一种多点悬挂式主动重力补偿系统技术方案

本发明专利技术一种多点悬挂式主动重力补偿系统包括模拟航天器、俯仰随动及装夹单元、滚转及竖向主动随动单元、偏航主动随动单元、水平随动及支撑单元与控制单元，俯仰随动及装夹单元可固定航天器并跟随航天器的俯仰运动，滚转及竖向主动随动单元主动跟随航天器的滚转运动及竖向运动，减小连接质量、惯性力等对试验精度的影响，偏航主动随动单元主动跟随航天器的偏航运动，补偿连接结构引入的摩擦力等的影响，水平随动及支撑单元主动跟随航天器的平面运动，保证航天器的悬挂钢丝绳始终处于竖直状态，控制单元根据航天器的运动信息驱动相关电机运动补偿航天器的重力保证航天器姿态轨道调整运动时不受自身重力与连接质量、摩擦及惯性力等的影响。

【技术实现步骤摘要】
所属
本专利技术属于航天器及探测器等空间任务地面验证
，具体涉及提供航天器空间运动地面验证的六自由微重力度环境。
技术介绍
当前，空间任务的核心内容是空间合作，空间合作主要是指包括交会对接在内的各类在轨服务，空间站的补给、修复与航天员的轮替等。这些空间任务实施的一般步骤包括：任务内容的确定，执行方案的设计，方案的地面试验验证，任务执行器的研制，方案的在轨验证，以及空间任务的最后实施六个阶段，每个阶段缺一不可。作为空间任务实施的地面验证关键部分，地面试验的目标是验证空间任务方案的合理性和技术可行性，而其成功与否在很大程度上取决于所采用的验证方法对其空间任务实施过程特征是否是真实的反映。概括地说，这些特征包括：空间任务实施过程是在微重力环境中和航天器姿态位置运动不受约束等等。而目前所采用的地面验证方法对上述特征的反映都存在明显的不足，例如：系统仿真无法实时描述任务过程；半物理仿真虽然考虑了合作目标的相对轨道运行，但是通常不涉及微重力环境的影响，且也常常仅对空间任务中的某一子系统或者特定功能进行验证，而每个子系统性能的满足并不意味着综合系统的整体性能满足。全物理仿真中考虑到重力补偿和无约束运动的常用的方法有失重法、液浮法、气浮法和悬挂法。失重法常见的为抛物飞行和自由落体，此方法的缺点是时间短、占用的空间大、能够提供的空间有限并且成本高；液浮法阻尼大、维护成本高且只适合低速运动的情况；气浮法一般只能提供五个自由度的运动，在竖直方向的运动受限。悬挂法所占用的空间小、不受时间空间的约束，是重力补偿常用的方法，悬挂法一般可以分为主动重力补偿和被动重力补偿。被动重力补偿的补偿精度较低，对试验效果有较大影响；主动重力补偿能够提高补偿精度，但目前主动重力补偿方法一般通过单点悬挂提供三自由度运动空间或多点悬挂提供六自由度运动空间，针对实现航天器运动再现这个目标，三自由度运动空间显然不够，传统的多点悬挂所提供的六自由度空间会由于结构复杂、系统难控导致试验效果不佳，因此，发展一种能够更加真实反映空间任务实施过程微重力环境无约束运动环境，对促进未来空间试验先期在地面更为精确地进行，以降低研制风险，提高可靠性，缩短研究周期，节省投资，使相关研究成果尽快进入国际领先行列，大幅度提升我国的航天能力和可持续发展的潜力是非常必要的。
技术实现思路
本专利技术提出了一种多点悬挂式主动重力补偿系统，相对于传统的多点悬挂系统降低了控制的复杂度，提高了系统可靠性，此外还可以补偿附加连接质量对系统的影响，进一步提高了系统的验证精度。本专利技术的技术方案：本专利技术一种多点悬挂式主动重力补偿系统包括模拟航天器、俯仰随动及装夹单元、滚转及竖向主动随动单元、偏航主动随动单元、水平随动及支撑单元与控制单元。俯仰随动及装夹单元用以固定航天器并跟随航天器的俯仰运动，滚转及竖向主动随动单元主动跟随航天器的滚转运动及竖向运动，减小了附加的连接质量、惯性力等对试验精度的影响，偏航主动随动单元可主动跟随航天器的偏航运动，补偿连接结构引入的摩擦力等的影响，水平随动及支撑单元可主动跟随航天器的平面运动，保证航天器的悬挂钢丝绳始终处于竖直状态，控制单
