一种用于零重力环境模拟的近零刚度支承装置的制作方法

1.本发明属于航天工程零重力模拟试验装置领域，更具体地，涉及一种用于零重力环境模拟的近零刚度支承装置。


背景技术：

2.航天器设计研发成本和在轨执行任务的风险较高，为了确保航天器的运行可靠性和安全性，发射升空前必须在地面进行航天器件的性能验证，因此需要模拟高保真的零重力环境。
3.研究发现，常用的零重力环境模拟方法按原理分为：运动法模拟微重力和力平衡法模拟微重力，运动法模拟微重力包括落塔法、抛物飞行法和探空火箭法等方式，力平衡法模拟微重力包括气浮法、水浮法、悬吊法、静平衡机构法、电磁平衡法等。
4.其中，静平衡机构法的装置结构精巧，易于实现，可实现多自由度微重力模拟，附加惯性效应小，缺点是微重力模拟精度易受弹簧刚度等因素影响。
5.此外，现有静平衡机构法零重力环境模拟装置主要是采用恒力气缸进行重力的卸载，达到零重力环境模拟，但是，由于气体强可压缩性带来的非线性控制和时滞问题，严重影响零重力环境模拟的精度和响应速度，无法满足航天器的零重力环境模拟需求，在重载、大行程的应用场景中问题更为突出。
6.因此，需要开发一种新型的、高模拟精度和高相应速度的零重力环境模拟装置。


技术实现要素：

7.针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种用于零重力环境模拟的近零刚度支承装置，旨在解决零重力环境模拟装置的模拟精度低和反应速度慢的问题。
8.为解决上述问题，本发明提供一种用于零重力环境模拟的近零刚度支承装置，其包括近零刚度支承组件和运动跟随组件，近零刚度支承组件和运动跟随组件相互独立，并且近零刚度支承组件和运动跟随组件上下连接形成串联结构，近零刚度支承组件包括顶板、底板、设置在顶板和底板之间的被动支承单元和直线作动器，顶板和底板相互平行，顶板用于承载待模拟的负载设备，被动支承单元的承载能力大于待模拟的负载设备所受的重力，运动跟随组件与底板相连，用于给底板提供作用力，以使底板跟随顶板伴产生预定的速度和运动，被动支承单元、直线作动器以及运动跟随组件共同协作，以在地球环境下给待模拟的负载设备提供零重力受力环境。
9.进一步的，近零刚度支承组件还包括正刚度元件、负刚度元件和导向机构，运动跟随组件包括位移传感器、直线运动机构、驱动控制模块和底座，其中，正刚度元件和负刚度元件设置在顶板和底板之间，正刚度元件和负刚度元件相互并联，共同组成被动支承单元，用于被动支承负载设备的重力，导向机构也设置在顶板和底板之间，并同时连接顶板和底板，所述导向机构用于在运动方向上无摩擦导向，并限制所述顶板与所述底板之间发生相对扭转，避免零部件相互干涉。所述位移传感器布置在顶板与底板之间，其上端与顶板连
接，下端与底板连接，用于监测被动支承单元的高度变化；所述直线运动机构的连接于底板下方，使近零刚度支承组件能够在负载设备重力方向上进行预设的移动；所述驱动控制模块分别与位移传感器和直线运动机构电连接，用于根据接收到的位移传感器的信号信息，驱动控制直线运动机构；所述底座顶面与直线运动机构的固定端连接，底面固定连接于外部基础上。以上装置工作时，所述驱动控制模块接收位移传感器的反馈信号，控制直线式作动器和直线运动机构运动，保证顶板和底板之间的相对位移恒定，使被动支承单元刚度近零且形变近零，则顶板对负载设备的支承力波动近零，保持了负载设备的重力加速度为零且恒定，以实现负载设备垂向零重力的模拟。
10.进一步的，所述直线式作动器与驱动控制模块电连接，所述直线式作动器包括定子和动子，所述定子与底板相连，动子与顶板相连，直线作动器和被动支承单元相互并联，并且直线作动器相对高度和被动支承单元的相对高度均可调节，二者有效工作行程的中点在高度上的差别不超过1mm或不超过二者最小工作行程的1/10。
