1. 设备设计组成部分

　　1) 机体(金属支架及旋转机构)

　　2) 产品安装工装

　　3) 控制监测系统(机柜、工控机、PLC及测量)。

　　2. 重力

　　质量相同的物体在地球上和月球上的重力不一样， 实现低重力模拟有6种方式分为，自由落塔法，气浮法，水浮法，悬吊法，磁悬浮法，机械旋转法。

　　我们经过技术讨论最终采用机械旋转法。

　　重力是在已经存在的理论基础上，经过科学思维人为地想象出来的虚拟力。因此重力的定义比较复杂。因此还是以地球和月球为例的对比来说吧。

　　地球对物体会产生万有引力，但物体在地球表面会随地球一起做圆周运动做圆周运动的向心力由万有引力提供，如果从字面上来看，人们之所以感受到一个物体的重量，是因为拿起来时要克服的力，而这个力则是除去向心力万有引力剩下的部分的作用。月球同样会自转，原理与地球相同。

　　相对于地球和月球的引力，万有引力提供的作圆周运动的向心力相对于万有引力来说甚至可以忽略，而对于相同质量的物体，在地球上所受到的万有引力远大于在月球上所受到的万有引力，因此在地球上受到的重力也远大于在月球上的重力。

　　G为万有引力常数，M为地球质量，m为物体质量，r为距离(在地球上就是地心与物体的距离，在月球上就是月心与物体间的距离)

　　经计算，地球对同质量物体产生的万有引力是月球的6倍左右。

　　物理学说法,一千克是质量,地球上一千克的物体,月球上还是一千克.重力按牛来算,月球引力是地球的六分之一.据科学家推算，在地球上重1千克的物体到月球上大约重0.16千克。

