專利名稱：吊索式低重力模擬張力控制緩沖機構(gòu)及調(diào)整方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及宇航機構(gòu)低重力實驗系統(tǒng)的張力模擬機構(gòu)，特別涉及一種使用擺桿彈簧機構(gòu)實現(xiàn)高精度吊索式低重力模擬的主動張力控制緩沖機構(gòu)及調(diào)整方法。
背景技術(shù)：
空間機械臂、行星探測車等裝置的工作情況和各項技術(shù)指標在研發(fā)過程中需要在地面環(huán)境下進行評估，為模擬機構(gòu)未來真實工作所處的重力環(huán)境，需要低重力模擬實驗系統(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)、二維隨動子系統(tǒng)和懸掛機構(gòu)。懸掛機構(gòu)用于分配拉力；二維隨動子系統(tǒng)使吊索的上吊點跟蹤被測工件運動，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，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，毫米量級的長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際能夠達到的控制系統(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。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的即是為解決上述問題而設(shè)計的一種使用擺桿彈簧機構(gòu)實現(xiàn)高精度吊索式低重力模擬的主動張力控制緩沖機構(gòu)及調(diào)整方法，該機構(gòu)是恒拉力控制子系統(tǒng)的重要組成部分，其可以實現(xiàn)在較大的拉力工作點附近，在較大緩沖運動范圍內(nèi)獲得低的等效剛度。為了達到上述目的，本發(fā)明提供一種吊索式低重力模擬張力控制緩沖機構(gòu)，其包括有擺桿，擺桿的一端與擺輪的軸心活動連接，擺桿的另一端與卷筒的軸心活動連接，卷筒上纏繞吊索的一端，所述吊索的另一端穿過擺輪的輪槽而與需要控制拉力的工件相連接，所述卷筒還與力矩電機的電機軸同軸安裝，擺桿能夠繞電機軸擺動，擺輪的半徑與卷筒的半徑相同，吊索在卷筒上的出線點和在擺輪的入線點之間的一段平行于擺桿的軸線；擺桿上設(shè)有鉸接點，所述鉸接點與鋼絲繩的一端相連接，所述鋼絲繩的另一端穿過位于擺桿上方的繩輪而與拉簧的一端連接；拉簧的另一端與繩輪上座的下端分別與支座連接；繩輪安裝于繩輪上座的上端，且繩輪能夠繞該繩輪的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。所述的吊索式低重力模擬張力控制緩沖機構(gòu)，其中，繩輪上座的下端插入安裝于支座上的繩輪上座滑套中，繩輪上座僅能沿繩輪上座滑套上下滑動，而不能旋轉(zhuǎn)。所述的吊索式低重力模擬張力控制緩沖機構(gòu)，其中，繩輪上座的下端加工有安裝在圓螺母中的螺紋，圓螺母被拉簧的預緊力壓緊在支座的上支撐面上，旋轉(zhuǎn)圓螺母用于推動繩輪的升降。所述的吊索式低重力模擬張力控制緩沖機構(gòu)，其中，支座設(shè)置有拉桿滑套，拉桿插入拉桿滑套中，拉簧一端連接在所述拉桿上，拉簧的另一端與鋼絲繩的所述另一端相連接；拉桿只能沿拉桿滑套滑動，而不能旋轉(zhuǎn)。