一种末端姿态可调的旋转式超重力模拟试验装置及方法

本发明涉及地面变重力模拟与空间机构试验，尤其涉及一种通过旋转产生可调超重力、并能够在旋转过程中对试验物体进行双轴姿态调节的旋转式超重力模拟试验装置及方法。

背景技术：

1、超重力环境可用于研究材料、机构、电子器件以及生物样品在大于地球重力加速度条件下的响应。旋转式超重力装置通常使试样绕固定竖直轴线转动，在试样位置形成与角速度平方及旋转半径成正比的离心加速度，该离心加速度与竖直方向的重力加速度合成后形成大于重力加速度的合加速度，从而获得连续可调的超重力水平，具有重力水平连续可调、结构直观和便于开展地面试验等特点。

2、文献《g-pointing: articulated centrifuge for real-time g flightsimulation》（doi:10.2514/6.2011-6496）公开了一种将行星运动离心机与带万向节的座舱模块集成的持续g装置：利用各轴加速度驱动万向节系统，使座舱绕俯仰与滚转两轴转动，将座舱与离心机产生的离心及切向加速度对准，从而保持座椅处g矢量方向。文献《航空装备高动态大型离心机研制》（测控技术，2015年）公开了一种单臂式大型离心机，其转臂端部设有三轴滚转吊舱和自由摆动吊舱，使离心机具备物体试验与载人试验能力。

3、上述方案的载荷对象主要为驾驶座舱或航空装备/人员，其姿态调节依赖飞行模拟器级的大型伺服万向节驱动机构，结构复杂、成本高，难以在实验室条件下以低成本小型化方式实现；其试样容器或吊舱多为整体式结构，未针对材料、机构、电子器件及生物样品等小型试样提供分层独立装载、独立供能与数据采集的模块化试验舱；同时，旋转臂端部的姿态调节机构和试验舱形成偏心质量，上述方案缺少便于增减、无需在旋转臂上设置专用夹持结构的简易配平手段，旋转臂两端质量力矩不便调整，易引起不平衡振动并降低试验条件的重复性。此外，万向节式或吊舱式姿态调节机构的传动连接关系复杂，在反复换向和离心载荷作用下，驱动端与活动构件之间的连接容易产生间隙或松动，连接可靠性不足。

4、因此，需要一种将稳定旋转驱动、连接关系清晰可靠的双轴姿态调节结构、分层可拆卸试验舱以及便于增减的粘贴式配重相结合的超重力模拟试验装置及方法，以在小型实验室级装置中实现试样在超重力环境下的可控双轴姿态调节，并提高姿态调节连接可靠性、运行稳定性和试验适用性。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明的第一个目的在于提供一种末端姿态可调的旋转式超重力模拟试验装置，以解决现有旋转式超重力装置中试样姿态与旋转臂固定、在不同超重力水平下受载方向难以调节、姿态调节机构驱动端与活动构件连接可靠性不足以及旋转臂两端质量力矩不便调整的问题。本发明通过在旋转臂一端设置两级串联的双轴姿态调节组件，由第一驱动电机经舵盘带动连接支架绕第一姿态轴转动、第二驱动电机带动活动平台绕第二姿态轴转动，且两姿态轴相互垂直或近似垂直，使安装于活动平台的试验舱及试样能够在旋转产生的超重力环境中相对合加速度矢量保持预定夹角或按程序改变姿态；同时试验舱采用多个舱体层沿高度方向可拆卸叠置的分层结构，便于按试验任务组合和更换。由此，本发明能够在小型实验室级装置中以简单可靠的传动结构实现试样的可控双轴姿态调节，并获得连续可调的超重力水平。

2、本发明的第二个目的在于提供一种利用上述装置进行超重力模拟试验的方法，以解决试样在不同超重力倍数下受载方向随合加速度矢量偏转而变化、试验条件重复性差的问题。本发明通过按离心加速度与重力加速度的矢量关系确定目标角速度，并依合加速度偏转角及试样所需的姿态偏置角确定两驱动电机的目标转角，配合粘贴式平衡块的配平步骤，使试样在预定超重力倍数下以预定姿态受载，提高试验条件的可控性与重复性。

