CN105575246A - 双向磁粉负载模拟器 - Google Patents
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Abstract
双向磁粉负载模拟器,涉及负载模拟装置。它为了解决现有的负载模拟器加载力矩易受测试物体运动干扰的问题。本发明采用磁粉加载方式,加载系统中用两个磁粉离合器主动件进行旋转,从动件与被测试物体连接,通过改变磁粉离合器线圈通电电流,进而改变传递给从动件的力矩。通过两个齿轮组实现两个磁粉离合器主动件按照相反方向旋转,使得输出两个方向的力矩。该力矩通过传动装置被加载到被加载对象上,同时利用力矩传感器采集力矩并反馈给工控机实现系统力矩精确地闭环控制。这种双向磁粉负载模拟器具有无被测试对象干扰,加载精度高,系统频带高,控制算法简单可靠等优点。本发明适用于对电机性能的测试。
Description
技术领域
本发明涉及一种能模拟各种负载信号的负载模拟装置,属于伺服控制及半实物仿真领域。
背景技术
目前,在航空航天、武器装备等各种高精尖技术领域中,通常需要对驱动单元或者产品其他关键部件进行动态测试,测试其性能以保证所设计产品的可靠性,并通过改进优化产品满足产品对性能的要求。要保证检测数据的可信度,必须要真实负载环境下对被测试设备检测。但是,在真实环境中进行产品检测需要耗费大量的人力物力,有的甚至不可实现,如地震波动载荷。所以需要在实验室环境下模拟所需要的负载,实现地面半实物仿真,对被测试物体进行动态测试。此技术具有良好的可控性、无破坏性、全天候以及操作简单方便、实验具有可重复性等优点,其经济性是经典自破坏性实验所无法比拟的。为了实现在实验室条件下半实物的复现被测对象在实际工作过程中所受的动力载荷,模拟被测对象在实际工作中所受动力载荷环境,将经典的自破坏性实验转化为实验室条件下的预测研究,传统的负载模拟器应运而生。但是传统的负载模拟器一直存在很多技术难题:传统负载模拟器受到被测试物体运动干扰,严重影响系统的加载性能,难以保证小力矩加载性能和高精度的动态加载;真实负载变化多样,变化剧烈,传统负载模拟器的带宽很难满足要求;为提高传统负载模拟器性能,其控制策略复杂,控制策略通用性较差。
为了彻底消除负载模拟器的弊端,急需新的设备和技术去提高动态加载性能和加载带宽,实现精确的负载模拟。
发明内容
本发明的目的是为了解决服现有的负载模拟器易受到被测试物体运动干扰,严重影响系统的加载性能,难以保证小力矩加载性能、高精度和高带宽的动态加载的问题,提供一种双向磁粉负载模拟器。
本发明所述的双向磁粉负载模拟器包括一号编码器26、力矩传感器4、力矩电机27、工控机001、D/A板卡004、一号编码器采集卡005、一号信号调理模块006、A/D板卡008、伺服放大器009、一号伺服驱动器010、恒流源011、一号磁粉离合器10、二号磁粉离合器13和一号轴46;
力矩电机27用于通过传动机构带动二号磁粉离合器13的主动件36和一号磁粉离合器10的主动件41反向同速运动,二号磁粉离合器13的从动件37和一号磁粉离合器10的从动件40都与一号轴46键连接,所述一号轴46通过两个联轴器为运动的被测试电机2进行加载,力矩传感器4设置在所述两个联轴器之间,用于检测一号轴46的力矩;
一号编码器26用于测量力矩电机27的角位置信号,并将测得的信号发送给一号伺服驱动器010;一号编码器采集卡005用于通过一号伺服驱动器010采集所述角位置信号,并将该角位置信号与给定信号作比较后得到控制信号,然后将该控制信号通过工控机001发送给一号信号调理模块006;一号信号调理模块006用于将工控机001发来的控制信号进行调理后,发送给一号伺服驱动器010,以控制力矩电机27;
力矩传感器4将检测到的力矩信号通过A/D板卡008发送给工控机001,工控机001将该力矩信号与给定力矩信号对比后给出控制信号,D/A板卡004对该控制信号进行DA转换后发送至伺服放大器009,伺服放大器009对DA转换后的信号进行放大,并将放大后的信号发送给恒流源011,恒流源011根据接收到的信号来控制一号磁粉离合器10和二号磁粉离合器13的电流。
