微重力展开装置
阅读说明：本技术 微重力展开装置 (Microgravity unfolding device ) 是由 韩维光 张富晶 杨文涛 皮刚 郑文智 刘丙霖 于 2021-09-02 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种涉及复杂空间机构主动微重力展开技术领域的微重力展开装置,包括龙门架、伺服提升机组件以及吊挂结构；伺服提升机组件安装于龙门架顶部,伺服提升机组件平衡被测物重量的同时跟随运动；吊挂结构包括钢丝绳、动滑轮、质心引出吊挂结构以及整翼起吊框架,钢丝绳随着伺服提升机进行提升,钢丝绳缠绕于动滑轮上,通过动滑轮的滚动使两台伺服提升机受力相同,动滑轮的支撑架底部连接质心引出吊挂结构,质心引出吊挂结构通过二维调节转轴连接于整翼起吊框架,整翼起吊框架连接被测物。本发明可以有效地解决某型空间站大载荷机构地面模拟展开难题,具有大载荷重力平衡、跟随运动等功能。(The invention provides a microgravity unfolding device relating to the technical field of active microgravity unfolding of complex space mechanisms, which comprises a portal frame, a servo elevator assembly and a hanging structure, wherein the portal frame is provided with a plurality of supporting columns; the servo elevator assembly is arranged at the top of the gantry frame and moves along with the balance of the weight of the measured object; the suspended structure comprises a steel wire rope, a movable pulley and a mass center leading-out suspended structure and a whole-wing hoisting frame, wherein the steel wire rope is hoisted along with the servo hoisting machine, the steel wire rope is wound on the movable pulley, the two servo hoisting machines are stressed identically through the rolling of the movable pulley, the bottom of a support frame of the movable pulley is connected with the mass center leading-out suspended structure, the mass center leading-out suspended structure is connected with the whole-wing hoisting frame through a two-dimensional adjusting rotating shaft, and the whole-wing hoisting frame is connected with a measured object. The invention can effectively solve the problem of ground simulation expansion of a large-load mechanism of a certain space station and has the functions of large-load gravity balance, following motion and the like.)
技术领域
本发明涉及复杂空间机构主动微重力展开技术领域，具体地，涉及微重力展开装置。尤其是一种大载荷、小角度的力平衡随动展开试验装置。
背景技术
随着我国航天事业的深入稳步发展，空间机构朝着尺寸更大、重量更重和多维可展的方向演变，如太阳翼、天线、机械臂等。空间机构的工作环境为深空失重环境，地面总装期间需要模拟失重情况测试机构的各项运动性能，须通过特定装置模拟空间机构零重力或微重力环境，检测空间机构是否满足设计指标并保障空间机构结构的安全，对空间机构进行全面地、有效地试验评估和验证。
空间机构重量的逐步增大，对重力平衡系统提出了具备大载荷重量平衡的能力要求，与此同时，为了精准模拟空间失重展开状态，减少外界测试设备对产品的额外影响，要求地面重力平衡系统具备卸载精度不小于95％的平衡能力，以及展开跟随快速响应能力，这对重力平衡系统的精度和灵敏度提出了更高的要求。