元根据航天器的运动信息驱动相关电机运动补偿航天器的重力保证航天器姿态轨道调整运动时不受自身重力与连接结构引入的连接质量、摩擦及惯性力等的影响。所述俯仰随动及装夹单元包括电磁制动、螺柱、俯仰内轴、俯仰轴承、俯仰连接板与悬挂框。俯仰轴承外圈固定在俯仰连接板上，其内圈固定有俯仰内轴，俯仰内轴安装有螺柱用以固定航天器，俯仰连接板连接到悬挂框上。所述滚转及竖向随动单元包括钢丝绳、导轨组件、传动组件、滑块连接板、电机安装板、竖向固定板、卷丝轮电机、卷丝轮组件、导线轮与张力传感器。导轨组件与传动组件安装在竖向固定板上，导轨组件包括直线轴承、导轨与导轨固定件，导轨通过导轨固定件固定到竖向固定板上，其上配合有直线轴承，直线轴承上连接有滑块连接板，滑块连接板上固定有电机安装板；传动组件包括齿条、齿轮与伺服电机，伺服电机安装在电机安装板上，伺服电机轴上安装有齿轮，齿轮与齿条配合，在伺服电机的驱动下，沿导轨方向运动。卷丝轮电机固定在电机安装板上，其电机轴上安装有卷丝轮组件，卷丝轮组件包括卷丝轮、平面涡卷弹簧、连接轴与滚动轴承，其中连接轴与卷丝轮电机轴固连，连接轴上固定有滚动轴承，滚动轴承的外圈与卷丝轮固连，卷丝轮与平面涡卷弹簧外端连接，平面涡卷弹簧内端与连接轴固定。导线轮与张力传感器都安装在电机安装板上，钢丝绳一端连接到俯仰随动及装夹单元的悬挂框上，另一端通过导线轮、张力传感器连接到卷丝轮上，当钢丝绳上的张力由于航天器的运动变化时，平面涡卷弹簧上的力随之变化，防止钢丝绳松弛或受力过大崩断。所述偏航主动随动单元包括偏航固定板、偏航滚动轴承、偏航推力轴承、偏航大齿轮、偏航电机与偏航小齿轮，偏航滚动轴承与偏航推力轴承安装在偏航固定板上，偏航滚动轴承的内圈、偏航推力轴承上端内圈与滚转及竖向主动随动单元的竖向固定板配合，竖向固定板上端安装有偏航大齿轮，并通过偏航大齿轮将竖向固定板与偏航推力轴承固连，偏航电机安装在偏航固定板上，其电机轴上安装有与偏航大齿轮啮合的偏航小齿轮，在偏航电机的带动下，偏航小齿轮通过与偏航大齿轮的啮合带动竖向固定板转动，主动跟随航天器的偏航运动。所述水平随动及支撑单元包括筋板、立柱、横向连接板、纵向导轨、纵向滑块、横梁、横向电机及纵向电机，纵向滑块与偏航主动随动单元的偏航固定板固连，纵向滑块安装在纵向滑轨上，纵向滑轨安装在横向连接板上，横向连接板安装在横向导轨上，可沿横向导轨运动，横向导轨固定在立柱上，立柱间上端连接有横梁，下端连接有筋板。纵向滑块及横向连接板在纵向电机与横向电机的驱动下分别沿纵向导轨及横向导轨运动。所述控制单元包括控制卡与驱动器，控制卡根据航天器的运动信息通过驱动器控制相关电机动作，为航天器提供六自由度近似无约束的微重力环境。本专利技术一种多点悬挂式主动重力补偿系统的工作过程为：航天器将自身的运动信息传递给本专利技术一种多点悬挂式主动重力补偿系统的控制单元，控制单元根据航天器的运动信息，驱动相关执行机构运动，跟随航天器的姿态调整或轨道机动，保证航天器在运动时处于微重力近似无约束的环境中。本专利技术对比已有的技术有如下特点：1、在卷丝轮中加入了缓冲装置，避免了由于航天器在竖向受力时导致钢丝绳松弛或崩断；2、补偿了连接机构引入的附加质量、摩擦及惯性力等；3、适用于各种不同类型的航天器；4、易于增加悬挂点。