本发明公开了一种航天器轻质零部件装配及调试过程中的重力卸载装置，括水平顶板、气足机构、弹簧机构和防护机构，气足机构的上部与水平顶板的下部负压或磁吸附；气足机构包括真空负压吸附单元、微压气膜减阻单元和固定架，其中，真空负压吸附单元和微压气膜减阻单元置于固定架的固定盘中，微压气膜减阻单元置于真空负压吸附单元外侧。本发明通过恒力弹簧系统实现对航天器轻质零部件的重力平衡，能够满足大尺寸、航天器轻质零部件地面装配及展开测试过程中的重力卸载技术需求。
1.一种航天器轻质零部件装配及调试过程中的重力卸载装置，其特征在于，包括水平顶板(1)、气足机构(2)、弹簧机构(3)和防护机构(4)，气足机构(2)的上部与水平顶板(1)的下部负压或磁吸附；气足机构(2)包括真空负压吸附单元(5)、微压气膜减阻单元(6)和固定架(7)，其中，真空负压吸附单元(5)和微压气膜减阻单元(6)置于固定架(7)的固定盘中，微压气膜减阻单元(6)置于真空负压吸附单元(5)外侧；
微压气膜减阻单元(6)为多孔材料，贴附在真空负压吸附单元(5)的真空腔四周，通过远端气源产生正压力气流，从多孔材料的孔隙喷出，在水平顶板(1)和气足机构(2)的接触面之间形成微压气膜，减少水平顶板(1)和气足机构(2)接触面之间摩擦系数；
防护机构(4)连接于固定架(7)的固定盘下部，当气足机构(2)上的气压值低于预先设定的安全阈值时，防护机构(4)在其电磁吸力的作用下与水平顶板(1)吸附；
弹簧机构(3)与固定架(7)的下部固定连接，用于吊挂航天器轻质零部件，确保航天器轻质零部件的重力始终被平衡。
2.根据权利要求1所述的一种航天器轻质零部件装配及调试过程中的重力卸载装置，其特征在于：水平顶板(1)的平面度误差不高于10μm，表面粗糙度不高于0.4。
3.根据权利要求1所述的一种航天器轻质零部件装配及调试过程中的重力卸载装置，其特征在于：水平顶板(1)具有导磁性能，相对导磁率不低于5000亨/米，可通过电磁吸附作用吸附气足机构(2)。
4.根据权利要求1所述的一种航天器轻质零部件装配及调试过程中的重力卸载装置，其特征在于：微压气膜压力为0.3-0.4MPa。
5.根据权利要求1所述的一种航天器轻质零部件装配及调试过程中的重力卸载装置，其特征在于：减少水平顶板(1)和气足机构(2)接触面之间摩擦系数，最后的接触面摩擦系数不大于0.03％。
6.根据权利要求1所述的一种航天器轻质零部件装配及调试过程中的重力卸载装置，其特征在于：弹簧机构(3)包括两组恒力弹簧(8)、弹簧盒(9)和导向轴(10)，两组恒力弹簧(8)通过导向轴(10)对称布置在弹簧盒(9)内，恒力弹簧(8)端部与气足机构(2)的底部连接，弹簧盒(9)通过导向轴(10)吊挂航天器轻质零部件，确保航天器轻质零部件的重力始终被平衡。
7.根据权利要求6所述的一种航天器轻质零部件装配及调试过程中的重力卸载装置，其特征在于：每个恒力弹簧(8)由特种钢条弯曲形成多圈形状，圈与圈之间相对光滑。
8.根据权利要求1所述的一种航天器轻质零部件装配及调试过程中的重力卸载装置，其特征在于：防护机构(4)包括阵列均布的电磁吸盘(11)和气压检测机构(12)，气压检测机构(12)实施监测气足机构(2)的气压，当气足机构(2)上的气压值低于预先设定的安全阈值时，电磁吸盘(11)通电启动，并在其电磁吸力的作用下与水平顶板(1)吸附，通过磁吸附作用实现气足机构(2)与水平顶板(1)吸附。
