專利名稱：海面陣風(fēng)力加載器的制作方法
海面陣風(fēng)力加載器技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明海面陣風(fēng)力加載器涉及一種負(fù)載模擬器，特別是一種對海面艦船上的承載對象施加模擬陣風(fēng)干擾負(fù)載，用以檢測和分析承載對象的性能的力加載器。
背景技術(shù)：
海面上陣風(fēng)的吹力是艦船甲板上搖擺運(yùn)動設(shè)備的主要外部干擾負(fù)載，在地面模擬陣風(fēng)干擾力負(fù)載對于檢測承載對象的性能有著重要意義；也可以用做實(shí)物在回路仿真實(shí)驗(yàn)中的物理效應(yīng)設(shè)備，復(fù)現(xiàn)運(yùn)動對象的各種載荷，起到提高仿真逼真度的目的。負(fù)載加載分為主動加載和被動加載，尤其是被動加載，由于承載對象搖擺運(yùn)動導(dǎo)致的多余力嚴(yán)重影響系統(tǒng)的正常工作和負(fù)載模擬目的。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種海面陣風(fēng)力加載器，在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬陣風(fēng)干擾負(fù)載，檢測和分析承載對象的性能，實(shí)現(xiàn)輸出端承載對象的高精度直線位移運(yùn)動和加載力的精確控制。
海面陣風(fēng)力加載器是采取以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的海面陣風(fēng)力加載器包括電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)。電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括加載器臺體組件、直流力矩電機(jī)、測速電機(jī)、滾珠絲桿、 直線電位器、拉壓力傳感器和承載對象。加載器臺體組件包括基座、軸承座、軸承、主軸、支承軸、接長軸、墻板、電機(jī)安裝座和螺紋轉(zhuǎn)接件，所述的墻板包括墻板一和墻板二，墻板一和墻板二相互平行并通過螺釘垂直固定在基座上，軸承座通過連接支承軸一和支承軸二豎立在墻板中間，支承軸一和支承軸二分別通過螺釘固定在墻板一和墻板二上；軸承的外圈固定在軸承座內(nèi)的前端，軸承的內(nèi)圈與主軸的中間端緊固；直流力矩電機(jī)的內(nèi)法蘭與主軸后端連接，直流力矩電機(jī)外法蘭固定在軸承座內(nèi)的后端，直流力矩電機(jī)后部安裝有測速電機(jī)； 接長軸通過螺釘與直流力矩電機(jī)的內(nèi)法蘭一起安裝在主軸后端，測速電機(jī)的內(nèi)法蘭通過螺釘安裝在接長軸上，測速電機(jī)的外法蘭固定在電機(jī)安裝座上；電機(jī)安裝座通過螺釘與直流力矩電機(jī)的外法蘭一起固定在軸承座內(nèi)的后端；滾珠絲桿穿過主軸中心，滾珠絲桿的法蘭面通過螺釘固定在主軸前端，滾珠絲桿后外接螺紋轉(zhuǎn)接件，螺紋轉(zhuǎn)接件后接拉壓力傳感器， 拉壓力傳感器通過球形軸頭與承載對象連接；直線電位器通過螺釘固定在軸承座上端，通過連桿與滾珠絲桿連接。
控制系統(tǒng)包括功率放大器、控制計(jì)算機(jī)、控制模板、數(shù)字通訊接口和控制回路，控制系統(tǒng)安裝在儀表機(jī)柜內(nèi)，功率放大器安裝在儀表機(jī)柜底板上，控制計(jì)算機(jī)安裝在儀表機(jī)柜側(cè)板中間，功率放大器與控制計(jì)算機(jī)連接，直流力矩電機(jī)的輸出信號與功率放大器連接， 直線電位器的輸出信號與控制計(jì)算機(jī)連接。海面陣風(fēng)力加載器的控制由控制計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)，直線電位器輸出的模擬信號傳給控制計(jì)算機(jī)，控制計(jì)算機(jī)根據(jù)給定值與直線電位器輸出的模擬信號比較并綜合后發(fā)出控制指令，其輸出的電壓作為直流力矩電機(jī)的功率放大器的輸入信號進(jìn)入功率放大器，功率放大器的輸出端與直流力矩電機(jī)相連，通過控制直流力矩電機(jī)的電樞電壓來控制直流力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)動。
