CN105741667A - 一种电动负载模拟器 - Google Patents
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Abstract
一种电动负载模拟器，包括：主控计算机、运动控制卡、力矩电机、弹簧杆、电动缸、扭矩传感器、旋转编码器、拉压力传感器、舵机，结构轴部分，电机轴的一端和电机内的夹紧装置联接另一端联接外部的联轴器，工装轴一端与舵机轴相连，另一端与相邻的轴通过联轴器连接。针对舵机在空气中所受的不同载荷，提出了一种扭矩和弯矩可以同时加载的复合力加载系统并给出了系统的总体方案，使得系统在满足实际要求的前提下达到最优。
Description
技术领域
本发明涉及自动化领域，特别是一种电动负载模拟器。
背景技术
电动负载模拟器是各种飞行器在设计阶段进行地面半实物仿真的重要设备之一，用于模拟飞行器在飞行过程中作用在舵面上的气动载荷。负载模拟器经历了机械式、电液式和电动式三个发展阶段。如今着电机性能的不断改善和提高，电动负载模拟器可以实现大力矩、高精度、宽频带的负载模拟，逐步成为中小型加载系统的一个很好选择。对于一个加载系统来说，加载精度和响应时间是衡量其性能好坏的关键。由于执行器和被测对象通过联轴器直接耦合，所以舵机的主动运动会致使执行器被动跟随舵机运动，在这个过程中就会出现多余力矩，而能否减小或消除，多余力矩的干扰是影响系统性能好坏的重要因素。
发明内容
针对上述存在的会产生多余力矩的问题，本发明提供了一种电动负载模拟器。
一种电动负载模拟器，包括：主控计算机、运动控制卡、力矩电机、弹簧杆、电动缸、扭矩传感器、旋转编码器、拉压力传感器、舵机。其特征在于：结构轴，电机轴的一端和电机内的夹紧装置联接另一端联接外部的联轴器，工装轴一端与舵机轴相连，另一端与相邻的轴通过联轴器连接。
一种电动负载模拟器的结构轴，电机轴采用空心轴，轴材质选用45号钢，空心轴内径取值范围为16mm~20mm，空心轴外径取值范围为34mm~38mm。电机轴在工作工程中，主要是传递扭矩，弯矩相对于扭矩可以忽略。
一种电动负载模拟器的结构轴，工装轴的直径为40mm，工装轴的长度为110mm。工装轴在工作工程中不仅传递转矩，还要承受弯矩加载装置对其施加的弯矩。
本发明结构轴的弹簧杆选用的材质是20Cr合金钢。
一种电动负载模拟器其工作方法为：（1）主控计算机设定加载模式和加载力矩值，给出驱动信号；（2）直流力矩电机提供负载扭矩，并由高精度扭矩传感器检测并配合高精度数据放大器获得输出扭矩信号，扭矩信号反馈到运动控制卡中形成力矩闭环控制，经与驱动信号比较得到调节误差，以跟踪加载指令，完成动、静态扭矩加载；（3）伺服电动缸提供负载弯矩，施加的推拉力由高精度拉压力传感器检测，力信号反馈到运动控制卡中形成力闭环控制，以跟踪加载指令，完成弯矩加载；（4）采用弹簧杆降低负载模拟器的连接刚度和多余力矩，减少加载转矩的高频分量，抑制系统振荡，提高系统的稳定性；（5）舵机位置指令和转角反馈信号分别由A/D、D/A卡产生和接收，实现舵机位置伺服控制和内置转角反馈信号的记录。该位置信号将与旋转编码器采集的转角信号进行比对。
本发明的有益效果：本发明采用力矩电机直接驱动负载来减少机械传动机构实现高精度和快速响应，在结构设计的过程中，综合考虑了系统的转动惯量和刚度对多余力矩的影响，并且在缩短响应时间的同时尽量减小多余力矩。
附图说明
图1是本发明的原理框图。
其中，1-运动控制卡、2-伺服驱动器、3-电动缸、4-拉压力传感器、5-舵机、6-舵伺服放大器、7-旋转编码器、8-扭矩传感器、9-力矩电机、10-伺服驱动器、11-采集卡、12-运动驱动卡、13-数模转换器。
具体实施方式
一种电动负载模拟器，包括：主控计算机、运动控制卡、力矩电机、弹簧杆、电动缸、扭矩传感器、旋转编码器、拉压力传感器、舵机。其特征在于：结构轴，电机轴的一端和电机内的夹紧装置联接另一端联接外部的联轴器，电机轴主要是用来传递扭矩，在转动过程中同时受弯曲应力和扭应力，工装轴一端与舵机轴相连，另一端与相邻的轴通过联轴器连接吗，电机轴和工装轴在足够强度的基础上要求扭转变形小，并且尽量减小转动惯量。
一种电动负载模拟器的结构轴，其特征在于：电机轴采用空心轴，轴材质选用45号钢，空心轴内径取值范围为16mm~20mm，空心轴外径取值范围为34mm~38mm。电机轴在工作工程中，主要是传递扭矩，弯矩相对于扭矩可以忽略。电机轴在工作工程中，主要是传递扭矩，弯矩相对于扭矩可以忽略，因此，只需要按扭矩进行校核。试验结果表明，在载荷相等的条件下，合理壁厚的空心轴的设计在很大程度上节约材料。实现减重的目标，满足机械的最优化设计理念。对系统来说，要求尽量减小部件的转动惯量。