9.根据权利要求1所述的一种航天器轻质零部件装配及调试过程中的重力卸载装置，其特征在于：真空负压吸附单元(5)为空腔结构，通过远端气源抽气形成负压，使得气足机构(2)压紧吸附于水平顶板(1)上。
10.根据权利要求7所述的一种航天器轻质零部件装配及调试过程中的重力卸载装置，其特征在于：弹簧机构(3)中两组弹簧的端部与气足机构(2)的底部连接，并通过悬挂线与航天器轻质零部件连接，其力作用线通过航天器轻质零部件的重心位置。
一种航天器轻质零部件装配及调试过程中的重力卸载装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种航天器轻质零部件装配及调试过程中的重力卸载装置，具体涉及一种具有两自由度平移特性、能够在航天器轻质零部件装配及调试过程中进行重力自动平衡的装置，属于航天器精密装配及试验工程领域。
背景技术
[0002] 卫星等空间飞行器在太空中工作时，处于一个微重力的环境下。但是，包括在地面进行装配或工程测试时，受重力影响作用，各个零部件会发生结构变形等，对于空间飞行器特别是其中广泛采用的大尺寸轻质材料零部件而言，地面重力效应的影响会尤为突出。因此，大尺寸轻质空间结构件，在地面进行装配或工程测试时，需要使用配套的重力卸载装置以平衡重力，减弱其对航天器结构件的影响并模拟出这些结构在空间的技术状态。
[0003] 国内外现有的重力卸载装置主要有两种实现方式：下部支撑和上部悬挂方式。但是，下部支撑方式在空间产品装配结构复杂特别是尺寸过大的情况下，整体结构稳定性低，在运动或者姿态调整过程中易失稳翻塌；上部悬挂方式，主要是采用滑轮机构实现重力平衡，其原理简单、结构上也易于实现，在空间机械臂、星载天线、太阳帆等产品的装配及实验工程中应用比较广泛。但是，基于滑轮原理的重力卸载机构在使用上存在一些限制，比如不适宜空间零部件进行展开操作等具有较大平面位移的场合。在我国，由于制造与加工、摩擦控制技术水平等原因，滑轮机构还常常存在一些较大的摩擦阻力。因而在一些大尺寸轻质空间结构的精密装配上，用于抵消摩擦抗力所需要的附加力可能会接近甚至大于平衡重力所需要的载荷，不利于在重力卸载过程中对载荷的精准控制；额外的摩擦阻力和阻力矩还可能对大尺寸、轻质量、弱刚性的结构件造成某种机械损坏。
发明内容
[0004] 本发明要解决的技术问题是：为克服现有技术的不足，本发明基于真空负压吸附的原理，提出了具有两自由度平移特性、能够在航天器轻质零部件装配及调试过程中进行重力自动平衡的重力卸载装置。
[0005] 本发明所采用的技术方案是：
[0006] 一种航天器轻质零部件装配及调试过程中的重力卸载装置，包括水平顶板、气足机构、弹簧机构和防护机构，
[0007] 气足机构的上部与水平顶板的下部负压或磁吸附；气足机构包括真空负压吸附单元、微压气膜减阻单元和固定架，其中，真空负压吸附单元和微压气膜减阻单元置于固定架的固定盘中，微压气膜减阻单元置于真空负压吸附单元外侧；
[0008] 微压气膜减阻单元为多孔材料，贴附在真空负压吸附单元的真空腔四周，通过远端气源产生正压力气流，从多孔材料的孔隙喷出，在水平顶板和气足机构的接触面之间形成微压气膜，减少水平顶板和气足机构接触面之间摩擦系数；
[0009] 防护机构连接于固定架的固定盘下部，当气足机构上的气压值低于预先设定的安全阈值时，防护机构在其电磁吸力的作用下与水平顶板吸附；
