所屬技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于航天器導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制系統(tǒng)地面驗(yàn)證技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及干擾可測的恒力懸掛系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

航天工程是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)、高投入、高回報(bào)、高度復(fù)雜并且高精度的系統(tǒng)工程，它的發(fā)展程度決定能否搶占高科技制高點(diǎn)，能否最大程度的利用太空資源。毫無疑問，在我國積極開展航天技術(shù)研究迫在眉睫，然而太空環(huán)境極其惡劣，為了順利完成航天任務(wù)，必須在地面進(jìn)行充分的實(shí)驗(yàn)，因此國內(nèi)外各航天機(jī)構(gòu)都非常重視航天器在地面的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

太空環(huán)境的一個(gè)最重要的特征是微重力，然而，地面實(shí)驗(yàn)室為有重力環(huán)境，為了在地面再現(xiàn)航天器空間微重力環(huán)境中的真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況，提高地面驗(yàn)證導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的置信度，需要在地面為航天器建立一個(gè)與空間真實(shí)狀況相近的微重力環(huán)境。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，其關(guān)鍵是補(bǔ)償航天器在地面實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中所受的重力?，F(xiàn)有的實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的手段有液浮法，失重法、氣浮法、懸掛法。失重法常見的為拋物飛行和自由落體，此方法的缺點(diǎn)是時(shí)間短、占用的空間大、能夠提供的空間有限并且成本高；液浮法阻尼大、維護(hù)成本高且只適合低速運(yùn)動(dòng)的情況，而氣浮法與懸掛法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，易于建立實(shí)驗(yàn)室中的微重力環(huán)境。氣浮法一般只能進(jìn)行五自由度的運(yùn)動(dòng)模擬，懸掛法則可以進(jìn)行六自由度的模擬。專利申請(qǐng)?zhí)枮閏n201220400797的“半主動(dòng)式重力補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的氣浮六自由度模擬衛(wèi)星裝置”公布了一種通過電機(jī)滾珠絲杠和氣缸懸浮一體化的“并聯(lián)”方案來補(bǔ)償航天器所受重力并提供其豎直方向的運(yùn)動(dòng)自由度，解決了氣浮法只能進(jìn)行五自由度運(yùn)動(dòng)模擬的問題，但其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，空氣壓縮處理裝備占地面積大，大理石造價(jià)昂貴；專利申請(qǐng)?zhí)枮閏n201310466806的“一種無約束懸掛式主動(dòng)重力補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法”公布了一種通過吊絲張力懸掛補(bǔ)償航天器的重力提供豎直方向的運(yùn)動(dòng)自由度，但航天器瞬間受力超過航天器重力時(shí)，吊絲上的張力發(fā)生突變，對(duì)補(bǔ)償系統(tǒng)的性能提出了極高的要求；因而需要尋求一種簡單有效的方法為懸掛式補(bǔ)償系統(tǒng)提供恒力。

現(xiàn)有的此類恒力系統(tǒng)中，采用鋼絲繩提供恒力，當(dāng)鋼絲繩上的力變化時(shí)，主動(dòng)補(bǔ)償，但鋼絲繩上的力瞬間發(fā)生變化，當(dāng)航天器受到的外力大于航天器的重力時(shí)，鋼絲繩松弛，補(bǔ)償存在瞬時(shí)失效的風(fēng)險(xiǎn)；通過彈簧組合設(shè)計(jì)的組件滿足航天器在一定的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)，彈簧系提供的力恒定，但此方法對(duì)彈簧系數(shù)的精度要求高，運(yùn)動(dòng)范圍小，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜；通過壓簧設(shè)計(jì)的恒力系統(tǒng)壓簧勁度系數(shù)小在負(fù)載重的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生側(cè)彎，摩擦?xí)龃螅瑝夯蓜哦认禂?shù)大則會(huì)降低系統(tǒng)精度，雙電機(jī)加扭簧的設(shè)計(jì)方法，控制復(fù)雜，豎直方向容易受到擾動(dòng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了不易受外界影響、干擾可測的恒力懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，從而保證航天器地面試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)不受重力的影響，處于微重力環(huán)境中，且可以檢測航天器運(yùn)動(dòng)以及外界干擾對(duì)系統(tǒng)的影響。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