　　低重力(微重力)‌

　　指重力加速度显著低于地球表面重力(1g≈9.8m/s²)的环境，例如太空中的微重力环境(接近10⁻⁴g量级)。

　　特征：物体所受重力作用减弱，可自由悬浮，适用于研究细胞生长、材料制备等对重力敏感的领域。

　　‌超重力‌

　　指通过设备产生高于地球重力的加速度环境(可达数百至数千倍重力加速度)，用于强化传质、反应效率。

　　特征：液体表面张力作用减弱，形成极小的液滴或液膜，大幅提升气液/固接触面积

　　低重力模拟技术

　　自由落体法(落塔)‌

　　通过真空塔内物体自由下落模拟微重力环境，精度达10⁻⁴~10⁻⁵g，单次持续时间约数秒至10秒(如日本JAMIC落塔)。

　　缺点：设备造价高，实验时间短，样品回收复杂。

　　‌抛物线飞行/飞机模拟‌

　　利用飞机抛物线轨迹产生短暂(约20秒)微重力阶段，成本较高且适用性受限。

　　‌旋转装置模拟‌

　　采用三维回转系统(如DARC-G)，通过旋转抵消重力矢量，实现长时间、可重复的微重力效应，适用于细胞培养等研究。

　　超重力模拟技术

　　‌旋转填充床(RPB/HiGee技术)‌

　　核心为高速旋转的多孔填料转子，液相受离心力作用被撕裂为微小单元，与逆向流动的气相高效接触，强化传质效率。

　　应用：二氧化碳捕集、纳米材料制备等。

　　‌智能一体化系统‌

　　集成旋转装置、培养容器及控制系统，通过调节转速实现微重力或超重力环境切换。

　　技术特点：准确控制重力参数(如超重力倍数)、实时监测实验数据(如细胞生长、温度变化)‌

　　典型应用场景

　　低重力‌：太空生物学研究(细胞分化)、均匀材料合成(减少重力引起的沉积不均)‌

　　‌超重力‌：化工反应强化、废气处理(缩短反应时间)、生物医学(模拟超重对细胞的影响)‌

　　3. 低重力(微重力)旋转模拟技术方案

　　1. ‌三维回转系统(如DARC-G)‌

　　‌结构设计‌：

　　由内外嵌套的旋转框架构成，外层框架通过电机驱动实现水平旋转，内层框架可调整倾斜角度以抵消重力矢量。

　　实验舱固定于内层框架，通过准确的转速控制(通常为5~30 rpm)使离心力与重力平衡，形成等效微重力环境。

　　‌原理实现‌：

　　通过旋转产生的离心力抵消重力，使实验舱内物体所受合力趋近于零，模拟微重力效应。

　　动态调整旋转轴方向，可模拟不同方向的低重力状态(如月球或火星重力)。

　　‌控制技术‌：

　　采用伺服电机与陀螺仪反馈系统，实时修正转速和框架角度，确保重力残余量低于10⁻³g。

　　集成温控与气体环境模块，满足生物实验需求(如细胞培养)‌

　　4. 超重力旋转模拟技术方案

　　1.旋转填充床(RPB/HiGee技术)‌

　　‌核心结构‌：

　　高速转子(转速1000~5000 rpm)内置多孔填料层(如金属丝网或陶瓷颗粒)，形成超重力场。

　　液体通过中心分布器进入转子，受离心力作用被撕裂为微米级液膜或液滴;气体从外缘逆向流动，强化气液接触。

　　‌超重力生成机制‌：

　　离心加速度与转速平方成正比，公式为 a=ω2ra=ω2r(ωω为角速度，rr为转子半径)，可实现数十至数千倍重力加速度。

　　通过调节转速(变频电机控制)动态调整超重力倍数。

　　‌关键参数控制‌：

　　填料孔隙率(60%~95%)与转子尺寸(直径0.1~2 m)影响传质效率，需根据反应需求优化设计。

　　实时监测温度、压力及流量，采用PLC系统实现闭环控制‌

　　2. ‌智能一体化旋转系统‌

　　‌集成设计‌：

　　同一设备通过切换旋转模式(低速/高速)实现微重力与超重力环境交替模拟。

　　实验舱模块化设计，支持快速更换填料或实验容器(如生物反应器、化学合成腔)。

　　‌智能化控制‌：

　　基于AI算法预测较好转速与实验参数，结合传感器实时反馈(如pH值、氧浓度)自动调整运行状态。

　　支持远程操作与数据云端存储，适用于长期连续实验(如药物开发)‌

　　5. 技术对比与优化方向

　　技术类型‌‌低重力旋转模拟‌‌超重力旋转模拟‌

　　‌核心参数‌转速5~30 rpm，残余重力<10⁻³g‌转速1000~5000 rpm，重力倍数10~1000g‌

　　‌能耗‌低(伺服电机驱动)高(高速转子需大功率变频电机)

　　‌实验持续时间‌数小时至数天(可连续运行)‌数分钟至数小时(受材料耐受力限制)‌

　　‌优化方向‌提升多轴协同精度，减少振动干扰‌开发耐腐蚀、耐磨损的转子材料‌

　　6. 设备说明

　　7. 校核计算

　　7.1. 电机的选比与力矩的核算

　　低重力系统可以使用的电机类型有:步进电机、伺服电机和力矩电机。步进电机，最主要的优点为价格便宜，适合于开环控制，不过其低频振动问题相比较于伺服电机较为严重，易出现丢步与过冲问题，因此步进电机大多用在对控制精度要求不高的场合，并且在搭建系统中产生过这样一种故障模式:在控制器死机后其仍然向外发送脉冲，步进电机并不能减小这种故障模式带来的风险;相比较于步进电机，伺服电机更适用于做控制系统闭环控制，并且大多数全数字式伺服电机精度都较高，不过伺服电机在做力矩闭环时，一般都采用减速比较大的减速器，这就降低了系统的效率，同时也引入了较大的干扰摩擦，因此伺服电机更适合做位置控制，而不适用于力控制;力矩电机，转速较低，可以配合较适中的减速比，并且其输出扭矩较大。因此系统执行机构我们选用交流力矩电机，又考虑系统性能指标，工作拉力在1000N，较大不超过3000N的要求我们选用科尔摩根 C062 力矩电机。

　　科尔摩根力矩电机

　　7.2. 力矩的核算

　　系统指标要求钢丝绳较大拉力不超过3000N，设钢丝绳承受较大拉力时，卷筒半径为0.075m，那么力矩折算到减速机输出端3000N*75mm=225Nm，又有电机额定力矩 50Nm，系统使用减速比i=5，折算到减速器输出轴为 50Nm*5=250Nm，那么 225Nm<250Nm，有足够的安全裕量，并且系统工作点拉力为1000N，远低于要求较大拉力。并且225Nm折算到减速器的输入端 225Nm/5=45Nm，那么我们可以选择制动力矩大于60Nm的抱闸即可实现电机的紧急制动。综上经过力矩核算，电机力矩满足系统要求(2)拉压力传感器选比及误差核算