一种电动负载模拟器的结构轴，其特征在于：工装轴的直径为40mm，工装轴的长度为110mm。工装轴在工作工程中不仅传递转矩，还要承受弯矩加载装置对其施加的弯矩。
一种电动负载模拟器的结构轴，其特征在于：弹簧杆选用的材质是20Cr合金钢。弹簧杆在结构中只承受扭矩的作用，弹簧杆的刚度系数K对电动负载模拟器的动态和静态性能指标均有显著影响。刚度系数小，则系统动态响应缓慢，系统频带减少；而刚度系数过大，会导致系统稳定性下降，使系统控制及多余力矩消除难度增大。
一种电动负载模拟器，其工作方法为：
（1）主控计算机是负载模拟器控制系统的核心，设定加载模式和加载力矩值，给出驱动信号。
（2）负载扭矩由直流力矩电机提供，并由高精度扭矩传感器检测并配合高精度数据放大器获得输出扭矩信号，扭矩信号反馈到运动控制卡中形成力矩闭环控制，经与驱动信号比较得到调节误差，以跟踪加载指令，完成动、静态扭矩加载。
（3）负载弯矩由伺服电动缸提供，它能够实现几百到几万牛力加载，施加的推拉力由高精度拉压力传感器检测，力信号反馈到运动控制卡中形成力闭环控制，以跟踪加载指令，完成弯矩加载。
（4）采用弹簧杆作为连接缓冲机构，降低负载模拟器的连接刚度和多余力矩，减少加载转矩的高频分量，抑制系统振荡，有利于提高系统的稳定性。
（5）舵机位置指令和转角反馈信号分别由A/D、D/A卡产生和接收，实现舵机位置伺服控制和内置转角反馈信号的记录。该位置信号将与旋转编码器采集的转角信号进行比对。
实施例1：一种电动负载模拟器的电机轴采用空心轴，轴材质选用45号钢，空心轴内径取值为18mm，空心轴外径取值为36mm。
实施例2：一种电动负载模拟器的电机轴采用空心轴，轴材质选用45号钢，空心轴内径取值为16mm，空心轴外径取值为38mm。
实施例3：一种电动负载模拟器的电机轴采用空心轴，轴材质选用45号钢，空心轴内径取值为20mm，空心轴外径取值为34mm。
加载条件分为：静态加载5310TNmm，动态加载梯度120/TNm，15fHz，正弦加载；工装轴弯矩加载中所受的径向力10000FN，其屈服极限为355MPa。静态加载下，电机轴的最大变形为0.034982mm，满足工作要求；受到的最大应力为62.206MPa，低于材料的屈服极限，满足工作要求。动态加载下，电机轴的最大变形为0.027951mm，满足工作要求；受到的最大应力为47.156MPa，低于材料的屈服极限，满足工作要求。
Claims (8)
1.一种电动负载模拟器，包括：主控计算机、运动控制卡（12）、力矩电机（9）、弹簧杆、电动缸（3）、扭矩传感器（8）、旋转编码器（7）、拉压力传感器（4）、舵机（5），其特征在于：结构轴部分，电机轴的一端和电机内的夹紧装置联接另一端联接外部的联轴器，工装轴一端与舵机轴相连，另一端与相邻的轴通过联轴器连接。
2.根据权利要求1所述的一种电动负载模拟器，其特征在于：电机轴采用空心轴，轴材质选用45号钢，空心轴内径取值范围为16mm~20mm，空心轴外径取值范围为34mm~38mm。
3.根据权利要求1所述的一种电动负载模拟器，其特征在于：工装轴的直径为40mm，工装轴的长度为110mm。
4.根据权利要求1所述的一种电动负载模拟器，其特征在于：弹簧杆选用的材质是20Cr合金钢。
5.根据权利要求1所述的一种电动负载模拟器，其特征在于：其负载方法：
1）主控计算机设定加载模式和加载力矩值，给出驱动信号；
2）直流力矩电机（9）提供负载扭矩，并由高精度扭矩传感器（8）检测并配合高精度数据放大器获得输出扭矩信号，扭矩信号反馈到运动控制卡（12）中形成力矩闭环控制，经与驱动信号比较得到调节误差，以跟踪加载指令，完成动、静态扭矩加载；
3）伺服电动缸提供负载弯矩，施加的推拉力由高精度拉压力传感器检测，力信号反馈到运动控制卡（12）中形成力闭环控制，以跟踪加载指令，完成弯矩加载；
4）采用弹簧杆降低负载模拟器的连接刚度和多余力矩，减少加载转矩的高频分量，抑制系统振荡，提高系统的稳定性；
5）舵机位置指令和转角反馈信号分别由A/D、D/A卡产生和接收，实现舵机位置伺服控制和内置转角反馈信号的记录，该位置信号与旋转编码器采集的转角信号进行比对。
6.根据权利要求2所述的一种电动负载模拟器，其特征在于：电机轴采用空心轴，轴材质选用45号钢，空心轴内径取值为18mm，空心轴外径取值为36mm。
7.根据权利要求2所述的一种电动负载模拟器，其特征在于：电机轴采用空心轴，轴材质选用45号钢，空心轴内径取值为16mm，空心轴外径取值为38mm。
8.根据权利要求2所述的一种电动负载模拟器，其特征在于：电机轴采用空心轴，轴材质选用45号钢，空心轴内径取值为20mm，空心轴外径取值为34mm。
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