一种竖直平面内重力平衡抬升装置的制作方法

本发明涉及重力平衡抬升技术领域，特别是涉及一种利用平行四连杆和弹簧结合的竖直平面内重力平衡抬升装置。

背景技术：

为了在地面模拟空间失重状态下舱体设备绕固定点小角度抬升，在地面设备中研制了多种重力平衡抬升装置，最原始的方法是利用砝码配重抵消重量的方式平衡重力，但该方法无法完全平衡抬升过程中变化的重量，而且在启停瞬间具有较大的启动力矩和冲击力，不适用于空间站等重要设备的抬升要求。

随着提升机(电葫芦)的广泛使用，越来越多的提升机不但具有提升重物的能力，还开发出悬浮随动功能，即在平衡重物后可以平稳的跟随重物移动，具备浮动功能的高灵敏伺服提升机为模拟空间失重提供了全新的解决办法，但由于伺服提升机为主动模式，提升系统复杂度高，提升程序具有不可抗性，一旦程序出错或设备故障，对所提重物会造成破坏性影响。因此需要研制一套高灵敏、高稳定、安全的重力平衡抬升装置。

由于弹簧恒力吊在管道悬挂等领域广泛的应用，受此启发，利用弹簧配合机构的方式可以实现重力平衡抬升功能，但由于弹簧恒力吊只能满足热变形等微小形变，无法实现大范围距离的恒力移动，而且大弹簧灵敏度差，因此需要对其进行改进和创新，从而实现重力平衡的同时，具备较大范围的位置调整。

本发明利用平行四连杆和弹簧结合的方法，实现重力平衡以及恒力抬升，可以解决砝码配重存在的冲击以及伺服提升机方案的不可抗性，为模拟空间失重舱体绕固定点小角度抬升提供全新的方法。

技术实现要素：

为了克服配重平衡方式的冲击以及伺服提升机平衡方式的不可抗性，本发明提出了重力平衡抬升装置，该重力平衡抬升装置受弹簧恒力吊的启发，不仅解决了弹簧灵敏度差的问题，还提高恒力抬升的距离，适用于模拟空间失重状态下，舱体绕固定点进行小角度抬升的要求。

本发明的一种竖直平面内重力平衡抬升装置，包括：连接架、纵向连杆、水平连杆、配重块、钢丝绳、弹簧组、滑轮；

所述接架、纵向连杆、水平连杆组成平行四连杆机构，要求所抬升结构转轴点位于转轮下方，质心点位于纵向连杆下方，从而构成平行四边形，实现结构绕转轴点的小角度抬升；所述水平连杆终端设置配重块，一方面用于调平，另一方面用于预先平衡重力，使弹簧组位于最优弹性范围内；所述钢丝绳连接滑轮和平行四连杆机构转动杆；所述弹簧组由若干小弹簧组成，满足大载荷的平衡要求。

该重力平衡装置主要由平行四连杆和弹簧组成，平行四连杆保证移动端沿着竖直方向运动，弹簧组由若干小弹簧组成，不仅可以满足大载荷的平衡要求，还能够增加弹簧的灵敏度，实现快速响应。重力平衡装置还配有砝码配重块，不仅可以起到配平功能，还可预先平衡掉一部分的重量，从而使得弹簧形变量在最优范围内，提高整体装置的灵敏度和精准度。

本发明装置与被抬升结构件组成平行四连杆机构，在弹簧的拉力下实现重力平衡，并能够在重力平衡后实现任意位置恒力移动。解决了配重平衡方式产生的冲击以及伺服提升机悬浮平衡方式存在的不可抗性。该重力平衡抬升装置可在地面模拟空间失重状态下舱体竖直平面内小角度抬升。

