干扰可测的恒力悬挂系统的制作方法

所属技术领域

本发明属于航天器导航、制导与控制系统地面验证技术领域，具体涉及干扰可测的恒力悬挂系统的实现方法。

背景技术：

航天工程是一项高风险、高投入、高回报、高度复杂并且高精度的系统工程，它的发展程度决定能否抢占高科技制高点，能否最大程度的利用太空资源。毫无疑问，在我国积极开展航天技术研究迫在眉睫，然而太空环境极其恶劣，为了顺利完成航天任务，必须在地面进行充分的实验，因此国内外各航天机构都非常重视航天器在地面的实验验证。

太空环境的一个最重要的特征是微重力，然而，地面实验室为有重力环境，为了在地面再现航天器空间微重力环境中的真实运动情况，提高地面验证导航、制导与控制系统实验的置信度，需要在地面为航天器建立一个与空间真实状况相近的微重力环境。要实现这个目标，其关键是补偿航天器在地面实验室环境中所受的重力。现有的实现这个目标的手段有液浮法，失重法、气浮法、悬挂法。失重法常见的为抛物飞行和自由落体，此方法的缺点是时间短、占用的空间大、能够提供的空间有限并且成本高；液浮法阻尼大、维护成本高且只适合低速运动的情况，而气浮法与悬挂法系统结构相对简单，易于建立实验室中的微重力环境。气浮法一般只能进行五自由度的运动模拟，悬挂法则可以进行六自由度的模拟。专利申请号为cn201220400797的“半主动式重力补偿结构的气浮六自由度模拟卫星装置”公布了一种通过电机滚珠丝杠和气缸悬浮一体化的“并联”方案来补偿航天器所受重力并提供其竖直方向的运动自由度，解决了气浮法只能进行五自由度运动模拟的问题，但其结构相对复杂，空气压缩处理装备占地面积大，大理石造价昂贵；专利申请号为cn201310466806的“一种无约束悬挂式主动重力补偿系统设计方法”公布了一种通过吊丝张力悬挂补偿航天器的重力提供竖直方向的运动自由度，但航天器瞬间受力超过航天器重力时，吊丝上的张力发生突变，对补偿系统的性能提出了极高的要求；因而需要寻求一种简单有效的方法为悬挂式补偿系统提供恒力。

现有的此类恒力系统中，采用钢丝绳提供恒力，当钢丝绳上的力变化时，主动补偿，但钢丝绳上的力瞬间发生变化，当航天器受到的外力大于航天器的重力时，钢丝绳松弛，补偿存在瞬时失效的风险；通过弹簧组合设计的组件满足航天器在一定的运动范围内，弹簧系提供的力恒定，但此方法对弹簧系数的精度要求高，运动范围小，且结构复杂；通过压簧设计的恒力系统压簧劲度系数小在负载重的时候会产生侧弯，摩擦会增大，压簧劲度系数大则会降低系统精度，双电机加扭簧的设计方法，控制复杂，竖直方向容易受到扰动。

技术实现要素：

本发明提出了不易受外界影响、干扰可测的恒力悬挂系统设计方法，从而保证航天器地面试验验证时不受重力的影响，处于微重力环境中，且可以检测航天器运动以及外界干扰对系统的影响。

本发明的技术方案：

本发明干扰可测的恒力悬挂系统实施方案一包括执行单元、传感测量单元、缓冲单元与主控单元。执行单元包括线性模组、电机安装板、伺服电机、传动轴、竖向挡板、横向挡板与止动轴，伺服电机通过电机安装板安装到线性模组上，通过传动轴驱动线性模组的齿条运动；传感测量单元包括无线倾角传感器、连接固定板、固定板法兰、法兰固定螺栓、十字轴万向节与张力传感器，无线倾角传感器安装在连接固定板上，固定板法兰一端通过法兰固定螺栓固连到连接固定板上，其另一端与十字轴万向节一端连接，十字轴万向节另一端与张力传感器连接，张力传感器与执行单元线性模组的齿条连接；缓冲单元包括外接销、钢管、定位螺母、直线轴承、固定套、保险螺栓、拉簧下端固定、拉簧、拉簧上端固定与固定套连接螺栓，固定套一端通过固定套连接螺栓固定到传感测量单元的连接固定板上，另一端通过定位螺母固定有直线轴承，拉簧的两端分别连接到拉簧上端固定与拉簧下端固定上，拉簧上端固定安装在传感测量单元的固定板上，拉簧下端固定安装在钢管上，为防止拉簧突然断裂导致器件损坏，拉簧下端固定上安装有保险螺栓，钢管与直线轴承配合，在直线轴承的支撑下在执行单元的作用下可往复直线运动，钢管上还配合有外接销方便和航天器连接；主控单元包括控制卡与驱动器。

