雙摩擦盤加載機(jī)構(gòu)及采用該機(jī)構(gòu)的雙向摩擦加載式無(wú)多余力矩電液負(fù)載模擬器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種雙向摩擦加載式無(wú)多余力矩電液負(fù)載模擬器，屬于電液伺服控制 及半實(shí)物仿真領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在航空航天、武器裝備等國(guó)防軍事工業(yè)以及汽車工程、生物工程、建筑工程等民用 工業(yè)生產(chǎn)中，通常需要對(duì)產(chǎn)品的關(guān)鍵部件或系統(tǒng)在受到外部動(dòng)力載荷時(shí)，測(cè)試其性能以保 證所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的可靠性，并通過(guò)改進(jìn)優(yōu)化產(chǎn)品滿足產(chǎn)品對(duì)性能的要求。多數(shù)動(dòng)力負(fù)載一方 面是隨時(shí)間、空間變化的任意力/力矩，其具有強(qiáng)烈的非控性，如飛行器舵機(jī)舵面所受的空 氣鉸鏈動(dòng)力力矩等；另一方面，在真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行產(chǎn)品檢測(cè)需要耗費(fèi)大量的人力物力，有的 甚至不可實(shí)現(xiàn)，如地震波動(dòng)載荷。這些原因?qū)е虏⒋龠M(jìn)了地面半實(shí)物仿真技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā) 展。地面半實(shí)物仿真技術(shù)具有良好的可控性、無(wú)破壞性、全天候以及操作簡(jiǎn)單方便、實(shí)驗(yàn)具 有可重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)，其經(jīng)濟(jì)性是經(jīng)典自破壞性實(shí)驗(yàn)所無(wú)法比擬的。為了實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室條件 下半實(shí)物的復(fù)現(xiàn)被測(cè)對(duì)象在實(shí)際工作過(guò)程中所受的動(dòng)力載荷，模擬被測(cè)對(duì)象在實(shí)際工作中 所受動(dòng)力載荷環(huán)境，將經(jīng)典的自破壞性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)室條件下的預(yù)測(cè)研究，國(guó)內(nèi)外相關(guān) 專家學(xué)者及單位分別研制出了各種型號(hào)的用于地面半實(shí)物仿真的負(fù)載模擬器樣機(jī)或產(chǎn)品。
[0003] 電液伺服控制系統(tǒng)以其控制精度高、較大的能量體積比、頻率響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，被廣 泛用于航空航天、工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人、機(jī)床等高精尖領(lǐng)域。電液負(fù)載模擬器主要用以模擬 導(dǎo)彈、戰(zhàn)機(jī)等飛行器在飛行過(guò)程中，其舵機(jī)舵面所受的空氣動(dòng)力力矩載荷譜，從而實(shí)現(xiàn)在地 面半實(shí)物的測(cè)試飛行器舵機(jī)的性能，進(jìn)而改進(jìn)舵機(jī)系統(tǒng)，使舵機(jī)系統(tǒng)性能達(dá)到要求。隨著對(duì) 飛tx器性能要求的不斷提尚，要求電液負(fù)載t旲擬器具有加載精度尚、頻率響應(yīng)快等性能特 點(diǎn)。
[0004] 傳統(tǒng)電液負(fù)載模擬器在研制中一直存在很多技術(shù)難題沒(méi)有解決：（1)多余力矩的 存在嚴(yán)重影響系統(tǒng)的控制性能的提高。被測(cè)舵機(jī)系統(tǒng)與負(fù)載模擬器系統(tǒng)近似剛性的連接在 一起，當(dāng)舵機(jī)主動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，必然對(duì)負(fù)載模擬器系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)擾動(dòng)，引起多余力矩，其數(shù)值和舵 機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。（2)難以實(shí)現(xiàn)高精度的動(dòng)態(tài)加載。由于飛行器飛行過(guò)程中舵機(jī)舵面所 受空氣動(dòng)力力矩為任意的函數(shù)。