1. 設(shè)備設(shè)計(jì)組成部分

　　1) 機(jī)體(金屬支架及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu))

　　2) 產(chǎn)品安裝工裝

　　3) 控制監(jiān)測系統(tǒng)(機(jī)柜、工控機(jī)、PLC及測量)。

　　2. 重力

　　質(zhì)量相同的物體在地球上和月球上的重力不一樣， 實(shí)現(xiàn)低重力模擬有6種方式分為，自由落塔法，氣浮法，水浮法，懸吊法，磁懸浮法，機(jī)械旋轉(zhuǎn)法。

　　我們經(jīng)過技術(shù)討論最終采用機(jī)械旋轉(zhuǎn)法。

　　重力是在已經(jīng)存在的理論基礎(chǔ)上，經(jīng)過科學(xué)思維人為地想象出來的虛擬力。因此重力的定義比較復(fù)雜。因此還是以地球和月球?yàn)槔膶?duì)比來說吧。

　　地球?qū)ξ矬w會(huì)產(chǎn)生萬有引力，但物體在地球表面會(huì)隨地球一起做圓周運(yùn)動(dòng)做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由萬有引力提供，如果從字面上來看，人們之所以感受到一個(gè)物體的重量，是因?yàn)槟闷饋頃r(shí)要克服的力，而這個(gè)力則是除去向心力萬有引力剩下的部分的作用。月球同樣會(huì)自轉(zhuǎn)，原理與地球相同。

　　相對(duì)于地球和月球的引力，萬有引力提供的作圓周運(yùn)動(dòng)的向心力相對(duì)于萬有引力來說甚至可以忽略，而對(duì)于相同質(zhì)量的物體，在地球上所受到的萬有引力遠(yuǎn)大于在月球上所受到的萬有引力，因此在地球上受到的重力也遠(yuǎn)大于在月球上的重力。

　　G為萬有引力常數(shù)，M為地球質(zhì)量，m為物體質(zhì)量，r為距離(在地球上就是地心與物體的距離，在月球上就是月心與物體間的距離)

　　經(jīng)計(jì)算，地球?qū)ν|(zhì)量物體產(chǎn)生的萬有引力是月球的6倍左右。

　　物理學(xué)說法,一千克是質(zhì)量,地球上一千克的物體,月球上還是一千克.重力按牛來算,月球引力是地球的六分之一.據(jù)科學(xué)家推算，在地球上重1千克的物體到月球上大約重0.16千克。

　　低重力(微重力)?

　　指重力加速度顯著低于地球表面重力(1g≈9.8m/s2)的環(huán)境，例如太空中的微重力環(huán)境(接近10??g量級(jí))。

　　特征：物體所受重力作用減弱，可自由懸浮，適用于研究細(xì)胞生長、材料制備等對(duì)重力敏感的領(lǐng)域。

　　?超重力?

　　指通過設(shè)備產(chǎn)生高于地球重力的加速度環(huán)境(可達(dá)數(shù)百至數(shù)千倍重力加速度)，用于強(qiáng)化傳質(zhì)、反應(yīng)效率。

　　特征：液體表面張力作用減弱，形成極小的液滴或液膜，大幅提升氣液/固接觸面積

　　低重力模擬技術(shù)

　　自由落體法(落塔)?

　　通過真空塔內(nèi)物體自由下落模擬微重力環(huán)境，精度達(dá)10??~10??g，單次持續(xù)時(shí)間約數(shù)秒至10秒(如日本JAMIC落塔)。

　　缺點(diǎn)：設(shè)備造價(jià)高，實(shí)驗(yàn)時(shí)間短，樣品回收復(fù)雜。

　　?拋物線飛行/飛機(jī)模擬?

　　利用飛機(jī)拋物線軌跡產(chǎn)生短暫(約20秒)微重力階段，成本較高且適用性受限。

　　?旋轉(zhuǎn)裝置模擬?