所述的吊索式低重力模擬張力控制緩沖機構(gòu)，其中，拉桿遠離拉簧的一端被加工成具有預定長度的絲桿，該絲杠與圓螺母配合，圓螺母被拉簧的預緊力壓緊在支座的支撐面上，并通過鎖緊螺絲鎖緊。所述的吊索式低重力模擬張力控制緩沖機構(gòu)，其中，擺桿的一端通過滾動軸承與擺輪的軸心活動連接，擺桿的另一端通過滾動軸承與卷筒的軸心活動連接。本發(fā)明還提供一種吊索式低重力模擬張力控制的調(diào)整方法，其中，包括以下步驟 I)將擺桿的一端與擺輪的軸心活動連接，擺桿的另一端與卷筒的軸心活動連接，卷筒上纏繞吊索的一端；2)將所述吊索的另一端穿過擺輪的輪槽而與需要控制拉力的工件相連接，所述卷筒還與力矩電機的電機軸同軸安裝，擺桿能夠繞電機軸擺動，擺輪的半徑與卷筒的半徑相同，吊索在卷筒上的出線點和在擺輪的入線點之間的一段平行于擺桿的軸線；3)將擺桿上設(shè)有的鉸接點與鋼絲繩的一端相連接，所述鋼絲繩的另一端穿過位于擺桿上方的繩輪而與拉簧的一端連接；4)將拉簧的另一端與繩輪上座的下端分別與支座連接；5)將繩輪安裝于繩輪上座的上端，且繩輪能夠繞該繩輪的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。所述的吊索式低重力模擬張力控制的調(diào)整方法，其中，在步驟4中，繩輪上座的下端插入安裝于支座上的繩輪上座滑套中，繩輪上座僅能沿繩輪上座滑套上下滑動，而不能旋轉(zhuǎn)。所述的吊索式低重力模擬張力控制的調(diào)整方法，其中，繩輪上座的下端加工有安裝在圓螺母中的螺紋，圓螺母被拉簧的預緊力壓緊在支座的上支撐面上，旋轉(zhuǎn)圓螺母用于推動繩輪的升降。所述的吊索式低重力模擬張力控制的調(diào)整方法，其中，支座設(shè)置有拉桿滑套，拉桿插入拉桿滑套中，拉簧一端連接在所述拉桿上，拉簧的另一端與鋼絲繩的所述另一端相連接；拉桿只能沿拉桿滑套滑動，而不能旋轉(zhuǎn)。 所述的吊索式低重力模擬張力控制的調(diào)整方法，其中，拉桿遠離拉簧的一端被加工成具有預定長度的絲桿，該絲杠與圓螺母配合，圓螺母被拉簧的預緊力壓緊在支座的支撐面上，并通過鎖緊螺絲鎖緊。所述的吊索式低重力模擬張力控制的調(diào)整方法，其中，擺桿的一端通過滾動軸承與擺輪的軸心活動連接，擺桿的另一端通過滾動軸承與卷筒的軸心活動連接。一般情況下，合理選擇鋼絲繩的長度，拉簧在初始安裝時就被預緊到設(shè)定值。擺輪的半徑與卷筒的半徑相同，使無論擺桿在任何位置，吊索在卷筒上的出線點和在擺輪的入線點之間的一段始終平行于擺桿的中線。本發(fā)明還提供了適用于所述張力控制緩沖機構(gòu)的等效剛度參數(shù)調(diào)節(jié)方法I.繩輪上座的調(diào)整由于擺桿。擺動范圍內(nèi)拉力工作點的變化范圍有限，若其不能覆蓋需要的拉力值時，需要調(diào)整繩輪上座。調(diào)整方法如下如需增大拉力，旋轉(zhuǎn)圓螺母，使繩輪上座向上移動；反之則是減小拉力。一般拉簧彈性系數(shù)k較大，此調(diào)整為粗調(diào)。2.拉簧拉桿的調(diào)整拉桿的調(diào)整是對拉力中心工作點的微調(diào)。松開絲桿圓螺母上的固定螺栓，旋轉(zhuǎn)圓螺母，可微調(diào)彈簧的預緊力，從而達到微調(diào)拉力中心工作點的目的。調(diào)整過程會使等效彈性系數(shù)受到小的影響，控制系統(tǒng)一般具有一定的魯棒性，該調(diào)整不會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。