目前，针对一般飞行器装配测试的重力平衡方法主要采用重力平衡法，即通过等重量方式平衡飞行器的重量，从而达到“微重力”状态，而传统的空间机构“微重力”地面展开一般为一维展开或二维展开，并且运动形式为被动随动展开，而随着空间站柔性太阳电池翼等复杂大型展开机构的出现，在展开方式上由无源铰链式一次性展开变为有源桁架式可多次重复展开，呈现多维地面展开的需求。
传统被动式悬挂法采用配重和定滑轮组合方式抵消物体重力，结构形式简单，易于操作，但悬挂随动装置给机构产品带来了附加质量和惯性力，同时绳索与滑轮之间的摩擦阻力也给试验精度带来一定的影响。而且悬挂方式也存在着桁架结构复杂、随动机构滞后运动和抖动等方面的不足，只适用于质量较小、运动方向与重力方向正交的展开测试，无法满足一端固定并绕铰支点转动的复杂轨迹变重力的展开测试需求。
经现有技术专利文献检索发现，中国实用新型专利公开号为CN207536140U，公开了一种杆秤式太阳翼360°零重力展开系统，属于太阳翼展开技术领域，能为航天器太阳翼在地面进行展开试验时进行重力补偿，实现360°零重力展开。包括展开架、旋转平衡架和杆秤组件，旋转平衡架安装在展开架顶部，旋转平衡架包括旋转机构和平衡梁，旋转机构固定在展开架上，平衡梁固定在旋转机构的下端，平衡梁的负载端与太阳翼的活动箱板连接，杆秤组件设置在旋转机构的下方，杆秤组件固定在展开架上，杆秤组件的负载端分别与一太阳翼的展开肋连接。而本发明通过龙门架、伺服提升机组件以及吊挂结构，解决了上述传统被动式悬挂法产生的问题。因此，该文献与本发明所介绍的方法是属于不同的发明构思。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种微重力展开装置。
根据本发明提供的一种微重力展开装置，包括龙门架、伺服提升机组件以及吊挂结构；
伺服提升机组件安装于龙门架顶部，吊挂结构和被测物整体通过伺服提升机组件进行重力卸载，伺服提升机组件带动吊挂结构和被测物整体进行移动，被测物绕根部抬升机构铰链进行重力方向抬升展开；
吊挂结构包括钢丝绳、动滑轮、质心引出吊挂结构以及整翼起吊框架，伺服提升机组件通过钢丝绳提升动滑轮，动滑轮的支撑架底部连接质心引出吊挂结构，质心引出吊挂结构底部连接整翼起吊框架，整翼起吊框架通过花篮螺杆连接被测物，质心引出吊挂结构调整整翼起吊框架和被测物的总质心位置。
一些实施例中，质心引出结构包括横梁、摆杆以及二维调节转轴，横梁位于整翼起吊框架上方，横梁两端连接摆杆，摆杆通过二维调节转轴连接整翼起吊框架，通过二维调节转轴进行调节整翼起吊框架和被测物的总质心位置。
一些实施例中，质心引出结构还包括十字滑块，被测物和整翼起吊框架整体的总质心位置点通过二维调节转轴引出，二维调节转轴通过调整十字滑块位置保证横梁和摆杆的力作用点始终在总质心处。
一些实施例中，整翼起吊框架和被测物整体在伺服提升机组件力平衡作用下，被测物的展开角度范围为0°-10°。
一些实施例中，伺服提升机组件包括抱抓、双向滑动导轨、伺服提升机以及链条；
双向活动导轨通过抱抓固定在龙门架上，伺服提升机通过滑轨小车在双向滑动导轨中滑动，伺服提升机底部连接链条，两根链条分别连接钢丝绳的两端。
一些实施例中，伺服提升机在提升模式和浮动模式之间活动；
当伺服提升机处于提升模式时，驱使钢丝绳进行提升；
当伺服提升机处于浮动模式时，驱使被测物处于重力平衡的浮动状态。
一些实施例中，龙门架包括顶框、上侧边框、下侧边框、左边框以及右边框，顶框、上侧边框、下侧边框、左边框以及右边框之间通过对穿螺钉方式连接。
一些实施例中，龙门架还包括升降机和脚轮，脚轮固定在龙门架底端、驱使龙门架进行移动，升降机固定在龙门架底部，通过升降机进行调平。
一些实施例中，龙门架的长×宽×高为10m×8m×12m。
一些实施例中，整翼起吊框架呈现桁架结构，整翼起吊框架由铝方管焊接而成。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明具备900kg量级的重力平衡能力，同时可以稳定跟随驱动源运动，用于在地面模拟太空失重状态的展开性能测试；
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的局部放大图；
图3为本发明的展开原理图；
图4为本发明伺服提升组件的结构示意图；
图5为本发明的质心引出结构示意图；
图6为本发明的质心引出结构的局部示意图。
图中标号：
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
微重力又称为零重力，不是由地球的引力产生的，而是由于太空残余大气等因素造成的。严格说来，应是“零重量”而不是零重力。微重力环境是指在重力的作用下，系统的表观重量远小于其实际重量的环境。
实施例1
一种微重力展开装置，包括龙门架1、伺服提升机组件2以及吊挂结构3；
