專利名稱：三維氣浮平臺(tái)與氣壓式重力補(bǔ)償方法
所屬領(lǐng)域 本發(fā)明涉及空間試驗(yàn)裝置技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及衛(wèi)星位姿運(yùn)動(dòng)模擬的三維氣浮平臺(tái)與氣壓式重力補(bǔ)償方法。
背景技術(shù)：
空間技術(shù)可使人類了解宇宙、征服太空，獲取新資源。對(duì)我國(guó)來說更具有提高國(guó)家綜合實(shí)力、促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和保證國(guó)家安全的重要意義。當(dāng)前空間機(jī)器人技術(shù)正飛速發(fā)展，但空間機(jī)器人物理仿真試驗(yàn)的技術(shù)水平仍然不高，迫切需要進(jìn)一步研究空間機(jī)器人地面功能驗(yàn)證方法，開發(fā)微重力試驗(yàn)設(shè)備。目的是在地面開發(fā)出高精度的微重力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)空間機(jī)器人對(duì)浮游目標(biāo)即衛(wèi)星的捕獲功能驗(yàn)證。
目前微重力環(huán)境模擬的物理裝置主要利用重力加速度做自由落體運(yùn)動(dòng)，稱為釋放重力加速度；利用地球吸引力做勻速圓周運(yùn)動(dòng)；利用平衡力抵消重力。最為常見設(shè)備是以地球?yàn)榛A(chǔ)的落塔，沿拋物線飛行的失重飛機(jī)和地球軌道運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)室。利用前兩種方法可以得到從大約地球重力加速度的百分之一到比百萬(wàn)分之一或更小的微重力環(huán)境，該環(huán)境為微重力實(shí)驗(yàn)提供了良好的場(chǎng)所。但這樣的設(shè)備成本巨大和技術(shù)難度高，實(shí)驗(yàn)的安全性和可靠性要求很高，所以這些方法對(duì)于一般的研究單位來說是很難辦到的，另外微重力實(shí)驗(yàn)可以持續(xù)的時(shí)間一般都不長(zhǎng)，因此三維微重力實(shí)驗(yàn)和宇航員空間環(huán)境適應(yīng)和訓(xùn)練多用氣浮法，但這些實(shí)驗(yàn)只能是在二維空間中進(jìn)行。現(xiàn)有方法中也采用懸掛法和液浮法，但對(duì)空間飛行器(衛(wèi)星)的性能測(cè)試和姿態(tài)控制最好的實(shí)驗(yàn)方法是氣浮法。從20世紀(jì)50年代末到60年代，美國(guó)各研究單位先后建起的各種氣浮臺(tái)不下20個(gè)，隨后原西德宇航研究院、歐洲空間局荷蘭仿真中心和日本也相繼建立各種氣浮臺(tái)。我國(guó)也自行研究和引進(jìn)過幾套氣浮裝置，主要以單軸和三軸氣浮臺(tái)為主(哈爾濱工業(yè)大學(xué)、502所、上海交大、中科院國(guó)家天文臺(tái)、西北工大)。
2005年哈爾濱工業(yè)大學(xué)張廣玉等設(shè)計(jì)了10自由度全物理對(duì)接力學(xué)仿真器，該仿真器(試驗(yàn)臺(tái))由兩個(gè)運(yùn)動(dòng)臺(tái)組成，每個(gè)運(yùn)動(dòng)臺(tái)都可以模擬追蹤航天器或者目標(biāo)航天器。每個(gè)運(yùn)動(dòng)臺(tái)能實(shí)現(xiàn)5個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)由二維轉(zhuǎn)臺(tái)、氣浮滑臺(tái)、質(zhì)量慣量模擬器和重力平衡裝置等組成。二軸轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和俯仰運(yùn)動(dòng)，氣浮臺(tái)能在試驗(yàn)臺(tái)基座上滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)沿X向和Z向平動(dòng)以及偏航運(yùn)動(dòng)。質(zhì)量、慣量模擬件模擬航天器質(zhì)量、慣量，并且通過調(diào)整模擬件，能夠模擬不同的航天器的質(zhì)量、慣量。進(jìn)行各種航天器之間以及與空間站的對(duì)接動(dòng)力學(xué)仿真。由于受結(jié)構(gòu)限制，試驗(yàn)臺(tái)只能模擬航天器五個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，為了反映另一個(gè)自由度方向上(Y方向)對(duì)接作用力對(duì)對(duì)接機(jī)構(gòu)的影響，通過將模擬件互易90°，即把Y軸和Z軸互易90°，從而能夠反映另一個(gè)自由度上對(duì)接撞擊力對(duì)對(duì)接機(jī)構(gòu)的影響，重力平衡裝置以吊絲配重機(jī)構(gòu)為主體，采用三杠鈴式質(zhì)量、慣量模擬件模擬飛行器的質(zhì)量和慣量。