CN112082788A - 一种推力矢量伺服机构变惯量随动大负载模拟试验装置 - Google Patents

一种推力矢量伺服机构变惯量随动大负载模拟试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种推力矢量伺服机构变惯量随动大负载模拟试验装置，摇臂(2)、伺服机构模拟件(7)、一级增速齿轮、主轴(15)固定安装于台体底板(5)上，在主轴(15)上对称设置左惯量盘(14)、右惯量盘(16)，所述伺服机构模拟件(7)推动摇臂(2)，通过一级增速齿轮带动左惯量盘(14)、右惯量盘(16)进行转动；所述扭杆(19)整个穿过主轴(15)的轴心，一端与扭矩传感器(20)固连；在所述主轴(15)的末端设置一组齿轮副，角位移传感器(18)位于齿轮副的齿轮上，通过一组齿轮副得到主轴(15)的偏转角度。本发明具有加载线性度高、结构紧凑、节省空间等优点。

Description

一种推力矢量伺服机构变惯量随动大负载模拟试验装置
技术领域
本发明属于航天器控制技术领域，具体涉及一种推力矢量伺服机构变惯量随动大负载模拟试验装置。
背景技术
随着航天器向高超声速、大航程和高精度不断发展，伺服机构要求具有更大的输出力、更快的运动速度和更高的控制精度，进而对伺服机构负载模拟试验装置的加载性能提出越来越高的要求，以有效检验伺服机构的动、静态特性。
现有的负载模拟试验装置一般采用的加载方式为机械加载、电液伺服加载、电磁加载和电机加载装置等。机械加载主要优点是工作可靠，结构简单，加载精度较高，但体积大，对于大负载要求的情况，较难实现负载的调节。电液伺服加载可实现连续加载，且频带较宽，输出负载力矩大，但是存在液压源体积大、噪声大，容易产生多余力矩等缺点。电机加载设备目前主要采用直流电机或力矩电机，直流电机作为加载元件存在电枢电流大，功率损失大，由于换向器的存在，对提供“正、反转的力矩”不便。
发明内容
本发明需解决的技术问题是提供一种加载线性度高、体积小的推力矢量伺服机构机械式负载模拟试验装置。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种推力矢量伺服机构变惯量随动大负载模拟试验装置，采取技术方案如下：
包括摇臂、台体底板、伺服机构模拟件、一级增速齿轮、左惯量盘、右惯量盘、角位移传感器、扭杆、扭矩传感器。所述摇臂、伺服机构模拟件、一级增速齿轮、主轴固定安装于台体底板上，在主轴上对称设置左惯量盘、右惯量盘，所述左惯量盘、右惯量盘惯量可调节。所述伺服机构模拟件推动摇臂，通过一级增速齿轮带动左惯量盘、右惯量盘进行转动。
所述扭杆整个穿过主轴的轴心，一端与扭矩传感器固连；
在所述主轴的末端设置一组齿轮副，角位移传感器位于齿轮副的齿轮上，通过一组齿轮副得到主轴的偏转角度。
进一步地，在所述台体底板上设置用于安装被测试的伺服机构模拟件的伺服机构支座以及安装所述摇臂的摇臂支座，所述伺服机构模拟件与摇臂一端相连，另一端与各自的支座相连；所述摇臂的轴上固定大齿轮；大齿轮与小齿轮作为一级增速齿轮相互啮合，小齿轮固定到所述主轴上，在小齿轮一侧的主轴的末端设置小齿轮支座。
进一步地，在所述左惯量盘、右惯量盘的两侧分别设置左惯量盘支架、右惯量盘支架，所述左惯量盘支架位于小齿轮处，右惯量盘支架位于主轴的末端，在所述右惯量盘支架与主轴的末端设置一组齿轮副，角位移传感器位于右惯量盘支架的齿轮上。
进一步地，所述左惯量盘、右惯量盘通过螺栓连接的方式施加0～32个惯量块。
进一步地，设计所述扭杆的截面与长度得到每偏转1°所获得的弹性负载。
与现有技术对比，本发明有益效果是：
1、本发明负载模拟试验装置针对现有技术的缺陷，利用机械式负载模拟系统加载方式简单，精度较高、控制及制造成本低、机加时间短的优点，设计了一种推力矢量伺服机构变惯量随动大负载模拟试验装置，避免了复杂结构试验台所带来的高成本及长周期。
2、本发明负载模拟试验装置具有加载线性度高、结构紧凑、节省空间的优点。为有效解决推力矢量伺服机构大负载的模拟需求与负载越大机械式加载装置体积越大的矛盾，本发明采用了一级增速齿轮，在这种情况下，安装在负载模拟试验装置上的惯量仅需为推力矢量伺服机构实际工况下的惯量乘上增速齿轮副的传动比的平方(增速齿轮副的传动比为大齿轮与小齿轮齿数的比值，其值小于1，下同)；安装在负载模拟试验装置上的弹性扭杆每偏转1°所获得的弹性负载仅需为推力矢量伺服机构实际工况下发动机每偏转1°的弹性负载乘上增速齿轮副的传动比的平方。如此一来，在满足推力矢量伺服机构大负载的模拟需求的同时大大减轻了负载模拟试验装置的重量，节省了负载模拟试验装置的占用空间。
3、本发明负载模拟试验装置具有很强的通用性，可以满足不同的推力矢量伺服机构的不同的惯量模拟需求，主轴上对称设置2个惯量盘，每个惯量盘上可施加0～16个惯量块，已达到可变惯量的目的。通过计算，该试验装置可以模拟的惯量范围为55.4kg·m2～311.0kg·m2，基本能够覆盖现有推力矢量伺服机构的大负载惯量模拟需求，解决了可变惯量的推力矢量伺服机构的加载问题。
