一种零重力模拟系统及其使用方法
【技术领域】
[0001]本发明属于地面微重力模拟实验平台的航空宇航技术领域，特别涉及一种零重力模拟系统。
【背景技术】
[0002]为降低宇航设备的开发成本，提高可靠性，缩短研发周期，需要在研发过程中或发射前在地面上对设备功能、性能指标、工作可靠性、操作流程、故障模式与应对措施等设备全寿命周期内可能面对的所有问题进行尽可能的和高效率的验证，以帮助设计人员尽早发现设计缺陷并修改、验证，并帮助操作人员和管理人员制定合理的操作流程，可靠的意外情况应对措施，熟悉操作过程。然而，由于宇航设备的结构设计与材料使用大多要适应低发射负载要求和低重力工作环境，所需要在地球重力环境中模拟在太空中微重力或低重力的工作状态。
[0003]地面微重力模拟的主要方法有计算机仿真和半物理实验的方法，但是依赖于计算机仿真的方案往往不能够准确反映出实际的环境。半物理实验的方法主要有落塔法、水浮法、悬吊法、气浮法等。“气浮法”的代表设备是各种气浮平台。原理是利用气体浮力将待测物于光滑的水平面上托起维持低重力环境。气体由平面止推气浮轴承喷出后，通过改变节流孔气体压力，使被测工件保持悬浮状态。上世纪60年代，欧洲空间局已经建立气浮平台来研究低重力系统。气浮法的优点在于它的精度高，可靠性强，并且成本较低，但缺点在于它只能实现二维平面内的实验，最多5个运动自由度。对于例如巡视车可能遇到的越障，爬坡情况无法做出有效的评价。气浮设备的供气管路、排气推力、气瓶在工作中的质量变化都是可能影响实验的因素，此类系统在设计时应尽量减小或避免这些因素的影响。气浮设备多种多样，是减小环境摩擦、振动影响的有力工具，但单纯使用气浮技术难以实现多自由的运动模拟，因而气浮平台技术一般都是忽略最困难的一个自由度，即垂直方向的。因此，将基于气浮法的微重力模拟设备与悬吊法重力卸荷相结合，实现三旋转自由度与垂直方向均可模拟的微重力模拟设备是非常重要的。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种零重力模拟系统，是为了解决现有微重力及低重力模拟设备技术存在不足的问题。
[0005]具体技术方案如下:包括底座1、球形气浮轴承2、气罐3、反射镜4、第一吊索绳5、激光器和光检测组件6、第一组气浮轴承7、第二组气浮轴承8、平衡电机9、起重电机10、离合器11、制动器12、扭矩传感器13、配重14、气浮导轨15、无摩擦气缸16、大直径卷筒17、小直径卷筒18、滑轮19、第二吊索绳20、待测工件平台21 ;
[0006]所述大直径卷筒17的一端面与小直径卷筒18的一端面同轴连接；大直径卷筒17另一端的轴和小直径卷筒18另一端的轴通过第二组气浮轴承8转动安装在底座I上，平衡电机9的输出轴与扭矩传感器13的一端传动连接，起重电机10的输出轴与大扭矩传感器10-1的一端传动连接，扭矩传感器13的另一端和大扭矩传感器10-1的另一端都通过离合器11、制动器12与小直径卷筒18的转轴传动连接，第一吊索绳5缠绕在大直径卷筒17的绳槽内，第二吊索绳20缠绕在小直径卷筒18的绳槽内；气浮导轨15垂直安装在底座1，配重14滑动安装在气浮导轨15上，配重14吊接在第二吊索绳20的下端上；第一吊索绳5切线出大直径卷筒17后通过滑轮19变向垂直吊接待测工件平台21 ;无摩擦气缸16的基座安装在底座I上，滑轮19通过第一组气浮轴承7转动安装在底座I上；无摩擦气缸16的活塞杆端头上的滑轮16-1转动顶在大直径卷筒17与滑轮19之间的第一吊索绳5上，无摩擦气缸16用于模拟低刚度弹簧的作用；反射镜4安装在滑轮19与待测工件平台21之间的第一吊索绳5上，激光器和光检测组件6安装在底座I上，使激光器和光检测组件6发射出的激光能通过反射镜4反射回到激光器和光检测组件6的光检测窗口 ；气罐3安装在待测工件平台21的下端，待测工件22水平设置在球形气浮轴承2的上端面上，球形气浮轴承2的下端面设置在待测工件平台21上，气罐3为球形气浮轴承2供气使其悬浮。
