CN112362370A - 一种简易舵机负载测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种简易舵机负载测试装置，属于航天运输系统测控系统技术领域；包括底板、竖板、斜板、舵机、摇臂、顶部固定端、弹簧、底部固定端、弹簧底座和随动杆；竖板竖直设置在底板的上表面；斜板实现对竖板的固定；舵机的输出轴穿过竖板的通孔射出至竖板的另一侧侧面处；弹簧底座安装在底板的上表面；底部固定端与弹簧底座顶端旋转连接；随动杆的底端与底部固定端的顶端固定连接；顶部固定端固定安装在随动杆的顶端；弹簧套装在随动杆的外壁；摇臂的一端与顶部固定端旋转连接；摇臂的另一端与舵机输出轴固定连接；本发明保证在有限的空间内使舵机负载测试装置结构效率最大化，完全模拟了正式飞行时的舵面受力的实际工况，且加工成本低，生产周期短。

Description

一种简易舵机负载测试装置

技术领域

本发明属于航天运输系统测控系统技术领域，涉及一种简易舵机负载测试装置。

背景技术

本发明属于飞行器结构/机构设计领域，飞行器通过CZ-2F运载火箭发射入轨，完成空间任务，轨道再入返回水平着陆于着陆场。飞行器的研制对于我国提高空间攻防能力、维护国家空间资源有着重要意义，同时可突破和掌握多项关键技术，牵引多个技术领域科研实力水平的提升。

飞行器在飞行过程中，其活动舵面是通过舵机进行推动，最终控制飞行器飞行姿态。为了验证舵机负载能力，需要设计一个舵机负载台，让舵机推动负载台的机构，从而模拟舵机推动活动舵面的过程，对舵机的能力进行评估。

以往舵机负载测试装置采用弹簧钢板式结构，包括摆快组件、舵轴组件、偏置铰链力矩组件和舵机负载模拟系统框架组件等，整体结构呈“T”字型布局。舵机负载模拟系统通过摆块组件来模拟放行舵负载的惯性力矩，利用了由弹簧钢板在纯扭状态下，其扭转角度大小与力矩近似的线性比例关系原理，采用一块弹簧钢板来产生铰链力矩。其特点是组成零件较多，结构复杂，体积大；其次是利用弹簧钢板的扭转来模拟铰链力矩，与实际飞行器飞行过程中的舵面受到的铰链力矩不符；弹簧钢板模拟在操作性上具有一定的危险性，需要设计专门的保护措施。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种简易舵机负载测试装置，保证在有限的空间内使舵机负载测试装置结构效率最大化，完全模拟了正式飞行时的舵面受力的实际工况，且加工成本低，生产周期短；具有较强的适应性。

本发明解决技术的方案是：

一种简易舵机负载测试装置，包括底板、竖板、斜板、舵机、摇臂、顶部固定端、弹簧、底部固定端、弹簧底座和随动杆；其中，底板为水平放置的板状结构；竖板竖直设置在底板的上表面；斜板对称设置在竖板的2侧侧壁处，且位于底板的上表面，实现对竖板的固定；竖板的顶部设置有通孔；舵机固定安装在竖板一侧侧面上，舵机位置与通孔位置对应；舵机的输出轴穿过竖板的通孔射出至竖板的另一侧侧面处；弹簧底座水平固定安装在底板的上表面；底部固定端与弹簧底座顶端旋转连接；随动杆轴向竖直放置，且随动杆的底端与底部固定端的顶端固定连接；顶部固定端固定安装在随动杆的顶端；弹簧套装在随动杆的外壁，且弹簧的顶端与顶部固定端的下表面接触；弹簧的底端与底部固定端的上表面接触；摇臂的一端与顶部固定端旋转连接；摇臂的另一端与舵机输出轴固定连接。

在上述的一种简易舵机负载测试装置，所述舵机的输出轴轴向垂直与竖板板面；舵机的输出轴绕x轴做往复旋转运动，舵机的输出轴的旋转角度为-20°～20°；舵机的额定输出力矩不小于50N·m；舵机的最大输出力矩不小于70N·m。

在上述的一种简易舵机负载测试装置，所述顶部固定端的初始位置与舵机的输出轴位于同一高度，实现摇臂位于水平状态，且摇臂与随动杆垂直。

在上述的一种简易舵机负载测试装置，所述舵机负载测试装置的试验过程为：

舵机的输出轴往复旋转，带动摇臂往复摆动，拉伸或压缩顶部固定端，进而拉伸或压缩弹簧，带动顶部固定端、弹簧、底部固定端和随动杆整体，绕底部固定端与弹簧底座的旋转轴做绕x轴的往复摆动；同时，顶部固定端在弹簧的拉伸或压缩带动下做沿z方向的高度变化运动；弹簧产生的弹簧力，实现模拟作用于舵机的反作用力。

在上述的一种简易舵机负载测试装置，在负载测试试验时，通过检测舵机的电流大小来判断舵机能否克服弹簧产生的弹簧反作用力，当舵机的电流位于预设电流阈值范围内时，则判断舵机能克服弹簧产生的弹簧反作用力；当舵机的电流超出预设电流阈值范围时，则判断舵机不能克服弹簧产生的弹簧反作用力。

在上述的一种简易舵机负载测试装置，所述随动杆为伸缩杆结构，随动杆的轴向长度随顶部固定端和底部固定端之间的间距变化伸长或缩短，随动杆的长度仅随动变化，不提供主动力。

在上述的一种简易舵机负载测试装置，所述顶部固定端和底部固定端的初始间距为弹簧的零位长度。

在上述的一种简易舵机负载测试装置，所述弹簧的内圈直径为0.1m；弹簧的圈数为10.5圈；弹簧的自由长度为95mm；弹簧的刚度为15kN·m。

在上述的一种简易舵机负载测试装置，所述弹簧的最大拉伸长度为34.1mm；弹簧的最大压缩长度为34.1mm。

在上述的一种简易舵机负载测试装置，所述摇臂的长度为100mm。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明以舵机输出轴为动力输出，通过摇臂带动顶部固定端、弹簧、底部固定端和随动杆，做扇形区域的波形运动，通过弹簧的反作用力模拟了飞行器在飞行过程中受到的负载力矩，作为舵机生产和验收的负载设备，为研制舵机奠定基础；

(2)本发明通过对弹簧和摇臂的详细设计，选取了合适的弹簧和摇臂参数，实现随舵机输出轴转角变化，负载力矩基本为线形，最佳模拟了模拟作用于舵机的反作用力。

附图说明

图1为本发明舵机负载测试装置示意图；

图2为本发明舵机负载尺寸关系示意图；

图3为本发明舵机负载测试装置测试的负载力矩和弹簧变形示意图

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明提出了一种弹簧式舵机负载测试装置，模拟了飞行器在飞行过程中受到的负载力矩，作为舵机生产和验收的负载设备，为研制舵机奠定基础。通过建立参数化舵机负载测试装置ADAMS动力学模型，提出了舵机摇臂和弹簧伸长量最优结果，根据ADAMS动力学分析结果，建立了舵机负载测试装置结构形式。解决总体受力与动力学指标优化问题，保证在有限的空间内使舵机负载测试装置结构效率最大化，同时提高系统的可靠性。

如图1所示，舵机负载测试装置，具体包括底板1、竖板2、斜板3、舵机4、摇臂5、顶部固定端6、弹簧7、底部固定端8、弹簧底座9和随动杆10；其中，底板1为水平放置的板状结构；竖板2竖直设置在底板1的上表面；斜板3对称设置在竖板2的2侧侧壁处，且位于底板1的上表面，实现对竖板2的固定；竖板2的顶部设置有通孔；舵机4固定安装在竖板2一侧侧面上，舵机4位置与通孔位置对应；舵机4的输出轴穿过竖板2的通孔射出至竖板2的另一侧侧面处；弹簧底座9水平固定安装在底板1的上表面；底部固定端8与弹簧底座9顶端旋转连接；随动杆10轴向竖直放置，且随动杆10的底端与底部固定端8的顶端固定连接；顶部固定端6固定安装在随动杆10的顶端；弹簧7套装在随动杆10的外壁，且弹簧7的顶端与顶部固定端6的下表面接触；弹簧7的底端与底部固定端8的上表面接触；摇臂5的一端与顶部固定端6旋转连接；摇臂5的另一端与舵机4输出轴固定连接。

舵机4的输出轴轴向垂直与竖板2板面；舵机4的输出轴绕x轴做往复旋转运动，舵机4的输出轴的旋转角度为-20°～20°；舵机4的额定输出力矩不小于50N·m；舵机4的最大输出力矩不小于70N·m。顶部固定端6的初始位置与舵机4的输出轴位于同一高度，实现摇臂5位于水平状态，且摇臂5与随动杆10垂直。

舵机负载测试装置的试验过程为：

舵机4的输出轴往复旋转，带动摇臂5往复摆动，拉伸或压缩顶部固定端6，进而拉伸或压缩弹簧7，带动顶部固定端6、弹簧7、底部固定端8和随动杆10整体，绕底部固定端8与弹簧底座9的旋转轴做绕x轴的往复摆动；同时，顶部固定端6在弹簧7的拉伸或压缩带动下做沿z方向的高度变化运动；弹簧7产生的弹簧力，实现模拟作用于舵机4的反作用力。随动杆10为伸缩杆结构，随动杆10的轴向长度随顶部固定端6和底部固定端8之间的间距变化伸长或缩短，随动杆10的长度仅随动变化，不提供主动力。顶部固定端6和底部固定端8的初始间距为弹簧7的零位长度。

在负载测试试验时，通过检测舵机4的电流大小来判断舵机4能否克服弹簧7产生的弹簧反作用力，当舵机4的电流位于预设电流阈值范围内时，则判断舵机4能克服弹簧7产生的弹簧反作用力；当舵机4的电流超出预设电流阈值范围时，则判断舵机4不能克服弹簧7产生的弹簧反作用力。

设计工装时，将舵机4安装到竖板2上，同时通过摇臂5将转动变为平动，摇臂5与舵机4输出轴固定，通过弹簧7施加被动加载力矩。随动杆10在弹簧7中间，起到支撑作用，防止弹簧7产生弯曲变形。

本发明对舵机负载之间的尺寸设计如图2所示，R为摇臂5直径，L1为弹簧7原长度，L2为弹簧压缩后的长度。

D_X＝L₁-L₂

θ_s＝90-θ_g-θ_t

Mz＝K_tanD_X sinθ_s

首先确定一个可行的摇臂长度，初步估算对弹簧力的需求，然后按GB/T2089-2009选取好弹簧7的参数，刚度、自由高度、可压缩量，已知L1、L2、Ktan、K_tan、θ_g、Mz求R，通过对比多组可获取合适的弹簧和摇臂参数。

