单向摩擦加载式无多余力矩电液负载模拟器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种半物理仿真模型，属于电液伺服控制及自动控制领域。
【背景技术】
[0002] 在航空航天、航海舰船、武器装备等国防军事工业以及建筑工程、地震工程、汽车 工程、生物工程、农机工程等民用工业生产中，通常需要对产品所受动力载荷性能进行测试 以保证所设计产品的性能。多数动力负载一方面是随空间和时间变化的任意力（力矩）， 具有强烈的非控性，如空气铰链动力力矩、海水波动力等；另一方面，在真实环境中进行检 测需要耗费大量的人力、物力，有的甚至不可能实现，如地震波动载荷。这些原因导致并促 进了地面半实物仿真技术的产生和发展。地面半实物仿真技术是在实验室条件下复现被测 对象工作过程中的各种因素及参数，将经典的自破坏性实验转化为实验室条件下的预测研 宄。地面半实物仿真技术具有良好的可控性、无破坏性、全天候以及操作简单方便等优点， 并且这种实验具有可重复性，其经济性是经典自破坏性实验所无法比拟的。负载模拟器就 是一种用来在实验室条件下半实物地模拟承载对象所要求的力（力矩）载荷的装置，主要 用以模拟飞行器在飞行过程中，其舵面所受的空气动力力矩载荷谱。
[0003] 传统电液负载模拟器在研制中一直存在很多技术难题没有解决：（1)多余力矩的 存在严重影响加载系统的控制性能。电液负载模拟器的舵机系统和加载系统是近似刚性连 接在一起的。当舵机主动运动时，必然对加载系统产生强扰动，引起多余力矩，其数值和舵 机的运动状态有关，在起动和换向时更为严重。（2)难以实现动态加载的精确性。电液负载 模拟器要求加载系统模拟飞行器在飞行过程中所受空气动力力矩，一般情况下，此力矩信 号为任意的函数。要想精确地复现该函数，则要求加载系统为高阶无静差系统。但多余力 矩的存在，特别是其微分特性却使加载系统高阶无静差很难实现，尤其是当舵机系统运动 频率较高时。（3)难以保证小力矩加载时的系统性能。电液负载模拟器由于存在伺服阀死 区、压力波动等因素的影响，当其进行小力矩加载时，难以保证系统性能。此外，当小力矩加 载时，多余力矩对加载系统的影响会变得相对显著，它会使加载系统的精度降低，加载灵敏 度难以保证，甚至淹没加载信号，使系统无法实现正常加载。（4)加载系统控制复杂。电液 负载模拟器的实际被加载对象是各种飞行器的舵机，舵机的结构参数和加载系统的性能相 关。不同型号的舵机可能会导致系统控制性能的变化，尤其是引起多余力矩补偿控制环节 参数的变化，因此要求控制系统具有一定的鲁棒性。这就使加载系统的控制变得更加复杂 和困难。
【发明内容】
[0004] 本发明目的是为了解决现有的电液负载模拟器加载过程中存在的严重影响加载 性能的多余力矩问题，提供了一种单向摩擦加载式无多余力矩电液负载模拟器。
[0005] 为了彻底消除负载模拟器的多余力矩，提高动态加载精度，实现精确地小力矩加 载同时获得简单的结构、较低的成本以及简单的控制策略，提出了一种摩擦加载方法，该方 法不存在由被测试舵机主运动产生的严重干扰加载性能的多余力矩，从而可以全面提高加 载性能，实现精确地动态加载，保证小力矩加载性能，简化控制策略的复杂性等等。该种摩 擦加载式无多余力矩电液负载模拟器的提出顺应了飞行器、导弹等的机动性能和控制精度 的提高对负载模拟器加载性能要求提高的趋势，推动了国防事业前进并能带来很好的经济 性。
[0006] 本发明所述单向摩擦加载式无多余力矩电液负载模拟器，它包括工控机、A/D数据 采集卡、伺服放大器、DSP运动控制卡、力矩电机、码盘、大伺服阀、力矩传感器、D/A转换电 路和负载模拟单元；
[0007] 码盘和大伺服阀设置在被测舵机上；码盘的信号输出端与A/D数据采集卡的第一 输入端相连，力矩传感器的信号输出端与A/D数据采集卡的第二输入端相连，A/D数据采集 卡的输出端与工控机的信号反馈端相连；工控机的指令输出端与D/A转换电路）的输入端 相连，D/A转换电路的输出端与伺服放大器的输入端相连，伺服放大器的给定角位移指令输 出端与大伺服阀指令输入端相连；伺服放大器的给定力矩信号输出端与伺服阀的指令输入 端相连；
[0008] 负载模拟单元包括B摩擦盘、A摩擦盘、基座、大齿轮、传动轴、小齿轮、滑动盘、止 推轴承、滑键、过渡盘、力传感器、三组弹簧、三个液压缸盖板、三个液压缸、伺服阀、位移传 感器、阀块、主轴和第二基座；
[0009] 工控机通过DSP运动控制卡控制力矩电机转动，力矩电机通过传动轴驱动小齿轮 按恒定方向转动，小齿轮通过嗤合形式驱动大齿轮以恒定的转速、并与小齿轮相对的转向 转动，被测舵机通过力矩传感器与主轴刚性连接，大齿轮通过主轴给被测舵机加载力矩；