該平臺(tái)只有一個(gè)方向的移動(dòng)使用了氣浮機(jī)構(gòu)，在平面內(nèi)只能作線向移動(dòng)?？捎糜诳臻g捕獲、對(duì)接等試驗(yàn)?zāi)M與功能驗(yàn)證。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是基于現(xiàn)有的衛(wèi)星姿態(tài)與軌道控制和空間捕獲、對(duì)接操作地面實(shí)物模擬技術(shù)與設(shè)備的不足，提出一種利用三自由度氣浮機(jī)構(gòu)構(gòu)成的模擬衛(wèi)星，進(jìn)行三維空間內(nèi)衛(wèi)星捕獲過程模擬的三維氣浮平臺(tái)與氣壓式重力補(bǔ)償方法。該模擬衛(wèi)星可做六自由度運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)精度誤差小。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種三維氣浮平臺(tái)，特別是其裝置包括置于平臺(tái)基座上相互氣管連接的氣源部件、氣壓控制部件和模擬衛(wèi)星。
所述的氣源部件包括空壓機(jī)和氣體處理設(shè)備，所述的空壓機(jī)包括儲(chǔ)氣罐和氣泵，其中空壓機(jī)通過管道開關(guān)和氣體處理設(shè)備相連接。
所述的氣體控制部件包括比例閥A、比例閥B和兩者電連接的控制器，其中比例閥A與比例閥B分別和氣源部件用氣管相連接。
所述的模擬衛(wèi)星包括機(jī)械連接的捕獲接口、模擬衛(wèi)星主體、方形框、支架、無(wú)摩擦氣缸、氣浮活塞和氣浮墊，其中捕獲接口在衛(wèi)星主體上方固定安裝，用于宇航員或空間機(jī)器或其它飛行器捕獲，人衛(wèi)星主體前后用兩根轉(zhuǎn)軸同心聯(lián)結(jié)到方形框上，所述的方形框左右用另外兩根轉(zhuǎn)軸聯(lián)結(jié)到支架上，所述的支架通過固定螺母連接在無(wú)摩擦氣缸的活塞桿上。
所述的無(wú)摩擦氣缸上面置有出氣口、下面置有進(jìn)氣口和氣浮活塞，進(jìn)氣口用管道和比例閥A相連接，氣浮活塞置于無(wú)摩擦氣缸中，利用氣體壓力驅(qū)動(dòng)，無(wú)摩擦氣缸的總體置于氣浮墊上；所述的氣浮活塞為圓柱體，將普通活塞去除導(dǎo)向套和活塞上的密封圈保留間隙，氣浮活塞中間置有空心導(dǎo)氣孔，加長(zhǎng)活塞長(zhǎng)度使氣體由導(dǎo)氣孔進(jìn)入小孔，在無(wú)摩擦氣缸內(nèi)壁和氣浮活塞周邊的縫隙間形成潤(rùn)滑膜，并使氣體從無(wú)摩擦氣缸上面的出氣口流入大氣，氣浮活塞側(cè)面置有的多道渦流槽對(duì)氣流有一定的阻礙作用，能夠減少泄漏使氣浮活塞上下運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的摩擦小。
所述的氣浮墊置于平臺(tái)基座上，也有一個(gè)進(jìn)氣口和多個(gè)出氣小孔，氣浮墊進(jìn)氣口為一管接口設(shè)置在氣浮墊的上表面，用氣管和比例閥B連接，氣流由比例閥B進(jìn)入進(jìn)氣口后，通過氣浮墊內(nèi)的通道流到出氣小孔，在氣浮墊下表面和平臺(tái)基座之間形成氣膜支撐，通過模擬衛(wèi)星的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)模擬衛(wèi)星主體能夠在慣性空間進(jìn)行六自由度運(yùn)動(dòng)。
作為一種三維氣浮平臺(tái)的進(jìn)一步改進(jìn)所述的氣浮活塞上多個(gè)出氣小孔為20以上，所述的氣浮活塞上的多道渦流槽為2～5個(gè)。所述的氣浮墊中的多個(gè)出氣小孔，為3個(gè)以上。所述的平臺(tái)基座由花崗巖制成。
