CN101441477B - 一种弯扭组合二维时变载荷加载装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于机电伺服控制技术领域，实现了一种弯扭组合二维时变载荷加载装置，涉及以扭矩加载和弯矩加载为核心的二维时变组合负载施加系统。本弯扭组合二维时变载荷加载装置在执行机构上主要包括：被加载对象模块01，扭矩加载模块02，弯矩加载模块03，平面轴承模块04，变弯矩加载点模块05。本装置用于对被测试的执行机构实时地、物理地施加时变负载，主要可应用于：航空航天舵面执行机构空气动力负载模拟、船舶舵面及减摇鳍执行机构加载、车辆发动机及变速装置负载模拟。本装置的最大特点是能够同时施加弯矩和扭矩这两个二维的时变负载，它不仅能够实现传统的时变扭矩加载，还能够同时对被加载对象的轴施加时变弯矩载荷，而且弯矩作用点实时可变。

Description

一种弯扭组合二维时变载荷加载装置

技术领域

本发明属于机电伺服控制技术领域，涉及一种弯扭组合二维时变载荷加载装置。

背景技术

″精确性″是现代飞行器、制导武器以及舰船等性能的核心，设备的姿态和轨迹控制是关键，这个过程是靠舵面执行机构所受空气动力及水动力调节完成的。″负载模拟器″是飞行器与船舶地面试验必备设备，它通过在地面实时地、主动地施加时变载荷，能够精确再现舵面执行机构最终受载工作状态，对改进、提高和确保控制精度发挥着不可替代的作用。

随着飞行器和船舶的精确制导要求不断提高，机载控制系统地面测试以及大闭环半实物仿真对负载模拟器的加载精确度也提出了更高的要求。

对于负载模拟来说，舵面在流体中不仅仅受到流体动力扭矩的作用，同时舵轴也要承受流体动力弯矩。在飞行器高速、高加速度飞行中，舵轴所受弯矩非常巨大，严重影响了执行机构扭矩的正常输出，它对舵轴的轴承支撑、减速器、舵面执行机构的带载能力等提出了更严苛的考核条件。

传统伺服控制的负载模拟器只能实现扭矩加载。地面测试与仿真时，单维的扭矩加载不能完全反映被加载对象真实受载情况，这给被加载舵面执行机构在空中的工作能力带来了不可知的风险因素，其影响和弊病日益暴露了出来。可以说，弯扭组合的二维时变加载是舵面执行机构地面半实物仿真与测试的发展方向。

本发明基于以上背景，实现了一种弯扭组合二维时变载荷加载装置，涉及以扭矩加载和弯矩加载为核心的二维时变组合负载施加系统。

本装置用于给被测试的执行机构实时地、物理地施加时变负载，主要可应用于：航空航天舵面执行机构空气动力加载、船舶舵面及减摇鳍执行机构加载、车辆等发动机负载模拟。

发明内容

本发明的目的是：提供一种能够同时施加弯矩和扭矩这两个二维的时变负载，且弯矩作用点实时可变的一种弯扭组合二维时变载荷加载装置。

本发明的技术方案是：一种弯扭组合二维时变载荷加载装置，其特征在于包括：

1、本发明其执行机构主要由5个模块构建而成：被加载对象模块、扭矩加载模块、弯矩加载模块、平面轴承模块和变弯矩加载点模块。

(1)被加载对象模块，是系统的作用对象；

(2)扭矩加载模块，采用刚性连接的电动、液压或气动闭环伺服系统；

(3)弯矩加载模块，采用刚性连接的电动、液压或气动闭环伺服系统；

(4)平面轴承模块，用于支撑上述扭矩加载模块，并使其具有平面内的自由度；

(5)变弯矩加载点模块，组合连接扭矩加载模块与弯矩加载模块，并将其整体与被加载对象模块刚性相连。

2、本发明扭矩加载功能的实现，其特征在于包括：

采用扭矩加载模块，通过变弯矩加载点模块与被加载对象模块刚性同轴相连，从而实现同轴刚性旋转扭矩加载。

3、本发明弯扭组合二维加载功能的实现，其特征在于包括：

(1)被加载对象在真实流体动力动弯矩作用下，其工作状态的最大特点是：被加载对象模块输出轴处于悬臂梁状态；

(2)只有真实再现其悬臂梁状态才能对其有效地施加上载荷。本发明通过设计了平面轴承模块，赋予了扭矩加载模块平面内的自由度，当弯矩加载模块输出推拉的力载荷时，扭矩加载模块在平面内可绕被加载对象为圆心，微微移动一个毫米数量级的小位移的圆弧，从而使被加载对象轴产生悬臂梁的变形量，达到弯矩载荷的有效施加；

(3)同时，通过合理设计扭矩加载轴的弯曲刚度，使其明显大于被加载对象轴的弯曲刚度，从而减小弯矩载荷对扭矩加载模块自身的不利影响。

4、本发明变弯矩加载点功能的实现，其特征在于包括：

(1)光杠及滑块，提供光杠轴在滑块内的轴向平动与周向旋转两个自由度，既传递加载扭矩，又传递加载弯矩；

(2)弯矩加载模块导轨平台，采用双导轨，为提供弯矩加载模块提供一个平动自由度。导轨平台采用电机驱动，带动整个弯矩加载模块和光杠上的滑块一起平动，实现弯矩加载点实时可变，同时不影响旋转扭矩加载模块的工作。