伺服提升机组件2安装于龙门架1顶部，吊挂结构3和被测物4整体通过伺服提升机组件2进行重力卸载，伺服提升机组件2带动吊挂结构3和被测物4整体进行移动，被测物4绕根部抬升机构铰链进行重力方向抬升展开，优选的，整翼起吊框架8和被测物4整体在伺服提升机组件2力平衡作用下，被测物4的展开角度范围为0°-10°。
吊挂结构3包括钢丝绳5、动滑轮6、质心引出吊挂结构7以及整翼起吊框架8，伺服提升机组件2通过钢丝绳5提升动滑轮6，优选的，钢丝绳5起到缓冲作用。钢丝绳随着伺服提升机进行提升，钢丝绳缠绕于动滑轮上，通过动滑轮的滚动使两台伺服提升机受力相同，，便于协同控制。动滑轮6的支撑架底部连接质心引出吊挂结构7，质心引出吊挂结构7底部连接整翼起吊框架8，整翼起吊框架8通过花篮螺杆连接被测物4，优选的，花篮螺杆的数量为10个。质心引出吊挂结构7调整整翼起吊框架8和被测物4的总质心位置。优选的，整翼起吊框架8呈现桁架结构，整翼起吊框架8由铝方管焊接而成，自身刚度高，同时能够提高弱刚性结构的运动刚度，减少运动过程结构变形。
其中，龙门架1包括顶框、上侧边框、下侧边框、左边框以及右边框，顶框、上侧边框、下侧边框、左边框以及右边框之间通过对穿螺钉方式连接。龙门架1还包括升降机和脚轮，脚轮固定在龙门架1底端、驱使龙门架1进行移动，升降机固定在龙门架1底部，通过升降机进行调平。能够满足地面展开试验大范围移动和调平，模块化设计便于不同场地运输和快速搭建龙门架1的整体长×宽×高为10m×8m×12m，具备2t的承载能力，安全系数3倍。
实施例2
本实施例2是在实施例的基础上完成的，详细分析了伺服提升机组件2和质心引出结构7的具体结构特征。具体的：
质心引出结构7包括横梁71、摆杆72、二维调节转轴73以及十字滑块74，横梁71位于整翼起吊框架8上方，横梁71两端连接摆杆72，摆杆72通过二维调节转轴73连接整翼起吊框架8，通过二维调节转轴73进行调节整翼起吊框架8和被测物4的总质心位置。被测物4和整翼起吊框架8整体的总质心位置点通过二维调节转轴73引出，二维调节转轴73通过调整十字滑块74位置保证横梁71和摆杆72的力作用点始终在总质心处，能够减小运动过程中额外的附加力和附加力矩。
伺服提升机组件2包括抱抓21、双向滑动导轨22、伺服提升机23以及链条24；双向活动导轨22通过抱抓21固定在龙门架1上，伺服提升机23通过滑轨小车在双向滑动导轨22中滑动，可实现X方向和Y方向的移动，伺服提升机23底部连接链条24，两根链条24分别连接钢丝绳5的两端。
其中，伺服提升机23在提升模式和浮动模式之间活动；当伺服提升机23处于提升模式时，驱使钢丝绳5进行提升；当伺服提升机23处于浮动模式时，驱使被测物4处于重力平衡的浮动状态。
更为具体的，所述的伺服提升机23满足900kg力平衡随动的功能和性能需求，可以输入所需平衡总量，由提升模式切换到浮动模式，使被平衡物体处于重力平衡的浮动状态，进而跟随驱动源进行竖直方向的运动，运行过程平稳、响应及时，传感器精度极高，卸载精度优于99％，可以模拟太空失重状态，实现沿着重力方向的小角度展开试验。
实施例3
本实施例3是在实施例2的基础上完成的，具体交代了装置的安装步骤。具体的：
步骤1，龙门架搭建
龙门架1采用模块化拼接，最大拆分宽度不大于3m，便于平板车整翼运输。龙门架1分为顶框、上侧边框和下侧边框等5大模块，每个模块之间通过对穿螺钉方式连接，便于装配，龙门架装配完整后，通过底部6处大载荷升降机进行调平，为后续设备安装搭建基础。
步骤2，伺服提升机安装及调试
伺服提升机组件2设有双向滑动导轨22，双向滑动导轨22通过抱抓21固定在龙门架1上，伺服提升机23通过滑轨小车在导轨中滑动，可实现X方向和Y方向的移动。
伺服提升机23上电后，可通过遥控器实现提升模式和浮动模式的切换，当伺服提升机23处于提升模式时，可通过遥控器上、下按钮实现提升机的上下运动；当伺服提升机23处于浮动模式时，可通过外界施加力到被平衡物体上实现上、下运动。
步骤3，吊挂结构安装及调试
首先，整翼起吊框架8与被测物4连接，提高整体运动过程的刚度；其次，质心引出吊挂结构7与整翼起吊框架8连接，最后，根据质量特性测试的质心位置，调整二维调节机构73使质心引出吊挂结构7上的起吊点处于质心位置。
步骤4，测试产品精测就位
被测物4粗就位后，将伺服提升机23吊钩与被测物4连接，施加一定拉力后，伺服提升机23根据反作用力在双向滑动导轨22上自动找到力平衡位置，通过导轨锁定限位块固定平衡点位置。伺服提升机23在双向滑动导轨22上的自定位的方法可解决大型物体移动难、就位精度差的问题。
步骤5，伺服提升机23参数设置及使用
伺服提升机23具备固定重量控制模式，无需将物体提升离地，即浮动的重量提前设置好，切换浮动模式按钮即可达到固定重量的浮动，进而使被测物4处于力平衡随动状态，可解决一些负载无法被提升离开支撑面的力平衡试验。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
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