伸展机构高低温力学性能测试装置的制作方法

本发明涉及高低温力学性能测试系统，具体的说是一种在高低温及太空失重环境下，测试大型桁架伸展机构展开性能的伸展机构高低温力学性能测试装置。

背景技术：

在高低温或者太空失重环境下，大型桁架伸展机构在展开过程中的力学承载性能以及传动效率特性的测试尤为重要，现有技术中，在高低温或者太空失重环境下测试大型桁架的上述性能时，桁架通过伺服电机驱动展开，在桁架展开的同时，为了平衡大型桁架的重力，现有技术已经有利用手动吊挂式重力平衡装置平衡重力的技术，但在现有技术中，在桁架展开过程中还无法实现主动跟随以及主动调节加载力功能，测试效率有待提高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种伸展机构高低温力学性能测试装置，在高低温及太空失重环境下的大型桁架的性能测试中，能够实现主动跟随及主动调节加载力等功能，测试效率高。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种伸展机构高低温力学性能测试装置，包括桁架收藏单元、力加载单元、力加载随动单元、力加载传输架体和重力平衡小车，其中力加载单元可移动地安装在所述力加载传输架体上，所述力加载单元通过所述力加载随动单元驱动移动，待测试的桁架设置于所述桁架收藏单元上，当桁架展开测试时，所述桁架的自由端与所述力加载单元相连，所述桁架伸出所述桁架收藏单元的部分通过所述重力平衡小车托举支承，且所述力加载单元和重力平衡小车随桁架展开移动，在所述力加载单元上设有测量桁架展开力的压力传感器和通过桁架展开压缩的施力弹簧以及测量所述施力弹簧压缩量的位移传感器。

所述力加载单元除所述压力传感器、施力弹簧和位移传感器外，还包括基座、基板、力精调电机、导杆组件和压力传感器测力板，所述基板可移动地安装在所述力加载传输架体上，所述基座可移动地安装在所述基板上，所述基座通过所述力精调电机驱动移动，所述力精 调电机通过一个齿轮齿条机构传递力矩，所述位移传感器和压力传感器测力板分设于所述基座两侧，所述压力传感器测力板的一侧通过所述导杆组件与所述位移传感器相连，所述压力传感器测力板的另一侧在测试时与桁架自由端相连，所述导杆组件可移动地安装在所述基座上，所述施力弹簧套设于所述导杆组件上。

所述导杆组件包括支承导杆、端导杆和压力传感器安装板，其中所述支承导杆可移动地安装在所述基座上，且所述支承导杆穿过所述基座的一端与所述位移传感器相连，所述支承导杆的另一端与所述压力传感器安装板相连，所述端导杆通过直线轴承安装在所述压力传感器安装板上，所述压力传感器测力板安装在所述端导杆上，所述压力传感器固装在所述压力传感器安装板，且所述压力传感器器设置于所述压力传感器测力板和压力传感器安装板之间，所述施力弹簧套装在所述支承导杆上，在所述基座远离所述位移传感器的一侧设有套筒，所述施力弹簧套设于所述套筒和所述压力传感器安装板之间的支承导杆上。

所述力加载随动单元包括钢丝绳、卷扬设备和驱动伺服电机，所述钢丝绳的两端分别与所述力加载单元的前后两端固连，且所述钢丝绳缠绕在所述卷扬设备上，所述卷扬设备通过所述驱动伺服电机驱动旋转。

在所述力加载传输架体的两端分别设有第一架体和第二架体，在所述第一架体和第二架体上设有多个用于保持钢丝绳张力的导向轮，在所述力加载传输架体内还设有用于保持钢丝绳张力的张紧支撑轮，所述第一架体和第二架体上的导向轮以及所述张紧支撑轮均处于同一竖直面上。

所述桁架收藏单元包括收藏筒安装架、桁架收展电机和收藏筒，收藏筒安装在收藏筒安装架上，桁架设置于收藏筒内，收藏筒安装架固接在地基板上，桁架通过所述桁架收展电机驱动展开。

所述桁架收展电机上设有扭矩传感器。

在所述力加载传输架体内设有平衡小车输送单元，在所述平衡小车输送单元靠近桁架收藏单元的一端设有平衡小车升降单元，重力平衡小车依次通过所述平衡小车输送单元送至平衡小车升降单元上侧，并依次通过所述平衡小车升降单元举升至所述桁架收藏单元的出口处。