[0010] A摩擦盘固定在大齿轮的一个侧面，B摩擦盘设置在A摩擦盘背离大齿轮的一侧， 且B摩擦盘固定在滑动盘上，滑动盘与主轴通过滑键连接；
[0011] 伺服阀设置在阀块上，阀块设置在第二基座上，在主轴的外圆表面设置有第二基 座，第二基座为圆盘形，沿第二基座的外圆周均布三个矩形凹槽，矩形凹槽的开口面向大齿 轮和外圆；每个矩形凹槽面向外圆开口设置一个液压缸盖板，第二基座面向大齿轮侧设置 有过渡盘，过渡盘覆盖住每个矩形凹槽的轴向开口，过渡盘沿轴向与液压缸盖板摩擦连接； 在每个矩形凹槽内设置一个液压缸、一个位移传感器和一个弹簧，位移传感器、液压缸和弹 簧依次轴向连接，并顶压在过渡盘上，液压缸的活塞顶在弹簧上；过渡盘与滑动盘之间的轴 向空间设置有止推轴承，过渡盘内嵌有力传感器，且力传感器夹在止推轴承和过渡盘之间； 位移传感器采集的液压缸的活塞位移信号反馈给工控机，力传感器采集的液压缸产生的力 信号反馈给工控机。
[0012] 本发明的优点：本发明提出的一种摩擦加载式无多余力矩电液负载模拟器，不存 在由被测试舵机主运动产生的严重干扰加载性能的多余力矩，结构紧凑。由于不存在多余 力矩，当舵机进行任意形式的主运动时，相对于传统结构电液负载模拟器，该种摩擦加载式 电液负载模拟器都能够获得更高精度地动态加载，能够实现高精度的小幅值力矩加载，能 够简化控制策略的复杂性，系统控制策略更加通用可靠，加载系统具有高精度、高动态、高 频响等特征。该种摩擦加载式无多余力矩电液负载模拟器的提出能够全面提高力矩加载精 度，实现了力矩的主动加载，一个加载系统能够用于不同加载工况下的加载，而不需重新设 计相应的控制器，使该负载模拟器能够更容易、更广泛的得到应用，无需专业技术人员的重 新调试。
【附图说明】
[0013] 图1是本发明所述单向摩擦加载式无多余力矩电液负载模拟器的原理框图；
[0014] 图2是力矩闭环控制框图；
[0015] 图3是角位移闭环控制框图；
[0016] 图4是负载模拟单元的结构示意图；
[0017] 图5是图4的A-A剖视图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0018] 一：下面结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述单向摩 擦加载式无多余力矩电液负载模拟器，它包括工控机l〇l、A/D数据采集卡102、伺服放大器 103、DSP运动控制卡104、力矩电机105、码盘106、大伺服阀107、力矩传感器108、D/A转换 电路109和负载模拟单元；
[0019] 码盘106和大伺服阀107设置在被测舵机上；码盘106的信号输出端与A/D数据 采集卡102的第一输入端相连，力矩传感器108的信号输出端与A/D数据采集卡102的第 二输入端相连，A/D数据采集卡102的输出端与工控机101的信号反馈端相连；工控机101 的指令输出端与D/A转换电路109的输入端相连，D/A转换电路109的输出端与伺服放大 器103的输入端相连，伺服放大器103的给定角位移指令输出端与大伺服阀107指令输入 端相连；伺服放大器103的给定力矩信号输出端与伺服阀25的指令输入端相连；
[0020] 负载模拟单元包括B摩擦盘1、A摩擦盘2、基座10、大齿轮11、传动轴12、小齿轮 16、滑动盘17、止推轴承18、滑键19、过渡盘20、力传感器21、三组弹簧22、三个液压缸盖板 23、三个液压缸24、伺服阀25、位移传感器26、阀块27、主轴28和第二基座31 ;
[0021] 工控机101通过DSP运动控制卡104控制力矩电机105转动，力矩电机105通过 传动轴12驱动小齿轮16按恒定方向转动，小齿轮16通过啮合形式驱动大齿轮11以恒定 的转速、并与小齿轮相对的转向转动，被测舵机通过力矩传感器108与主轴28刚性连接，大 齿轮11通过主轴28给被测舵机加载力矩；
[0022] A摩擦盘2固定在大齿轮11的一个侧面，B摩擦盘1设置在A摩擦盘2背离大齿 轮11的一侧，且B摩擦盘1固定在滑动盘17上，滑动盘17与主轴28通过滑键19连接；这 样B摩擦盘1可以基于主轴28进行轴向滑动，同时可以向主轴28传递扭矩。从而保证B 摩擦盘1能够无损的传递液压缸24施加的轴向压力，保证A摩擦盘2、B摩擦盘1间的压力 与液压缸24施加的压力一致，此外滑键连接能够将A摩擦盘2、B摩擦盘1间产生的摩擦力 矩传递给主轴28,从而最终作用在被测舵机上。
[0023] 伺服阀25设置在阀块27上，阀块设置在第二基座31上，在主轴28的外圆表面设 置有第二基座31，第二基座31为圆盘形，沿第二基座31的外圆周均布三个矩形凹槽，矩形 凹槽的开口面向大齿轮11和外圆；每个矩形凹槽面向外圆开