一種用于空間多維展開機構(gòu)的零重力實驗系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于空間多維展開機構(gòu)的零重力實驗系統(tǒng)，包括模擬墻(1)、展開架(2)、搖臂吊掛裝置和氣浮車裝置；所述空間多維展開機構(gòu)由大臂(13)、小臂(14)與負載(15)組成；模擬墻(1)用于固定空間多維展開機構(gòu)；大臂(13)的一端活動連接在模擬墻(1)上，大臂(13)的另一端與小臂(14)鉸接，小臂(14)與負載(15)固定連接；搖臂吊掛裝置安裝在展開架(2)上，能夠相對于展開架旋轉(zhuǎn)；搖臂吊掛裝置能夠?qū)⒋蟊?13)吊起；負載(15)位于氣浮車裝置上。本發(fā)明的實驗系統(tǒng)卸載阻力小，卸載效率達到了95％。
【專利說明】一種用于空間多維展開機構(gòu)的零重力實驗系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于空間多維展開機構(gòu)的零重力實驗系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]零重力又可稱為失重或減重力，是太空環(huán)境的一個最重要的特征。衛(wèi)星、飛行器和空間站等航天系統(tǒng)在軌飛行以前，為保證系統(tǒng)的高精度和可靠性，必須在地面上對其空間機構(gòu)各子系統(tǒng)進行動力學(xué)試驗。然而，地面的重力環(huán)境會導(dǎo)致無法通過試驗獲得機構(gòu)的功能性能特性。因此，空間展開機構(gòu)的地面測試需要精確模擬其所處的零重力環(huán)境。只有經(jīng)過地面的零重力展開試驗，對空間展開機構(gòu)的展開功能、展開時間、鎖定位置精度等功能性能進行充分的驗證，才能保證空間展開機構(gòu)在軌有效展開并實現(xiàn)其功能。
[0003]隨著空間展開機構(gòu)越來越復(fù)雜，展開軌跡逐漸由原來的二維平面展開發(fā)展到空間多維展開，展開軌跡的復(fù)雜對零重力試驗裝置提出了更高的要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種附加阻力小、卸載效率高、能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式空間機構(gòu)多維復(fù)雜展開軌跡的零重力實驗系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0006]一種用于空間多維展開機構(gòu)的零重力實驗系統(tǒng)，包括模擬墻、展開架、搖臂吊掛裝置和氣浮車裝置；所述空間多維展開機構(gòu)由大臂、小臂與負載組成；模擬墻用于固定空間多維展開機構(gòu)；大臂的一端活動連接在模擬墻上，大臂的另一端與小臂鉸接，小臂與負載固定連接；搖臂吊掛裝置安裝在展開架上，能夠相對于展開架旋轉(zhuǎn)；搖臂吊掛裝置能夠?qū)⒋蟊鄣跗?；負載位于氣浮車裝置上；
[0007]搖臂吊掛裝置包括支撐板、三角架、至少兩個第一雙旋調(diào)節(jié)組件、第一導(dǎo)軌和至少兩個吊掛單元，每個吊掛單元由滑車、第一力傳感器、第二雙旋調(diào)節(jié)組件’、鋼絲繩、第一滑輪、閉鎖環(huán)和大臂抱環(huán)組成；支撐板固定在展開架上；三角架通過兩個軸承組件安裝在支撐板上，能夠繞支撐板進行轉(zhuǎn)動；第一導(dǎo)軌通過至少兩個第一雙旋調(diào)節(jié)組件連接在三角架上；滑車能夠沿第一導(dǎo)軌滑動；第一力傳感器的一端與滑車固定連接，第一