一种地外环境焊接的重力水平地面模拟装置及方法

1.本发明属于地面模拟设施领域，具体涉及一种专用于地外环境焊接的重力水平地面模拟装置及方法。


背景技术：

2.太空环境的特殊性如微重力、高真空等影响了焊接过程中的传热传质过程及接头形成过程，导致了现今成熟的地面焊接理论并不适用于太空环境。并且考虑到空间焊接技术开发阶段的成本、安全性及不确定性，其相关工作主要在地面进行。
3.现有的地面模拟设施如落塔、落管、抛物线飞行飞机、高空气球等局限于以自由落体方式使样品获得微重力状态，无法灵活控制重力水平；悬浮无容器处理技术利用装置提供的悬浮力与重力平衡以实现对微重力环境的模拟，但是该装置对实验环境及样品要求严格且同样无法灵活控制重力水平，同时由于上述地面模拟设施操作复杂导致实验周期长、实验重复率低、实验成本昂贵。
4.因此，有必要提供一种专用于地外环境焊接的重力水平地面模拟装置及方法，以期解决上述问题。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题：
6.本发明提供了一种专用于地外环境焊接的重力水平地面模拟装置及方法，包括总控系统、真空系统、外管组件、重力水平调控机构；总控系统可对装置运行过程中各参数进行控制；通过真空系统和重力水平调控机构为需要空间模拟的实验提供高真空和不同水平的重力两大空间环境特征，装置内真空度最高可达10-4
pa，可模拟太空高真空环境；0-4g0的不同重力水平的调节可保证该装置具备模拟各地外行星重力的能力。并且具有重力水平灵活稳定、实验重复率高、成本低廉、安全性高等优点，可以用于研究空间环境下不同重力水平的基础焊接理论，弥补了专用于地外环境焊接的重力水平地面模拟装置的空白。
7.本发明提供的一种技术方案是：
8.一种地外环境焊接的重力水平地面模拟装置，包括底座；其特征在于：还包括：
9.外管组件，其包括外管和控温系统，所述外管整体呈塔状竖直设置，其顶端封闭、底端与底座连接，所述温控系统设置在外管内；
10.真空系统，其设置在所述底座之上，与外管联通，提供模拟真空环境；
11.重力水平调控机构，整体设于所述外管内，包括顺次连接的驱动单元、牵引单元和载物台系统，所述驱动单元通过牵引单元实现载物台系统的吊装升降；
12.总控系统，分别与所述温控系统、真空系统和重力调控机构相连接，用于调控目标重力水平。
13.进一步地，所述载物台系统包括载物台、电子束枪组件和固定部；所述载物台两端通过牵引单元连接在所述驱动单元下方，所述电子束枪组件和固定部均安装在载物台上
方，所述固定部用于装夹待焊接试样。
14.进一步地，所述电子束枪组件包括电子束枪、电子束枪控制组件、支架，所述支架与载物台滑动连接，所述电子束枪和电子束枪控制组件设置在支架上，所述电子束枪控制组件操控电子束枪相对于载物台上的待焊接试样相对滑动，完成预定焊接轨迹。
15.进一步地，所述支架包括上支架和下支架，所述上支架和下支架之间通过支架伸缩杆相连，所述载物台上设置第一滑道，与所述下支架滑动连接；所述上支架上设置第二滑道，与所述电子束枪滑动连接。
16.进一步地，所述外管内壁两侧沿轴向设置制动滑道，所述载物台下方设置与所述制动滑道配合的制动滑轮。
17.进一步地，所述控温系统包括电阻丝网、加热组件和热电偶组件；所述电阻丝网覆盖外管内壁除所述制动滑道以外的部分，加热组件用于对电阻丝网加热，所述热电偶组件均匀分布在外管内壁两侧，实时监测外管内温度。
18.进一步地，所述驱动单元包括电机及备用电源，电机驱动所述牵引单元控制载物台升降。
19.进一步地，所述载物台系统还包括监控组件、照明组件、水平仪和传感器，所述监控组件和照明组件设置于载物台上，所述水平仪设于载物台正下方，所述传感器设于载物台两侧。
