本发明属于航天运动模拟技术领域，尤其是涉及一种多级耦合式重力补偿装置。
背景技术：
空间机构多自由度微重力模拟实验是在地球重力加速度条件下，给卫星等空间机构提供空间微重力环境，模拟其空间动力学环境的实验。实验的主要目的是在地面上完成对其新型有效载荷和控制能力的验证和测试。根据实现目的，实验系统应在空间机构运动时消除地球重力加速度影响，同时不引入其他外力，以实时的模拟空间微重力环境。
根据航天技术发展需求，各种重力模拟实验装置应运而生，现有重力模拟实验装置大都采用单气缸给予重力补偿，其存在以下缺点：
(1)静态力补偿精度低。静态力补偿精度相对执行器的力输出占比较大，姿态控制精度低；
(2)动态定位精度低。竖直自由度位置定位精度为较差，不能满足未来高精度相对位姿测试类运动试验的精度要求；
(3)相对高速失真。姿控发动机恒力输出过程中，速度超过某个阈值以后系统速度出现非线性特性，环境模拟效果失真。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明旨在提出一种多级耦合式重力补偿装置，以解决模拟平台系统响应速度慢、响应精度不足、模拟效果不良的缺陷。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种多级耦合式重力补偿装置，包括由上至下依次设置的负载平台、重力补偿单元和支撑单元；
所述重力补偿单元包括音圈电机、第一气缸及至少两个第二气缸，其中音圈电机为直线型音圈电机，第一气缸及第二气缸分别为气悬浮无摩擦气缸，且第一气缸直径大于第二气缸直径，第一气缸、第二气缸及音圈电机分别和支撑单元固定连接，所述第一气缸、第二气缸及音圈电机移动端竖直向上且分别和负载平台固接；
所述支撑单元底部设有气足。
进一步的，本装置还包括供气单元，该供气单元包括储气腔和高压气瓶，高压气瓶向储气腔、第二气缸供气，储气腔向第一气缸供气。
进一步的，所述支撑单元包括一级平台及其正上方设置的二级平台，一级平台和二级平台通过立柱连接，所述高压气瓶设置在一级平台和二级平台间，所述储气腔设置在二级平台上方；
所述气足设置在一级平台上。
进一步的，本装置还包括高度读取单元，该高度读取单元包括光栅尺及读数头，其中光栅尺和支撑单元固接，读数头和负载平台固接，通过读数头读取光栅尺数值以获取负载平台高度信息。
进一步的，所有第二气缸进气腔间通过管路连通。
进一步的，所述第一气缸和第二气缸内分别设有气压传感器。
进一步的，所述第一气缸和第二气缸直径比不大于5:4。
相对于现有技术，本发明所述的一种多级耦合式重力补偿装置具有以下优势：
本发明所述的一种多级耦合式重力补偿装置中，包括常规重力模拟实验装置中所用第一气缸，即大截面气缸，同时还设置了直径小于第一气缸的第二气缸，该第二气缸为小截面气缸，以小截面气缸驱动系统的快速响应，利用大截面气缸实现系统位置精度的精准调整，最后通过音圈电机修正整个系统的运动位置偏差；这种新颖而巧妙的重力补偿构型，通过“粗、精、微”三级耦合驱动能够很好地抑制气体可压缩性所带来的气缸响应时滞现象，以实现系统的精准快速响应。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的一种多级耦合式重力补偿装置结构示意图；
图2为本发明实施例所述的一种多级耦合式重力补偿装置立体示意图。
附图标记说明：
1-音圈电机；2-第一气缸；
3-第二气缸；4-节流孔；
5-储气腔；6-管路；
7-二级平台；8-一级平台；
9-气足；10-高压气瓶；
11-气压传感器；12-读数头；