一種三維氣浮平臺(tái)的氣壓式重力補(bǔ)償方法，特別是該方法包括用兩條可控的氣動(dòng)回路，一條由空壓機(jī)把壓縮空氣經(jīng)處理后輸入比例閥A，通過控制器調(diào)整氣體壓力后送入無(wú)摩擦氣缸內(nèi)驅(qū)動(dòng)氣浮活塞，實(shí)現(xiàn)氣浮活塞懸浮在無(wú)摩擦氣缸中處于平衡狀態(tài)，氣浮活塞上所支撐的模擬衛(wèi)星主體得到重力補(bǔ)償；另一條氣路由空壓機(jī)把壓縮空氣經(jīng)處理后輸入比例閥B，氣流進(jìn)入氣浮墊，從氣浮墊和平臺(tái)基座之間的縫隙中的多個(gè)出氣小孔流入大氣中，氣浮墊浮在氣膜上能夠在平面內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)；氣浮墊能夠在水平面內(nèi)做x、y向的平動(dòng)和z向的轉(zhuǎn)動(dòng)，氣浮活塞能夠做z向平動(dòng)；方形框相對(duì)氣浮活塞與支架做x向轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬衛(wèi)星主體相對(duì)方形框能夠做y向轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬衛(wèi)星主體在慣性空間能夠做六自由度無(wú)約束運(yùn)動(dòng)，模擬出太空中浮游衛(wèi)星的真實(shí)運(yùn)動(dòng)形式。
本發(fā)明的有益效果 現(xiàn)有技術(shù)中，哈爾濱工業(yè)大學(xué)張廣玉等設(shè)計(jì)的10自由度全物理對(duì)接力學(xué)仿真器由兩個(gè)運(yùn)動(dòng)臺(tái)組成，每個(gè)運(yùn)動(dòng)臺(tái)都可以模擬追蹤航天器或者目標(biāo)航天器。每個(gè)運(yùn)動(dòng)臺(tái)能實(shí)現(xiàn)5個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)由二維轉(zhuǎn)臺(tái)、氣浮滑臺(tái)、質(zhì)量慣量模擬器和重力平衡裝置等組成。重力平衡裝置在豎直運(yùn)動(dòng)方向重力補(bǔ)償方法上采用的都是吊絲配重法。吊絲配重法的主要不足是隨著懸掛部分質(zhì)量的增加，摩擦力就越大，其重力補(bǔ)償效果就越差，另外此法在模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)無(wú)法保證與原型在質(zhì)量與慣量的高精度等效。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明中三維氣浮平臺(tái)與氣壓式重力補(bǔ)償方法的優(yōu)點(diǎn)是其一，利用了無(wú)摩擦氣缸與氣浮墊結(jié)合來實(shí)現(xiàn)三維重力補(bǔ)償，其中氣浮活塞采用驅(qū)動(dòng)氣體實(shí)現(xiàn)其和氣缸壁產(chǎn)生氣膜支撐，變固體間摩擦為流體摩擦。氣浮活塞將普通活塞去除導(dǎo)向套和活塞上的密封圈保留間隙，并加長(zhǎng)長(zhǎng)度且在側(cè)面置有多出氣小孔和多道渦流槽，而不是現(xiàn)有技術(shù)的氣缸筒上噴氣，在側(cè)向承載力上沒有范圍要求、在行程(可達(dá)幾百毫米)和驅(qū)動(dòng)力(300牛以上)上有較大提高。通過無(wú)摩擦氣缸的恒壓強(qiáng)控制，分析氣體流動(dòng)特性，利用電氣比例閥A、B進(jìn)行穩(wěn)壓控制，響應(yīng)快、精度高，有利于提高模擬效果。由此無(wú)摩擦氣缸中的氣浮活塞構(gòu)成的構(gòu)件可以精確到0.6N以下，雖然在精度上不如日本產(chǎn)品，但這種氣浮活塞構(gòu)成的無(wú)摩擦氣缸成本和日本產(chǎn)品相比要小100倍。
其二，模擬衛(wèi)星能夠逼真地模擬出衛(wèi)星的空間位姿運(yùn)動(dòng)。當(dāng)氣浮墊浮起，氣浮活塞上部件的重力被氣壓壓力抵消氣壓式重力補(bǔ)償后，模擬衛(wèi)星平臺(tái)就可以做類似空間失重環(huán)境下的六自由運(yùn)動(dòng)了。當(dāng)構(gòu)件為模擬衛(wèi)星主體，若它的質(zhì)量大大超過、無(wú)摩擦氣缸和氣浮墊和平臺(tái)基座的質(zhì)量，可以不考慮衛(wèi)星質(zhì)量與慣量重新分配達(dá)到等效的目的。否則需要適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行質(zhì)量與慣量調(diào)整，使模擬衛(wèi)星質(zhì)量與慣量和實(shí)際衛(wèi)星等效。該發(fā)明既實(shí)現(xiàn)了空間6自由度運(yùn)動(dòng)的分解，又實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量和慣量的等效。
