，可以看作一个刚体。吊挂装置通过机械臂的质心悬挂，在机械臂伸展的过程中，我们要在竖直方向提供一个恒定的吊挂力，并对质心在与地面平行的平面内运动不产生附加的力，主动跟随其运动。
二维主动跟随减重吊挂系统装置是通过悬挂绳与被跟随件连接，主要实现垂直地面方向的恒力减重吊挂及与地面平行的平面内的主动运动跟随，保证运动过程中悬挂绳处于拉紧且竖直的状态。
现有技术通常采用直线导轨、转轴和滑轮组来实现，悬挂绳通过滑轮组分别与减重砝码和被跟随件相连接，来提供垂直方向的恒定吊挂力，再将滑轮组安装在导轨滑块上，通过滑块在直线导轨上的运动实现水平运动跟随，直线导轨一端可绕转轴旋转，实现平面内二维被动跟随。然而此装置中，滑轮组自身内部存在摩擦阻力、滑轮组与悬挂绳之间存在变动的摩擦力，摩擦力作用在悬挂绳上，从而改变了悬挂绳上的作用力的大小 ’另一方面，导轨滑块与线性模组之间的摩擦力，直接影响水平方向主动跟随的精度。由于空气轴承具有摩擦阻力小、运动精度高、清洁无污染等特点，因而采用空气轴承做滑轮组，代替普通滑轮减少摩擦，采用气浮轴承与直线滑块相配合实现水平方向无摩擦被动跟随，气浮垫配合气浮轴承实现转轴无摩擦转动进一步改良了减重吊挂装置。。如专利申请号为 201010165657. 5的“三维气浮随动装置”就公布了这种采用气浮轴承、减重砝码、直线导轨、 转轴组成的减重吊挂装置。虽然此装置消除了滑块与导轨之间、转轴与立柱之间以及滑轮内在的摩擦阻力的影响，但是悬挂绳与气浮轴承间的摩擦力影响并没有消除，并且减重砝码的质量很高，当被跟随件在竖直方向加速或减速运动时，减重砝码会因惯性而产生一个极大的附加力，作用在悬挂绳上。所以，这种装置很难保证一个恒定的、高精度的减重吊挂， 而只适用于慢速或匀速运动跟随的减重模拟。发明内容
为了克服现有装置悬挂绳和滑轮之间的摩擦力、减重砝码惯性力影响，避免减重吊挂力不稳定，气浮装置成本高、气源供气复杂且难以维护等缺点，本发明提供了一种实现恒张力控制和二维主动跟随的减重吊挂装置，实现被跟随件与地面水平和竖直方向的高精度运动跟随，且提供持续恒定的竖直方向的吊挂力。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是
一种二维主动跟随减重吊挂装置，包括二维主动跟随系统和恒张力控制系统，其中，
所述恒张力控制系统包括安装支架、张力感应组件和卷绳组件，所述张力感应组件包括用以测量卷绳组件出来的悬挂绳的张力的两个张力传感器，所述张力传感器安装在张力传感器支架上所述导向轮安装在导向轮支架上，所述导向轮支架安装在传感器支架上；
所述卷绳组件包括卷绳组件座、丝杠、卷绳轴、卷筒、大齿轮、导向轮和小齿轮，所述卷筒固定安装在卷绳轴上，所述卷绳轴通过键槽与大齿轮连接，所述大齿轮与小齿轮啮合，所述小齿轮与丝杠通过键槽连接，所述卷绳轴与丝杠两端通过滚动轴承安装在卷绳组件座上，所述导向轮通过安装板固定卷绳组件座上，所述卷绳组件座固定安装在安装支架上；
