极坐标跟踪式气浮滑轮导向配重悬吊微低重力模拟系统

摘要

极坐标跟踪式气浮滑轮导向配重悬吊微低重力模拟系统，涉及微低重力模拟技术领域。本发明是为了对带有挠性附件的模拟器进行充分的地面模拟试验。本发明摇臂的一端通过转轴与小龙门架上表面转动连接，摇臂导轨固定在大龙门架上表面，摇臂支座嵌在摇臂导轨上、且能够沿摇臂导轨移动，摇臂支座上表面转动连接有转动平台，摇臂的另一端搭载在转动平台上，N个重力悬吊装置均设置在摇臂上、且能够沿摇臂长度方向移动，每个重力悬吊装置的顶端均设有一个被动气浮平台，被动气浮平台与重力悬吊装置顶端之间充有气膜实现气浮连接，每个被动气浮平台下方均通过吊绳连接有一个相似吊架，相似吊架用于悬吊挠性附件。

权利要求

1.极坐标跟踪式气浮滑轮导向配重悬吊微低重力模拟系统，其特征在于，包括：小龙门架(1)、大龙门架(2)、摇臂(3)、N个重力悬吊装置(4)、被动气浮平台(5)、摇臂导轨(10)和摇臂支座(13)，N为正整数，

摇臂(3)的一端通过转轴(9)与小龙门架(1)上表面转动连接，摇臂导轨(10)固定在大龙门架(2)上表面，摇臂支座(13)嵌在摇臂导轨(10)上、且能够沿摇臂导轨(10)移动，摇臂支座(13)上表面转动连接有转动平台(12)，摇臂(3)的另一端搭载在转动平台(12)上，N个重力悬吊装置(4)均设置在摇臂(3)上、且能够沿摇臂(3)长度方向移动，每个重力悬吊装置(4)的顶端均设有一个被动气浮平台(5)，被动气浮平台(5)与重力悬吊装置(4)顶端之间充有气膜实现气浮连接，每个被动气浮平台(5)下方均通过吊绳(7)连接有一个相似吊架(6)，相似吊架(6)用于悬吊挠性附件(8)。

2.根据权利要求1所述的极坐标跟踪式气浮滑轮导向配重悬吊微低重力模拟系统，其特征在于，摇臂导轨(10)包括相互平行的两条直线轨道(10‑1)和齿条(10‑2)，齿条(10‑2)位于两条直线轨道(10‑1)之间、且与一条直线轨道(10‑1)紧密接触。

3.根据权利要求2所述的极坐标跟踪式气浮滑轮导向配重悬吊微低重力模拟系统，其特征在于，摇臂支座(13)下表面固定有摇臂导轨电机(11)和两个导轨滑块(10‑3)，两个导轨滑块(10‑3)分别嵌在两条直线轨道(10‑1)上，摇臂导轨电机(11)的动力输出端套有齿轮(11‑1)，齿轮(11‑1)与齿条(10‑2)相互啮合，当摇臂导轨电机(11)带动齿轮(11‑1)旋转时，齿轮(11‑1)能够在齿条(10‑2)上移动进而带动摇臂支座(13)沿两条直线轨道(10‑1)移动。

4.根据权利要求1、2或3所述的极坐标跟踪式气浮滑轮导向配重悬吊微低重力模拟系统，其特征在于，摇臂(3)沿其长度方向设有两条相互平行的转台导轨(12‑2)，两条转台导轨(12‑2)位于摇臂(3)的下表面末端，转动平台(12)上表面设有两个转台滑块(12‑1)，两个转台滑块(12‑1)分别嵌在两条转台导轨(12‑2)上。

