本发明涉及一种单侧索驱轮系钢索传动特性研究装置。
背景技术：
钢索因其具有柔性、抗拉强度高、抗震性好、组成系统结构紧凑等优点已被广泛应用于舰船、矿业、机器人、军工、航天及民用等领域进行运动的控制。对用于一般民用场合的钢索，对其传动精度要求并不是很高，只要满足应用功能即可，然而对于航天、军工及机器人等高精密控制领域，则要求相对较高。根据钢索连接方式及其传动特点，索驱轮系主要分为单侧和双侧两种传动类型。相对于双侧索驱轮系来讲，因单侧索驱轮系以钢索单侧连接并由前轮牵引后轮方式进行传动，其回转误差不为零，从而导致两绳轮转速不同步而产生传动误差。因此，为提高单侧索驱轮系传动精度，对其装配质量则提出了较高要求。
空间机构对接锁是串联单侧索驱轮系传动的一种驱动装置。在该装置中，两组绳轮分别通过钢索以单侧串接方式组成了一个闭环传动结构，其中，每一组绳轮中，只有一个为主动轮，而其它被动牵引。锁系对接同步性是涉及航天器交会对接的一项关键技术，受空间环境条件制约，其主要是通过锁系的装配使串联绳轮转角相对于其基准角偏差的最大值满足同步性指标要求来保证。然而，在装配过程中，受预紧力作用下钢索弹性形变、蠕变、运动形变及复杂索驱工况条件等因素影响，锁系运动同步性精度不易保证。由于在这方面缺少深入系统的研究，而没形成一个有效性指导文件，致使锁系装配主要靠经验，凭手工操作来保证，从而影响了装配效率、提高了装配成本。本研究装置就是针对这种现状开发一种针对单侧索驱轮系钢索传动特性研究的精密装置。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种单侧索驱轮系钢索传动特性研究装置，进行静态张力作用下索驱轮系弹性形变及蠕变规律研究，也可进行动态张力作用下其传动误差规律研究。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种单侧索驱轮系钢索传动特性研究装置，包括工作台、第一绳轮组件、第二绳轮组件、第一导向轮组件、第二导向轮组件、配重块、第一钢索、第二钢索、步进电机、减速器、步进电机驱动器、力矩仪组件、张力仪、角度传感器组件、a/d转换器、单片机控制装置；
工作台上设有用于穿绕第一钢索的第一绳轮组件、第一导向轮组件、第二导向轮组件、第二绳轮组件，第二绳轮组件通过第二钢索连接工作台下方的配重块，第一绳轮组件通过力矩仪组件连接减速器，减速器与步进电机连接，步进电机连接步进电机驱动器，第一绳轮组件和第二绳轮组件的轮轴上分别设有角度传感器组件，张力仪设置在第一钢索上，力矩仪组件、张力仪、角度传感器组件通过a/d转换器与单片机控制装置电连，步进电机驱动器与单片机控制装置电连；
第一绳轮组件与第二绳轮组件的结构相同，包括绳轮支撑座、绳轮、连接法兰、绳轮轮轴，绳轮与连接法兰固定连接后安装在绳轮轮轴上，绳轮上设有开口，开口对侧的绳轮外周设有多道绳槽，绳槽的长度不大于绳轮圆周的2/3，在开口与绳槽之间的轮壁内设有穿绳孔，第一钢索和第二钢索的两端固定连接螺杆接头，第一钢索两端穿过绳轮的穿绳孔安装锁紧螺母分别与第一、二绳轮组件固定连接，第二钢索一端穿过绳轮的穿绳孔安装锁紧螺母与第二绳轮组件固定连接，另一端与配重块固定连接；
第一导向轮组件与第二导向轮组件的结构相同，包括导向轮底座、导向轮支架、导向轮支撑板、导向轮，导向轮底座上连接导向轮支架，导向轮支架呈直角形，导向轮支架立板与导向轮支撑板连接，导向轮支撑板上设有多个导向轮，用于第一钢索运动导向；
力矩仪组件包括力矩仪，力矩仪两端设有联轴器。
