1. 設備設計組成部分

　　1) 機體(金屬支架及旋轉機構)

　　2) 產品安裝工裝

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

　　2. 重力

　　質量相同的物體在地球上和月球上的重力不一樣， 實現(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，機械旋轉法。

　　我們經過技術討論最終采用機械旋轉法。

　　重力是在已經存在的理論基礎上，經過科學思維人為地想象出來的虛擬力。因此重力的定義比較復雜。因此還是以地球和月球為例的對比來說吧。

　　地球對物體會產生萬有引力，但物體在地球表面會隨地球一起做圓周運動做圓周運動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物體的重量，是因為拿起來時要克服的力，而這個力則是除去向心力萬有引力剩下的部分的作用。月球同樣會自轉，原理與地球相同。

　　相對于地球和月球的引力，萬有引力提供的作圓周運動的向心力相對于萬有引力來說甚至可以忽略，而對于相同質量的物體，在地球上所受到的萬有引力遠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大于在月球上的重力。

　　G為萬有引力常數(shù)，M為地球質量，m為物體質量，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)

　　經計算，地球對同質量物體產生的萬有引力是月球的6倍左右。

　　物理學說法,一千克是質量,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)。

　　特征：物體所受重力作用減弱，可自由懸浮，適用于研究細胞生長、材料制備等對重力敏感的領域。

　　?超重力?

　　指通過設備產生高于地球重力的加速度環(huán)境(可達數(shù)百至數(shù)千倍重力加速度)，用于強化傳質、反應效率。

　　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

　　自由落體法(落塔)?

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

　　缺點：設備造價高，實驗時間短，樣品回收復雜。

　　?拋物線飛行/飛機模擬?

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

　　?旋轉裝置模擬?

　　采用三維回轉系統(tǒng)(如DARC-G)，通過旋轉抵消重力矢量，實現(xiàn)長時間、可重復的微重力效應，適用于細胞培養(yǎng)等研究。

　　超重力模擬技術

　　?旋轉填充床(RPB/HiGee技術)?

　　核心為高速旋轉的多孔填料轉子，液相受離心力作用被撕裂為微小單元，與逆向流動的氣相高效接觸，強化傳質效率。

　　應用：二氧化碳捕集、納米材料制備等。

　　?智能一體化系統(tǒng)?

　　集成旋轉裝置、培養(yǎng)容器及控制系統(tǒng)，通過調節(jié)轉速實現(xiàn)微重力或超重力環(huán)境切換。

　　技術特點：準確控制重力參數(shù)(如超重力倍數(shù))、實時監(jiān)測實驗數(shù)據(jù)(如細胞生長、溫度變化)?

　　典型應用場景

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

　　?超重力?：化工反應強化、廢氣處理(縮短反應時間)、生物醫(yī)學(模擬超重對細胞的影響)?

　　3. 低重力(微重力)旋轉模擬技術方案

　　1. ?三維回轉系統(tǒng)(如DARC-G)?

　　?結構設計?：

　　由內外嵌套的旋轉框架構成，外層框架通過電機驅動實現(xiàn)水平旋轉，內層框架可調整傾斜角度以抵消重力矢量。

　　實驗艙固定于內層框架，通過準確的轉速控制(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。

　　?原理實現(xiàn)?：

　　通過旋轉產生的離心力抵消重力，使實驗艙內物體所受合力趨近于零，模擬微重力效應。

　　動態(tài)調整旋轉軸方向，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?：

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

　　集成溫控與氣體環(huán)境模塊，滿足生物實驗需求(如細胞培養(yǎng))?

　　4. 超重力旋轉模擬技術方案

　　1.旋轉填充床(RPB/HiGee技術)?

　　?核心結構?：

　　高速轉子(轉速1000~5000 rpm)內置多孔填料層(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入轉子，受離心力作用被撕裂為微米級液膜或液滴;氣體從外緣逆向流動，強化氣液接觸。

　　?超重力生成機制?：

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

　　通過調節(jié)轉速(變頻電機控制)動態(tài)調整超重力倍數(shù)。

　　?關鍵參數(shù)控制?：

　　填料孔隙率(60%~95%)與轉子尺寸(直徑0.1~2 m)影響傳質效率，需根據(jù)反應需求優(yōu)化設計。

　　實時監(jiān)測溫度、壓力及流量，采用PLC系統(tǒng)實現(xiàn)閉環(huán)控制?