二号编码器1安装在被测试电机2的转轴上,测得被测试电机2运动信号传输到二号伺服驱动器007,然后工控机001通过二号编码器采集卡002采集到运动信号,并与给定信号作比较得出控制信号,经过二号信号调理模块003后传输给二号伺服驱动器007控制被测试电机实现所需运动。在负载模拟系统中,工控机001通过控制力矩电机27转动,力矩电机27通过传动轴驱动五号齿轮31和二号齿轮42按相反方向相同速度转动。一号齿轮9与一号磁粉离合器10的主动件通过螺钉刚性连接,三号齿轮15与二号磁粉离合器13的主动件通过螺钉刚性连接,从而一号磁粉离合器10的主动件与二号磁粉离合器13的主动件按相反方向相同速度转动,而一号磁粉离合器10与二号磁粉离合器13的从动件全部与被测试电机2轴连接,按着被测试电机的运动规律运动,这样一号磁粉离合器10和二号磁粉离合器13的主动件与从动件之间产生速度差。当一号磁粉离合器10和二号磁粉离合器13通电时,一号磁粉离合器10和二号磁粉离合器13的线圈产生磁性,磁粉在磁性的作用下产生磁力矩,从而将一号磁粉离合器10和二号磁粉离合器13的主动件的力矩传递给磁粉离合器1和磁粉离合器2的从动件,一号磁粉离合器10和二号磁粉离合器13的主动件运动相反,这样就实现了两个方向的力矩输出,进而一号磁粉离合器10和二号磁粉离合器13的从动件通过键连接与刚性连接传递相反的力矩给被测试电机。其中,力矩传感器4测得力矩信号,通过A/D板卡008传递给工控机001,工控机将实际力矩信号和指令信号对比,输出控制信号控制一号磁粉离合器10和二号磁粉离合器13线圈中电流大小,进而控制力矩大小,实现力矩闭环控制。
本发明的有益效果是,能够模拟多种负载来测试驱动元件或系统,而且当被测试物体主动运动时,磁粉负载模拟器优于传统负载模拟器,把原来的被动加载转换成主动加载,可以不受被测试物体运动的影响,从而本发明的磁粉负载模拟器能够以结构紧凑、控制简单等优点实现更高精度更高频响的动态加载。适用于对电机性能的测试。
附图说明
图1是实施方式一所述的双向磁粉负载模拟器的系统原理图,16、19、25和44均表示轴承,23表示四号齿轮33的转轴;
图2是实施方式一和二所述的双向磁粉负载模拟器的机械结构示意图,图中18表示轴承,6、20、30和45表示轴承端盖,7、11、12、14、17、21、35和48均表示固定支架,其中11和12是用于固定磁粉离合器的固定支架,14为是用于连接二号磁粉离合器13和三号齿轮15的支架,8、32和43表示套筒;
图3是负载曲线,横坐标表示时间,纵坐标表示电流大小,位于X轴上方表示给一号磁粉离合器10通电,位于X轴下方表示给二号磁粉离合器13通电;
图4是实施方式三中的传动机构的结构示意图;
图5是实施方式四中的磁粉离合器的机械结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一:结合图1至图3说明本实施方式,本实施方式所述的双向磁粉负载模拟器包括一号编码器26、力矩传感器4、力矩电机27、工控机001、D/A板卡004、一号编码器采集卡005、一号信号调理模块006、A/D板卡008、伺服放大器009、一号伺服驱动器010、恒流源011、一号磁粉离合器10、二号磁粉离合器13和一号轴46;
力矩电机27用于通过传动机构带动二号磁粉离合器13的主动件36和一号磁粉离合器10的主动件41反向同速运动,二号磁粉离合器13的从动件37和一号磁粉离合器10的从动件40都与一号轴46键连接,所述一号轴46通过两个联轴器为运动的被测试电机2进行加载,力矩传感器4设置在所述两个联轴器之间,用于检测一号轴46的力矩;