力傳感器的另一端固定在第二雙旋調(diào)節(jié)組件的一端，第二雙旋調(diào)節(jié)組件的另一端與鋼絲繩的一端固定連接，鋼絲繩的另一端固定在第一滑輪的中心上，大臂抱環(huán)通過閉鎖環(huán)吊裝在第一滑輪下方，第一滑輪能夠沿自身軸線進行轉(zhuǎn)動；第一滑輪圓周上設(shè)置用于容納閉鎖環(huán)的弧形槽；大臂抱環(huán)由兩個半圓環(huán)組成，固定在大臂上；大臂抱環(huán)圓周上設(shè)置用于容納閉鎖環(huán)的弧形槽；
[0008]氣浮車裝置包括平臺、第二導(dǎo)軌、車體、豎直氣浮導(dǎo)軌、豎直滑動裝置、配重、第二滑輪、第二力傳感器、氣浮托盤、位移傳感器和柔性繩，第二導(dǎo)軌安裝在平臺上；豎直氣浮導(dǎo)軌安裝在車體的一側(cè)上，豎直氣浮導(dǎo)軌是一個表面光滑的四方形的立柱，豎直滑動裝置與豎直氣浮導(dǎo)軌之間形成氣膜，能夠相對豎直氣浮導(dǎo)軌在豎直方向上滑動；第二滑輪位于車體的上方，與配重相連的一柔性繩繞過第二滑輪后與第二力傳感器的一端相連，第二力傳感器的另一端通過另一柔性繩連接到豎直滑動裝置上；第二力傳感器用于監(jiān)測小臂及負載展開時的卸載力；氣浮托盤的上方用于支撐負載，氣浮托盤的下方與豎直滑動裝置之間形成氣膜，能夠相對于豎直滑動裝置在水平方向上運動；位移傳感器用于測量氣浮托盤相對于豎直滑動裝置的運動位移，車體根據(jù)位移傳感器輸出的運動位移沿第二導(dǎo)軌移動，以實現(xiàn)對負載展開的跟隨。
[0009]豎直滑動裝置由第一框架、四個第一氣足及氣浮平板組成，四個第一氣足分別安裝在第一框架與豎直氣浮導(dǎo)軌的四個對立的面之間，通氣后四個第一氣足與豎直氣浮導(dǎo)軌之間形成氣膜，氣浮平板安裝在第一框架上。
[0010]氣浮托盤由第二框架、四個滑輪及三個第二氣足組成，四個滑輪用于支撐負載，四個滑輪安裝在第二框架的上方，在第二框架的下方安裝三個第二氣足，通氣后第二氣足與氣浮平板之間形成氣膜。
[0011 ] 模擬墻由鋁板加工而成。
[0012]展開架為螺栓球頭連接的桁架式結(jié)構(gòu)。
[0013]導(dǎo)軌由不銹鋼管加工而成，并在不銹鋼管表面滲氮。
[0014]每個雙旋調(diào)節(jié)組件由左旋螺柱、雙旋套筒和右旋螺柱組成，左旋螺柱通過左旋螺紋與雙旋套筒連接，右旋螺柱通過右旋螺紋與雙旋套筒連接。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有益效果為:
[0016](I)本發(fā)明采用吊掛卸載方式，實現(xiàn)了空間多維展開機構(gòu)繞自身軸線回轉(zhuǎn)時的零重力卸載；
[0017](2)本發(fā)明首次采用豎直氣浮導(dǎo)軌與水平氣浮托盤結(jié)合的卸載方式，實現(xiàn)了空間多維展開機構(gòu)回轉(zhuǎn)展開時的零重力卸載；
[0018](3)本發(fā)明系統(tǒng)通過吊掛與氣浮結(jié)合的零重力卸載方式，降低了卸載阻力，巧妙實現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式空間多維展開機構(gòu)的零重力展開；卸載效率能夠達到95%，保證了展開過程中對展開功能和卸載效率的需求，有效地提高了空間多維展開機構(gòu)的研制效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2為本發(fā)明中的搖臂吊掛裝置示意圖；
[0021]圖3為本發(fā)明中的氣浮車裝置示意圖；
[0022]圖4為雙旋調(diào)節(jié)組件的示意圖；