11.进一步的，所述正刚度元件配合连接有高度调节机构，所述高度调节机构用于调节被动支承单元与直线式作动器的相对安装高度。
12.进一步的，所述正刚度元件为金属螺旋弹簧、橡胶或空气弹簧；所述负刚度元件为磁负刚度机构、预压缩弹簧负刚度机构、压杆负刚度或凸轮-滚轮-弹簧负刚度机构。
13.进一步的，所述导向机构为气浮导轨。
14.进一步的，所述位移传感器为光栅尺位移传感器、激光位移传感器、电涡流传感器、霍尔传感器或lvdt位移传感器。
15.进一步的，所述直线运动机构为丝杠直线运动机构、气动直线运动机构、液压直线运动机构、齿轮-齿条直线运动机构、绞车提升机构、链传动机构、同步带传动机构或直线电机。
16.进一步的，所述直线式作动器为音圈电机、洛伦兹电机、直线电机或磁阻电机。
17.进一步的，所述高度调节机构包括螺母和螺柱，所述螺母穿过螺柱并与正刚度元件配合连接，所述螺柱与所述底板固定连接，旋转所述螺母能够调节正刚度元件与负刚度元件并联形成的被动支承单元与直线式作动器的相对安装高度。
18.优选的，采用上述支承装置实现零重力环境模拟的方法，包括下述步骤：
19.s1：在地表重力环境中将待模拟的负载设备固定放置于顶板上；
20.s2：通过高度调节机构改变被动支承单元在重力方向上的高度，直至被动支承单元的刚度近零；
21.s3：启动直线运动机构，根据位移传感器监测的被动支承单元的高度变化信息，在重力方向使被动支承单元移动，同时使被动支承单元高度变化收敛，使负载设备获取零重力环境下的加速度；
22.s4：启动直线式作动器，根据位移传感器监测的被动支承单元的高度变化信息，在重力方向对顶板施加作用力，抵消被动支承单元形变造成的波动力，精准保持负载设备具有零重力环境下的加速度。
23.优选的，s2中被动支承单元的刚度近零的获取方法为：
24.调节被动支承单元的高度为自身的行程中点。
25.优选的，s4被动支承单元形变造成的波动力的获取方法为：
26.测量被动支承单元高度值与受力的变化曲线，根据变化曲线和被动支承单元的高度变化，获取被动支承单元形变造成的波动力。
27.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
28.(1)本发明的零重力环境模拟的支承装置，以被动支承单元对负载设备进行支承，形成的被动系统在实现零重力环境模拟的同时，其响应速度快、几乎没有时延。
29.(2)本发明的零重力环境模拟的支承装置，被动支承单元利用正刚度元件支承负载设备，负刚度元件在平衡位置抵消正刚度元件的刚度，使得被动支承单元能够具有较大负载的同时，刚度呈现准零状态，提高了模拟试验的精度。
30.(3)本发明的零重力环境模拟的支承装置，直线运动机构对比现有重力模拟装置中的气缸机构，其位移范围更大，行程可达米级，使支承装置能够在大行程内实现高保真的垂向零重力环境模拟。
31.(4)本发明的零重力环境模拟的支承装置，被动支承单元、直线式作动器和导向机构均几乎为无摩擦损耗部件，使支承装置对于负载设备动力学行为模拟的灵敏度、分辨率更高。
附图说明
32.图1是本发明实施例一的零重力环境模拟的支承装置内部结构示意图；
33.图2是图1中沿a-a线的剖视图；
34.图3是图1中沿b-b线的剖视图；
35.图4是本发明实施例二的零重力环境模拟的支承装置内部结构示意图；
36.图5是本发明实施例三的零重力环境模拟的支承装置内部结构示意图；
37.图6是图5中沿c-c线的剖视图。
38.在以上附图标记中，相同的标号自始至终表示相同的结构或者部件，具体为：
39.1-顶板，2-底板，3-正刚度元件，4-负刚度元件，5-直线式作动器，6-导向机构，7-高度调节机构，7a-螺母，7b-螺栓，8-位移传感器，8a-光栅尺，8b-光栅尺读数头，9-直线运动机构，9a-基础框架，9b-滚珠丝杠，9c-丝杠螺母，9d-电机，9e-止推轴承，9f-电机转接架，9g-滑块，9h-导轨，9i-液压缸，9ia-缸体，9ib-活塞，9ic-活塞杆，9id-液压油，9j-液压缸导向机构，9ja-导轨滑块，9jb-直线导轨，9k-缓冲限位单元，10-驱动控制模块，11-底座。
具体实施方式
40.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
41.本发明基于“近零刚度
×
近零变形＝近零波动力”原理，提供一种用于零重力环境模拟的近零刚度支承装置，下面结合具体的实施例进一步详细的说明：
42.实施例一：
43.图1是本发明实施例一的零重力环境模拟的支承装置内部结构示意图，如图1所
示，其包括近零刚度支承组件和运动跟随组件，近零刚度支承组件和运动跟随组件相互独立，并且近零刚度支承组件和运动跟随组件上下连接形成串联结构，近零刚度支承组件包括顶板1、底板2、设置在顶板1和底板2之间的被动支承单元和直线作动器5，顶板和底板相互平行，顶板用于承载待模拟的负载设备，被动支承单元的承载能力大于待模拟的负载设备所受的重力，运动跟随组件与底板相连。具体的，其还包括顶板1、底板2、正刚度元件3、负刚度元件4、导向机构6、位移传感器8、直线运动机构9、驱动控制模块10和底座11。
44.更具体的，顶板1与底板2水平设置且相互平行，顶板1与底板2均为正方形金属承重板，所述顶板1用于固定待模拟的负载设备。正刚度元件3与负刚度元件4并联构成被动支承单元，被动支承单元两端分别与顶板1和顶板2固定连接，起支承待模拟的负载设备的作用，并在负载设备受到外力作用时迅速做出位移响应，被动支承单元的承载能力应大于待模拟的负载设备所受的重力，且其刚度应尽量小。正刚度元件3为金属螺旋弹簧，其特征是具有较大的承载能力和合理的低刚度特性，负刚度元件4为非接触、无摩擦的磁负刚度机构，用于在平衡位置抵消正刚度元件3的刚度，使得被动支承单元的刚度呈现准零状态。
45.计正刚度元件3的刚度值为k
p
(k
p
＞0)，负刚度元件4的刚度值为kn(kn＜0)，则二者相加的综合刚度值在其有效工作行程范围内须保证为正且尽可能小，即ks＝k
p
kn＞0，其中综合刚度值满足0.001k
p
＜ks＝k
p
kn＜0.1k
p
。
46.直线式作动器5与被动支承单元并联，置于顶板1与底板2之间，为非接触的音圈电机，所述直线式作动器5包括直线式作动器动子5a和直线式作动器定子5b，直线式作动器5分别与顶板1和底板2固定连接，连接有线缆的直线式作动器定子5b与底板2连接，尽可能减小系统运动过程中线缆对顶板1的扰动影响。调节所述的主动施力单元14和被动支承单元12的相对高度，使二者有效工作行程的中点在高度上的差别尽量小，以不超过1mm或二者最小工作行程的1/10为佳和被动支承单元12的相对高度。
47.所述导向机构6设于所述顶板1和所述底板2之间，在运动方向上起导向作用，且以非接触、无摩擦的导向机构为佳，所述导向机构6采用气浮导轨，其作用是在运动方向上无摩擦导向，并限制所述顶板1与所述底板2之间发生相对扭转，避免零部件相互干涉。其中，导向机构6连接有供气管路的气浮导轨定子6b固定安装于底板2上，气浮导轨动子6a固定安装于顶板1上，以避免系统运动过程中管路对所述顶板1的扰动影响。
48.所述高度调节机构7一端固定与底板2上，另一端与正刚度元件3配合，用于调节正刚度元件3在支承组件中的安装高度，所述高度调节机构7数量为四个，对称分布于底板2四周。高度调节机构7包括高度调节螺母7a和螺柱7b，所述高度调节螺母7a与所述螺柱7b的规格相同，高度调节螺母7a穿过所述螺柱7b并与正刚度元件3的底部接触，螺柱7b与底板2固定连接，并且与正刚度元件3不接触，旋转所述高度调节螺母7a即可调节对应连接的正刚度元件3的安装高度，即调节直线式作动器6和被动支承单元的相对高度，使二者有效工作行程的中点在高度上的差别尽量小，以不超过1mm或二者最小工作行程的1/10为佳。
49.所述位移传感器8采用光栅尺位移传感器，包括光栅尺8a和光栅尺读数头8b，所述光栅尺8a安装于所述顶板1上，所述光栅尺读数头8b安装于底板2上，以减小光栅尺读数头8b的连接线缆对顶板1的扰动影响，位移传感器8用于检测顶板1与底板2之间相对位移，从而为驱动控制模块10提供相应的反馈信息。
50.所述直线运动机构9的活动端与底板2固定连接，所述的直线运动机构9采用丝杠
直线运动机构，包括基础框架9a、滚珠丝杠9b、丝杠螺母9c、电机9d、止推轴承9e、电机转接架9f、滑块9g和导轨9h。所述滚珠丝杠9b与基础框架9a固定连接，所述基础框架9a固定安装于所述底座11上，丝杠螺母9c安装在滚珠丝杠9b上，可自由旋转沿滚珠丝杠9b运动；电机9d动子与丝杠螺母9c固定连接，电机9d定子和止推轴承9e都固定安装于电机转接架9a上，电机转接架9f与底板2固定连接，止推轴承9e的作用是承受轴向载荷并支撑丝杠螺母9c，降低其运动过程中的摩擦系数，保证丝杠螺母9c可绕滚珠丝杠9b自由旋转；所述滑块9g和导轨9h的各两组，分别对称安装于所述基础框架9a两侧，所述滑块9g可在所述导轨9h上自由移动，所述滑块9g固定安装于所述电机转接架9f上，所述导轨9h与所述基础框架9a固定连接，当电机9d动子根据驱动控制模块3的信号作旋转运动时，电机转接架9f在所述滑块9g和导轨9h的约束下只能沿滚珠丝杠9b在垂向上直线运动，进而驱动与电机转接架9f固定连接的底板2在垂向上做直线运动。
51.所述的驱动模块10接收位移传感器8的反馈信号，控制直线式作动器5和直线运动机构9运动，保证顶板1和底板2之间的相对位移恒定，使被动支承单元刚度近零且形变近零，则顶板1对负载设备的支承力波动近零，以实现负载设备垂向零重力的模拟。
52.所述底座11一端与直线运动机构9固定连接，另一端置于地基或类似的外部基础上。
53.如图2、3所示，所述正刚度元件3和所述负刚度元件4的数量都为四个，并且这些正刚度元件3和所述负刚度元件4呈正方形布置。所述的高度调节机构7数量为四个，与所述正刚度元件3配合连接并呈正方形布置。所述的导向机构6包括气气浮导轨动子6a和浮导轨定子6b，其形状为正方形，布置在底板2的中心。
54.实施例二：
55.本实施例在实施例一原结构的基础上改变直线运动机构9和底座11，以满足不同工作环境提出的安装要求。
56.如图4所示，直线运动机构9采用丝杠直线运动机构，所述直线运动机构9包括电机9d、滚珠丝杠9b、丝杠螺母9c、基础框架9a、止推轴承9e、电机转接架9f、滑块9g和导轨9h。
57.所述滚珠丝杠9b与基础框架9a固定连接，所述基础框架9a与底板2固定连接。丝杠螺母9c安装在滚珠丝杠9b上，可自由旋转推动滚珠丝杠9b做直线运动。电机9d动子与丝杠螺母9c固定连接，电机9d定子和止推轴承9e都固定安装于电机转接架9a上，电机转接架9f与底座26固定连接，底座26与外部环境连接，止推轴承9e的作用是承受轴向载荷并支撑丝杠螺母9c，降低其运动过程中的摩擦系数，保证丝杠螺母9c可绕滚珠丝杠9b自由旋转。所述滑块9g和导轨9h的各两组，分别对称安装于所述基础框架9a两侧，所述滑块9g可在所述导轨9h上自由移动，所述滑块9g固定安装于所述电机转接架9f上，所述导轨9h与所述基础框架9a固定连接，当电机9d动子根据驱动控制模块3的信号作旋转运动时，在所述滑块9g和导轨9h的约束下丝杠螺母9c推动滚珠丝杠9b在垂向上直线运动，进而驱动与基础框架9a固定连接的底板2在垂向上做直线运动。所述底座11不与外部环境连接。其余部分与实施例一保持一致，并具备实施例一中的全部功能。