一号编码器26用于测量力矩电机27的角位置信号,并将测得的信号发送给一号伺服驱动器010;一号编码器采集卡005用于通过一号伺服驱动器010采集所述角位置信号,并将该角位置信号与给定信号作比较后得到控制信号,然后将该控制信号通过工控机001发送给一号信号调理模块006;一号信号调理模块006用于将工控机001发来的控制信号进行调理后,发送给一号伺服驱动器010,以控制力矩电机27;
力矩传感器4将检测到的力矩信号通过A/D板卡008发送给工控机001,工控机001将该力矩信号与给定力矩信号对比后给出控制信号,D/A板卡004对该控制信号进行DA转换后发送至伺服放大器009,伺服放大器009对DA转换后的信号进行放大,并将放大后的信号发送给恒流源011,恒流源011根据接收到的信号来控制一号磁粉离合器10和二号磁粉离合器13的电流。
如图1所示,采用本实施方式所述的双向磁粉负载模拟器测试电机时,需要配合使用由二号编码器1、二号编码器采集卡002、二号伺服驱动器007和二号信号调理模块003组成的被测试系统。在所述被测试系统中,工控机001将人为给定的信号经二号信号调理模块003处理后,发送给二号伺服驱动器007,进而控制被测试电机2运动,编码器安装在被测试电机2一端的轴端,检测运动信号传输给二号伺服驱动器007,工控机001通过二号编码器采集卡002采集被测试电机2的运动信号,与给定信号作比较,得出控制信号,实现闭环,控制电机运动规律。
其中二号信号调理模块003和一号信号调理模块006的原理相同,其功能是将输入的电压信号转变成电流信号,并对电压信号的值放大或缩小至需要的范围。例如工控机001发送给二号信号调理模块003的信号是-5到5v的电压信号,而伺服驱动器需要的是-10mA到10mA的电流,则二号信号调理模块003将-5到5v的电压信号转换为-10mA到10mA的电流。
在负载模拟系统中,一号磁粉离合器10和二号磁粉离合器13的定子线圈全部固定住。通过一号磁粉离合器10和二号磁粉离合器13输出所需力矩。在磁粉离合器中主动件保持一直旋转,通过改变磁粉离合器线圈中的电流,即可改变线圈磁性,进而改变磁粉磁力矩,是从动件输出连续可变的力矩。在一号编码器26、力矩电机27、工控机001、一号编码器采集卡005、一号信号调理模块006、一号伺服驱动器010组成的闭环控制系统中,力矩电机27输出一定的转矩和转速,通过传动机构带动二号磁粉离合器13的主动件36和一号磁粉离合器10的主动件41以相同的转速反向旋转,这时只要连续改变二号磁粉离合器13的定子线圈38的通电电流,即可使二号磁粉离合器13的从动件37输出一个方向的力矩,而连续改变一号磁粉离合器10定子线圈39中的电流,即可使一号磁粉离合器10的从动件40输出相反方向的力矩。二号磁粉离合器13的从动件37和一号磁粉离合器10的从动件40都通过键连接与一号轴46,这样便可使一号轴46可以模拟双向的力矩负载,通过一号联轴器3和二号联轴器5为运动的被测试电机2进行加载。一号轴46上的力矩传感器4检测力矩信号,通过A/D板卡008传递给工控机001,与给定力矩信号对比后给出控制信号,经过D/A板卡004使得数字信号连续化,再经伺服放大器009放大后,控制恒流源011的输出,以此控制一号磁粉离合器10和二号磁粉离合器13电流大小,改变力矩,这样就形成了力矩闭环,精确控制输出力矩。
传统的负载模拟器把被测电机和充当负载的电机(相当于本发明中的力矩电机)刚性连接在一起,一个电机转动必定会影响另一个电机,而且给充当负载的电机施加的信号越小,被测电机运动越激烈,信号的实现越不精确。而本发明把两个电机通过磁粉离合器连接在一起,离合器的原理是主动件和从动件之间可以有相对运动,而且还可以通过磁粉传递转矩,离合器主动件保持一个方向一直旋转,则从动件传递的转矩就是一个方向,两个离合器的主动件转动方向相反,就能传递两个方向的转矩,给工控机设定好负载曲线(如图3所示),工控机按照该负载曲线给两个磁粉离合器通电,能够很好地保证负载模拟器的小力矩、高精度加载性能。磁粉离合器通电时,将电流转换成磁感应,然后作用于磁粉形成磁力矩,从电气的角度来说,响应迅速,另外,与被测试电机轴连接的从动件惯量也比较小,因而能够实现高带宽的动态加载。