4、本发明负载模拟试验装置在推力矢量伺服机构运动的过程中，扭杆会随着一同旋转，且扭杆的旋转角度与其施加的弹性负载呈线性关系，通过设计扭杆的截面与长度使之得到一个较大的每偏转1°所获得的弹性负载，该弹性负载以除以传动比的平方的倍数施加给推力矢量伺服机构。通过计算，本发明能实现最大弹性负载可达到24000Nm，解决了随动大负载的推力矢量伺服机构的加载问题。
5、本发明负载模拟试验装置具有很强的适应性。针对不同被测推力矢量伺服机构的接口，只需更改伺服机构支座和与摇臂的转接接口即可实现测试，整个替换过程拆卸方便。
6、本发明负载模拟试验装置能够保证加载的精确性。惯量盘和惯量块的精确设计保证了转动负载的精确性；主轴末端的角度传感器对惯量盘与扭杆的角度偏转进行了实时的监测与采集；扭矩传感器对扭杆输出的弹性负载进行了实时的监测与采集。通过上述监测和调整，本负载模拟试验装置能够满足推力矢量伺服机构加载性能的要求。
附图说明
图1为本发明推力矢量伺服机构变惯量随动大负载模拟试验装置三维装配示意图。
图2为本发明推力矢量伺服机构变惯量随动大负载模拟试验装置的主视图。
图3为本发明推力矢量伺服机构变惯量随动大负载模拟试验装置的左视图。
图4为本发明推力矢量伺服机构变惯量随动大负载模拟试验装置的俯视图。
图中：1-摇臂支座、2-摇臂、3-大齿轮、4-大齿轮支座、5-台体底板、6-伺服机构支座、7-伺服机构模拟件、8-小齿轮支座、9-小齿轮套筒、10-小齿轮、11-左惯量盘支架、12-惯量盘套筒、13-惯量块、14-左惯量盘、15-主轴、16-右惯量盘、17-右惯量盘支架、18-角位移传感器、19-扭杆、20-扭矩传感器、21-扭矩传感器支架。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
在一个优选实施例中，如附图1～4所示，一种推力矢量伺服机构变惯量随动大负载模拟试验装置，包括摇臂支座1、摇臂2、大齿轮3、大齿轮支座4、台体底板5、伺服机构支座6、伺服机构模拟件7、小齿轮支座8、小齿轮套筒9、小齿轮10、左惯量盘支架11、惯量盘套筒12、惯量块13、左惯量盘14、主轴15、右惯量盘16、右惯量盘支架17、角位移传感器18、扭杆19、扭矩传感器20、扭矩传感器支架21组成。
其中，台体底板5为平台式零件，用于安装与承载其上的所有装置。
在台体底板5上设置用于安装被测试的伺服机构模拟件7的伺服机构支座6以及安装摇臂2的摇臂支座1，伺服机构模拟件7与摇臂2一端用销轴相连，另一端与各自的支座相连，伺服机构模拟件7构通过丝杠的直线运动带动摇臂绕其轴心旋转。
所述的摇臂2上的阶梯轴通过平键与法兰盘的方式来固定大齿轮3，同时为了支撑与稳定，在摇臂2的轴的末端设置了大齿轮支座4。
大齿轮3与小齿轮10作为一组齿轮副相互啮合，小齿轮10通过平键与法兰连接的方式固定到主轴15的阶梯轴上，同时为了支撑与稳定，在小齿轮10一侧的主轴15的末端设置了小齿轮支座8，并通过小齿轮套筒9对小齿轮支座8进行了轴向定位。
在主轴15上对称设置左惯量盘14、右惯量盘16，通过平键与法兰连接的方式固定到主轴15的阶梯轴上。左惯量盘14、右惯量盘16可通过螺栓连接的方式施加0～32个惯量块13，以满足不同的推力矢量伺服机构的不同的惯量模拟需求，已达到可变惯量的目的，使其具有通用性。主轴带动惯量盘，经过一级增速齿轮可将惯量盘的转动负载以齿轮副增速比的倍数传递给伺服机构。
左惯量盘14、右惯量盘16的两侧分别设置了用于支撑与稳定的左惯量盘支架11、右惯量盘支架17，其中左惯量盘支架11位于小齿轮10处，右惯量盘支架17位于主轴15的末端。
在右惯量盘支架17与主轴15的末端设置一组齿轮副，角位移传感器18位于右惯量盘支架17的齿轮上，通过一组齿轮副得到主轴15的偏转角度。
扭杆19一端通过法兰连接的形式与扭矩传感器20固连，扭杆19整个穿过主轴15的轴心，另一端通过跑道形截面与主轴15位于小齿轮支座8处的轴心对应的跑道形孔进行固连。
扭矩传感器支架21用于安装扭矩传感器20。在伺服机构模拟件7运动的过程中，扭杆19会随着一同旋转，且扭杆的旋转角度与其施加的弹性负载呈线性关系，通过设计扭杆的截面与长度使之得到一个较大的每偏转1°所获得的弹性负载，该弹性负载以增速比的平方的倍数施加给伺服机构模拟件。
本发明试验装置的使用过程大致如下：首先将被测试的伺服机构模拟件7一端与伺服机构支架6连接，另一端通过销轴与摇臂2固定连接。通过控制系统给伺服机构模拟件7下直线运动的指令，伺服机构模拟件7推动摇臂2，通过一级增速齿轮带动惯量盘进行转动，带动弹性扭杆进行偏转，惯量盘的转动负载与弹性扭杆的弹性负载传递给伺服机构模拟件7，通过两个惯量盘对称设置于支架组件之间，在一侧惯量盘上设置弹性扭杆，扭杆贯穿惯量盘轴心并在另一端设置扭矩传感器，在惯量盘支架与主轴的末端设置角位移传感器，以此将惯量盘的转动与弹性负载传递给伺服机构模拟件，通过角度传感器对惯量盘与扭杆的角度偏转进行了实时的监测与采集，通过扭矩传感器对扭杆输出的弹性负载进行了实时的监测与采集，从而达到对推力矢量伺服机构各项性能指标进行测试的目的。