控制模板采用DSP數(shù)字控制模板，DSP數(shù)字控制模板安裝在控制計(jì)算機(jī)里，數(shù)字通訊接口安裝在控制計(jì)算機(jī)上，DSP數(shù)字控制模板構(gòu)成主動式和被動式力加載系統(tǒng)，DSP數(shù)字控制模板通過數(shù)字通訊接口從承載對象獲得實(shí)時的被加載體運(yùn)動規(guī)律，從而通過控制回路以數(shù)字控制方式實(shí)現(xiàn)模擬海面陣風(fēng)力的加載控制。
控制回路具有模擬控制回路和數(shù)字控制回路，模擬控制回路由電流環(huán)和速度環(huán)構(gòu)成，數(shù)字控制回路包括位置環(huán)、力環(huán)和前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)，主要由基于DSP設(shè)計(jì)的控制器實(shí)現(xiàn)。
所述的DSP數(shù)字控制模板采用市售的DSP28335數(shù)控模板。
海面陣風(fēng)力加載器的控制方法包括如下對于驅(qū)動元件為直流力矩電機(jī)的力加載器系統(tǒng)，其本質(zhì)是一個電動位置和速度閉環(huán)控制系統(tǒng)。本發(fā)明電機(jī)控制系統(tǒng)包括電流環(huán)、 速度環(huán)、位置環(huán)、力反饋和前饋補(bǔ)償，構(gòu)成“四環(huán)”反饋加前饋補(bǔ)償?shù)目刂?。電流環(huán)是由功率放大器內(nèi)部物理實(shí)現(xiàn)的，功率放大器中采用了電流環(huán)校正控制以增大直流力矩電機(jī)的頻率響應(yīng)范圍；速度環(huán)是在電流環(huán)的基礎(chǔ)上，加入速率反饋構(gòu)成，由控制器擴(kuò)展模擬電路物理實(shí)現(xiàn)，速率反饋以執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的測速電機(jī)反饋為準(zhǔn)。位置環(huán)是在速率環(huán)的基礎(chǔ)上，加入位置反饋構(gòu)成，執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的高精度直線電位器作為位移反饋，采集的與絲桿位移成比例關(guān)系的電壓信號，經(jīng)A/D采樣成數(shù)字量進(jìn)入控制器，控制器輸出的電壓作為直流力矩電機(jī)的功率放大器的輸入信號，功率放大器輸出接至直流力矩電機(jī)，通過控制直流力矩電機(jī)的電樞電壓來控制直流力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)動。力環(huán)是在位置環(huán)的基礎(chǔ)上，加入力反饋構(gòu)成，執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的拉壓力傳感器作為力反饋，測出由于絲桿輸出位移與承載對象運(yùn)動不同步產(chǎn)生的彈性形變力(即加載力)，調(diào)理后也經(jīng)A/D采樣成數(shù)字量力反饋值進(jìn)入控制器，控制器對控制計(jì)算機(jī)給定加載指令與力反饋值進(jìn)行比較，再與位置反饋值比較后，輸出控制電壓，進(jìn)入模擬控制回路，經(jīng)過速度環(huán)和電流環(huán)，通過伺服功放控制直流力矩電機(jī)的電樞電壓來控制其轉(zhuǎn)動，再由減速傳動機(jī)構(gòu)帶動絲桿進(jìn)行直線位移運(yùn)動，對力傳感器后的承載對象實(shí)施力加載，構(gòu)成完整的控制回路。
本發(fā)明的工作原理海面陣風(fēng)力加載器以直流力矩電機(jī)為拖動裝置，后部安裝測速電機(jī)作為速率反饋傳感器，直流力矩電機(jī)增大力矩帶動滾珠絲桿進(jìn)行前后運(yùn)動，將角度運(yùn)動轉(zhuǎn)換成線性位移運(yùn)動，滾珠絲桿同時帶動高精度直線電位器運(yùn)動，作為位置反饋傳感器，滾珠絲桿后外接拉壓力傳感器，拉壓力傳感器通過球形軸頭與承載對象連接，當(dāng)絲桿輸出位移與承載對象運(yùn)動不同步時，加載力沿絲桿軸線輸出加載到承載對象上。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)a)采用“四環(huán)”反饋加主動前饋補(bǔ)償?shù)目刂品桨冈O(shè)計(jì)了海面陣風(fēng)力加載器的控制系統(tǒng)，仿真和測試結(jié)果表明該力加載器能夠在地面模擬復(fù)現(xiàn)海面陣風(fēng)的干擾力，加載精度滿足技術(shù)指標(biāo)要求。