具体实施方式二:结合图1和图2说明本实施方式,本实施方式是对实施方式一所述的双向磁粉负载模拟器的进一步限定,本实施方式中,所述传动机构包括三号联轴器28、二号轴29、一号齿轮9、二号齿轮42、三号齿轮15、四号齿轮33和五号齿轮31;
力矩电机27通过三号联轴器28带动二号轴29旋转动,五号齿轮31和二号齿轮42均与二号轴29键连接,五号齿轮31、四号齿轮33和三号齿轮15依次相互啮合,二号齿轮42和一号齿轮9相互啮合,三号齿轮15和一号齿轮9分别与二号磁粉离合器13的主动件36和一号磁粉离合器10的主动件41固定连接。
力矩电机27通过三号联轴器28带动二号轴29旋转。二号轴29上的五号齿轮31和二号齿轮42以相同的转速同向旋转,五号齿轮31、四号齿轮33和三号齿轮15相互啮合传动,二号齿轮42和一号齿轮9相互啮合传动,使得三号齿轮15和一号齿轮9以相同的转速反向旋转。三号齿轮15和一号齿轮9分别与二号磁粉离合器13的主动件36和一号磁粉离合器10的主动件41固定连接,二号磁粉离合器13的主动件36和一号磁粉离合器10的主动件41以相同的转速反向旋转。
具体实施方式三:结合图4说明本实施方式,本实施方式是对实施方式一所述的双向磁粉负载模拟器的进一步限定,本实施方式中,所述的传动机构包括三号联轴器28、一号锥齿轮201、二号锥齿轮202、三号锥齿轮203、六号齿轮204、三号轴205、七号齿轮206、八号齿轮207、四号轴208和九号齿轮209;
力矩电机27用于通过三号联轴器28带动二号锥齿轮202转动,二号锥齿轮202分别与三号锥齿轮203和一号锥齿轮201相互啮合;
三号锥齿轮203与六号齿轮204均与三号轴205键连接,六号齿轮204与七号齿轮206相互啮合,七号齿轮206二号磁粉离合器13的主动件36固定连接;
一号锥齿轮201与九号齿轮209均与四号轴208键连接,七号齿轮206与八号齿轮207相互啮合,八号齿轮207与一号磁粉离合器10的主动件41固定连接。
本实施方式提供了另外一种传动机构。二号锥齿轮202在力矩电机27带动下旋转,二号锥齿轮202分别与三号锥齿轮203和一号锥齿轮201相互啮合,使得三号锥齿轮203和一号锥齿轮201反向同速运动,三号锥齿轮203通过三号轴205将转速和力矩传递给六号齿轮204,一号锥齿轮201通过四号轴208将转速和力矩传递给九号齿轮209,而六号齿轮204和九号齿轮209分别与七号齿轮206和八号齿轮207相互啮合传动,所以七号齿轮206和八号齿轮207反向同速运动,七号齿轮206和八号齿轮207分别与图2中的二号磁粉离合器13的主动件36和一号磁粉离合器10的主动件41固定连接,使得二号磁粉离合器13的主动件36和一号磁粉离合器10的主动件41反向同速运动。
具体实施方式四:结合图5说明本实施方式,本实施方式是对实施方式一、二和三所述的双向磁粉负载模拟器的进一步限定,本实施方式中,一号磁粉离合器10和二号磁粉离合器13均采用中空式内旋转磁粉离合器,所述空式内旋转磁粉离合器的线圈与其外壳固定在一起。
如图5所示,103和105为外壳,一号磁粉离合器10和二号磁粉离合器13的从动件均为中空式。
具体实施方式五:本实施方式是对实施方式四所述的双向磁粉负载模拟器的进一步限定,本实施方式中,一号齿轮9与二号齿轮42的齿数相同、且模数也相同,三号齿轮15、四号齿轮33和五号齿轮31的齿数相同、且模数也相同,最终使得一号磁粉离合器10的主动件和二号磁粉离合器13主动件以相同转速相反方向旋转。
具体实施方式六:本实施方式是对实施方式四所述的双向磁粉负载模拟器的进一步限定,本实施方式中,:一号磁粉离合器10和二号磁粉离合器13均以外壳作为主动件。
Claims (6)
1.双向磁粉负载模拟器,包括力矩电机(27),其特征在于,它包括一号编码器(26)、工控机(001)、D/A板卡(004)、一号编码器采集卡(005)、一号信号调理模块(006)、A/D板卡(008)、伺服放大器(009)、一号伺服驱动器(010)、恒流源(011)、一号磁粉离合器(10)、二号磁粉离合器(13)和一号轴(46);