20.进一步地，所述牵引单元为缆绳；所述固定部为两组试样夹，每组试样夹设置为垂直于载物台底部装有橡胶垫片的螺丝，用于装夹不同厚度试样。
21.进一步地，所述外管为绝缘管，所述外管落塔高度为12m。
22.本发明提供的另一种技术方案是：
23.一种专用于地外环境焊接的重力水平地面模拟装置的工作方法，包括如下方法步骤：
24.步骤1，利用试样夹固定试样，调节真空环境同时通过控温系统对管内温度进行控制；
25.步骤2，根据所需要模拟的重力，选择控制电机通过缆绳拉动载物台从底部上升或从顶部下降以获得目标重力水平；
26.步骤3，利用电子束枪组件在运动过程中进行焊接，电子束枪控制组件操控支架伸缩杆对电子束枪的高度进行调节，并控制电子束枪在第一滑道、第二滑道进行实时运动以完成预定焊接轨迹，使用照明组件和监控组件对实验过程进行全程监测；
27.步骤4，重复以上过程，直至完成模拟。
28.有益效果
29.相对于现有技术，本发明的有益效果在于：
30.1.本发明提供的一种专用于地外环境焊接的重力水平地面模拟装置，选择重力水平调控机构通过牵引单元拉动载物台从底部上升或从顶部下降以获得目标重力水平，在实验过程中电子束枪组件在运动过程中进行焊接，电子束枪控制组件可操控支架伸缩杆对电子束枪的高度进行调节，并控制电子束枪在横向滑道、纵向滑道进行实时运动以完成预定焊接轨迹，同时可以通过控温系统对管内温度进行控制；具有重力水平灵活稳定、实验重复率高、成本低廉、安全性高等优点，可以用于研究空间环境下不同重力水平的基础焊接理
论。
31.2.本发明所述模拟装置，总控系统可利用预编程实现在实验过程中对控温系统、真空系统、电子束枪控制组件、电机各参数进行控制，将各部件控制系统一体化，简化了设备操作步骤。
32.3.本发明所述模拟装置，装置内真空度最高可达10-4
pa，可模拟太空高真空环境。0-4g0的不同重力水平的调节可保证该装置具备模拟各地外行星重力的能力。可通过所述电机拉动缆绳控制载物台升降从而获得0-4g0的不同重力水平，其中，0-1g0通过在装置顶端自由落体实现，1g0以上重力模拟需要先将载物台置于装置底端，而后通过缆绳将载物台向上牵引实现模拟效果；水平仪可根据样品重心灵活调整所述缆绳给出量，保证载物台水平，上述设置可使此设备重力水平灵活稳定。
33.4.本发明所述落塔高度为12m，利用所述真空系统抽真空时间短，并且实验全程可半自动化控制，大大节约时间成本，可使实验重复率提高。
34.5.本发明所述控温系统通过控温热电阻组件实时监测绝缘外管温度，并通过加热组件控制电阻丝网的升温速度以实现对管内温度的控制。
35.6.本发明所述电子束枪控制组件可操控支架伸缩杆对电子束枪的高度进行调节，并能控制电子束枪在横向滑道、纵向滑道进行运动以保证电子束枪完成预定焊接轨迹的任务。
36.7.本发明所述绝缘外管可以防止所述电阻丝网通电后设备外部导电；所述试样夹为垂直于载物台且底部装有橡胶垫片的螺丝，螺丝高度可根据样品厚度进行灵活调整，橡胶垫片可保护样品免受螺丝损坏且能增大螺丝与样品之间的摩擦力；所述传感器通过感应载物台加速度变化监控缆绳是否断裂；所述制动滑轮位于所述载物台下方，在外部环境断电或者所述传感器感知到缆绳断裂时弹出与所述制动滑道配合对所述载物台进行制动；所述电子束枪组件在外部环境断电时或者所述传感器感知到缆绳断裂时停止工作；所述备用电源在外部环境断电时自动启动控制所述电机并使所述制动滑轮弹出进行紧急制动，同时控制所述电子束枪组件停止工作；上述设计可保证实验安全性。
37.8.本发明所述一种专用于地外环境焊接的重力水平地面模拟装置，设有控温系统、监控组件、照明组件，可为实验提供良好环境。
附图说明
38.图1为本发明一种专用于地外环境焊接的重力水平地面模拟装置的结构示意图；
39.图2为本发明一种专用于地外环境焊接的重力水平地面模拟装置的支架示意图；
40.图3为本发明一种专用于地外环境焊接的重力水平地面模拟装置的制动示意图。
41.图中，1-外管；2-驱动单元；3-牵引单元；4-电子束枪；5-支架；6-载物台；7-固定部；8-制动滑轮；9-制动滑道；10-电阻丝网；11-真空系统；12-底座；13-总控系统；14-备用电源；15-热电偶组件；16-传感器；17-水平仪；18-第二滑道；19-支架伸缩杆；20-第一滑道。
具体实施方式
42.为了更清楚地说明本发明实施的技术方案，下面将对实施例描述中所需要的各个模块作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的流程图，对于本领域普
通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这个附图进行扩展。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
43.本发明的目的是提供一种专用于地外环境焊接的重力水平地面模拟装置，本发明可为需要空间模拟的实验提供高真空和不同水平的重力两大空间环境特征，并且具有重力水平灵活稳定、实验重复率高、安全性高等优点。
44.实施例1
45.如图1-3所示，一种专用于地外环境焊接的重力水平地面模拟装置，包括底座12；底座12的设置，可以防止外部环境震动对外管1微重力实验的影响。装置还包括：外管组件，其包括外管1和控温系统，外管1整体呈塔状竖直设置，落塔高度可达12m；其顶端封闭、底端与底座12连接，温控系统设置在外管1内；
46.真空系统11，其设置在底座12上，与外管1联通，提供模拟真空环境；
47.重力水平调控机构，整体设于外管1内，包括顺次连接的驱动单元2、牵引单元3和载物台6系统，驱动单元2通过牵引单元3实现载物台6系统的吊装升降；
48.总控系统13，分别与温控系统、真空系统11和重力调控机构相连接，用于调控目标重力水平。
49.外管1采用绝缘外管，一方面可以防止外界的力对实验的干扰，另一方面防止通电后设备外部导电。
50.控温系统包括电阻丝网10，加热组件，控温热电偶组；控温热电偶组件15均匀分布在外管1内壁两侧，电阻丝网10覆盖外管1内壁，本领域技术人员可以理解为覆盖外管1内壁除制动滑道9以外的部分，加热组件用于对电阻丝网10加热，通过控温热电阻组件实时监测绝缘外管1温度，并通过加热组件控制电阻丝网10的升温速度以实现对管内温度的控制。
51.重力水平调控机构，整体设于外管1内，包括顺次连接的驱动单元2、牵引单元3和载物台6系统，驱动单元2通过牵引单元3实现载物台6系统的吊装升降；
52.作为一个优选实施方式，驱动单元2包括电机及备用电源14，牵引单元3为缆绳。电机驱动缆绳控制载物台6系统升降。
53.载物台6系统包括载物台6、固定部7和电子束枪4组件；载物台6两端通过牵引单元3连接在驱动单元2下方，电子束枪4组件和固定部7均安装在载物台6上方，固定部7用于装夹待焊接试样。固定部7优选为两组试样夹，每组试样夹设置为垂直于载物台6底部装有橡胶垫片的螺丝，用于装夹不同厚度试样。橡胶垫片可保护样品免受螺丝损坏且能增大螺丝与样品之间的摩擦力。
54.电子束枪组件包括电子束枪4、电子束枪控制组件、支架5，支架5与载物台6滑动连接，电子束枪4和电子束枪控制组件设置在支架5上，电子束枪控制组件操控电子束枪4相对于载物台6上的待焊接试样相对滑动，完成预定焊接轨迹。
55.参见图2所示，支架5包括上支架和下支架，上支架和下支架之间通过支架伸缩杆19相连，载物台6上设置第一滑道20，与下支架滑动连接；上支架上设置第二滑道18，与电子束枪4滑动连接。
56.载物台6系统还包括监控组件、照明组件、水平仪17、传感器16、制动滑轮8，水平仪17位于载物台6下方中央，传感器16位于载物台6两侧；制动滑道9位于外管1内壁两侧，电阻
丝网10覆盖外管1内壁除所述制动滑道9以外的部分，在外部环境断电时或者所述传感器16感知到缆绳断裂时弹出与制动滑道9配合对所述载物台6进行制动，如图3所示，通过制动滑轮8与滑道的摩擦降低速度。水平仪17可根据样品重心灵活调整所述缆绳给出量，保证载物台6水平；监控组件、照明组件，可为实验提供良好环境。
57.电子束枪控制组件可操控支架伸缩杆19对电子束枪4的高度进行调节，并能控制电子束枪4在第一滑道20、第二滑道18进行运动以保证电子束枪4完成预定焊接轨迹的任务。电子束枪4组件在外部环境断电时或者传感器16感知到缆绳断裂时停止工作。
58.电机可控制所述缆绳的上升或下降，备用电源14在外部环境断电时自动启动并控制所述电机与所述制动滑轮8紧急制动以及使电子束枪组件停止工作。
59.总控系统13，分别与真空系统11、温控系统、吊装组件和电子束枪4组件相连接，可利用预编程实现在实验过程中对控温系统、真空系统11、电子束枪4控制组件、电机各参数进行控制。将各部件控制系统一体化，简化了设备操作步骤。
60.实施例2
61.一种专用于模拟不同重力水平的升降平台装置工作方法运行如下：
62.试样夹5固定试样后，根据所需要模拟的重力水平，选择控制电机2以额定的加速度通过缆绳3拉动载物台6从底部上升或从顶部下降以获得目标重力水平，在实验过程中电子束枪4组件在运动过程中进行焊接，电子束枪4控制组件可操控支架伸缩杆19对电子束枪4的高度进行调节，并控制电子束枪4在横向滑道、纵向滑道进行实时运动以完成预定焊接轨迹，同时可以通过控温系统对管内温度进行控制，并使用照明组件和监控组件对实验进行全程监测，重复以上过程，一旦在外部环境断电时备用电源14启动，使载物台6下的制动滑轮8弹出与制动滑道9进行配合从而进行紧急制动，同时电子束枪4组件停止工作，或者传感器16感知到缆绳3断裂时制动滑轮8弹出与制动滑道9进行配合从而进行紧急制动，同时电子束枪4组件停止工作。
63.本发明提供的一种专用于地外环境焊接的重力水平地面模拟装置，选择重力水平调控机构通过牵引单元3拉动载物台6从底部上升或从顶部下降以获得目标重力水平，在实验过程中电子束枪组件在运动过程中进行焊接，电子束枪4控制组件可操控支架伸缩杆19对电子束枪4的高度进行调节，并控制电子束枪4在第一滑道、第二滑道进行实时运动以完成预定焊接轨迹，同时可以通过控温系统对管内温度进行控制；具有重力水平灵活稳定、实验重复率高、成本低廉、安全性高等优点，可以用于研究空间环境下不同重力水平的基础焊接理论。
64.本发明装置内真空度最高可达10-4
pa，可模拟太空高真空环境。0-4g0的不同重力水平的调节可保证该装置具备模拟各地外行星重力的能力。可通过所述电机拉动缆绳控制载物台6升降从而获得0-4g0的不同重力水平，其中，0-1g0通过在装置顶端自由落体实现，g0以上重力模拟需要先将载物台6置于装置底端，而后通过缆绳将载物台6向上牵引实现模拟效果；水平仪17可根据样品重心灵活调整所述缆绳给出量，保证载物台6水平，上述设置可使此设备重力水平灵活稳定。
65.需要声明的是，本发明的创新在于系统的机构设计和控制流程设计，而支持系统配套运行的电源系统、传感器16、水平仪17、控制器系统、控温系统、照明组件、监控组件、电子束枪4组件、电机及其驱动器等都是采用通用技术，在此无需赘述。
66.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：
