СИСТЕМА ИМИТАЦИИ НЕВЕСОМОСТИ МНОГОЗВЕННЫХ МЕХАНИЗМОВ
SYSTEM FOR IMITATION OF ZERO GRAVITY OF MULTILINK MECHANISMS

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано, в частности, при сборке и испытаниях многозвенных крупногабаритных конструкций, рассчитанных на работу в невесомости. Изобретение может быть использовано для обезвешивания элементов многозвенной конструкции для устранения ее деформации или разрушения под действием силы земного тяготения при наземных испытаниях конструкции (экспериментального уточнения или идентификации параметров математической модели конструкции механизмов на Земле), или при физической отработке и проверке работы системы управления на Земле до проведения летных испытаний.
Известен "Стенд для моделирования невесомости двухзвенных механизмов" (см. патент SU 1467418 A1, G01M 13/02, 23.03.1989).
Он содержит основание с двумя параллельными прямолинейными направляющими, в них установлены четыре каретки с роликами, шкивы, установленные по два на каждой каретке, два основных гибких элемента, охватывающих шкивы кареток с образованием петли, и установленные в каждой петле подвижные блоки. Каретки установлены по две в каждой направляющей так, что каждые две взаимно противоположные каретки и принадлежащие им подвижные блоки образуют единую подвеску, предназначенную для присоединения через соединительные элементы к центру масс соответствующего звена или испытываемого механизма. Звенья соединены между собой и с основанием приводом. Два дополнительных гибких элемента жестко связаны каждый с соответствующей парой кареток, установленных в одной направляющей, а стенд снабжен двумя уравнительными механизмами, включающими в себя каждый электродвигатель с редуктором, установленным на выходном валу редуктора, регулировочный шкив и фрикционную муфту с пружиной и гайкой. Одни концы основных гибких элементов закреплены на основании, а другие их концы через дополнительный подвижный блок, закрепленный на первом противовесе, закреплены на барабане, установленном на основании. На одной из кареток установлено устройство управления соответствующим электродвигателем, включающее в себя кронштейн с управляющим стержнем, установленные на концах кронштейна ролики, охваченные соответствующим гибким элементом, и два концевых электровыключателя, предназначенных для взаимодействия с управляющим стержнем. Два дополнительных гибких элемента включены в состав второго уравнительного механизма, поэтому один из них охватывает регулировочный шкив второго электродвигателя. Одни концы этих гибких элементов присоединены ко второму (общему) противовесу, а другие их концы присоединены к соответствующим противовесам. Электродвигатель, входящий в первый уравнительный механизм и взаимодействующий с гибкими элементами, электрически связан через разъем с приводами звеньев испытываемого механизма и получает управляющий сигнал на направление вращения от их системы управления. А электродвигатель второго уравнительного механизма, взаимодействующий с гибкими элементами, электрически связан с концевыми выключателями устройства управления, установленного на одной из кареток. Под действием своих приводов звенья испытываемого механизма перемещаются в вертикальной плоскости.
Недостатками аналога являются сложность конструкции, невозможность измерения характеристик обезвешиваемой конструкции (моментов сопротивления, весовой составляющей, скорости перемещения подвижных элементов, усилий в структуре конструкции).
В качестве прототипа выбрано " Устройство имитации невесомости механизмов с гибкой конструкцией элементов " (см. патент RU 2334970).
Оно содержит электропривод вертикального перемещения, связанный с обезвешиваемым элементом гибкой связью, проходящей через каретку с нагрузочной ячейкой, служащей для определения усилия натяжения гибкой связи, перемещающуюся по направляющей, нагрузочная ячейка, связана с электроприводом вертикального перемещения через блок управления, который в свою очередь связан с электроприводом горизонтального перемещения через датчик, определяющий вертикальное положение гибкой связи и расположенный на каретке, при этом блок управления состоит из микроконтроллера и персонального компьютера. Блок управления формирует алгоритм работы устройства имитации невесомости путем снятия значения величин весовой составляющей в точках траектории движения обезвешиваемого элемента (при незадействованном механизме, приводящем в действие обезвешиваемый элемент). Снятие весовой составляющей осуществляется с нагрузочной ячейки при работе электропривода вертикального перемещения. Одновременно электропривод горизонтального перемещения каретки по команде с датчика угла поддерживает вертикальное положение гибкой связи. После формирования значений величин весовой составляющей приводится в действие механизм движения обезвешиваемого элемента. Данные с нагрузочной ячейки при задействованном механизме движения обезвешиваемого элемента сравниваются в БУ со значениями величин весовой составляющей при незадействованном механизме движения обезвешиваемого элемента и БУ выдает команду о величине скорости на электропривод вертикального перемещения. Одновременно электропривод горизонтального перемещения по команде с датчика угла на блок управления сообщает каретке поступательное движение.
Недостатком прототипа является малая длина перемещения каретки вследствие применения направляющей.
Целью изобретения является увеличение диапазона рабочей зоны системы.