[0010] 弹簧机构与固定架的下部固定连接，用于吊挂航天器轻质零部件，确保航天器轻质零部件的重力始终被平衡。
[0011] 水平顶板的平面度误差不低于10μm，表面粗糙度不低于0.4。
[0012] 水平顶板具有导磁性能，相对导磁率不低于5000亨/米，可通过电磁吸附作用吸附气足机构。
[0013] 微压气膜压力为0.3-0.4MPa。
[0014] 减少水平顶板和气足机构接触面之间摩擦系数，最后的接触面摩擦系数不大于0.03％。
[0015] 每个恒力弹簧由特种钢条弯曲形成多圈形状，圈与圈之间相对光滑。
[0016] 弹簧机构包括两组恒力弹簧、弹簧盒和导向轴，两组恒力弹簧通过导向轴对称布置在弹簧盒内，恒力弹簧端部与气足机构的底部连接，弹簧盒通过导向轴吊挂航天器轻质零部件，确保航天器轻质零部件的重力始终被平衡。
[0017] 防护机构包括阵列均布的电磁吸盘和气压检测机构，气压检测机构实施监测气足机构的气压，当气足机构上的气压值低于预先设定的安全阈值时，电磁吸盘通电启动，并在其电磁吸力的作用下与水平顶板吸附，通过磁吸附作用实现气足机构与水平顶板吸附。
[0018] 真空负压吸附单元为空腔结构，通过远端气源抽气形成负压，使得气足机构压紧吸附于水平顶板上。
[0019] 弹簧机构中两组弹簧的端部与气足机构的底部连接，并通过悬挂线与航天器轻质零部件连接，其力作用线通过航天器轻质零部件的重心位置。
[0020] 本发明与现有技术相比的有益效果：
[0021] (1)本发明基于真空负压吸附的原理，提出了具有两自由度平移特性、能够在航天器轻质零部件装配及调试过程中进行重力自动平衡，通过恒力弹簧系统实现对航天器轻质零部件的重力平衡，能够满足大尺寸、航天器轻质零部件地面装配及展开测试过程中的重力卸载技术需求；
[0022] (2)本发明在航天器轻质零部件的装配及展开测试过程中，具有摩擦阻力低、移动响应迅速的特点，通过防护机构的安全防护设置，通过电磁吸附的冗余设计，有效防止了大尺寸、航天器轻质零部件因负压吸附问题造成的脱落损坏。
附图说明
[0023] 图1为本发明结构示意图；
[0024] 图2为本发明气足机构装配剖面图。
具体实施方式
[0025] 下面结合附图对本发明进行进一步描述。
[0026] 一种航天器轻质零部件装配及调试过程中的重力卸载装置，如图1所示，包括水平顶板1、气足机构2、弹簧机构3和防护机构4，水平顶板1 在大型安装支架上进行精密水平安装，具有较高的平面度和表面粗糙度，平顶板的平面度误差不低于10μm，表面粗糙度不低于0.4。为气足机构2提供平面移动的基准面，并具备导磁性能，能在紧急情况下通过电磁吸附作用防止悬挂的零部件跌落。
[0027] 如图2所示，气足机构2的上部与水平顶板1的下部负压或磁吸附；气足机构2包括真空负压吸附单元5、微压气膜减阻单元6和固定架7，其中，真空负压吸附单元5和微压气膜减阻单元6置于固定架7的固定盘中，微压气膜减阻单元6置于真空负压吸附单元5外侧，[0028] 真空负压吸附单元5为空腔结构，通过远端气源抽气形成负压，使得气足机构2压紧吸附于水平顶板1上；
[0029] 微压气膜减阻单元6为多孔材料,碳基非金属化合物，贴附在真空负压吸附单元5的真空腔四周，通过远端气源产生正压力气流，从多孔材料的孔隙喷出，在水平顶板1和气足机构2的接触面之间形成微压气膜，减少水平顶板1和气足机构2接触面之间摩擦系数；