所述二维主动跟随系统包括导轨滑块、线性模组、导轨横梁、转轴、旋转梁、第一控制电机、第二控制电机、横向角度感应组件和纵向角度感应组件，所述导轨滑块与恒张力控制系统中的安装支架底部相连接，所述第一控制电机安装在线性模组的一端，所述导轨滑块 可滑动地安装在所述线性模组上，所述线性模组固定在导轨横梁上，所述导轨横梁末端与转轴固定，所述转轴通过轴承套装在上下旋转梁座上，所述转轴与所述第二控制电机的输出轴联动，所述横向角度感应组件和纵向角度感应组件安装在所述安装支架上，所述横向角度感应组件和纵向角度感应组件之间空间上呈90度。
进一步，所述两个张力传感器在空间上呈90°布局，悬挂绳通过卷绳组件出来经过导向轮再缠绕在所述两个张力传感器上。
所述角度感应组件包括非接触角度编码器的码盘和读数头、滚轮、夹绳摆座、簧片、配重和带轴承摆轴，所述读数头安装在读数头座上，所述码盘固定在摆轴的端部，所述摆轴与摆杆连接，可在角度测量座的轴承座内转动，所述摆杆可在摆轴纵切面内摆动，所述夹绳支座安装在摆杆上方，所述滚轮通过簧片固定在摆杆上，所述配重固定在摆杆的下方， 所述滚轮压紧悬挂绳，悬挂绳先通过横向角度感应组件再通过纵向角度感应组件。
再进一步，所述悬挂绳顺时针缠绕在卷筒上，再引出顺时针缠绕在丝杠上，最后通过导向轮引出到所述两个张力传感器中。
更进一步，所述丝杠螺距与所述悬挂绳的直径相等。
所述恒张力减重吊挂装置还包括驱动电机和扭力缓冲组件，所述驱动电机的输出轴与所述扭力缓冲组件连接，所述扭力缓冲组件与卷绳轴上。
所述驱动电机为交流伺服电机。当然，也可以选择其他类型的控制电机。
本发明的有益效果主要表现在实现被跟随件与地面水平和竖直方向的高精度运动跟随，且提供持续恒定的竖直方向的吊挂力。
图I是二维主动跟随减重吊挂装置的示意图。
图2是是恒张力控制系统的示意图。
图3是图2的侧视图。
图4是图2的俯视图。
图5是张力感应组件的示意图。
图6是图5的侧视图。
图7是张力感应组件的立体图。
图8是张力感应组件的受力示意图。
图9是卷绳组件的示意图。
图10是图9的侧视图。
图11是角度感应组件的示意图。
图12是图11的侧视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图I 图12，一种二维主动跟随减重吊挂装置，包括二维主动跟随系统24和·恒张力控制系统23，其中，
所述恒张力控制系统23包括包括安装支架2、张力感应组件5和卷绳组件1，所述张力感应组件5包括用以测量卷绳组件出来的悬挂绳的张力的两个张力传感器7，所述张力传感器7安装在张力传感器支架6上，所述两个张力传感器7在空间上呈90°布局，导向轮8安装在导向轮支架9上，所述导向轮支架9安装在传感器支架6上，悬挂绳通过卷绳组件出来经过导向轮8再缠绕在所述两个张力传感器7上；
所述卷绳组件I包括卷绳组件座12、丝杠16，卷绳轴15、卷筒14、大齿轮13、导向轮11和小齿轮10，所述卷筒14固定安装在卷绳轴15上，所述卷绳轴15通过键槽与大齿轮 13连接，所述大齿轮13与小齿轮10啮合，所述小齿轮10与丝杠16通过键槽连接，所述卷绳轴15与丝杠16两端通过滚动轴承安装在卷绳组件座12上，所述导向轮11通过安装板固定卷绳组件座12上，所述卷绳组件座12固定安装在安装支架2上；
