一种舵机加载演示系统的制作方法

本发明涉及一种舵机加载演示系统，属于飞行器系统演示设备技术领域。

背景技术：

舵机作为飞行器系统中最基本且十分关键的分系统之一，其功能的正常实现是使飞行器能够顺利完成任务的重要保障条件。近年来，飞行器总体设计中对考核和检验舵机性能的加载分析需求越来越大，而现有的与舵机作动功能相关的设计大多是采用复杂回路形式的主动或被动加载方式，即使其能够在一定程度上实现对舵机加载功能的演示与验证，但是系统组件复杂，演示效果差，制造和维护也较困难。

技术实现要素：

本发明为了解决现有舵机演示系统组件复杂，制造和维护困难的问题，提出了一种结构上更简单且满足更高精度要求的舵机加载演示系统：

一种舵机加载演示系统，所述舵机加载演示系统包括舵机后座1、摇臂2、角度传感器3、传动轴4、弹簧钢片5和大底座6；所述舵机后座1通过后座放置台7固定安装于大底座6上；所述传动轴4通过轴承和轴承座9固定安装于大底座6上；所述传动轴4的前端设有锥销411，所述传动轴4通过锥销与摇臂2相连；所述传动轴4的尾端设有键槽；所述传动轴4通过键连接方式与联轴器10的一端相连；所述联轴器10的另一端设有钢片槽101；所述联轴器10通过钢片槽与弹簧钢片5的一端固定相连；所述弹簧钢片5的另一端通过钢片支架11固定安装于大底座6上；所述角度传感器3通过传感器支架12固定在大底座6上，并且所述角度传感器3与传动轴4的锥销相连。

进一步地，所述传动轴4为采用阶梯形式传递轴的受力转轴；所述传动轴4包括轴段一41、轴段二42、轴段三43和轴段四44；所述轴段一41的尾端即为传动轴4的尾端；所述轴段一41的尾端上设有键槽411；所述轴段三43上设有中间穿孔431，用于固定连接摇臂2；所述轴段四44的前端即为传动轴4的前端；所述轴段四44的前端设有圆锥销45。

进一步地，所述轴段一41的长度为60mm，直径为38mm；所述轴段二42的长度为20mm，直径为40mm；所述轴段三43的长度为38mm，直径为45mm；所述轴段四44的长度为20mm，直径为40mm；所述键槽411的宽度为10mm，长度为30mm，深度为5mm；所述中间穿孔431的直径为15mm。

进一步地，所述联轴器10的轴身长60mm；所述联轴器10的轴身一端设有联动轴键槽103；所述联动轴键槽103的长度为40mm；所述联动轴键槽103的键槽中心长度为30mm、宽度为10mm、深度为3.3mm；所述联动轴10的轴身另一端设有两个凸起102；所述两个凸起102平行设置，并且两个凸起102之间形成一个宽度为12mm、深度为24mm的钢片槽101；所述凸起102的长度为24mm、宽度为21mm。

进一步地，所述钢片槽101为通槽；所述两个凸起102上分别开有螺栓孔，两个凸起102上螺栓孔位置相对应。

进一步地，所述弹簧钢片5为矩形的合金弹簧钢片；所述弹簧钢片5的两个宽边端分别设有螺栓孔；所述弹簧钢片5的一个宽边端通过螺栓固定于联轴器10的钢片槽101内，另一个宽边端通过螺栓固定安装于钢片支架11上。

进一步地，所述弹簧钢片5采用60si2cra钢材料制成，所述弹簧钢片5经过870℃淬火后又进行440℃回火处理。

进一步地，在加载载荷力矩最大值为2000nm，最大转动角度为10°的工况下，所述弹簧钢片5的尺寸为厚12mm×宽60mm×长265.8mm；在加载载荷力矩最大值为700nm，最大转动角度为28°的工况下，所述弹簧钢片5的尺寸为厚8mm×宽48mm×长473.8mm。