1.一种地外环境焊接的重力水平地面模拟装置，包括底座；其特征在于：还包括：外管组件，其包括外管和控温系统，所述外管整体呈塔状竖直设置，其顶端封闭、底端与底座连接，所述温控系统设置在外管内；真空系统，其设置在所述底座之上，与外管联通，提供模拟真空环境；重力水平调控机构，整体设于所述外管内，包括顺次连接的驱动单元、牵引单元和载物台系统，所述驱动单元通过牵引单元实现载物台系统的吊装升降；总控系统，分别与所述温控系统、真空系统和重力调控机构相连接，用于调控目标重力水平。2.根据权利要求1所述的地外环境焊接的重力水平地面模拟装置，其特征在于：所述载物台系统包括载物台、电子束枪组件和固定部；所述载物台两端通过牵引单元连接在所述驱动单元下方，所述电子束枪组件和固定部均安装在载物台上方，所述固定部用于装夹待焊接试样。3.根据权利要求2所述的地外环境焊接的重力水平地面模拟装置，其特征在于：所述电子束枪组件包括电子束枪、电子束枪控制组件、支架，所述支架与载物台滑动连接，所述电子束枪和电子束枪控制组件设置在支架上，所述电子束枪控制组件操控电子束枪相对于载物台上的待焊接试样相对滑动，完成预定焊接轨迹。4.根据权利要求3所述的地外环境焊接的重力水平地面模拟装置，其特征在于：所述支架包括上支架和下支架，所述上支架和下支架之间通过支架伸缩杆相连，所述载物台上设置第一滑道，与所述下支架滑动连接；所述上支架上设置第二滑道，与所述电子束枪滑动连接。5.根据权利要求1所述的地外环境焊接的重力水平地面模拟装置，其特征在于：所述外管内壁两侧沿轴向设置制动滑道，所述载物台下方设置与所述制动滑道配合的制动滑轮。6.根据权利要求1所述的地外环境焊接的重力水平地面模拟装置，其特征在于：所述控温系统包括电阻丝网、加热组件和热电偶组件；所述电阻丝网覆盖外管内壁除所述制动滑道以外的部分，加热组件用于对电阻丝网加热，所述热电偶组件均匀分布在外管内壁两侧，实时监测外管内温度。7.根据权利要求1所述的地外环境焊接的重力水平地面模拟装置，其特征在于：所述驱动单元包括电机及备用电源，电机驱动所述牵引单元控制载物台升降。8.根据权利要求1所述的地外环境焊接的重力水平地面模拟装置，其特征在于：所述载物台系统还包括监控组件、照明组件、水平仪和传感器，所述监控组件和照明组件设置于载物台上，所述水平仪设于载物台正下方，所述传感器设于载物台两侧。9.根据权利要求1所述的地外环境焊接的重力水平地面模拟装置，其特征在于：所述牵引单元为缆绳；所述固定部为两组试样夹，每组试样夹设置为垂直于载物台底部装有橡胶垫片的螺丝，用于装夹不同厚度试样；所述外管为绝缘管，外管落塔高度为12m。10.一种权利要求1-9任一项所述地外环境焊接的重力水平地面模拟装置的工作方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1，固定试样，调节真空环境同时通过控温系统对管内温度进行控制；步骤2，根据所需要模拟的重力，选择控制电机通过缆绳拉动载物台从底部上升或从顶部下降以获得目标重力水平；
步骤3，利用电子束枪组件在运动过程中进行焊接，电子束枪控制组件操控支架伸缩杆对电子束枪的高度进行调节，并控制电子束枪在第一滑道、第二滑道进行实时运动以完成预定焊接轨迹，使用照明组件和监控组件对实验过程进行全程监测；步骤4，重复以上过程，直至完成模拟。

技术总结
本发明属于地面模拟设施领域，具体涉及一种地外环境焊接的重力水平地面模拟装置及方法。包括总控系统、真空系统、外管组件、重力水平调控机构；总控系统可对装置运行过程中各参数进行控制；通过真空系统和重力水平调控机构为需要空间模拟的实验提供高真空和不同水平的重力两大空间环境特征，装置内真空度最高可达10-4


技术研发人员：陈海燕 孔祥蔚 李文亚 佴鑫 杨夏炜 徐雅欣 马铁军
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2023.04.26
技术公布日：2023/8/14