5.根据权利要求1所述的极坐标跟踪式气浮滑轮导向配重悬吊微低重力模拟系统，其特征在于，摇臂(3)上沿其长度方向设有N组悬吊装置驱动件，N组悬吊装置驱动件位于摇臂(3)中段，每组悬吊装置驱动件包括沿摇臂(3)长度方向设置的两条悬吊导轨(3‑1)，两条悬吊导轨(3‑1)的正上方各设有一根与其平行的丝杠(3‑2)，每根丝杠(3‑2)的一端设有一个丝杠电机(3‑3)，丝杠电机(3‑3)用于带动丝杠(3‑2)旋转。

6.根据权利要求5所述的极坐标跟踪式气浮滑轮导向配重悬吊微低重力模拟系统，其特征在于，重力悬吊装置(4)包括：随动框(41)、平动框(42)、配重框(45)、M个气浮滑轮(46)和M个吊带(49)，

随动框(41)顶部设有多个倒置气足(40)，多个倒置气足(40)与被动气浮平台(5)之间形成气膜实现气浮结构，

配重框(45)位于随动框(41)的外部并靠近随动框(41)的下端，平动框(42)位于配重框(45)的外部并靠近配重框(45)的顶端，随动框(41)、平动框(42)和配重框(45)的中轴重合，M个气浮滑轮(46)均固定在平动框(42)的底板上表面、且M个气浮滑轮(46)均匀分布在配重框(45)周围，M个气浮滑轮(46)和M个吊带(49)一一对应，吊带(49)的一端与随动框(41)的底板固定连接，吊带(49)的另一端跨过与其对应的气浮滑轮(46)并伸出至平动框(42)外部与配重框(45)底板固定连接，平动框(42)的顶板下表面设有两列丝杠螺母(43)，每个丝杠螺母(43)的端均设有一个丝杠滑块(44)，两列丝杠螺母(43)分别与两根丝杠(3‑2)螺纹连接，两列丝杠滑块(44)分别嵌在两条悬吊导轨(3‑1)上，当丝杠电机(3‑3)带动丝杠(3‑2)旋转时，平动框(42)能够沿悬吊导轨(3‑1)移动，

配重框(45)内部设有激光传感器(48)，激光传感器(48)位于平动框(42)下方，吊绳(7)位于随动框(41)内部、且吊绳(7)的末端从配重框(45)下端伸出，激光传感器(48)用于采集吊绳(7)相对配重框(45)中轴的位移。

7.根据权利要求6所述的极坐标跟踪式气浮滑轮导向配重悬吊微低重力模拟系统，其特征在于，配重框(45)包括两层相互平行设置的配重框架，两层配重框架通过多根配重导向杆固定连接，随动框(41)包括三层相互平行设置的随动框架，三层随动框架通过多根随动导向杆固定连接。

8.根据权利要求7所述的极坐标跟踪式气浮滑轮导向配重悬吊微低重力模拟系统，其特征在于，平动框(42)为矩形框架结构，平动框(42)的底面设有底板，配重导向杆与平动框(42)的底板之间、以及随动导向杆与平动框(42)的底板之间均设有气浮轴承(47)。