角度传感器组件包括角度传感器，角度传感器通过支架支撑，角度传感器一端设有联轴器。
所述的减速器为蜗轮减速器。
第二绳轮组件、第一导向轮组件及第二导向轮组件均可周向调节0-60°。
单侧索驱轮系钢索传动特性研究方法，
1)索驱轮系钢索传动静态特性研究，具体步骤如下：
①通过配加配重块提供初始预紧载荷后，将张力仪安装于以第一、二导向轮组件之间的第一钢索上，以此部分为受控测试点，分别调节第一钢索两端锁紧螺母，调节第一钢索长度，进行两绳轮初始角度定位；
②通过配加配重块施加一定载荷，分别由角度传感器采集两绳轮对应的转角，张力仪采集相应的钢索张力，用于第一钢索在所受静载荷作用下弹性形变及蠕变特性的研究；
③在预紧载荷作用下，步进电机旋转一定角度驱动第一绳轮旋转，然后，通过配重块施加一定载荷，分别由角度传感器采集两绳轮对应的转角，张力仪采集相应的钢索张力，用于第一钢索在不同角度处所受静载荷作用下弹性形变及蠕变特性的研究；
④通过改变配重块数量，采集不同角度位置的张力及对应的两绳轮的转角值；
⑤根据不同转角位置处采集的数据，分析钢索张力与形变间变化规律，研究钢索弹性形变及蠕变特性。
2)索驱轮系钢索传动动态特性研究，具体步骤如下：
①以静载荷作用下两绳轮转角为初始基准，第一、第二导向轮组件之间张力仪测定的张力作为预紧力，配重块作为负载，驱动步进电机，通过单片机装置分别读取力矩仪采集的输入力矩及角度传感器采集的两绳轮转角值；
②通过分别改变配重块数量、步进电机输入功率大小的方式，获得力矩仪及角度传感器采集的对应值；
③分析不同预紧力、负载及驱动力矩作用下，索驱轮系传动误差变化规律。
所述的配重块包括5kg，10kg，15kg，20kg，25kg量级。
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过两角度传感器实时采集第一钢索在不同预紧载荷及负载作用下第一与第二绳轮组件转角值的变化，研究第一钢索静态及动态的弹性形变、蠕变及其运动形变规律，以便在装配中根据第一钢索张力变化规律分别对其弹性形变、蠕变及运动形变引起的传动误差进行有效补偿，提高装配效率。
本发明涉及的绳轮组件与导向轮组件的底座都设计为可调式结构，通过角度调整，可满足周向与直线布置的两种索驱轮系结构类型的钢索传动特性研究，具有结构简单，装调方便，适用范围广，灵活性好等一系列特点。
附图说明
图1是本发明装置组成结构简图。
图2第一绳轮组件结构简图。
图3第二绳轮组件结构简图。
图4绳轮结构简图。
图5第二绳轮连接示意图。
图6导向轮组件结构简图。
图7力矩仪组件结构简图。
图8角度传感器组件结构简图。
图中：步进电机1、步进电机底座2、力矩仪组件3、第一锁绳轮紧螺母4、第一绳轮组件5、第一角度传感器组件6、第一钢索7、第一导向轮组件8、第一导线9、张力仪10、第二导线11、第二导向轮组件12、第二钢索13、配重块14、工作台15、第二角度传感器组件16、第二绳轮组件17、第二绳轮锁紧螺母18、第三导线19、a/d转换器20、单片机控制装置21、第四导线22、步进电机驱动器23、第五导线24、第六导线25、减速器26、第一联轴器27、第一绳轮轮轴28、第一连接法兰29、第一绳轮30、第一绳轮支撑座31、第二绳轮32、第二连接法兰33、第二绳轮支撑底座34、第二绳轮轮轴35、第一弧形槽36、绳槽37、开口38、穿绳孔39、辐板孔40、第二直槽41、导向轮支撑板42、导向轮43、第二弧形槽44、导向轮底座45、第一直槽46、导向轮支架47、导向轮销轴48、第三联轴器49、力矩仪50、第四联轴器51、支架52、第二联轴器53、角度传感器54。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进一步说明：