干扰可测的恒力悬挂系统实施方案二包括卷丝执行单元、卷丝传感单元、卷丝防抖单元与主控单元，卷丝执行单元包括主固定板、导向轮、钢丝绳、卷丝电机安装板、压敏传感器、卷丝缓冲组件与卷丝电机，卷丝电机安装在卷丝电机安装板上，其上安装有卷丝缓冲组件，卷丝缓冲组件包括卷丝轮、平面涡卷弹簧、卷丝传动轴与滚动轴承，卷丝轮传动轴与卷丝电机的电机轴固连，并与滚动轴承内侧配合，滚动轴承外侧与卷丝轮配合，平面涡卷弹簧两端分别与卷丝传动轴与卷丝轮固连，卷丝电机安装板安装在主固定板上，其上还固定有压敏传感器与导向轮，钢丝绳固连在在卷丝缓冲组件的卷丝轮上，穿过压敏传感器、导向轮与卷丝传感单元与卷丝防抖单元连接；卷丝传感单元包括无线倾角传感器、支撑板、支撑板连接法兰、支撑板连接螺栓与中空万向节，无线倾角传感器安装在支撑板上，支撑板连接法兰一端通过支撑板连接螺栓固定到支撑板上，另一端与中空万向节连接，支撑板与支撑板连接法兰也均留有通孔，保证卷丝执行单元的钢丝绳通过；卷丝防抖单元包括外接销、钢管、定位螺母、直线轴承、固定套、保险螺栓、固定套连接螺栓与钢丝绳紧固器，直线轴承通过定位螺母安装到固定套上，其内配合有钢管，钢管的一端安装有外接销，另一端固定有钢丝绳紧固器，钢丝绳紧固器用以固连钢丝绳，固定套通过固定套连接螺栓安装到卷丝传感单元的支撑板上；主控单元包括控制卡与驱动器。

干扰可测的恒力悬挂系统工作原理为当航天器静止或匀速直线运动时，拉簧的力或平面涡卷弹簧扭矩的等效力始终等于航天器的重力，航天器竖向运动不受重力影响，当航天器受力变速运动时，拉簧的力或平面涡卷弹簧的力矩发生变化，张力传感器或压敏传感器测得这一变化，主控单元通过控制执行单元或卷丝执行单元进行补偿，从而保证航天器在竖向的任意运动均不受重力的影响。