9.根据权利要求1所述的极坐标跟踪式气浮滑轮导向配重悬吊微低重力模拟系统，其特征在于，转轴(9)与小龙门架(1)之间设有对接法兰(14)。

10.根据权利要求5所述的极坐标跟踪式气浮滑轮导向配重悬吊微低重力模拟系统，其特征在于，丝杠电机(3‑3)与丝杠(3‑2)的一端之间还设有减速机。

说明书

极坐标跟踪式气浮滑轮导向配重悬吊微低重力模拟系统

技术领域

[0001] 本发明属于微低重力模拟技术领域。

背景技术

[0002] 随着航天事业的发展，以及我国政治、经济、军事需求的日益增长，大型航天器，如空间实验室、各种大型卫星平台和分布式空间站等应运而生。与之相应的大挠性航天结构，
如未来空间实验室的大型半刚性太阳能电池翼、大型卫星平台上的各种挠性天线、合成孔
径雷达和太阳能帆板等，作为一类特殊的结构在航天领域中正在得到广泛的应用。但由于
其尺寸大、重量轻、挠性大且阻尼弱的问题，使其在太空工作时将不可避免地受到各种外界
和内部因素的干扰，而激起低频、非线性、大幅度的振动。并且，这些振动一旦被激起，将很
难自行衰减，还会与航天器主体的姿态运动高度耦合，从而干扰姿态控制系统的正常工作，
同时也给航天器的定位精度带来了严重的影响，有时甚至可以造成系统发散，进而导致毁
灭性的灾难。因此，需要对带有挠性附件的模拟器进行充分的地面模拟试验。微低重力模拟
技术可以用于模拟空间重力环境，对于航天器的地面试验具有重要的意义。

发明内容

[0003] 本发明是为了对带有挠性附件的模拟器进行充分的地面模拟试验，现提供极坐标跟踪式气浮滑轮导向配重悬吊微低重力模拟系统。

[0004] 极坐标跟踪式气浮滑轮导向配重悬吊微低重力模拟系统，包括：小龙门架1、大龙门架2、摇臂3、N个重力悬吊装置4、被动气浮平台5、摇臂导轨10和摇臂支座13，N为正整数，

[0005] 摇臂3的一端通过转轴9与小龙门架1上表面转动连接，摇臂导轨10固定在大龙门架2上表面，摇臂支座13嵌在摇臂导轨10上、且能够沿摇臂导轨10移动，摇臂支座13上表面
转动连接有转动平台12，摇臂3的另一端搭载在转动平台12上，

[0006] N个重力悬吊装置4均设置在摇臂3上、且能够沿摇臂3长度方向移动，每个重力悬吊装置4的顶端均设有一个被动气浮平台5，被动气浮平台5与重力悬吊装置4顶端之间充有
气膜实现气浮连接，每个被动气浮平台5下方均通过吊绳7连接有一个相似吊架6，相似吊架
6用于悬吊挠性附件8。

[0007] 进一步的，上述摇臂导轨10包括相互平行的两条直线轨道10‑1和齿条10‑2，齿条10‑2位于两条直线轨道10‑1之间、且与一条直线轨道10‑1紧密接触。

[0008] 进一步的，上述摇臂支座13下表面固定有摇臂导轨电机11和两个导轨滑块10‑3，两个导轨滑块10‑3分别嵌在两条直线轨道10‑1上，摇臂导轨电机11的动力输出端套有齿轮
11‑1，齿轮11‑1与齿条10‑2相互啮合，当摇臂导轨电机11带动齿轮11‑1旋转时，齿轮11‑1能
够在齿条10‑2上移动进而带动摇臂支座13沿两条直线轨道10‑1移动。

[0009] 进一步的，上述摇臂3沿其长度方向设有两条相互平行的转台导轨12‑2，两条转台导轨12‑2位于摇臂3的下表面末端，转动平台12上表面设有两个转台滑块12‑1，两个转台滑
块12‑1分别嵌在两条转台导轨12‑2上。

[0010] 进一步的，上述摇臂3上沿其长度方向设有N组悬吊装置驱动件，N组悬吊装置驱动件位于摇臂3中段，每组悬吊装置驱动件包括沿摇臂3长度方向设置的两条悬吊导轨3‑1，两
条悬吊导轨3‑1的正上方各设有一根与其平行的丝杠3‑2，每根丝杠3‑2的一端设有一个丝
杠电机3‑3，丝杠电机3‑3用于带动丝杠3‑2旋转。

