多摩擦片叠加加载机构及采用该机构的大幅值双向摩擦加载式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] 电液伺服控制系统以其控制精度高、较大的能量体积比、频率响应快等优点，被广 泛用于航空航天、工业自动化、机器人、机床等高精尖领域。电液负载模拟器是一种地面半 实物仿真设备，主要用以模拟导弹、战机等飞行器在飞行过程中，其舵机舵面所受的空气动 力力矩载荷谱，实现在实验室条件下半实物的复现被测对象在实际工作过程中所受的动力 载荷，模拟被测对象在实际工作中所受动力载荷环境，将经典的自破坏性实验转化为实验 室条件下的预测研究，从而实现在地面半实物的测试飞行器舵机的性能，进而改进舵机系 统，使舵机系统性能达到要求。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、实验具有可重复性等优点，其经济性是经典自破坏性实验所无法比拟 的。国内外相关专家学者及单位分别研制出了各种型号的用于地面半实物仿真的负载模拟 器样机或产品。但是随着对飞行器性能要求的不断提高，要求电液负载模拟器具有更高的 加载精度高、更快频率响应等性能特点。
[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 存在严重影响系统的控制性能的提高。被测舵机系统与负载模拟器系统近似刚性的连接在 一起，当舵机主动运动时，必然对负载模拟器系统产生强扰动，引起多余力矩，其数值和舵 机的运动状态有关。（2)难以实现高精度的动态加载。由于飞行器飞行过程中舵机舵面所 受空气动力力矩为任意的函数。要想精确地复现该函数，则要求负载模拟器系统为高阶无 静差系统。但多余力矩的存在及其微分特性使加载系统高阶无静差很难实现，尤其是当被 测舵机系统运动频率较高时。（3)难以保证小力矩加载性能。当小力矩加载时，多余力矩对 系统的影响变得相对显著，它使加载精度降低，加载灵敏度难以保证，甚至淹没加载信号， 加之存在伺服阀死区、压力波动等因素的影响，将使系统无法实现正常加载。（4)控制策略 复杂。电液负载模拟器的被加载对象是各种飞行器的舵机系统，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。这就使系统的控制变得更加复杂和困难，控制策略通用性较差。
[0004] 双向摩擦加载式电液负载模拟器以其独特的结构完全消除了由被测舵机主运动 产生的多余力矩，并能实现高精度、高动态、高频响的正、负双向力矩加载。但是由于摩擦材 料摩擦系数及系统结构设计尺寸的限制，双向摩擦加载式电液负载模拟器很难实现大幅值 的力矩加载，这使得其的应用范围受到一定的限制。为了在较小的机构尺寸下利用现有的 高性能摩擦材料大幅的提高双向摩擦加载式电液负载模拟器的加载幅值，基于作用力与反 作用力原理，设计了一种多摩擦片叠加加载机构，使得采用该机构的双向摩擦加载式电液 负载模拟器能够实现高精度、高动态、高频响的无多余力矩的正、负双向大幅值力矩加载。 从而将摩擦加载式电液负载模拟器的应用范围扩大到受更大外载荷的舰船、大型客机、火 箭等的舵机系统的地面半实物测试中。
【发明内容】
[0005] 本发明目的是为了解决双向摩擦加载式无多余力矩电液负载模拟器很难在较小 结构尺寸的条件下利用现有的高性能的摩擦材料实现高精度、高动态、高可靠性的大幅值 力矩加载的问题，提供了一种多摩擦片叠加加载机构及采用该机构的大幅值双向摩擦加载 式电液负载模拟器。
[0006] 本发明所述多摩擦片叠加加载机构，它包括第一恒转动摩擦片、六个销、第二摆动 摩擦片、第二恒转动摩擦片、第一摆动摩擦片、第二摩擦片支座和第一摩擦片支座；
[0007] 第一摩擦片支座通过一个滑键固定在主轴上，第一摩擦片支座的侧表面上固定一 片第一摆动摩擦片；
