本实用新型属于地面微重力模拟试验领域，具体涉及一种基于恒力弹簧的地面微重力模拟系统。
背景技术：
随着航天技术的发展，空间机构在人类探索太空活动中起着越来越重要的作用。为了确保航天器在轨任务的成功执行，空间机构舱门机构、空间机械臂、太阳帆展收机构等在发射前，必须通过充分的地面试验来验证功能和评估性能。而空间机构在轨工作时处于空间失重的零重力环境，因此如何获得地面模拟的微重力环境成为其地面试验验证的关键问题。
传统的地面微重力模拟系统有：气浮实验系统、水浮实验系统和吊丝重力补偿系统等。吊丝重力补偿系统以其结构简单、成本低廉、试验不受限制，且可实现三维的重力补偿，被广泛用于目前的地面微重力模拟试验中。传统的吊丝重力补偿系统为配重块式吊丝机构，通过应用轮系、吊丝、配重块等装置对被吊试验对象进行重力补偿，使其处于失重环境下的自由状态。但是该方案对吊丝及轮系的要求比较高，需要考虑吊丝走线、轮系的摩擦、配重块的摆动等因素，重力补偿精度低，微重力模拟效果很难得到保证。
恒力弹簧支吊架是按力矩平衡原理设计，在许可的负载位移下，其负载力矩和弹簧力矩保持平衡，广泛地应用于工业上有热位移的管道和设备，可以获得恒定的支撑力，而不会给管道和设备带来附加应力。
技术实现要素：
本实用新型所要解决的技术问题是：采用恒力弹簧替代传统的配重块式吊丝机构，消除了传统配重块式吊丝机构轮系摩擦、配重块摆动等因素对重力补偿精度的影响，实现了空间机构地面微重力模拟，满足空间机构地面微重力试验的试验需求。
本实用新型的技术方案是：一种基于恒力弹簧的地面微重力模拟系统，该系统在支撑框架上安装有平面随动机构，在该平面随动机构下端安装有恒力弹簧单元，其在壳体内包括平面涡簧、绳轮、中心轴和活动顶针，所述中心轴安装在壳体内，且在穿出壳体的端部具有棘轮结构；所述绳轮为套接在所述中心轴上的锥台结构，且内部具有放置平面涡簧的腔体，外表面具有缠绕吊挂绳索的螺旋槽；平面涡簧的内部接头与所述中心轴连接，外部接头与所述绳轮连接；在壳体外侧还安装有与所述棘轮结构配合的活动顶针。
所述壳体包括上外壳和下外壳，两者通过螺栓连接。
在所述下外壳上还装有簧盒。
在所述上外壳外侧安装有活动顶针和上挂钩，该上挂钩与所述平面随动机构连接。
所述上外壳还具有开口，吊挂绳索穿出该开口，且端部具有下挂钩。
所述平面随动机构包括横向导轨和纵向导轨。
本系统主要由恒力弹簧单元、平面随动机构和支撑框架组成。恒力弹簧单元的作用是利用重力补偿装置抵消试验对象的重力，使其获得地面模拟微重力环境的效果。平面随动机构的作用是通过低摩擦滚动机构实现吊点与试验对象同步移动，保持移动过程吊丝呈竖直状态。支撑框架的作用是为系统提供刚性支撑，保证平面随动机构的直线度、平面度等。
本实用新型的有益效果是：首次实现了采用恒力弹簧与吊丝搭配的方式进行重力补偿的系统设计方案，提高了吊丝微重力模拟系统的重力补偿精度、降低了系统复杂度，操作性和维护性大大提高。具体的：
1补偿精度高。采用恒力弹簧替代传统吊丝系统的配重，消除了滑轮组静摩擦、动摩擦和附加惯性力对微重力水平的影响，在地面模拟效果好，精度高。
2高效安全。试验时间可以较长并可以重复进行试验，保证试验数据充足、可靠；
3成本低，可行性强。吊丝重力补偿相对于气浮和液浮方法需要的成本投入要小得多，工程实现时间短，可行性强；