[0023]圖5為豎直滑動裝置的示意圖；
[0024]圖6為氣浮托盤的示意圖；
[0025]圖7為空間多維展開機構(gòu)的展開過程示意圖，圖7a為收攏狀態(tài)、圖7b為大臂展開狀態(tài)、圖7c為大臂回轉(zhuǎn)展開狀態(tài)、圖7d為小臂展開狀態(tài)。

【具體實施方式】
[0026]如圖1所示，本發(fā)明的用于空間多維展開機構(gòu)的零重力實驗系統(tǒng)，包括模擬墻1、展開架2、搖臂吊掛裝置和氣浮車裝置?？臻g多維展開機構(gòu)由大臂13、小臂14與負載15組成。模擬墻I用于固定空間多維展開機構(gòu)。大臂13的一端活動連接在模擬墻I上，大臂13的另一端與小臂14鉸接，小臂14與負載15固定連接。展開架2用于為搖臂吊掛裝置提供支撐。搖臂吊掛裝置用于實現(xiàn)大臂13的零重力展開。氣浮車裝置用于實現(xiàn)小臂14與負載15的零重力展開。在地面進行展開時首先大臂13帶動小臂14與負載15繞位于模擬墻附近的鉛垂軸線進行展開、其次大臂13帶動小臂14與負載15繞大臂13臂桿軸線進行回轉(zhuǎn)展開、最后小臂14與負載15相對大臂13繞大臂與小臂連接處的鉛垂軸線進行展開，展開軌跡為空間三維軌跡，如圖7所示。本發(fā)明系統(tǒng)通過吊掛與氣浮結(jié)合的零重力卸載方式，巧妙實現(xiàn)了空間多維展開機構(gòu)的零重力展開；卸載效率能夠達到95%。
[0027]模擬墻I由鋁板加工而成。
[0028]展開架2為螺栓球頭連接的桁架式結(jié)構(gòu)。
[0029]如圖2所示，搖臂吊掛裝置包括支撐板3、三角架4、第一雙旋調(diào)節(jié)組件5、第一導(dǎo)軌6和至少兩個吊掛單元，每個吊掛單元由滑車7、第一力傳感器8、第二雙旋調(diào)節(jié)組件5’、鋼絲繩9、第一滑輪10、閉鎖環(huán)11和大臂抱環(huán)12組成。支撐板3通過螺栓固定在展開架2上；三角架4通過根部的兩個軸承組件安裝在支撐板3上，能夠繞支撐板3進行轉(zhuǎn)動。第一導(dǎo)軌6通過至少兩個第一雙旋調(diào)節(jié)組件5連接在三角架4上，優(yōu)選為五個第一雙旋調(diào)節(jié)組件5，在實驗開始前通過調(diào)節(jié)第一雙旋調(diào)節(jié)組件5使得第一導(dǎo)軌6與大臂吊掛點之間的距離滿足實驗要求?；?能夠沿第一導(dǎo)軌6滑動；第一力傳感器8用于監(jiān)測搖臂吊掛裝置對大臂13的卸載力，當?shù)鯍炝?gt;大臂重力時,旋動力傳感器和鋼絲繩9之間的雙旋調(diào)節(jié)組件5的雙旋套筒，使導(dǎo)軌與大臂吊掛點之間的距離增大，吊掛力則會減?。划?shù)鯍炝?lt;大臂重力時，旋動力傳感器和鋼絲繩9之間的雙旋調(diào)節(jié)組件5的雙旋套筒，使導(dǎo)軌與大臂吊掛點之間的距離減小，吊掛力則會增大；第一力傳感器8的一端與滑車7固定連接，第一力傳感器8的另一端固定在第二雙旋調(diào)節(jié)組件5的一端，第二雙旋調(diào)節(jié)組件5的另一端與鋼絲繩9的一端固定連接，鋼絲繩9起到連接作用，長度根據(jù)導(dǎo)軌6與大臂13之間的距離進行調(diào)整；鋼絲繩9的另一端固定在第一滑輪10的中心上，大臂抱環(huán)12通過閉鎖環(huán)11吊裝在第一滑輪10下方；第一滑輪10能夠沿自身軸線進行轉(zhuǎn)動，第一滑輪10圓周上設(shè)置用于容納閉鎖環(huán)11的弧形槽；閉鎖環(huán)11是由鋼絲繩連接成的封閉圓環(huán)；大臂抱環(huán)12由兩個半圓環(huán)組成，固定在大臂13上，大臂抱環(huán)12圓周上設(shè)置用于容納閉鎖環(huán)11的弧形槽。大臂13繞鉛垂軸線展開時通過大臂抱環(huán)12、閉鎖環(huán)11等連接件帶動三角架4 一起繞支撐板3轉(zhuǎn)動；大臂13繞自身軸線回轉(zhuǎn)展開時通過大臂抱環(huán)12帶動閉鎖環(huán)與第一滑輪10繞第一滑輪10自身軸線進行轉(zhuǎn)動。優(yōu)選地，導(dǎo)軌6由不銹鋼管加工而成，表面滲氮增加硬度。