本發(fā)明干擾可測的恒力懸掛系統(tǒng)實(shí)施方案一包括執(zhí)行單元、傳感測量單元、緩沖單元與主控單元。執(zhí)行單元包括線性模組、電機(jī)安裝板、伺服電機(jī)、傳動(dòng)軸、豎向擋板、橫向擋板與止動(dòng)軸，伺服電機(jī)通過電機(jī)安裝板安裝到線性模組上，通過傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)線性模組的齒條運(yùn)動(dòng)；傳感測量單元包括無線傾角傳感器、連接固定板、固定板法蘭、法蘭固定螺栓、十字軸萬向節(jié)與張力傳感器，無線傾角傳感器安裝在連接固定板上，固定板法蘭一端通過法蘭固定螺栓固連到連接固定板上，其另一端與十字軸萬向節(jié)一端連接，十字軸萬向節(jié)另一端與張力傳感器連接，張力傳感器與執(zhí)行單元線性模組的齒條連接；緩沖單元包括外接銷、鋼管、定位螺母、直線軸承、固定套、保險(xiǎn)螺栓、拉簧下端固定、拉簧、拉簧上端固定與固定套連接螺栓，固定套一端通過固定套連接螺栓固定到傳感測量單元的連接固定板上，另一端通過定位螺母固定有直線軸承，拉簧的兩端分別連接到拉簧上端固定與拉簧下端固定上，拉簧上端固定安裝在傳感測量單元的固定板上，拉簧下端固定安裝在鋼管上，為防止拉簧突然斷裂導(dǎo)致器件損壞，拉簧下端固定上安裝有保險(xiǎn)螺栓，鋼管與直線軸承配合，在直線軸承的支撐下在執(zhí)行單元的作用下可往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，鋼管上還配合有外接銷方便和航天器連接；主控單元包括控制卡與驅(qū)動(dòng)器。

干擾可測的恒力懸掛系統(tǒng)實(shí)施方案二包括卷絲執(zhí)行單元、卷絲傳感單元、卷絲防抖單元與主控單元，卷絲執(zhí)行單元包括主固定板、導(dǎo)向輪、鋼絲繩、卷絲電機(jī)安裝板、壓敏傳感器、卷絲緩沖組件與卷絲電機(jī)，卷絲電機(jī)安裝在卷絲電機(jī)安裝板上，其上安裝有卷絲緩沖組件，卷絲緩沖組件包括卷絲輪、平面渦卷彈簧、卷絲傳動(dòng)軸與滾動(dòng)軸承，卷絲輪傳動(dòng)軸與卷絲電機(jī)的電機(jī)軸固連，并與滾動(dòng)軸承內(nèi)側(cè)配合，滾動(dòng)軸承外側(cè)與卷絲輪配合，平面渦卷彈簧兩端分別與卷絲傳動(dòng)軸與卷絲輪固連，卷絲電機(jī)安裝板安裝在主固定板上，其上還固定有壓敏傳感器與導(dǎo)向輪，鋼絲繩固連在在卷絲緩沖組件的卷絲輪上，穿過壓敏傳感器、導(dǎo)向輪與卷絲傳感單元與卷絲防抖單元連接；卷絲傳感單元包括無線傾角傳感器、支撐板、支撐板連接法蘭、支撐板連接螺栓與中空萬向節(jié)，無線傾角傳感器安裝在支撐板上，支撐板連接法蘭一端通過支撐板連接螺栓固定到支撐板上，另一端與中空萬向節(jié)連接，支撐板與支撐板連接法蘭也均留有通孔，保證卷絲執(zhí)行單元的鋼絲繩通過；卷絲防抖單元包括外接銷、鋼管、定位螺母、直線軸承、固定套、保險(xiǎn)螺栓、固定套連接螺栓與鋼絲繩緊固器，直線軸承通過定位螺母安裝到固定套上，其內(nèi)配合有鋼管，鋼管的一端安裝有外接銷，另一端固定有鋼絲繩緊固器，鋼絲繩緊固器用以固連鋼絲繩，固定套通過固定套連接螺栓安裝到卷絲傳感單元的支撐板上；主控單元包括控制卡與驅(qū)動(dòng)器。

