[发明专利]一种零重力模拟系统及其使用方法

权利要求书

1.一种零重力模拟系统，其特征在于它包括底座(1)、球形气浮轴承(2)、气罐(3)、反射镜(4)、第一吊索绳(5)、激光器和光检测组件(6)、第一组气浮轴承(7)、第二组气浮轴承(8)、平衡电机(9)、起重电机(10)、离合器(11)、制动器(12)、扭矩传感器(13)、配重(14)、气浮导轨(15)、无摩擦气缸(16)、大直径卷筒(17)、小直径卷筒(18)、滑轮(19)、第二吊索绳(20)、待测工件平台(21)；

所述大直径卷筒(1)的一端面与小直径卷筒(18)的一端面同轴连接；大直径卷筒(17)另一端的轴和小直径卷筒(18)另一端的轴通过第二组气浮轴承(8)转动安装在底座(1)上，平衡电机(9)的输出轴与扭矩传感器(13)的一端传动连接，起重电机(10)的输出轴与大扭矩传感器(10-1)的一端传动连接，扭矩传感器(13)的另一端和大扭矩传感器(10-1)的另一端都通过离合器(11)、制动器(12)与小直径卷筒(18)的转轴传动连接，第一吊索绳(5)缠绕在大直径卷筒(17)的绳槽内，第二吊索绳(20)缠绕在小直径卷筒(18)的绳槽内；气浮导轨(15)垂直安装在底座(1)，配重(14)滑动安装在气浮导轨(15)上，配重(14)吊接在第二吊索绳(20)的下端上；第一吊索绳(5)切线出大直径卷筒(17)后通过滑轮(19)变向垂直吊接待测工件平台(21)；无摩擦气缸(16)的基座安装在底座(1)上，滑轮(19)通过第一组气浮轴承(7)转动安装在底座(1)上；无摩擦气缸(16)的活塞杆端头上的滑轮(16-1)转动顶在大直径卷筒(17)与滑轮(19之)间的第一吊索绳(5)上，无摩擦气缸(16)用于模拟低刚度弹簧的作用；反射镜(4)安装在滑轮(19)与待测工件平台(21)之间的第一吊索绳(5)上，激光器和光检测组件(6)安装在底座(1)上，使激光器和光检测组件(6)发射出的激光能通过反射镜(4)反射回到激光器和光检测组件(6)的光检测窗口；气罐(3)安装在待测工件平台(21)的下端，待测工件(22)水平设置在球形气浮轴承(2)的上端面上，球形气浮轴承(2)的下端面设置在待测工件平台(21)上，气罐(3)为球形气浮轴承(2)供气使其悬浮；所述大直径卷筒(17)的直径大于小直径卷筒(18)的直径。

所述平衡电机(9)的型号为C041；起重电机(10)的型号为C090；第一组气浮轴承(7)中和第二组气浮轴承(8)中各轴承的型号为S304002；扭矩传感器(13)的型号为T20WN；大扭矩传感器10-1的型号为LDN-08D-2000Nm；所述无摩擦气缸(16)的型号为SCSA6378S0+KTC-125。

2.根据权利要求1所述的一种零重力模拟系统的使用方法，其特征在于：光学测量系统由激光器(6)、反射镜(4)组成，反射镜(4)安装在吊索(5)下端，反射镜平面与吊索方向垂直反射面竖直朝上，激光器(6)固联在负载平台下端，发出竖直向下的参考光线，经由反射镜(4)返回，当吊索偏离铅垂方向时反射光线与参考光线产生夹角，光学系统经过计算即可测得吊索偏角；负载平台上主要安装有滑轮传动机构与驱动电机及配重，实现待测工件在不同工况下，系统对于对吊索拉力的控制。其中，滑轮传动机构由第一组气浮轴承(7)、第二组气浮轴承(8)支撑，减小摩擦对与控制拉力的影响；两个滑轮之间的吊索直接与无摩擦气缸(16)的气缸活塞连接，气缸活塞为系统提供恒定拉力，并且当工件出现竖直方向频率高幅值小抖动时，汽缸活塞通过活塞运动吸收掉部分高频干扰，减轻电机的工作负担，可实现大扬程、高精度的恒力控制及缓冲；驱动电机部分包括平衡电机(9)与起重电机(10)及配重(14)，配重(14)连接在第二组气浮轴承(8)所支撑的滑轮上，在竖直方向的气浮导轨(15)上运动，用来平衡和抵消待测工件的重力，减小电机的负载范围，配重块的引入同时减小了扭矩传感器(13)量程，提高测量精度，可以为高精度的低重力模拟打下基础；平衡电机(9)的输出轴连接滑轮轴，补偿并控制配重(14)在平衡垂直方向运动时所需的拉力差，用于有配重情况下的微重力模拟，其输出力由扭矩传感器(13)测量，构成力控制回路；起重电机(10)具有较大的量程，主要功能为位置伺服，用于无配重情况下的“有根”系统高动态的微重力仿真，以及实现工件安装起吊、下放过程的位置控制。起重电机(10)输出轴安装有可提供电机转角和转速反馈信号的传感器，实现位置闭环功能；离合器(11)控制起重电机(10)或平衡电机(9)的主轴与滑轮轴的连接或分离，实现两个电机的切换使用，实现不同工况下的微重力模拟，提高该系统的应用范围；制动器(12)安装在滑轮轴上，可在断电挂在的情况下制动滑轮轴的运动，保证待测工件的安全；负载平台下拉的吊索在铅锤面内运动，使得被测工件完成竖直平面内的运动，并通过3自由度气浮轴承，保证待测工件在水平面内不受外界干扰力，实现3自由度旋转运动。