[0030]如圖4所示,每個雙旋調(diào)節(jié)組件5由左旋螺柱51、雙旋套筒52和右旋螺柱53組成，左旋螺柱51通過左旋螺紋與雙旋套筒52連接，右旋螺柱53通過右旋螺紋與雙旋套筒52連接，通過旋動雙旋套筒52可以調(diào)節(jié)長度，進而調(diào)節(jié)搖臂吊掛裝置對大臂13的卸載力。
[0031]整個展開過程中，小臂14與負載15由氣浮車裝置實現(xiàn)零重力卸載。小臂14與負載15在展開過程中有3個動作:首先跟大臂13 —起繞鉛垂軸線展開，其次繞大臂13軸線回轉(zhuǎn)展開，最后小臂14與負載15相對大臂13繞鉛垂軸線進行展開。
[0032]如圖3所示，氣浮車裝置包括平臺16、第二導(dǎo)軌17、車體18、豎直氣浮導(dǎo)軌19、豎直滑動裝置20、配重21、第二滑輪22、第二力傳感器23、氣浮托盤24、位移傳感器25和柔性繩26。平臺16為鑄鐵臺面，用于安裝第二導(dǎo)軌17 ;第二導(dǎo)軌17的形狀與負載的展開軌跡一致；車體18能在控制系統(tǒng)的控制下沿第二導(dǎo)軌17移動；豎直氣浮導(dǎo)軌19是一個四方形的立柱，安裝在車體18上，四個表面十分光潔；如圖5所示，豎直滑動裝置20由第一框架201、四個第一氣足202及氣浮平板203組成，四個第一氣足202分別安裝在第一框架201與豎直氣浮導(dǎo)軌19的四個對立的面之間，通氣后四個第一氣足202與豎直氣浮導(dǎo)軌19之間形成氣膜，減小豎直滑動裝置20沿豎直氣浮導(dǎo)軌19滑動時的摩擦力；氣浮平板203安裝在第一框架201上，并向外延伸。配重21的重量為氣浮托盤24、豎直滑動裝置20、第二力傳感器23、位移傳感器25、柔性繩26、小臂14和負載15的重量之和；第二滑輪22位于車體18的上方，與配重21相連的一柔性繩26繞過第二滑輪22后與第二力傳感器23的一端相連，第二力傳感器23的另一端通過另一柔性繩26連接到豎直滑動裝置20的第一框架上；第二力傳感器23用于監(jiān)測小臂及負載展開時的卸載力，當卸載力>小臂及負載重力時，則減小配重21，反之，則增大配重21 ;如圖6所示，氣浮托盤24由第二框架241、四個滑輪242及三個第二氣足243組成，四個滑輪242用于支撐負載15，負載15轉(zhuǎn)動時通過四個滑輪的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)與負載15的相對運動，四個滑輪242安裝在第二框架241的上方，在第二框架241的下方具有三個第二氣足243，通氣后第二氣足243與氣浮平板203之間形成氣膜，實現(xiàn)氣浮托盤24與豎直滑動裝置20之間的低摩擦運動；當氣浮托盤24在負載15的帶動下與豎直滑動裝置20之間相對運動時位移傳感器25輸出電壓信號用于控制車體18移動來實現(xiàn)對負載15展開的跟隨。當小臂14與負載15跟大臂13 —起繞鉛垂軸線展開時及小臂14與負載15相對大臂13繞鉛垂軸線進行展開時，展開機構(gòu)質(zhì)心只在水平面內(nèi)運動。