　　拉压力传感器原理是通过测量绳上拉压力的大小改变电阻应变片的阻值7从而改变输出电压。按照走线方式划分:适合直接测量的拉压力传感器和旁路测量的拉压力传感器;按照传感器的结构形状划分:S型，Z柱型，O型等。直接测量和旁路测量。直接测量方法就是把拉压力传感器串联到钢丝绳的末端，此方法较大的优点就是测量精度高，不过当待实验物体上下运动时，传感器的信号线也会随之运动，这就给系统引入了不确定性。旁路测量就是把拉力传感器直接安装在吊索中间，省去电缆的走线，如果使用这种方式就必须考虑钢丝绳的弯折对拉力测量精度的影响，其通常应用于对拉力误差容忍度较大的系统。由于低重力模拟系统要求拉力误差小于百分之一，因此我们选择直接测量法，并目通过加入弹簧线的方法，解决了传感器的信号线带来的不确定性。

　　由于S型传感器相较于其他形式的传感器测量精度较高，并且使用更加广泛经过对比决定使用德国 HBM的拉压力传感器。

　　HBM拉压力传感器实物图

　　HBM 拉压力传感器误差核算。传感器的误差来源:偏移量误差，灵敏度误差，线性误差，滞后误差，噪声及干扰引起的误差。查阅手册我们可以知道，传感器灵敏度为 2mv/v，其精度等级为0.02%，温度系数为0.02%/10K本身具备较高的精度与灵敏度8]，另外传感器与其匹配的信号调理板(AD103C)配合使用，补偿了零点漂移与温度漂移，此外线性误差和滞后误差对传感器影响较小，综上考虑可

　　7.3. 控制器选比与运算时间核算

　　系统的控制器有如下几种实现方式:工控机加板卡，嵌入式控制器，NI的CompactRIO ，PLC等。

　　工控机加板卡主要用于中小型的控制系统，其具有配置灵活，易于编程，可以基于pc优秀的界面进行开发等优点。另外板卡的选择也多种多样，PMAC运动控制板卡就是其中优秀的代表，PMAC可以嵌入工控机或者脱机单独运行，并且其可以有脉冲、模拟量等多种输出形式。但是工控机较大的缺点就是系统及程序不透明，对其底层进行了封装。这样做的好处不言而喻，用户可以方便的根据封装的内部函数进行控制器的开发，但是由于开发者不知道底层的定义及原理，因此带来了很大的不确定性，对可靠性要求不太高的控制系统，是可以接受的，但是对航天航空来说，这种控制方案可靠性有待提高。

　　嵌入式控制器。嵌入式控制芯片多种多样，如单片机、适用于运动控制系统的TIC2000系列 DSP，ARM 公司的ARM7、ARM9等。另外许多公司使用上述芯片，外围设计并加入了保护性电路和芯片，使其更加适合在外界严苛的环境下工作。但是使用嵌入式控制器需要在前期电路板的设计方面投入相当大的精力，另外PCB板的EMC电磁兼容设计与其可靠性检验都是十分繁琐的，这会大大增加控制系统的开发周期。NI的 CompactRIO，FPGA 芯片被封装在控制器内部，运行1inuxrealtime 控制系统，适应严苛的环境，具备在-40°至70°环境下稳定运行的能力，另外其可以与NI的上位机 Labview 配合使用，缩短系统的研发周期。但是其价格昂贵，大约是 PLC 的六到一倍。