所述平衡小车输送单元包括小车输送架体、小车输送驱动电机和 输送链条，其中小车输送驱动电机设置于所述小车输送架体远离桁架收藏单元的一端，两条输送链条分设于小车输送架体上台面两侧，所述输送链条通过所述小车输送驱动电机驱动旋转，重力平衡小车放置在输送链条上并随着输送链条移动。

所述平衡小车升降单元包括升降单元底座、丝杠、升降电机、支杆和升降座，所述升降单元底座安装在地基板上，所述丝杠垂直设置于所述升降单元底座上，所述丝杠通过所述升降电机驱动旋转，所述升降座套装在所述丝杠上，在所述升降座内设有与所述丝杠配合的丝母，在所述升降座上垂直设有多个支杆，在所述多个支杆的顶部设有导轨，在所述重力平衡小车下侧设有与所述导轨配合的滑块。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明的力加载随动单元通过钢丝绳的牵引，能够使力加载单元主动跟随桁架的运动，即与桁架展开速度相同的速度跟随桁架运动，以粗调加载力，使加载力始终保持设定值。

2.本发明的力加载单元，通过力精调电机，能够主动精调加载力，使加载力始终保持设定值。

3.本发明填充了国内无在高低温及太空失重环境下，测试大型桁架伸展机构展开过程中的力学承载性能以及展开过程中的传动效率特性的装置的空白，实现了可用于在地面实验系统下模拟太空失重环境的测试大型桁架伸展机构展开过程中的力学承载性能以及展开过程中的传动效率特性的装置。

4.本发明的托举式重力平衡装置，在高低温环境下，能够随着桁架展开机构的展开，实时平衡大型桁架的重力，并能够在展开方向和铅垂方向上跟随其运动。

附图说明

图1为本发明的主视图，

图2为图1中本发明的俯视图，

图3为图1中的A处放大图，

图4为图1中的升降单元的示意图，

图5为图1中的力加载单元的示意图，

图6为图5中的力加载单元的俯视图，

图7为图5中的力加载单元的右视图。

其中：1为收藏筒安装架，2为扭矩传感器，3为桁架收展电机，4为收藏筒，5为第一架体，6为桁架，7为重力平衡小车，8为压力传感器测力板，9为压力传感器，10为直线轴承，11为端导杆，12为支承导杆，13为施力弹簧，14为位移传感器测头安装板，15为位 移传感器测距连杆，16为位移传感器缸体，17为位移传感器安装架，18为力精调电机，19为基座导轨，20为齿条，21为齿轮，22为基座，23为基板,24为基板滑块，25为基座滑块，26为吊环螺钉，27为压力传感器安装板，28为第二架体，29为小车输送驱动电机，30为张紧支撑轮，31为小车输送架体，32为力加载单元输送架体，33为升降单元底座，34为丝杠，35为升降电机，36为支杆，37为导轨，38为卷扬设备，39为小车输送导轨，40为输送链条，41为钢丝绳，42为驱动伺服电机，43为桁架收藏单元，44为力加载单元，45为平衡小车输送单元，46为平衡小车升降单元，47为力加载随动单元，48为升降座，49为力加载单元传输导轨，50为套筒。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1～2所示，本发明包括桁架收藏单元43、力加载单元44、力加载随动单元47、力加载传输架体32和重力平衡小车7，其中力加载单元44可移动地安装在所述力加载传输架体32上，所述力加载单元44通过所述力加载随动单元47驱动移动，待测试的桁架6设置于所述桁架收藏单元43中，当桁架6展开测试时，所述桁架6的自由端与所述力加载单元44相连，所述桁架6伸出所述桁架收藏单元43的部分通过所述重力平衡小车7托举支承，所述力加载单元44和重力平衡小车7随桁架6展开移动，在所述力加载单元44上设有测量桁架6展开力的压力传感器9和通过桁架6展开压缩的施力弹簧13，在所述力加载单元44上还设有测量所述施力弹簧13压缩量的位移传感器。

如图1～2所示，所述桁架收藏单元43包括收藏筒安装架1、桁架收展电机3和收藏筒4，收藏筒4安装在收藏筒安装架1上，桁架6整体可以收缩在收藏筒4内，收藏筒安装架1固接在地基板上，所述桁架6通过所述桁架收展电机3驱动展开，此为本领域公知技术，本实施例中，所述桁架收展电机3伺服电机，如图3所示，在所述桁架收展电机3上设有扭矩传感器2，本发明在测试桁架6展开的传动效率时，所述扭矩传感器2即用于测试所述桁架收展电机3扭矩，本实例中，所述扭矩传感器2的型号为TQ513-200，生产厂家为Omega Engineering。