力矩电机(27)用于通过传动机构带动二号磁粉离合器(13)的主动件(36)和一号磁粉离合器(10)的主动件(41)反向同速运动,二号磁粉离合器(13)的从动件(37)和一号磁粉离合器(10)的从动件(40)都与一号轴(46)键连接,所述一号轴(46)通过两个联轴器为运动的被测试电机(2)进行加载,力矩传感器(4)设置在所述两个联轴器之间,用于检测一号轴(46)的力矩;
一号编码器(26)用于测量力矩电机(27)的角位置信号,并将测得的信号发送给一号伺服驱动器(010);一号编码器采集卡(005)用于通过一号伺服驱动器(010)采集所述角位置信号,并将该角位置信号与给定信号作比较后得到控制信号,然后将该控制信号通过工控机(001)发送给一号信号调理模块(006);一号信号调理模块(006)用于将工控机(001)发来的控制信号进行调理后,发送给一号伺服驱动器(010),以控制力矩电机(27);
力矩传感器(4)将检测到的力矩信号通过A/D板卡(008)发送给工控机(001),工控机(001)将该力矩信号与给定力矩信号对比后给出控制信号,D/A板卡(004)对该控制信号进行DA转换后发送至伺服放大器(009),伺服放大器(009)对DA转换后的信号进行放大,并将放大后的信号发送给恒流源(011),恒流源(011)根据接收到的信号来控制一号磁粉离合器(10)和二号磁粉离合器(13)的电流。
2.根据权利要求1所述的双向磁粉负载模拟器,其特征在于,所述传动机构包括三号联轴器(28)、二号轴(29)、一号齿轮(9)、二号齿轮(42)、三号齿轮(15)、四号齿轮(33)和五号齿轮(31);
力矩电机(27)通过三号联轴器(28)带动二号轴(29)旋转动,五号齿轮(31)和二号齿轮(42)均与二号轴(29)键连接,五号齿轮(31)、四号齿轮(33)和三号齿轮(15)依次相互啮合,二号齿轮(42)和一号齿轮(9)相互啮合,三号齿轮(15)和一号齿轮(9)分别与二号磁粉离合器(13)的主动件(36)和一号磁粉离合器(10)的主动件(41)固定连接。
3.根据权利要求1所述的双向磁粉负载模拟器,其特征在于,所述的传动机构包括三号联轴器(28)、一号锥齿轮(201)、二号锥齿轮(202)、三号锥齿轮(203)、六号齿轮(204)、三号轴(205)、七号齿轮(206)、八号齿轮(207)、四号轴(208)和九号齿轮(209);
力矩电机(27)用于通过三号联轴器(28)带动二号锥齿轮(202)转动,二号锥齿轮(202)分别与三号锥齿轮(203)和一号锥齿轮(201)相互啮合;
三号锥齿轮(203)与六号齿轮(204)均与三号轴(205)键连接,六号齿轮(204)与七号齿轮(206)相互啮合,七号齿轮(206)二号磁粉离合器(13)的主动件(36)固定连接;
一号锥齿轮(201)与九号齿轮(209)均与四号轴(208)键连接,七号齿轮(206)与八号齿轮(207)相互啮合,八号齿轮(207)与一号磁粉离合器(10)的主动件(41)固定连接。
4.根据权利要求1、2或3所述的双向磁粉负载模拟器,其特征在于,一号磁粉离合器(10)和二号磁粉离合器(13)均采用中空式内旋转磁粉离合器,所述空式内旋转磁粉离合器的线圈与其外壳固定在一起。
5.根据权利要求4所述的双向磁粉负载模拟器,其特征在于,一号齿轮(9)与二号齿轮(42)的齿数相同、且模数也相同,三号齿轮(15)、四号齿轮(33)和五号齿轮(31)的齿数相同、且模数也相同。
使得最终磁粉离合器18的主动件和磁粉离合器19主动件以相同转速相反方向旋转。
6.根据权利要求4所述的双向磁粉负载模拟器,其特征:一号磁粉离合器(10)和二号磁粉离合器(13)均以外壳作为主动件。
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |