专利名称：半主动式重力补偿结构的气浮六自由度模拟卫星装置的制作方法
技术领域：
半主动式重力补偿结构的气浮六自由度模拟卫星装置技术领域[0001]本实用新型涉及空间试验装置技术领域，特别涉及半主动式重力补偿结构的气浮六自由度模拟卫星装置。
背景技术：
[0002]对空间飞行器(卫星)的性能测试和姿态控制最好的实验方法是气浮法。我国也自行研究和引进过几套气浮装置，主要以单轴和三轴气浮台为主。气浮法是目前摩擦最小、精度最高的二维空间物理仿真方法，气浮台一直是卫星的地面全物理仿真系统的核心设备，但现有的气浮台只能进行二维、最多五自由的运动模拟，如能将它们从二维发展到三维，用于空间飞行物的全物理仿真和功能验证试验将有重要意义和作用。[0003]现有的气浮式微重力设备中，平面气浮轴承和球面气浮轴承是最常用的设备。平面气浮轴承能够实现平面运动模拟，而球面气体静压轴承能够实现空间三维的转动，两者结合的话，只能实现五个自由度的运动( i、>、i、步、5 )，缺少垂直方向上的自由度Cl)。[0004]而要实现竖直方向(I向)上的重力补偿，需解决两个问题，(I)补偿重力的力或驱动如何得到(方向和大小符合要求)；(2)如何减小或克服在竖直方向的运动时的摩擦阻力。综合考虑这两个问题，如何能够得到在Z方向滑动零重力运动模拟，这也正是本实用新型所要研究的问题。[0005]根据技术指标仿真要求，模拟卫星在试验前要实现三个姿态轴方向一定范围的预调，以模拟卫星各种初始状态，需要设计一套调整锁定机构，即位姿摆放系统。发明内容[0006]本实用新型要解决的技术问题是提供一种半主动式重力补偿结构的气浮六自由度模拟卫星装置，它利用平面气浮轴承和球面气浮轴承对除Z方向外的5个自由度的太空运动进行模拟，利用低摩擦气缸和电机丝杠组件并联机构，组成半主动式重力补偿结构控制系统，对重力进行补偿，从而对Z方向的太空运动进行模拟。该模拟卫星可做空间三维、 六自由度的浮游运动，运动精度高、响应速度快，并可在运动前进行位姿的摆放。[0007]本实用新型通过以下技术方案实现[0008]半主动式重力补偿结构的气浮六自由度模拟卫星装置，所述装置包括模拟卫星、 由气管相互连接的气源部件和恒张力控制模块；[0009]所述模拟卫星由球面气浮轴承及位于其上方的上卫星和下方的下卫星组成，下卫星包括平台基座及设于其上的平面气浮轴承、低摩擦气缸、拉压力传感器、电机丝杆组件、 撑杆和光电编码器，拉力传感器设于低摩擦气缸上方，低摩擦气缸通过撑杆与电机丝杠组件并联，电机丝杠组件上方设有光电编码器；[0010]所述气源部件包括空压机和气体处理设备，空压机连通气体处理设备后气路分三路分别管道连通平面气浮轴承、低摩擦气缸、球面气浮轴承；[0011]所述恒张力控制模块包括主控制器、电机控制器、数据采集卡，所述数据采集卡与拉力传感器电连接，电机控制器与光电编码器电连接。本实用新型进一步改进方案是，所述平面气浮轴承上表面设有一个进出口，下表面设有三个以上出气孔。本实用新型更进一步改进方案是，所述的低摩擦气缸下面设有进气口和气浮活塞，进气口用管道与所源部件连通，气浮活塞置于低摩擦气缸中，低摩擦气缸置于平面气浮轴套上。本实用新型更进一步改进方案是，所述电机丝杆组件包括滚珠丝杠插装在基座上，通过螺母与基座上的导轨连接，电机的输出轴通过联轴器与下方的滚珠丝杆连接。本实用新型更进一步改进方案是，所述球面气浮轴承由实心球，球壳，球轴承座组成。本实用新型更进一步改进方案是，所述拉力传感器S型。本实用新型更进一步改进方案是，所述平台基座为大理石基座。