[0011] 进一步的，上述重力悬吊装置4包括：随动框41、平动框42、配重框45、M个气浮滑轮46和M个吊带49，随动框41顶部设有多个倒置气足40，多个倒置气足40与被动气浮平台5之
间形成气膜实现气浮结构，配重框45位于随动框41的外部并靠近随动框41的下端，平动框
42位于配重框45的外部并靠近配重框45的顶端，随动框41、平动框42和配重框45的中轴重
合，M个气浮滑轮46均固定在平动框42的底板上表面、且M个气浮滑轮46均匀分布在配重框
45周围，M个气浮滑轮46和M个吊带49一一对应，吊带49的一端与随动框41的底板固定连接，
吊带49的另一端跨过与其对应的气浮滑轮46并伸出至平动框42外部与配重框45底板固定
连接，平动框42的顶板下表面设有两列丝杠螺母43，每个丝杠螺母43的端均设有一个丝杠
滑块44，两列丝杠螺母43分别与两根丝杠3‑2螺纹连接，两列丝杠滑块44分别嵌在两条悬吊
导轨3‑1上，当丝杠电机3‑3带动丝杠3‑2旋转时，平动框42能够沿悬吊导轨3‑1移动，配重框
45内部设有激光传感器48，激光传感器48位于平动框42下方，吊绳7位于随动框41内部、且
吊绳7的末端从配重框45下端伸出，激光传感器48用于采集吊绳7相对配重框45中轴的位
移。

[0012] 进一步的，上述配重框45包括两层相互平行设置的配重框架，两层配重框架通过多根配重导向杆固定连接，随动框41包括三层相互平行设置的随动框架，三层随动框架通
过多根随动导向杆固定连接。

[0013] 进一步的，上述平动框42为矩形框架结构，平动框42的底面设有底板，配重导向杆与平动框42的底板之间、以及随动导向杆与平动框42的底板之间均设有气浮轴承47。

[0014] 进一步的，上述转轴9与小龙门架1之间设有对接法兰14。

[0015] 进一步的，上述丝杠电机3‑3与丝杠3‑2的一端之间还设有减速机。

[0016] 本发明所述的极坐标跟踪式气浮滑轮导向配重悬吊微低重力模拟系统，采用极坐标式水平二维跟踪，相较于笛卡尔坐标系而言更加符合航天器的运动形式，在控制逻辑上
更加简洁清晰。通过摇臂以及悬吊装置主动跟踪的形式实现对挠性附件水平位置的大范围
低频带低精度的跟踪，通过被动气浮平台实现小范围高带宽高精度的跟踪，从而实现对挠
性附件大范围运动以及小范围振动的位置跟踪，提高了跟踪的响应速度以及跟踪精度。同
时，通过高频率高精度线阵激光传感器实现二维跟踪误差测量，以跟踪误差作为控制信号
控制电机驱动摇臂以及悬吊装置进行主动跟踪，提高了大范围跟踪的精度以及响应速度，
减小了气浮平台所需的运动范围，从而减小了气浮平台的尺寸，减小了气浮平台带来的附
加惯量。采用气浮滑轮导向的配重式悬吊装置，滑轮导向以及导向杆的径向轴承均采用以
高刚度气膜作为润滑的气浮轴承，相较于机械轴承摩擦极小，提高了重力卸载的精度，减小
了影响铅垂方向运动的干扰力矩。

附图说明

[0017] 图1为极坐标跟踪式气浮滑轮导向配重悬吊微低重力模拟系统悬吊附件时的结构示意图；

[0018] 图2为小龙门架、大龙门架和摇臂的连接结构示意图；

[0019] 图3为摇臂导轨与摇臂之间的局部连接结构示意图；

[0020] 图4(a)为摇臂的俯视图；

[0021] 图4(b)为摇臂的仰视图；

[0022] 图5为摇臂的含有段的局部示意图；

[0023] 图6为重力悬吊装置的结构示意图；

[0024] 图7为转动平台和摇臂支座连接的结构示意图。

[0025] 小龙门架1、大龙门架2、摇臂3、悬吊导轨3‑1、丝杠3‑2、丝杠电机3‑3、重力悬吊装置4、倒置气足40、随动框41、平动框42、丝杠螺母43、丝杠滑块44、配重框45、气浮滑轮46、气
浮轴承47、激光传感器48、吊带49、被动气浮平台5、相似吊架6、吊绳7、挠性附件8、转轴9、摇
臂导轨10、直线轨道10‑1、齿条10‑2、导轨滑块10‑3、摇臂导轨电机11、齿轮11‑1、转动平台
12、转台滑块12‑1、转台导轨12‑2、摇臂支座13、对接法兰14。