[0007]上述零重力模拟系统使用方法如下:光学测量系统由激光器6、反射镜4组成，反射镜4安装在吊索5下端，反射镜平面与吊索方向垂直反射面竖直朝上，激光器6固联在负载平台下端，发出竖直向下的参考光线，经由反射镜4返回，当吊索偏离铅垂方向时反射光线与参考光线产生夹角，光学系统经过计算即可测得吊索偏角；负载平台上主要安装有滑轮传动机构与驱动电机及配重，实现待测工件在不同工况下，系统对于对吊索拉力的控制。其中，滑轮传动机构由第一组气浮轴承7和第二组气浮轴承8支撑，减小摩擦对与控制拉力的影响；两个滑轮之间的吊索直接与无摩擦气缸16的气缸活塞连接，气缸活塞为系统提供恒定拉力，并且当工件出现竖直方向频率高幅值小抖动时，汽缸活塞通过活塞运动吸收掉部分高频干扰，减轻电机的工作负担，可实现大扬程、高精度的恒力控制及缓冲；驱动电机部分包括平衡电机9与起重电机10及配重14，配重14连接在第二组气浮轴承8所支撑的滑轮上，在竖直方向的气浮导轨15上运动，用来平衡和抵消待测工件的重力，减小电机的负载范围，配重块的引入同时减小了扭矩传感器13量程，提高测量精度，可以为高精度的低重力模拟打下基础；平衡电机9的输出轴连接滑轮轴，补偿并控制配重14在平衡垂直方向运动时所需的拉力差，用于有配重情况下的微重力模拟，其输出力由扭矩传感器13测量，构成力控制回路；起重电机10具有较大的量程，主要功能为位置伺服，用于无配重情况下的“有根”系统高动态的微重力仿真，以及实现工件安装起吊、下放过程的位置控制。起重电机10输出轴安装有可提供电机转角和转速反馈信号的传感器，实现位置闭环功能；离合器11控制起重电机10或平衡电机9的主轴与滑轮轴的连接或分离，实现两个电机的切换使用，实现不同工况下的微重力模拟，提高该系统的应用范围；制动器12安装在滑轮轴上，可在断电挂在的情况下制动滑轮轴的运动，保证待测工件的安全；负载平台下拉的吊索在铅锤面内运动，使得被测工件完成竖直平面内的运动，并通过3自由度气浮轴承，保证待测工件在水平面内不受外界干扰力，实现3自由度旋转运动。
[0008]本发明的零重力模拟系统结构紧凑，可提供六自由度的模拟，克服了一般气浮式微重力设备无法进行垂直方向自由度模拟的缺点，也增加了悬吊式微重力设备在三旋转自由度上的模拟。由于引入了多种气浮设备，减小了系统部件运动的阻尼，消除了部件振动的影响，精度高，可靠性强，并且成本较低；采用大小两个电机，即起重电机与平衡电机，控制吊索的悬吊运动，既可分别用于不同工作模式，也可按照粗调微调的分工协同运动；悬吊绳索上安装有激光器和反射镜作为光学测量系统测定吊索偏角。
【附图说明】
[0009]图1是本发明的整体结构示意图。
【具体实施方式】
[0010]【具体实施方式】一:结合图1所示，零重力模拟系统包括底座1、球形气浮轴承2、气罐3、反射镜4、第一吊索绳5、激光器和光检测组件6、第一组气浮轴承7、第二组气浮轴承8、平衡电机9、起重电机10、离合器11、制动器12、扭矩传感器13、配重14、气浮导轨15、无摩擦气缸16、大直径卷筒17、小直径卷筒18、滑轮19、第二吊索绳20、待测工件平台21 ;
[0011]所述大直径卷筒17的一端面与小直径卷筒18的一端面同轴连接；大直径卷筒17另一端的轴和小直径卷筒18另一端的轴通过第二组气浮轴承8转动安装在底座I上，平衡电机9的输出轴与扭矩传感器13的一端传动连接，起重电机10的输出轴与大扭矩传感器10-1的一端传动连接，扭矩传感器13的另一端和大扭矩传感器10-1的另一端都通过离合器11、制动器12与小直径卷筒18的转轴传动连接，第一吊索绳5缠绕在大直径卷筒17的绳槽内，第二吊索绳20缠绕在小直径卷筒18的绳槽内；气浮导轨15垂直安装在底座1，配重14滑动安装在气浮导轨15上，配重14吊接在第二吊索绳20的下端上；第一吊索绳5切线出大直径卷筒17后通过滑轮19变向垂直吊接待测工件平台21 ;无摩擦气缸16的基座安装在底座I上，滑轮19通过第一组气浮轴承7转动安装在底座I上；无摩擦气缸16的活塞杆端头上的滑轮16-1转动顶在大直径卷筒17与滑轮19之间的第一吊索绳5上，无摩擦气缸16用于模拟低刚度弹簧的作用；反射镜4安装在滑轮19与待测工件平台21之间的第一吊索绳5上，激光器和光检测组件6安装在底座I上，使激光器和光检测组件6发射出的激光能通过反射镜4反射回到激光器和光检测组件6的光检测窗口 ；气罐3安装在待测工件平台21的下端，待测