展開時，小臂14與負載15帶動氣浮托盤24與豎直滑動裝置20的氣浮平板產(chǎn)生相對運動，此時位移傳感器25將相對運動的位移量轉(zhuǎn)化為電壓信號用于控制車體移動，實現(xiàn)對負載15展開的跟隨。小臂14與負載15的重力由配重21抵消；小臂14與負載15繞大臂13軸線回轉(zhuǎn)展開時，展開機構(gòu)質(zhì)心運動可分解為在水平面內(nèi)的運動及在豎直面內(nèi)的運動。質(zhì)心在水平面內(nèi)運動時軌跡跟蹤的方式見上述。質(zhì)心在豎直面內(nèi)運動時，配重21繞過滑輪22通過第二力傳感器23與柔性繩26拉動豎直滑動裝置20、氣浮托盤24與負載一起在豎直平面內(nèi)運動，同時實現(xiàn)零重力卸載與軌跡跟蹤，卸載效率通過第二力傳感器23的示數(shù)計算可知，卸載效率=1-|卸載力-產(chǎn)品重力1/產(chǎn)品重力X100%。
[0033]所述柔性繩26可以為凱夫拉繩或其它具有一定強度的繩。
[0034]位移傳感器25可以為激光傳感器，包括激光發(fā)射器和激光接收器,激光發(fā)射器固定在氣浮托盤24的第二框架241上，激光接收器固定在氣浮平板203上，當小臂與負載展開時帶動第二框架241運動，激光發(fā)射器相對激光接收器產(chǎn)生位移，激光接收器將位移轉(zhuǎn)化為電信號用于驅(qū)動車體移動，實現(xiàn)軌跡跟蹤。也可以采用其它的位移傳感器。
[0035]本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于空間多維展開機構(gòu)的零重力實驗系統(tǒng)，其特征在于，包括模擬墻(I)、展開架(2)、搖臂吊掛裝置和氣浮車裝置；所述空間多維展開機構(gòu)由大臂(13)、小臂(14)與負載(15)組成；模擬墻(I)用于固定空間多維展開機構(gòu)；大臂(13)的一端活動連接在模擬墻(I)上，大臂(13)的另一端與小臂(14)鉸接，小臂(14)與負載(15)固定連接；搖臂吊掛裝置安裝在展開架(2)上，能夠相對于展開架旋轉(zhuǎn)；搖臂吊掛裝置能夠?qū)⒋蟊?13)吊起；負載(15)位于氣浮車裝置上； 搖臂吊掛裝置包括支撐板(3)、三角架(4)、至少兩個第一雙旋調(diào)節(jié)組件(5)、第一導(dǎo)軌(6)和至少兩個吊掛單元，每個吊掛單元由滑車(7)、第一力傳感器(8)、第二雙旋調(diào)節(jié)組件(5’)、鋼絲繩(9)、第一滑輪(10)、閉鎖環(huán)(11)和大臂抱環(huán)(12)組成；支撐板(3)固定在展開架(2)上；三角架(4)通過兩個軸承組件安裝在支撐板(3)上，能夠繞支撐板(3)進行轉(zhuǎn)動；第一導(dǎo)軌(6)通過至少兩個第一雙旋調(diào)節(jié)組件(5)連接在三角架(4)上；滑車(7)能夠沿第一導(dǎo)軌(6)滑動；第一力傳感器(8)的一端與滑車(7)固定連接，第一力傳感器(8)的另一端固定在第二雙旋調(diào)節(jié)組件(5)的一端，第二雙旋調(diào)節(jié)組件(5)的另一端與鋼絲繩(9)的一端固定連接，鋼絲繩(9)的另一端固定在第一滑輪(10)的中心上，大臂抱環(huán)(12)通過閉鎖環(huán)(11)吊裝在第一滑輪(10)下方，第一滑輪(10)能夠沿自身軸線進行轉(zhuǎn)動；第一滑輪(10)圓周上設(shè)置用于容納閉鎖環(huán)(11)的弧形槽；大臂抱環(huán)(12)由兩個半圓環(huán)組成，固定在大臂(13)上；大臂抱環(huán)(12)圓周上設(shè)置用于容納閉鎖環(huán)(11)的弧形槽； 