专利名称：一种二自由度操纵杆驱动试验装置的安装方法
技术领域：
本发明涉及一种二自由度操纵杆驱动试验装置的安装方法。
背景技术：
侧杆操纵机构在民用飞机上的应用是一个明显的趋势。相对于传统的中央杆/盘 操纵方式，侧杆操纵杆具有如下优势重量轻、节省安装空间、易于拆卸从而降低维护成本、 降低飞行员工作负荷等。空客系列飞机驾驶舱操纵系统采用了被动式侧杆机构作为横滚、 俯仰系统的操纵输入，驾驶员通过控制侧杆的横向、纵向运动实现对飞机相关轴的控制。侧杆操纵杆的引入对侧杆的试验方法和设备也提出了新的要求。在适航验证试 验、地面模拟试验中，需要驱动侧杆来完成侧杆操纵力-位移特性试验、频响试验、阶跃响 应试验等项目，并且还需要进行飞行试验中的故障复现等工作。因此需通过可控性强、精度 高、稳定性好的驱动机构驱动侧杆进行指定形式的运动，以满足地面模拟试验的要求。现有的侧杆驱动机构为单一自由度操纵杆驱动机构如图6示例性所示，直线作动 器61通过连接夹具驱动单一自由度操纵杆62进行前后运动，实现对操纵杆62的单自由度 驱动。由于侧杆机构同时具有两个轴向的运动自由度，是一种典型的二自由度操纵杆， 采用传统的单一自由度的操纵杆无法实现两个轴向之间的耦合运动，无法验证侧杆轴向控 制指令交叉耦合对飞机控制的影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有设计中所存在的上述缺点，为了满足同时驱动操纵杆 机构进行两个轴向的精确耦合运动，提供一种新的二自由度操纵杆驱动试验装置的安装方 法。本发明所述的二自由度操纵杆驱动试验装置由机械部分与测控系统组成。所述机 械部分包括机械台体、外框、内框、操纵杆夹具、应力消除机构。其中，外框为俯仰运动平台， 内框为横滚运动平台，横滚和俯仰方向运动轨迹分别由横滚运动平台(内框)和俯仰运动 平台(外框)控制。这里所说的“俯仰”是指飞机的低头下降(俯)、抬头上升(仰)运动， 即对应于外框的枢转运动，“横滚”对应于内框的枢转摆动。本发明的操纵杆驱动试验装置安装方法包括如下步骤(1)将操纵杆安装于机械台体，通过光学测量方法，确定操纵杆的枢转点；(2)安装俯仰运动平台(外框)，借助于光学测量方法，使俯仰运动平台(外框) 的转轴经过操纵杆的枢转点；(3)横滚运动平台(内框)安装于俯仰运动平台(外框)上；(4)通过光学测量方法，使得横滚运动平台(内框)的旋转轴线和俯仰运动平台 (外框)的旋转轴线垂直相交、互为等分；并且通过光学测量定位，使得操纵杆的横滚和俯 仰转轴与横滚运动平台(内框)的旋转轴线和俯仰运动平台(外框)的旋转轴线三者交点重合。这是保证操纵杆夹具装夹点运动轨迹的半径与操纵杆运动半径(操纵杆转轴与内、 外框转轴的交点距操纵杆夹具装夹点的距离)相等，即保证内、外框运动时与操纵杆不产 生机械卡死的措施之一。(5)在操纵杆定位后，通过操纵杆夹具，将操纵杆手柄与横滚运动平台(内框)连 接，并连接应力消除机构，以消除因机械误差引起的应力。这是保证内、外框运动时与操纵 杆不产生机械卡死的另一个措施。优选地，根据本发明的二自由度操纵杆驱动试验装置的安装方法还包括，在所述 内、外框的连接处和外框与机械台体的连接处设置机械止动块，防止在所述操纵杆运动过 程中产生急偏而破坏。优选地，根据本发明的二自由度操纵杆驱动试验装置的安装方法还包括，在所述 外框上设置外框电机，以实现所述外框的枢转。