　　2. ?智能一體化旋轉系統(tǒng)?

　　?集成設計?：

　　同一設備通過切換旋轉模式(低速/高速)實現(xiàn)微重力與超重力環(huán)境交替模擬。

　　實驗艙模塊化設計，支持快速更換填料或實驗容器(如生物反應器、化學合成腔)。

　　?智能化控制?：

　　基于AI算法預測較好轉速與實驗參數(shù)，結合傳感器實時反饋(如pH值、氧濃度)自動調整運行狀態(tài)。

　　支持遠程操作與數(shù)據(jù)云端存儲，適用于長期連續(xù)實驗(如藥物開發(fā))?

　　5. 技術對比與優(yōu)化方向

　　技術類型??低重力旋轉模擬??超重力旋轉模擬?

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

　　?能耗?低(伺服電機驅動)高(高速轉子需大功率變頻電機)

　　?實驗持續(xù)時間?數(shù)小時至數(shù)天(可連續(xù)運行)?數(shù)分鐘至數(shù)小時(受材料耐受力限制)?

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

　　6. 設備說明

　　7. 校核計算

　　7.1. 電機的選比與力矩的核算

　　低重力系統(tǒng)可以使用的電機類型有:步進電機、伺服電機和力矩電機。步進電機，最主要的優(yōu)點為價格便宜，適合于開環(huán)控制，不過其低頻振動問題相比較于伺服電機較為嚴重，易出現(xiàn)丟步與過沖問題，因此步進電機大多用在對控制精度要求不高的場合，并且在搭建系統(tǒng)中產生過這樣一種故障模式:在控制器死機后其仍然向外發(fā)送脈沖，步進電機并不能減小這種故障模式帶來的風險;相比較于步進電機，伺服電機更適用于做控制系統(tǒng)閉環(huán)控制，并且大多數(shù)全數(shù)字式伺服電機精度都較高，不過伺服電機在做力矩閉環(huán)時，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，同時也引入了較大的干擾摩擦，因此伺服電機更適合做位置控制，而不適用于力控制;力矩電機，轉速較低，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)行機構我們選用交流力矩電機，又考慮系統(tǒng)性能指標，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。

　　科爾摩根力矩電機

　　7.2. 力矩的核算

　　系統(tǒng)指標要求鋼絲繩較大拉力不超過3000N，設鋼絲繩承受較大拉力時，卷筒半徑為0.075m，那么力矩折算到減速機輸出端3000N*75mm=225Nm，又有電機額定力矩 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)工作點拉力為1000N，遠低于要求較大拉力。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力矩大于60Nm的抱閘即可實現(xiàn)電機的緊急制動。綜上經過力矩核算，電機力矩滿足系統(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;按照傳感器的結構形狀劃分: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)點就是測量精度高，不過當待實驗物體上下運動時，傳感器的信號線也會隨之運動，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拉力測量精度的影響，其通常應用于對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過對比決定使用德國 HBM的拉壓力傳感器。

　　HBM拉壓力傳感器實物圖

　　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。查閱手冊我們可以知道，傳感器靈敏度為 2mv/v，其精度等級為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調理板(AD103C)配合使用，補償了零點漂移與溫度漂移，此外線性誤差和滯后誤差對傳感器影響較小，綜上考慮可