进一步地，所述钢片支架11包括l型架体和凸型架体；所述凸型架体固定安装于l型架体的竖壁上表面；所述凸型架体的凸起部分与l型架体的竖壁上表面形成了钢片安装孔；所述弹簧钢片5的一端宽边固定安装于所述钢片安装孔内。

进一步地，所述舵机加载演示系统还设有防护框架13，所述防护框架13固定安装于大底座6上；所述防护框架13的框架尺寸为：长650mm×宽450mm×高400mm，同时，对于角钢结构时

(1)左右两侧的防护架尺寸为650×400；

(2)后防护架尺寸为464mm×404mm；

(3)上方防护架尺寸为658mm×464mm；

(4)底部连接孔与角钢外侧的距离为40mm，光孔大小为φ12mm；

角连接共有14处，采用m5的螺栓螺母链接即可，架子下部与底座通过4个m12的螺栓螺母连接。

本发明有益效果：

本发明的目的在于提供了一种舵机作动演示系统，具有以下几个效果：

1)从简单且实用的角度设计了加载系统的各个组件，并以一种组合的方式实现了在不同工况下的舵机加载情况；

2)可以附加一个示意性舵面进行教学演示使用；

3)可以通过角度测量值估算舵机实际输出力矩的大小；

4)可以将角度传感器输出信号作为舵机输出的角度反馈信号，进行舵机力矩的输出矫正；

5)结构简单，便于制造及后期维护。

附图说明

图1为本发明所述舵机加载演示系统的结构图。

图2为本发明所述传动轴的主视图。

图3为本发明所述传动轴的剖视图。

图4为本发明所述传动轴键槽部分的横截面示意图。

图5为本发明所述轴承的结构示意图。

图6为本发明所述轴承座的主视图。

图7为本发明所述轴承座的左视剖面图。

图8为本发明所述轴承座的俯视图。

图9为本发明所述联轴器的主视图。

图10为本发明所述联轴器的左视剖面图。

图11为本发明所述联轴器的俯视剖面图。

图12为本发明所述弹簧钢片尺寸图一。

图13为本发明所述弹簧钢片尺寸图二。

图14为本发明所述钢片支架的凸型架体的结构示意图一。

图15为本发明所述钢片支架的凸型架体的主视图。

图16为本发明所述钢片支架的凸型架体的俯视剖视图。

图17为本发明所述钢片支架的l型架体的结构示意图。

图18为本发明所述钢片支架的l型架体的主视图。

图19为本发明所述钢片支架的l型架体的左视图。

图20为本发明所述钢片支架的l型架体的俯视图。

图21为本发明所述后座放置台的结构示意图。

图22为本发明所述后座放置台的主视图。

图23为本发明所述后座放置台的剖面图。

图24为本发明所述后座放置台的俯视图。

图25为本发明所述角度传感器相关尺寸图一。

图26为本发明所述角度传感器相关尺寸图二。

图27为本发明所述传感器支架—竖架的结构示意图。

图28为本发明所述传感器支架—竖架的机械结构图。

图29为本发明所述传感器支架—横架的结构示意图。

图30为本发明所述传感器支架—横架的左视图。

图31为本发明所述传感器支架—横架的主视图。

图32为本发明所述传感器支架—横架的俯视图。图33为本发明所述舵机加载演示系统的信号连接图。

图34为本发明所述防护框架结构示意图。

图35为本发明所述舵机加载演示系统工作状态一条件下的干涉验证实验图。

图36为本发明所述舵机加载演示系统工作状态二条件下的干涉验证实验图。

(1，舵机后座；2，摇臂；3，角度传感器；4，传动轴；41，轴段一；42，轴段二；43，轴段三；44，轴段四；411，键槽；431，中间穿孔；5，弹簧钢片；6，大底座；7，后座放置台；9，轴承座；10，联轴器；101，钢片槽；102，凸起；103，联动轴键槽；11，钢片支架；111，长孔；112，底座固定孔；113，钢片固定孔；12，传感器支架；121，竖架；122，横架；13，防护框架)