优选地，根据本发明的二自由度操纵杆驱动试验装置的安装方法还包括，在所述 内框上设置内框电机，用于实现所述内框的枢转。由此，本发明可以实现对单个操纵杆机构的两个轴向进行耦合运动控制，比如驱 动操纵杆在横滚运动的同时进行俯仰运动。可以根据试验需求发出指令信号，直接控制俯 仰运动平台(外框)进行转动，在其转动时，俯仰运动平台(外框)上的横滚运动平台(内 框)的旋转轴线也随之运动，此时通过控制横滚运动平台(内框)转动，即可实现对操纵杆 两个自由度运动的控制。本发明通过光学测量减少安装误差；通过应力消除机构消除因机械误差引起的应 力，从而避免了操纵杆两个自由度运动的干涉及损坏操纵杆。优选地，本发明的操纵杆驱动试验装置安装方法还包括在内、外框处设置机械止 动块的步骤，以防止在操纵杆运动过程中产生急偏而破坏操纵杆。进一步地，在二自由度操纵杆驱动试验装置安装完成后，通过控制内、外框的运 动，还可以实现对二自由度操纵杆的驱动控制。所述二自由度操纵杆驱动试验装置还包括 测控系统，通过所述测控系统实现对操纵杆的二自由度控制，对操纵杆力-位移特性、输出 信号特性的检测。根据本发明的操纵杆驱动试验装置安装方法，将操纵杆安装在两轴运动平台上， 驱动操纵杆机构同时进行俯仰轴和横滚轴独立或耦合运动；在安装时保证操纵杆的转轴与 外框的旋转轴线、内框的旋转轴线交点重合，避免操纵杆在运动过程中产生过大应力，导致 操纵杆损坏；在操纵杆与内框的连接处采用应力消除机构消除因机械误差而产生的操纵杆 应力，保护操纵杆机构；在内、外框处设置机械止动块，防止在操纵杆运动过程中产生急偏 而破坏操纵杆。根据本发明的操纵杆驱动试验装置安装方法提供的二自由度操纵杆运动平台，结 构简单，体积小，无需破坏操纵杆本体结构，不会影响操纵杆操纵力特性，可实现对操纵杆 的二自由度耦合控制。在无需破坏二自由度操纵杆本体的前提下，实现操纵杆的二自由度 耦合运动控制，避免二自由度操纵杆在运动过程出现机械卡死乃至损坏，可以测得操纵杆 力-位移、输出信号特性等参数。
图1为根据本发明的二自由度操纵杆驱动试验装置的立体示意图；图2为根据本发明的二自由度操纵杆驱动试验装置的机械部分工作原理示意图；图3为根据本发明的二自由度操纵杆驱动试验装置的安装流程图；图4为根据本发明的二自由度操纵杆驱动试验装置的控制流程图；图5为光学测量法确定二自由度操纵杆、两个运动平台运动轴线的原理图；图6为现有技术的单一自由度操纵杆驱动机构示意图。附图标记说明1-机械台体21-外框22-外框电机23-外框支座31-内框 32-内框电机 33-内框支座4-操纵杆夹具5-应力消除机构6-操纵杆7-操纵杆手柄L1-外框21的转轴 L2-内框31的转轴61-直线作动器 62-单一自由度操纵杆
具体实施例方式以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。图1给出了二自由度操纵杆驱动装置的立体示意图。在本发明的一个实施方式 中，操纵杆驱动试验装置包括机械部分和测控系统，所述机械部分包括机械台体1、外框21 及外框电机22、内框31及内框电机32、操纵杆夹具4、应力消除机构5，其中外框电机22和 内框电机32分别包含减速器、扭矩传感器、角度编码器(图中未示出)。其中外框21用于 控制俯仰轴，内框31用于控制横滚轴。机械台体1用于安装二自由度操纵杆6及内框31、外框21。