所述力加载单元44可移动地安装在所述力加载传输架体32上，如图5～7所示，所述力加载单元44除所述压力传感器9、施力弹簧13和位移传感器外，还包括基座22、基板23、力精调电机18、导杆 组件、位移传感器安装架17和压力传感器测力板8。

如图5～7所示，所述基板23与所述力加载传输架体32滑动连接，如图2所示，在所述力加载传输架体32上侧设有力加载单元传输导轨49,在所述基板23下侧设有与所述力加载单元传输导轨49相配合的基板滑块24，所述基板23即通过所述力加载随动单元47驱动沿所述力加载单元传输导轨49滑动，基座22可移动地安装在所述基板23上，在所述基板23上沿着力加载单元44移动方向设有基座导轨19，在所述基座22下侧设有与所述基座导轨23相配合的基座滑块25，所述力精调电机18安装在所述基座22上，在所述基座22下侧设有平行于所述基座导轨19的齿条20，所述力精调电机18的输出端固装有齿轮21，所述齿轮21与所述齿条20啮合，所述基座22即通过所述力精调电机18驱动沿着基板23上的基座导轨19移动实现力的精调。所述位移传感器安装在所述基座22上，所述位移传感器包括位移传感器缸体16、位移传感器测头安装板14和位移传感器测距连杆15，其中所述位移传感器测距连杆15设置于所述位移传感器缸体16上，在所述基座22的一侧设有位移传感器安装架17，所述位移传感器缸体16即安装在所述位移传感器安装架17上，所述压力传感器测力板8通过所述导杆组件支承安装在所述基座22的另一侧，所述压力传感器测力板8远离所述导杆组件的一侧与所述桁架6相连，所述压力传感器测力板8即将桁架6的展开力施加在所述压力传感器9上。

如图5～6所示，所述导杆组件包括支承导杆12、端导杆11和压力传感器安装板27，其中所述支承导杆12可移动地安装在所述基座22上，所述支承导杆12穿过所述基座22的一端与所述位移传感器中的位移传感器测头安装板14相连，所述支承导杆12的另一端与所述压力传感器安装板27相连，所述端导杆11通过直线轴承10安装在所述压力传感器安装板27上，所述压力传感器测力板8则安装在所述端导杆11上，所述压力传感器9固装在所述压力传感器安装板27上，且所述压力传感器9设置于所述压力传感器测力板8和压力传感器安装板27之间，所述施力弹簧13套装在所述支承导杆12上，如图6所示，在所述基座22远离所述位移传感器的一侧设有套筒50，所述施力弹簧13设置于所述套筒50和所述压力传感器安装板27之间，当所述压力传感器测力板8承受桁架展开力时，所述压力传感器测力板8在将力施加在压力传感器9上的同时，也推动所述 支承导杆12移动，所述支承导杆12上的压力传感器安装板27即压缩所述施力弹簧13，所述施力弹簧13的压缩量即通过所述位移传感器测定。本实施例中，所述位移传感器的型号为GA150，生产厂家为北京京海泉传感科技有限公司。

所述力加载单元44通过所述力加载随动单元47驱动沿力加载传输架体32上的力加载单元传输导轨49移动，如图1～2所示，所述力加载随动单元47包括钢丝绳41、卷扬设备38和驱动伺服电机42，如图5所示，在所述力加载单元44的基板23前后两侧分别设有吊环螺钉26，钢丝绳41的两端即分别与所述吊环螺钉26固连，所述钢丝绳41缠绕在所述卷扬设备38上，所述卷扬设备38通过所述驱动伺服电机42驱动旋转，所述卷扬设备38转动即带动钢丝绳41移动驱动所述力加载单元44行走。如图1～2所示，为了保证钢丝绳41的张力，在所述力加载传输架体32的两端分别设有第一架体5和第二架体28，在所述第一架体5和第二架体28设有多个用于保持钢丝绳41张力的导向轮，在所述力加载传输架体32内还设有张紧支撑轮30，所述第一架体5和第二架体28以及所述张紧支撑轮30均固装在地基板上，且所述第一架体5和第二架体28上的导向轮以及所述张紧支撑轮30均处于同一竖直面上以保证钢丝绳41的水平运动方向与所述力加载单元传输导轨49平行。所述卷扬设备38为本领域公知技术。