圖I所示為本發(fā)明一種吊索式低重力模擬張力控制緩沖機構(gòu)的示意圖；圖2擺輪受力示意圖；圖3擺桿受力簡化示意圖；
圖4機構(gòu)的靜態(tài)特性示意圖；圖5工作點調(diào)整的機構(gòu)示意圖。附圖標記說明1-吊索；2-擺輪；3-卷筒；4-擺桿；5_拉簧鋼絲繩；6-繩輪；7-繩輪上座；8_繩輪上座螺紋；9_繩輪上座滑套；10_拉簧；11-拉桿滑套；12_絲桿；13_電機軸；14_拉桿圓螺母；15_支座圓螺母；16_力矩電機；17_鎖緊螺絲；18_鉸接點；19_支座；20-被測工件；21_拉桿；22_吊索在擺輪上的入線點；23_吊索在卷筒上的出線點；!\-擺輪軸對擺桿的作用力J-T1的分解(被控拉力)；&-鋼絲繩在繩輪上的出線點；A2-擺輪軸心；A3-T平移到A2點的矢量端點；A4-T’平移到A2點的矢量端點；24_鋼絲繩與拉簧連接點；25-鋼絲繩與擺桿連接點。
具體實施例方式有關(guān)本發(fā)明為達到上述的使用目的與功效及所采用的技術(shù)手段，現(xiàn)舉出較佳可行的實施例，并配合附圖所示，詳述如下首先如圖I所示，其為吊索式低重力模擬張力控制緩沖機構(gòu)的示意圖，其中，擺桿4的一端通過滾動軸承與擺輪2的軸心活動連接，使擺輪2可繞其軸心旋轉(zhuǎn)；擺桿4的另一端通過滾動軸承與卷筒3的軸心活動連接，使卷筒3可繞其軸心旋轉(zhuǎn)。卷筒3上纏繞吊索I的一端，所述吊索I的另一端穿過擺輪2的輪槽從而與需要控制拉力的工件20相連接。吊索I可以與工件20的重心位置鉸接，或與工件20的某些特定位置——如機械臂、輪軸等位置鉸接。所述卷筒3還與力矩電機16的電機軸13同軸安裝，電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)可以驅(qū)動卷筒3同步旋轉(zhuǎn)，并對吊索I進行收放。由于擺桿4與卷筒3之間安裝有滾動軸承，因此擺桿4可繞電機軸13做獨立的擺動。擺輪2的半徑與卷筒3的半徑相同，因此無論擺桿4在任何位置，吊索I在卷筒3上的出線點23和在擺輪2的入線點22之間的一段始終平行于擺桿4的軸線。擺桿4上設(shè)有鉸接點18，所述鉸接點18與鋼絲繩5的一端相連接，所述鋼絲繩5的另一端穿過位于擺桿4上方的繩輪6而與拉簧10的一端連接。拉簧10的另一端與繩輪上座7的下端分別與支座19連接。其中，繩輪6安裝于繩輪上座7的上端，且繩輪6可繞其轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，繩輪上座7的下端插入安裝于支座19上的繩輪上座滑套9。繩輪上座7僅能沿繩輪上座滑套9上下滑動，而不能旋轉(zhuǎn)。繩輪上座7的下端加工有安裝在圓螺母15中的螺紋8，圓螺母15被拉簧10的預緊力壓緊在支座19的上支撐面上，旋轉(zhuǎn)圓螺母15可推動繩輪6的升降。支座19還設(shè)置有拉桿滑套11，拉桿21插入拉桿滑套11中。拉簧10 —端連接在所述拉桿21上，拉簧10的另一端與鋼絲繩5的所述另一端相連接。拉桿21只能沿拉桿滑套11滑動，而不能轉(zhuǎn)動，拉桿21遠離拉簧10的一端被加工成一定長度的絲桿12，與圓螺母14配合。圓螺母14被拉簧10的預緊力壓緊在支座19的支撐面上，并可通過鎖緊螺絲17鎖緊。旋轉(zhuǎn)圓螺母14可調(diào)整拉簧10的伸長量。一般情況下，合理選擇鋼絲繩5的長度，拉簧10在初始安裝時就被預緊到設(shè)定值。