外框21及外框电机22 通过外框支座23(位置可调整)转轴固定于机械台体1，所述外框21的转轴与操纵杆6的 俯仰(或者横滚)转轴相交于二自由度操纵杆的枢转点，可采用半圆框或者方框(包括全 框和部分框)的形式，在本实施方式中采用全圆框的形式，通过外框电机22驱动俯仰(或 者横滚)方向运动。在本实施方式中，机械台体1为一个根据二自由度操纵杆安装面设计 的长方体台架，可将二自由度操纵杆本体稳定、可靠地固定在机械台体1上。在机械台体1 的上部两侧安装有轴承，用来支承外框21及外框电机22。外框21与轴承安装后能够转动 自如，外框21的直径与机械台体1的宽度相配合，一端与机械台体1可靠连接，一端与扭矩 传感器连接，扭矩传感器与外框电机22的轴相连接，外框电机22上还安装有角度编码器。内框31及内框电机32通过内框支座33 (其安装位置通过外框本身的加工精度来 保证)转轴安装于外框21，所述内框31的转轴与二自由度操纵杆6的横滚或者俯仰转轴相 交于二自由度操纵杆的枢转点，可采用半圆框或者方框(包括全框和部分框)的形式，在本 实施方式中为半圆框，通过内框电机32驱动横滚或者俯仰方向运动。在本发明的一个实施 方式中，在外框21上安装有轴承，用来支承内框31及内框电机32。内框31与轴承安装后 能够转动自如，内框31的直径与外框21的直径相配合，一端与外框21可靠连接，一端与扭 矩传感器连接，扭矩传感器与内框电机32的轴相连接，内框电机32上安装有角度编码器。 内、外框转轴轴线相互垂直等分。操纵杆夹具4用以实现二自由度操纵杆与内框之间的过渡连接，操纵杆夹具4与操纵杆手柄7固定连接。根据操纵杆手柄7的机械特点，设计操纵杆夹具4，使得操纵杆6 与内框21可靠连接，二自由度操纵杆6的转轴与内、外框转轴轴线交点重合，以避免操纵杆 在运动过程中卡死。在本实施方式中，在操纵杆与内框的连接处，应力消除机构5采用带有滑动轴承、 轴套组件形成可变长度的连接组件，用于连接内框31及内框电机32和操纵杆夹具4，用以 消除在运动过程中由机械安装及制造误差引起的内框31与操纵杆夹具之间的应力。内、外 框电机根据模型的大小选择合适的大小和扭矩。测控系统包括上位机、控制系统和测试系统。上位机采用个人计算机(PC机)，其功能包括键盘输入、IXD显示、数据通讯和电源 电压检测、进行数据交互及远程监控。控制系统包括信号源、电机运动控制卡、数/模转换卡(D/A卡)、模/数转换卡(A/ D卡)、解码器、以太网、控制应用程序。负责根据试验要求，由自身或者外部激励信号发出 对内、外框电机的控制指令，实时采集内、外框电机的力、位移、速度反馈，对内、外框电机进 行力、位移、速度闭环控制，并实现两个电机的耦合运动。测试系统包括模/数转换卡(A/D卡)、数字量输入输出卡(DIO)、旋转可变差动传 感器(RVDT)激励/解调、测试应用程序。主要负责在二自由度操纵杆运动过程中，实时采 集操纵杆操纵力、操纵位移、输出电信号等参数，并绘制试验曲线，分析试验结果。机械部分与测控系统的结合通过电机运动控制卡与内、外框电机连接实现。所述 驱动试验装置在所述内、外框的连接处和外框与机械台体的连接处设置有机械止动块(图 中未示出)，防止在所述操纵杆运动过程中产生急偏而破坏。图4给出了二自由度操纵杆驱动装置的控制流程图。控制系统通过信号源发出标 准信号(正弦、方波、三角波)或者由模/数转换卡(D/A)通道接收外部激励信号至外框电 机运动控制卡，外框电机运动控制卡将控制信号输出至外框电机驱动器，驱动外框电机转 动，带动外框运动。同时，实时通过角度解码器采集外框的角度，通过扭矩传感器采集外框电 机的输出力矩，通过测速板检测外框电机转速，经模/数转换(A/D转换)作为控制反馈，实现 对二自由度操纵杆俯仰或横滚方向的位置、速度闭环控制和力矩限制功能。同理，控制内框以 实现对二自由度操纵杆横滚(或俯仰)方向的位置、速度闭环控制和力矩限制功能。控制系 统应用程序按照试验要求对内、外框电机进行协调控制，实现操纵杆两个自由度的耦合运动。在二自由度操纵杆运动过程中，测试系统通过RVDT激励/解调检测操纵杆的输出 信号特性，A/D采集扭矩传感器输出和角度编码器的解码输出以得到操纵杆角度，DIO采集 操纵杆的输出的离散量信号。测试应用程序对采集的数据进行分析、绘图。上位机通过以太网(RS232/480等与其它试验设备进行通讯的接口，以进行数据 交互、协调控制及远程监控。以下通过具体实施例进行说明二自由度操纵杆驱动试验装置的安装方法以及驱 动控制方法。其中，将二自由度操纵杆安装至机械台体的具体步骤如下(参见图2、3、5)a)在机械台体1上安装二自由度操纵杆6 ；b)通过光学测量方法，确定该操纵杆6的枢转位置，记作0( ，y0, Z0)；c)安装外框21、外框电机22、角度编码器、扭矩传感器，其中扭矩传感器直接安装于外框21与外框电机22之间用于测量外框电机22的扭矩，角度编码器用于测量外框21 的转角；d)通过光学测量方法，确定外框21的转轴L1 ；e)判断L1是否经过0点；f)若否，则重新调整安装外框等部件；g)若是经过0点，则安装内框31、内框电机32、角度编码器、扭矩传感器，其中扭矩 传感器直接安装于内框31与内框电机32之间用于测量内框电机32的扭矩，角度编码器用 于测量内框31的转角；h)通过光学测量方法，确定内框31的转轴L2 ；i)判断L2是否经过0点；j)若否，则重新调整安装内框等部件；k)若是经过0点，则判断L1和L2是否垂直等分相交且交点与0点重合；1)若否，则重新调整内、外框及内外框电机等部件；m)若是，则通过操纵杆夹具及应力消除机构5，连接操纵杆6与内框31 ；η)手动全行程运动内、外框21、31 ；ο)判断操纵杆6在应力消除机构5中上下运动是否超过Imm ；ρ)若是，则重新调整外框等安装；q)若否，则结束操纵杆的安装。其中，光学测量方法如图5所示，操作过程如下在二自由度操纵杆的中立位置上 安装一个感光点，作为第一点(设为A点)，通过光学测量仪确定A点坐标(xl，yl，zl)，操 纵操纵杆分别运动到第二、三、四点(B、C、D)，并确定坐标第二点B的坐标(x2，y2，z2)、第 三点C的坐标(x3，y3, z3)、第四点D的坐标(x4，y4, z4)，这四个点A、B、C、D不在同一平 面上。求出第一个三角形Δ ABD和第二个三角形Δ B⑶的第一、第二外心01，02，过所述第 一、第二外心01、02分别做Δ ABD和Δ B⑶的法线，相交于0点，0点即为操纵杆转轴位置 (枢转点)。通过多次测量取均值，减少测量误差。在同一坐标系下，使用相似方法，可以确 定两个运动平台的轴线。在进行安装时，实时根据光学测量仪及后续的计算结果进行调整。然后，在二自由度操纵杆驱动试验装置安装完成后，通过控制内、外框21、31的运 动，就可以实现对二自由度操纵杆6的驱动控制。在本发明的一个实施方式中，控制二自由度操纵杆先进行俯仰正弦运动5个周期 (幅值5deg,频率0. IHz)，再控制其进行横滚运动3个周期(幅值3deg,频率0. 