b)以直流力矩電機(jī)為拖動動力，其特點(diǎn)是可堵轉(zhuǎn)輸出，力矩大，空載轉(zhuǎn)速高，具有一定的過載能力，扭矩重量比大，還具有反應(yīng)速度快、外特性線性度好、諧振頻率高等優(yōu)點(diǎn)， 從而能滿足力加載器的加載力和動態(tài)精度的要求；c)力加載器采用二點(diǎn)裝夾方式固定在基座上，通過球形軸頭與被加載體連接，加載力沿滾珠絲桿軸線輸出；d)采用硬鋁合金材料為加載器的外殼，以盡減輕其重量，并保證足夠的強(qiáng)度和剛度；e)采用高精度直線電位器作為位移反饋，靈敏度達(dá)到2.00005mv/v，精度達(dá)到0. 05%F.S，從而保證主動加載士 1%、被動加載士洲的加載精度。以拉壓力傳感器為力反饋裝置，并通過串行接口從控制計(jì)算機(jī)獲得被加載體的運(yùn)動角度信號，通過控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以數(shù)字控制方式實(shí)現(xiàn)加載力的精確控制。


以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明 圖1是力加載器的縱剖面圖。
圖2是圖1力加載器的左視剖面圖。
圖3是力加載器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
圖中1、球形軸頭，2、拉壓力傳感器，3、螺紋轉(zhuǎn)接件，4、連桿，5、滾珠絲桿，6、主軸， 7、軸承座，8、導(dǎo)軌，9、軸承，10、直線電位器，11、直流力矩電機(jī)，12、電機(jī)安裝座，13、接長軸， 14、測速電機(jī)，15、導(dǎo)向桿，16A、墻板一，16B、墻板二，17A、支承軸一，17B、支承軸二，18、基座。
具體實(shí)施方式
參照附圖廣3，海面陣風(fēng)力加載器包括電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)，電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括加載器臺體組件、直流力矩電機(jī)11、測速電機(jī)14、滾珠絲桿5、直線電位器10、拉壓力傳感器2和承載對象。加載器臺體組件包括基座18、軸承座7、軸承9、主軸6、支承軸一 17A、支承軸二 17B、接長軸13、墻板、電機(jī)安裝座12和螺紋轉(zhuǎn)接件3，所述的墻板包括墻板一 16A和墻板二 16B，墻板一 16A和墻板二 16B相互平行并通過螺釘垂直固定在基座18上，軸承座7 通過連接支承軸一 17A和支承軸二 17B豎立在墻板中間，支承軸一 17A和支承軸二 17B分別通過螺釘固定在墻板一 16A和墻板二 16B上；軸承9的外圈固定在軸承座7內(nèi)的前端，軸承9的內(nèi)圈與主軸6的中間端緊固；直流力矩電機(jī)11的內(nèi)法蘭與主軸6后端連接，直流力矩電機(jī)11的外法蘭固定在軸承座7內(nèi)的后端，直流力矩電機(jī)11后部安裝有測速電機(jī)14 ；接長軸13通過螺釘與直流力矩電機(jī)11的內(nèi)法蘭一起安裝在主軸6后端，測速電機(jī)14的內(nèi)法蘭通過螺釘安裝在接長軸13上，測速電機(jī)14的外法蘭固定在電機(jī)安裝座12上；電機(jī)安裝座12通過螺釘與直流力矩電機(jī)11的外法蘭一起固定在軸承座7內(nèi)的后端；滾珠絲桿5穿過主軸6中心，滾珠絲桿5的法蘭面通過螺釘固定在主軸6前端，滾珠絲桿5后外接螺紋轉(zhuǎn)接件3，螺紋轉(zhuǎn)接件3后接拉壓力傳感器2，拉壓力傳感器2通過球形軸頭1與承載對象連接；直線電位器10通過螺釘固定在軸承座7上端，通過連桿4與滾珠絲桿5連接。
控制系統(tǒng)包括功率放大器、控制計(jì)算機(jī)、控制模板、數(shù)字通訊接口和控制回路，控制系統(tǒng)安裝在儀表機(jī)柜內(nèi)，功率放大器安裝在儀表機(jī)柜底板上，控制計(jì)算機(jī)安裝在儀表機(jī)柜側(cè)板中間，功率放大器與控制計(jì)算機(jī)連接，直流力矩電機(jī)的輸出信號與功率放大器連接， 直線電位器的輸出信號與控制計(jì)算機(jī)連接。海面陣風(fēng)力加載器的控制由控制計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)，直線電位器輸出的模擬信號傳給控制計(jì)算機(jī)，控制計(jì)算機(jī)根據(jù)給定值與直線電位器輸出的模擬信號比較并綜合后發(fā)出控制指令，其輸出的電壓作為直流力矩電機(jī)的功率放大器的輸入信號進(jìn)入功率放大器，功率放大器的輸出端接至直流力矩電機(jī)，通過控制直流力矩電機(jī)的電樞電壓來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動。
控制模板采用DSP數(shù)字控制模板，DSP數(shù)字控制模板安裝在控制計(jì)算機(jī)里，數(shù)字通訊接口安裝在控制計(jì)算機(jī)上，DSP數(shù)字控制模板構(gòu)成主動式和被動式力加載系統(tǒng)，DSP數(shù)字控制模板通過數(shù)字通訊接口從承載對象獲得實(shí)時的被加載體運(yùn)動規(guī)律，從而通過控制回路以數(shù)字控制方式實(shí)現(xiàn)模擬海面陣風(fēng)力的加載控制。
控制回路具有模擬控制回路和數(shù)字控制回路，模擬控制回路由電流環(huán)和速度環(huán)構(gòu)成，數(shù)字控制回路包括位置環(huán)、力環(huán)和前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)，主要由基于DSP設(shè)計(jì)的控制器實(shí)現(xiàn)。
所述的DSP數(shù)字控制模板采用市售的DSP28335數(shù)控模板。
海面陣風(fēng)力加載器的控制方法包括如下對于驅(qū)動元件為直流力矩電機(jī)的力加載器系統(tǒng)，其本質(zhì)是一個電動位置和速度閉環(huán)控制系統(tǒng)。本發(fā)明電機(jī)控制系統(tǒng)包括電流環(huán)、 速度環(huán)、位置環(huán)、力反饋和前饋補(bǔ)償，構(gòu)成“四環(huán)”反饋加前饋補(bǔ)償?shù)目刂?。電流環(huán)是由功率放大器內(nèi)部物理實(shí)現(xiàn)的，功率放大器中采用了電流環(huán)校正控制以增大力矩電機(jī)的頻率響應(yīng)范圍；速度環(huán)是在電流環(huán)的基礎(chǔ)上，加入速率反饋構(gòu)成，由控制器擴(kuò)展模擬電路物理實(shí)現(xiàn)， 速率反饋以執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的測速電機(jī)反饋為準(zhǔn)。位置環(huán)是在速率環(huán)的基礎(chǔ)上，加入位置反饋構(gòu)成，執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的高精度直線電位器作為位移反饋，采集的與絲桿位移成比例關(guān)系的電壓信號，經(jīng)A/D采樣成數(shù)字量進(jìn)入控制器，控制器輸出的電壓作為力矩電機(jī)的功率放大器的輸入信號，功率放大器輸出接至力矩電機(jī)，通過控制電機(jī)的電樞電壓來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動。 力環(huán)是在位置環(huán)的基礎(chǔ)上，加入力反饋構(gòu)成，執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的拉壓力傳感器作為力反饋，測出由于絲桿輸出位移與承載對象運(yùn)動不同步產(chǎn)生的彈性形變力(即加載力)，調(diào)理后也經(jīng)A/D 采樣成數(shù)字量力反饋值進(jìn)入控制器，控制器對控制計(jì)算機(jī)給定加載指令與力反饋值進(jìn)行比較，再與位置反饋值比較后，輸出控制電壓，進(jìn)入模擬控制回路，經(jīng)過速度環(huán)和電流環(huán)，通過伺服功放控制力矩電機(jī)的電樞電壓來控制其轉(zhuǎn)動，再由減速傳動機(jī)構(gòu)帶動絲桿進(jìn)行直線位移運(yùn)動，對力傳感器后的承載對象實(shí)施力加載，構(gòu)成完整的控制回路。
本發(fā)明的工作原理海面陣風(fēng)力加載器以直流力矩電機(jī)為拖動裝置，后部安裝測速電機(jī)作為速率反饋傳感器，直流力矩電機(jī)增大力矩帶動滾珠絲桿進(jìn)行前后運(yùn)動，將角度運(yùn)動轉(zhuǎn)換成線性位移運(yùn)動，滾珠絲桿同時帶動高精度直線電位器運(yùn)動，作為位置反饋傳感器，滾珠絲桿后外接拉壓力傳感器，拉壓力傳感器通過球形軸頭與承載對象連接，當(dāng)絲桿輸出位移與承載對象運(yùn)動不同步時，加載力沿絲桿軸線輸出加載到承載對象上。
權(quán)利要求
