本發(fā)明涉及一種空間微重力模擬機(jī)構(gòu)，具體涉及一種具有負(fù)載大范圍可調(diào)功能的吊索式微重力模擬張力控制機(jī)構(gòu)。

背景技術(shù)：

在航天宇航技術(shù)領(lǐng)域，為了保證空間機(jī)構(gòu)能夠有效運(yùn)行，需要在地面環(huán)境中開(kāi)發(fā)微重力空間環(huán)境地面模擬系統(tǒng)，進(jìn)而對(duì)空間機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)功能、性能指標(biāo)、可靠性、操作流程、故障模式與應(yīng)對(duì)措施等設(shè)備全壽命周期內(nèi)可能遇到的所有問(wèn)題進(jìn)行盡可能齊備和高效率的測(cè)試。

空間機(jī)械臂、行星探測(cè)車等裝置的工作情況和各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)在研發(fā)過(guò)程中需要在地面環(huán)境下進(jìn)行評(píng)估，為模擬機(jī)構(gòu)未來(lái)真實(shí)工作所處的重力環(huán)境，需要低重力模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在地球重力環(huán)境下，模擬系統(tǒng)基本的工作原理是通過(guò)始終與重力方向平行的吊索提供所需恒拉力，抵消地球重力與期望重力之間的差值。低重力模擬系統(tǒng)包括恒拉力控制子系統(tǒng)、二維隨動(dòng)子系統(tǒng)和懸掛機(jī)構(gòu)。懸掛機(jī)構(gòu)用于分配拉力；二維隨動(dòng)子系統(tǒng)使吊索的吊點(diǎn)跟蹤被測(cè)工件運(yùn)動(dòng)，保持吊索與重力方向平行；恒拉力子系統(tǒng)用于保證吊索上所出拉力為指定值，能夠抵消地球重力與期望重力的差值。

為了在地面模擬外行星或外層空間的低重力環(huán)境，需要研發(fā)相應(yīng)的低重力模擬設(shè)備。吊索式低重力模擬設(shè)備是其中的重要一類。但由于一般吊索較長(zhǎng)，受其撓性和分布參數(shù)的影響，致使控制系統(tǒng)帶寬很難做得高；而從控制需求而言，吊索本身的彈性系數(shù)很大，毫米量級(jí)的長(zhǎng)度拉伸或縮短即能引起張力數(shù)百牛頓的改變，因此，要求控制系統(tǒng)反應(yīng)快，帶寬高。為彌合理論需求與實(shí)際能夠達(dá)到的控制系統(tǒng)帶寬之間的矛盾，需要使吊索上的彈性系數(shù)(即等效剛度)降低。

中國(guó)專利號(hào)為201110188711.2、公開(kāi)日為2015年2月4日的發(fā)明專利公開(kāi)了一種吊索式低重力模擬張力控制緩沖機(jī)構(gòu)及調(diào)整方法，該專利為吊索式低重力模擬張力控制緩沖機(jī)構(gòu)，該專利雖然可以實(shí)現(xiàn)在較大的拉力工作點(diǎn)附近、在一定的緩沖運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)獲得小的等效剛度。由于該專利的擺臂是固定不變的，且不具備彈簧緩沖機(jī)構(gòu)行程可調(diào)節(jié)功能，所吊工件也只能是固定的重量，因此，該專利存在負(fù)載重量不可調(diào)的缺點(diǎn)。此外，從控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度而言，以上彈簧緩沖機(jī)構(gòu)為弱阻尼系統(tǒng)，即開(kāi)環(huán)情況下，當(dāng)機(jī)構(gòu)將負(fù)載懸掛，吊索張力處于指定張力的時(shí)候，系統(tǒng)受擾后擺臂將會(huì)持續(xù)在一定范圍內(nèi)震蕩，能量難于衰減。這種弱阻尼特性將會(huì)在很大程度上增大高精度張力控制的難度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決現(xiàn)有吊索式微重力模擬張力控制緩沖機(jī)構(gòu)存在負(fù)載重量不可調(diào)以及弱阻尼特性的問(wèn)題，提供了一種具有負(fù)載大范圍可調(diào)功能的微重力模擬張力控制機(jī)構(gòu)。