所述二维主动跟随系统24包括导轨滑块22、线性模组21、导轨横梁、转轴19、旋转梁20、第一控制电机、第二控制电机17、横向角度感应组件25和纵向角度感应组件26， 所述导轨滑块22与恒张力控制系统中的安装支架2固定连接，所述第一控制电机安装在线性模组21的一端，所述导轨滑块22可滑动地安装在所述线性模组21上，所述线性模组21 固定在导轨横梁上，所述导轨横梁末端与转轴19固定，所述转轴19通过轴承套装在旋转梁 20上，所述转轴19与所述第二控制电机17的输出轴联动，所述横向角度感应组件25和纵向角度感应组件26安装在所述安装支架2上，所述横向角度感应组件和纵向角度感应组件之间空间上呈90度。
进一步，所述横向角度感应组件和纵向角度感应组件均包括非接触角度编码器的码盘和读数头、滚轮、夹绳摆座、簧片、配重和带轴承摆轴，读数头安装在读数头座26上，所述码盘27固定在摆轴33的端部，所述摆轴33与摆杆28连接，可在角度测量座25的轴承座内转动，所述摆杆28可在摆轴纵切面内摆动，所述夹绳支座31安装在摆杆28上方，所述滚轮29通过簧片32固定在摆杆28上，所述配重34固定在摆杆28的下方，所述滚轮29压紧悬挂绳30，悬挂绳30先通过横向角度感应组件25再通过纵向角度感应组件26。
进一步，所述悬挂绳顺时针缠绕在卷筒14上，再引出顺时针缠绕在丝杠上，最后通过导向轮11引出到所述两个张力传感器7中。
更进一步，所述丝杠16螺距与所述悬挂绳的直径相等。
所述恒张力减重吊挂装置还包括驱动电机4和扭力缓冲组件3，所述驱动电机4的输出轴与所述扭力缓冲组件3连接，所述扭力缓冲组件3与卷绳轴15上。所述驱动电机4 为交流伺服电机。当然，也可以选择其他类型的控制电机。
所述转轴19与联轴器连接，所述联轴器与减速器18连接，所述减速器18与第二控制电机17的输出轴连接。
本实施例中，恒张力控制系统输出一个恒定的吊挂力，二维主动跟随系统主动跟随吊挂点的平面运动。
本实施例中，张力感应组件中的张力传感器可以直接测量卷绳组件出来的悬挂绳的张力。运动控制器中的计算机采集张力传感器信号，根据设定的张力，求出张力的偏差。 根据张力偏差调整电机的转角。经过低刚度扭簧为主组成的扭力缓冲组件和卷绳轮，可以调整悬挂绳的松紧，以调整张力大小，使得逼近设定的张力值。
测悬挂绳上的张力，常用的做法是在悬挂绳上串联一个拉力传感器，但是由悬挂绳随吊点在竖直方向作较大范围的收放，拉力传感器必须安装在靠近吊挂点的位置，而被跟随件在高低温环境下运动，如这样设计，传感器不能工作，同时还有电线的扰动影响，所以我们传感器采用张力传感器，并且与恒张力控制系统一起安装在恒温箱内，保证传感器的正常运作。
张力传感器与悬挂绳之间存在摩擦力，且并非一个恒定的力。两个张力传感器在空间上的组合装置，可通过计算测量得到悬挂绳上准确的拉力。设定悬挂绳通过导向轮从A 口接入，作用在被跟随件上的吊挂力为F，第一个张力传感器测量的力为F1，第二个张力传感器测量的力为F2，根据张力传感器的测量原理，F1、F2实际上是中间轮上绳两端的拉力， 测量值F2相对于F1而言，多测了中间三个滑轮的摩擦力，因而得到单个滑轮上的摩擦力为，所以，实际上悬挂绳末端的吊挂力7 =I，将传感器测量的数据结构反馈给运动控制器的控制系统，根据上述公式得出消除摩擦后的张力值。