[0008] 第一摩擦片支座通过一个凹凸槽与第二摩擦片支座对应固定连接在一起，第二摩 擦片支座和第一摩擦片支座一同摆动并向主轴传递扭矩；
[0009] 第二摆动摩擦片与第二摩擦片支座上的摩擦片槽配合连接，第二摆动摩擦片能够 沿着轴向在摩擦片槽内滑动并能够向第二摩擦片支座传递扭矩；
[0010] 第二恒转动摩擦片通过六个周向均布的销与第一恒转动摩擦片连接，第二恒转动 摩擦片能够沿着销轴向滑动，同时能够与第一恒转动摩擦片一同高速旋转；
[0011] 第一恒转动摩擦片一个侧面与第二摆动摩擦片一个侧面构成一个摩擦副，第二摆 动摩擦片另一个侧面同时与第二恒转动摩擦片一个侧面构成第二个摩擦副，第二恒转动摩 擦片另一侧面同时与第一摆动摩擦片一个侧面构成第三个摩擦副；
[0012] 所述三个摩擦副具有相同的相对转动，且当其运用于实际力矩加载中时，该三个 摩擦副所受的法向力相同，都等于施加在该多摩擦片叠加加载机构上由液压缸施加的推 力。
[0013] 本发明所述采用多摩擦片叠加加载机构的大幅值双向摩擦加载式电液负载模拟 器，它包括工控机、A/D数据采集卡、D/A转换电路、伺服放大器、DSP运动控制卡、大伺服阀、 码盘、力矩传感器、力矩电机和负载模拟单元；
[0014] 码盘和大伺服阀设置在被测舵机上；被测舵机通过力矩传感器与主轴刚性连接； 码盘的信号输出端与A/D数据米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；
[0015] 负载模拟单元包括两个多摩擦片叠加加载机构、止推轴承、力传感器、过渡板、弹 簧、三个液压缸和伺服阀；三个周向均布的液压缸的两端对称分布两个多摩擦片叠加加载 机构；三个液压缸由伺服阀驱动，使其按给定力矩信号连续切换的向液压缸两端的多摩擦 片叠加加载机构均匀施加推力，当正力矩加载时，三个液压缸向远离被测舵机一端的多摩 擦片叠加加载机构施加推力，当负力矩加载时，三个液压缸向靠近被测舵机一端的多摩擦 片叠加加载机构施加推力，其中所施加的推力通过弹簧、过渡板、力传感器、止推轴承作用 于多摩擦片叠加加载机构。
[0016] 本发明的优点：本发明所述采用多摩擦片叠加加载机构的双向摩擦加载式大幅值 电液负载模拟器，结合双向摩擦加载式电液负载模拟器不存在严重影响力矩加载性能的多 余力矩这一特点，根据作用力与反作用力这一基本原理，所发明的多摩擦片叠加加载机构 在相同的加载条件及结构尺寸下产生的摩擦力矩是普通由两片摩擦片组成的加载机构的 2N-1倍（N是多摩擦片叠加加载机构采用的恒转动摩擦片的个数或是摆动摩擦片的个数）， 利用电液伺服技术，采用多摩擦片叠加加载机构的双向摩擦加载式大幅值电液负载模拟器 能够很容易的在$父小结构尺寸下获得尚精度、尚动态、尚频响、尚可靠性的无多余力矩的 正、负双向大幅值力矩加载。
【附图说明】
[0017] 图1是本发明所述采用多摩擦片叠加加载机构的大幅值双向摩擦加载式电液负 载模拟器的原理图；
[0018] 图2是本发明所述采用多摩擦片叠加加载机构的大幅值双向摩擦加载式电液负 载模拟器的结构示意图；
[0019] 图3是多摩擦片叠加加载机构的结构示意图；
[0020] 图4是图3的俯视图；
[0021] 图5是图3的A-A剖视图；
[0022] 图6是多摩擦片叠加加载机构三维模型爆炸图；
[0023] 图7是多摩擦片叠加加载机构三维模型剖视图；
[0024] 图8是采用多摩擦片叠加加载机构的大幅值双向摩擦加载式电液负载模拟器的 力矩闭环控制原理框图；
[0025] 图9是采用多摩擦片叠加加载机构的大幅值双向摩擦加载式电液负载模拟器的 模拟舵机角位移闭环控制原理框图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0026] 一：下面结合图3至图7说明本实施方式，本实施方式所述多摩擦片