靜態(tài)情況下考察擺輪2的受力情況，如圖2所示。假設(shè)吊索I在擺輪2的輪槽中不打滑，忽略擺輪2轉(zhuǎn)軸上的摩擦力矩，則吊索I在擺輪2的出線端和入線端的張力相等，即T = T’。根據(jù)剛體力學平面力系簡化原理，吊索I對擺輪2的作用力系可以向擺輪2的軸心A2簡化，簡化后對軸心A2主矩為零，主矢Ttl的方向沿Z A3A2A4的角平分線。擺桿4的長度為L ;拉簧的彈性系數(shù)為k。擺桿4的受力情況如圖3所示。擺輪2對擺桿4的作用力·為T1，大小與Ttl相等，方向與Ttl 一致，作用在擺桿4靠近擺輪3的一端軸心A2的位置。將T1沿擺桿4軸線方向F1和沿豎直吊索方向F2分解，由三角形的全等性可知，這兩個分力大小均為T。如圖3所示，建立如圖坐標系。其中上標g表示重力坐標系原點在電機軸心，水平向右為Xg軸正方向，豎直向上為yg軸正方向；b表不擺桿體坐標系原點在電機軸心，平行于擺桿4向右為Xb軸正方向，垂直于擺桿4向上為yb軸正方向。Atl點在g系下的坐標成為(xQ, y0)，鉸接點18在b系下的坐標α(為(X1，yi)，A2點在b系下的坐標為(x2, y2)=(-L,O)。當彈簧原長時鉸接點處于Atl，安裝時將其拉伸，與擺桿4在鉸接點18連接在一起，擺桿體坐標旋轉(zhuǎn)Θ之后彈簧拉力為F = _af)(I) O =(xo^yof旋轉(zhuǎn)矩陣Rg Jcose -sin^
b sin ^ cos0 _af = Rfa\ = Rf 尤1
L^i _對于擺桿列動力學方程，有
·· 廠 O]1θ = αΙχ +afxF
—I各個矢量代入后整理得到
-JO = -TL cos O + k{alOa\) sin ^ + k{a\ χα^) cos θ
權(quán)利要求
1.一種吊索式低重力模擬張力控制緩沖機構(gòu)，其特征在于，包括有擺桿，擺桿的一端與擺輪的軸心活動連接，擺桿的另一端與卷筒的軸心活動連接，卷筒上纏繞吊索的一端，所述吊索的另一端穿過擺輪的輪槽而與需要控制拉力的工件相連接，所述卷筒還與力矩電機的電機軸同軸安裝，擺桿能夠繞電機軸擺動，擺輪的半徑與卷筒的半徑相同，吊索在卷筒上的出線點和在擺輪的入線點之間的一段平行于擺桿的軸線； 擺桿上設(shè)有鉸接點，所述鉸接點與鋼絲繩的一端相連接，所述鋼絲繩的另一端穿過位于擺桿上方的繩輪而與拉簧的一端連接；拉簧的另一端與繩輪上座的下端分別與支座連接；繩輪安裝于繩輪上座的上端，且繩輪能夠繞該繩輪的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的吊索式低重力模擬張力控制緩沖機構(gòu)，其特征在于，繩輪上座的下端插入安裝于支座上的繩輪上座滑套中，繩輪上座僅能沿繩輪上座滑套上下滑動，而不能旋轉(zhuǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的吊索式低重力模擬張力控制緩沖機構(gòu)，其特征在于，繩輪上座的下端加工有安裝在圓螺母中的螺紋，圓螺母被拉簧的預緊力壓緊在支座的上支撐面上，旋轉(zhuǎn)圓螺母用于推動繩輪的升降。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的吊索式低重力模擬張力控制緩沖機構(gòu)，其特征在于，支座設(shè)置有拉桿滑套，拉桿插入拉桿滑套中，拉簧一端連接在所述拉桿上，拉簧的另一端與鋼絲繩的所述另一端相連接；拉桿只能沿拉桿滑套滑動，而不能旋轉(zhuǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的吊索式低重力模擬張力控制緩沖機構(gòu)，其特征在于，拉桿遠離拉簧的一端被加工成具有預定長度的絲桿，該絲杠與圓螺母配合，圓螺母被拉簧的預緊力壓緊在支座的支撐面上，并通過鎖緊螺絲鎖緊。