CN101614623A - 一种测试舵机的正反拖动式电液比例加载装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测试舵机的正反拖动式液压比例加载装置，属于舵机加载控制技术领域。本发明的泵站经过比例溢流阀和电磁换向阀为液压缸供油；液压缸无杆腔一端通过关节轴承与底座连接，其活塞杆通过耳轴方式与摆臂连接；摆臂的另一端、扭矩传感器、舵轴连接件依次通过联轴器连接在一起；摆臂和扭矩传感器分别通过摆臂支架和传感器支架与底座固定，测控箱控制泵站的启动和停止、比例溢流阀4的溢流量、电磁换向阀供油方向，并采集压力传感器和扭矩传感器的信号。本发明在±60°范围内实现了正向和反向的线性规律加载力矩，加载方法可靠性高，动态特性好，具有很好的应用和推广前景。

Description

一种测试舵机的正反拖动式电液比例加载装置

技术领域

本发明涉及一种测试舵机的正反拖动式电液比例加载装置，属于舵机加载控制技术领域。

背景技术

舵机也称为伺服制动器，它是方向控制***的重要执行机构，广泛的应用在船舶、飞机和导弹等的控制***中。舵机性能试验通常需要在一定角度范围内进行力矩加载，要求加载装置施加的负载力矩随着旋转角度改变而发生线性规律变化。加载方式可分为正向加载和反向加载两种：正向加载力矩方向与舵机运动方向一致(也称为负负载)，而反向加载力矩方向与舵机运动方向相反。

上述加载试验通常采用电机或电液伺服加载和弹性扭簧加载来实现，它们都存在不足之处：伺服加载成本较高，***结构和控制过程比较复杂，多余力难以很好消除；扭簧加载虽然成本低，但是加载精度差，加载梯度调整困难。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有加载方法的不足，而提供一种测试舵机的正反拖动式电液比例加载装置。实现了在±60°范围内正向和反向的线性规律加载力矩。

本发明的一种测试舵机的正反拖动式电液比例加载装置，包括泵站5、比例溢流阀4、电磁换向阀3、带活塞杆的液压缸2、压力传感器7、摆臂1、摆臂支架10、扭矩传感器8、传感器支架11、舵轴连接件12、底座9和测试箱13。

泵站5的高压油管和回油管分别与比例溢流阀4的进油口和回油口连接，泵站5为阀控缸***提供具有一定压力和流量的液压油；压力传感器7并行安装在比例溢流阀4的进油口，压力传感器7用于测试供油压力大小；电磁换向阀3一端的供油口和回油口分别连接比例溢流阀4进油口和泵站5的回油管，另一端的两个控油口分别为带活塞杆的液压缸2的有杆腔和无杆腔提供高压油；带活塞杆的液压缸2的无杆腔一端通过关节轴承与底座9连接，其活塞杆通过耳轴方式与摆臂1的一端连接，摆臂1的另一端、扭矩传感器8、舵轴连接件12依次通过联轴器连接在一起，三者的回转轴线重合且与底座9平行，三者的回转轴线到带活塞杆的液压缸2与底座9相连的旋转轴的垂线垂直与底座9；摆臂1和扭矩传感器8分别通过摆臂支架10和传感器支架11与底座9固定，测控箱13通过程序设计可控制泵站5的启动和停止、调节比例溢流阀4的溢流量从而调节加载压力、控制电磁换向阀3改变向有杆腔或无杆腔供油从而控制加载方向、采集压力传感器7和扭矩传感器8的压力和扭矩信号。

在比例溢流阀4的进油口处并行安装蓄能器6，用于补充瞬时流量，保持工作压力恒定，改善加载动态特性。

本发明利用比例溢流阀控液压缸的正反拖动式原理进行加载工作：舵机与本发明的舵轴连接件12连接，它在旋转运动过程中驱动摆臂1拖动液压缸2伸缩运动，它受到了液压缸2产生的正向或反向拖动力，通过测控***，控制比例溢流阀4调节泵站5输出的压力而调节加载力矩梯度大小，控制电磁换向阀3改变向有杆腔或无杆腔供油而控制加载方向，从而实现了正向和反向的加载力矩。电磁换向阀3处于左位工作时，液压缸2无杆腔通高压油，拖动力矩方向与摆臂1旋转方向一致，实现正向拖动力矩；电磁换向阀3处于右位工作时，液压缸2有杆腔通高压油，拖动力矩方向与摆臂1旋转方向相反，实现反向拖动力矩。在摆臂1处于零位(摆臂1与测试舵机用机械台架的底座平面垂直)时拖动力经过回转中心，有效拖动力矩为零；当摆臂1旋转一定角度后，垂直作用在摆臂1上的有效力矩随旋转角度发生变化，根据几何推导可证明，在供油压力固定时，本发明的结构实现了在小角度范围内的线性加载力矩。