要想精確地復(fù)現(xiàn)該函數(shù)，則要求負(fù)載模擬器系統(tǒng)為高階無(wú) 靜差系統(tǒng)。但多余力矩的存在及其微分特性使加載系統(tǒng)高階無(wú)靜差很難實(shí)現(xiàn)，尤其是當(dāng)被 測(cè)舵機(jī)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)頻率較高時(shí)。（3)難以保證小力矩加載性能。當(dāng)小力矩加載時(shí)，多余力矩對(duì) 系統(tǒng)的影響變得相對(duì)顯著，它使加載精度降低，加載靈敏度難以保證，甚至淹沒(méi)加載信號(hào)， 加之存在伺服閥死區(qū)、壓力波動(dòng)等因素的影響，將使系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)正常加載。（4)控制策略 復(fù)雜。電液負(fù)載模擬器的被加載對(duì)象是各種飛行器的舵機(jī)系統(tǒng)，不同型號(hào)的舵機(jī)可能會(huì)導(dǎo) 致系統(tǒng)控制性能的變化，尤其是引起多余力矩補(bǔ)償控制環(huán)節(jié)參數(shù)的變化，因此要求控制系 統(tǒng)具有一定的魯棒性。這就使系統(tǒng)的控制變得更加復(fù)雜和困難，控制策略通用性較差。
[0005] 為了徹底消除負(fù)載模擬器的多余力矩，提高動(dòng)態(tài)加載精度，實(shí)現(xiàn)精確地小力矩加 載同時(shí)獲得簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、較低的成本以及簡(jiǎn)單的控制策略，亟需提出新的電液負(fù)載模擬器， 基于該新的電液負(fù)載模擬器實(shí)現(xiàn)摩擦加載方法，使得該方法不存在由被測(cè)試舵機(jī)主運(yùn)動(dòng)產(chǎn) 生的嚴(yán)重干擾加載性能的多余力矩，且能夠結(jié)合電液伺服控制技術(shù)，全面提高負(fù)載模擬器 加載性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有的電液負(fù)載模擬器加載過(guò)程中被測(cè)舵機(jī)主運(yùn)動(dòng)嚴(yán)重影響負(fù)載模 擬器加載性能的問(wèn)題即多余力矩問(wèn)題，發(fā)明了雙摩擦盤加載機(jī)構(gòu)及采用該機(jī)構(gòu)的雙向摩擦 加載式無(wú)多余力矩電液負(fù)載模擬器。
[0007] 本發(fā)明所述的電液負(fù)載模擬器具有不受被測(cè)舵機(jī)主運(yùn)動(dòng)干擾無(wú)多余力矩、能夠?qū)?現(xiàn)正/負(fù)雙向力矩加載、加載精度高、加載頻帶寬、加載控制策略通用可靠等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了 動(dòng)態(tài)動(dòng)力矩的主動(dòng)加載。且該種摩擦加載式電液負(fù)載模擬器的提出順應(yīng)了導(dǎo)彈、戰(zhàn)機(jī)等飛 行器的機(jī)動(dòng)性能和控制精度性能要求的提高對(duì)負(fù)載模擬器加載性能要求提高的趨勢(shì)，推動(dòng) 了國(guó)防事業(yè)前進(jìn)并能帶來(lái)很好的經(jīng)濟(jì)性。
[0008] 雙摩擦盤加載機(jī)構(gòu)，它包括A摩擦盤1、B摩擦盤2、滑鍵9和滑動(dòng)盤14 ;
[0009] 滑動(dòng)盤14通過(guò)一個(gè)滑鍵9與主軸42連接，A摩擦盤1固定在滑動(dòng)盤14的側(cè)面上； A摩擦盤1基于主軸42進(jìn)行軸向滑動(dòng)，同時(shí)向主軸42傳遞扭矩；A摩擦盤1的轉(zhuǎn)速與被測(cè) 舵機(jī)108的擺動(dòng)轉(zhuǎn)速一致；B摩擦盤2與A摩擦盤1相對(duì)放置，且構(gòu)成一個(gè)摩擦副。
[0010] 采用雙摩擦盤加載機(jī)構(gòu)的雙向摩擦加載式無(wú)多余力矩電液負(fù)載模擬器，它包括工 控機(jī)101、A/D數(shù)據(jù)采集卡102、D/A轉(zhuǎn)換電路103、伺服放大器104、DSP運(yùn)動(dòng)控制卡105、大 伺服閥106、碼盤107、力矩傳感器109、力矩電機(jī)110和負(fù)載模擬單元；
[0011] 碼盤107和大伺服閥106設(shè)置在被測(cè)舵機(jī)108上；被測(cè)舵機(jī)108通過(guò)力矩傳感器 109與主軸42剛性連接；碼盤107的信號(hào)輸出端與A/D數(shù)據(jù)采集卡102的第一輸入端相連， 力矩傳感器109的信號(hào)輸出端與A/D數(shù)據(jù)采集卡102的第二輸入端相連，A/D數(shù)據(jù)采集卡 102的輸出端與工控機(jī)101的信號(hào)反饋端相連；工控機(jī)101的指令輸出端與D/A轉(zhuǎn)換電路 103的輸入端相連，D/A轉(zhuǎn)換電路103的輸出端與伺服放大器104的輸入端相連，伺服放大 器104的給定角位移指令輸出端與大伺服閥106指令輸入端相連；伺服放大器104的給定 力矩信號(hào)輸出端與伺服閥45的指令輸入端相連；