Claims (5)

1.一种推力矢量伺服机构变惯量随动大负载模拟试验装置，其特征在于，包括摇臂(2)、台体底板(5)、伺服机构模拟件(7)、一级增速齿轮、左惯量盘(14)、右惯量盘(16)、角位移传感器(18)、扭杆(19)、扭矩传感器(20)；所述摇臂(2)、伺服机构模拟件(7)、一级增速齿轮、主轴(15)固定安装于台体底板(5)上；在主轴(15)上对称设置左惯量盘(14)、右惯量盘(16)，所述左惯量盘(14)、右惯量盘(16)惯量可调节；所述伺服机构模拟件(7)推动摇臂(2)，通过一级增速齿轮带动左惯量盘(14)、右惯量盘(16)进行转动；所述扭杆(19)整个穿过主轴(15)的轴心，一端与扭矩传感器(20)固连；在所述主轴(15)的末端设置一组齿轮副，角位移传感器(18)位于齿轮副的齿轮上，通过一组齿轮副得到主轴(15)的偏转角度。
2.如权利要求1所述的一种推力矢量伺服机构变惯量随动大负载模拟试验装置，其特征在于，在所述台体底板(5)上设置用于安装被测试的伺服机构模拟件(7)的伺服机构支座(6)以及安装所述摇臂(2)的摇臂支座(1)，伺服机构模拟件(7)与摇臂(2)一端相连，另一端与各自的支座相连；所述摇臂(2)的轴上固定大齿轮(3)；大齿轮(3)与小齿轮(10)作为一级增速齿轮相互啮合，小齿轮(10)固定到所述主轴(15)上，在小齿轮(10)一侧的主轴(15)的末端设置小齿轮支座(8)。
3.如权利要求1或2所述的一种推力矢量伺服机构变惯量随动大负载模拟试验装置，其特征在于，在所述左惯量盘(14)、右惯量盘(16)的两侧分别设置左惯量盘支架(11)、右惯量盘支架(17)，所述左惯量盘支架(11)位于小齿轮(10)处，右惯量盘支架(17)位于主轴(15)的末端，在所述右惯量盘支架(17)与主轴(15)的末端设置一组齿轮副，角位移传感器(18)位于右惯量盘支架(17)的齿轮上。
4.如权利要求1所述的一种推力矢量伺服机构变惯量随动大负载模拟试验装置，其特征在于，所述左惯量盘(14)、右惯量盘(16)通过螺栓连接的方式施加0～32个惯量块(13)。
5.如权利要求1所述的一种推力矢量伺服机构变惯量随动大负载模拟试验装置，其特征在于，设计所述扭杆(19)的截面与长度得到每偏转1°所获得的弹性负载。
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