本实用新型更进一步改进方案是，在上卫星的四个底脚上设有电磁铁，弦丝一端连接电磁铁，另一端与放在平台基座上的固定框连接。本实用新型与现有技术相比，具有以下明显优点一、在本系统中，整个模拟卫星主体重约500N,上卫星的重量约为300N左右，如果采用电机丝杠组件来直接推动模拟目标星，则要求电机功率和减速比都比较大，很难实现精确的力矩控制。因此本系统采用一种半主动式的空间微重力模拟方法，即采用电机滚珠丝杠和气缸悬浮一体化“并联”的方案，用低摩擦气缸支撑上卫星，由空压机把压缩空气经处理后送入低摩擦气缸内，气浮活塞上所支撑的上卫星、球轴承等上下运动部件得到重力补偿，气缸输出的推力平衡上卫星的大部分重力；电机丝杠组件用于补偿剩余重力和系统摩擦力，使得系统中压力传感器的输出始终等于实验目标的重力，实现恒张力控制。另外，“并联”方案有利于提高系统的刚度，系统的稳定性更好。二、电机丝杠组件中的直流电机通过联轴器直接驱动滚珠丝杆，中间未经减速机构，这可以克服齿轮减速机构带来的齿隙和摩擦等问题，从而大大提高控制精度，尤其适用于本空间机器人抓取力不大、模拟卫星的运动速度很低的应用场合。三、模拟卫星能够逼真地模拟出卫星的空间位姿运动。第二条气路由空压机把压缩空气经处理后进入平面气浮轴承，依靠压缩空气在平面气浮轴承与轴承座之间形成的气膜使仿真平台浮起，从而实现近似无摩擦的相对运动条件。第三条气路由空压机把压缩空气处理后进入球面气浮轴承，从球面气浮轴承上的多个小孔流入大气中，在球壳和实心球之间形成气膜，实现模拟卫星三维空间的旋转自由度。平面气体静压轴承能够在水平面内做X，y向的平动和z向的转动,滚珠丝杠能够做z向平动；上卫星能够实现空间三维的转动，即i jf )的转动，模拟卫星主体在惯性空间能够做六自由度无约束运动，能够模拟出太空中浮游卫星的真实运动形式。这种主被动并联式控制方案，使得系统能够对很大范围大小的外力精确响应，实现对竖直方向I向)上的重力补偿，达到高精度的微重力模拟。当气源及开关打开，平面气浮轴承、球面气浮轴承及低摩擦气缸都通气后，上卫星的重力由低摩擦气缸补偿，同时用电机丝杠组件补偿剩余重力及摩擦力，模拟卫星平台就可以做类似空间失重环境下的六自由度运动了。当上卫星质量及模拟卫星的转动惯量增加时，只需要增加气压，整个模拟卫星的结构不需要很大变动。该发明既实现了空间6自由度运动的分解，又实现了质量和惯量的等效。[0023]四、由于模拟卫星不受外力情况下应该始终是自由漂浮状态，无法知道卫星当前的位置和姿态，位姿摆放系统给实验提供一个参考位置和姿态。[0024]本实用新型相对于现有的主动式气浮法的五自由度模拟器，具有精度高、体积小、 结构紧凑，质量惯量集中的优点，改变了现有技术中气浮台只能进行二维微重力试验的局限，在自由度上提高一个，在模拟空间上提高一维，避免了气压波动所带来的难以控制的不足，在误差上要小一个等级。可以直接模拟出太空中真实的动力学和运动学现象，实现三维运动模拟，为准确地把握空间飞行器的运动特性和功能提供了可靠的验证工具。[0025]
[0026]图I为本实用新型结构图。[0027]图2是半主动式重力补偿结构并联机构图。[0028]图3是球面气浮轴承部件立体图。[0029]图4是弦丝一电磁铁型位姿摆放机构的示意图。[0030](a图为上卫星姿态摆放机构示意图，b图为模拟卫星位置摆放机构示意图)。
具体实施方式