所述桁架6展开过程中通过重力平衡小车7支承，所述重力平衡小车7随桁架6展开移动，如图1所示，在所述力加载传输架体32内设有平衡小车输送单元45，在所述平衡小车输送单元45靠近桁架收藏单元43的一端设有平衡小车升降单元46，在本发明不工作时，重力平衡小车7即放置在所述平衡小车输送单元45上，当本发明进行桁架展开性能测试时，重力平衡小车7依次通过所述平衡小车输送单元45送至平衡小车升降单元46上侧，并依次通过所述平衡小车升降单元46举升至所述桁架收藏单元43的收藏筒4的出口处以支承逐步展开的桁架6。

如图1～2所示，所述平衡小车输送单元45包括小车输送架体31、小车输送驱动电机29和输送链条40，其中小车输送驱动电机29设置于所述小车输送架体31远离桁架收藏单元43的一端，两条输送链条40分设于小车输送架体31上台面两侧，所述输送链条40通过所述小车输送驱动电机29驱动旋转，重力平衡小车7即放置在输送 链条40上并随着输送链条40移动送至所述平衡小车升降单元46上侧。

如图4所示，所述平衡小车升降单元46包括升降单元底座33、丝杠34、升降电机35、支杆36和升降座48，所述升降单元底座33安装在地基板上，所述丝杠34垂直设置于所述升降单元底座33上，所述丝杠34通过所述升降电机35驱动旋转，所述升降座48套装在所述丝杠34上，在所述升降座48内设有与所述丝杠34配合的丝母，丝杠34旋转即驱动所述升降座48升降，在所述升降座48上垂直设有多个支杆36，在所述多个支杆36的顶部设有导轨37，在所述重力平衡小车7下侧设有与所述导轨37配合的滑块，重力平衡小车7即通过所述平衡小车输送单元45送至所述导轨37上，然后所述升降座48通过丝杠34旋转驱动升起，直至所述导轨37与所述力加载传输架体32上的力加载单元传输导轨49相齐，此时重力平衡小车7即支承住桁架6，并随着桁架6展开沿着所述力加载单元传输导轨49移动。平衡小车输送单元45按照控制时序的要求结合平衡小车升降单元46，在桁架6展开实验中将重力平衡小车7依次传送至桁架收藏单元43的收藏筒4的出口处，并在实验结束后将重力平衡小车7收集回初始位置。

本发明的工作原理为：

本发明的力加载单元44整体在钢丝绳41的驱动下，以与桁架6展开速度相等的速度与桁架6做同步跟随运动。本发明通过大范围的跟随运动和小范围的精确调整来控制施力弹簧13的压缩量，从而控制输出压力F_瞬的大小。桁架6的末端与压力传感器测力板8连接，将展开力施加于压力传感器9上并同时压缩施力弹簧13，此时位移传感器的示数随之发生变化，将此时压力传感器的压力值记为F_瞬，将此时位移传感器的位移变化值记为Δx_瞬，根据公式F＝kgΔx，可得：而F_设为已知的加载力，故可以得到Δx_设的值。也就是说，只要保证Δx_瞬＝Δx_设，就可以保证F_瞬＝F_设，使Δx_瞬始终接近Δx_设的过程，就是力精调的理论依据。

力精调过程：在力精调伺服电机18的驱动下，根据位移传感器和压力传感器9实时反馈的施力弹簧13的压缩量Δx_瞬和压力F_瞬来微调基座22的位置，从而来调整施力弹簧13的压缩量，进而调整作用在桁架6末端的负载力。力精调主要是用来弥补力加载单元44跟随桁架6运动不精确而产生的误差，同时可以大大降低对钢丝绳41传 动的精度要求。当压力达到设定值时，力加载单元44在钢丝绳41的牵引下跟随桁架6展开运动，保证加载力始终保持在设定值F_设；当力的大小超过或小于设定值时，用位移传感器的值做闭环来控制力加载单元44的运动，使压力回复到设定值，从而保证加载力的准确。

效率测试原理：当测试桁架6的传动效率时，力加载单元44跟随桁架6展开一起运动，运动速度为v_设，并通过施力弹簧13施加负载力。负载力可以通过控制施力弹簧的压缩量来改变，并且通过压力传感器9测量其数值F_设，并根据公式P_输出＝F_设gv_设(F的单位为N，v的单位为m/s)计算得出桁架6展开机构的输出功率。而效率测试采用桁架收展电机3和扭矩传感器2相结合的方式，实时读取输入转速n和扭矩T来计算输入功率。因而，输入功率可以通过公式P_输入＝Tgn/9.55(T的单位为Ngm，n的单位为r/min)来进行计算，再根据公式η＝P_输出/P_输入就可以算出桁架6展开过程中的传动效率η。