专利名称：一维主动跟随减重吊挂装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及减重吊挂技术领域，尤其是一种一维主动跟随减重吊挂装置。
背景技术：
如在地面模拟月球环境进行机构的运动性能测试试验，由于地面的重力是月球表面的6倍，模拟装置须提供月面l/6g重力环境模拟。我们以月球车的太阳翼帆板展开为例，太阳翼帆板水平安装在小车的上方，侧面通过铰链连接，在其展开过程中，其质心沿竖直方向及水平方向运动。模拟装置需始终提供垂直地面方向的恒定吊挂力，对水平运动方向不产生附加的力。一维主动跟随减重吊挂系统装置是通过悬挂绳与被跟随件连接，主要实现垂直地面方向的恒力减重吊挂及水平方向的运动主动跟随，保证运动过程中悬挂绳处于拉紧且竖直的状态。现有技术通常采用悬挂绳通过滑轮组分别与减重砝码和被跟随件相连接，来提供垂直方向的恒定吊挂力，再将滑轮组安装在导轨滑块上，通过滑块在直线导轨上的运动实现水平运动跟随。然而此装置中，滑轮组自身内部存在摩擦阻力、滑轮组与悬挂绳之间存在变动的摩擦力，摩擦力作用在悬挂绳上，从而改变了悬挂绳上的作用力的大小；另一方面，导轨滑块与线性模组之间的摩擦力，直接影响水平方向主动跟随的精度。由于空气轴承具有摩擦阻力小、运动精度高、清洁无污染等特点，因而采用空气轴承做滑轮组，代替普通滑轮减少摩擦，采用气浮轴承与直线滑块相配合实现水平方向无摩擦跟随，进一步改良了减重吊挂装置。如专利申请号为201010166162.4的“提供恒定吊挂力的二维气浮随动装置”就公布了这种采用气浮轴承、减重砝码、气浮导轨、直线导轨组成的减重吊挂装置。虽然此装置采用了多个气浮轴承相互配合，避免了减重砝码随导轨滑块一起在水平方向的运动，消除了滑块与导轨之间以及滑轮内在的摩擦阻力的影响，但是悬挂绳与气浮轴承间的摩擦力影响并没有消除，并且减重砝码的质量很高，如月球小车太阳翼帆板展开装置中减重砝码的质量为太阳翼帆板质量的5/6，所以，当被跟随件在竖直方向加速或减速运动时，减重砝码会因惯性而产生一个极大的附加力，作用在悬挂绳上。所以，这种装置很难保证一个恒定的、高精度的减重吊挂。
实用新型内容为了克服现有装置悬挂绳和滑轮之间的摩擦力、减重砝码惯性力影响，避免减重吊挂力不稳定，气浮装置成本高、气源供气复杂且难以维护等缺点，本实用新型提供了一种实现恒张力控制和一维主动跟随的减重吊挂装置，实现被跟随件与地面水平和竖直方向的高精度运动跟随，且提供持续恒定的竖直方向的吊挂力。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:一种一维主动跟随减重吊挂装置，包括一维主动跟随系统和恒张力控制系统，其中，[0008]所述恒张力控制系统包括安装支架、张力感应组件和卷绳组件，所述张力感应组件包括用以测量卷绳组件出来的悬挂绳的张力的两个张力传感器，所述张力传感器安装在张力传感器支架上，所述导向轮安装在导向轮支架上，所述导向轮支架安装在传感器支架上；所述卷绳组件包括卷绳组件座、丝杠、卷绳轴、卷筒、大齿轮、导向轮和小齿轮，所述卷筒固定安装在卷绳轴上，所述卷绳轴通过键槽与大齿轮连接，所述大齿轮与小齿轮啮合，所述小齿轮与丝杠通过键槽连接，所述卷绳轴与丝杠两端通过滚动轴承安装在卷绳组件座上，所述导向轮通过安装板固定卷绳组件座上，所述卷绳组件座固定安装在安装支架上。所述一维主动跟随系统包括导轨滑块、线性模组、角度感应组件和控制电机，所述导轨滑块与所述安装支架固定连接，所述导轨滑块可滑动地安装在所述线性模组上，所述控制电机安装在所述线性模组的一端，所述控制电机与所述导轨滑块联动，所述角度感应组件安装在所述安装支架上。