[0031]如图I所示，本实用新型所述装置包括模拟卫星2、由气管相互连接的气源部件I 和恒张力控制模块3 ；[0032]所述模拟卫星2由球面气浮轴承4、位于其上方的上卫星5和下方的下卫星组成， 下卫星包括平台基座6及设于其上的平面气浮轴承7、低摩擦气缸8、拉压力传感器9、电机丝杆组件10、撑杆11和光电编码器12，拉力传感器9设于低摩擦气缸8上方，低摩擦气缸 8通过撑杆11与电机丝杠组件10并联，电机丝杠组件10上方设有光电编码器12 ；[0033]所述气源部件I包括空压机13和气体处理设备14，空压机13连通气体处理设备 14后气路分三路分别管道连通平面气浮轴承7、低摩擦气缸8、球面气浮轴承4 ；[0034]所述恒张力控制模块3包括主控制器15、电机控制器16、数据采集卡17，所述数据采集卡17与拉力传感器9电连接，电机控制器16与光电编码器12电连接。[0035]所述平面气浮轴承7上表面设有一个进气口，下表面设有三个以上出气孔。第一条气路由空压机13把压缩空气经处理后从进气口进入平面气浮轴承7内，从平面气浮轴承 7和平台基座6之间的缝隙中的多个出气小孔流入大气中，形成气膜，平面气浮轴承浮在气膜上能够在平面内自由运动，从而实现近似无摩擦的相对运动。所述平台基座6为大理石基座。[0036]图2为半主动式重力补偿方法并联机构图，所述的低摩擦气缸8下面设有进气口和气浮活塞，进气口用管道与气源部件连通，气浮活塞置于低摩擦气缸8中，低摩擦气缸8 置于平面气浮轴套7上。所述电机丝杆组件10包括滚珠丝杠18插装在基座19上，通过螺母20与基座19上的导轨21连接，电机22的输出轴通过联轴器与下方的滚珠丝杆18连接。 所述拉力传感器9为S型。[0037]第二条气路由空压机13把压缩空气经处理后送入低摩擦气缸8内，气浮活塞上所支撑的上卫星5、球面气浮轴承4等上下运动部件得到重力补偿，气缸输出的推力平衡上卫星的大部分重力；电机丝杠组件10用于补偿剩余重力和系统摩擦力，使得系统中压力传感器的输出始终等于实验目标的重力，实现恒张力控制。在保证上述气动回路正常工作的情况下，由电机22带动滚珠丝杆18，并进而带动上卫星5运动，由拉压力传感器9测得上卫星5所受的拉压力，并通过电机22带动滚珠丝杠18，保证卫星模拟出在空间失重环境下和所受的拉压力相当的动力学行为。模拟卫星主体在惯性空间能够做六自由度无约束运动，模拟出太空中浮游卫星的真实运动形式。图3为球面气浮轴承部件立体图。所述球面气浮轴承4由实心球41，球壳42，球轴承座43组成。球面气浮轴承4的加工工艺很复杂，造价昂贵，同时也是一个易损件。为了增加表面的耐磨性，表面在抛光以前要进氮化处理。使用过程中，在没有供气的情况下，严禁强行转动。第三条气路由空压机13把压缩空气处理后输入球面气浮轴承4，气流进入球面气浮轴承4，从球面气浮轴承4上的多个小孔流入大气中，在球壳42和实心球41之间形成气膜，提供三维空间的旋转自由度。图4是弦丝一电磁铁型位姿摆放机构的示意图。a图为上卫星姿态摆放机构示意图，b图为模拟卫星位置摆放机构示意图。在上卫星5的四个底脚上设有电磁铁23，弦丝24 —端连接电磁铁23，另一端与放在平台基座6上的固定框连接。电磁铁23通电，与弦丝24吸合，模拟卫星位姿固定；电磁铁23断电，弦丝24依靠重力瞬间脱落，模拟卫星2可移动。弦丝24能够可靠地与模拟卫星2连接，并能在0. Is内快速脱离。位姿摆放机构保证了模拟卫星在实验前能摆出一定的位置和姿态。首先，把系统简化为上下两个平台，上平台为上卫星，下平台为底盘。下平台的动坐标系JTT建立在球面气浮轴承的轴心上，坐标系I -1固定于底盘下部中心点
上。在动坐标系中的任一向量n,可以通过坐标变换方法变换到固定坐标系中的I 。