本發(fā)明的一種具有負(fù)載大范圍可調(diào)功能的微重力模擬張力控制機(jī)構(gòu)包括底座、驅(qū)動(dòng)部件、驅(qū)動(dòng)軸、繞線輪、被動(dòng)軸、擺臂底輪、擺輪軸、擺輪、擺桿、繩輪、導(dǎo)輪軸、右支座、左支座、下支座、上支座、螺母、絲杠、軸承座、手輪、彈簧底座、彈簧裝置、鋼絲繩、阻尼鋁板、吊索、工件、兩個(gè)磁鐵、鋼絲固定輪、兩個(gè)導(dǎo)軌和四個(gè)滑塊，驅(qū)動(dòng)部件安裝在右支座上，驅(qū)動(dòng)軸安裝在左支座上，右支座和左支座均固裝在底座上，驅(qū)動(dòng)軸的輸入端與驅(qū)動(dòng)部件的輸出軸連接，繞線輪固裝在驅(qū)動(dòng)軸上，被動(dòng)軸與驅(qū)動(dòng)軸平行設(shè)置，擺臂底輪通過(guò)軸承安裝在被動(dòng)軸上，被動(dòng)軸的兩端分別通過(guò)軸承支撐在下支座中，下支座固裝在底座上，擺輪軸與被動(dòng)軸平行設(shè)置，擺輪通過(guò)軸承安裝在擺輪軸上，擺桿由前擺桿和后擺桿組成，前擺桿與后擺桿通過(guò)連接元件連接，前擺桿與被動(dòng)軸固接，后擺桿與擺輪軸固接，兩個(gè)鋼絲固定輪對(duì)稱設(shè)置在擺桿的左右側(cè)，且每個(gè)鋼絲固定輪固裝在前擺桿上，上支座安裝在下支座上方，繩輪固裝在上支座上，阻尼鋁板的一端套裝在被動(dòng)軸上，阻尼鋁板的另一端設(shè)置在兩個(gè)磁鐵之間，兩個(gè)導(dǎo)軌平行設(shè)置在底座上，每個(gè)導(dǎo)軌上滑動(dòng)連接兩個(gè)滑塊，四個(gè)滑塊呈矩形布置，螺母設(shè)置在四個(gè)滑塊中間，螺母與絲杠螺紋連接，絲杠的兩端支撐在軸承座中，手輪固裝在絲杠的輸入端上，螺母上端面和四個(gè)滑塊的上端面均與彈簧底座固接，彈簧裝置的一端與彈簧底座鉸接，彈簧裝置的另一端與鋼絲繩固接，鋼絲繩的另一端繞過(guò)繩輪固連在鋼絲固定輪上，吊索的一端纏繞在繞線輪上，吊索的另一端繞過(guò)擺臂底輪和擺輪與工件相連接。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果：

一、本發(fā)明設(shè)計(jì)了導(dǎo)軌、絲杠、絲母、滑塊和手輪機(jī)構(gòu)，這樣設(shè)計(jì)可以方便的通過(guò)手輪來(lái)移動(dòng)彈簧底座在底座上沿著導(dǎo)軌方向的位置，利用絲杠的自鎖功能以及頂絲來(lái)固定彈簧底座的位置，從而可以方便的調(diào)整彈簧裝置的預(yù)緊力，使得彈簧裝置可以適應(yīng)不同負(fù)載的情況。

二、本發(fā)明設(shè)計(jì)了阻尼機(jī)構(gòu)(由阻尼鋁板和兩個(gè)磁鐵構(gòu)成)，通過(guò)兩塊磁鐵使得阻尼鋁板產(chǎn)生渦流，從而為擺桿提供運(yùn)動(dòng)阻力，耗減擺桿運(yùn)動(dòng)能量，起到吸能減震的作用。

三、本發(fā)明的擺桿由前擺桿和后擺桿組成，使得擺桿長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)可調(diào)，可以方便地更換不同長(zhǎng)度的后擺桿，來(lái)以改變彈簧裝置的力平衡，從而進(jìn)一步擴(kuò)大恒力機(jī)構(gòu)適應(yīng)不同負(fù)載重量的情況。更換不同長(zhǎng)度的后擺桿，只需通過(guò)螺栓將后擺桿換成長(zhǎng)度適合的擺臂，不需要改變整個(gè)機(jī)構(gòu)的其它部件，實(shí)現(xiàn)非常方便。