附图说明图1是一种多点悬挂式主动重力补偿系统的正视图。图中标号：1：模拟航天器；2：俯仰随动及装夹单元；3：滚转及竖向主动随动单元；4：偏航主动随动单元；5：水平随动及支撑单元；26：悬挂框；30：钢丝绳；51：筋板；52：立柱。图2是模拟航天器。图3俯仰随动及装夹单元。图中标号：21:电磁制动；22：螺柱；23：俯仰内轴；24：俯仰轴承；25：俯仰连接板图4是滚转及竖向主动随动单元。图中标号：31：导轨组件；32：传动组件；33：滑块连接板；34：电机安装板；35：竖向固定板；36：卷丝轮电机；37：卷丝轮组件；38：导线轮；39：张力传感器；311：直线轴承；312：导轨；313：导轨固定件；321：齿条；322：齿轮；3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多点悬挂式主动重力补偿系统，其特征是：系统包括模拟航天器、俯仰随动及装夹单元、滚转及竖向主动随动单元、偏航主动随动单元、水平随动及支撑单元与控制单元；所述俯仰随动及装夹单元包括电磁制动、螺柱、俯仰内轴、俯仰轴承、俯仰连接板与悬挂框；俯仰轴承外圈固定在俯仰连接板上，其内圈固定有俯仰内轴，俯仰内轴安装有螺柱用以固定航天器，俯仰连接板连接到悬挂框上；所述水平随动及支撑单元包括筋板、立柱、横向连接板、纵向导轨、纵向滑块、横梁、横向电机及纵向电机，纵向滑块与偏航主动随动单元的偏航固定板固连，纵向滑块安装在纵向滑轨上，纵向滑轨安装在横向连接板上，横向连接板安装在横向导轨上，横向导轨固定在立柱上，立柱间上端连接有横梁，下端连接有筋板，纵向滑块及横向连接板在纵向电机与横向电机的驱动下分别沿纵向导轨及横向导轨运动；所述控制单元包括控制卡与驱动器，控制卡根据航天器的运动信息通过驱动器控制相关电机动作。

【技术特征摘要】
1.一种多点悬挂式主动重力补偿系统，其特征是：系统包括模拟航天器、俯仰随动及装夹单元、滚转及竖向主动随动单元、偏航主动随动单元、水平随动及支撑单元与控制单元；所述俯仰随动及装夹单元包括电磁制动、螺柱、俯仰内轴、俯仰轴承、俯仰连接板与悬挂框；俯仰轴承外圈固定在俯仰连接板上，其内圈固定有俯仰内轴，俯仰内轴安装有螺柱用以固定航天器，俯仰连接板连接到悬挂框上；所述水平随动及支撑单元包括筋板、立柱、横向连接板、纵向导轨、纵向滑块、横梁、横向电机及纵向电机，纵向滑块与偏航主动随动单元的偏航固定板固连，纵向滑块安装在纵向滑轨上，纵向滑轨安装在横向连接板上，横向连接板安装在横向导轨上，横向导轨固定在立柱上，立柱间上端连接有横梁，下端连接有筋板，纵向滑块及横向连接板在纵向电机与横向电机的驱动下分别沿纵向导轨及横向导轨运动；所述控制单元包括控制卡与驱动器，控制卡根据航天器的运动信息通过驱动器控制相关电机动作。2.根据权利要求1所述的一种多点悬挂式主动重力补偿系统，其特征是：所述滚转及竖向随动单元包括钢丝绳、导轨组件、传动组件、滑块连接板、电机安装板、竖向固定板、卷丝轮电机、卷丝轮组件、导线轮与张力传感器，导轨组件包括直线轴承、导轨与导轨固定件，传动组件包括齿条、齿轮与伺服电机，卷丝轮组件包括卷丝轮、平面涡卷弹簧、连接轴与滚动轴承。3.根据权利要求2所述的一种多点悬挂式主动重力补偿系统，其特征是：所述滚转及竖向随动单元的...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾英民，贾娇，孙施浩，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11