权利要求1.半主动式重力补偿结构的气浮六自由度模拟卫星装置，其特征在于所述装置包括模拟卫星(2)、由气管相互连接的气源部件(I)和恒张カ控制模块(3); 所述模拟卫星(2)由球面气浮轴承(4)、位于其上方的上卫星(5)和下方的下卫星组成，下卫星包括平台基座(6)及设于其上的平面气浮轴承(7)、低摩擦气缸(8)、拉压カ传感器(9)、电机丝杆组件(10)、撑杆(11)和光电编码器(12)，拉カ传感器(9)设于低摩擦气缸(8 )上方，低摩擦气缸(8 )通过撑杆(11)与电机丝杠组件(10 )并联，电机丝杠组件(10 )上方设有光电编码器(12); 所述气源部件(I)包括空压机(13)和气体处理设备(14)，空压机(13)连通气体处理设备(14)后气路分三路分别管道连通平面气浮轴承(7)、低摩擦气缸(8)、球面气浮轴承(4)； 所述恒张カ控制模块(3)包括主控制器(15)、电机控制器(16)、数据采集卡(17)，所述数据采集卡(17)与拉カ传感器(9)电连接，电机控制器(16)与光电编码器(12)电连接。
2.根据权利要求I所述的半主动式重力补偿结构的气浮六自由度模拟卫星装置，其特征在于所述平面气浮轴承(7)上表面设有ー个进出口，下表面设有三个以上出气孔。
3.根据权利要求I所述的半主动式重力补偿结构的气浮六自由度模拟卫星装置，其特征在于所述的低摩擦气缸(8)下面设有进气口和气浮活塞，进气ロ用管道与气源部件(I)连通，气浮活塞置于低摩擦气缸(8)中，低摩擦气缸(8)置于平面气浮轴套(7)上。
4.根据权利要求I所述的半主动式重力补偿结构的气浮六自由度模拟卫星装置，其特征在于所述电机丝杆组件(10)包括滚珠丝杠(18)插装在基座(19)上，通过螺母(20)与基座(19 )上的导轨(21)连接，电机(22 )的输出轴通过联轴器与下方的滚珠丝杆(18 )连接。
5.根据权利要求I所述的半主动式重力补偿结构的气浮六自由度模拟卫星装置，其特征在于所述球面气浮轴承(4)由实心球(41)，球壳(42)，球轴承座(43)组成。
6.根据权利要求I所述的半主动式重力补偿结构的气浮六自由度模拟卫星装置，其特征在于所述拉カ传感器(9)为S型。
7.根据权利要求I所述的半主动式重力补偿结构的气浮六自由度模拟卫星装置，其特征在于所述平台基座(6)为大理石基座。
8.根据权利要求I所述的半主动式重力补偿结构的气浮六自由度模拟卫星装置，其特征在于在上卫星(5)的四个底脚上设有电磁铁(23)，弦丝(24)—端连接电磁铁(23)，另ー端与放在平台基座(6)上的固定框连接。
专利摘要本实用新型公开了半主动式重力补偿结构的气浮六自由度模拟卫星装置，所述装置包括模拟卫星、气源部件、恒张力控制模块和位姿摆放机构；半主动式重力补偿方法，即采用电机滚珠丝杠和气缸悬浮一体化的“并联”方案，第一气路进入低摩擦气缸支撑上卫星，气浮活塞上所支撑的上卫星得到重力补偿，气缸输出的推力平衡上卫星的大部分重力；电机丝杠螺母结构用于补偿剩余重力和系统摩擦力，使得系统中压力传感器的输出始终等于实验目标的重力，实现恒张力控制；第二、三条气路分别进入平面气浮轴承和球面气浮轴承；位姿摆放机构给实验提供一个参考位置和姿态。本实用新型可做空间三维、六自由度的浮游运动，运动精度高、响应速度快，并可在运动前进行位姿的摆放。
文档编号B64G7/00GK202807110SQ20122040079
公开日2013年3月20日 申请日期2012年8月14日 优先权日2012年8月14日
发明者查世红, 朱德泉, 蒋峰, 朱烨 申请人:淮安中科科创精密机械科技有限公司