干擾可測的恒力懸掛系統(tǒng)工作原理為當(dāng)航天器靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，拉簧的力或平面渦卷彈簧扭矩的等效力始終等于航天器的重力，航天器豎向運(yùn)動(dòng)不受重力影響，當(dāng)航天器受力變速運(yùn)動(dòng)時(shí)，拉簧的力或平面渦卷彈簧的力矩發(fā)生變化，張力傳感器或壓敏傳感器測得這一變化，主控單元通過控制執(zhí)行單元或卷絲執(zhí)行單元進(jìn)行補(bǔ)償，從而保證航天器在豎向的任意運(yùn)動(dòng)均不受重力的影響。

本發(fā)明提出的干擾可測的恒力懸掛系統(tǒng)，操作方便，將航天器與鋼管通過外接銷連接，待達(dá)到穩(wěn)定平衡點(diǎn)，上電就可以工作。

本發(fā)明對(duì)比已有的技術(shù)有如下特點(diǎn)：

1、均加入了彈簧緩沖，當(dāng)航天器豎直方向受到的力超過航天器的重力時(shí)，彈簧仍能提供較高精度的補(bǔ)償；

2、拉簧便于裝配，不需要預(yù)緊力，且不存在壓簧側(cè)彎的問題；

3、平面渦卷彈簧相對(duì)于扭簧可以減小與連接軸的摩擦力；

4、可以有效防止鋼絲繩的柔性帶來的不確定性的影響。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施方案一的正視圖與軸測圖。

圖中標(biāo)號(hào)：1：執(zhí)行單元；2：傳感測量單元；3：緩沖單元。

圖2是本發(fā)明實(shí)施方案一執(zhí)行單元的正視圖的剖視圖與軸測圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施方案一執(zhí)行單元的俯視圖的剖視圖。

圖2與圖3中標(biāo)號(hào)：10：線性模組；11：電機(jī)安裝板；12：伺服電機(jī)；13：傳動(dòng)軸；14：豎向擋板；15：橫向擋板；16：止動(dòng)軸；101：齒條。

圖4是本發(fā)明執(zhí)行單元的豎向擋板。

圖中標(biāo)號(hào)：141：豎向擋板通孔；142：豎向擋板螺紋孔。

圖5是本發(fā)明執(zhí)行單元的止動(dòng)軸。

圖中標(biāo)號(hào)：161：止動(dòng)軸槽口

圖6是本發(fā)明實(shí)施方案一的傳感測量單元。

圖中標(biāo)號(hào)：20：無線傾角傳感器；21：連接固定板；22：固定板法蘭；23：法蘭固定螺栓；24：十字軸萬向節(jié)；25：張力傳感器。

圖7是本發(fā)明實(shí)施方案一緩沖單元的正視圖的剖視圖與軸測圖。

圖8是本發(fā)明實(shí)施方案一緩沖單元的剖視圖。

圖7與圖8中標(biāo)號(hào)：30：外接銷；31：鋼管；32：定位螺母；33：直線軸承；34：固定套；35：保險(xiǎn)螺栓；36：拉簧下端固定；37：拉簧；38：拉簧上端固定；39：固定套連接螺栓。

圖9是本發(fā)明實(shí)施方案二的正視圖。

圖中標(biāo)號(hào)：4：卷絲執(zhí)行單元；5：卷絲傳感單元；6：卷絲防抖單元。

圖10是本發(fā)明實(shí)施方案二的卷絲執(zhí)行單元

圖中標(biāo)號(hào)：40：主固定板；41：導(dǎo)向輪；42：鋼絲繩；43：卷絲電機(jī)安裝板；44：壓敏傳感器；45：卷絲緩沖組件；46：卷絲電機(jī)。