悬挂绳顺时针缠绕在卷筒上，再引出顺时针缠绕在丝杠上，最后通过导向轮引出到张力感应组件中。丝杆螺距和悬挂绳直径相近，则使得卷绳轮带动卷筒转动时，丝杆同步转动，每转一圈移动一个螺距，从而保证悬挂绳可沿着其轴向按螺距规律平移，在卷筒上按螺距规律平铺，而使得卷绳的直径不变，同时避免了相邻绳间的摩擦。
交流伺服、卷绳组件、张力感应组件、二维主动跟随控制系统中的角度感应组件均安装在安装支架上，交流伺服电机与卷绳组件通过扭力传感器相连接，张力传感器测得悬挂绳的准确拉力值反馈给交流伺服系统，根据张力偏差调整电机转角，通过低刚度扭簧为主组成的扭力缓冲组件和卷绳轮，调整悬挂绳的松紧，以调整张力大小。实现恒张力控制。
本实施例中，所述二维主动跟随系统包括导轨滑块、线性模组、导轨横梁、转轴、旋转梁、第一控制电机、第二控制电机、横向角度感应组件和纵向角度感应组件。二维主动跟随系统通过导轨上的第一控制电机控制导轨滑块在其线性模组上运动，通过第二控制电机控制导轨转轴转动。恒张力控制系统通过导轨滑块与二维主动跟随系统相连接，二维主动跟随控制系统中的两组角度感应组件通过测量悬挂绳的偏移角度，将信号反馈给二维主动跟随系统，伺服电机控制导轨滑块移动和转轴转动，主动跟随吊挂点的平面运动。
角度感应组件由非接触角度编码器的码盘和读数头、滚轮、夹绳摆座、簧片、配重、 带轴承摆轴等组成。所述读数头安装在读数头座上，所述码盘固定在摆轴的端部，所述摆轴与摆杆连接，可在角度测量座的轴承座内转动，所述摆杆可在摆轴纵切面内摆动，所述夹绳支座安装在摆杆底端，所述滚轮通过簧片固定在摆杆上，所述配重固定在摆杆的上端。
带簧片滚轮微微压紧悬挂绳，摆杆可以双向摆动。一个方向摆动在摆轴的横切面内，该摆动转动角度编码器的码盘，使得读数头可以测得转动角度。另一个方向摆动在摆轴的纵切面内，为自由摆动，不进行测量。运动控制装置的计算机根据角度编码器测得的角度的偏移量。
在设计中，我们采用配重是为了消除在摆动过程中，滚轮、簧片因其自身重量而对吊挂绳产生附加载荷，而影响测量。
单个角度感应组件只能测量摆轴横切面内的角度，而二维主动跟随控制系统需实现二维平面内运动的主动跟随，因此我们采用两个角度感应组件相互配合，可以测量悬挂绳的两维摆动角度，即采用横向角度感应组件用于一维主动跟随，纵向角度感应组件用于旋转主动跟随，横向纵向角度感应组件通过角度测量座安装在恒张力控制系统中的安装支架上，空间上呈90度，悬挂绳先通过横向角度感应组件再通过纵向角度感应组件。单个角度感应组件只进行一维测量但是可以二维摆动，因为摆轴和滚轮、簧片等零件尺寸很小，避免了悬挂绳在二维平面运动时对角度感应组件的损坏。
权利要求
1.一种二维主动跟随减重吊挂装置，其特征在于包括二维主动跟随系统和恒张力控制系统，其中，所述恒张力控制系统包括安装支架、张力感应组件和卷绳组件，所述张力感应组件包括用以测量卷绳组件出来的悬挂绳的张力的两个张力传感器，所述张力传感器安装在张力传感器支架上，所述导向轮安装在导向轮支架上，所述导向轮支架安装在传感器支架上；所述卷绳组件包括卷绳组件座、丝杠、卷绳轴、卷筒、大齿轮、导向轮和小齿轮，所述卷筒固定安装在卷绳轴上，所述卷绳轴通过键槽与大齿轮连接，所述大齿轮与小齿轮啮合，所述小齿轮与丝杠通过键槽连接，所述卷绳轴