其三，一種三維氣浮平臺(tái)的氣壓式重力補(bǔ)償方法，該方法包括用兩條可控的氣動(dòng)回路，一條由空壓機(jī)把壓縮空氣經(jīng)處理后輸入比例閥A，通過控制器調(diào)整氣體壓力后送入無(wú)摩擦氣缸內(nèi)驅(qū)動(dòng)氣浮活塞，實(shí)現(xiàn)氣浮活塞懸浮在無(wú)摩擦氣缸中處于平衡狀態(tài)，氣浮活塞上所支撐的模擬衛(wèi)星主體得到重力補(bǔ)償；另一條氣路由空壓機(jī)把壓縮空氣經(jīng)處理后輸入比例閥B，氣流進(jìn)入氣浮墊，從氣浮墊和平臺(tái)基座之間的縫隙中的多個(gè)出氣小孔流入大氣中，氣浮墊浮在氣膜上能夠在平面內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)；氣浮墊能夠在水平面內(nèi)做x、y向的平動(dòng)和z向的轉(zhuǎn)動(dòng)，氣浮活塞能夠做z向平動(dòng)；方形框相對(duì)氣浮活塞與支架做x向轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬衛(wèi)星主體相對(duì)方形框能夠做y向轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬衛(wèi)星主體在慣性空間能夠做六自由度無(wú)約束運(yùn)動(dòng)，能夠模擬出太空中浮游衛(wèi)星的真實(shí)運(yùn)動(dòng)形式。
本發(fā)明相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)采用吊絲配重式重力補(bǔ)償方法的5自由度仿真器，具有精度高、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量慣量集中的優(yōu)點(diǎn)，改變了現(xiàn)有技術(shù)中氣浮臺(tái)只能進(jìn)行二維微重力試驗(yàn)的局限，在自由度上提高一個(gè)，在模擬空間上提高一維，避免了繩索柔性所帶來的難以控制的不足，在誤差上要小一個(gè)等級(jí)。可以直接模擬出太空中真實(shí)的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)三維運(yùn)動(dòng)模擬，為準(zhǔn)確地把握空間飛行器的運(yùn)動(dòng)特性和功能提供了可靠的驗(yàn)證工具。


圖1是三維氣浮平臺(tái)組成結(jié)構(gòu)圖。
圖2是模擬衛(wèi)星結(jié)構(gòu)圖。
圖3是氣浮活塞圖。
圖4是氣壓式重力補(bǔ)償方法示意圖。
圖5是氣腔內(nèi)氣流特性圖。
圖6是氣膜展開形狀和尺寸示意圖。
圖7是三維氣浮平臺(tái)的操作流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步的描述圖1是三維氣浮平臺(tái)的總體系統(tǒng)圖，主要有以下四部分1、氣源部件；2、氣壓控制部件；3、模擬衛(wèi)星；11、平臺(tái)基座。
氣源部件1是用來提供氣體介質(zhì)和壓力的，是氣壓驅(qū)動(dòng)的發(fā)生系統(tǒng)，包括空氣壓縮機(jī)(主要構(gòu)件為氣泵、儲(chǔ)氣罐、壓力表和自我控制器件)和氣體處理設(shè)備(一般有干燥器、過濾器)。氣壓控制部件2主要是由可控制閥門和控制器組成，由程序控制電氣比例閥A、B實(shí)現(xiàn)對(duì)氣動(dòng)系統(tǒng)的壓力控制。模擬衛(wèi)星3放置在平臺(tái)基座11上，模擬衛(wèi)星3實(shí)質(zhì)為一個(gè)六自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，是構(gòu)成三維氣浮平臺(tái)的主體，平臺(tái)基座11由花崗巖制成。
圖2是模擬衛(wèi)星結(jié)構(gòu)圖。圖2中，模擬衛(wèi)星包括置于平臺(tái)基座11上相互氣管連接的氣源部件1、氣壓控制部件2和模擬衛(wèi)星3；氣源部件1包括空壓機(jī)和氣體處理設(shè)備，空壓機(jī)包括儲(chǔ)氣罐和氣泵，其中空壓機(jī)通過管道開關(guān)和氣體處理設(shè)備相連接；氣體控制部件2包括比例閥A、比例閥B和兩者電連接的控制器，其中比例閥A與比例閥B分別和氣源部件1用氣管相連接。
六自由度運(yùn)動(dòng)模擬衛(wèi)星的主要構(gòu)件有模擬衛(wèi)星主體5，是模擬實(shí)驗(yàn)的操作對(duì)象，即捕獲目標(biāo)模擬衛(wèi)星3包括機(jī)械連接的捕獲接口4、模擬衛(wèi)星主體5、方形框6、支架7、無(wú)摩擦氣缸8、氣浮活塞9和氣浮墊10，其中捕獲接口4在衛(wèi)星主體5上方固定安裝，用于宇航員或空間機(jī)器或其它飛行器捕獲，人衛(wèi)星主體5前后用兩根轉(zhuǎn)軸同心聯(lián)結(jié)到方形框6上，所述的方形框6左右用另外兩根轉(zhuǎn)軸聯(lián)結(jié)到支架7上，所述的支架7通過固定螺母連接在無(wú)摩擦氣缸8的活塞桿上。
