CN107621343A - 一种动刚度测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种动刚度测试装置，包括：上位机、指令生成器、加载控制器、液压泵、伺服阀、液压缸和连接机构；所述上位机用于向所述指令生成器发送加载指令，所述指令生成器用于根据所述加载指令产生扫频信号，并将所述扫频信号作用于所述加载控制器，所述加载控制器根据所述扫频信号输出相应的控制量给所述伺服阀，控制所述伺服阀的负载流量，所述液压缸根据所述负载流量输出相应的力，所述力通过所述连接机构作用于舵机。

Description

一种动刚度测试装置

技术领域

本发明属于舵机测试技术领域，具体地，本发明涉及一种动刚度测试装置，来测试舵机的动刚度。

背景技术

舵机作为整个飞控系统中的关键性部件，对其动态特性有很高的要求。舵机的舵面在飞行过程中除受到使它飞行的主动力外，还受到惯性力和气动力的作用，而气动力随着飞行高度、飞行速度、飞行姿态和气流等因素的变化而变化，这要求舵机具有在承受这些力的同时仍能正常飞行的能力，因为对舵机系统进行综合测试，全面评价各项性能指标是舵机设计和研制过程中的重要环节，其结果将为舵机性能的改进和提升提供重要的理论和实验分析依据。

传统上，衡量舵机性能的常用性能指标主要有超调量、跟踪误差、上升时间、建立时间等时域指标，以及频带宽度、相位滞后、稳定裕量等频域指标。这些指标反映了从舵面转角指令输入到舵面实际转动角度之间的指令-执行关系，然而舵机实际应用结果表明，尽管在地面模拟调试阶段，舵机系统达到了设计规则对上述动态性能指标的要求，但在实际工作过程中舵机系统的实际性能与期望性能出现较大偏差，尤其是在实际动态工作载荷下，当动态载荷的作用频率与舵机系统的模态频率相交叠时，舵面发生振动，甚至出现失稳，从而对整个飞机的安全构成威胁。

舵机传动系统中存在的结构柔性、间隙及摩擦使整个传动系统的动力特性呈现复杂的时空和频率非线性特性，正是由于这种结构动力学性能的变化，引起系统的控制参数甚至模型发生了变化，导致系统的工作性能与地面模拟调试出现较大的偏差。因此，仅有舵机系统的动态控制性能指标还不能够全面地反应舵机的实际性能，还应当考虑舵机的结构动力学特性，其中一项重要的内容就是需要对舵机系统的结构输出刚度特性进行测试和分析，因为结构刚度是反映动力学性能的重要参数，表征了舵机系统抵抗外载荷扰动的能力。从机械系统的角度来看，如果舵机系统抵抗外载荷扰动的能力太差，则极易引发整个系统的结构稳定性问题。

由于舵机的结构、材质及非线性特性，尤其是摩擦片的阻尼在较大范围内变化，难以进行理论估计，因此开展舵机系统动刚度的实验测试就成了一个重要手段。舵机的动刚度是将舵机输出端处作用的外载荷为输入和其相应的位移为输出来定义的。动态刚度特性差则极易引发舵面的颤振，从而影响整个系统结构的稳定性，飞机舵面嗡鸣则是其一种表现形式，因此研制舵机动刚度试验台对分析舵机系统具有重要意义。

发明内容

为了测试舵机在动态性能指标比较达标的情况下测试舵机的动刚度特性，本发明提供一种动刚度测试装置，通过以下技术方案实现。

一方面，本发明提供的动刚度测试装置，包括：上位机、指令生成器、加载控制器、液压泵、伺服阀、液压缸和连接机构；所述上位机用于向所述指令生成器发送加载指令，所述指令生成器用于根据所述加载指令产生扫频信号，并将所述扫频信号作用于所述加载控制器，所述加载控制器根据所述扫频信号输出相应的控制量给所述伺服阀，控制所述伺服阀的负载流量，所述液压缸根据所述负载流量输出相应的力，所述力通过所述连接机构作用于舵机。

进一步地，所述扫频信号为幅值恒定的正弦扫频信号。

进一步地，所述动刚度测试装置还包括动刚度试验台，所述动刚度试验台包括上台体、立柱、位移测量装置、直线加载通道、升降缸和下台体；所述立柱配置在所述上台体和所述下台体之间；所述下台体与所述立柱固定连接；所述上台体通过夹紧油缸与所述立柱固定连接；所述直线加载通道的后端与所述下台体固定连接；所述位移测量装置安装在所述立柱上。

进一步地，通过控制所述升降缸的伸缩来实现所述上台体上下运动，运动到位后用所述夹紧油缸通高压油与所述立柱固定。

进一步地，所述上台体上安装有舵机连接组件，所述直线加载通道的前端与所述舵机连接组件连接。

进一步地，所述位移测量装置包括第一激光位移传感器、第二激光位移传感器、光轴和固定联接件，所述第一激光位移传感器和所述第二激光位移传感器分别安装在所述光轴的两端，所述固定联接件与所述光轴的中部连接；所述位移测量装置通过所述固定联接件固定在所述立柱上。