与丝杠两端通过滚动轴承安装在卷绳组件座上，所述导向轮通过安装板固定卷绳组件座上，所述卷绳组件座固定安装在安装支架上；所述二维主动跟随系统包括导轨滑块、线性模组、导轨横梁、转轴、旋转梁、第一控制电机、第二控制电机、横向角度感应组件和纵向角度感应组件，所述导轨滑块与恒张力控制系统中的安装支架底部相连接，所述第一控制电机安装在线性模组的一端，所述导轨滑块可滑动地安装在所述线性模组上，所述线性模组固定在导轨横梁上，所述导轨横梁末端与转轴固定，所述转轴通过轴承套装在上下旋转梁座上，所述转轴与所述第二控制电机的输出轴联动，所述横向角度感应组件和纵向角度感应组件安装在所述安装支架上，所述横向角度感应组件和纵向角度感应组件之间空间上呈90度。
2.如权利要求I所述的二维主动跟随减重吊挂装置，其特征在于所述两个张力传感器在空间上呈90°布局，悬挂绳通过卷绳组件出来经过导向轮再缠绕在所述两个张力传感器上。
3.如权利要求I所述的二维主动跟随减重吊挂装置，其特征在于所述横向角度感应组件和纵向角度感应组件均包括非接触角度编码器的码盘和读数头、滚轮、夹绳摆座、簧片、配重和带轴承摆轴，所述读数头安装在读数头座上，所述码盘固定在摆轴的端部，所述摆轴与摆杆连接，可在角度测量座的轴承座内转动，所述摆杆可在摆轴纵切面内摆动，所述夹绳支座安装在摆杆底端，所述滚轮通过簧片固定在摆杆上，所述配重固定在摆杆的上端， 所述滚轮压紧悬挂绳，悬挂绳先通过横向角度感应组件再通过纵向角度感应组件。
4.如权利要求f3之一所述的二维主动跟随减重吊挂装置，其特征在于所述悬挂绳顺时针缠绕在卷筒上，再引出顺时针缠绕在丝杠上，最后通过导向轮引出到所述两个张力传感器中。
5.如权利要求4所述的二维主动跟随减重吊挂装置，其特征在于所述丝杠螺距与所述悬挂绳的直径相等。
6.如权利要求f3之一所述的二维主动跟随减重吊挂装置，其特征在于所述恒张力减重吊挂装置还包括驱动电机和扭力缓冲组件，所述驱动电机的输出轴与所述扭力缓冲组件连接，所述扭力缓冲组件与卷绳轴上。
7.如权利要求6所述的二维主动跟随减重吊挂装置，其特征在于所述驱动电机为交流伺服电机。
8.如权利要求f3之一所述的二维主动跟随减重吊挂装置，其特征在于所述转轴与联轴器连接，所述联轴器与减速器连接，所述减速器与第二控制电机的输出轴连接。
全文摘要
一种二维主动跟随减重吊挂装置，包括二维主动跟随系统和恒张力控制系统，所述恒张力控制系统包括安装支架、张力感应组件和卷绳组件，所述张力感应组件包括用以测量卷绳组件出来的悬挂绳的张力的两个张力传感器，所述张力传感器安装在张力传感器支架上，所述导向轮安装在导向轮支架上，所述导向轮支架安装在传感器支架上；所述二维主动跟随系统包括导轨滑块、线性模组、导轨横梁、转轴、旋转梁、第一控制电机、第二控制电机、横向角度感应组件和纵向角度感应组件，本发明实现实现被跟随件与地面水平和竖直方向的高精度运动跟随，且提供持续恒定的竖直方向的吊挂力。
文档编号B64G7/00GK102935901SQ20121040699
公开日2013年2月20日 申请日期2012年10月22日 优先权日2012年10月22日
发明者孙建辉, 周海清, 单晓杭, 周丹锋 申请人:浙江工业大学