無(wú)摩擦氣缸8上面置有出氣口、下面置有進(jìn)氣口和氣浮活塞9，進(jìn)氣口用管道和比例閥A相連接，氣浮活塞9置于無(wú)摩擦氣缸8中，利用氣體壓力驅(qū)動(dòng)，無(wú)摩擦氣缸8的總體置于氣浮墊10上。
所述的氣浮活塞9為圓柱體，將普通活塞去除導(dǎo)向套和活塞上的密封圈保留間隙，氣浮活塞9中間置有空心導(dǎo)氣孔12，加長(zhǎng)活塞長(zhǎng)度使氣體由導(dǎo)氣孔12進(jìn)入小孔14，在無(wú)摩擦氣缸8內(nèi)壁和氣浮活塞9周邊的縫隙間形成潤(rùn)滑膜，并使氣體從無(wú)摩擦氣缸8上面的出氣口流入大氣，氣浮活塞9側(cè)面置有的多道渦流槽13對(duì)氣流有一定的阻礙作用，能夠減少泄漏使氣浮活塞9上下運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的摩擦小。
氣浮活塞9上置有20以上出氣小孔14，所述的氣浮活塞9上的多道渦流槽13為2～5個(gè)。
氣浮墊10置于花崗巖制成平臺(tái)基座11上，有一個(gè)進(jìn)氣口和3個(gè)以上出氣小孔，氣浮墊進(jìn)氣口為一管接口設(shè)置在氣浮墊10的上表面，用氣管和比例閥B連接，氣流由比例閥B進(jìn)入進(jìn)氣口后，通過氣浮墊10內(nèi)的通道流到出氣小孔，在氣浮墊10下表面和平臺(tái)基座11之間形成氣膜支撐，通過模擬衛(wèi)星3的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)模擬衛(wèi)星主體5能夠在慣性空間進(jìn)行六自由度運(yùn)動(dòng)。
氣浮墊10，用于氣膜支撐和提供水平面內(nèi)移動(dòng)(X、Y)和轉(zhuǎn)動(dòng)(Z軸)的機(jī)構(gòu)；無(wú)摩擦氣缸8，用于對(duì)模擬衛(wèi)星主體5進(jìn)行重力補(bǔ)償，利用氣壓驅(qū)動(dòng)的無(wú)摩擦氣缸8是克服在地面時(shí)衛(wèi)星重力帶來對(duì)微重力環(huán)境模擬的干擾，同時(shí)提供豎直方向(Z)的滑動(dòng)的側(cè)面約束；無(wú)摩擦氣缸8的氣浮活塞9，上端用于支持模擬衛(wèi)星的方形框6，采用橫向轉(zhuǎn)軸(X軸)和縱向轉(zhuǎn)軸(Y軸)使模擬衛(wèi)星主體和方形框6相連接；把圖2中構(gòu)件5-10安裝在一體，即構(gòu)成一個(gè)完整的機(jī)械部件即模擬衛(wèi)星。
氣浮墊10能夠在水平面內(nèi)做x、y向的平動(dòng)和z向的轉(zhuǎn)動(dòng)，氣浮活塞9能夠做z向平動(dòng)；方形框6相對(duì)氣浮活塞9與支架7做x向轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬衛(wèi)星主體相對(duì)方形框6能夠做y向轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬衛(wèi)星主體5在慣性空間能夠做六自由度無(wú)約束運(yùn)動(dòng)，模擬出太空中浮游衛(wèi)星的真實(shí)運(yùn)動(dòng)形式。
在衛(wèi)星主體的質(zhì)量遠(yuǎn)大于支架7、無(wú)摩擦氣缸8和氣浮墊10的質(zhì)量時(shí)，可以不考慮質(zhì)量與慣量重新分配達(dá)到等效的目的。否則需要適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行質(zhì)量與慣量調(diào)整，使模擬衛(wèi)星3的質(zhì)量與慣量和實(shí)際衛(wèi)星等效。
圖3是氣浮活塞圖。在圖3中，12為導(dǎo)氣孔、13為渦流槽、小孔為14。氣浮活塞9是無(wú)摩擦氣缸8進(jìn)行氣壓式重力補(bǔ)償?shù)暮诵钠骷?，氣浮活?制作方法是去除導(dǎo)向套和普通活塞上的密封圈留出間隙，加長(zhǎng)活塞長(zhǎng)度，使活塞周邊導(dǎo)氣孔12有氣體流出，形成潤(rùn)滑膜。首先在用途和用法上和現(xiàn)有產(chǎn)品不相同，而且結(jié)構(gòu)上大不相同在活塞上增加了多側(cè)面小孔14和多道渦流槽13(而不是氣缸筒上噴氣)，氣浮活塞9上的小孔的個(gè)數(shù)為20以上，氣浮活塞9上的多道渦流槽為2～5個(gè)，小孔14和渦流槽用于產(chǎn)生氣膜潤(rùn)滑來減小活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦。
氣浮活塞9在側(cè)向承載力上沒有范圍要求、在行程(可達(dá)幾百毫米)和驅(qū)動(dòng)力(300牛以上)上有大大提高；在精度上雖然不如LBC，但成本是它們的百分之一。