5、一种弯扭组合二维时变载荷加载装置的执行机构由上述的5个模块构建而成，并在多通道数字控制系统控制下工作，其特征在于：可以弯矩加载模块与扭矩加载模块任意单独工作与组合工作，并在数字实时控制系统协调下，实现多通道、多装置、多加载对象、多任务协同加载。

本发明的优点是：本装置的最大优点点是能够同时施加弯矩和扭矩这两个二维的时变负载，它不仅能够实现传统的时变扭矩加载，还能够同时对被加载对象的轴施加时变弯矩载荷，而且弯矩加载点实时可变。

弯扭二维时变载荷的施加更真实地再现了被加载对象的工作状态，可以暴露纯弯矩或纯扭矩加载无法体现的隐含问题，对其测试与半实物仿真有着重要意义。

附图说明

图1是本发明的总体结构实体图。

图2是本发明的扭矩加载模块及平面轴承模块结构实体图。

图3是本发明的弯矩加载模块结构实体图。

图4是本发明的变弯矩加载点模块的光杠组件结构实体图。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。

1.本发明的弯扭组合二维时变载荷加载装置，其执行机构组成(参见图1)。

(1)被加载对象模块01，是系统的作用对象；

(2)扭矩加载模块02，采用刚性连接的电动、液压或气动闭环伺服系统；

(3)弯矩加载模块03，采用刚性连接的电动、液压或气动闭环伺服系统；

(4)平面轴承模块04，用于支撑上述扭矩加载模块02，并使其具有平面内的自由度；

(5)变弯矩加载点模块05，组合连接扭矩加载模块02与弯矩加载模块03，并将其整体与被加载对象模块01刚性相连。

2、扭矩加载模块02的组成(参见图2)：

(1)扭矩加载执行机构06，采用电动、液压或气动执行机构，输出旋转运动与扭矩，例如力矩伺服电机、液压马达、气动马达等；

(2)扭矩传感器07，是扭矩加载模块02的核心测量与反馈原件；

(3)角度传感器08，测量被加载对象01旋转轴的转角，用于测试与控制，通常采用光电编码器或旋转变压器；

(4)扭矩输出轴09，是整个扭矩加载模块02的输出；

(5)可调惯量盘10，多片组合可调，模拟纯惯量负载；

(6)刚性连轴器11，用于将上述部件采用摩擦抱紧，实现同轴刚性连接，无往复间隙；

(7)扭矩加载支架12，包含轴承等附件，用于支撑上述部件。

3、平面轴承模块04的组成(参见图2)：

(1)滚子13，采用球形或锥形滚子；

(2)定子平面轴承座14，用于支撑与保持上述滚子13的运动；

(3)动子衬垫15，与上述扭矩加载模块02中的扭矩加载支架12刚性固连，提供耐磨与润滑性能支持；

(4)限位与锁定附件16，用于上述动子衬垫15在平面内自由度的限制与锁定。

4、弯矩加载模块03的组成(参见图3)：

(1)弯矩加载执行机构17，采用电动、液压或气动执行机构，输出直线运动与拉力、推力，例如电动缸、液压缸、气动缸、直线电机等；

(2)拉压力传感器18，是弯矩加载模块03的核心测量与反馈原件；

(3)直线位移传感器19，用于监控被加载对象01旋转轴应弯矩作用产生的变形量，通常采用光栅尺或LVDT位移传感器；

(4)弯矩输出轴20，是整个弯矩加载模块03的输出；

(5)刚性连轴器21，用于将上述部件采用摩擦抱紧，实现同轴刚性连接，无往复间隙；

(6)弯矩加载支架22，包含耳环关节轴承，用于支撑上述部件。

5、变弯矩加载点模块05的组成：

(1)弯矩加载模块导轨平台23(参见图3)，采用双导轨，采用电机驱动，为提供弯矩加载模块03提供一个平动自由度；

(2)光杠24(参见图4)，由光杠轴25、轴向轴承26、径向轴承27、滑块28组成，提供光杠轴25在滑块28内的轴向平动与周向旋转两个自由度；

(3)刚性连轴器29，用于将上述部件采用摩擦抱紧，实现同轴刚性连接，无往复间隙。

6、本发明扭矩加载功能的实现：

采用扭矩加载模块02，通过变弯矩加载点模块05与被加载对象模块01刚性同轴相连，从而实现同轴刚性旋转扭矩加载。

7、本发明弯扭组合二维加载功能的实现原理：

(1)被加载对象在真实气动弯矩作用下，其工作状态的最大特点是：被加载对象模块01输出轴处于悬臂梁状态；

(2)只有真实再现被加载对象模块01悬臂梁状态才能对其有效地施加载荷。本发明通过设计了平面轴承模块04，赋予了扭矩加载模块02平面内的自由度，当弯矩加载模块03输出推拉的力载荷时，扭矩加载模块02在平面内可绕被加载对象为圆心，微微移动一个毫米数量级的小位移的圆弧，从而使被加载对象模块01旋转轴产生悬臂梁的变形量，达到弯矩载荷的有效施加；