58.实施例三：
59.如图5、6所示，面向不同应用场景，所述的直线运动机构9可选用液压直线运动机构。
60.所述直线运动机构9包括液压缸9i，所述液压缸9i包括缸体9ia、活塞9ib、活塞杆9ic和液压油9id，所述缸体9ia与所述运动底座23固定连接，所述活塞9ib与所述活塞杆9ic固定连接，所述活塞杆9ic穿过所述缸体9ia与所述运动平台21固定连接，所述液压油9id和所述活塞9ib位于所述缸体9ia内部，所述活塞9ib可沿缸体9ia内壁在直线方向上运动，并将缸体9ia内部的液压油9id分隔成上下两个腔室，所述缸体9ia内上下两个腔室中的液压油9id与驱动控制模块10液压控制连接，所述上下两个腔室中的液压油9id连通，所述驱动控制模块3能够控制液压油9id的流量、压力和方向，驱动所述活塞杆9ic在垂向做直线运动，进而驱动与所述活塞杆9ic固定连接的底板2在垂向上做直线运动。所述活塞杆9ic和所述缸体9ia之间设有密封元件，避免液压油泄漏影响活塞杆的运动精准性。所述直线运动机构9还至少包含一组液压缸导向机构9j，所述液压缸导向机构9j设于底板2和底座11之间，在运动方向上起导向作用。所述液压缸导向机构9j至少由导轨滑块9ja和直线导轨9jb组成，所述导轨滑块9ja与所述底板2固定连接，所述直线导轨9jb与所述底座11固定连。所述液压缸导向机构9j数量为两个，对称分布在所述液压缸两侧。
61.优选地，所述直线运动机构还包含缓冲限位单元9k，所述缓冲限位单元9k为螺旋压缩弹簧，设于缸体9ia内部底端和顶端，避免活塞9ib运动到上下极限位置时与缸体9ia发生碰撞，造成结构损坏。其余部分与实施例一中保持一致，并具备实施例一中的全部功能。
62.实际工程应用中，利用上述零重力环境模拟装置进行模拟的方法和流程如下：
63.计负载设备和零重力环境模拟装置中与其固定连接的顶板1等结构总质量为m，地球表面重力加速度为g。假定须在地球表面模拟零重力环境，并假定模拟的初始条件是负载设备的初始速度为υ0。
64.步骤一：锁定直线运动机构9，关闭直线式作动器5或控制其出力为零，使直线式作动器5施加于顶板1上的作用力大小为f
e0
＝0，从而使被动支承单元施加于顶板1上的作用力大小为fk＝-mg，由此使待模拟的负载设备在重力场g下达到静平衡；通过高度调节机构7和直线式作动器5进行匹配调节，使静平衡状态下顶板1相对于底板2的高度尽量接近被动支承单元的行程中点(设计零点)，计该状态下顶板1相对于底板2的高度为h0；
65.步骤二：改变直线式作动器5的出力大小，使负载设备加速运动至零重力环境模拟的初始速度v0；在此加速过程中，同时启动直线运动机构9，使底板2保持与顶板1的运动轨迹及运动速度尽可能一致；当底板2和顶板1的运动速度均与设定初始速度v0之间的误差小于允许值时，重置顶板1相对于底板2的高度为h0。当要求初始速度v
0-0时，可省略步骤二。
66.步骤三：改变直线式作动器5的出力状态，以及直线运动机构的运动状态，使得在模拟时段内任意时刻t，直线式作动器5与被动支承单元施加于顶板1的合力尽可能满足fe(t) fe(t)＝-mg，由此使模拟负载设备(含顶板1等刚性固定结构)所受重力和模拟装置支承力的合力尽可能接近f(t)＝0，也即处于地球表面的负载设备在地球引力和零重力环境模拟装置支承力作用下，其动力学行为与零重力环境中精准一致。
67.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。