CN105573145A - 磁流变液负载模拟器 - Google Patents

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Abstract

磁流变液负载模拟器，涉及负载模拟装置。它为了解决现有的负载模拟器加载力矩易受测试物体运动干扰的问题。本发明的力矩电机通过锥齿轮组带动两个磁流变液离合器的主动件反向旋转，从动件都与被测试电机轴连接，实现力矩输出并作用给被测试电机充当负载，由于两个磁流变液离合器的主动件旋转方向相反，所以两个从动件输出的力矩反向，通过控制个套磁流变液离合器中激磁线圈通电电流，便可使两套磁流变液离合器传递的力矩发生改变。通过力矩传感器采集被测试电机轴上的力矩信号传递给工控机，实现力矩变化，精确控制力矩。本发明具有无被测试对象干扰，加载精度高，***频带高，控制算法简单可靠等优点，适用于对电机性能的测试。

Description

磁流变液负载模拟器
技术领域
本发明涉及一种能模拟各种负载信号的负载模拟装置，属于伺服控制及半实物仿真领域。
背景技术
目前，在航空航天、武器装备等各种高精尖技术领域中，通常需要对驱动单元或者产品其他关键部件进行动态测试，测试其性能以保证所设计产品的可靠性，并通过改进优化产品满足产品对性能的要求。要保证检测数据的可信度，必须要真实负载环境下对被测试设备检测。但是，在真实环境中进行产品检测需要耗费大量的人力物力，有的甚至不可实现，如地震波动载荷。所以需要在实验室环境下模拟所需要的负载，实现地面半实物仿真，对被测试物体进行动态测试。此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。为了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，传统的负载模拟器应运而生。但是传统的负载模拟器一直存在很多技术难题：传统负载模拟器受到被测试物体运动干扰，严重影响***的加载性能，难以保证小力矩加载性能和高精度的动态加载；真实负载变化多样，变化剧烈，传统负载模拟器的带宽很难满足要求；为提高传统负载模拟器性能，其控制策略复杂，控制策略通用性较差。
为了彻底消除负载模拟器的弊端，急需新的设备和技术去提高动态加载性能和加载带宽，实现精确的负载模拟。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的负载模拟器受到被测试物体运动干扰，严重影响***的加载性能，难以保证小力矩加载性能、高精度和高带宽的动态加载的问题，提供一种磁流变液负载模拟器。
本发明所述的磁流变液负载模拟器包括力矩传感器13、力矩电机27、工控机1、A/D板卡5、D/A板卡6、伺服放大器7、恒流源8、稳压器9、一号磁流变液离合器17、二号磁流变液离合器18和一号轴31；
力矩电机27用于通过传动机构带动一号磁流变液离合器17的主动件和二号磁流变液离合器18的主动件反向同速运动，一号磁流变液离合器17的从动件和二号磁流变液离合器18的从动件都与一号轴31键连接，所述一号轴31通过两个联轴器为运动的被测试电机11进行加载，力矩传感器13设置在所述两个联轴器之间，用于检测一号轴31的力矩；
力矩传感器13将检测到的力矩信号通过A/D板卡5发送给工控机1，工控机1将该力矩信号与给定力矩信号对比后给出控制信号，D/A板卡6对该控制信号进行DA转换后发送至伺服放大器7，伺服放大器7对DA转换后的信号进行放大，并将放大后的信号发送给恒流源8，恒流源8根据接收到的信号来控制一号磁流变液离合器17和二号磁流变液离合器18的电流，稳压器9用于稳定恒流源8的电流。
被测试电机的角位置通过编码器采集，工控机将实际的位置信号与给定理想位置信号比较，根据二者的偏差控制被测试电机按要求运动。磁流变液负载模拟器利用两个磁流变液离合器实现力矩传动：力矩电机通过锥齿轮组带动两个磁流变液离合器的主动件反向旋转，从动件都与被测试电机轴连接，实现力矩输出并作用给被测试电机充当负载，由于两个磁流变液离合器主动件旋转方向相反，所以两个磁流变液离合器从动件输出的力矩反向，通过控制两个磁流变液离合器中激磁线圈通电电流，便可使两个磁流变液离合器传递的力矩发生改变。通过力矩传感器采集被测试电机轴上的力矩信号传递给工控机，实现力矩变化，精确控制力矩。
本发明的有益效果是，利用磁流变液在外加磁场作用下其流变行为和流变特性发生急剧变化，流变过程持续时间极短且可逆，液体流变后本身剪切屈服应力与外加磁场强度存在一定函数关系，可以通过改变激磁电流可以控制磁流变液离合器传递的力矩，进而模拟力矩负载。这样通过磁流变液传递的柔性力矩不同于以往的传统负载模拟器，可以不受被测试物体运动的影响，实现更高精度更高频响的动态加载。
附图说明
图1是实施方式一所述的磁流变液负载模拟器的***原理图，其中15、19、22、23、29和30均表示轴承；
图2是实施方式一中的磁流变液离合器的原理示意图，其中，007是外壳；
图3是实施方式一中的磁流变液离合器的结构示意图，其中001表示主动件，002、006和015是轴承，003是从动轴，004是出液孔，005是螺塞，008是线圈托架，009是线圈，010固定螺钉，012是主动片，013是从动片，014是套筒，016是磁流变液；
图4是实施方式一中的负载曲线，横坐标表示时间，纵坐标表示电流大小，位于X轴上方表示给一号磁流变液离合器17通电，位于X轴下方表示给二号磁流变液离合器18通电。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述的磁流变液负载模拟器包括力矩传感器13、力矩电机27、工控机1、A/D板卡5、D/A板卡6、伺服放大器7、恒流源8、稳压器9、一号磁流变液离合器17、二号磁流变液离合器18和一号轴31；
力矩电机27用于通过传动机构带动一号磁流变液离合器17的主动件和二号磁流变液离合器18的主动件反向同速运动，一号磁流变液离合器17的从动件和二号磁流变液离合器18的从动件都与一号轴31键连接，所述一号轴31通过两个联轴器为运动的被测试电机11进行加载，力矩传感器13设置在所述两个联轴器之间，用于检测一号轴31的力矩；
力矩传感器13将检测到的力矩信号通过A/D板卡5发送给工控机1，工控机1将该力矩信号与给定力矩信号对比后给出控制信号，D/A板卡6对该控制信号进行DA转换后发送至伺服放大器7，伺服放大器7对DA转换后的信号进行放大，并将放大后的信号发送给恒流源8，恒流源8根据接收到的信号来控制一号磁流变液离合器17和二号磁流变液离合器18的电流，稳压器9用于稳定恒流源8的电流。
如图1所示，采用本实施方式所述的磁流变液负载模拟器测试电机时，需要配合使用由编码器10、编码器采集卡2、伺服驱动器3和信号调理模块4组成的被测试***。在所述被测试***中，工控机1将人为给定的信号经信号调理模块4处理后，发送给伺服驱动器3，进而控制被测试电机11运动，编码器安装在被测试电机11一端的轴端，检测运动信号传输给伺服驱动器3，工控机1通过编码器采集卡2和伺服驱动器3采集被测试电机11的运动信号，并将该运动信号与给定信号作比较，得出控制信号，并将控制信号发送至信号调理模块4，实现闭环，控制电机运动规律。
其中信号调理模块4的功能是将输入的电压信号转变成电流信号，并对电压信号的值放大或缩小至需要的范围。例如工控机1发送给信号调理模块4的信号是-5到5v的电压信号，而伺服驱动器需要的是-10mA到10mA的电流，则信号调理模块4将-5到5v的电压信号转换为-10mA到10mA的电流。
在负载模拟器中，一号磁流变液离合器17和二号磁流变液离合器18的定子线圈全部固定住。通过一号磁流变液离合器17和二号磁流变液离合器18输出所需力矩。在磁流变液离合器中主动件保持一直旋转，通过改变磁流变液离合器线圈中的电流，即可改变线圈磁性，使从动件输出连续可变的力矩。力矩电机27输出一定的转矩和转速，通过传动机构带动二号磁流变液离合器18的主动件36和一号磁流变液离合器17的主动件41以相同的转速反向旋转，这时只要连续改变一号磁流变液离合器17的定子线圈38的通电电流，即可使一号磁流变液离合器17的从动件输出一个方向的力矩，而连续改变二号磁流变液离合器18定子线圈中的电流，即可使二号磁流变液离合器18的从动件输出相反方向的力矩。二号磁流变液离合器18的从动件和一号磁流变液离合器17的从动件都与一号轴31键连接，这样便可使一号轴31可以模拟双向的力矩负载，通过一号联轴器12和二号联轴器14为运动的被测试电机11进行加载。一号轴31上的力矩传感器13检测力矩信号，通过A/D板卡5传递给工控机1，与给定力矩信号对比后给出控制信号，经过D/A板卡6使得数字信号连续化，再经伺服放大器7放大后，控制恒流源8的输出，以此控制一号磁流变液离合器17和二号磁流变液离合器18电流大小，改变力矩，这样就形成了力矩闭环，精确控制输出力矩。
结合图2和图3说明磁流变液离合器的工作原理。在磁流变离合器中主动件001在外动力下保持一直旋转，通过改变磁流变离合器线圈009中的电流，即可改变线圈磁性，磁流变液016在外加磁场作用下其流变行为和流变特性发生急剧变化，流变过程持续时间极短且可逆，液体流变后本身剪切屈服应力与外加磁场强度存在一定函数关系，可以通过改变激磁电流可以控制磁流变液离合器本身剪切屈服应力，进而控制磁流变液离合器传递的力矩，使从动件003输出连续可控的力矩。
传统的负载模拟器把被测电机和充当负载的电机(相当于本发明中的力矩电机)刚性连接在一起，一个电机转动必定会影响另一个电机，而且给充当负载的电机施加的信号越小，被测电机运动越激烈，信号的实现越不精确。而本发明把两个电机通过磁流变液离合器连接在一起，离合器的原理是主动件和从动件之间可以有相对运动，而且还可以通过磁粉传递转矩，离合器主动件保持一个方向一直旋转，则从动件传递的转矩就是一个方向，两个离合器的主动件转动方向相反，就能传递两个方向的转矩，给工控机设定好负载曲线(如图4所示)，工控机按照该负载曲线给两个磁流变液离合器通电，能够很好地保证负载模拟器的小力矩、高精度加载性能。磁流变液离合器通电时，将电流转换成磁感应，然后作用于磁粉形成磁力矩，从电气的角度来说，响应迅速，另外，与被测试电机轴连接的从动件惯量也比较小，因而能够实现高带宽的动态加载。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的磁流变液负载模拟器的进一步限定，本实施方式中，所述的传动机构包括三号联轴器26、二号轴33、一号锥齿轮21、二号锥齿轮25、三号锥齿轮24、四号锥齿轮20、五号锥齿轮16、六号锥齿轮28和七号锥齿轮32；
力矩电机27的转轴通过三号联轴器26与二号轴33连接，二号轴33与二号锥齿轮25键连接，二号锥齿轮25分别与一号锥齿轮21和三号锥齿轮24啮合，一号锥齿轮21与四号锥齿轮20通过键连接在同一根轴上，三号锥齿轮24与六号锥齿轮28通过键连接在另一根轴上，四号锥齿轮20与五号锥齿轮16啮合，六号锥齿轮28与七号锥齿轮32啮合，五号锥齿轮16和七号锥齿轮32分别与一号磁流变液离合器17的主动件和二号磁流变液离合器18的主动件固定连接。
力矩电机27保持足够大的转矩按一定转速旋转，通过三号联轴器26带动二号轴33旋转，进而带动二号锥齿轮25旋转，使得一号锥齿轮21和三号锥齿轮24以相同的转速反向旋转，四号锥齿轮20和六号锥齿轮28以相同的转速反向旋转，五号锥齿轮16和七号锥齿轮32也以相同的转速反向旋转，最终使得一号磁流变液离合器17的主动件和二号磁流变液离合器18的主动件以相同的转速反向旋转。