参数设计：

弹簧7的内圈直径为0.1m；弹簧7的圈数为10.5圈；弹簧7的自由长度为95mm；弹簧7的刚度为15kN·m。弹簧7的最大拉伸长度为34.1mm；弹簧7的最大压缩长度为34.1mm。所述摇臂5的长度为100mm。最终舵机负载测试装置测试的负载力矩和弹簧变形示意图如图3所示。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种简易舵机负载测试装置，其特征在于：包括底板(1)、竖板(2)、斜板(3)、舵机(4)、摇臂(5)、顶部固定端(6)、弹簧(7)、底部固定端(8)、弹簧底座(9)和随动杆(10)；其中，底板(1)为水平放置的板状结构；竖板(2)竖直设置在底板(1)的上表面；斜板(3)对称设置在竖板(2)的2侧侧壁处，且位于底板(1)的上表面，实现对竖板(2)的固定；竖板(2)的顶部设置有通孔；舵机(4)固定安装在竖板(2)一侧侧面上，舵机(4)位置与通孔位置对应；舵机(4)的输出轴穿过竖板(2)的通孔射出至竖板(2)的另一侧侧面处；弹簧底座(9)水平固定安装在底板(1)的上表面；底部固定端(8)与弹簧底座(9)顶端旋转连接；随动杆(10)轴向竖直放置，且随动杆(10)的底端与底部固定端(8)的顶端固定连接；顶部固定端(6)固定安装在随动杆(10)的顶端；弹簧(7)套装在随动杆(10)的外壁，且弹簧(7)的顶端与顶部固定端(6)的下表面接触；弹簧(7)的底端与底部固定端(8)的上表面接触；摇臂(5)的一端与顶部固定端(6)旋转连接；摇臂(5)的另一端与舵机(4)输出轴固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种简易舵机负载测试装置，其特征在于：所述舵机(4)的输出轴轴向垂直与竖板(2)板面；舵机(4)的输出轴绕x轴做往复旋转运动，舵机(4)的输出轴的旋转角度为-20°～20°；舵机(4)的额定输出力矩不小于50N·m；舵机(4)的最大输出力矩不小于70N·m。

3.根据权利要求2所述的一种简易舵机负载测试装置，其特征在于：所述顶部固定端(6)的初始位置与舵机(4)的输出轴位于同一高度，实现摇臂(5)位于水平状态，且摇臂(5)与随动杆(10)垂直。

4.根据权利要求3所述的一种简易舵机负载测试装置，其特征在于：所述舵机负载测试装置的试验过程为：

舵机(4)的输出轴往复旋转，带动摇臂(5)往复摆动，拉伸或压缩顶部固定端(6)，进而拉伸或压缩弹簧(7)，带动顶部固定端(6)、弹簧(7)、底部固定端(8)和随动杆(10)整体，绕底部固定端(8)与弹簧底座(9)的旋转轴做绕x轴的往复摆动；同时，顶部固定端(6)在弹簧(7)的拉伸或压缩带动下做沿z方向的高度变化运动；弹簧(7)产生的弹簧力，实现模拟作用于舵机(4)的反作用力。

5.根据权利要求4所述的一种简易舵机负载测试装置，其特征在于：在负载测试试验时，通过检测舵机(4)的电流大小来判断舵机(4)能否克服弹簧(7)产生的弹簧反作用力，当舵机(4)的电流位于预设电流阈值范围内时，则判断舵机(4)能克服弹簧(7)产生的弹簧反作用力；当舵机(4)的电流超出预设电流阈值范围时，则判断舵机(4)不能克服弹簧(7)产生的弹簧反作用力。

6.根据权利要求5所述的一种简易舵机负载测试装置，其特征在于：所述随动杆(10)为伸缩杆结构，随动杆(10)的轴向长度随顶部固定端(6)和底部固定端(8)之间的间距变化伸长或缩短，随动杆(10)的长度仅随动变化，不提供主动力。

7.根据权利要求6所述的一种简易舵机负载测试装置，其特征在于：所述顶部固定端(6)和底部固定端(8)的初始间距为弹簧(7)的零位长度。

8.根据权利要求7所述的一种简易舵机负载测试装置，其特征在于：所述弹簧(7)的内圈直径为0.1m；弹簧(7)的圈数为10.5圈；弹簧(7)的自由长度为95mm；弹簧(7)的刚度为15kN·m。

9.根据权利要求8所述的一种简易舵机负载测试装置，其特征在于：所述弹簧(7)的最大拉伸长度为34.1mm；弹簧(7)的最大压缩长度为34.1mm。

10.根据权利要求9所述的一种简易舵机负载测试装置，其特征在于：所述摇臂(5)的长度为100mm。

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