圖11是本發(fā)明實(shí)施方案二的卷絲緩沖組件。

圖中標(biāo)號(hào)：451：卷絲輪；452：平面渦卷彈簧；453：卷絲傳動(dòng)軸；454：滾動(dòng)軸承。

圖12是本發(fā)明實(shí)施方案二的卷絲傳感單元。

圖中標(biāo)號(hào)：50：支撐板；51：支撐板連接法蘭；52：支撐板連接螺栓；53：中空萬向節(jié)。

圖13是本發(fā)明實(shí)施方案二的卷絲防抖單元。

圖中標(biāo)號(hào)：60：鋼絲繩緊固器。

圖14是本發(fā)明實(shí)施方案二的卷絲防抖單元剖視圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

結(jié)合圖1，干擾可測的恒力懸掛系統(tǒng)實(shí)施方案一包括執(zhí)行單元1、傳感測量單元2、緩沖單元3與主控單元。緩沖單元3與執(zhí)行單元1通過傳感測量單元連接2，傳感測量單元2可測量緩沖單元3的受力以及在各種干擾下導(dǎo)致的緩沖單元3與傳感測量單元2的擺動(dòng)，從而將相關(guān)信息傳遞給主控單元，主控單元通過對(duì)執(zhí)行單元1的控制，保證緩沖單元3上的輸出的力恒定。

結(jié)合圖2至圖5，執(zhí)行單元1包括線性模組10、電機(jī)安裝板11、伺服電機(jī)12、傳動(dòng)軸13、豎向擋板14、橫向擋板15與止動(dòng)軸16，齒條101為線性模組的組成部分，傳動(dòng)軸13安裝在伺服電機(jī)12的電機(jī)軸上，伺服電機(jī)12通過電機(jī)安裝板11安裝在線性模組10上，從而帶動(dòng)線性模組10的齒條101直線運(yùn)動(dòng)，豎向擋板14與橫向擋板15固連，且均與線性模組10貼合，豎向擋板14上加工有豎向擋板通孔141與豎向擋板用以和止動(dòng)軸16的止動(dòng)軸槽口161配合，當(dāng)需要將齒條101固定時(shí)，豎向擋板14的豎向擋板通孔121與止動(dòng)軸16的止動(dòng)軸槽口161配合，并用銷軸穿過，此時(shí)止動(dòng)軸16可以相對(duì)豎向擋板14轉(zhuǎn)動(dòng)一定范圍，方便找準(zhǔn)位置將齒條101固定，當(dāng)需要將齒條101固定在特定位置時(shí)，豎向擋板14的豎向擋板螺紋孔142與止動(dòng)軸16的止動(dòng)軸槽口161配合，用螺栓將豎向擋板14與止動(dòng)軸16固連。

結(jié)合圖6，傳感測量單元2包括無線傾角傳感器20、連接固定板21、固定板法蘭22、法蘭固定螺栓23、十字軸萬向節(jié)24與張力傳感器25，無線傾角傳感器20固定在連接固定板21上，固定板法蘭22一端通過法蘭固定螺栓23與連接固定板21固連，其另一端與十字軸萬向節(jié)24一端連接，十字軸萬向節(jié)24另一端與張力傳感器25一端連接，張力傳感器25另一端與執(zhí)行單元1的齒條101固連；張力傳感器25可檢測緩沖單元3上的力，無線傾角傳感器20可測量航天器豎向運(yùn)動(dòng)時(shí)航天器本身以及外部干擾對(duì)本發(fā)明所述系統(tǒng)水平面的影響，用以進(jìn)行后期校正。

結(jié)合圖7與圖8緩沖單元3包括外接銷30、鋼管31、定位螺母32、直線軸承33、固定套34、保險(xiǎn)螺栓35、拉簧下端固定36、拉簧37、拉簧上端固定38與固定套連接螺栓39，外接銷30安裝在鋼管31的一端，鋼管31另一端與拉簧下端固定36連接，鋼管31與通過定位螺母32安裝在固定套34內(nèi)的直線軸承33內(nèi)壁配合，保險(xiǎn)螺栓35安裝在拉簧下端固定36上，拉簧37的兩端分別與拉簧下端固定37與拉簧上端固定38連接，拉簧上端固定38安裝在傳感測量單元2的連接固定板21上，固定套34也通過固定套連接螺栓39安裝在傳感測量單元2的連接固定板21上；保險(xiǎn)螺栓35保證拉簧37疲勞斷裂或其他原因?qū)е碌臄嗔褧r(shí)，鋼管31不與緩沖單元3分離導(dǎo)致危險(xiǎn)；當(dāng)鋼管31上的力發(fā)生變化時(shí)，與之相連的拉簧37上的力也會(huì)隨之變化，最終傳遞到傳感測量單元2的張力傳感器25上。

