电动伺服机构负载模拟系统及其模拟方法与流程

本发明涉及机电系统实验设施领域，更具体地，涉及一种电动伺服机构负载模拟系统，用于模拟飞行器舵机伺服机构的机械结构力学特性以及在飞行过程中舵机承受的气动铰链力矩。

背景技术：

目前，国内外研制的各种负载模拟试验台大多是采用液压马达或液压缸作为执行机构的电液伺服控制系统，主要用于大转矩、大功率的负载模拟领域，且电液伺服系统还有能量损失大，管路复杂，购置费用昂贵，抗污染能力差的缺点。因此，电机伺服系统被应用到负载模拟试验台的研制中，从而形成了电动负载模拟试验台系统，它具有成本低、方便维护等优点。

不过目前国内的电动负载模拟试验台采用直流力矩电机作为执行机构，其额定加载能力一般低于100Nm，只能满足小转矩、低功率的负载模拟要求。并且随着对于额定加载能力要求的提高，直流力矩电机转动惯量进一步增大不利于转矩系统对于响应速度的要求。

并且目前大多的电动负载模拟试验台采用的是“加载执行机构-转矩传感器-被加载伺服机构”的结构，这种结构虽然益于实现，但是常见的惯性负载、摩擦负载、弹性负载需要全部由加载执行机构来实现，提高了控制难度。并且由于加载端与被加载端刚性连接，不利于对加载系统多余力的抑制。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种适用于大摩擦力矩长时间工作的摩擦力矩加载装置及其加载方法。

根据本发明的一个方面，提供一种电动伺服机构负载模拟系统，包括底座，安装在底座上的被测伺服机构和力矩加载机构，依次设置在所述被测伺服机构和力矩加载机构之间的刚度模拟机构、摩擦模拟机构、惯量模拟机构和扭矩传感器以及角度传感器和中央处理单元，其中，所述刚度模拟机构与所述被测伺服机构的转子连接，通过被测伺服机构的旋转带动刚度模拟机构摆动；所述摩擦模拟机构、惯量模拟机构和力矩加载机构位于同一主轴上，分别模拟摩擦负载、惯量负载和弹性负载；所述角度传感器设置在所述力矩加载机构上，用于测量力矩加载机构位置和速度；所述中央处理单元接收扭矩传感器和角度传感器的检测信号，判断不同负载工况下的转动惯量、刚度以及转动速度和模拟位置力矩参数指标是否达到性能测试要求。

根据本发明的另一个方面，提供一种电动伺服机构负载模拟方法，包括：将刚度模拟机构、摩擦模拟机构、惯量模拟机构、扭矩传感器、力矩加载机构按照相互之间的连接关系固定在底座上；将被测伺服机构安装在所述底座上；根据伺服机构在某一负载工况下的转动惯量、刚度以及转动速度和模拟位置力矩参数指标分别调整刚度模拟机构的刚度、摩擦模拟机构的摩擦力、惯量模拟机构的转动惯量以及力矩加载机构的输出转矩；被测伺服电机开始转动，电动伺服机构负载模拟系统运行，通过角度传感器和扭矩传感器的测量数据判断加载精度指标是否达到性能测试要求，如果没有达到所述性能测试要求，则返回上面一个步骤，直到达到性能测试要求。

本发明所述电动伺服机构负载模拟系统在有限的体积下，模拟多重机械负载，包括惯性负载、弹性负载、摩擦负载，来满足不同伺服机构的测试要求。

附图说明

通过参考以下具体实施方式内容并且结合附图，本发明的其它目的及结果将更加明白且易于理解。在附图中：

图1是本发明所述电动伺服机构负载模拟系统的构成框图；

图2是本发明所述电动伺服机构负载模拟系统的示意图；

图3是本发明所述刚度模拟机构的一个实施例的示意图；

图4是本发明所述摩擦模拟机构的一个实施例的示意图；

图5是本发明所述惯量模拟机构的一个实施例的示意图；

图6是本发明所述力矩加载机构的一个实施例的示意图；

图7是本发明所述电动伺服机构负载模拟方法的流程图。

在附图中，相同的附图标记指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

下面将参照附图来对根据本发明的各个实施例进行详细描述。

图1是本发明所述电动伺服机构负载模拟系统的构成框图，图2是本发明所述电动伺服机构负载模拟系统的示意图，如图1和图2所示，所述摩擦力矩加载系统1000包括：

底座100，所述底座100的台面上设置有T型槽110和对中定位键槽120，底座100底部设置有调平用的地脚螺栓，优选地，所述底座100的台面上设置有多个吊环，用于吊装；