本发明提出的干扰可测的恒力悬挂系统，操作方便，将航天器与钢管通过外接销连接，待达到稳定平衡点，上电就可以工作。

本发明对比已有的技术有如下特点：

1、均加入了弹簧缓冲，当航天器竖直方向受到的力超过航天器的重力时，弹簧仍能提供较高精度的补偿；

2、拉簧便于装配，不需要预紧力，且不存在压簧侧弯的问题；

3、平面涡卷弹簧相对于扭簧可以减小与连接轴的摩擦力；

4、可以有效防止钢丝绳的柔性带来的不确定性的影响。

附图说明

图1是本发明实施方案一的正视图与轴测图。

图中标号：1：执行单元；2：传感测量单元；3：缓冲单元。

图2是本发明实施方案一执行单元的正视图的剖视图与轴测图。

图3是本发明实施方案一执行单元的俯视图的剖视图。

图2与图3中标号：10：线性模组；11：电机安装板；12：伺服电机；13：传动轴；14：竖向挡板；15：横向挡板；16：止动轴；101：齿条。

图4是本发明执行单元的竖向挡板。

图中标号：141：竖向挡板通孔；142：竖向挡板螺纹孔。

图5是本发明执行单元的止动轴。

图中标号：161：止动轴槽口

图6是本发明实施方案一的传感测量单元。

图中标号：20：无线倾角传感器；21：连接固定板；22：固定板法兰；23：法兰固定螺栓；24：十字轴万向节；25：张力传感器。

图7是本发明实施方案一缓冲单元的正视图的剖视图与轴测图。

图8是本发明实施方案一缓冲单元的剖视图。

图7与图8中标号：30：外接销；31：钢管；32：定位螺母；33：直线轴承；34：固定套；35：保险螺栓；36：拉簧下端固定；37：拉簧；38：拉簧上端固定；39：固定套连接螺栓。

图9是本发明实施方案二的正视图。

图中标号：4：卷丝执行单元；5：卷丝传感单元；6：卷丝防抖单元。

图10是本发明实施方案二的卷丝执行单元

图中标号：40：主固定板；41：导向轮；42：钢丝绳；43：卷丝电机安装板；44：压敏传感器；45：卷丝缓冲组件；46：卷丝电机。

图11是本发明实施方案二的卷丝缓冲组件。

图中标号：451：卷丝轮；452：平面涡卷弹簧；453：卷丝传动轴；454：滚动轴承。

图12是本发明实施方案二的卷丝传感单元。

图中标号：50：支撑板；51：支撑板连接法兰；52：支撑板连接螺栓；53：中空万向节。

图13是本发明实施方案二的卷丝防抖单元。

图中标号：60：钢丝绳紧固器。

图14是本发明实施方案二的卷丝防抖单元剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

结合图1，干扰可测的恒力悬挂系统实施方案一包括执行单元1、传感测量单元2、缓冲单元3与主控单元。缓冲单元3与执行单元1通过传感测量单元连接2，传感测量单元2可测量缓冲单元3的受力以及在各种干扰下导致的缓冲单元3与传感测量单元2的摆动，从而将相关信息传递给主控单元，主控单元通过对执行单元1的控制，保证缓冲单元3上的输出的力恒定。

结合图2至图5，执行单元1包括线性模组10、电机安装板11、伺服电机12、传动轴13、竖向挡板14、横向挡板15与止动轴16，齿条101为线性模组的组成部分，传动轴13安装在伺服电机12的电机轴上，伺服电机12通过电机安装板11安装在线性模组10上，从而带动线性模组10的齿条101直线运动，竖向挡板14与横向挡板15固连，且均与线性模组10贴合，竖向挡板14上加工有竖向挡板通孔141与竖向挡板用以和止动轴16的止动轴槽口161配合，当需要将齿条101固定时，竖向挡板14的竖向挡板通孔121与止动轴16的止动轴槽口161配合，并用销轴穿过，此时止动轴16可以相对竖向挡板14转动一定范围，方便找准位置将齿条101固定，当需要将齿条101固定在特定位置时，竖向挡板14的竖向挡板螺纹孔142与止动轴16的止动轴槽口161配合，用螺栓将竖向挡板14与止动轴16固连。

结合图6，传感测量单元2包括无线倾角传感器20、连接固定板21、固定板法兰22、法兰固定螺栓23、十字轴万向节24与张力传感器25，无线倾角传感器20固定在连接固定板21上，固定板法兰22一端通过法兰固定螺栓23与连接固定板21固连，其另一端与十字轴万向节24一端连接，十字轴万向节24另一端与张力传感器25一端连接，张力传感器25另一端与执行单元1的齿条101固连；张力传感器25可检测缓冲单元3上的力，无线倾角传感器20可测量航天器竖向运动时航天器本身以及外部干扰对本发明所述系统水平面的影响，用以进行后期校正。