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的吊索式低重力模擬張力控制緩沖機構(gòu)，其特征在于，擺桿的一端通過滾動軸承與擺輪的軸心活動連接，擺桿的另一端通過滾動軸承與卷筒的軸心活動連接。
7.一種吊索式低重力模擬張力控制的調(diào)整方法，其特征在于，包括以下步驟 1)將擺桿的一端與擺輪的軸心活動連接，擺桿的另一端與卷筒的軸心活動連接，卷筒上纏繞吊索的一端； 2)將所述吊索的另一端穿過擺輪的輪槽而與需要控制拉力的工件相連接，所述卷筒還與力矩電機的電機軸同軸安裝，擺桿能夠繞電機軸擺動，擺輪的半徑與卷筒的半徑相同，吊索在卷筒上的出線點和在擺輪的入線點之間的一段平行于擺桿的軸線； 3)將擺桿上設(shè)有的鉸接點與鋼絲繩的一端相連接，所述鋼絲繩的另一端穿過位于擺桿上方的繩輪而與拉簧的一端連接； 4)將拉簧的另一端與繩輪上座的下端分別與支座連接； 5)將繩輪安裝于繩輪上座的上端，且繩輪能夠繞該繩輪的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的吊索式低重力模擬張力控制的調(diào)整方法，其特征在于，在步驟4中，繩輪上座的下端插入安裝于支座上的繩輪上座滑套中，繩輪上座僅能沿繩輪上座滑套上下滑動，而不能旋轉(zhuǎn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的吊索式低重力模擬張力控制的調(diào)整方法，其特征在于，繩輪上座的下端加工有安裝在圓螺母中的螺紋，圓螺母被拉簧的預緊力壓緊在支座的上支撐面上，旋轉(zhuǎn)圓螺母用于推動繩輪的升降。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的吊索式低重力模擬張力控制的調(diào)整方法，其特征在于，支座設(shè)置有拉桿滑套，拉桿插入拉桿滑套中，拉簧一端連接在所述拉桿上，拉簧的另一端與鋼絲繩的所述另一端相連接；拉桿只能沿拉桿滑套滑動，而不能旋轉(zhuǎn)。
全文摘要
本發(fā)明一種吊索式低重力模擬張力控制緩沖機構(gòu)及調(diào)整方法，其中，擺桿一端與擺輪軸心連接，擺桿另一端與卷筒軸心連接，卷筒上纏繞吊索一端，吊索另一端穿過擺輪的輪槽與需要控制拉力的工件相連接，卷筒與力矩電機的電機軸同軸安裝，擺桿可繞電機軸擺動，擺輪的半徑與卷筒的半徑相同，吊索在卷筒上的出線點和在擺輪的入線點之間的一段平行于擺桿的軸線；擺桿上的鉸接點與鋼絲繩一端相連接，鋼絲繩另一端穿過位于擺桿上方的繩輪而與拉簧一端連接；拉簧另一端與繩輪上座下端分別與支座連接；繩輪安裝于繩輪上座上端。本發(fā)明是恒拉力控制子系統(tǒng)的重要組成部分，其可以實現(xiàn)在較大的拉力工作點附近，在較大緩沖運動范圍內(nèi)獲得低的等效剛度。
文檔編號B64G7/00GK102862688SQ20111018871
公開日2013年1月9日 申請日期2011年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月5日
發(fā)明者盧鴻謙, 尹航, 成果達, 黃顯林 申請人:哈爾濱工業(yè)大學