　　采用三維回轉(zhuǎn)系統(tǒng)(如DARC-G)，通過旋轉(zhuǎn)抵消重力矢量，實(shí)現(xiàn)長時(shí)間、可重復(fù)的微重力效應(yīng)，適用于細(xì)胞培養(yǎng)等研究。

　　超重力模擬技術(shù)

　　?旋轉(zhuǎn)填充床(RPB/HiGee技術(shù))?

　　核心為高速旋轉(zhuǎn)的多孔填料轉(zhuǎn)子，液相受離心力作用被撕裂為微小單元，與逆向流動(dòng)的氣相高效接觸，強(qiáng)化傳質(zhì)效率。

　　應(yīng)用：二氧化碳捕集、納米材料制備等。

　　?智能一體化系統(tǒng)?

　　集成旋轉(zhuǎn)裝置、培養(yǎng)容器及控制系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)微重力或超重力環(huán)境切換。

　　技術(shù)特點(diǎn)：準(zhǔn)確控制重力參數(shù)(如超重力倍數(shù))、實(shí)時(shí)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(如細(xì)胞生長、溫度變化)?

　　典型應(yīng)用場景

　　低重力?：太空生物學(xué)研究(細(xì)胞分化)、均勻材料合成(減少重力引起的沉積不均)?

　　?超重力?：化工反應(yīng)強(qiáng)化、廢氣處理(縮短反應(yīng)時(shí)間)、生物醫(yī)學(xué)(模擬超重對(duì)細(xì)胞的影響)?

　　3. 低重力(微重力)旋轉(zhuǎn)模擬技術(shù)方案

　　1. ?三維回轉(zhuǎn)系統(tǒng)(如DARC-G)?

　　?結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?：

　　由內(nèi)外嵌套的旋轉(zhuǎn)框架構(gòu)成，外層框架通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)水平旋轉(zhuǎn)，內(nèi)層框架可調(diào)整傾斜角度以抵消重力矢量。

　　實(shí)驗(yàn)艙固定于內(nèi)層框架，通過準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)速控制(通常為5~30 rpm)使離心力與重力平衡，形成等效微重力環(huán)境。

　　?原理實(shí)現(xiàn)?：

　　通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力抵消重力，使實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)物體所受合力趨近于零，模擬微重力效應(yīng)。

　　動(dòng)態(tài)調(diào)整旋轉(zhuǎn)軸方向，可模擬不同方向的低重力狀態(tài)(如月球或火星重力)。

　　?控制技術(shù)?：

　　采用伺服電機(jī)與陀螺儀反饋系統(tǒng)，實(shí)時(shí)修正轉(zhuǎn)速和框架角度，確保重力殘余量低于10?3g。

　　集成溫控與氣體環(huán)境模塊，滿足生物實(shí)驗(yàn)需求(如細(xì)胞培養(yǎng))?

　　4. 超重力旋轉(zhuǎn)模擬技術(shù)方案

　　1.旋轉(zhuǎn)填充床(RPB/HiGee技術(shù))?

　　?核心結(jié)構(gòu)?：

　　高速轉(zhuǎn)子(轉(zhuǎn)速1000~5000 rpm)內(nèi)置多孔填料層(如金屬絲網(wǎng)或陶瓷顆粒)，形成超重力場。

　　液體通過中心分布器進(jìn)入轉(zhuǎn)子，受離心力作用被撕裂為微米級(jí)液膜或液滴;氣體從外緣逆向流動(dòng)，強(qiáng)化氣液接觸。

　　?超重力生成機(jī)制?：

　　離心加速度與轉(zhuǎn)速平方成正比，公式為 a=ω2ra=ω2r(ωω為角速度，rr為轉(zhuǎn)子半徑)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)十至數(shù)千倍重力加速度。

　　通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速(變頻電機(jī)控制)動(dòng)態(tài)調(diào)整超重力倍數(shù)。

　　?關(guān)鍵參數(shù)控制?：

　　填料孔隙率(60%~95%)與轉(zhuǎn)子尺寸(直徑0.1~2 m)影響傳質(zhì)效率，需根據(jù)反應(yīng)需求優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　　實(shí)時(shí)監(jiān)測溫度、壓力及流量，采用PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制?