3、本发明提供了一种末端姿态可调的旋转式超重力模拟试验装置，包括支撑框架、旋转驱动组件、旋转臂、姿态调节组件和试验舱，所述旋转驱动组件设置于所述支撑框架并驱动所述旋转臂绕竖直旋转轴转动，所述姿态调节组件和所述试验舱设置于所述旋转臂的一端。所述姿态调节组件包括第一驱动电机、支架、舵盘、连接支架、第二驱动电机和活动平台；所述支架固定于所述旋转臂，所述第一驱动电机固定于所述支架；所述第一驱动电机的输出端与所述舵盘固定连接，所述舵盘与所述连接支架可拆卸固定，使所述连接支架随所述舵盘绕第一姿态轴转动；所述第二驱动电机固定于所述连接支架，所述第二驱动电机的输出端与所述活动平台固定，使所述活动平台绕第二姿态轴转动；所述第一驱动电机的输出轴线构成所述第一姿态轴，所述第二驱动电机的输出轴线构成所述第二姿态轴，所述第一姿态轴与所述第二姿态轴相互垂直或近似垂直。所述试验舱包括沿高度方向可拆卸叠置的多个舱体层，所述多个舱体层包括形成试样腔的试样容纳层和覆盖所述试样腔的顶盖；所述试验舱可拆卸地固定于所述活动平台。

4、本发明所称第一驱动电机和第二驱动电机，指能够受控输出转角的驱动电机，例如伺服电机、步进电机、变频电机或直流无刷电机；本发明所称连接支架，指连接于舵盘与第二驱动电机之间、随舵盘绕第一姿态轴转动的中间支架。上述两级串联构型中，第一驱动电机的转矩经舵盘和可拆卸固定点传递至连接支架，可以认为，周向分布的多个固定点共同分担转矩，相比单点轴连接在反复换向和离心载荷作用下不易产生间隙或松动；第二驱动电机随连接支架绕第一姿态轴整体转动，其输出端直接驱动活动平台绕第二姿态轴转动，两轴正交或近似正交，从而以两个单自由度转动合成试验舱及试样相对合加速度矢量所需的空间姿态。

5、作为一项优选的方案，所述旋转臂的旋转臂本体可采用铝合金板、矩形管或钢制板梁制造，在满足强度和刚度要求的同时降低自身质量和转动惯量。

6、作为一项优选的方案，所述支撑框架包括角钢框架、安装平台和调平支脚；所述角钢框架由多根具有长圆安装孔的角钢构件通过螺栓可拆卸连接形成，长圆安装孔为角钢构件的安装位置提供调节余量，便于加工、装配和检修。

7、作为一项优选的方案，所述安装平台固定于所述角钢框架上部，所述旋转驱动组件设置于所述安装平台，安装平台为旋转驱动组件提供承载基准，使旋转轴线与支撑框架的几何中心对应，减小高速旋转过程中由安装偏心产生的附加振动。

8、作为一项优选的方案，所述调平支脚的数量为至少三个，间隔设置于所述角钢框架底部，各所述调平支脚的支撑高度能够独立调节，用于调整所述安装平台的水平状态及所述竖直旋转轴的方向；通过独立调节各支脚高度，可使竖直旋转轴线与重力方向基本一致，避免因轴线倾斜引入附加加速度分量。

9、作为一项优选的方案，所述调平支脚包括螺杆和支承脚垫，通过旋转所述螺杆调节支撑高度，并通过锁紧螺母锁定，调平完成后锁紧螺母防止装置运行过程中因振动而发生高度变化。

10、作为一项优选的方案，装配时可通过水平仪或电子倾角仪检测安装平台的水平状态，依次调节各调平支脚使安装平台在相互垂直的两个水平方向上均保持水平。

11、作为一项优选的方案，所述旋转驱动组件包括主驱动电机、减速器、联轴器、传动轴、转台和连接键，所述主驱动电机、所述减速器、所述联轴器和所述传动轴沿动力传递方向依次设置；所述主驱动电机的输出端与所述减速器的输入端固定；所述减速器的输出端通过所述联轴器与所述传动轴连接，减速器降低输出转速并提高输出转矩，联轴器补偿减速器输出端与传动轴之间的安装偏差并缓和启动、加速和减速过程中的冲击载荷。

12、作为一项优选的方案，所述传动轴通过所述连接键与所述转台周向固定，所述旋转臂固定于所述转台；所述转台与所述旋转臂通过螺栓连接或整体连接，所述转台与所述旋转臂之间设有定位孔、定位台阶或相互配合的定位面，以保证旋转臂相对于竖直旋转轴的位置稳定，连接键传递转矩并防止转台与传动轴发生周向相对滑动。

13、作为一项优选的方案，所述减速器为行星减速器；所述联轴器为弹性联轴器，用于补偿所述减速器的输出端与所述传动轴之间的安装偏差并缓和冲击载荷；所述传动轴为阶梯轴，阶梯轴便于轴承、转台等零件的轴向装配与定位。

14、作为一项优选的方案，所述旋转驱动组件还包括轴承座和至少两个圆锥滚子轴承；所述轴承座固定于所述支撑框架，所述至少两个圆锥滚子轴承沿所述阶梯轴的轴向间隔设置于所述轴承座内；所述阶梯轴穿设于所述至少两个圆锥滚子轴承，所述至少两个圆锥滚子轴承采用面对面布置形式或背对背布置形式，用于承受所述旋转臂转动产生的径向载荷、轴向载荷和倾覆力矩；可以认为，两轴承沿轴向间隔布置形成支承跨距，提高阶梯轴对弯矩和倾覆力矩的承受能力，若不采用间隔双轴承支承，单点支承难以抵抗旋转臂末端偏心质量产生的倾覆力矩，旋转精度和承载能力将下降。

15、作为一项优选的方案，所述阶梯轴通过轴肩、轴向限位件或轴承端盖实现轴向定位；装配时可根据实际载荷适当调整轴承的轴向游隙或预紧程度，使阶梯轴能够平稳转动且不存在明显轴向窜动。

16、作为一项优选的方案，所述舵盘设有多个螺栓孔，多个所述螺栓孔沿所述舵盘的周向间隔分布；多个螺栓分别穿过对应的所述螺栓孔并旋入所述连接支架，使所述舵盘与所述连接支架形成可拆卸固定；所述第一驱动电机转动时，所述舵盘带动所述连接支架绕所述第一姿态轴同步转动；可以认为，周向间隔分布的螺栓孔使传扭载荷由多个连接点分担，连接刚度好、便于拆装维护，螺栓数量及分布形式可根据输出转矩进行调整。

17、作为一项优选的方案，所述支架为u形支架，u形支架跨装于旋转臂端部，为第一驱动电机提供两侧支承，安装稳定且便于舵盘与连接支架的装配对位。

18、作为一项优选的方案，所述第一驱动电机和所述第二驱动电机均为伺服电机，伺服电机输出转角可控、响应快，便于按目标转角精确保持姿态。

19、作为一项优选的方案，所述第一驱动电机和/或所述第二驱动电机设有用于限制转角的软件限位或机械限位，避免活动平台转动过量而与旋转臂、支架或其他部件发生碰撞。

20、作为一项优选的方案，所述第二驱动电机的输出端与所述活动平台之间设有至少两个螺栓连接点，可以认为，多点连接使活动平台在离心载荷下受力均匀，相比单点连接不易产生间隙或松动。

21、作为一项优选的方案，所述活动平台设有试验舱安装孔，所述试验舱通过穿设于所述试验舱安装孔的紧固件固定于所述活动平台；所述舵盘与所述连接支架之间的连接螺栓、以及所述第二驱动电机与所述活动平台之间的连接螺栓均设有防松垫圈、锁紧螺母或螺纹锁固结构，防止反复换向和振动工况下连接螺栓松脱。