　　可编程逻辑控制器 PLC，市场上使用较广泛的PLC控制器有:西门子、ABB三菱、欧姆龙、施耐德。其中西门子PLC 具有较高的可靠性、较完善的开发配件等优点，因此占据较大的市场份额。PLC-300就是西门子系列PLC的代表，被大量用在过程控制、运动控制等领域，并且西门子公司和其他公司为其研发了-系列配套模块如:通讯模块，信号采集模块，I0模块等，可以方便的根据需要进行扩展。并且西门子提供了多达五种编程语言如:类似汇编的语句表语言，类似语言的结构文本语言，还有梯形图，功能块图和顺序功能。但是PC也有缺点:plc-300主程序循环周期最快能达到1Khz，和嵌入式控制器比起来小了几个量级。这也决定着plc不能处理过于复杂的运算，因为会使主频进一步降低。不过由于该低重力系统只有一个吊点，经过核算其可以满足控制系统要求就计算能力和实时性来说上述几个控制器都可以满足要求;从研发周期来说CompactRIO和PLC具有优势;主要分析可靠性，这里的可靠性包括两点:控制器软硬件的可靠性和编程与维护的可靠性。控制器软硬件的可靠性是指控制器本身运行的稳定性，在此方面PLC相比较另外的几种控制器来说优势较大。编程与维护的可靠性是指编程人员与维护人员安全的修改程序的难易性，PLC和嵌入式控制器在这方面有较大的优势。故选定西门子PLC-300作为低重力模拟系统的控制器述。

　　S7-315型PLC运算时间核算。拟设定采样频率600Hz,即周期1.6ms。S7-315型 PLC浮点运算 0.45 us /次,位运算 0.05 us /次,字运算 0.09 us/次,定点运算 0.12us/次。经查，在实验室以往恒拉力项目中，每定时器周期执行代码不多于2600条指令，假设每条指令平均执行运算2次，其中浮点运算不多于116，定点运算每周期不多于 1/6，其它均为逻辑判断、IO 操作和赋值，共耗时0.45*N/6+0.12*N/6+0.09*N*(1-1/6-1/6)=670us/周期,其中 N=5200。那么时间满足要求零重力系统基本原理。零重力顾名思义就是为了模拟太空或者星球上重力环境而人为搭建的装置，使用悬吊法搭建零重力系统，系统在运行过程中悬吊实验物体的钢丝绳上拉力保持不变，因此在这种情况下零重力系统也叫恒拉力系统。

　　对实验物体受力分析，有关系式成立，也就是说实验物体在运动过程中受到自身推力N、重力mg、绳上拉力T共三个力的作用。

　　N+T-mg=ma

　　在太空中有如下关系式成立

　　N= ma

　　也就是说，在太空中物体处于漂浮状态，其加速度只与自身推进器产生的推力相关，做差，得出T=mg成立，那么不仅要保证物体在初始状态时绳上拉力可以平衡掉物体重力，在物体运动过程中也要保证此条件成立。

　　综上可以得出，低重力控制系统的被控对象为实验物体，被控量为悬挂物体的吊索上的拉力，执行机构为力矩电机，控制器为PLC，测量元件为 HBM 拉压力传感器。

　　(a)-外部设计 (b)-微重力传感器的内部设计微重力加速度数据采集在微重力生命和物理科学以及结构动力学领域具有交叉学科用途。在微重力模拟设备上表征微重力条件,SimulTek采用加速度计传感器进行。

　　微重力加速度传感器系统被用于微重力模拟装置平台上，用于微重力加速度数据采集。该传感器使用MEMS加速度计和先进的模拟数字转换器。传感器灵敏度小于1微克，可达到0.1到25Hz的微重力分辨率，并可以扩展到1500Hz.

　　所述的一种 1/6g低重力平衡吊挂装置的控制系统,其特征在于,所述试验台运行状态信息包括位置、速度/加速度、主/被动约束力、静刚度分布、工作行程动力平衡、碰撞及干涉检查信息。1/6g低重力平衡吊挂装置的控制系统,其特征在于,所述恒张力控制采用弹簧缓冲装置实现,根据恒张力控制杆的偏移信号,对吊索进行PID控制,保证恒张力控制杆在正常的工作范围内，具体为:在系统运行过程中,当张力传感器测量值减少时,伺服电动缸伸出,推动动滑轮,张紧吊挂绳索,使吊挂绳索的张力满足张力要求;当伺服电动缸的伸出量达到Smax时,系统启动卷扬电机,缓慢收缩吊挂绳索,伺服电动缸根据张力传感器的张力变化收缩;当收缩至伺服电动缸行程为Smid时,卷扬伺服电机停止工作,电机制动抱闸抱紧。

　　1/6g低重力平衡吊挂装置的控制系统,其特征在于,所述辅助吊点跟随控制单元采用经典的PID控制原理,通过控制伺服电机的运动,保证吊索始终保持铅垂。