四、本發(fā)明與中國(guó)專利號(hào)為201110188711.2的專利相比，本發(fā)明增加了導(dǎo)軌、絲杠、絲母、滑塊、手輪，組合式擺桿及磁阻尼機(jī)構(gòu)，使得本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了負(fù)載重量在大范圍可調(diào)這一功能，從而避免了在吊索式微重力模擬張力控制緩沖機(jī)構(gòu)及調(diào)整方法中無(wú)法應(yīng)用于負(fù)載重量可調(diào)的情況這一缺陷。同時(shí)本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)在固定的拉力工作點(diǎn)附近，在一定的緩沖運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)吊索上獲得小的等效剛度，從而避免了對(duì)控制系統(tǒng)的帶寬要求過(guò)高與吊索自身過(guò)長(zhǎng)時(shí)其撓性和分布參數(shù)對(duì)其帶寬影響較大的矛盾。這種弱阻尼特性將會(huì)在很大程度上增大高精度張力控制的難度。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)主剖視圖；

圖2是圖1的俯視圖；

圖3是圖1的A-A剖視圖；

圖4是擺桿9的主視圖；

圖5是圖4的俯視圖；

圖6是長(zhǎng)度較長(zhǎng)的后擺桿9-2的主視圖；

圖7是長(zhǎng)度較長(zhǎng)的后擺桿9-2的俯視圖；

圖8是長(zhǎng)度較短的后擺桿9-2的主視圖；

圖9是長(zhǎng)度較短的后擺桿9-2的俯視圖；

圖10是兩個(gè)磁鐵26的磁極方向示意圖。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：結(jié)合圖1～圖9說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式包括底座1、驅(qū)動(dòng)部件2、驅(qū)動(dòng)軸3、繞線輪4、被動(dòng)軸5、擺臂底輪6、擺輪軸7、擺輪8、擺桿9、繩輪10、導(dǎo)輪軸11、右支座12、左支座13、下支座14、上支座15、螺母18、絲杠19、軸承座20、手輪21、彈簧底座22、彈簧裝置23、鋼絲繩24、阻尼鋁板25、吊索27、工件28、兩個(gè)磁鐵26、鋼絲固定輪29、兩個(gè)導(dǎo)軌16和四個(gè)滑塊17，驅(qū)動(dòng)部件2安裝在右支座12上，驅(qū)動(dòng)軸3安裝在左支座13上，右支座12和左支座13均固裝在底座1上，驅(qū)動(dòng)軸3的輸入端與驅(qū)動(dòng)部件2的輸出軸連接，繞線輪4固裝在驅(qū)動(dòng)軸3上，被動(dòng)軸5與驅(qū)動(dòng)軸3平行設(shè)置，擺臂底輪6通過(guò)軸承安裝在被動(dòng)軸5上，被動(dòng)軸5的兩端分別通過(guò)軸承支撐在下支座14中，下支座14固裝在底座1上，擺輪軸7與被動(dòng)軸5平行設(shè)置，擺輪8通過(guò)軸承安裝在擺輪軸7上，擺桿9由前擺桿9-1和后擺桿9-2組成，前擺桿9-1與后擺桿9-2通過(guò)連接元件連接，前擺桿9-1與被動(dòng)軸5固接，后擺桿9-2與擺輪軸7固接，兩個(gè)鋼絲固定輪29對(duì)稱設(shè)置在擺桿9的左右側(cè)，且每個(gè)鋼絲固定輪29固裝在前擺桿9-1上，上支座15安裝在下支座14上方，繩輪10固裝在上支座15上，阻尼鋁板25的一端套裝在被動(dòng)軸5上，阻尼鋁板25的另一端設(shè)置在兩個(gè)磁鐵26之間，兩個(gè)導(dǎo)軌16平行設(shè)置在底座1上，每個(gè)導(dǎo)軌16上滑動(dòng)連接兩個(gè)滑塊17，四個(gè)滑塊17呈矩形布置，螺母18設(shè)置在四個(gè)滑塊17中間，螺母18與絲杠19螺紋連接，絲杠19的兩端支撐在軸承座20中，手輪21固裝在絲杠19的輸入端上，螺母18上端面和四個(gè)滑塊17的上端面均與彈簧底座22固接，彈簧裝置23的一端與彈簧底座22鉸接，彈簧裝置23的另一端與鋼絲繩24固接，鋼絲繩24的另一端繞過(guò)繩輪10固連在鋼絲固定輪29上，吊索27的一端纏繞在繞線輪4上，吊索27的另一端繞過(guò)擺臂底輪6和擺輪8與需要控制拉力的工件28相連接。彈簧裝置23為現(xiàn)有技術(shù)。