　　2. ?智能一體化旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)?

　　?集成設(shè)計(jì)?：

　　同一設(shè)備通過切換旋轉(zhuǎn)模式(低速/高速)實(shí)現(xiàn)微重力與超重力環(huán)境交替模擬。

　　實(shí)驗(yàn)艙模塊化設(shè)計(jì)，支持快速更換填料或?qū)嶒?yàn)容器(如生物反應(yīng)器、化學(xué)合成腔)。

　　?智能化控制?：

　　基于AI算法預(yù)測較好轉(zhuǎn)速與實(shí)驗(yàn)參數(shù)，結(jié)合傳感器實(shí)時(shí)反饋(如pH值、氧濃度)自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)。

　　支持遠(yuǎn)程操作與數(shù)據(jù)云端存儲(chǔ)，適用于長期連續(xù)實(shí)驗(yàn)(如藥物開發(fā))?

　　5. 技術(shù)對(duì)比與優(yōu)化方向

　　技術(shù)類型??低重力旋轉(zhuǎn)模擬??超重力旋轉(zhuǎn)模擬?

　　?核心參數(shù)?轉(zhuǎn)速5~30 rpm，殘余重力<10?3g?轉(zhuǎn)速1000~5000 rpm，重力倍數(shù)10~1000g?

　　?能耗?低(伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng))高(高速轉(zhuǎn)子需大功率變頻電機(jī))

　　?實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間?數(shù)小時(shí)至數(shù)天(可連續(xù)運(yùn)行)?數(shù)分鐘至數(shù)小時(shí)(受材料耐受力限制)?

　　?優(yōu)化方向?提升多軸協(xié)同精度，減少振動(dòng)干擾?開發(fā)耐腐蝕、耐磨損的轉(zhuǎn)子材料?

　　6. 設(shè)備說明

　　7. 校核計(jì)算

　　7.1. 電機(jī)的選比與力矩的核算

　　低重力系統(tǒng)可以使用的電機(jī)類型有:步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)和力矩電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)，最主要的優(yōu)點(diǎn)為價(jià)格便宜，適合于開環(huán)控制，不過其低頻振動(dòng)問題相比較于伺服電機(jī)較為嚴(yán)重，易出現(xiàn)丟步與過沖問題，因此步進(jìn)電機(jī)大多用在對(duì)控制精度要求不高的場合，并且在搭建系統(tǒng)中產(chǎn)生過這樣一種故障模式:在控制器死機(jī)后其仍然向外發(fā)送脈沖，步進(jìn)電機(jī)并不能減小這種故障模式帶來的風(fēng)險(xiǎn);相比較于步進(jìn)電機(jī)，伺服電機(jī)更適用于做控制系統(tǒng)閉環(huán)控制，并且大多數(shù)全數(shù)字式伺服電機(jī)精度都較高，不過伺服電機(jī)在做力矩閉環(huán)時(shí)，一般都采用減速比較大的減速器，這就降低了系統(tǒng)的效率，同時(shí)也引入了較大的干擾摩擦，因此伺服電機(jī)更適合做位置控制，而不適用于力控制;力矩電機(jī)，轉(zhuǎn)速較低，可以配合較適中的減速比，并且其輸出扭矩較大。因此系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)我們選用交流力矩電機(jī)，又考慮系統(tǒng)性能指標(biāo)，工作拉力在1000N，較大不超過3000N的要求我們選用科爾摩根 C062 力矩電機(jī)。

　　科爾摩根力矩電機(jī)

