哑铃形变径气浮滑轮纵向重力补偿装置
阅读说明：本技术 哑铃形变径气浮滑轮纵向重力补偿装置 (Dumbbell-shaped reducing air-float pulley longitudinal gravity compensation device ) 是由 于泽 齐乃明 霍明英 林桐 冯文煜 李铮 乔云一 薛驭风 于 2021-08-16 设计创作，主要内容包括：哑铃形变径气浮滑轮纵向重力补偿装置,涉及飞行器地面零重力模拟领域。解决了现有进行竖直方向零重力模拟装置存在承载能力较低、且需用与目标载荷相同重量的配重去做重力补偿,所需要配重质量较大,存在影响动力学与运动学的模拟的问题。本发明包括哑铃形变径气浮滑轮机构、配重框、随动框、支撑基座和气足；配重框和随动框的运动方向相反；哑铃形变径气浮滑轮机构,用于实现通过气浮润滑的方式实现气浮滑轮近似无摩擦的转动,对其通过配重端绳和随动端绳进行正反变径卷扬的方式,实现配重端以比随动端少的质量达到平衡,进而实现随动端的重力补偿。主要用于航天器动力学方面的地面模拟。(Dumbbell shape reducing air supporting pulley vertical gravity compensation device relates to aircraft ground zero gravity simulation field. The problem of current zero gravity analogue means of going on vertical direction have the bearing capacity lower, and need do gravity compensation with the counter weight of the same weight of target load, required counter weight quality is great, has the simulation that influences dynamics and kinematics is solved. The invention comprises a dumbbell-shaped reducing air floatation pulley mechanism, a counterweight frame, a follow-up frame, a support base and an air foot; the movement directions of the counterweight frame and the follow-up frame are opposite; the dumbbell-shaped reducing air floatation pulley mechanism is used for realizing the approximate frictionless rotation of the air floatation pulley in an air floatation lubrication mode, and realizing the balance of the counterweight end with less mass than the follow-up end in a positive and negative reducing hoisting mode through the counterweight end rope and the follow-up end rope, thereby realizing the gravity compensation of the follow-up end. The method is mainly used for ground simulation in the aspect of spacecraft dynamics.)
技术领域
本发明涉及飞行器地面零重力模拟领域。
背景技术
航天器地面试验是提高航天器运行可靠性的重要手段，高保真的地面试验可以尽早暴露出航天器在轨运行的一些问题，如控制、动力学特性等方面的问题，高保真的地面试验要求高精度的姿态、轨道以及力学方面的模拟。对于姿态方面的模拟，一般可采用气浮球轴承，对于水平二维轨道的模拟一般可以采用气浮止推轴承在大理石平台上运动来模拟。
目前航天任务越来越复杂，如空间机械臂、航天器在轨服务等任务对于高精度的竖向零重力模拟的需求越来越大。竖直方向零重力模拟技术也是航天领域的难点技术，目前国内外都有一些尝试，但还没有很成熟的手段。
竖直方向零重力模拟的一个方法是通过气浮滑轮与配重，将目标载荷的重力利用配重抵消，同时利用气浮滑轮的气浮摩擦近似为零，实现高精度的重力补偿。一般采用的气浮滑轮为圆柱气浮定滑轮，这种滑轮承载能力较低，且常规定滑轮方法需采用与目标载荷相同重量的配重去做重力补偿，这就会带来与目标载荷接近的附加质量，所需要配重质量较大，影响动力学与运动学的模拟。
发明内容
本发明目的是为了解决现有进行竖直方向零重力模拟的装置存在承载能力较低、且需用与目标载荷相同重量的配重去做重力补偿，所需要配重质量较大，存在影响动力学与运动学的模拟的问题，本发明提供了一种哑铃形变径气浮滑轮纵向重力补偿装置。
哑铃形变径气浮滑轮纵向重力补偿装置，包括N个哑铃形变径气浮滑轮机构、配重框、随动框、支撑基座和气足；N为大于或等于2的整数；
随动框上固定有载荷；
N个哑铃形变径气浮滑轮机构沿周向均匀布设在支撑基座的顶端面上；
气足固定在支撑基座的底端面上；
配重框和随动框共轴，且配重框套在随动框外侧，二者间存在间隙；
配重框和随动框均可相对于支撑基座的顶端面上、下移动；
每个哑铃形变径气浮滑轮机构的配重端绳的自由端与配重框的下部固定连接，每个哑铃形变径气浮滑轮机构的随动端绳的自由端与随动框的下部固定连接；
哑铃形变径气浮滑轮机构通过气浮润滑的方式实现转动，通过每个哑铃形变径气浮滑轮机构上的配重端绳和随动端绳的变径卷扬，使得与配重端绳连接的配重框和与随动端绳连接的随动框上、下移动，从而实现通过配重框对随动框和载荷进行重力补偿；其中，配重框和随动框的运动方向相反。
优选的是，每个哑铃形变径气浮滑轮机构包括配重端绳、随动端绳、哑铃形变径气浮滑轮和两个气浮球窝；
哑铃形变径气浮滑轮包括两个气浮球和变径连接轴，且变径连接轴在长度方向上划分成两部分，分别为大径轴和小径轴，
变径连接轴的两端各固定一个气浮球；
配重端绳的固定端固定在哑铃形变径气浮滑轮的大径轴上，并缠绕在大径轴上；
随动端绳的固定端固定在哑铃形变径气浮滑轮的小径轴上，并缠绕在小径轴上；
配重端绳的绕线方向与随动端绳的绕线方向相反；
两个气浮球窝均固定在支撑基座的顶端面上，且两个气浮球窝分别与哑铃形变径气浮滑轮的两个气浮球气浮连接。
优选的是，气浮球窝采用多孔制材料制成。
优选的是，配重端绳受到的拉力等于配重框受到的重力，随动端绳受到的拉力等于随动框与载荷受到的重力。
优选的是，哑铃形变径气浮滑轮的大径轴直径为R，其小径轴的直径为r；
当配重框的质量M与随动框和载荷的质量总和m的关系为M＝mr/R时，载荷的重力被完全补偿。
优选的是，配重框包括1号上框体、1号下框体和1号气浮导向装置；
1号气浮导向装置包括1号气浮导杆和1号气浮轴承，1号气浮轴承套设在1号气浮导杆上，且二者气浮连接，1号气浮轴承可相对于1号气浮导杆上、下移动；
1号气浮导向装置贯穿支撑基座的顶端面，1号气浮导杆的两端固定在1号上框体与1号下框体之间，且支撑基座的顶端面位于1号上框体和1号下框体之间；
1号气浮轴承的外壁固定在支撑基座的顶端面上；
每个哑铃形变径气浮滑轮机构的配重端绳的自由端与配重框的1号下框体固定连接。
优选的是，随动框包括2号上框体、2号下框体和2号气浮导向装置；
2号气浮导向装置包括2号气浮导杆和2号气浮轴承，2号气浮轴承套设在2号气浮导杆上，且二者气浮连接，2号气浮轴承可相对于2号气浮导杆上、下移动；
2号气浮导向装置贯穿支撑基座的顶端面，2号气浮导杆的两端固定在2号上框体与2号下框体之间，且支撑基座的顶端面位于2号上框体和2号下框体之间；
2号气浮轴承的外壁固定在支撑基座的顶端面上；
每个哑铃形变径气浮滑轮机构的随动端绳的自由端与随动框的2号下框体固定连接。
优选的是，支撑基座包括顶端面、底端面和支撑杆；
支撑杆固定在顶端面和底端面之间；
支撑基座的顶端面为环形结构；
支撑基座的底端面为横向截面为圆形的平板型结构，且该平板型结构上设有镂空的通孔。
优选的是，1号上框体和1号下框体为圆环形结构，且1号上框体和1号下框体的内径相同。
优选的是，2号上框体为横向截面为圆形的平板型结构，且该平板型结构上设有镂空的通孔；
2号下框体为圆环形结构，且2号上框体的直径和2号下框体的外径相同。
本发明带来的有益效果是，本发明提出了一种哑铃形变径气浮滑轮纵向重力补偿装置，该装置利用两个气浮球相连接组成哑铃形变径气浮滑轮，也即构成哑铃形变径气浮滑轮机构，承载能力更大；该纵向重力补偿装置采用气体润滑的方式并通过随动端绳和配重端绳卷扬的半径不同，实现了利用相对较少质量的配重对目标载荷的竖直方向零重力模拟。
本发明所述的哑铃形变径气浮滑轮纵向重力补偿装置能够实现载荷重力的完全卸载，且哑铃形变径气浮滑轮机构可以使用更小的配重实现目标载荷的重力卸载，为航天器地面试验提供零重力条件，在竖直方向可以实现一定范围的零重力低摩擦运动，位移运动干扰小。
本发明所述的哑铃形变径气浮滑轮纵向重力补偿装置具有结构简单可靠、精度高、附加质量相对较少的特点。该技术适用于航天器地面零重力模拟当中竖直方向的重力模拟，且满足了竖直方向重力模拟精度高、位移运动干扰小的要求。
本发明能够提高卫星地面仿真精度，可应用于空间机构对接、抓捕等动力学方面的地面模拟。本发明用于航天器地面试验领域。
附图说明
图1是本发明所述哑铃形变径气浮滑轮纵向重力补偿装置的结构示意图；
图2是哑铃形变径气浮滑轮机构1的结构示意图；
图3是哑铃形变径气浮滑轮机构1与支撑基座4的顶端面的相对位置关系图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的哑铃形变径气浮滑轮纵向重力补偿装置，包括N个哑铃形变径气浮滑轮机构1、配重框2、随动框3、支撑基座4和气足5；N为整数；
随动框3上固定有载荷6；
N个哑铃形变径气浮滑轮机构1沿周向均匀布设在支撑基座4的顶端面上；
气足5固定在支撑基座4的底端面上；
配重框2和随动框3共轴，且配重框2套在随动框3外侧，二者间存在间隙；
配重框2和随动框3均可相对于支撑基座4的顶端面上、下移动；
每个哑铃形变径气浮滑轮机构1的配重端绳1-1的自由端与配重框2的下部固定连接，每个哑铃形变径气浮滑轮机构1的随动端绳1-2的自由端与随动框3的下部固定连接；
哑铃形变径气浮滑轮机构1通过气浮润滑的方式实现转动，通过每个哑铃形变径气浮滑轮机构1上的配重端绳1-1和随动端绳1-2的变径卷扬，使得与配重端绳1-1连接的配重框2和与随动端绳1-2连接的随动框3上、下移动，从而实现通过配重框2对随动框3和载荷6进行重力补偿；其中，配重框2和随动框3的运动方向相反。
本优选实施方式中，随动框3上面的载荷6受到的外力，使随动框3和配重框2上下运动，哑铃形变径气浮滑轮机构1对其配重端绳1-1和随动端绳1-2进行变径卷扬，配重框2和随动框3运动方向相反，以类似杠杆原理的方式，使用较少质量的配重，即可等效补偿目标载荷的重力，承载能力强；其中，配重端绳1-1受到的拉力等于配重框2受到的重力，随动端绳1-2受到的拉力等于随动框3与载荷6受到的重力。
哑铃形变径气浮滑轮机构1通过气浮驱动的方式对其配重端绳1-1和随动端绳1-2进行变径卷扬，在竖直方向可以实现一定范围的零重力低摩擦运动，位移运动干扰小。
具体应用时，N的最优取值为3。
当更换不同的载荷6时，只需调整配重框2的配重重量，即可重新实现对应的重力补偿，所以整个重力补偿装置具有一定范围的适应能力，其适应能力取决于哑铃形气浮滑轮机构1。
进一步的，参见图2和图3，每个哑铃形变径气浮滑轮机构1包括配重端绳1-1、随动端绳1-2、哑铃形变径气浮滑轮1-3和两个气浮球窝1-4；
哑铃形变径气浮滑轮1-3包括两个气浮球1-3-1和变径连接轴1-3-2，且变径连接轴1-3-2在长度方向上划分成两部分，分别为大径轴和小径轴，
变径连接轴1-3-2的两端各固定一个气浮球1-3-1；
配重端绳1-1的固定端固定在哑铃形变径气浮滑轮1-3的大径轴上，并缠绕在大径轴上；
随动端绳1-2的固定端固定在哑铃形变径气浮滑轮1-3的小径轴上，并缠绕在小径轴上；
配重端绳1-1的绕线方向与随动端绳1-2的绕线方向相反；
两个气浮球窝1-4均固定在支撑基座4的顶端面上，且两个气浮球窝1-4分别与哑铃形变径气浮滑轮1-3的两个气浮球1-3-1气浮连接。
本优选实施方式中，提供了哑铃形变径气浮滑轮机构1和哑铃形变径气浮滑轮1-3的一种具体结构，结构简单，便于实现，哑铃形变径气浮滑轮1-3在气浮球窝1-4上无摩擦转动，其哑铃形变径气浮滑轮1-3上有两种不同直径的一正一反同轴滚轮，以类似杠杆原理的方式，使用较少质量的配重即可等效补偿目标载荷的重力。
两个气浮球窝1-4安装在支撑基座4的顶端面上，哑铃形变径气浮滑轮1-3放置在气浮球窝1-4上，向气浮球窝1-4内通入高压气体，气浮球1-3-1与气浮球窝1-4之间有一层高刚度的气膜，变径连接轴1-3-2连接了两个气浮球1-3-1，限制了哑铃形变径气浮滑轮1-3的旋转自由度，只能沿着两个气浮球1-3-1中心的连线旋转。变径连接轴1-3-2具有调节功能，可以调节两个气浮球1-3-1中心的距离，以保证每个气浮球1-3-1的中心与对应2气浮球窝的球面中心重合。
具体应用时，配重端绳1-1的固定端固定在哑铃形变径气浮滑轮1-3的大径轴上，并随变径连接轴1-3-2卷扬，配重端绳1-1的自由端与配重框2的下部固定连接，随动端绳1-2的固定端固定在哑铃形变径气浮滑轮1-3的小径轴上，并随变径连接轴1-3-2卷扬；哑铃形变径气浮滑轮机构1的随动端绳1-2的自由端与随动框3的下部固定连接；
载荷6安装在随动框3的上部，配重框2和随动框3分别位于哑铃形变径气浮滑轮1-3的两侧，即配重框2在外圈，随动框3在内圈，当配重框2和随动框3及以上部分的质量匹配后，哑铃形变径气浮滑轮1-3处于力矩平衡状态，哑铃形变径气浮滑轮1-3受到的力矩为0，当载荷6受到外力后平衡状态被破坏，随后出现上下运动，也即：当随动端绳1-2被随动框3带动着上升时，变径连接轴1-3-2卷扬旋转，配重端绳1-1与配重框2随之下降。
更进一步的，参见图2，气浮球窝1-4采用多孔制材料制成。
本优选实施方式中，气浮球窝1-4采用多孔制材料制成，简化了对气浮球窝1-4进气孔的加工，使用时向气浮球窝1-4通入高压气体，形成高刚度的气膜，气浮球1-3-1在所对应的气浮球窝1-4内可以进行近似无摩擦的转动。
更进一步的，参见图1，配重端绳1-1受到的拉力等于配重框2受到的重力，随动端绳1-2受到的拉力等于随动框3与载荷6受到的重力。