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。

一种舵机加载演示系统，摇臂将舵机输出轴向力转化为绕转轴的扭矩，该扭矩由受力转轴传递后，作用到与底座相连的弹簧钢片上，以弹簧钢片的受扭形式表现出来。同时，转轴的另一端安放mcjd485b型角度传感器以测量转轴角度，减去计算得到的转轴受扭变形的角度后，通过钢片的材料特性可计算出最终舵机通过减速器、滚珠丝杠副和摇臂后的输出力矩大小。所述的摇臂是一根有多个销孔的可以改变力臂距离的杆件；所述的受力转轴则是一根用来连接角度传感器、摇臂、联轴器的带锥销孔的阶梯轴；所述的底座则是一块用来固定整个加载系统并可以进行距离调整的金属板件；所述的弹簧钢片是一组利用结构力学和金属材料及热处理技术设计出的可以较为准确反映力矩大小的弹簧钢薄片。

具体的，如图1所示，所述航空演示系统用于航空航天演示技术领域中，具体用于演示航空舵机的工作和功能；所述舵机加载演示系统包括舵机后座1、摇臂2、角度传感器3、传动轴4、弹簧钢片5和大底座6；所述舵机后座1通过后座放置台7固定安装于大底座6上；所述传动轴4通过轴承和轴承座9固定安装于大底座6上；所述传动轴4的前端设有锥销411，所述传动轴4通过锥销与摇臂2相连；所述传动轴4的尾端设有键槽；所述传动轴4通过键连接方式与联轴器10的一端相连；所述联轴器10的另一端设有钢片槽101；所述联轴器10通过钢片槽与弹簧钢片5的一端固定相连；所述弹簧钢片5的另一端通过钢片支架11固定安装于大底座6上；所述角度传感器3通过传感器支架12固定在大底座6上，并且所述角度传感器3与传动轴4的锥销相连。其中，所述舵机后座1和摇臂2用于固定航空舵机。

其中，所述传动轴4为采用阶梯形式传递轴的受力转轴；所述传动轴4包括轴段一41、轴段二42、轴段三43和轴段四44；所述传动轴材料为35crmnsia，并且热处理硬度达到1600以上。即：所述轴段一41、轴段二42、轴段三43和轴段四44一体式构造。所述轴段一41的尾端即为传动轴4的尾端；所述轴段一41的尾端上设有键槽411；所述轴段三43上设有中间穿孔431，用于固定连接摇臂2；所述轴段四44的前端即为传动轴4的前端；所述轴段四44的前端设有圆锥销45。其中，所述轴段一41的长度为60mm，直径为38mm；所述轴段二42的长度为20mm，直径为40mm；所述轴段三43的长度为38mm，直径为45mm；所述轴段四44的长度为20mm，直径为40mm；所述键槽411的宽度为10mm，长度为30mm，深度为5mm；所述中间穿孔431的直径为15mm。所述传动轴4的结构如图2所示，所述传动轴4的中间穿大端直径为是15mm，锥度为1:50的圆锥销，末端用螺纹，螺母紧固，另一端用键与联轴器连接(其他尺寸如图所示)。

如图1所示，所述轴承安装于轴承座中，所述轴承及轴承座的结构及尺寸如图5所示，所述轴承与相应的轴直径尺寸相匹配。所述轴承选用标准滚动轴承，gb-t276-60000，2rs-1994。d＝40，d＝68，d2＝48.8，d2＝59.2，rmin＝1。所述轴承座的尺寸和结构如图6至图9所示，所述轴承座的一端和轴承外径68mm保持一致，最后依靠轴肩卡主轴承内圈进行定位，所述轴承座另一端为63mm，卡在轴承外圈上对轴承定位，轴承座外径为78mm，圆心离地面高度为65mm，座为20mm高，由直径为12mm的螺栓与大底座连接。整个尺寸为长138mm×高104mm×厚25mm，并且所述轴承座由45号钢材料制成。上述轴承及轴承座的尺寸具有结构简单、拆装方便、牢固可靠等优点。

所述联轴器的结构和尺寸如图10至图11，所述联轴器的一端用键与轴连接，另一端削扁开槽穿两个φ10的螺栓固定。所述联轴器10的轴身长60mm；所述联轴器10的轴身一端设有联动轴键槽103；所述联动轴键槽103的长度为40mm；所述联动轴键槽103的键槽中心长度为30mm、宽度为10mm、深度为3.3mm；所述联动轴10的轴身另一端设有两个凸起102；所述两个凸起102平行设置，并且两个凸起102之间形成一个宽度为12mm、深度为24mm的钢片槽101；所述凸起102的长度为24mm、宽度为21mm。所述钢片槽101为通槽；所述钢片槽101的深度为24mm，宽度为12mm；所述两个凸起102上分别开有螺栓孔，两个凸起102上螺栓孔位置相对应。所述联轴器的结构和尺寸设计使弹簧钢片5的连接更加牢固，并且不会大幅度的削弱联轴器的强度，在保证了联轴器强度及工作运行质量的前提下，极大程度上加强了弹簧钢片5的连接牢固性，进而保证了所述舵机加载演示系统的整体结构的安全和运行稳定性。

所述弹簧钢片5的结构和尺寸如图12和图13所示，所述弹簧钢片5为矩形的合金弹簧钢片；所述弹簧钢片5的两个宽边端分别设有螺栓孔；所述弹簧钢片5的一个宽边端通过螺栓固定于联轴器10的钢片槽101内，另一个宽边端通过螺栓固定安装于钢片支架11上。所述弹簧钢片能够在动载荷、冲击以及振动条件下，利用弹性变形吸收能量，具有良好的缓冲作用。但是一般的碳素弹簧钢由于淬透性差，只能用于制造截面尺寸不超过10-15mm的弹簧。不能满足大扭矩的承载。因此，所述弹簧钢片采用5采用60si2cra钢材料制成，并且在加载载荷最大2000nm力矩，弹簧钢片扭转角度最大为±10°时，弹簧钢片扭转角度偏差≤±20％，加载冲击不大，加载速度不大，可以看出静载荷；在加载载荷最大700nm力矩时，弹簧钢片扭转角度最大为±28°，弹簧钢片扭转角度偏差≤±20％，加载冲击不大，加载速度不大，可以看作静载荷；

在弹簧的塑性变形特征研究基础上，决定采用具有良好的线性特征的矩形截面弹簧，它具有承受载荷大，刚度接近常值的特点，能较好地满足精准变形的要求。由于承载扭矩很大，对于弹簧的强度和疲劳度都有更高的要求，于是经过研究，该型弹簧钢经过870°淬火和440°回火处理后，将具有比较稳定的高强度和抗疲劳强度，并使其材料的剪切模量g可以达到83gpa。

所述钢片支架11的结构和尺寸如图14至图20所示，所述钢片支架11包括l型架体和凸型架体；所述凸型架体固定安装于l型架体的竖壁上表面；所述凸型架体的凸起部分与l型架体的竖壁上表面形成了钢片安装孔；所述弹簧钢片5的一端宽边固定安装于所述钢片安装孔内。所述钢片支架11的结构和尺寸设计使钢片支架结构简单可靠。并且由于上述的弹簧钢片的尺寸设计和计算难免与实际偏转有偏差，因此该型钢片支架上面开设长孔，可在实际试验的过程中根据加载情况进行位置调节，以便设计的弹簧钢片能够更好地满足精度要求，进而保证了舵机加载演示系统的演示和测量精度。

所述后座放置台7的结构和尺寸如图21至图24所示，所述后座放置台7采用凹形结构后座，在所述凹形结构的凹面上设有六个带有内螺纹的螺栓孔，所述六个螺栓孔每三个一组平行排列；在两组螺栓孔之间，设有三个定位孔，所述定位孔的位置结构如21至图24所示，所述后座放置台具有作为可调功能，所述后座放置台根据弹簧钢片的不同工况进行位置调节。