2Hz)。力值 保护限均为100N。RVDT激励电压为5V，并且采用16位A/D卡，用于检测操纵杆输出电信号。 其中，内、外框电机及其减速器的额定输出扭矩不小于INm，额定输出转速不低于lOOOr/s， 减速比不低于10 1(内、外框电机自带位置传感器)，内、外框电机上的扭矩传感器量程 10Nm，线性度不低于0. 5%，角度编码器单圈分辨率14位，多圈分辨率为13位。将操纵杆安装至机械台体，控制其进行缓慢、平稳的全行程运动，得到操纵杆俯 仰、横滚操纵力-角度曲线，分析该曲线得出结果俯仰、横滚操纵力(100N)，俯仰、横滚操 纵行程(-35 35deg)，俯仰、横滚启动力(ION)，俯仰、横滚间隙(0. Ideg)，俯仰、横滚间隙 摩擦力(5N)，俯仰、横滚电信号输出操纵杆运动过程中，通过RVDT激励/解调卡和A/D卡采 集，-10 10V)。
具体的驱动控制方法步骤如下(见图4):η)通过信号源向外框电机控制器(含外框电机运动控制卡的计算机)发送正弦波 控制指令；ο)外框电机控制器将控制指令输入至外框电机驱动器，驱动外框电机转动；ρ)外框电机控制器根据外框电机本身的位置传感器经测速板后，得到外框电机的 转速信号，将其作为外框电机转动频率的反馈值输入至外框电机控制器，实现外框的速度 闭环控制，以达到0. IHz的周期要求；q)外框电机控制器根据角度编码器确定外框的位置，将其作为外框位置的反馈信 号输入至外框电机控制器，实现外框的位置闭环控制，以达到5deg的幅值要求；r)外框电机控制器根据外框电机与外框之间的扭矩传感器，测试操纵杆的操纵力 矩，并作为力限制保护的反馈值，实时监测操纵杆在运动过程中操纵力，以达到100N力限 制保护的要求。s)由外框电机控制器对外框运动周期进行计数，以达到5个周期的运动要求；t)外框运动5个周期后，通过信号源向内框电机控制器发送正弦波控制指令；u)内框电机控制器将控制指令输入至内框电机驱动器，驱动内框电机转动；
ν)内框电机控制器根据内框电机本身的位置传感器经测速板后，得到内框电机的 转速信号，将其作为内框电机转动频率的反馈值输入至内框电机控制器，实现内框的速度 闭环控制，以达到0. 2Hz的周期要求；w)内框电机控制器根据角度编码器确定内框的位置，将其作为内框位置的反馈信 号输入至内框电机控制器，实现内框的位置闭环控制，以达到3deg的幅值要求；χ)内框电机控制器根据内框电机与内框之间的扭矩传感器，测试操纵杆的操纵力 矩，并作为力限制保护的反馈值，实时监测操纵杆在运动过程中的操纵力，以达到100Ν力 限制保护的要求。y)由内框电机控制器对内框运动周期进行计数，以达到3个周期的运动要求；ζ)在操纵杆整个运动过程中，通过内、外框上角度编码器及扭矩传感器的测试值， 便可得到操纵杆横滚、俯仰运动的操纵力、位移特性。根据本发明的操纵杆试验装置在实际实施时，先根据具体的二自由度操纵杆外 形，进行设计操纵杆驱动试验装置的机械部分(包含机械台体、外框、内框、操纵杆夹具、应 力消除机构)，经过相应的理论计算及实际测量，表明该操纵杆试验装置能够满足操纵杆二 自由度运动的条件，与传统的驱动装置对比，能够实现对操纵杆的二自由度运动耦合控制。
权利要求