另一方面，本发明提供基于上述动刚度测试装置进行动刚度测试的方法，包括以下步骤：

1)飞控计算机控制舵机处于0值状态：

2)上位机向所述指令生成器发送一个加载指令，所述指令生成器根据所述加载指令产生扫频信号，并将所述扫频信号作用于所述加载控制器；

3)所述加载控制器根据所述扫频信号输出相应的控制量给所述伺服阀，控制所述伺服阀的负载流量；

4)所述液压缸根据所述负载流量输出相应的力，所述力通过所述连接机构作用于舵机。

进一步地，上述方法还包括以下步骤：

5)位移测量装置测量所述舵机的形变数据，所述液压缸上的力矩传感器测试出所述液压缸施加给所述舵机的力。

6)将所述形变数据与所述力作比，得到舵机的动刚度曲线。

进一步地，上述方法还包括以下步骤：

将所述力与所述上位机所给出的正弦信号作比较，并反馈给所述加载控制器，通过反馈作用跟踪所述正弦信号。

本发明的有益效果：

1、本发明的动刚度测试装置中的试验台为专门设计的试验台装置，具有简洁且有效的机械结构，具有一定的通用性，试验台的上梁可以调整位置，可适用于不同型号的舵机及其加载力要求。

2、本发明的动刚度测试装置中的位移测量装置包括两个激光位移传感器，基于差分的原理来检测舵机的形变，减小了机械结构间隙等所带来的误差。

3、本发明的动刚度测试装置的机械结构进行了优化设计，扫频频率可以达到120HZ，居于世界先进水平。动刚度测试装置的机械结构可以保证位移传感器和舵机上的反射板处于固定位置，从而保证测试装置正常工作。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的动刚度测试装置的整体结构示意图。

图2为本发明具体实施方式的动刚度测试装置中的动刚度试验台的结构示意图，左图为正视图，右图为侧视图。

图3为本发明具体实施方式的动刚度测试装置中的位移测量装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图1-3对本发明的动刚度测试装置及测试方法做详细说明。

如图1所示出的动刚度测试装置的结构示意图，包括：上位机1、指令生成器2、加载控制器3、液压泵4、伺服阀5、液压缸6和连接机构8；上位机1用于向指令生成器2发送加载指令，指令生成器2用于根据所述加载指令产生扫频信号，并将所述扫频信号作用于加载控制器3，加载控制器3根据所述扫频信号输出相应的控制量给伺服阀5，控制伺服阀5的负载流量，液压缸6根据所述负载流量输出相应的力，所述力通过连接机构8作用于舵机9。

在本实施方式中，加载控制器3为大动态加载控制器，伺服阀5为高频宽伺服阀，所述扫频信号为幅值恒定的正弦扫频信号，频率范围为0.1HZ-120HZ。大动态加载控制器3输出一个控制量作为高频宽伺服阀5的输入，通过控制阀芯的位移从而控制负载流量。

舵机动刚度的测试是在舵机位置系统输入为零或为常值的情况下，在舵机输出端输入幅值为A，频率不同的正弦力信号，实测出舵机位置系统在不同频率正弦信号力输入下的位移输出，进而得出舵机位置系统的动刚度特性。

如图2所示，动刚度测试装置还包括动刚度试验台，动刚度试验台包括上台体11、立柱12、位移测量装置13、直线加载通道14、升降缸16和下台体15；立柱12配置在上台体11和下台体15之间；下台体15与立柱12固定连接；上台体11通过夹紧油缸17与立柱12固定连接；直线加载通道14的后端与下台体15固定连接；位移测量装置13安装在立柱12上。通过控制所述升降缸16的伸缩来实现上台体11上下运动，运动到位后用夹紧油缸17通高压油与立柱12固定。上台体11上安装有舵机连接组件19，直线加载通道14的前端与舵机连接组件19连接。舵机连接组件19用于连接舵机9。在试验台中将液压缸6固定，通过连接机构8将其和舵机9连接起来。在舵机9的上方为试验台的上梁10，上梁10是没有固定的，这样的方式可适用于不同型号的舵机及加载力的要求。18为两个反射面，即图3中的反射面1和反射面2。

如图3示出了动刚度测试装置中的位移测量装置，位移测量装置13包括第一激光位移传感器21、第二激光位移传感器25、光轴23和固定联接件24，第一激光位移传感器21和第二激光位移传感器25分别安装在光轴23的两端，固定联接件24与光轴23的中部连接；位移测量装置13通过固定联接件24固定在立柱12上。通过上述位移测量装置实时测量舵机的变形位移，可以提高实验的精度。上述位移测量装置基于差分的原理来减小上下两端位移的误差，减小了间隙带来的影响。第一激光位移传感器21和第二激光位移传感器25可将普通圆形点状测量光斑通过光学处理延伸为扁长的椭圆形，有效过滤了光泽被测表面上产生的光学干涉效应。