所述角度传感器采用mcjd485b型角度传感器，结构及尺寸如图25和图26所示，所述角度传感器的信号输出端与计算机相连，用于输出角度测量信号。

所述传感器支架12的结构和尺寸如图27至32所示，所述传感器支架12包括竖架121和横架122两部分；所述竖架如图27和图28所示，竖架底端设有三个横架固定孔，用于与横架固定安装；所述竖架上设有角度传感器安装孔和多个位置调节孔，这种设计能够满足角度传感器的多种安装形式，同时，其开孔尺寸和位置完全不影响传感器支架的强度和性能，在此基础上，丰富了角度传感器的安装形式，能够适应不同型号的角度传感器的安装，更在机械机构满足简单的前提下，极大程度上增加了所述舵机加载演示系统的通用性。所述横架上设有底座固定孔，用于将传感器支架固定于大底座6上。

如图1所示，所述舵机加载演示系统还设有防护框架13，所述防护框架13的结构如34所示，如所述防护框架13固定安装于大底座6上；所述防护框架13的框架尺寸为：长650mm×宽450mm×高400mm，同时，对于角钢结构时

(1)左右两侧的防护架尺寸为650×400；

(2)后防护架尺寸为464mm×404mm；

(3)上方防护架尺寸为658mm×464mm；

(4)底部连接孔与角钢外侧的距离为40mm，光孔大小为φ12mm；

说明书附图1至36中所有的尺寸参数数据的单位均为毫米(mm)。

如图33所示，所述舵机加载演示系统还包括舵机控制器和计算机所述舵机加载演示系统；由控制电脑编写好控制指令程序后经由舵机控制器转化为舵机可识别的控制指令信号，由舵机下方绿色部分的电机电动舵机工作，经系统传动后转化为弹簧钢片的扭转。由角度传感器测得转动角度后输出至控制电脑显示并进行反馈控制。

所述舵机加载演示系统的具体实现方案为：

1.该型舵机作动演示系统采用的传力结构为：滚珠丝杠副将舵机的转动输出转变为舵机轴向输出后，由可调节摇臂转化为转动轴的转动，并带动弹簧钢片的扭转。

2.该型舵机作动演示系统采用的演示方案为：在弹簧钢片扭转的同时，由固定在转轴一端的演示舵面进行作动演示。

3.该舵机作动演示系统采用的验证方案为：在弹簧钢片扭转的同时，由固定在转轴一端的角度传感器测量钢片转动角度，结合钢片弹性特性进行输出扭矩估算。

4.该舵机作动演示系统采用的反馈控制输入输出方案为：由舵机控制器输出控制信号控制舵机的作动，由角度传感器采用rs485信号输出角度测量信号，该信号输出可反馈到控制器，进行控制信号校正，形成反馈回路。

所述舵机加载系统具体是按照以下步骤进行工作的：

步骤一、对舵机输入转动电信号指令，控制舵机的转动，以丝杠的轴向力进行输出；

步骤二、通过摇臂将丝杠的轴向力转化为对转轴的转动力矩；

步骤三、转轴通过联轴器，将扭转力矩传递给弹簧钢片；

步骤四、弹簧钢片通过钢片架与底座相连，钢片发生扭转变形；

步骤五、通过角度传感器测量得到钢片的转动角度，通过弹簧钢片特性可以计算出此时的实际作用力拒大小；

步骤六、可以将角度传感器所测角度进行反馈，作为控制舵机转动的输入指令之一，以调整舵机转动。

如图35和图36的实验可以看出，当摇臂连接在上面孔的时候，舵机后座后移2.6mm,贴着后座台的左边沿，经运动分析，当转动角度在±10°的情况下，不会有干涉现象产生。当摇臂连接在下面孔的时候，舵机后座前移，贴着后座台的右边沿，经运动分析，当转动角度在±28°的情况下，也不会有干涉现象产生。说明舵机、舵机后座和轴承座等部件之间不会相互影响，不影响运动及其功能的实现。

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。