被测伺服机构200，安装在底座100上，可以是电机、马达或者泵等，优选地，被测伺服机构200包括伺服电机，另外，优选地，所述被测伺服机构200还包括伺服驱动器；

刚度模拟机构300，与所述被测伺服机构200的转子连接，通过被测伺服机构200的旋转带动刚度模拟机构300摆动；

摩擦模拟机构400、惯量模拟机构500和力矩加载机构600，位于同一主轴10上，分别模拟摩擦负载、惯量负载和弹性负载；

扭矩传感器700，位于所述惯量模拟机构500和力矩加载机构600之间，用于测量力矩加载机构600的输出扭矩；

角度传感器800，位于所述力矩加载机构600上，用于测量力矩加载机构600的位置和速度；

中央处理单元900，接收扭矩传感器700和角度传感器800的检测信号，判断不同负载工况下的转动惯量、刚度以及转动速度和模拟位置力矩参数指标是否达到性能测试要求。

为了增强对主轴的支承和定位，优选地，所述惯量模拟机构500和扭矩传感器700之间设置有轴承座410。

优选地，被测伺服机构200还包括：安装座210，呈“L”型，包括相互垂直的侧板211和底板212，其中，所述侧板211上设置有U型槽，用于架设所述伺服电机，底板212上设置有通过螺栓安装到所述底座100的T型槽110内的孔以及与所述对中定位键槽120对应的槽，进一步，优选地，所述侧板211和底板212之间设置有加强筋213。

上述电动伺服机构负载模拟系统通过力矩加载机构600根据测试要求，向被测伺服机构200施加载荷，比较典型的载荷是常值载荷和弹性位置载荷，其中弹性位置载荷是与台架系统的角位移成正比的力矩，通过惯量模拟机构500向被测伺服机构200施加惯量载荷，通过摩擦模拟机构400向被测伺服机构200施加摩擦载荷。

图3是本发明刚度模拟机构的一个实施例的示意图，如图3所示，所述刚度模拟机构300包括：

摆块310，与所述被测伺服机构200的转子连接，通过被测伺服机构200的转动带动所述摆块310摆动；

弹性板320，与所述摆块310固定连接；

上夹具330，一端固定在所述摆块310和所述弹性板320之间，另一端设置有“U”形槽331，用于插入所述弹性板320，所述“U”形槽331的开口端对称设置有孔332，所述孔332内插入螺栓、轴销等杆状物，防止弹性板320形侧边滑出；

下夹具340，一端固定在所述摩擦模拟机构400的轴承座410，另一端设置有“U”形槽331，用于插入所述弹性板320，所述“U”形槽331的开口端对称设置有孔332，，所述孔332内插入螺栓、轴销等杆状物，防止弹性板320形侧边滑出。

为了夹紧所述弹性板320，优选地，所述刚度模拟机构300还包括孔垫板350，呈“U”形，分别设置在所述上夹具330和下夹具340的“U”形槽内的侧壁上。

优选地，上述刚度模拟机构300的下夹具340通过法兰360连接到摩擦模拟机构400的轴承座410上，所述上夹具340上设置有凹槽，所述法兰360上设置有与所述凹槽对应的伸出板361，通过所述伸出板361穿出所述凹槽，实现下夹具340和法兰360的连接。

图4是本发明摩擦模拟机构的一个实施例的示意图，如图4所示，所述摩擦模拟机构400包括：

轴承座410，用于穿过所述主轴10，与所述底座100固定连接；

电动推杆420；

两个耳板430，分别铰接在所述电动推杆420的两端，其中，每一个所述耳板430一端均与所述电动推杆420铰接，另一端固定在所述轴承座410，优选地，其中一个耳板430上设置有配重块440，使得所述摩擦模拟机构400沿垂直于主轴方向对称两侧重量相等；

两个摩擦片450，分别固定在所述两个耳板430上，其中，每一个所述摩擦片160朝向主轴110的面为弧形。

为了限制所述耳板430的向下转动，优选地，所述摩擦模拟机构400还包括限位杆460，位于所述耳板430下方，用于限制耳板430的摆动，进一步优选地，所述限位杆460包括限位螺母461和螺母安装座462构成，其中，螺母安装座462与所述底座100平行，一端固定在所述轴承座410，另一端设置有螺孔，用于穿过所述限位螺母461。