22、作为一项优选的方案，所述多个舱体层还包括设有预留容纳空间的功能层，所述功能层包括用于安装数据采集部件的数据采集层和用于安装供电部件的电池层中的至少一种，所述预留容纳空间包括设置于所述数据采集层的第一预留容纳空间和/或设置于所述电池层的第二预留容纳空间；所述数据采集层、所述电池层、所述试样容纳层和所述顶盖沿所述高度方向依次可拆卸连接。本发明所称数据采集层和电池层，以其预定功能及安装位置命名，各层为具有侧壁、底壁和预留容纳空间的舱体层，在未安装相应功能元件时可为空腔壳体，不限定其内部必须设置特定型号的数据采集器、电池或其他电子元器件。分层结构使数据采集、供电与试样装载相互独立，便于按试验任务组合和更换，若采用整体式容器，则更换试样或调整采集、供电配置时需整体拆装，适用性差。

23、作为一项优选的方案，所述试样容纳层内设有试样安装位置，所述试样安装位置包括用于固定试样的可拆卸夹具、柔性垫块或限位结构，以防止试样在离心载荷作用下发生松动。

24、作为一项优选的方案，相邻所述舱体层之间通过螺钉、卡扣、螺纹配合或定位止口连接；定位止口能够限制各层之间的水平相对位移，使试验舱在旋转过程中保持整体稳定。

25、作为一项优选的方案，所述装置还包括可调配重组件，所述可调配重组件设置于所述旋转臂远离所述姿态调节组件的一端；所述可调配重组件包括至少一个粘贴于所述旋转臂的粘贴式平衡块，所述粘贴式平衡块为分段式块体；在设有多个所述粘贴式平衡块时，多个所述粘贴式平衡块沿所述旋转臂的长度方向和宽度方向排列；所述粘贴式平衡块的数量和/或粘贴位置可调，以使配重端形成的质量力矩与所述姿态调节组件和所述试验舱在所述旋转臂一端形成的质量力矩相匹配；各所述粘贴式平衡块的标称质量相同或不同。粘贴式平衡块通过粘贴方式附着于旋转臂表面，无需在旋转臂上设置滑轨、夹持等专用结构，通过增减数量或改变粘贴位置即可调节两端质量力矩，调整方便；多个平衡块沿宽度方向排列时宜尽量对称布置，避免因配重偏向一侧而产生额外倾覆力矩。

26、作为一项优选的方案，所述粘贴式平衡块可采用标称质量相同或不同的分段式铁质平衡块，通过自带胶层或结构胶粘贴于旋转臂本体表面。

27、本发明还提供了一种利用上述末端姿态可调的旋转式超重力模拟试验装置进行超重力模拟试验的方法，包括以下步骤：将试样固定于所述试样容纳层内，安装所述顶盖，将所述试验舱固定于所述活动平台；确定所述姿态调节组件、所述试验舱及所述试样在所述旋转臂一端形成的质量力矩，调整所述粘贴式平衡块的数量和/或粘贴位置，使所述旋转臂两端相对于所述竖直旋转轴的质量力矩达到预定平衡状态；启动所述旋转驱动组件，按设定的加速过程使所述旋转臂加速至目标转速；控制所述第一驱动电机和所述第二驱动电机转动，所述第一驱动电机经所述舵盘带动所述连接支架绕所述第一姿态轴转动，所述第二驱动电机带动所述活动平台绕所述第二姿态轴转动，以调整所述试验舱及所述试样的空间姿态，使所述试样的指定轴线相对于重力加速度与离心加速度形成的合加速度矢量保持预定夹角；保持所述目标转速和所述预定夹角至设定试验时长，控制所述旋转驱动组件降低转速，待所述旋转臂停止后解除所述第一驱动电机和所述第二驱动电机的姿态保持，取出所述试样。上述方法中，先配平后加速可减小不平衡振动，按设定加速过程（转速斜坡）加速可避免瞬间启动产生过大的惯性冲击；试验过程中可根据需要改变转速或调整两驱动电机的目标角度，以形成不同超重力水平或不同姿态方向的试验工况；试验结束时先按设定减速斜坡降速、待旋转臂完全停止后再解除姿态保持并取出试样，保证操作安全。

28、作为一项优选的方案，在调整姿态前，可根据结构间隙设定第一驱动电机和/或第二驱动电机的软件限位或机械限位，并在旋转臂静止状态下分别控制两驱动电机低速转动，检查连接支架、活动平台及试验舱在预定转角范围内是否与旋转臂、支架或其他部件发生干涉，随后将两驱动电机移动至设定的初始位置作为姿态控制的零位。

29、作为一项优选的方案，配重调节时可先在旋转臂静止状态下调整粘贴式平衡块以实现初步静平衡，使旋转臂在不同角度位置均不存在明显的单向偏转趋势，随后以较低转速进行试运转，根据装置振动情况对粘贴式平衡块的粘贴位置进行小范围调整，达到预定平衡状态后；设试样中心至竖直旋转轴的有效半径为 ，旋转角速度为 ，重力加速度为，则试样处径向离心加速度的大小如式：

30、；

31、式中  为径向离心加速度，由于  位于水平方向，而重力加速度  位于竖直方向，因此试样处的合加速度大小为式：

32、；

33、式中  为合加速度大小，对应的超重力倍数为式：

34、；

35、式中  为超重力倍数，合加速度矢量相对于竖直方向的偏转角为：

36、

37、式中  为偏转角（单位为rad）；

38、根据所述偏转角  及所述试样所需的姿态偏置角确定所述第一驱动电机和所述第二驱动电机的目标转角，使所述试样的指定轴线与所述合加速度矢量平行、垂直或呈设定夹角。有效半径  可按照试样重心或需要考察位置至竖直旋转轴线的水平距离确定；当目标超重力倍数  和有效半径  已知时，可先由下式（5）求得所需离心加速度：

39、；

40、再由下式（6）确定旋转角速度：

41、；

42、并可结合减速器的减速比换算主驱动电机的实际输出转速。由于离心加速度位于水平方向而重力加速度位于竖直方向，合加速度矢量随转速变化而相对竖直方向偏转，若试样姿态固定，其受载方向将随超重力水平改变；本方案依据偏转角  主动调整两驱动电机转角，使试样指定轴线相对合加速度矢量保持预定夹角，从而在不同超重力水平下均能控制试样的受载方向。

43、相对于现有技术，本发明所提供技术方案的有益技术效果如下：

44、1）本发明所提供的末端姿态可调的旋转式超重力模拟试验装置，通过旋转臂绕竖直旋转轴转动产生连续可调的离心加速度，并在旋转臂一端以第一驱动电机-舵盘-连接支架、第二驱动电机-活动平台的两级串联构型实现相互垂直或近似垂直的双轴姿态调节，使试验舱及试样在超重力环境中相对合加速度矢量保持预定夹角或按程序改变姿态，解决了固定安装试样受载方向不可调的问题；舵盘与连接支架的可拆卸固定及多点螺栓连接使传动关系清晰、连接可靠且便于拆装维护。

45、2）本发明所提供的装置中，试验舱由多个舱体层沿高度方向可拆卸叠置形成，试样容纳层与顶盖必备、数据采集层和电池层等功能层可选，各层保持独立装载空间，便于按试验任务组合和更换，提高了装置对材料、机构、电子器件及生物样品等不同试样的适用性。

46、3）本发明所提供的超重力模拟试验方法，依据离心加速度与重力加速度的矢量关系确定目标角速度，并依合加速度偏转角及姿态偏置角确定两驱动电机目标转角，配合粘贴式平衡块配平步骤，使试样在预定超重力倍数下以预定姿态受载，提高了试验条件的可控性与重复性。

47、4）本发明所提供的技术方案中，粘贴式平衡块构成的可调配重组件与两级串联姿态调节构型、分层试验舱相配合，使旋转臂端部偏心质量引起的不平衡力矩得以通过增减或移动平衡块简便地补偿，无需在旋转臂上设置专用夹持结构，减小了不平衡振动，提高了运行稳定性和试验条件的重复性。