Указанная цель достигается тем, что система имитации невесомости многозвенных механизмов, содержащая блок управления, в состав которого входят персональный компьютер, микроконтроллер и соответствующее программное обеспечение, весоизмерительную ячейку, электропривод, связанный гибкой связью (стропом) с обезвешиваемым элементом через датчик угла, определяющий ее вертикальное отклонение, содержит три исполнительных механизма, каждый из которых состоит из весоизмерительной ячейки, соединенной с платформой с датчиком угла горизонтального отклонения стропа и электроприводом, редуктор которого связан с катушкой, на которой намотан строп, идущий на тросоукладчик, на котором установлены датчик угла, определяющий ее вертикальное отклонение, и датчик расхода стропа, причем концы стропа с исполнительных механизмов соединяются, образуя точку подвеса обезвешиваемого элемента, а исполнительные механизмы установлены на координатную сетку (силовую конструкцию).
Анализ известных технических решений в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с совокупностью существенных отличительных признаков заявляемого устройства, и признать заявляемое решение соответствующим критерию "изобретательский уровень".
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 - состав системы имитации невесомости многозвенных механизмов; на фиг.2 - навесная координатная сетка (силовая конструкция); на фиг.3 - диапазон действия системы имитации невесомости многозвенных механизмов.
Система имитации невесомости многозвенных механизмов состоит из блока управления 1, в состав которого входят персональный компьютер, микроконтроллер и соответствующее программное обеспечение, и трех (минимум двух) исполнительных механизмов 2, закрепленных на навесной координатной сетке (силовой конструкции) 3 через быстросъемное крепление 5. На координатной сетке 3 имеются ответные посадочные места 4, расположенные с определенным шагом, для быстросъемного крепления 5. Исполнительный механизм 2 состоит из весоизмерительной ячейки 6, соединенной с платформой 7, имеющей в своем составе датчик угла 8, на которую крепится электродвигатель 9 с редуктором 10, связанный с катушкой 11, на которую намотан строп 15. Строп 15 с катушки 11 идет на тросоукладчик 12, на котором установлен датчик угла 13 и датчик расхода стропы 14. Концы стропа 15 с исполнительных механизмов 2 соединяются, образуя точку подвеса 16.
Предлагаемая система имитации невесомости многозвенных механизмов работает следующим образом: исполнительные механизмы 2 закрепляются на навесной координатной сетке 3 через быстросъемное крепление 5 в требуемых посадочных местах 4 в зависимости от диапазона рабочей зоны. Данные о месте положения исполнительных механизмов 2 вводятся в блок управления 1, в котором по этим данным определяется граница рабочей зоны системы. Концы строп 15 с трех исполнительных механизмов 2 соединяются, образуя точку подвеса 16, которая крепится за звено обезвешиваемого механизма. При этом в блок управления 1 поступает информация с датчиков расхода стропа 14 о величине роспуска строп 15, с датчиков углов 8, установленных на поворотной платформе 7, - о значении горизонтальных углов отклонения стропы (A1, A2, A3) и с датчиков углов 13, установленных на тросоукладчиках 12, - о значении вертикальных углов наклона стропа (B1, B2, В3). В блоке управления 1 по длине стропы 15 и двум углам вычисляется координата точки подвеса 16 в пространстве рабочей зоны. Если по данным с трех исполнительных механизмов 2 координаты отличаются, то за базовую координату берутся показания с одного исполнительного механизма 2, а по двум остальным исполнительным механизмам 2 длины стропа 15 пересчитываются относительно базовой координаты. Одновременно по данным с весоизмерительных ячеек 6 и с датчиков углов 13, установленных на тросоукладчиках 12, измеряющих значения вертикальных углов наклона стропа (B1, B2, В3), в блоке управления 1 вычисляются вес звена обезвешиваемого механизма и усилие натяжения стропа 15. После начала движения звена обезвешиваемого механизма в блок управления 1 поступает информация с весоизмерительных ячеек 6 и датчиков углов 13, по которой определяется изменение усилия натяжения стропа15, и блоком управления 1 выдается команда на электродвигатели 9 о величине роспуска или сбора стропа 15, тем самым происходит процесс создания определенного усилия в точке подвеса 16, соответствующего весу звена обезвешиваемого механизма.
Система имитации невесомости многозвенных механизмов имеет возможность работы в трех режимах:
- определение весовой составляющей;
- компенсация весовой составляющей;
- выполнение сборочных операций с точным позиционированием элементов собираемой конструкции.
В частном случае для обезвешивания элементов, движущихся по линейному закону, система имитации невесомости многозвенных механизмов может состоять из двух исполнительных механизмов.
Система имитации невесомости многозвенных механизмов ориентирована на различные скорости движения обезвешиваемых конструкций, а также имеет возможность удерживать конструкцию в целом в обезвешенном состоянии.
Система имитации невесомости многозвенных механизмов позволяет имитировать процесс движения элементов конструкции, имеющих разную скорость движения в обезвешенном состоянии, путем установки системы на каждый отдельный элемент или звено конструкции. Взаимодействие системы обеспечивается через блок управления.
Реализация предлагаемого изобретения позволяет существенно расширить диапазон охвата рабочей зоны. Использование системы дает возможность имитации невесомости для подвижных элементов конструкций и определения их характеристик (весовых составляющих, фактических моментов сопротивления) индивидуально по каждому элементу обезвешиваемой конструкции в любой точке ее траектории.