如图1，所示，一种单侧索驱轮系钢索传动特性研究装置，包括工作台、第一绳轮组件5，第二绳轮组件17，第一导向轮组件8，第二导向轮组件12，步进电机1，步进电机驱动器23(sh-20403)，减速器26，力矩仪组件3(ljky-11)，第一钢索7，第二钢索13，配重块14，张力仪10(hd-1t旁压式)，第一角度传感器组件6(wdd35d-4)，第二角度传感器组件16(wdd35d-4)，a/d转换器20(pcf8591)，单片机控制装置21(stc89s52)。
第一绳轮组件5、第二绳轮组件17与第一导向轮组件8、第二导向轮组件12分别通过螺钉固接在工作台15上，步进电机1通过第一联轴器27与减速器26连接，减速器26连接力矩仪组件3(第三联轴器49、力矩仪50，第四联轴器51)，力矩仪组件3连接第一绳轮组件5的第一绳轮轮轴28，第一钢索7通过第一绳轮锁紧螺母4与第一绳轮组件5的第一绳轮30固定连接，经第一导向轮组件8、第二导向轮组件12，通过第二绳轮锁紧螺母18与第二绳轮组件17上第二绳轮32连接；第二钢索13一端通过第二绳轮锁紧螺母18与第二绳轮组件17上第二绳轮32连接，另一端经工作台15上开有的通孔与配重块14连接，这样各组成零部件依次构成串接关系。第一绳轮组件5的第一绳轮轮轴28连接第一角度传感器组件6，第二绳轮组件17的第二绳轮轮轴35连接第二角度传感器组件16。张力仪10设置在第一钢索7上，力矩仪组件3、张力仪10(hd-1t旁压式)、第一、第二角度传感器组件(6、16)通过a/d转换器20与单片机控制装置21电连，步进电机底座2通过螺栓固接在工作台15上，单片机控制装置21连接步进电机驱动器23，步进电机驱动器23驱动步进电机1。减速器26为蜗轮蜗杆类型，能实现运动自锁。
如图2所示，第一绳轮组件5包括第一绳轮支撑座31、第一绳轮30、第一连接法兰29、第一绳轮轮轴28，第一绳轮30与第一连接法兰29螺栓固定连接后安装在第一绳轮轮轴28上。
图4-5所示，第二绳轮组件17的结构，包括第二绳轮支撑座34、第二绳轮32、第二连接法兰33、第二绳轮轮轴35，第二绳轮支撑底座34通过定位销固接在工作台15上，第二绳轮支撑底座34中心开有用于穿引第二钢索的通孔，第二绳轮支撑底座34上开有的第一弧形槽36用于周向60°调节。
第一绳轮30与第二绳轮32结构相同，绳轮上设有开口38，开口38对侧的绳轮外周设有多道绳槽37，绳槽37的长度不大于绳轮圆周的2/3，在开口38与绳槽37之间的轮壁内设有穿绳孔39。第一钢索7和第二钢索13的两端固定连接螺杆接头，钢索穿过绳轮的穿绳孔39安装锁紧螺母实现钢索与绳轮的固定连接。绳轮通过辐板孔40与连接法兰连接。
如图6图所示，第一导向轮组件与第二导向轮组件的结构相同，包括导向轮底座45、导向轮支架47、导向轮支撑板42、导向轮43，导向轮底座45用销轴固接在工作台15上。导向轮底座45上连接导向轮支架47，导向轮支架47呈直角形，导向轮支架47与导向轮支撑板42通过螺栓连接。导向轮支撑板42上设有多个导向轮43，导向轮43通过导向轮销轴48安装在导向轮支撑板42上，用于第一钢索7运动导向；导向轮支架47上的第一直槽46，第二直槽41分别用于调节导向轮支撑板42的横向及纵向安装高度，导向轮支架47通过螺钉与导向轮底座45固接；导向轮底座45上第二弧形槽44用于周向角度60°调节。