擺輪8可繞被動(dòng)軸7的軸心旋轉(zhuǎn)；擺臂底輪6可繞主動(dòng)軸5的軸心旋轉(zhuǎn)。繞線輪4與驅(qū)動(dòng)軸3同軸安裝，驅(qū)動(dòng)部件2的旋轉(zhuǎn)可以驅(qū)動(dòng)繞線輪4同步旋轉(zhuǎn)，并對(duì)吊索24進(jìn)行收放。擺桿9可繞驅(qū)動(dòng)軸3做獨(dú)立的擺動(dòng)。

具體實(shí)施方式二：結(jié)合圖10說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的兩個(gè)磁鐵26上的N極朝向一致，兩個(gè)磁鐵26上的S極朝向一致。這樣設(shè)置可以在兩塊磁鐵間產(chǎn)生磁場(chǎng)，進(jìn)而由阻尼鋁板25切割磁感線，產(chǎn)生渦流，從而可以提供運(yùn)動(dòng)阻力，耗減運(yùn)動(dòng)能量，起到吸能減震的作用。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三：結(jié)合圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是導(dǎo)輪軸11的軸線與主動(dòng)軸5的軸線在同一水平面內(nèi)。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式二相同。

具體實(shí)施方式四：結(jié)合圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的擺輪8的半徑與擺臂底輪6的半徑相同。無(wú)論擺桿9在任何位置，吊索27在擺臂底輪6上的出線點(diǎn)32和在擺輪8的入線點(diǎn)31之間的一段始終平行于擺桿9的軸線。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式三相同。

具體實(shí)施方式五：結(jié)合圖1和圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的驅(qū)動(dòng)部件2包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)2-1、減速器2-2和聯(lián)軸器2-3，減速器2-2的輸入端與驅(qū)動(dòng)電機(jī)2-1輸出端連接，聯(lián)軸器2-3的輸入端與減速器2-2的輸出端連接，聯(lián)軸器2-3的輸出端與驅(qū)動(dòng)軸3連接。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式三或四相同。

具體實(shí)施方式六：結(jié)合圖1和圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式五不同的是它還增加有吊索固定裝置30，吊索固定裝置30的一端固定在底座1上，吊索固定裝置30的另一端用于為工件28導(dǎo)向，同時(shí)用于防止吊索27隨鋼絲繩24向上拉伸。吊索固定裝置30為現(xiàn)有技術(shù)。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式五相同。

本發(fā)明的工作原理：轉(zhuǎn)動(dòng)手輪21，驅(qū)動(dòng)絲杠19轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母18帶動(dòng)其上的彈簧底座22沿導(dǎo)軌16向左滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了彈簧裝置23的預(yù)緊功能，從而帶動(dòng)彈簧裝置23的另一端鋼絲繩24，通過(guò)鋼絲繩24的另一端繞過(guò)繩輪10，帶動(dòng)兩個(gè)對(duì)稱設(shè)置在擺桿9的左右側(cè)的鋼絲固定輪29轉(zhuǎn)動(dòng)。

打開(kāi)驅(qū)動(dòng)電機(jī)2-1，驅(qū)動(dòng)電機(jī)2-1中轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)可以驅(qū)動(dòng)繞線輪4同步旋轉(zhuǎn)，由于吊索27的一端纏繞在繞線輪4上，吊索27的另一端繞過(guò)擺臂底輪6和擺輪8與需要控制拉力的工件28相連接，從而繞線輪4的旋轉(zhuǎn)可以對(duì)吊索27進(jìn)行收放。

通過(guò)擺桿9長(zhǎng)度的改變，增加彈簧預(yù)緊力，實(shí)現(xiàn)負(fù)載重量可調(diào)的功能。