如图3的右图，差分原理如下：当舵机9上方激光位移传感器1检测到与反射面1的距离为x1，下方激光位移传感器2检测到与反射面2的距离为x2，由于间隙的原因使得x2到反射面2的距离增加了Δx，那么由于两个传感器是通过轴连接在一起的，x1到反射面1的距离减少了Δx，利用差分的原理，两个一加，即消除了间隙带来的误差Δx。

本发明具体实施方式的动刚度测试装置的测试方法包括以下步骤：

1)飞控计算机控制舵机9处于0值状态；

2)上位机1向指令生成器2发送一个加载指令，指令生成器2根据加载指令产生扫频信号，并将所述扫频信号作用于加载控制器3；

3)加载控制器3根据扫频信号输出相应的控制量给伺服阀5，控制所述伺服阀5的负载流量；

4)液压缸6根据所述负载流量输出相应的力，所述力通过连接机构8作用于舵机9；

5)位移测量装置13测量舵机9的形变数据，液压缸6上的力矩传感器7测试出液压缸6施加给述舵机9的力。

6)将所述形变数据与所述力作比，例如经过快速傅里叶变换到频域，得到舵机9的动刚度曲线。

上述方法还包括以下步骤：将所述力与所述上位机1所给出的正弦信号作比较，并反馈给加载控制器3，通过反馈作用跟踪所述正弦信号。

显然，上述实施方式仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种动刚度测试装置，其特征在于，

包括：上位机(1)、指令生成器(2)、加载控制器(3)、液压泵(4)、伺服阀(5)、液压缸(6)和连接机构(8)；

所述上位机(1)用于向所述指令生成器(2)发送加载指令，

所述指令生成器(2)用于根据所述加载指令产生扫频信号，并将所述扫频信号作用于所述加载控制器(3)，

所述加载控制器(3)根据所述扫频信号输出相应的控制量给所述伺服阀(5)，控制所述伺服阀(5)的负载流量，

所述液压缸(6)根据所述负载流量输出相应的力，所述力通过所述连接机构(8)作用于舵机(9)。

2.根据权利要求1所述的动刚度测试装置，其特征在于，

所述扫频信号为幅值恒定的正弦扫频信号。

3.根据权利要求1所述的动刚度测试装置，其特征在于，

所述动刚度测试装置还包括动刚度试验台，所述动刚度试验台包括上台体(11)、立柱(12)、位移测量装置(13)、直线加载通道(14)、升降缸(16)和下台体(15)；所述立柱(12)配置在所述上台体(11)和所述下台体(15)之间；所述下台体(15)与所述立柱(12)固定连接；所述上台体(11)通过夹紧油缸(17)与所述立柱(12)固定连接；所述直线加载通道(14)的后端与所述下台体(15)固定连接；所述位移测量装置(13)安装在所述立柱(12)上。

4.根据权利要求3所述的动刚度测试装置，其特征在于，

通过控制所述升降缸(16)的伸缩来实现所述上台体(11)上下运动，运动到位后用所述夹紧油缸(17)通高压油与所述立柱(12)固定。

5.根据权利要求3或4所述的动刚度测试装置，其特征在于，

所述上台体(11)上安装有舵机连接组件(19)，所述直线加载通道(14)的前端与所述舵机连接组件(19)连接。

6.根据权利要求3或4所述的动刚度测试装置，其特征在于，

所述位移测量装置(13)包括第一激光位移传感器(21)、第二激光位移传感器(25)、光轴(23)和固定联接件(24)，所述第一激光位移传感器(21)和所述第二激光位移传感器(25)分别安装在所述光轴(23)的两端，所述固定联接件(24)与所述光轴(23)的中部连接；所述位移测量装置(13)通过所述固定联接件(24)固定在所述立柱(12)上。

7.基于权利要求1-6任一项所述的动刚度测试装置进行动刚度测试的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)飞控计算机控制舵机(8)处于0值状态；

2)上位机(1)向所述指令生成器(2)发送一个加载指令，所述指令生成器(2)根据所述加载指令产生扫频信号，并将所述扫频信号作用于所述加载控制器(3)；

3)所述加载控制器(3)根据所述扫频信号输出相应的控制量给所述伺服阀(5)，控制所述伺服阀(5)的负载流量；

4)所述液压缸(6)根据所述负载流量输出相应的力，所述力通过所述连接机构(7)作用于舵机(8)。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

5)位移测量装置(13)测量所述舵机(9)的形变数据，所述液压缸(6)上的力矩传感器(7)测试出所述液压缸(6)施加给所述舵机(9)的力。

6)将所述形变数据与所述力作比，得到舵机(9)的动刚度曲线。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

将所述力与所述上位机(1)所给出的正弦信号作比较，并反馈给所述加载控制器(3)，通过反馈作用跟踪所述正弦信号。