　　7.3. 控制器選比與運算時間核算

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

　　工控機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)秀的界面進行開發(fā)等優(yōu)點。另外板卡的選擇也多種多樣，PMAC運動控制板卡就是其中優(yōu)秀的代表，PMAC可以嵌入工控機或者脫機單獨運行，并且其可以有脈沖、模擬量等多種輸出形式。但是工控機較大的缺點就是系統(tǒng)及程序不透明，對其底層進行了封裝。這樣做的好處不言而喻，用戶可以方便的根據(jù)封裝的內部函數(shù)進行控制器的開發(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，對可靠性要求不太高的控制系統(tǒng)，是可以接受的，但是對航天航空來說，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、適用于運動控制系統(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，外圍設計并加入了保護性電路和芯片，使其更加適合在外界嚴苛的環(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計方面投入相當大的精力，另外PCB板的EMC電磁兼容設計與其可靠性檢驗都是十分繁瑣的，這會大大增加控制系統(tǒng)的開發(fā)周期。NI的 CompactRIO，F(xiàn)PGA 芯片被封裝在控制器內部，運行1inuxrealtime 控制系統(tǒng)，適應嚴苛的環(huán)境，具備在-40°至70°環(huán)境下穩(wěn)定運行的能力，另外其可以與NI的上位機 Labview 配合使用，縮短系統(tǒng)的研發(fā)周期。但是其價格昂貴，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，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、運動控制等領域，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，信號采集模塊，I0模塊等，可以方便的根據(jù)需要進行擴展。并且西門子提供了多達五種編程語言如:類似匯編的語句表語言，類似語言的結構文本語言，還有梯形圖，功能塊圖和順序功能。但是PC也有缺點:plc-300主程序循環(huán)周期最快能達到1Khz，和嵌入式控制器比起來小了幾個量級。這也決定著plc不能處理過于復雜的運算，因為會使主頻進一步降低。不過由于該低重力系統(tǒng)只有一個吊點，經過核算其可以滿足控制系統(tǒng)要求就計算能力和實時性來說上述幾個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:控制器軟硬件的可靠性和編程與維護的可靠性。控制器軟硬件的可靠性是指控制器本身運行的穩(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。編程與維護的可靠性是指編程人員與維護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運算時間核算。擬設定采樣頻率600Hz,即周期1.6ms。S7-315型 PLC浮點運算 0.45 us /次,位運算 0.05 us /次,字運算 0.09 us/次,定點運算 0.12us/次。經查，在實驗室以往恒拉力項目中，每定時器周期執(zhí)行代碼不多于2600條指令，假設每條指令平均執(zhí)行運算2次，其中浮點運算不多于116，定點運算每周期不多于 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)在運行過程中懸吊實驗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)。

　　對實驗物體受力分析，有關系式成立，也就是說實驗物體在運動過程中受到自身推力N、重力mg、繩上拉力T共三個力的作用。

　　N+T-mg=ma

　　在太空中有如下關系式成立

　　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器產生的推力相關，做差，得出T=mg成立，那么不僅要保證物體在初始狀態(tài)時繩上拉力可以平衡掉物體重力，在物體運動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)的被控對象為實驗物體，被控量為懸掛物體的吊索上的拉力，執(zhí)行機構為力矩電機，控制器為PLC，測量元件為 HBM 拉壓力傳感器。

　　(a)-外部設計 (b)-微重力傳感器的內部設計微重力加速度數(shù)據(jù)采集在微重力生命和物理科學以及結構動力學領域具有交叉學科用途。在微重力模擬設備上表征微重力條件,SimulTek采用加速度計傳感器進行。

　　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加速度計和先進的模擬數(shù)字轉換器。傳感器靈敏度小于1微克，可達到0.1到25Hz的微重力分辨率，并可以擴展到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,所述試驗臺運行狀態(tài)信息包括位置、速度/加速度、主/被動約束力、靜剛度分布、工作行程動力平衡、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現(xiàn),根據(jù)恒張力控制桿的偏移信號,對吊索進行PID控制,保證恒張力控制桿在正常的工作范圍內，具體為:在系統(tǒng)運行過程中,當張力傳感器測量值減少時,伺服電動缸伸出,推動動滑輪,張緊吊掛繩索,使吊掛繩索的張力滿足張力要求;當伺服電動缸的伸出量達到Smax時,系統(tǒng)啟動卷揚電機,緩慢收縮吊掛繩索,伺服電動缸根據(jù)張力傳感器的張力變化收縮;當收縮至伺服電動缸行程為Smid時,卷揚伺服電機停止工作,電機制動抱閘抱緊。

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