結(jié)合圖7與圖8緩沖單元3的裝配步驟為

1)將拉簧上端固定38安裝到連接固定板21上；

2)將保險(xiǎn)螺栓35安裝在拉簧下端固定36上；

3)將拉簧37的兩端部分連接到拉簧上端固定38與拉簧下端固定36上；

4)將拉簧下端固定36連接到鋼管31上；

5)將鋼管31穿過固定套34；

6)將直線軸承33內(nèi)壁與鋼管31配合，并將直線軸承33通過定位螺母32安裝到固定套

34上；

7)將固定套34通過固定套連接螺栓39固定到連接固定板21上；

8)最后將外接銷30安裝到鋼管31上。

結(jié)合圖9干擾可測的恒力懸掛系統(tǒng)實(shí)施方案二包括卷絲執(zhí)行單元4、卷絲傳感單元5、卷絲防抖單元6與主控單元，卷絲防抖單元6通過卷絲傳感單元5與卷絲執(zhí)行單元4連接。

結(jié)合圖10與圖11卷絲執(zhí)行單元4包括主固定板40、導(dǎo)向輪41、鋼絲繩42、卷絲電機(jī)安裝板43、壓敏傳感器44、卷絲緩沖組件45與卷絲電機(jī)46，卷絲緩沖組件45包括卷絲輪451、平面渦卷彈簧452、卷絲傳動(dòng)軸453與滾動(dòng)軸承454，滾動(dòng)軸承454的內(nèi)圈與卷絲傳動(dòng)軸453配合，其外圈與卷絲輪451配合，平面渦卷彈簧452兩側(cè)分別用卷絲傳動(dòng)軸453與卷絲輪452配合，卷絲緩沖組件45通過卷絲傳動(dòng)軸453安裝到卷絲電機(jī)46的電機(jī)軸上，卷絲電機(jī)46安裝在卷絲電機(jī)安裝板43上，卷絲電機(jī)安裝板43安裝在主固定板40上，其上還安裝有壓敏傳感器44與導(dǎo)向輪41，鋼絲繩42的一端固定在卷絲緩沖組件45的卷絲輪451上，壓敏傳感器44用以測量鋼絲繩42上的力。

結(jié)合圖12卷絲傳感單元5包括無線傾角傳感器20、支撐板50、支撐板連接法蘭51、支撐板連接螺栓52與中空萬向節(jié)53，無線傾角傳感器20安裝在支撐板50上，支撐板連接法蘭51一端通過支撐板連接螺栓52連接到支撐板50上，其另一端連接到中空萬向節(jié)53上。

結(jié)合圖13與圖14卷絲防抖單元6包括外接銷30、鋼管31、定位螺母32、直線軸承33、固定套34、保險(xiǎn)螺栓35、固定套連接螺栓39與鋼絲繩緊固器60，卷絲執(zhí)行單元4的鋼絲繩42另一端與鋼絲繩緊固器60連接，鋼絲繩緊固器60與鋼管31連接其上還安裝有保險(xiǎn)螺栓36，鋼管31與通過定位螺母32安裝在固定套34上的直線軸承33內(nèi)壁配合，鋼管31上還固定有外接銷30，固定套34通過固定套連接螺栓39安裝到卷絲傳感單元5的支撐板50上。

結(jié)合圖9至圖14，卷絲防抖單元6可防止卷絲執(zhí)行單元4的鋼絲繩41的擺動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響，且把鋼絲繩41與航天器的柔性連接轉(zhuǎn)變?yōu)閯傂赃B接，當(dāng)鋼管31上的力變化時(shí)，與之連接的鋼絲上41的力也隨之變化，壓敏傳感器44會(huì)檢測到這一變化傳遞給主控單元的控制卡，控制卷絲執(zhí)行單元4動(dòng)作補(bǔ)償這一變化，從而保證鋼管31輸出恒力。