附图说明

图1是本发明的一种竖直平面内重力平衡抬升装置结构组成图。

图2是的一种竖直平面内重力平衡抬升装置绕固定点转动原理图。

图3是本发明的任意选取位置的系统平衡原理图。

图4是本发明的实际采用位置的系统平衡原理图。

图5是本发明的一种竖直平面内重力平衡抬升装置结构轴侧视图。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明的一种竖直平面内重力平衡抬升装置，包括：连接架1、纵向连杆2、水平连杆3、配重块4、钢丝绳5、弹簧组6、滑轮7；

所述接架1、纵向连杆2、水平连杆3组成平行四连杆机构，要求所抬升结构转轴点位于转轮下方，质心点位于纵向连杆下方，从而构成平行四边形，实现结构绕转轴点的小角度抬升；所述水平连杆3终端设置配重块4，一方面用于调平，另一方面用于预先平衡重力，使弹簧组6位于最优弹性范围内；所述钢丝绳5连接滑轮7和平行四连杆机构转动杆；所述弹簧组6由若干小弹簧组成，满足大载荷的平衡要求。

本发明的一种竖直平面内重力平衡抬升装置，其抬升原理图见附图说明2。为组成平行四连杆机构，要求所抬升结构转轴点位于转轮下方，质心点位于纵向连杆下方，从而构成平行四边形，实现结构绕转轴点的小角度抬升。

结合图3对重力平衡原理进行说明：

重力平衡系统的输入条件为：

(1)c1b1为横杆，且c1o＝ob1

(2)b1a1为刚性杆

(3)o1o为机架

(4)o1a1为被抬升杆，a1为杆件o1a1的质心

(5)杆件ob1、b1a1、o1a1、o1o构成平行四边形连杆

(6)滑轮的直径<<ob2，且滑轮的轮缘与c1点的运动轨迹相切

(7)c1点在运动过程中的轨迹点用c2来表示

(8)由于滑轮的直径<<ob2，则割线cd与滑轮的切点可近似为o点和滑轮中心点的连线(也可作增加小导轮，使逼近程度与真实系统差异异常小)

(9)假设弹簧的刚度系数为k，位移变量用δx表示

(10)刚性杆b1a1的质心与杆o1a1的重力合为mg

(11)忽略钢丝绳和滑轮以及转动杆间各位置的摩擦

其次，对重力平衡条件进行数学证明，如图3所示，设摆杆逆时针转了α度，c1点运动到c2点，根据o点的力矩平衡，可得：

mo(mg)＝－mg·ob2·cosα(1)

mo(fs)＝fs·oe＝fs·oc1·cos[(β-α)/2]＝k·δx·ob2·cos[(β-α)/2](2)

要使系统在转动过程任意位置平衡需要满足以下条件：

mo(mg)+mo(fs)＝0(3)

则有：

k·δx·ob2·cos[(β-α)/2]－mg·ob2·cosα＝0(4)

即：

ob2·(k·δx·cos[(β-α)/2]-mg·cosα)＝0(5)

则有：

k·δx·cos[(β-α)/2]-mg·cosα＝0(6)

假设δx为c2d(c1在运动过程中的轨迹点到点d的连线长度，即割线)即有：

δx＝c2d＝2·ob2·sin((β-α)/2)(7)

将式(7)带入式(6)得：

k·2·ob2·sin[(β-α)/2]·cos[(β-α)/2]－mg·cosα＝0(8)

可得

ob2·k·sin(β-α)－mg·cosα＝0(9)

由公式(9)可以可知：

当β＝π/2时，即d点位于机架上时，如图4所示。

弹簧的刚度k可取恒值：k＝mg/ob2，满足整个系统的任意位置平衡条件，系统在任意位置取得平衡。也就是说，当k＝mg/ob2，弹簧的伸长量会自动与运动过程中动态变化的割线长度一致。

根据数学公式推导可知：当d点位于机架上，同时，要求被抬升结构转轴点位于d点下方，被抬升结构质心点位于a点下方，这样被抬升结构和所发明机构组成平行四边形连杆(如平行四边形oo1a1b1)，从而满足数学公式推导结果，实现重力平衡后任意位置的恒力移动。