圖4是氣壓式重力補(bǔ)償方法示意圖；圖5是氣腔內(nèi)氣流特性圖；圖6是氣膜展開形狀和尺寸示意圖。在圖4和圖5中，氣壓式重力補(bǔ)償方法是把處理后的潔凈空氣接入電氣比例閥再通入無(wú)摩擦氣缸8。無(wú)摩擦氣缸8的下部有一定的體積，氣浮活塞9為圓柱體，底面積為S，氣浮活塞9和重物的總重量為G。各管道和元件中的壓力和氣體流量見圖4中相應(yīng)位置，為分析的需要，各個(gè)壓力均為和外界大氣壓的差壓，qm為低摩擦氣缸縫隙中流量，即泄露量。
由于要使重物(空間微重力實(shí)驗(yàn)對(duì)象)的重力被抵消，若以向上的方向?yàn)檎?，則有-G+PS+f＝0P=pg=G-fS---(1)]]>式中f為氣浮活塞9受到的摩擦力?？紤]當(dāng)氣浮活塞9處于懸浮時(shí)受到的只有氣膜的摩擦力，由于氣體摩擦非常小，近似認(rèn)為是0(這是許多人稱低摩擦氣缸為無(wú)摩擦氣缸的緣由)，由式(1)有pgS≈G則該系統(tǒng)的控制目標(biāo)為pg=GS---(2)]]>如式(2)只要保持每一時(shí)刻無(wú)摩擦氣缸8內(nèi)壓強(qiáng)不變，則重力時(shí)時(shí)刻刻被補(bǔ)償。該物體在受到其他力(這里限豎直力)作用時(shí)將符合牛頓運(yùn)動(dòng)定理，如同失重條件下的運(yùn)動(dòng)。
針對(duì)氣浮活塞9三種運(yùn)動(dòng)情況，研究無(wú)摩擦氣缸8內(nèi)氣流特性1)當(dāng)氣浮活塞9靜止時(shí)，氣腔內(nèi)壓強(qiáng)P＝pg，按理想條件此時(shí)進(jìn)出口的氣壓都為pg。為控制氣浮活塞9位置，所以氣腔內(nèi)體積質(zhì)量存在M(t)＝M0+q3t-qmt＝M0(3)式中M＝ρV＝ρSx，M0＝Sx0即初始體積的質(zhì)量，則q3＝qm。
2)當(dāng)氣浮活塞9和重物一起向上勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣腔內(nèi)體積需要增加，氣浮活塞9位置是運(yùn)動(dòng)時(shí)間的函數(shù)，則則此時(shí)q3＝ρSx+qm(4)3)當(dāng)氣浮活塞9下降運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果氣浮活塞9處的縫隙泄露量不能滿足運(yùn)動(dòng)速度要求時(shí)，無(wú)摩擦氣缸8內(nèi)的壓力就會(huì)升高，達(dá)不到重力補(bǔ)償效果，所以通過電氣比例閥放氣穩(wěn)壓。以負(fù)號(hào)表示運(yùn)動(dòng)向下，故q3＝q1-q2＝-ρSx+qm(5)雖然式(3、4、5)不一樣，但都存在qm是非控制量，它的大小主要由泄露口、縫隙形狀、壓力差等因素決定。
根據(jù)理想的氣體泄露縫隙為圓筒型來推算，qm的數(shù)學(xué)模型為ρipi-1nnn+1(pin+1n-pn+1n)=qm24(n+1)π2r2h2ln(pin+1npn+1n)+6μqmπrh3x---(6)]]>其中，r為無(wú)摩擦氣缸8半徑，h為縫隙的寬度，μ為粘度，pi為高壓力點(diǎn)壓強(qiáng)，ρi為高壓力(壓強(qiáng)為pg)點(diǎn)密度，p為低壓力點(diǎn)壓強(qiáng)；n為多變指數(shù)，在狀態(tài)變化過程中是不變常數(shù)，其具體值是根據(jù)具體的狀態(tài)變化性質(zhì)而定的。當(dāng)n＝1時(shí)就是等溫過程；n＝∞是等容過程。盡管這里的n取值范圍是
，但在一般過程中n的數(shù)值介于定溫指數(shù)和絕熱指數(shù)(對(duì)空氣來說k＝1.4)之間，即k＞n＞1。這里為氣浮活塞9運(yùn)動(dòng)研究，可取n＝1.2～1.25。由式(6)可以解出qm，考慮本氣浮活塞9處縫隙并非為標(biāo)準(zhǔn)圓筒形，故需要在式(6)流量值上乘系數(shù)K，求得氣體流量關(guān)系可以保證控制的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。在保證提供給無(wú)摩擦氣缸8足夠氣量的前提下，利用氣壓反饋使式(2)恒成立，就可以實(shí)現(xiàn)豎直方向的重力補(bǔ)償。采用使模擬衛(wèi)星主體和方形框6相連接。
一種三維氣浮平臺(tái)的氣壓式重力補(bǔ)償方法，其特征在于該方法包括用兩條可控的氣動(dòng)回路，一條由空壓機(jī)把壓縮空氣經(jīng)處理后輸入比例閥A，通過控制器調(diào)整氣體壓力后送入無(wú)摩擦氣缸8內(nèi)驅(qū)動(dòng)氣浮活塞9，實(shí)現(xiàn)氣浮活塞9懸浮在無(wú)摩擦氣缸8中處于平衡狀態(tài)，氣浮活塞9上所支撐的模擬衛(wèi)星主體5得到重力補(bǔ)償；另一條氣路由空壓機(jī)把壓縮空氣經(jīng)處理后輸入比例閥B，氣流進(jìn)入氣浮墊10，從氣浮墊10和平臺(tái)基座11之間的縫隙中的多個(gè)出氣小孔流入大氣中，氣浮墊10浮在氣膜上能夠在平面內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)。