本装置的结构实现的小角度范围内拖动力矩与旋转角度的线性关系数学证明如下：

设a为摆臂长度，b为回转中心至液压缸2底座支点距离，当摆臂1旋转角度为θ时，根据三角公式，液压缸2全长(从底座中心至活塞杆连接点处)X可表示为

β为液压缸2与摆臂1的夹角，在他们构成的三角形中，存在以下几何关系

设供油压力为P，液压缸2活塞有效作用面积为S，则液压缸2输出力作用在摆臂1上的有效垂直分力F可表示为

F＝PSsin(β)(3)

拖动力矩T为有效垂直分力F与摆臂1长度的乘积，即

T＝F×a(4)

将式(1)～(4)联立起来，可推导出拖动力矩与旋转角度的表达式

$T=\mathrm{PSa}\sin \left(\mathrm{\β}\right)=\frac{\mathrm{PSab}}{X}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{\mathrm{PSab}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}{\sqrt{a^2+b^2+2\mathrm{ab}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)}}---\left(5\right)$

若a＝b，则式(5)可进一步简化，得到

$T=\frac{\mathrm{PSa}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}{\sqrt{2}\×\sqrt{1+\cos \left(\mathrm{\θ}\right)}}---\left(6\right)$

存在如下三角函数变换关系：

$\cos \left(\mathrm{\θ}\right)=2{\cos }^2\left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)-1---\left(7\right)$

$\sin \left(\mathrm{\θ}\right)=2\sin \left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)\cos \left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)---\left(8\right)$

将式(6)～(8)联立起来，可得

$T=\mathrm{PSa}\sin \left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)---\left(9\right)$

当旋转角度θ较小时，存在如下关系，

$\sin \left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)\≈\frac{\mathrm{\θ}}{2}---\left(10\right)$

则式(9)可简化为如下关系式

$T\≈\mathrm{PSa}\frac{\mathrm{\θ}}{2}---\left(11\right)$

由式(11)可知，在供油压力固定时，当旋转角度在小角度范围内时，拖动力矩与旋转角度为线性关系。加载误差E的计算公式如下：

$E=(2\sin (\mathrm{\θ}/2)/\mathrm{\θ}-1)\×100\%---\left(12\right)$

在±30°转角范围内，加载误差小于1.1％，在±60°转角范围内，加载误差小于4.3％。

有益效果：本发明采用比例溢流阀控缸作为加载机构，它的原理和控制方式都非常简单，在±60°范围内实现了正向和反向的线性规律加载力矩，能够很方便的大范围调整加载梯度大小，同时这种加载方法可靠性高，动态特性好。本发明解决了传统舵机加载方法存在的问题，具有很好的应用和推广前景。

附图说明

图1电液比例加载原理示意图；

图2摆臂受力几何关系图；

图3加载装置机械简图；

图4加载装置实物照片；

图5正反向加载试验曲线图；

图中：1-摆臂、2-带活塞杆的液压缸、3-电磁换向阀、4-比例溢流阀、5-泵站、6-蓄能器、7-压力传感器、8-扭矩传感器、9-底座、10-摆臂支架、11-传感器支架、12-舵轴连接件、A-反向加载曲线、B-正向加载曲线。

具体实施方式

实施例1

本发明的一种测试舵机的正反拖动式电液比例加载装置，包括泵站5、比例溢流阀4、电磁换向阀3、带活塞杆的液压缸2、压力传感器7、摆臂1、摆臂支架10、扭矩传感器8、传感器支架11、舵轴连接件12、底座9和测试箱13。

泵站5的高压油管和回油管分别与比例溢流阀4的进油口和回油口连接，泵站5为阀控缸***提供具有一定压力和流量的液压油；压力传感器7、蓄能器6并行安装在比例溢流阀4的进油口，压力传感器7用于测试供油压力大小，蓄能器6，用于补充瞬时流量；电磁换向阀3一端的供油口和回油口分别连接比例溢流阀4进油口和泵站5的回油管，另一端的两个控油口分别为带活塞杆的液压缸2的有杆腔和无杆腔提供高压油；带活塞杆的液压缸2的无杆腔一端通过关节轴承与底座9连接，其活塞杆通过耳轴方式与摆臂1的一端连接，摆臂1的另一端、扭矩传感器8、舵轴连接件12依次通过联轴器连接在一起，三者的回转轴线重合且与底座9平行，三者的回转轴线到带活塞杆的液压缸2与底座9相连的旋转轴的垂线垂直与底座9；摆臂1和扭矩传感器8分别通过摆臂支架10和传感器支架11与底座9固定，测控箱13通过程序设计可控制泵站5的启动和停止、调节比例溢流阀4的溢流量从而调节加载压力、控制电磁换向阀3改变向有杆腔或无杆腔供油从而控制加载方向、采集压力传感器7和扭矩传感器8的压力和扭矩信号。

舵机与本发明的舵轴连接件12连接，它在旋转运动过程中驱动摆臂1拖动液压缸2伸缩运动，它受到了液压缸2产生的正向或反向拖动力，通过测控***，控制比例溢流阀4调节泵站5输出的压力而调节加载力矩梯度大小，控制电磁换向阀3改变向有杆腔或无杆腔供油而控制加载方向，从而实现了正向和反向的加载力矩。电磁换向阀3处于左位工作时，液压缸2无杆腔通高压油，拖动力矩方向与摆臂1旋转方向一致，实现正向拖动力矩；电磁换向阀3处于右位工作时，液压缸2有杆腔通高压油，拖动力矩方向与摆臂1旋转方向相反，实现反向拖动力矩。在摆臂1处于零位(摆臂1与测试舵机用机械台架的底座平面垂直)时拖动力经过回转中心，有效拖动力矩为零；当摆臂1旋转一定角度后，垂直作用在摆臂1上的有效力矩随旋转角度发生变化，根据几何推导可证明，在供油压力固定时，本发明的结构实现了在小角度范围内的线性加载力矩。

本装置的结构实现的小角度范围内拖动力矩与旋转角度的线性关系数学证明如下：

设a为摆臂长度，b为回转中心至液压缸2底座支点距离，当摆臂1旋转角度为θ时，根据三角公式，液压缸2全长(从底座中心至活塞杆连接点处)X可表示为

β为液压缸2与摆臂1的夹角，在他们构成的三角形中，存在以下几何关系

设供油压力为P，液压缸2活塞有效作用面积为S，则液压缸2输出力作用在摆臂1上的有效垂直分力F可表示为

F＝PSsin(β)(3)

拖动力矩T为有效垂直分力F与摆臂1长度的乘积，即

T＝F×a(4)

将式(1)～(4)联立起来，可推导出拖动力矩与旋转角度的表达式

$T=\mathrm{PSa}\sin \left(\mathrm{\β}\right)=\frac{\mathrm{PSab}}{X}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{\mathrm{PSab}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}{\sqrt{a^2+b^2+2\mathrm{ab}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)}}---\left(5\right)$

若a＝b，则式(5)可进一步简化，得到

$T=\frac{\mathrm{PSa}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}{\sqrt{2}\×\sqrt{1+\cos \left(\mathrm{\θ}\right)}}---\left(6\right)$

存在如下三角函数变换关系：

$\cos \left(\mathrm{\θ}\right)=2{\cos }^2\left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)-1---\left(7\right)$

$\sin \left(\mathrm{\θ}\right)=2\sin \left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)\cos \left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)---\left(8\right)$

将式(6)～(8)联立起来，可得

$T=\mathrm{PSa}\sin \left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)---\left(9\right)$

当旋转角度θ较小时，存在如下关系，

$\sin \left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)\≈\frac{\mathrm{\θ}}{2}---\left(10\right)$

则式(9)可简化为如下关系式

$T\≈\mathrm{PSa}\frac{\mathrm{\θ}}{2}---\left(11\right)$

由式(11)可知，在供油压力固定时，当旋转角度在小角度范围内时，拖动力矩与旋转角度为线性关系。加载误差E的计算公式如下：

$E=(2\sin (\mathrm{\θ}/2)/\mathrm{\θ}-1)\×100\%---\left(12\right)$

在±30°转角范围内，加载误差小于1.1％，在±60°转角范围内，加载误差小于4.3％。

Claims (2)

1、一种测试舵机的正反拖动式电液比例加载装置，其特征在于包括：泵站(5)、比例溢流阀(4)、电磁换向阀(3)、带活塞杆的液压缸(2)、压力传感器(7)、摆臂(1)、摆臂支架(10)、扭矩传感器(8)、传感器支架(11)、舵轴连接件(12)、底座(9)和测试箱(13)；

泵站(5)的高压油管和回油管分别与比例溢流阀(4)的进油口和回油口连接，泵站(5)为阀控缸***提供具有一定压力和流量的液压油；压力传感器(7)并行安装在比例溢流阀(4)的进油口，压力传感器(7)用于测试供油压力大小；电磁换向阀(3)一端的供油口和回油口分别连接比例溢流阀(4)进油口和泵站(5)的回油管，另一端的两个控油口分别为带活塞杆的液压缸(2)的有杆腔和无杆腔提供高压油；带活塞杆的液压缸(2)的无杆腔一端通过关节轴承与底座(9)连接，其活塞杆通过耳轴方式与摆臂(1)的一端连接，摆臂(1)的另一端、扭矩传感器(8)、舵轴连接件(12)依次通过联轴器连接在一起，三者的回转轴线重合且与底座(9)平行，三者的回转轴线到带活塞杆的液压缸(2)与底座(9)相连的旋转轴的垂线垂直与底座(9)；摆臂(1)和扭矩传感器(8)分别通过摆臂支架(10)和传感器支架(11)与底座(9)固定，测控箱(13)通过程序设计可控制泵站(5)的启动和停止、调节比例溢流阀(4)的溢流量从而调节加载压力、控制电磁换向阀(3)改变向有杆腔或无杆腔供油从而控制加载方向、采集压力传感器(7)和扭矩传感器(8)的压力和扭矩信号。

2、如权利要求1所述的一种测试舵机的正反拖动式电液比例加载装置，其特征在于：在比例溢流阀(4)的进油口处并行安装蓄能器(6)，用于补充瞬时流量。

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