13-光栅尺；14-负载平台。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1和2所示，一种多级耦合式重力补偿装置，用于模拟卫星模拟器的空间微重力工作环境，其包括由上至下依次设置的负载平台14、重力补偿单元和支撑单元；负载平台14用于支撑试验装置，重力补偿单元用于支撑负载平台，其包括音圈电机1、第一气缸2及至少两个第二气缸3，其中音圈电机1为直线型音圈电机，第一气缸2及第二气缸3分别为气悬浮无摩擦气缸，也就是第一气缸2和第二气缸3进气同时，通过各自缸壁上设置的节流孔4放气，用来实现直线无摩擦导向功能、模拟负载平台14悬浮工作状态，第一气缸2为大截面气缸，第二气缸3为小截面气缸，第一气缸2和第二气缸3直径比不大于5:4，所述第一气缸2和第二气缸3内分别设有气压传感器11，用于检测气缸内气压值，第一气缸2、第二气缸3及音圈电机1分别和支撑单元固定连接，所述第一气缸2、第二气缸3及音圈电机1移动端竖直向上且分别和负载平台14固接；所述支撑单元底部设有气足9，本实施例中，气足9设有三个，该三个气足9支撑整个多级耦合式重力补偿装置，同时能够在水平面内无摩擦移动。本实施例中，以第二气缸3数量为两个为例进行说明，两个第二气缸3对称设置在第一气缸2的两侧，音圈电机1安装在第一气缸的缸壁上，通过第一气缸2和支撑单元固接，该音圈电机1的移动端安装在负载平台14上，进行微重力环境模拟实验时，开启本装置，此时第一气缸2和第二气缸3同时供气，因第二气缸3为小截面气缸，因此具有承压气体体积较小，压力变化较大特点，为系统快速准确响应打下基础，此时音圈电机1工作在位置控制模式下，保证负载平台14处于零位置；待第一、第二气缸压力稳定后，音圈电机1切换为恒力模式，即对因第一气缸2和第二气缸3作用力的误差值进行补偿，保证整个系统处于高精度的重力卸载力学状态下，其原理为，在试验状态下，由于提供给第一气缸2和第二气缸3气体的迟滞特性和可压缩型，第一气缸2和第二气缸3内的压强会产生变化，其中第一气缸2因截面较大，其承压气体体积较大，压力变化较小；第二气缸3因截面较小，其承压气体体积较小，压力变化较大，控制系统通过计算，得到两截面气缸对卫星模拟器重力补偿的误差值，并伺服控制音圈电机1对该误差值进行适时补偿，保证音圈电机1、第一气缸2和第二气缸3共同作用下产生的、向上施加在负载平台14的力即卸载力为一恒定值，本设计中，第一气缸2执行误差较小，但误差感知能力较弱；第二气缸3执行误差较大，但误差感知能力较强；第一气缸2和第二气缸3因迟滞造成响应慢，音圈电机1响应快能够快速补偿。因此，利用第一气缸2、第二气缸3和音圈电机1三个执行机构的耦合性能，以“粗、精、微”的效果能够实现重力卸载，达到大承载、高精度、快响应的应用时效。
当设置在负载平台14上的轨控发动机开启，负载平台14竖直方向移动时，本装置的第一气缸2和第二气缸3做出反应，同时，利用第二气缸3即小截面气缸承压气体体积较小，压力变化较大特点，能够快速动作，保证本装置微重力环境的模拟状态，真实反应试验装置的微重力工作环境状态。
本实施例中，本装置还包括供气单元，供气单元包括储气腔5和高压气瓶10，高压气瓶10向储气腔5、第二气缸3供气，储气腔5向第一气缸2供气。为了实现本装置的整体效果，所述支撑单元包括一级平台8及其正上方设置的二级平台7，一级平台8和二级平台7通过立柱连接，所述高压气瓶10设置在一级平台8和二级平台7间，所述储气腔5设置在二级平台7上方；气足9设置在一级平台8上。
本实施例中，本装置还包括高度读取单元，该高度读取单元包括光栅尺13及读数头12，其中光栅尺13和支撑单元固接，读数头12和负载平台14固接，通过读数头12读取光栅尺13数值以获取负载平台14高度信息，用于适时检测卫星模拟器的运动状态。
本实施例中，所有第二气缸3进气腔间通过管路6连通，用于平衡两个第二气缸3内气压值，保证两个第二气缸3推力的平衡型和协调性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。