具体实施方式

[0026] 具体实施方式一：参照图1至图7具体说明本实施方式，本实施方式所述的极坐标跟踪式气浮滑轮导向配重悬吊微低重力模拟系统，其特征在于，包括：小龙门架1、大龙门架
2、摇臂3、N个重力悬吊装置4、被动气浮平台5、摇臂导轨10和摇臂支座13，N为正整数，

[0027] 摇臂3的一端通过转轴9与小龙门架1上表面转动连接，摇臂导轨10固定在大龙门架2上表面，摇臂支座13嵌在摇臂导轨10上、且能够沿摇臂导轨10移动，摇臂支座13上表面
转动连接有转动平台12，摇臂3的另一端搭载在转动平台12上，

[0028] N个重力悬吊装置4均设置在摇臂3上、且能够沿摇臂3长度方向移动，每个重力悬吊装置4的顶端均设有一个被动气浮平台5，被动气浮平台5与重力悬吊装置4顶端之间充有
气膜实现气浮连接，每个被动气浮平台5下方均通过吊绳7连接有一个相似吊架6，相似吊架
6用于悬吊挠性附件8。

[0029] 具体的，

[0030] 摇臂导轨10包括相互平行的两条直线轨道10‑1和齿条10‑2，齿条10‑2位于两条直线轨道10‑1之间、且与一条直线轨道10‑1紧密接触。

[0031] 摇臂支座13下表面固定有摇臂导轨电机11和两个导轨滑块10‑3，两个导轨滑块10‑3分别嵌在两条直线轨道10‑1上，摇臂导轨电机11的动力输出端套有齿轮11‑1，齿轮11‑
1与齿条10‑2相互啮合，当摇臂导轨电机11带动齿轮11‑1旋转时，齿轮11‑1能够在齿条10‑2
上移动进而带动摇臂支座13沿两条直线轨道10‑1移动。

[0032] 摇臂3沿其长度方向设有两条相互平行的转台导轨12‑2，两条转台导轨12‑2位于摇臂3的下表面末端，转动平台12上表面设有两个转台滑块12‑1，两个转台滑块12‑1分别嵌
在两条转台导轨12‑2上。

[0033] 摇臂3上沿其长度方向设有N组悬吊装置驱动件，N组悬吊装置驱动件位于摇臂3中段，每组悬吊装置驱动件包括沿摇臂3长度方向设置的两条悬吊导轨3‑1，两条悬吊导轨3‑1
的正上方各设有一根与其平行的丝杠3‑2，每根丝杠3‑2的一端设有一个丝杠电机3‑3，丝杠
电机3‑3用于通过减速机带动丝杠3‑2旋转。

[0034] 重力悬吊装置4包括：随动框41、平动框42、配重框45、M个气浮滑轮46和M个吊带49。随动框41顶部设有多个倒置气足40，多个倒置气足40与被动气浮平台5之间形成气膜实
现气浮结构。

[0035] 配重框45位于随动框41的外部并靠近随动框41的下端，平动框42位于配重框45的外部并靠近配重框45的顶端，随动框41、平动框42和配重框45的中轴重合。

[0036] M个气浮滑轮46均固定在平动框42的底板上表面、且M个气浮滑轮46均匀分布在配重框45周围，M个气浮滑轮46和M个吊带49一一对应，吊带49的一端与随动框41的底板固定
连接，吊带49的另一端跨过与其对应的气浮滑轮46并伸出至平动框42外部与配重框45底板
固定连接。

[0037] 平动框42的顶板下表面设有两列丝杠螺母43，每个丝杠螺母43的端均设有一个丝杠滑块44，两列丝杠螺母43分别与两根丝杠3‑2螺纹连接，两列丝杠滑块44分别嵌在两条悬
吊导轨3‑1上，摇臂3从平动框42贯穿重力悬吊装置4，当丝杠电机3‑3带动丝杠3‑2旋转时，
平动框42能够沿悬吊导轨3‑1移动。