　　7.2. 力矩的核算

　　系統(tǒng)指標(biāo)要求鋼絲繩較大拉力不超過3000N，設(shè)鋼絲繩承受較大拉力時(shí)，卷筒半徑為0.075m，那么力矩折算到減速機(jī)輸出端3000N*75mm=225Nm，又有電機(jī)額定力矩 50Nm，系統(tǒng)使用減速比i=5，折算到減速器輸出軸為 50Nm*5=250Nm，那么 225Nm<250Nm，有足夠的安全裕量，并且系統(tǒng)工作點(diǎn)拉力為1000N，遠(yuǎn)低于要求較大拉力。并且225Nm折算到減速器的輸入端 225Nm/5=45Nm，那么我們可以選擇制動(dòng)力矩大于60Nm的抱閘即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的緊急制動(dòng)。綜上經(jīng)過力矩核算，電機(jī)力矩滿足系統(tǒng)要求(2)拉壓力傳感器選比及誤差核算

　　拉壓力傳感器原理是通過測量繩上拉壓力的大小改變電阻應(yīng)變片的阻值7從而改變輸出電壓。按照走線方式劃分:適合直接測量的拉壓力傳感器和旁路測量的拉壓力傳感器;按照傳感器的結(jié)構(gòu)形狀劃分:S型，Z柱型，O型等。直接測量和旁路測量。直接測量方法就是把拉壓力傳感器串聯(lián)到鋼絲繩的末端，此方法較大的優(yōu)點(diǎn)就是測量精度高，不過當(dāng)待實(shí)驗(yàn)物體上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器的信號(hào)線也會(huì)隨之運(yùn)動(dòng)，這就給系統(tǒng)引入了不確定性。旁路測量就是把拉力傳感器直接安裝在吊索中間，省去電纜的走線，如果使用這種方式就必須考慮鋼絲繩的彎折對(duì)拉力測量精度的影響，其通常應(yīng)用于對(duì)拉力誤差容忍度較大的系統(tǒng)。由于低重力模擬系統(tǒng)要求拉力誤差小于百分之一，因此我們選擇直接測量法，并目通過加入彈簧線的方法，解決了傳感器的信號(hào)線帶來的不確定性。

　　由于S型傳感器相較于其他形式的傳感器測量精度較高，并且使用更加廣泛經(jīng)過對(duì)比決定使用德國 HBM的拉壓力傳感器。

　　HBM拉壓力傳感器實(shí)物圖

　　HBM 拉壓力傳感器誤差核算。傳感器的誤差來源:偏移量誤差，靈敏度誤差，線性誤差，滯后誤差，噪聲及干擾引起的誤差。查閱手冊(cè)我們可以知道，傳感器靈敏度為 2mv/v，其精度等級(jí)為0.02%，溫度系數(shù)為0.02%/10K本身具備較高的精度與靈敏度8]，另外傳感器與其匹配的信號(hào)調(diào)理板(AD103C)配合使用，補(bǔ)償了零點(diǎn)漂移與溫度漂移，此外線性誤差和滯后誤差對(duì)傳感器影響較小，綜上考慮可

　　7.3. 控制器選比與運(yùn)算時(shí)間核算

　　系統(tǒng)的控制器有如下幾種實(shí)現(xiàn)方式:工控機(jī)加板卡，嵌入式控制器，NI的CompactRIO ，PLC等。

　　工控機(jī)加板卡主要用于中小型的控制系統(tǒng)，其具有配置靈活，易于編程，可以基于pc優(yōu)秀的界面進(jìn)行開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)。另外板卡的選擇也多種多樣，PMAC運(yùn)動(dòng)控制板卡就是其中優(yōu)秀的代表，PMAC可以嵌入工控機(jī)或者脫機(jī)單獨(dú)運(yùn)行，并且其可以有脈沖、模擬量等多種輸出形式。但是工控機(jī)較大的缺點(diǎn)就是系統(tǒng)及程序不透明，對(duì)其底層進(jìn)行了封裝。這樣做的好處不言而喻，用戶可以方便的根據(jù)封裝的內(nèi)部函數(shù)進(jìn)行控制器的開發(fā)，但是由于開發(fā)者不知道底層的定義及原理，因此帶來了很大的不確定性，對(duì)可靠性要求不太高的控制系統(tǒng)，是可以接受的，但是對(duì)航天航空來說，這種控制方案可靠性有待提高。

　　嵌入式控制器。嵌入式控制芯片多種多樣，如單片機(jī)、適用于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的TIC2000系列 DSP，ARM 公司的ARM7、ARM9等。另外許多公司使用上述芯片，外圍設(shè)計(jì)并加入了保護(hù)性電路和芯片，使其更加適合在外界嚴(yán)苛的環(huán)境下工作。但是使用嵌入式控制器需要在前期電路板的設(shè)計(jì)方面投入相當(dāng)大的精力，另外PCB板的EMC電磁兼容設(shè)計(jì)與其可靠性檢驗(yàn)都是十分繁瑣的，這會(huì)大大增加控制系統(tǒng)的開發(fā)周期。NI的 CompactRIO，F(xiàn)PGA 芯片被封裝在控制器內(nèi)部，運(yùn)行1inuxrealtime 控制系統(tǒng)，適應(yīng)嚴(yán)苛的環(huán)境，具備在-40°至70°環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行的能力，另外其可以與NI的上位機(jī) Labview 配合使用，縮短系統(tǒng)的研發(fā)周期。但是其價(jià)格昂貴，大約是 PLC 的六到一倍。

　　可編程邏輯控制器 PLC，市場上使用較廣泛的PLC控制器有:西門子、ABB三菱、歐姆龍、施耐德。其中西門子PLC 具有較高的可靠性、較完善的開發(fā)配件等優(yōu)點(diǎn)，因此占據(jù)較大的市場份額。PLC-300就是西門子系列PLC的代表，被大量用在過程控制、運(yùn)動(dòng)控制等領(lǐng)域，并且西門子公司和其他公司為其研發(fā)了-系列配套模塊如:通訊模塊，信號(hào)采集模塊，I0模塊等，可以方便的根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展。并且西門子提供了多達(dá)五種編程語言如:類似匯編的語句表語言，類似語言的結(jié)構(gòu)文本語言，還有梯形圖，功能塊圖和順序功能。但是PC也有缺點(diǎn):plc-300主程序循環(huán)周期最快能達(dá)到1Khz，和嵌入式控制器比起來小了幾個(gè)量級(jí)。這也決定著plc不能處理過于復(fù)雜的運(yùn)算，因?yàn)闀?huì)使主頻進(jìn)一步降低。不過由于該低重力系統(tǒng)只有一個(gè)吊點(diǎn)，經(jīng)過核算其可以滿足控制系統(tǒng)要求就計(jì)算能力和實(shí)時(shí)性來說上述幾個(gè)控制器都可以滿足要求;從研發(fā)周期來說CompactRIO和PLC具有優(yōu)勢;主要分析可靠性，這里的可靠性包括兩點(diǎn):控制器軟硬件的可靠性和編程與維護(hù)的可靠性。控制器軟硬件的可靠性是指控制器本身運(yùn)行的穩(wěn)定性，在此方面PLC相比較另外的幾種控制器來說優(yōu)勢較大。編程與維護(hù)的可靠性是指編程人員與維護(hù)人員安全的修改程序的難易性，PLC和嵌入式控制器在這方面有較大的優(yōu)勢。故選定西門子PLC-300作為低重力模擬系統(tǒng)的控制器述。

　　S7-315型PLC運(yùn)算時(shí)間核算。擬設(shè)定采樣頻率600Hz,即周期1.6ms。S7-315型 PLC浮點(diǎn)運(yùn)算 0.45 us /次,位運(yùn)算 0.05 us /次,字運(yùn)算 0.09 us/次,定點(diǎn)運(yùn)算 0.12us/次。經(jīng)查，在實(shí)驗(yàn)室以往恒拉力項(xiàng)目中，每定時(shí)器周期執(zhí)行代碼不多于2600條指令，假設(shè)每條指令平均執(zhí)行運(yùn)算2次，其中浮點(diǎn)運(yùn)算不多于116，定點(diǎn)運(yùn)算每周期不多于 1/6，其它均為邏輯判斷、IO 操作和賦值，共耗時(shí)0.45*N/6+0.12*N/6+0.09*N*(1-1/6-1/6)=670us/周期,其中 N=5200。那么時(shí)間滿足要求零重力系統(tǒng)基本原理。零重力顧名思義就是為了模擬太空或者星球上重力環(huán)境而人為搭建的裝置，使用懸吊法搭建零重力系統(tǒng)，系統(tǒng)在運(yùn)行過程中懸吊實(shí)驗(yàn)物體的鋼絲繩上拉力保持不變，因此在這種情況下零重力系統(tǒng)也叫恒拉力系統(tǒng)。