氣浮車裝置包括平臺(16)、第二導(dǎo)軌(17)、車體(18)、豎直氣浮導(dǎo)軌(19)、豎直滑動裝置(20)、配重(21)、第二滑輪(22)、第二力傳感器(23)、氣浮托盤(24)、位移傳感器(25)和柔性繩(26)，第二導(dǎo)軌(17)安裝在平臺(16)上；豎直氣浮導(dǎo)軌(19)安裝在車體(18)的一側(cè)上，豎直氣浮導(dǎo)軌(19)是一個表面光滑的四方形的立柱，豎直滑動裝置(20)與豎直氣浮導(dǎo)軌(19)之間形成氣膜，能夠相對豎直氣浮導(dǎo)軌(19)在豎直方向上滑動；第二滑輪(22)位于車體(18)的上方，與配重(21)相連的一柔性繩(26)繞過第二滑輪(22)后與第二力傳感器(23)的一端相連，第二力傳感器(23)的另一端通過另一柔性繩(26)連接到豎直滑動裝置(20)上；第二力傳感器(23)用于監(jiān)測小臂及負載展開時的卸載力；氣浮托盤(24)的上方用于支撐負載(15)，氣浮托盤(24)的下方與豎直滑動裝置(20)之間形成氣膜，能夠相對于豎直滑動裝置(20)在水平方向上運動；位移傳感器(25)用于測量氣浮托盤(24)相對于豎直滑動裝置(20)的運動位移，車體(18)根據(jù)位移傳感器(25)輸出的運動位移沿第二導(dǎo)軌(17)移動，以實現(xiàn)對負載(15)展開的跟隨。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的零重力實驗系統(tǒng)，其特征在于，豎直滑動裝置(20)由第一框架(201)、四個第一氣足(202)及氣浮平板(203)組成，四個第一氣足(202)分別安裝在第一框架(201)與豎直氣浮導(dǎo)軌(19)的四個對立的面之間，通氣后四個第一氣足(202)與豎直氣浮導(dǎo)軌(19)之間形成氣膜，氣浮平板(203)安裝在第一框架(201)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的零重力實驗系統(tǒng)，其特征在于，氣浮托盤(24)由第二框架(241)、四個滑輪(242)及三個第二氣足(243)組成，四個滑輪用于支撐負載(15)，四個滑輪(242)安裝在第二框架(241)的上方，在第二框架(241)的下方安裝三個第二氣足(243)，通氣后第二氣足(243)與氣浮平板(203)之間形成氣膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的零重力實驗系統(tǒng)，其特征在于，模擬墻(I)由鋁板加工而成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的零重力實驗系統(tǒng)，其特征在于，展開架(2)為螺栓球頭連接的祐1架式結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的零重力實驗系統(tǒng)，其特征在于，導(dǎo)軌(6)由不銹鋼管加工而成，并在不銹鋼管表面滲氮。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的零重力實驗系統(tǒng)，其特征在于，每個雙旋調(diào)節(jié)組件(5)由左旋螺柱(51)、雙旋套筒(52)和右旋螺柱(53)組成，左旋螺柱(51)通過左旋螺紋與雙旋套筒(52)連接，右旋螺柱(53)通過右旋螺紋與雙旋套筒(52)連接。
【文檔編號】G09B23/10GK104318828SQ201410532657
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月10日
【發(fā)明者】魯利剛, 韓建超, 何鵬鵬, 程澤, 李瀟, 李文濤, 于春宇 申請人:北京衛(wèi)星制造廠