图7中，力矩仪50两端为第三联轴器49，第四联轴器51，分别用于实现与减速器26和第一绳轮组件5上第一绳轮轮轴28固定连接。
图8中，角度传感器组件包括角度传感器54，支架52及第二联轴器53。
单侧索驱轮系钢索传动特性研究方法，
首先，根据实际工况要求对装置各组成部件进行定位安装，对于周向装配类型的，可通过分别调节第二绳轮支撑底座34上第一弧形槽36、两导向轮底座45上的第二弧形槽44角度进行定位安装，钢索的高度及径向曲率可分别通过两导向轮支撑架47上的第二直形槽41和第一直行槽46进行调节。
其次，索驱轮系运动同步性是通过钢索预紧力调节控制两绳轮转角来实现，而两绳轮转角差值可通过钢索形变来反映，因而可根据实际控制要求利用该发明装置分别开展静载荷作用下钢索张力与形变规律及动载荷作用下传动误差特性研究：
索驱轮系钢索传动静态特性研究：
1)索驱轮系钢索传动静态特性研究，具体步骤如下：
①通过配加配重块提供初始预紧载荷后，将张力仪安装于以第一、二导向轮组件之间的第一钢索上，以此部分为受控测试点，分别调节第一钢索两端锁紧螺母，调节第一钢索长度，进行两绳轮初始角度定位；
②通过配加配重块施加一定载荷，分别由角度传感器采集两绳轮对应的转角，张力仪采集相应的钢索张力，用于第一钢索在所受静载荷作用下弹性形变及蠕变特性的研究；
③步进电机旋转一定角度驱动第一绳轮旋转，此时，两角度传感器采集的转角差值可用于索驱轮系在不同角度处弹性形变及蠕变特性研究；
④通过改变配重块数量，采集不同角度位置的张力及对应的两绳轮的转角值；所述的配重块包括5kg，10kg，15kg，20kg，25kg量级；
⑤根据不同转角位置处采集的数据，分析钢索张力与形变间变化规律，研究钢索弹性形变及蠕变特性。
受驱动过程传动部件间摩擦力作用影响，钢索张力发生变化而引起运动形变，导致绳轮间产生传动误差，为分析驱动过程中因摩擦作用引起的索驱轮系传动误差变化规律，为研究串联索驱轮系运动同步性控制奠定基础，在静态特性研究基础上利用本研究装置开展索驱轮系钢索传动动态特性研究。
索驱轮系钢索传动动态特性研究：
①以配重块作为负载，静态条件下第一、第二导向轮组件之间张力仪测定的张力作为预紧力，驱动步进电机，通过单片机装置分别读取力矩仪采集的输入力矩及角度传感器采集的两绳轮转角值；
②通过分别改变配重块数量、步进电机输入功率大小的方式，获得力矩仪及角度传感器采集的对应值；
③分析不同预紧力、负载力及驱动力矩作用下，索驱轮系传动误差变化规律。
本装置驱动力经由具有大减速比带自锁功能的减速器提供，因此可开展大转矩及负载作用下的钢索弹性形变、蠕变及运动形变研究，通过两角度传感器实时采集第一钢索在不同预紧载荷及负载作用下第一与第二绳轮组件转角值的变化，研究第一钢索弹性形变、蠕变及其运动形变规律，以便在装配中根据第一钢索张力变化规律分别对其弹性形变及蠕变引起误差进行有效补偿，提高装配效率。相对于通用的采用杠杆施加力的方式，具有结构简单，适用范围广特点；同时，钢索形变是用两角度传感器采集的两绳轮转角值来表示，结构新颖，计算方便，相对于其它采集方法具有较高的采集精度，尤其在用于索驱轮系传动特性研究时，直接以两绳轮角度差值来反映钢索形变对传动误差影响，减少了尺寸换算带来的误差，从而相应提高了研究成果精度。
上面所述仅是本发明的基本原理，并非对本发明作任何限制，凡是依据本发明对其进行等同变化和修饰，均在本专利技术保护方案的范畴之内。