进一步，所述两个张力传感器在空间上呈90°布局，悬挂绳通过卷绳组件出来经过导向轮再缠绕在所述两个张力传感器上。所述角度感应组件包括非接触角度编码器的码盘和读数头、滚轮、夹绳摆座、簧片、配重和带轴承摆轴，所述读数头安装在读数头座上，所述码盘固定在摆轴的端部，所述摆轴与摆杆连接，可在角度测量座的轴承座内转动，所述摆杆可在摆轴纵切面内摆动，所述夹绳支座安装在摆杆底端，所述滚轮通过簧片固定在摆杆上，所述配重固定在摆杆的上端，所述滚轮压紧悬挂绳。再进一步，所述悬挂绳顺时针缠绕在卷筒上，再引出顺时针缠绕在丝杠上，最后通过导向轮引出到所述两个张力传感器中。更进一步，所述丝杠螺距与所述悬挂绳的直径相等。所述恒张力减重吊挂装置还包括驱动电机和扭力缓冲组件，所述驱动电机的输出轴与所述扭力缓冲组件连接，所述扭力缓冲组件与卷绳轴轴端连接。所述驱动电机为交流伺服电机。当然，也可以选择其他类型的控制电机。本实用新型的有益效果主要表现在:实现被跟随件与地面水平和竖直方向的高精度运动跟随，且提供持续恒定的竖直方向的吊挂力。
图1是一维主动跟随减重吊挂装置的示意图。图2是是恒张力控制系统的示意图。图3是张力感应组件的示意图。图4是图3的侧视图。图5是张力感应组件的立体图。图6是张力感应组件的受力示意图。图7是卷绳组件的示意图。图8是图7的侧视图。图9是角度感应组件的示意图。[0027]图10是图9的侧视图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步描述。参照图1 图10，一种一维主动跟随减重吊挂装置，包括一维主动跟随系统18和恒张力控制系统19，其中，所述恒张力控制系统19包括包括安装支架2、张力感应组件5和卷绳组件1，所述张力感应组件5包括用以测量卷绳组件出来的悬挂绳的张力的两个张力传感器7，所述张力传感器7安装在张力传感器支架6上，所述两个张力传感器7在空间上呈90°布局，导向轮8安装在导向轮支架9上，所述导向轮支架9安装在传感器支架6上，悬挂绳通过卷绳组件出来经过导向轮8再缠绕在所述两个张力传感器7上；所述卷绳组件I包括卷绳组件座12、丝杠16，卷绳轴15、卷筒14、大齿轮13、导向轮11和小齿轮10，所述卷筒14固定安装在卷绳轴15上，所述卷绳轴15通过键槽与大齿轮13连接，所述大齿轮13与小齿轮10啮合，所述小齿轮10与丝杠16通过键槽连接，所述卷绳轴15与丝杠16两端通过滚动轴承安装在卷绳组件座12上，所述导向轮11通过安装板固定卷绳组件座12上，所述卷绳组件座12固定安装在安装支架2上；所述一维主动跟随系统18包括导轨滑块22、线性模组21、角度感应组件23和控制电机17，所述导轨滑块22与所述安装支架2固定连接，所述导轨滑块22可滑动地安装在所述线性模组21上，所述控制电机17安装在所述线性模组21的一端，所述控制电机17与所述导轨滑块22联动，所述角度感应组件23安装在所述安装支架2上。进一步，所述角度感应组件23包括非接触角度编码器的码盘和读数头、滚轮、夹绳摆座、簧片、配重和带轴承摆轴，读数头安装在读数头座25上，所述码盘26固定在摆轴31的端部，所述摆轴31与摆杆27连接，可在角度测量座24的轴承座内转动，所述摆杆27可在摆轴纵切面内摆动，所述夹绳支座29安装在摆杆27上方，所述滚轮28通过簧片30固定在摆杆28上，所述配重32固定在摆27杆的下方，所述滚轮28压紧悬挂绳20。进一步，所述悬挂绳顺时针缠绕在卷筒14上，再引出顺时针缠绕在丝杠上，最后通过导向轮11引出到所述两个张力传感器7中。更进一步，所述丝杠16螺距与所述悬挂绳的直径相等。