[0030] 防护机构4连接于固定架7的固定盘下部，防护机构4主要用于防止气足机构2在意外情况下的脱落导致安全事故或者航天器轻质零部件损伤。防护机构4包括阵列均布的电磁吸盘11和气压检测机构12，气压检测机构12实施监测气足机构2的气压，小型阵列电磁吸盘11平时不通电，当气足机构2上的气压值低于预先设定的安全阈值时，电磁吸盘11通电启动，并在其电磁吸力的作用下与水平顶板1吸附，通过磁吸附作用实现气足机构2与水平顶板1吸附，从而避免气足机构2的空中跌落，实现安全防护功能。
[0031] 弹簧机构3与固定架7的下部固定连接，
[0032] 弹簧机构3包括两组恒力弹簧8、弹簧盒9和导向轴10，两组恒力弹簧8 通过导向轴10对称布置在弹簧盒9内，恒力弹簧8端部与气足机构2的底部连接，弹簧盒9通过导向轴10吊挂航天器轻质零部件，每个恒力弹簧8由特种钢条弯曲形成多圈形状，圈与圈之间相对光滑，在航天器轻质零部件的重力作用下受拉力作用处于张紧状态。由于弹簧片厚度相对弹簧圈的直径非常小，因此在有限的伸长范围内，弹簧上的拉力作用几乎不会变化——从而保证在竖直方向上一定的位移范围内，航天器轻质零部件的重力始终被平衡。
[0033] 使用本发明的重力卸载装置应用于航天器轻质零部件装配及展开测试过程中的使用方法如下：
[0034] (1)在航天器装配测试环境下安装好水平顶板1，并启用配套的气源系统之后，将装有气足机构2和防护机构4的上部吸附系统与水平顶板1连接，此时气足机构2开始工作，实现基于真空负压吸附功能；将弹簧机构3中两组弹簧的端部与气足机构2的底部连接，并通过悬挂线与航天器轻质零部件连接，其力作用线通过航天器轻质零部件的重心位置，弹簧拉伸力能够实现对航天器轻质零部件的重力平衡作用。
[0035] (2)在具体的装配及展开测试过程中，航天器轻质零部件在操作牵引下会产生位移。当存在水平方向上的位移分量时，会在气足上产生一个相同方向上拉力，此时，微压气膜减阻功能会使得气足机构2上表面与水平顶板1 下表面之间的接触摩擦阻力很小，因此，气足装置会在这个拉力分量的作用下沿着相同方向移动，近似移动到航天器轻质零部件的垂直上方为止——此时这个位移分量很小，所产生的拉力分量已经小于气足机构2上表面与水平顶板1下表面之间的接触摩擦阻力。当存在垂直方向上的位移分量时，弹簧机构3中的两个恒力弹簧会发生伸长，但是保持不变的拉伸力，始终具有对航天器轻质零部件的重力平衡功能。
[0036] (3)漏气意外下的系统安装防护流程如下。当出现气足机构2发生意外，导致气压值低于预先设定的安全阈值时，气压检测机构12会检测到并发送信号给电磁吸盘阵列的控制系统。此时，安全装置4上的小型阵列电磁吸盘 11系统会立刻开始工作，通电启动后其电磁吸力能够将阵列电磁吸盘11与水平顶板1吸附住，从而实现紧急状态下的安全防护功能，防止脱落导致安全事故或者航天器轻质零部件损伤。
[0037] 本发明基于真空负压吸附的原理，通过恒力弹簧系统实现对航天器轻质零部件的重力平衡，能够满足大尺寸、航天器轻质零部件地面装配及展开测试过程中的重力卸载技术需求；此外，在航天器轻质零部件的装配及展开测试过程中，具有摩擦阻力低、移动响应迅速的特点，通过防护机构的安全防护设置，通过电磁吸附的冗余设计，有效防止了大尺寸、航天器轻质零部件因负压吸附问题造成的脱落损坏。
[0038] 本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。
