CN113155337A - 一种阶跃扭矩加载系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种阶跃扭矩加载系统及其方法，所述系统包括：两个阶跃力加载装置；以及位于两阶跃力加载装置之间的加载工装；两个阶跃力加载装置分别通过磁性垫块与所述加载工装连接；所述阶跃力加载装置包括：底座；通过升降杆装配于底座上的扭矩加载组件；以及通过加载杆与所述扭矩加载组件连接的电磁铁；所述扭矩加载组件包括安装座，位于所述安装座内的拉压弹簧，连接于所述拉压弹簧一端的扭转手柄，以及连接于拉压弹簧远离所述扭转手柄一端的水平梁；所述拉压弹簧的轴线与所述升降杆的轴线垂直。本系统可避免现有技术中需人为剪断或烧断软线所导致的两套阶跃力加载装置存在加载时间差的问题。

Description

一种阶跃扭矩加载系统及其方法

技术领域

本发明涉及卫星扰动特性测量领域。更具体地，涉及一种阶跃扭矩加载系统及其方法。

背景技术

卫星的数传天线和太阳翼驱动机构等旋转活动部件正常工作时所诱发的扰动扭矩将对卫星的指向精度和成像质量产生影响，有必要通过地面试验测量获得旋转活动部件的扰动扭矩特性，为卫星的扰动抑制设计提供输入。压电式扰动扭矩测量平台由于具有刚度高、中高频性能良好等优点，在卫星扰动特性测量领域得到了广泛应用，但受压电材料的电荷泄漏影响，压电式扰动扭矩测量平台低频、超低频性能欠佳，更无法实现静态测量。

考虑到卫星旋转活动部件的扰动扭矩量级很低，通常为10^-3N·m量级，但频率成分可覆盖10^-1Hz～10³Hz频段，因此，如何实现压电式扰动扭矩测量平台全频段的高精度标定至关重要。

压电式扰动扭矩测量平台由若干个一维压电式力传感器合理布局组合形成。根据一维压电式力传感器的微分方程可知，其在已知阶跃力作用下的电压响应为指数衰减曲线，可通过曲线拟合获得该传感器的电压灵敏度和放电时间常数，并进一步利用放电时间常数计算获得该传感器的补偿函数，从而可实现压电式力传感器全频段的高精度标定。同理，压电式扰动扭矩测量平台也可通过对其加载已知阶跃扭矩进行全频段的高精度标定。

阶跃扭矩可通过大小相等、方向相反且作用线不相交的两个无加载时间差的阶跃力简化获得，因此阶跃扭矩加载系统可通过两套阶跃力加载装置组合形成。现有的阶跃力加载装置为被加载对象与砝码之间利用软线连接，通过剪断或烧断软线实现量值为砝码重力的阶跃力加载。这种阶跃力加载装置组合形成的阶跃扭矩加载系统存在两个客观因素将直接影响阶跃扭矩的加载品质，一方面，软线悬挂砝码将形成一个单摆或圆锥摆系统，在摆动干扰下软线所承受的拉力并非静态力，即剪断或烧断软线后对被加载对象施加的并非为标准阶跃力；另一方面，很难实现两套阶跃力加载装置同时剪断或烧断软线，有可能对被加载对象施加了两个存在加载时间差的阶跃力。综上所述，为了实现压电式扰动扭矩测量平台全频段的高精度标定，亟需一种无干扰阶跃扭矩加载系统。目前，国内外尚未见有关此类无干扰阶跃扭矩加载系统。

发明内容

鉴于上述问题，本发明要解决的至少一个问题在于提供一种可实现压电式扰动扭矩测量平台全频段的高精度标定的阶跃扭矩加载系统。

本发明所要解决的另一个技术问题在于提供一种包括上述阶跃扭矩加载系统的阶跃扭矩测试方法。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

根据本发明的一方面，本发明提供一种阶跃扭矩加载系统，所述系统包括：

两个阶跃力加载装置；以及

位于两阶跃力加载装置之间的加载工装；

两个阶跃力加载装置分别通过磁性垫块与所述加载工装连接；

两磁性垫块在所述加载工装上的位置呈中心对称设置；

所述阶跃力加载装置包括：

底座；

通过升降杆装配于底座上的扭矩加载组件；以及

通过加载杆与所述扭矩加载组件连接的电磁铁；

所述扭矩加载组件包括安装座，位于所述安装座内的拉压弹簧，连接于所述拉压弹簧一端的扭转手柄，以及连接于拉压弹簧远离所述扭转手柄一端的水平梁；

所述拉压弹簧的轴线与所述升降杆的轴线垂直；

所述加载杆的一端与所述水平梁结合固定；

所述电磁铁装配于所述加载杆远离所述扭矩加载组件的一端。

此外，优选地方案是，所述底座包括本体部以及沿着本体部的中心轴线延伸出的连接部；

所述连接部内部中空，所述升降杆远离所述扭矩加载组件的一端位于所述连接部的内部，所述升降杆可在连接部的内部沿其轴线移动。

此外，优选地方案是，所述水平梁通过一直线轴承安装于所述安装座内，所述安装座内包括有与所述直线轴承对应配合设置的轴承安装孔；

所述水平梁的外径与所述直线轴承的内径相等，所述水平梁可沿着所述直线轴承的轴线发生平动和转动。

此外，优选地方案是，所述安装座内包括有容纳所述拉压弹簧的盲孔，所述盲孔位于所述轴承安装孔远离所述电磁铁的一侧；

所述盲孔的直径小于直线轴承的外径。

此外，优选地方案是，所述扭转手柄靠近所述拉压弹簧的一端设置有外螺纹；

所述安装座远离所述水平梁的一端包括有与所述扭转手柄上的外螺纹对应配合设置的螺纹通孔。

此外，优选地方案是，所述加载杆远离所述扭矩加载组件的一端结合固定有传感器；

所述电磁铁结合固定于所述传感器远离所述加载杆的一端。

此外，优选地方案是，两个磁性垫块分别结合固定在所述加载工装的两相对边部上。

此外，优选地方案是，所述加载工装的表面均匀布置有若干个螺纹孔，所述螺纹孔被配置为安装被加载对象。

此外，优选地方案是，所述系统还包括有电源装置，所述电源装置通过信号线与所述电磁铁连接。

根据本发明的另一方面，本发明提供了一种阶跃扭矩测试方法，所述方法包括以下步骤：

1)在所述加载工装上安装被加载对象；

2)将所述两个阶跃力加载装置的加载杆分别与磁性垫块按照轴线重合布置；

3)电源装置对电磁铁供电，电磁铁与磁性垫块正交吸附；

4)记录两磁性垫块的轴线之间的距离d；

5)旋转扭转手柄，调整拉压弹簧，使得两个阶跃力加载装置对加载工装施加的静态力相等，并读取传感器数值F；

6)切断电源装置对电磁铁供电，电磁铁在拉压弹簧拉力作用下做远离磁性垫块的运动；

7)计算阶跃扭矩T＝Fd。

本申请的有益效果如下：

针对现有技术中存在的技术问题，本申请实施例提供一种阶跃扭矩加载系统及其方法，与现有技术相比，本系统中加载工装与被加载对象通过螺栓进行拧紧装配，阶跃力加载装置的加载方式是拉压弹簧的弹性力通过硬连接作用于加载工装，可消除直接利用软线悬挂砝码所形成摆动系统的摆动干扰。另一方面，阶跃力加载装置与加载工装之间设计有电磁铁，通过对电磁铁供电产生磁力吸附于加载工装，两套阶跃力加载装置的电磁铁共用一套电源装置，通过切断电源装置供电实现两套阶跃力加载装置的电磁铁同时脱离加载工装，完成对被加载对象施加阶跃扭矩，可避免人为剪断或烧断软线所导致的两套阶跃力加载装置存在加载时间差的问题。此外，两个等大反向的阶跃力同时施加在加载工装上，可以使得被加载对象受力平衡，从而只承受扭矩作用。而现有技术中，一个阶跃力作用只要不过被加载对象的质心同样可以产生扭矩，但是在产生扭矩的同时还有力的作用，但是本发明所提供的阶跃扭矩加载系统可以消除力作用的影响，使得被加载对象只承受扭矩作用。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明所提供的扭矩加载系统的结构示意图。

图2示出本发明所提供的阶跃力加载装置的结构示意图。

图3示出本发明所提供的安装座的结构示意图。

图4示出本发明所提供的加载工装的结构示意图。

图5示出本发明所提供的加载工装的平面示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解的是，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

还需要说明的是，在本申请的描述中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

为克服现有技术存在的缺陷，本发明的实施例提供一种阶跃扭矩加载系统，结合图1以及图2所示，包括：

两个阶跃力加载装置1；以及

位于两阶跃力加载装置1之间的加载工装2；

两个阶跃力加载装置1分别通过磁性垫块3与所述加载工装2连接；

两磁性垫块3在所述加载工装2上的位置呈中心对称设置；

所述阶跃力加载装置1包括：

底座4；

通过升降杆5装配于底座4上的扭矩加载组件6；以及

通过加载杆7与所述扭矩加载组件6连接的电磁铁8；

所述扭矩加载组件6包括安装座61，位于所述安装座内的拉压弹簧62，连接于所述拉压弹簧62一端的扭转手柄63，以及连接于拉压弹簧62远离所述扭转手柄63一端的水平梁64；

所述拉压弹簧62的轴线与所述升降杆5的轴线垂直；

所述加载杆7的一端与所述水平梁64结合固定；

所述电磁铁8装配于所述加载杆7远离所述扭矩加载组件6的一端。

在一个实施例中，所述底座4包括有本体部41以及沿着本体部41的中心轴线延伸出的连接部42，在其他的实施例中，所述本体部41和连接部42也可为分体设计，连接部42焊接固定于所述本体部41上，且连接部42的轴线与本体部41的轴线重合。所述连接部42的内部中空，为圆筒状，其内径大于所述升降杆5的外径，所述升降杆5远离所述扭矩加载组件6的一端插入所述连接部42的内部，且升降杆5可以在连接部42的内部沿着连接部42的轴线移动，从而调整扭矩加载组件6和底座4之间的距离。所述连接部42的侧壁的上部有三个沿着连接部42的轴线的方向设置的螺纹孔，当所述升降杆5完成调整后，通过螺栓与连接部42进行拧紧装配。

在一个具体示例中，所述升降杆5远离所述底座4的一端外壁上加工有外螺纹，所述扭矩加载组件6通过连接块9装配在所述升降杆5上，所述连接块9远离所述扭矩加载组件6的一侧上有和所述升降杆5上的外螺纹对应配合设置的螺纹孔，连接块9和升降杆5通过螺纹连接进行装配；所述连接块9的四个顶点处均布置有沉头孔，相应的，所述安装座61的底端面上有四个和连接块9的沉头孔对应配合设置的螺纹孔，所述安装座61和连接块9通过螺栓拧紧装配。

在一个实施例中，所述安装座61内设置有轴承安装孔611，所述水平梁64通过一直线轴承65安装在所述安装座61内，所述直线轴承65与所述轴承安装孔611为过盈配合，所述轴承安装孔611的深度和直径分别与所述直线轴承65的高度和外径相等。所述水平梁64的外径和直线轴承65的内径相等。所述水平梁64靠近所述拉压弹簧62的一端的端部设置有半圆形封闭环，所述水平梁64通过半圆形封闭环和拉压弹簧62连接，在旋转所述扭转手柄63时，水平梁64可以随着拉压弹簧62的拉伸，沿着直线轴承65的轴线发生平动或者转动。

在一个实施例中，为了避免所述拉压弹簧62和安装座61的内部接触产生卡滞干扰，在所述安装座61内设置有用来容纳所述拉压弹簧62的盲孔612，所述盲孔612的直径小于所述直线轴承65的外径且大于所述弹簧62的最大外径，同时为了避免在电磁铁8在断电后所述水平梁64在拉压弹簧的拉力作用下进入盲孔612与所述安装座61的内部发生碰撞，所述盲孔612的直径还应大于所述水平梁的外径。如图3所示，所述盲孔612位于所述轴承安装孔611后侧，即所述轴承安装孔611远离所述电磁铁8的一侧。

在一个具体示例中，所述扭转手柄63呈T型，其靠近所述拉压弹簧62的一端设置有半圆形封闭环，所述拉压弹簧62通过该半圆形封闭环与所述扭转手柄63连接，所述扭转手柄63靠近所述拉压弹簧62的一端的侧壁上加工有外螺纹，相应的，如图3所示，所述安装座61靠近扭转手柄63的一侧加工有和所述扭转手柄63上的外螺纹对应配合设置的螺纹通孔613，旋转所述扭转手柄63，可以使得所述拉压弹簧62拉伸。在本实施例中，所述轴承安装孔611、盲孔612以及螺纹通孔613的轴线均重合，且所述轴承安装孔611、盲孔612以及螺纹通孔613三者首尾相连贯穿所述安装座61。

在一个具体示例中，在所述水平梁64远离所述拉压弹簧62的一端的端面中心加工有滚动轴承安装孔(图未示出)，所述滚动轴承安装孔(图未示出)内安装有滚动轴承640，所述滚动轴承640与滚动轴承安装孔(图未示出)为过盈配合，所述滚动轴承安装孔(图未示出)的深度和直径和所述滚动轴承640的厚度和外径相等。所述滚动轴承640的内径和所述加载杆7的直径相等，所述滚动轴承640采用过盈配合的方式装配在所述加载杆7上，所述加载杆7通过滚动轴承640装配在所述水平梁64上。所述滚动轴承640可以避免在旋转扭转手柄63时，加载杆7由于拉压弹簧62以及水平梁64随着扭转手柄63的转动而转动发生扭转变形。

在一个具体地实施例中，所述系统还包括有传感器10，所述传感器10为单向力传感器。所述传感器10的两个相对的端面上均加工有螺纹孔，所述加载杆7远离所述扭矩加载组件6的一端加工有外螺纹，所述传感器10通过螺纹连接装配在加载杆7上；所述电磁铁8通过一个电磁铁底座80结合固定在所述传感器10远离所述加载杆7的一侧，所述电磁铁底座80靠近所述传感器10的一侧设置有一个圆形凸台，所述圆形凸台上加工有外螺纹，所述圆形凸台通过螺纹连接转配在所述传感器10上。

在一个具体地实施例中，如图1以及图4所示，两个阶跃力加载装置1分别通过一个磁性垫块3和所述加载工装2连接，两个磁性垫块3分别通过螺栓连接结合固定在所述加载工装2的两相对边部上，呈中心对称设置。

在一个具体示例中，如图4所示，所述加载工装2的表面均匀布置有若干个螺纹孔，所述螺纹孔被配置为安装被加载对象，与被加载对象进行拧紧装配。

在一个实施例中，所述系统还包括有电源装置11，所述电源装置11通过信号线和所述电磁铁8连接，打开电源装置11可对两个阶跃力加载装置1的电磁铁8同时供电，使其产生电磁，可分别与对应的磁性垫块3吸附固定。

本发明的另一个实施例提供了一种阶跃扭矩测试方法，包括以下步骤：

步骤S1，将被加载对象安装在所述加载工装2上。

步骤S2，将两个阶跃力加载装置1的加载杆7分别与两个磁性垫块3按照轴线重合的方式进行布置。

步骤S3，电源装置11通过信号线对两个电磁铁8同时供电，两个电磁铁8均产生磁力并正交吸附于两个磁性垫块3。

步骤S4，记录两个磁性垫块3的轴线之间的距离d。

步骤S5，旋转两个阶跃力加载装置1的扭转手柄63，调整拉压弹簧62的长度，从而调整两个阶跃力加载装置1对加载工装2所施加的静态力，读取传感器10上的数值，调整至两个传感器10上的数值相等，记录下此时传感器10上的数值F。

步骤S6，切断电源装置11对电磁铁8供电，两个电磁铁8的磁力同时消失，电磁铁8与加载杆7以及水平梁64作为一个整体在拉压弹簧62的拉力作用下远离磁性垫块3运动，从而可实现对加载工装2施加大小相等、方向相反且作用线不相交的两个无加载时间差的阶跃力。

步骤S7，通过公式计算出被加载对象被施加的无干扰阶跃扭矩为T＝Fd。

在本发明所提供的实施例中，所述电磁铁8通电后会产生磁力，吸附于磁性垫块3，转动所述扭转手柄63可以改变拉压弹簧62的长度从而改变拉压弹簧62的拉力，这个拉力通过电磁铁8吸附于磁性垫块3施加在加载工装2以及被加载对象上，是一个静态力，即通过增加拉压弹簧62的长度对加载工装2施加一个拉力。此时切断电源装置11的供电，电磁铁8上的磁力消失，电磁铁8脱离磁性垫块3，也就是说作用于磁性垫块3的拉力突然消失，从而实现阶跃力的施加。两个等大反向的阶跃力同时施加在加载工装2上，可以使得被加载对象受力平衡，从而只承受扭矩作用。在现有技术中，一个阶跃力作用只要不过被加载对象的质心同样可以产生扭矩，但是在产生扭矩的同时还有力的作用，但是本发明实施例所提供的阶跃扭矩加载系统可以消除力作用的影响，使得被加载对象只承受扭矩作用。

显然，本发明的上述实施例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，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案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列。

Claims (10)

1.一种阶跃扭矩加载系统，其特征在于，所述系统包括：

两个阶跃力加载装置；以及

位于两阶跃力加载装置之间的加载工装；

两个阶跃力加载装置分别通过磁性垫块与所述加载工装连接；

两磁性垫块在所述加载工装上的位置呈中心对称设置；

所述阶跃力加载装置包括：

底座；

通过升降杆装配于底座上的扭矩加载组件；以及

通过加载杆与所述扭矩加载组件连接的电磁铁；

所述扭矩加载组件包括安装座，位于所述安装座内的拉压弹簧，连接于所述拉压弹簧一端的扭转手柄，以及连接于拉压弹簧远离所述扭转手柄一端的水平梁；

所述拉压弹簧的轴线与所述升降杆的轴线垂直；

所述加载杆的一端与所述水平梁结合固定；

所述电磁铁装配于所述加载杆远离所述扭矩加载组件的一端。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述底座包括本体部以及沿着本体部的中心轴线延伸出的连接部；

所述连接部内部中空，所述升降杆远离所述扭矩加载组件的一端位于所述连接部的内部，所述升降杆可在连接部的内部沿其轴线移动。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述水平梁通过一直线轴承安装于所述安装座内，所述安装座内包括有与所述直线轴承对应配合设置的轴承安装孔；

所述水平梁的外径与所述直线轴承的内径相等，所述水平梁可沿着所述直线轴承的轴线发生平动和转动。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述安装座内包括有容纳所述拉压弹簧的盲孔，所述盲孔位于所述轴承安装孔远离所述电磁铁的一侧；

所述盲孔的直径小于直线轴承的外径。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述扭转手柄靠近所述拉压弹簧的一端设置有外螺纹；

所述安装座远离所述水平梁的一端包括有与所述扭转手柄上的外螺纹对应配合设置的螺纹通孔。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述加载杆远离所述扭矩加载组件的一端结合固定有传感器；

所述电磁铁结合固定于所述传感器远离所述加载杆的一端。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，两个磁性垫块分别结合固定在所述加载工装的两相对边部上。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述加载工装的表面均匀布置有若干个螺纹孔，所述螺纹孔被配置为安装被加载对象。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括有电源装置，所述电源装置通过信号线与所述电磁铁连接。

10.一种利用权利要求1-9中任一项所述系统的阶跃扭矩测试方法，特征在于，包括以下步骤：

1)在所述加载工装上安装被加载对象；

2)将所述两个阶跃力加载装置的加载杆分别与磁性垫块按照轴线重合布置；

3)电源装置对电磁铁供电，电磁铁与磁性垫块正交吸附；

4)记录两磁性垫块的轴线之间的距离d；

5)旋转扭转手柄，调整拉压弹簧，使得两个阶跃力加载装置对加载工装施加的静态力相等，并读取传感器数值F；

6)切断电源装置对电磁铁供电，电磁铁在拉压弹簧拉力作用下做远离磁性垫块的运动；

7)计算阶跃扭矩T＝Fd。

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