所述恒张力减重吊挂装置还包括驱动电机4和扭力缓冲组件3，所述驱动电机4的输出轴与所述扭力缓冲组件3连接，所述扭力缓冲组件3与卷绳轴15上。所述驱动电机4为交流伺服电机。当然，也可以选择其他类型的控制电机。本实施例中，一维主动跟随减重吊挂装置由一维主动跟随系统和恒张力控制系统组成。恒张力控制系统通过交流伺服电机、卷绳组件、扭力缓冲组件、张力感应组件输出一个恒定的吊挂力。一维主动跟随系统通过另一台交流伺服电机控制导轨滑块在线性模组上运动。恒张力控制系统通过导轨滑台与一维主动跟随系统相连接，恒张力控制系统中的角度感应组件通过测量悬挂绳的偏移角度，将信号反馈给一维主动跟随系统，伺服电机再控制导轨滑块移动相应的距离。本实施例中，张力感应组件中的张力传感器可以直接测量卷绳组件出来的悬挂绳的张力。运动控制器中的计算机采集张力传感器信号，根据设定的张力，求出张力的偏差。根据张力偏差调整电机的转角。经过低刚度扭簧为主组成的扭力缓冲组件和卷绳轮，可以调整悬挂绳的松紧，以调整张力大小，使得逼近设定的张力值。测悬挂绳上的张力，常用的做法是在悬挂绳上串联一个拉力传感器，但是由悬挂绳随吊点在竖直方向作较大范围的收放，拉力传感器必须安装在靠近吊挂点的位置，而被跟随件在高低温环境下运动，如这样设计，传感器不能工作，同时还有电线的扰动影响，所以我们传感器采用张力传感器，并且与恒张力控制系统一起安装在恒温箱内，保证传感器的正常运作。张力传感器与悬挂绳之间存在摩擦力，且并非一个恒定的力。两个张力传感器在空间上的组合装置，可通过计算测量得到悬挂绳上准确的拉力。设定悬挂绳通过导向轮从A口接入，作用在被跟随件上的吊挂力为F，第一个张力传感器测量的力为F1，第二个张力传感器测量的力为F2，根据张力传感器的测量原理，F1、F2实际上是中间轮上绳两端的拉力，测量值F2相对于F2而言，多测了中间三个滑轮的摩擦力，因而得到单个滑轮上的摩擦力为
，所以，实际上悬挂绳末端的吊挂力F =巧，将传感器测量的数据结构
反馈给运动控制器的控制系统，根据上述公式得出消除摩擦后的张力值。悬挂绳顺时针缠绕在卷筒上，再引出顺时针缠绕在丝杠上，最后通过导向轮引出到张力感应组件中。丝杆螺距和悬挂绳直径相近，则使得卷绳轮带动卷筒转动时，丝杆同步转动，每转一圈移动一个螺距，从而保证悬挂绳可沿着其轴向按螺距规律平移，在卷筒上按螺距规律平铺，而使得卷绳的直径不变，同时避免了相邻绳间的摩擦。交流伺服、卷绳组件、张力感应组件、一维主动跟随控制系统中的角度感应组件均安装在安装支架上，交流伺服电机与卷绳组件通过扭力传感器相连接，张力传感器测得悬挂绳的准确拉力值反馈给交流伺服系统，根据张力偏差调整电机转角，通过低刚度扭簧为主组成的扭力缓冲组件和卷绳轮，调整悬挂绳的松紧，以调整张力大小。实现恒张力控制。本实施例中，一维主动跟随控制系统主要由导轨滑块、线性模组、角度感应组件、交流伺服电机组成。所述导轨滑块与恒张力控制系统中的安装支架底部相连接，所述交流伺服电机安装在线性模组的一端，所述导轨滑块能够在电机的控制下，通过带传动在线性模组上移动。所述角度感应组件安装在恒张力控制系统中的安装支架上。角度感应组件由非接触角度编码器的码盘和读数头、滚轮、夹绳摆座、簧片、配重、带轴承摆轴等组成。所述读数头安装在读数头座上，所述码盘固定在摆轴的端部，所述摆轴与摆杆连接，可在角度测量座的轴承座内转动，所述摆杆可在摆轴纵切面内摆动，所述夹绳支座安装在摆杆上方，所述滚轮通过簧片固定在摆杆上，所述配重固定在摆杆的下方。带簧片滚轮微微压紧悬挂绳，摆杆可以双向摆动。一个方向摆动在摆轴的横切面内，该摆动转动角度编码器的码盘，使得读数头可以测得转动角度。另一个方向摆动在摆轴的纵切面内，为自由摆动，不进行测量。运动控制装置的计算机根据角度编码器测得的角度的偏移量。在设计中，我们采用配重是为了消除在摆动过程中，滚轮、簧片因其自身重量而对吊挂绳产生附加载荷，而影响测量而采用可二维摆动的结构设计基于两个因素:一、摆轴和滚轮、簧片等零件尺寸很小，很容易损坏。而在调试和装夹过程中难免会出现意外情况，采用二维摆动设计可保护机构的安全；二、该设计在二维运动吊挂系统中可完整套用。