结合图7与图8缓冲单元3包括外接销30、钢管31、定位螺母32、直线轴承33、固定套34、保险螺栓35、拉簧下端固定36、拉簧37、拉簧上端固定38与固定套连接螺栓39，外接销30安装在钢管31的一端，钢管31另一端与拉簧下端固定36连接，钢管31与通过定位螺母32安装在固定套34内的直线轴承33内壁配合，保险螺栓35安装在拉簧下端固定36上，拉簧37的两端分别与拉簧下端固定37与拉簧上端固定38连接，拉簧上端固定38安装在传感测量单元2的连接固定板21上，固定套34也通过固定套连接螺栓39安装在传感测量单元2的连接固定板21上；保险螺栓35保证拉簧37疲劳断裂或其他原因导致的断裂时，钢管31不与缓冲单元3分离导致危险；当钢管31上的力发生变化时，与之相连的拉簧37上的力也会随之变化，最终传递到传感测量单元2的张力传感器25上。

结合图7与图8缓冲单元3的装配步骤为

1)将拉簧上端固定38安装到连接固定板21上；

2)将保险螺栓35安装在拉簧下端固定36上；

3)将拉簧37的两端部分连接到拉簧上端固定38与拉簧下端固定36上；

4)将拉簧下端固定36连接到钢管31上；

5)将钢管31穿过固定套34；

6)将直线轴承33内壁与钢管31配合，并将直线轴承33通过定位螺母32安装到固定套

34上；

7)将固定套34通过固定套连接螺栓39固定到连接固定板21上；

8)最后将外接销30安装到钢管31上。

结合图9干扰可测的恒力悬挂系统实施方案二包括卷丝执行单元4、卷丝传感单元5、卷丝防抖单元6与主控单元，卷丝防抖单元6通过卷丝传感单元5与卷丝执行单元4连接。

结合图10与图11卷丝执行单元4包括主固定板40、导向轮41、钢丝绳42、卷丝电机安装板43、压敏传感器44、卷丝缓冲组件45与卷丝电机46，卷丝缓冲组件45包括卷丝轮451、平面涡卷弹簧452、卷丝传动轴453与滚动轴承454，滚动轴承454的内圈与卷丝传动轴453配合，其外圈与卷丝轮451配合，平面涡卷弹簧452两侧分别用卷丝传动轴453与卷丝轮452配合，卷丝缓冲组件45通过卷丝传动轴453安装到卷丝电机46的电机轴上，卷丝电机46安装在卷丝电机安装板43上，卷丝电机安装板43安装在主固定板40上，其上还安装有压敏传感器44与导向轮41，钢丝绳42的一端固定在卷丝缓冲组件45的卷丝轮451上，压敏传感器44用以测量钢丝绳42上的力。

结合图12卷丝传感单元5包括无线倾角传感器20、支撑板50、支撑板连接法兰51、支撑板连接螺栓52与中空万向节53，无线倾角传感器20安装在支撑板50上，支撑板连接法兰51一端通过支撑板连接螺栓52连接到支撑板50上，其另一端连接到中空万向节53上。

结合图13与图14卷丝防抖单元6包括外接销30、钢管31、定位螺母32、直线轴承33、固定套34、保险螺栓35、固定套连接螺栓39与钢丝绳紧固器60，卷丝执行单元4的钢丝绳42另一端与钢丝绳紧固器60连接，钢丝绳紧固器60与钢管31连接其上还安装有保险螺栓36，钢管31与通过定位螺母32安装在固定套34上的直线轴承33内壁配合，钢管31上还固定有外接销30，固定套34通过固定套连接螺栓39安装到卷丝传感单元5的支撑板50上。

结合图9至图14，卷丝防抖单元6可防止卷丝执行单元4的钢丝绳41的摆动对系统的影响，且把钢丝绳41与航天器的柔性连接转变为刚性连接，当钢管31上的力变化时，与之连接的钢丝上41的力也随之变化，压敏传感器44会检测到这一变化传递给主控单元的控制卡，控制卷丝执行单元4动作补偿这一变化，从而保证钢管31输出恒力。