(3)光杠24既传递加载扭矩，又传递加载弯矩；

(3)通过合理设计扭矩加载模块02轴的弯曲刚度，使其明显大于被加载对象模块01输出轴的弯曲刚度，从而减小弯矩载荷对扭矩加载模块02自身的不利影响。

8、本发明变弯矩加载点功能的实现原理：

(1)光杠24，提供光杠轴25在滑块28内的轴向平动与周向旋转两个自由度；

(2)弯矩加载模块导轨平台23，采用双导轨，为提供弯矩加载模块03提供一个平动自由度。导轨平台采用电机驱动，带动整个弯矩加载模块03和光杠24上的滑块28一起平动，实现弯矩作用点实时可变，同时不影响旋转扭矩加载模块02的工作。

9、本发明的一种弯扭组合二维时变载荷加载装置的执行机构由上述的5个模块构建而成，并在多通道数字控制系统控制下工作，可以弯矩加载模块与扭矩加载模块任意单独工作与组合工作，并在数字实时控制系统协调下，实现多通道、多装置、多加载对象、多任务协同加载。

Claims (6)

1.一种弯扭组合二维时变载荷加载装置，其特征在于包括：

被加载对象模块；

扭矩加载模块，采用刚性连接的电动、液压或气动闭环伺服控制系统；

弯矩加载模块，采用刚性连接的电动、液压或气动闭环伺服控制系统；

平面轴承模块，用于支撑上述扭矩加载模块，并使其具有平面内的自由度；

变弯矩加载点模块，组合连接扭矩加载模块与弯矩加载模块，并将变弯矩加载点模块、扭矩加载模块、弯矩加载模块组成的整体与被加载对象模块刚性相连。

2.根据权利要求1所述的一种弯扭组合二维时变载荷加载装置，其中所述的扭矩加载模块，其特征在于包括：

扭矩加载模块执行机构，采用电动、液压或气动执行机构，输出旋转运动与扭矩，包括力矩伺服电机、液压马达或气动马达；

扭矩传感器；

角度传感器，包括光电编码器或旋转变压器；

扭矩输出轴，是整个扭矩加载模块的输出；

可调惯量盘，多片组合可调，模拟纯惯量负载；

刚性连轴器，采用摩擦原理，用于将所述的扭矩加载模块执行机构、扭矩传感器、角度传感器、扭矩输出轴、可调惯量盘同轴刚性连接，无往复间隙；

扭矩加载支架，包含轴承和支架，用于支撑所述的扭矩加载模块执行机构、扭矩传感器、角度传感器、扭矩输出轴、可调惯量盘、刚性连轴器。

3.根据权利要求1所述的一种弯扭组合二维时变载荷加载装置，其中所述的弯矩加载模块，其特征在于包括：

弯矩加载模块执行机构，采用电动、液压或气动执行机构，输出直线运动与拉力、推力，包括电动缸、液压缸、气动缸或直线电机；

拉压力传感器；

直线位移传感器，包括光栅尺或LVDT位移传感器；

弯矩输出轴，是整个弯矩加载模块的输出；

刚性连轴器，采用摩擦原理，用于将所述的弯矩加载模块执行机构、拉压力传感器、直线位移传感器、弯矩输出轴同轴刚性连接，无往复间隙；

弯矩加载支架，包含耳环关节轴承，用于支撑所述的弯矩加载模块执行机构、拉压力传感器、直线位移传感器、弯矩输出轴、刚性连轴器。

4.根据权利要求1所述的一种弯扭组合二维时变载荷加载装置，其中所述的平面轴承模块，其特征在于包括：

滚子，采用球形或锥形滚子；

定子平面轴承座，用于支撑与保持上述滚子的运动；

动子衬垫，与上述扭矩加载模块中的扭矩加载支架刚性固连，提供耐磨与润滑性能支持；

限位与锁定附件，用于上述动子衬垫在平面内自由度的限制与锁定。

5.根据权利要求1所述的一种弯扭组合二维时变载荷加载装置，其中所述的变弯矩加载点模块，其特征在于包括：

光杠，由光杠轴、轴向轴承、径向轴承、滑块组成，提供光杠轴在滑块内的轴向平动与周向旋转两个自由度；

弯矩加载模块导轨平台，采用双导轨，采用电机驱动，为提供弯矩加载模块提供一个平动自由度；

刚性连轴器，采用摩擦原理，用于将所述的光杠、扭矩加载模块、弯矩加载模块刚性连接，无往复间隙。

6.根据权利要求1所述的一种弯扭组合二维时变载荷加载装置，其特征在于：可以弯矩加载模块与扭矩加载模块任意单独工作与组合工作，并在数字实时控制系统协调下，实现多通道、多装置、多加载对象、多任务协同加载。

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