Claims (2)

1.磁流变液负载模拟器，包括力矩电机(27)，其特征在于，它还包括力矩传感器(13)、工控机(1)、A/D板卡(5)、D/A板卡(6)、伺服放大器(7)、恒流源(8)、稳压器(9)、一号磁流变液离合器(17)、二号磁流变液离合器(18)和一号轴(31)；
力矩电机(27)用于通过传动机构带动一号磁流变液离合器(17)的主动件和二号磁流变液离合器(18)的主动件反向同速运动，一号磁流变液离合器(17)的从动件和二号磁流变液离合器(18)的从动件都与一号轴(31)键连接，所述一号轴(31)通过两个联轴器为运动的被测试电机(11)进行加载，力矩传感器(13)设置在所述两个联轴器之间，用于检测一号轴(31)的力矩；
力矩传感器(13)将检测到的力矩信号通过A/D板卡(5)发送给工控机(1)，工控机(1)将该力矩信号与给定力矩信号对比后给出控制信号，D/A板卡(6)对该控制信号进行DA转换后发送至伺服放大器(7)，伺服放大器(7)对DA转换后的信号进行放大，并将放大后的信号发送给恒流源(8)，恒流源(8)根据接收到的信号来控制一号磁流变液离合器(17)和二号磁流变液离合器(18)的电流，稳压器(9)用于稳定恒流源(8)的电流。
2.根据权利要求1所述的磁流变液负载模拟器，其特征在于，所述的传动机构包括三号联轴器(26)、二号轴(33)、一号锥齿轮(21)、二号锥齿轮(25)、三号锥齿轮(24)、四号锥齿轮(20)、五号锥齿轮(16)、六号锥齿轮(28)和七号锥齿轮(32)；
力矩电机(27)的转轴通过三号联轴器(26)与二号轴(33)连接，二号轴(33)与二号锥齿轮(25)键连接，二号锥齿轮(25)分别与一号锥齿轮(21)和三号锥齿轮(24)啮合，一号锥齿轮(21)与四号锥齿轮(20)通过键连接在同一根轴上，三号锥齿轮(24)与六号锥齿轮(28)通过键连接在另一根轴上，四号锥齿轮(20)与五号锥齿轮(16)啮合，六号锥齿轮(28)与七号锥齿轮(32)啮合，五号锥齿轮(16)和七号锥齿轮(32)分别与一号磁流变液离合器(17)的主动件和二号磁流变液离合器(18)的主动件固定连接。
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