1.一种二自由度操纵杆驱动试验装置的安装方法，所述操纵杆驱动试验装置包括机械 部分，所述机械部分包括机械台体(1)、外框(21)、内框(31)、操纵杆夹具G)、应力消除机 构(5)，其中，所述安装方法包括如下步骤(1)将二自由度操纵杆安装于所述机械台体(1)，通过光学测量方法，确定所述二自由 度操纵杆的枢转点；(2)安装所述外框(21)，借助于步骤(1)中类似的光学测量方法，使所述外框的 转轴经过所述二自由度操纵杆的枢转点；(3)将所述内框(31)安装于所述外框上；(4)通过借助于步骤(1)中类似的光学测量方法，使得所述内框(31)的旋转轴线和所 述外框的旋转轴线垂直相交、互为等分，使得所述二自由度操纵杆的转轴与所述内框(31)的旋转轴线和所述外框的旋转轴线三者交点重合。(5)在所述二自由度操纵杆定位后，通过所述操纵杆夹具G)，将操纵杆手柄与所述内 框(31)连接，并连接所述应力消除机构(5)，以消除因机械误差引起的应力。
2.如权利要求1所述的二自由度操纵杆驱动试验装置的安装方法，其特征在于，步 骤(1)中的所述光学测量方法如下在二自由度操纵杆的中立位置上安装一个感光点作 为第一点(A)，通过光学测量仪确定该第一点(A)的坐标，将所述二自由度操纵杆运动到 第二、第三、第四点(B、C、D)，并确定所述第二、第三、第四点(B、C、D)的坐标，所述四个点 不在同一平面上，其中所述第二点(B)与所述第一点(A)、所述第四点(D)形成第一个三 角形(Δ ABD)，和所述第二点(B)与所述第三点(C)、所述第四点(D)形成第二个三角形 (Δ B⑶)，分别求出所述第一个三角形(AABD)和所述第二个三角形(ABOT)的第一、第 二外心(01、02)，过所述第一、第二外心(01、02)分别作所述第一个三角形(Δ ABD)和所 述第二个三角形(ABCD)的法线，所述法线的交点即为所述二自由度操纵杆的枢转点。
3.如权利要求1或2所述的二自由度操纵杆驱动试验装置的安装方法，其特征在于，还 包括在所述内框与所述外框(31)的连接处和所述外框(31)与所述机械台体(1)的 连接处设置机械止动块，防止在所述二自由度操纵杆运动过程中产生急偏而破坏。
4.如权利要求1-3之一所述的二自由度操纵杆驱动试验装置的安装方法，其特征在 于，还包括在所述外框上设置外框电机0 的步骤，以实现所述外框的枢转，所 述外框电机0 包含减速器、扭矩传感器、角度编码器。
5.如权利要求4所述的二自由度操纵杆驱动试验装置的安装方法，其特征在于，还包 括在所述内框(31)上设置内框电机(32)，用于实现所述内框(31)的枢转，所述内框电机(32)包含减速器、扭矩传感器、角度编码器。
全文摘要
本发明涉及一种二自由度操纵杆驱动试验装置的安装方法，所述操纵杆驱动试验装置包括机械部分，所述机械部分包括机械台体、外框、内框、操纵杆夹具、应力消除机构，其中，所述安装方法将操纵杆安装在两轴运动平台上，驱动操纵杆机构同时进行俯仰轴和横滚轴独立或耦合运动；在安装时保证操纵杆的转轴与外框的旋转轴线、内框的旋转轴线交点重合，避免操纵杆在运动过程中产生过大应力，导致操纵杆损坏；在操纵杆与内框的连接处采用应力消除机构消除因机械误差而产生的操纵杆应力，保护操纵杆机构。
文档编号G01M13/00GK102141469SQ201010600749
公开日2011年8月3日 申请日期2010年12月20日 优先权日2010年12月20日
发明者刘彩志, 徐德胜, 田金强, 赵京洲, 马显超 申请人:中国商用飞机有限责任公司, 中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院