4占地小，可靠性高。设备占地面积较小，设备总体和各个部件的可靠性要求不需要很严格，对设备的安全和试验人员的人身安全上都有明显的优势。
附图说明
图1是地面微重力模拟系统的整体结构示意图。
图2是恒力弹簧单元吊挂示意图；
图3是恒力弹簧单元的结构示意图；
图4是绳轮的主视图；
图5是平面涡簧在簧盒内的安装示意图。
其中，1－恒力弹簧单元，2－平面随动机构，3－支撑框架，4－上挂钩，5－下挂钩，6－吊挂绳索，7－平面涡簧，8－簧盒，9－是绳轮，10－中心轴，11－上外壳，12－下外壳，13－活动顶针
具体实施方式
下面对本实用新型做进一步详细说明。
该地面微重力模拟系统由恒力弹簧单元1、平面随动机构2、支撑框架3构成。恒力弹簧单元由上挂钩4、下挂钩5、吊挂绳索6、平面涡簧7、簧盒8、绳轮9、中心轴10、上外壳11、下外壳12、活动顶针13等部件组成。上挂钩4上端挂于平面随动机构的纵向随动部件，下端与上外壳11固连，下挂钩5一端与试验对象连接，另一端与吊挂绳索6相连。平面涡簧7共有内外两个固定端，内端固定在中心轴10上，外端固定在绳轮9上，中心轴10用于调整平面涡簧7的初始拉力，通过旋紧上外壳11外部的活动顶针13，使其保持与上外壳11相对静止。簧盒8固定在绳轮9内腔，绳轮9上具有专门设计的圆锥左螺旋槽。吊挂绳索6一端通过锥夹子固定在绳轮9的大端，沿绳轮9螺旋槽盘绕后从绳轮9小端出线。当驱动源使吊挂绳索6向下运动时，吊挂绳索6从绳轮9螺旋槽中抽出，绳轮9作逆时针旋转，带动平面涡簧7相对中心轴10旋转，平面涡簧7相对于中心轴10的力矩随之增大，同时由于绳轮9的旋转，吊挂绳索6出线端处铅垂向下的作用力相对于中心轴10的力臂增大，吊挂绳索6相对于中心轴10的负载力矩同步增大，通过对绳轮9螺旋槽的特殊设计，可使平面涡簧7力矩增大比例与负载力矩增大比例相当，即可实现在绳轮9行程范围内保持拉力恒定不变，反之亦然。此设计中恒力弹簧单元1能根据吊挂点的负载大小进行拉力调节，调节完之后其输出拉力将保持不变，恒定拉力全行程误差为0.1N，同时通过绳轮9的正反转适应吊点竖直方向的移动，实现了吊丝系统三维空间重力补偿的设计要求。
平面随动机构包括纵向随动机构及横向随动机构二个部分。平面随动机构的运动主要包含吊点处纵向随动部件的运动以及纵向随动机构的运动。纵向随动机构由纵向随动部件和纵向刚性支撑架构成，考虑到随动部件的灵敏性和可靠性，选择滚动轴承与光杆配合结构做为随动部件的配合结构。滚动轴承成90°布置在光杆上，当随动部件受到轴向分力时，滚动轴承在光杆上滚动，从而使得随动部件跟随重力补偿件运动。光杆采用轴承钢制造，经过表面渗氮处理和磨削加工，使得轴承在光杆上的滚动摩擦系数小于0.05。为防止光杆在重力及负载的作用下发生弯曲变形，将光杆通过螺钉固定在刚性支架上，为光杆提供刚度较大的刚性支撑。横向随动部件与纵向随动部件结构形式一样，只是负载的不同。
支撑框架主要为系统提供刚性支撑，使光杆的直线度、平面度等得到保证，同时支撑框架具备刚性梁微调功能，保证两刚性梁在同一水平面内并平行。主要由支撑梁及立柱等部件组成。支撑梁选用工字梁，提供了较高的抗弯强度。立柱是支撑梁和地面的刚性连接部件，是支撑整个系统平稳运作的关键，采用地脚螺栓与地面固定。