[0012] 負(fù)載模擬單元包括兩個(gè)雙摩擦盤加載機(jī)構(gòu)111、止推軸承15、力傳感器16、過(guò)渡板 17、彈簧24、三個(gè)液壓缸27、液壓缸蓋板39、液壓缸支座41和伺服閥45 ;
[0013] 三個(gè)周向均布的液壓缸27的兩端對(duì)稱分布兩個(gè)雙摩擦盤加載機(jī)構(gòu)111 ;三個(gè)液壓 缸27由伺服閥45驅(qū)動(dòng)，使其按給定力矩信號(hào)連續(xù)切換的向液壓缸27兩端的雙摩擦盤加載 機(jī)構(gòu)111均勻施加推力，當(dāng)正力矩加載時(shí)，三個(gè)液壓缸27向遠(yuǎn)離被測(cè)舵機(jī)108 -端的雙摩 擦盤加載機(jī)構(gòu)111施加推力，當(dāng)負(fù)力矩加載時(shí)，三個(gè)液壓缸27向靠近被測(cè)舵機(jī)108 -端的 雙摩擦盤加載機(jī)構(gòu)111施加推力，其中所施加的推力由液壓缸27通過(guò)彈簧24、過(guò)渡板17、 力傳感器16、止推軸承15作用于雙摩擦盤加載機(jī)構(gòu)111。
[0014] 負(fù)載模擬單元還包括第一大齒輪3、基座4、第一軸承5、第二軸承6、第一圓螺母7、 第三軸承8、第一止動(dòng)墊圈10、第一軸承端蓋11、第二軸承端蓋19、第四軸承20、套筒21、兩 個(gè)第一鍵22、第一小齒輪23、第一 B傳動(dòng)軸25、第五軸承28、三個(gè)錐齒輪29、第六軸承30、 A傳動(dòng)軸31、第三軸承端蓋32、軸承套筒33、三個(gè)第二鍵36、第二B傳動(dòng)軸37、第二小齒輪 38、第二大齒輪40、主軸42、出油口 43、閥塊44、進(jìn)油口 46 ;基座4包括上端基座4-1、中間 基座4-2和下端基座4-3,三者構(gòu)成一體件；
[0015] -個(gè)錐齒輪29通過(guò)一個(gè)第二鍵36與A傳動(dòng)軸31連接；第一 B傳動(dòng)軸25通過(guò)另 一個(gè)第二鍵36與第二個(gè)錐齒輪29連接；第一 B傳動(dòng)軸25通過(guò)一個(gè)第一鍵22與第一小齒 輪23連接；第二B傳動(dòng)軸37通過(guò)第三個(gè)第二鍵36與第三個(gè)錐齒輪29連接；第二B傳動(dòng)軸 37通過(guò)另一個(gè)第一鍵22與第二小齒輪38連接；三個(gè)錐齒輪29構(gòu)成錐齒輪系；
[0016] 第一 B傳動(dòng)軸25、第二B傳動(dòng)軸37分別通過(guò)一個(gè)第五軸承28固定在中間基座4-2 上；A傳動(dòng)軸31通過(guò)第六軸承30和軸承套筒33及第三軸承端蓋32固定在中間基座4-2 上；
[0017] 第一 B傳動(dòng)軸25通過(guò)一個(gè)第四軸承20和一個(gè)套筒21固定在上端基座4-1上；第 二B傳動(dòng)軸37通過(guò)另一個(gè)第四軸承20和另一個(gè)套筒21固定在下端基座4-3上，且設(shè)置有 第二軸承端蓋19 ;
[0018] 力矩電機(jī)110拖動(dòng)A傳動(dòng)軸31經(jīng)過(guò)三個(gè)錐齒輪29組成的錐齒輪系及第一 B傳動(dòng) 軸25、第二B傳動(dòng)軸37驅(qū)動(dòng)第一小齒輪23、第二小齒輪38分別按相同的轉(zhuǎn)速，相反的轉(zhuǎn)動(dòng) 方向高速轉(zhuǎn)動(dòng)；
[0019] 液壓缸支座41與上端基座4-1、下端基座4-3和中間基座4-2固定連接；主軸42 穿過(guò)液壓缸支座41，主軸42通過(guò)一個(gè)第三軸承8及一個(gè)第一軸承端蓋11與上端基座4-1 固定，主軸42通過(guò)另一個(gè)第三軸承8及一個(gè)第一軸承端蓋11與下端基座4-3固定；
[0020] 第一大齒輪3通過(guò)一個(gè)角接觸軸承5、一個(gè)圓錐滾子軸承6與主軸42轉(zhuǎn)動(dòng)連接，并 且通過(guò)一個(gè)第一止動(dòng)墊圈10和一個(gè)第一圓螺母7將第一大齒輪3軸向固定在主軸42上；
[0021] 第二大齒輪40通過(guò)另一個(gè)角接觸軸承5、另一個(gè)圓錐滾子軸承6與主軸42連接， 并且通過(guò)另一個(gè)第一止動(dòng)墊圈10和另一個(gè)第一圓螺母7將第二大齒輪40軸向固定在主軸 42上；
[0022] 第一大齒輪3、第二大齒輪40分別由第一小齒輪23、第二小齒輪38通過(guò)嚙合形式