圖7是三維氣浮平臺(tái)的操作流程圖。該三維氣浮平臺(tái)需要結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行操作，主要操作流程如圖7。步驟為先將實(shí)驗(yàn)對(duì)象即模擬衛(wèi)星主體5固定，用兩根轉(zhuǎn)軸即橫向轉(zhuǎn)軸和縱向轉(zhuǎn)軸聯(lián)結(jié)在方形框6上(步驟100)，調(diào)整模擬衛(wèi)星主體5的安裝位置以保證其質(zhì)心在0點(diǎn)上，達(dá)到靜、動(dòng)平衡(步驟110)。檢查各閥門是否正常且在初始安全位置，給空氣壓縮機(jī)和控制器等上電，啟動(dòng)空壓機(jī)工作(步驟120)，當(dāng)壓力升到0.8MPa嗎(步驟130)？是，則打開總閥門(步驟140)，否，則繼續(xù)等待。此時(shí)處于準(zhǔn)備通氣工作狀態(tài)，控制器在輸入控制任務(wù)后檢查軟硬件看系統(tǒng)是否正常？(步驟150)，若不正常則不能實(shí)驗(yàn)，下電維修；若正常，按任務(wù)慢慢開啟控制兩個(gè)比例控制閥，使氣浮墊10和氣浮活塞9浮起，處于待命狀態(tài)(步驟160)。實(shí)施對(duì)捕獲接口4的捕獲或?qū)优鲎矊?shí)驗(yàn)，開始模擬實(shí)驗(yàn)并記錄結(jié)果(步驟170)，實(shí)驗(yàn)正常與否(步驟180)？否，實(shí)驗(yàn)中有不正?，F(xiàn)象則需要重新對(duì)系統(tǒng)檢查，實(shí)行故障診斷，若不能調(diào)整則下電維修，在此過程中可以有人參與；若是正常，則實(shí)驗(yàn)結(jié)束，慢慢減壓排出無(wú)摩擦氣缸8內(nèi)氣體，最后氣浮活塞9和氣浮墊10回落最低點(diǎn)(步驟190)，之后關(guān)斷空壓機(jī)和控制器(步驟200)，結(jié)束操作(步驟210)。
顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明的三維氣浮平臺(tái)與氣壓式重力補(bǔ)償方法進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種三維氣浮平臺(tái)，其特征在于其裝置包括置于平臺(tái)基座(11)上相互氣管連接的氣源部件(1)、氣壓控制部件(2)和模擬衛(wèi)星(3)；所述的氣源部件(1)包括空壓機(jī)和氣體處理設(shè)備，所述的空壓機(jī)包括儲(chǔ)氣罐和氣泵，其中空壓機(jī)通過管道開關(guān)和氣體處理設(shè)備相連接；所述的氣體控制部件(2)包括比例閥A、比例閥B和兩者電連接的控制器，其中比例閥A與比例閥B分別和氣源部件(1)用氣管相連接；所述的模擬衛(wèi)星(3)包括機(jī)械連接的捕獲接口(4)、模擬衛(wèi)星主體(5)、方形框(6)、支架(7)、無(wú)摩擦氣缸(8)、氣浮活塞(9)和氣浮墊(10)，其中捕獲接口(4)在衛(wèi)星主體(5)上方固定安裝，用于宇航員或空間機(jī)器或其它飛行器捕獲，人衛(wèi)星主體(5)前后用兩根轉(zhuǎn)軸同心聯(lián)結(jié)到方形框(6)上，所述的方形框(6)左右用另外兩根轉(zhuǎn)軸聯(lián)結(jié)到支架(7)上，所述的支架(7)通過固定螺母連接在無(wú)摩擦氣缸(8)的活塞桿上；所述的摩擦氣缸(8)上面置有出氣口、下面置有進(jìn)氣口和氣浮活塞(9)，進(jìn)氣口用管道和比例閥A相連接，氣浮活塞(9)置于無(wú)摩擦氣缸(8)中，利用氣體壓力驅(qū)動(dòng)，無(wú)摩擦氣缸(8)的總體置于氣浮墊(10)上；所述的氣浮活塞(9)為圓柱體，將普通活塞去除導(dǎo)向套和活塞上的密封圈保留間隙，氣浮活塞(9)中間置有空心導(dǎo)氣孔(12)，加長(zhǎng)活塞長(zhǎng)度使氣體由導(dǎo)氣孔(12)進(jìn)入小孔(14)，在無(wú)摩擦氣缸(8)內(nèi)壁和氣浮活塞(9)周邊的縫隙間形成潤(rùn)滑膜，并使氣體從無(wú)摩擦氣缸(8)上面的出氣口流入大氣，氣浮活塞(9)側(cè)面置有的多道渦流槽(13)對(duì)氣流有一定的阻礙作用，能夠減少泄漏使氣浮活塞(9)上下運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的摩擦??