更进一步的，参见图2，哑铃形变径气浮滑轮1-3的大径轴直径为R，其小径轴的直径为r；
当配重框2的质量M与随动框3和载荷6的质量总和m的关系为M＝mr/R时，载荷6的重力被完全补偿，即实现配重框2与随动框3和载荷6的质量匹配。
本优选实施方式中，由于r<R，所以配重框2的质量M小于随动框3和载荷6的质量总和m，故实现使用较少质量的配重，即可等效补偿目标载荷的重力。
更进一步的，具体参见图1，配重框2包括1号上框体2-1、1号下框体2-2和1号气浮导向装置2-3；
1号气浮导向装置2-3包括1号气浮导杆和1号气浮轴承，1号气浮轴承套设在1号气浮导杆上，且二者气浮连接，1号气浮轴承可相对于1号气浮导杆上、下移动；
1号气浮导向装置2-3贯穿支撑基座4的顶端面，1号气浮导杆的两端固定在1号上框体2-1与1号下框体2-2之间，且支撑基座4的顶端面位于1号上框体2-1和1号下框体2-2之间；
1号气浮轴承的外壁固定在支撑基座4的顶端面上；
每个哑铃形变径气浮滑轮机构1的配重端绳1-1的自由端与配重框2的1号下框体2-2固定连接。
本优选实施方式中，提供了配重框2的一种具体结构，1号气浮导杆和1号气浮轴承构成1号气浮导向装置2-3，其能够提供了一定的径向支撑，为配重框2和随动框3提供导向，由于1号气浮轴承通有高压气体，与1号气浮导杆之间有一层高刚度的气膜，形成气体润滑，所以1号气浮导向装置2-3可以实现近似于无摩擦的导向，减少对重力补偿装置的干扰，也即，配重框2的运动减少了对重力补偿装置的干扰。
更进一步的，具体参见图1，随动框3包括2号上框体3-1、2号下框体3-2和2号气浮导向装置3-3；
2号气浮导向装置3-3包括2号气浮导杆和2号气浮轴承，2号气浮轴承套设在2号气浮导杆上，且二者气浮连接，2号气浮轴承可相对于2号气浮导杆上、下移动；
2号气浮导向装置3-3贯穿支撑基座4的顶端面，2号气浮导杆的两端固定在2号上框体3-1与2号下框体3-2之间，且支撑基座4的顶端面位于2号上框体3-1和2号下框体3-2之间；
2号气浮轴承的外壁固定在支撑基座4的顶端面上；
每个哑铃形变径气浮滑轮机构1的随动端绳1-2的自由端与随动框3的2号下框体3-2固定连接。
本优选实施方式中，提供了随动框3的具体结构，2号气浮导杆和2号气浮轴承构成2号气浮导向装置3-3，其能够提供了一定的径向支撑，为配重框2和随动框3提供导向，由于2号气浮轴承通有高压气体，与2号气浮导杆之间有一层高刚度的气膜，形成气体润滑，所以2号气浮导向装置3-3可以实现近似于无摩擦的导向，减少对重力补偿装置的干扰，也即，随动框3的运动减少了对重力补偿装置的干扰。
更进一步的，具体参见图1，支撑基座4包括顶端面、底端面和支撑杆；
支撑杆固定在顶端面和底端面之间；
支撑基座4的顶端面为环形结构；
支撑基座4的底端面为横向截面为圆形的平板型结构，且该平板型结构上设有镂空的通孔。
本优选实施方式中，提供了对支撑基座4的具体结构，其顶端面和底端面的具体结构，简化了对哑铃形变径气浮滑轮纵向重力补偿装置整体的重量，使得哑铃形变径气浮滑轮纵向重力补偿装置整体结构简单，结构紧凑。
更进一步的，具体参见图1，1号上框体2-1和1号下框体2-2为圆环形结构，且1号上框体2-1和1号下框体2-2的内径相同。
更进一步的，具体参见图1，2号上框体3-1为横向截面为圆形的平板型结构，且该平板型结构上设有镂空的通孔；
2号下框体3-2为圆环形结构，且2号上框体3-1的直径和2号下框体3-2的外径相同。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
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