权利要求1.一种一维主动跟随减重吊挂装置，其特征在于:包括一维主动跟随系统和恒张力控制系统，其中， 所述恒张力控制系统包括安装支架、张力感应组件和卷绳组件，所述张力感应组件包括用以测量卷绳组件出来的悬挂绳的张力的两个张力传感器，所述张力传感器安装在张力传感器支架上，所述导向轮安装在导向轮支架上，所述导向轮支架安装在传感器支架上； 所述卷绳组件包括卷绳组件座、丝杠、卷绳轴、卷筒、大齿轮、导向轮和小齿轮，所述卷筒固定安装在卷绳轴上，所述卷绳轴通过键槽与大齿轮连接，所述大齿轮与小齿轮啮合，所述小齿轮与丝杠通过键槽连接，所述卷绳轴与丝杠两端通过滚动轴承安装在卷绳组件座上，所述导向轮通过安装板固定卷绳组件座上，所述卷绳组件座固定安装在安装支架上； 所述一维主动跟随系统包括导轨滑块、线性模组、角度感应组件和控制电机，所述导轨滑块与所述安装支架固定连接，所述导轨滑块可滑动地安装在所述线性模组上，所述控制电机安装在所述线性模组的一端，所述控制电机与所述导轨滑块联动，所述角度感应组件安装在所述安装支架上。
2.如权利要求1所述的一维主动跟随减重吊挂装置，其特征在于:所述两个张力传感器在空间上呈90°布局，悬挂绳通过卷绳组件出来经过导向轮再缠绕在所述两个张力传感器上。
3.如权利要求1所述的一维主动跟随减重吊挂装置，其特征在于:所述角度感应组件包括非接触角度编码器的码盘和读数头、滚轮、夹绳摆座、簧片、配重和带轴承摆轴，所述读数头安装在读数头座上，所述码盘固定在摆轴的端部，所述摆轴与摆杆连接，可在角度测量座的轴承座内转动，所述摆杆可在摆轴纵切面内摆动，所述夹绳支座安装在摆杆底端，所述滚轮通过簧片固定在摆杆上，所述配重固定在摆杆的上端，所述滚轮压紧悬挂绳。
4.如权利要求f3之一所述的一维主动跟随减重吊挂装置，其特征在于:所述悬挂绳顺时针缠绕在卷筒上，再引出顺时针缠绕在丝杠上，最后通过导向轮引出到所述两个张力传感器中。
5.如权利要求4所述的一维主动跟随减重吊挂装置，其特征在于:所述丝杠螺距与所述悬挂绳的直径相等。
6.如权利要求f3之一所述的一维主动跟随减重吊挂装置，其特征在于:所述恒张力减重吊挂装置还包括驱动电机和扭力缓冲组件，所述驱动电机的输出轴与所述扭力缓冲组件连接，所述扭力缓冲组件与卷绳轴轴端连接。
7.如权利要求6所述的一维主动跟随减重吊挂装置，其特征在于:所述驱动电机为交流伺服电机。
专利摘要一种一维主动跟随减重吊挂装置，包括一维主动跟随系统和恒张力控制系统，张力感应组件包括用以测量卷绳组件出来的悬挂绳的张力的两个张力传感器，张力传感器安装在张力传感器支架上，导向轮安装在导向轮支架上，导向轮支架安装在传感器支架上；导轨滑块与安装支架固定连接，导轨滑块可滑动地安装在线性模组上，控制电机安装在线性模组的一端，控制电机与导轨滑块联动，角度感应组件安装在安装支架上。本实用新型实现被跟随件与地面水平和竖直方向的高精度运动跟随，且提供持续恒定的竖直方向的吊挂力。
文档编号B64G7/00GK202966679SQ20122054072
公开日2013年6月5日 申请日期2012年10月22日 优先权日2012年10月22日
发明者孙建辉, 周丹锋, 单晓杭, 周海清 申请人:浙江工业大学