　　對(duì)實(shí)驗(yàn)物體受力分析，有關(guān)系式成立，也就是說實(shí)驗(yàn)物體在運(yùn)動(dòng)過程中受到自身推力N、重力mg、繩上拉力T共三個(gè)力的作用。

　　N+T-mg=ma

　　在太空中有如下關(guān)系式成立

　　N= ma

　　也就是說，在太空中物體處于漂浮狀態(tài)，其加速度只與自身推進(jìn)器產(chǎn)生的推力相關(guān)，做差，得出T=mg成立，那么不僅要保證物體在初始狀態(tài)時(shí)繩上拉力可以平衡掉物體重力，在物體運(yùn)動(dòng)過程中也要保證此條件成立。

　　綜上可以得出，低重力控制系統(tǒng)的被控對(duì)象為實(shí)驗(yàn)物體，被控量為懸掛物體的吊索上的拉力，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為力矩電機(jī)，控制器為PLC，測量元件為 HBM 拉壓力傳感器。

　　(a)-外部設(shè)計(jì) (b)-微重力傳感器的內(nèi)部設(shè)計(jì)微重力加速度數(shù)據(jù)采集在微重力生命和物理科學(xué)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域具有交叉學(xué)科用途。在微重力模擬設(shè)備上表征微重力條件,SimulTek采用加速度計(jì)傳感器進(jìn)行。

　　微重力加速度傳感器系統(tǒng)被用于微重力模擬裝置平臺(tái)上，用于微重力加速度數(shù)據(jù)采集。該傳感器使用MEMS加速度計(jì)和先進(jìn)的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。傳感器靈敏度小于1微克，可達(dá)到0.1到25Hz的微重力分辨率，并可以擴(kuò)展到1500Hz.

　　所述的一種 1/6g低重力平衡吊掛裝置的控制系統(tǒng),其特征在于,所述試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)信息包括位置、速度/加速度、主/被動(dòng)約束力、靜剛度分布、工作行程動(dòng)力平衡、碰撞及干涉檢查信息。1/6g低重力平衡吊掛裝置的控制系統(tǒng),其特征在于,所述恒張力控制采用彈簧緩沖裝置實(shí)現(xiàn),根據(jù)恒張力控制桿的偏移信號(hào),對(duì)吊索進(jìn)行PID控制,保證恒張力控制桿在正常的工作范圍內(nèi)，具體為:在系統(tǒng)運(yùn)行過程中,當(dāng)張力傳感器測量值減少時(shí),伺服電動(dòng)缸伸出,推動(dòng)動(dòng)滑輪,張緊吊掛繩索,使吊掛繩索的張力滿足張力要求;當(dāng)伺服電動(dòng)缸的伸出量達(dá)到Smax時(shí),系統(tǒng)啟動(dòng)卷揚(yáng)電機(jī),緩慢收縮吊掛繩索,伺服電動(dòng)缸根據(jù)張力傳感器的張力變化收縮;當(dāng)收縮至伺服電動(dòng)缸行程為Smid時(shí),卷揚(yáng)伺服電機(jī)停止工作,電機(jī)制動(dòng)抱閘抱緊。

　　1/6g低重力平衡吊掛裝置的控制系統(tǒng),其特征在于,所述輔助吊點(diǎn)跟隨控制單元采用經(jīng)典的PID控制原理,通過控制伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng),保證吊索始終保持鉛垂。