为了方便摩擦片的更换，优选地，所述摩擦模拟机构400还包括制动块470，一端与所述耳板430固定连接，另一端设置有卡槽471，所述卡槽471内安装有所述摩擦片450，其中，所述制动块471上还设置有多个调节螺母472，用于调节所述摩擦板450的俯仰角度。

图5是本发明所述惯量模拟机构的一个实施例的示意图，如图5所示，所述惯量模拟机构500包括：

惯量套510，与所述主轴110螺纹连接；

惯量盘520，其上设置有轴孔，所述轴孔中穿入所述惯量套510；

两个夹片530，设置在所述惯量盘520两端，用于夹紧所述惯量盘520。

为了方便惯量盘520的拆装，优选地，所述惯量盘520分成对称的两部分，每一部份上均设置有孔，在所述夹片530上也设置有与所述惯量盘520的孔对应的孔，通过螺栓将所述惯量盘520和所述夹片530固定连接。

图6是本发明力矩加载机构的一个实施例的示意图，如图6所示，所述力矩加载机构600为交流力矩电机，包括：

外壳610，呈中空圆筒形；

前端盖620和后端盖630，固定在所述外壳610开口的两端；

定子640，呈环形，位于所述外壳610内；

转子650，呈环形，位于所述定子640内；

转轴660，从两端穿出所述前端盖620和后端盖630，所述转轴660的两端分别设置有退刀槽661，所述转轴660的外表面设置有与所述转子650连接的环形凸起662。

优选地，如图6所示，所述力矩加载机构600通过法兰与所述扭矩传感器700连接，例如，所述法兰一端连接到前端盖620，另一端连接扭矩传感器700。

优选地，所述后端盖630外侧固定有保护角度传感器800的传感器保护盖631。

优选地，所述转轴660与所述前端盖620和所述后端盖630之间设置有滚珠轴承663。

优选地，所述力矩加载机构600还包括电机安装底板670，所述电机安装板670上设置有多个孔，通过螺栓固定在底座100的T型槽110和对中定位键槽120。

优选地，所述力矩加载机构600还包括加载驱动器，用于实现弹性位置力矩等不同载荷谱的加载。

力矩加载机构600通过交流力矩电机复现了舵机伺服机构的机械负载，实现铰链力矩的加载，能够实现灵活多变的、各种形式的力矩载荷谱的加载，来满足不同伺服机构的测试要求。

在本发明的一个优选实施例中，电动伺服机构负载模拟系统包括图3至图6所示的刚度模拟机构300、摩擦模拟机构400、惯量模拟机构500和力矩加载机构600，以电机为动力的飞行器舵机伺服机构测试试验台系统，实现对摆动式或回转式伺服机构的加载，为舵机的整机试验提供保障测试过程中，被测伺服机构200通过刚度模拟机构300、摩擦模拟机构400和惯量模拟机构500与加载力矩执行机构(即加载电机)相连接，中央处理单元900对被测伺服机构200进行位置闭环控制，从而拖动刚度模拟机构300、摩擦模拟机构400、惯量模拟机构500和力矩加载机构600一同转动。

图7是本发明所述电动伺服机构负载模拟方法的流程图，如图7所示，所述电动伺服机构负载模拟方法包括：

首先，在步骤S710中，组装电动伺服机构负载模拟系统，具体地，将刚度模拟机构300、摩擦力模拟机构400、惯量模拟机构500、扭矩传感器700、力矩加载机构600按照相互之间的连接关系固定在底座100上，将被测伺服机构200安装在所述底座100上；

在步骤S720中，根据伺服机构在某一负载工况下的转动惯量、刚度以及转动速度和模拟位置力矩参数指标分别调整刚度模拟机构300的刚度、摩擦模拟机构400的摩擦力、惯量模拟机构500的转动惯量以及力矩加载机构600的输出转矩；

在步骤S730中，被测伺服电机开始转动，电动伺服机构负载模拟系统运行，通过角度传感器800和扭矩传感器700的测量数据判断加载精度指标是否达到性能测试要求，如果没有达到所述性能测试要求，则返回上面一个步骤，直到达到性能测试要求。

尽管前面公开的内容示出了本发明的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的发明实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明的元素可以以个体形式描述或要求，但是也可以设想具有多个元素，除非明确限制为单个元素。