；所述的氣浮墊(10)置于平臺(tái)基座(11)上，也有一個(gè)進(jìn)氣口和多個(gè)出氣小孔，氣浮墊進(jìn)氣口為一管接口設(shè)置在氣浮墊(10)的上表面，用氣管和比例閥B連接，氣流由比例閥B進(jìn)入進(jìn)氣口后，通過氣浮墊(10)內(nèi)的通道流到出氣小孔，在氣浮墊(10)下表面和平臺(tái)基座(11)之間形成氣膜支撐，通過模擬衛(wèi)星(3)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)模擬衛(wèi)星主體(5)能夠在慣性空間進(jìn)行六自由度運(yùn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維氣浮平臺(tái)，其特征在于所述的氣浮活塞(9)上多個(gè)出氣小孔(14)為20以上，所述的氣浮活塞(9)上的多道渦流槽(13)為2～5個(gè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維氣浮平臺(tái)，其特征在于所述的氣浮墊(10)中的多個(gè)出氣小孔，為3個(gè)以上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維氣浮平臺(tái)，其特征在于所述的平臺(tái)基座(11)由花崗巖制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維氣浮平臺(tái)的氣壓式重力補(bǔ)償方法，其特征在于該方法包括用兩條可控的氣動(dòng)回路，一條由空壓機(jī)把壓縮空氣經(jīng)處理后輸入比例閥A，通過控制器調(diào)整氣體壓力后送入無(wú)摩擦氣缸(8)內(nèi)驅(qū)動(dòng)氣浮活塞(9)，實(shí)現(xiàn)氣浮活塞(9)懸浮在無(wú)摩擦氣缸(8)中處于平衡狀態(tài)，氣浮活塞(9)上所支撐的模擬衛(wèi)星主體(5)得到重力補(bǔ)償；另一條氣路由空壓機(jī)把壓縮空氣經(jīng)處理后輸入比例閥B，氣流進(jìn)入氣浮墊(10)，從氣浮墊(10)和平臺(tái)基座(11)之間的縫隙中的多個(gè)出氣小孔流入大氣中，氣浮墊(10)浮在氣膜上能夠在平面內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)；氣浮墊(10)能夠在水平面內(nèi)做x、y向的平動(dòng)和z向的轉(zhuǎn)動(dòng)，氣浮活塞(9)能夠做z向平動(dòng)；方形框(6)相對(duì)氣浮活塞(9)與支架(7)做x向轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬衛(wèi)星主體相對(duì)方形框(6)能夠做y向轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬衛(wèi)星主體(5)在慣性空間能夠做六自由度無(wú)約束運(yùn)動(dòng)，模擬出太空中浮游衛(wèi)星的真實(shí)運(yùn)動(dòng)形式。
全文摘要
本發(fā)明公開了三維氣浮平臺(tái)與氣壓式重力補(bǔ)償方法，三維氣浮平臺(tái)包括置于平臺(tái)基座上相互氣管連接的氣源部件、氣壓控制部件和模擬衛(wèi)星。模擬衛(wèi)星中采用的氣浮活塞側(cè)面置有多個(gè)出氣孔和多道渦流槽，在氣浮活塞和氣缸壁間隙中產(chǎn)生氣膜支撐，變固體間摩擦為流體摩擦。方法包括兩條可控的氣動(dòng)回路，一條由空壓機(jī)把壓縮空氣經(jīng)處理后輸入比例閥A，通過控制器調(diào)整氣體壓力后送入無(wú)摩擦氣缸內(nèi)驅(qū)動(dòng)氣浮活塞，使氣浮活塞上所支撐的模擬衛(wèi)星主體得到重力補(bǔ)償；另一條氣路由空壓機(jī)把壓縮空氣經(jīng)處理后輸入比例閥B，氣流進(jìn)入氣浮墊，使氣浮墊可以在平臺(tái)基座上自由運(yùn)動(dòng)，另外利用兩對(duì)轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)模擬衛(wèi)星主體轉(zhuǎn)動(dòng)，最終達(dá)到模擬衛(wèi)星主體能夠在慣性空間做六自由度運(yùn)動(dòng)。
文檔編號(hào)B64G7/00GK1986337SQ20061009816
公開日2007年6月27日 申請(qǐng)日期2006年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月2日
發(fā)明者梅濤, 姚燕生, 張衛(wèi)忠, 張濤 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院