[0038] 配重框45内部设有激光传感器48，激光传感器48位于平动框42下方，吊绳7位于随动框41内部、且吊绳7的末端从配重框45下端伸出，激光传感器48用于采集吊绳7相对配重
框45中轴的位移。

[0039] 配重框45包括两层相互平行设置的配重框架，两层配重框架通过多根配重导向杆固定连接，随动框41包括三层相互平行设置的随动框架，三层随动框架通过多根随动导向
杆固定连接。

[0040] 平动框42为矩形框架结构，平动框42的底面设有底板，配重导向杆与平动框42的底板之间、以及随动导向杆与平动框42的底板之间均设有气浮轴承47。

[0041] 转轴9与小龙门架1之间设有对接法兰14。

[0042] 本实施方式工作原理如下：

[0043] 当被悬吊的挠性附件8进行水平转动或振动时，被动气浮平台5在吊绳7的牵引下进行超低摩擦的平动，激光传感器48测量出吊绳7相对于中心水平二维位置的变化，以此作
为控制信号控制摇臂导轨电机11转动齿轮11‑1，通过齿轮11‑1与齿条10‑2传动来驱动摇臂
支座13实现在大龙门架上的平动。通过转台滑块12‑1与转台导轨12‑2的配合、以及转动平
台12和摇臂支座13的转轴实现与摇臂3之间的相对运动。将摇臂支座13的平动运动转化为
摇臂3绕转轴9的转动运动，从而实现对挠性附件8转动运动的跟踪。同时，控制信号控制丝
杠电机3‑3带动丝杠3‑2转动，通过丝杠3‑2和丝杠螺母43的传动来驱动重力悬吊装置4经由
悬吊导轨3‑1和丝杠滑块44的配合在摇臂上平动，从而实现对挠性附件8沿摇臂3长度方向
运动的跟踪。相似吊架6通过吊绳7连接在被动气浮平台5下方，并与挠性附件8相连接，保证
重力悬吊装置4的输出力始终经过被吊挠性附件8重心。

[0044] 当被悬吊的挠性附件8进行俯仰运动或振动时，由此产生的二维极坐标方向上的位置变化的跟踪方法与被悬吊的挠性附件8进行水平转动运动及振动时的跟踪方法相同，
由此产生的铅垂方向上的位置变化由气浮滑轮导向配重式重力悬吊装置4进行被动跟踪，
以挠性附件仰起动作为例，吊绳7受到的向下的拉力减小，从而被动气浮平台5对随动框41
的压力减小，从而经由气浮滑轮46导向对配重框45的拉力减小，配重框45向下运动，从而经
由气浮滑轮46导向带动随动框41向上运动，从而实现对挠性附件8仰起动作的位置跟踪。相
似吊架6通过吊绳7连接在被动气浮平台5下方，并与挠性附件8相连接，保证重力悬吊装置4
的输出力始终经过被吊挠性附件8重心。

[0045] 本实施方式利用激光线阵传感器进行位置偏移量的测量，通过电机驱动进行齿轮齿条传动实现摇臂在大龙门架上平动，通过电机驱动进行滚珠丝杠传动实现悬吊装置在摇
臂上的平动，从而进行主动位置跟踪，配重式重力悬吊装置使用气浮滑轮和气浮轴承作为
导向，使配重可以在铅垂方向上运动。被动气浮平台安装在悬吊装置上方的倒置气足上，可
以实现二维平动。相似吊架通过吊绳连接在被动气浮平台下方，并与挠性附件相连接，保证
悬吊装置的输出力始终经过被吊物体重心。本发明更加容易实现对转动运动跟踪的控制，
可以实现高精度的二维位置跟踪以及重力卸载。

[0046] 本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做
出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。