1.一種海面陣風(fēng)力加載器，其特征在于包括電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)，電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括加載器臺體組件、直流力矩電機(jī)、測速電機(jī)、滾珠絲桿、直線電位器、拉壓力傳感器和承載對象，加載器臺體組件包括基座、軸承座、軸承、主軸、支承軸、接長軸、墻板、電機(jī)安裝座和螺紋轉(zhuǎn)接件，所述的墻板包括墻板一和墻板二，墻板一和墻板二相互平行并通過螺釘垂直固定在基座上，軸承座通過連接支承軸一和支承軸二豎立在墻板中間，支承軸一和支承軸二分別通過螺釘固定在墻板一和墻板二上；軸承的外圈固定在軸承座內(nèi)的前端，軸承的內(nèi)圈與主軸的中間端緊固；直流力矩電機(jī)的內(nèi)法蘭與主軸后端連接，直流力矩電機(jī)外法蘭固定在軸承座內(nèi)的后端，直流力矩電機(jī)后部安裝有測速電機(jī)；接長軸通過螺釘與直流力矩電機(jī)的內(nèi)法蘭一起安裝在主軸后端，測速電機(jī)的內(nèi)法蘭通過螺釘安裝在接長軸上，測速電機(jī)的外法蘭固定在電機(jī)安裝座上；電機(jī)安裝座通過螺釘與直流力矩電機(jī)的外法蘭一起固定在軸承座內(nèi)的后端；滾珠絲桿穿過主軸中心，滾珠絲桿的法蘭面通過螺釘固定在主軸前端，滾珠絲桿后外接螺紋轉(zhuǎn)接件，螺紋轉(zhuǎn)接件后接拉壓力傳感器，拉壓力傳感器通過球形軸頭與承載對象連接；直線電位器通過螺釘固定在軸承座上端，通過連桿與滾珠絲桿連接；控制系統(tǒng)包括功率放大器、控制計(jì)算機(jī)、控制模板、數(shù)字通訊接口和控制回路，控制系統(tǒng)安裝在儀表機(jī)柜內(nèi)，功率放大器安裝在儀表機(jī)柜底板上，控制計(jì)算機(jī)安裝在儀表機(jī)柜側(cè)板中間，功率放大器與控制計(jì)算機(jī)連接，直流力矩電機(jī)的輸出信號與功率放大器連接，直線電位器的輸出信號與控制計(jì)算機(jī)連接；海面陣風(fēng)力加載器的控制由控制計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)，直線電位器輸出的模擬信號傳給控制計(jì)算機(jī)，控制計(jì)算機(jī)根據(jù)給定值與直線電位器輸出的模擬信號比較并綜合后發(fā)出控制指令，其輸出的電壓作為直流力矩電機(jī)的功率放大器的輸入信號進(jìn)入功率放大器，功率放大器的輸出端與直流力矩電機(jī)相連，通過控制直流力矩電機(jī)的電樞電壓來控制直流力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)動；控制模板安裝在控制計(jì)算機(jī)里，數(shù)字通訊接口安裝在控制計(jì)算機(jī)上，控制模板構(gòu)成主動式和被動式力加載系統(tǒng)，控制模板通過數(shù)字通訊接口從承載對象獲得實(shí)時的被加載體運(yùn)動規(guī)律，從而通過控制回路以數(shù)字控制方式實(shí)現(xiàn)模擬海面陣風(fēng)力的加載控制；控制回路具有模擬控制回路和數(shù)字控制回路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海面陣風(fēng)力加載器，其特征在于所述模擬控制回路由電流環(huán)和速度環(huán)構(gòu)成，數(shù)字控制回路包括位置環(huán)、力環(huán)和前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海面陣風(fēng)力加載器，其特征在于所述控制模板采用DSP數(shù)字控制模板。
全文摘要
本發(fā)明海面陣風(fēng)力加載器涉及一種負(fù)載模擬器，特別是一種對海面艦船上的承載對象施加模擬陣風(fēng)干擾負(fù)載，用以檢測和分析承載對象性能的力加載器。包括電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)，電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括加載器臺體組件、直流力矩電機(jī)、測速電機(jī)、滾珠絲桿、直線電位器、拉壓力傳感器和承載對象，加載器臺體組件包括基座、軸承座、軸承、主軸、支承軸、接長軸、墻板、電機(jī)安裝座和螺紋轉(zhuǎn)接件；控制系統(tǒng)包括功率放大器、控制計(jì)算機(jī)、控制模板、數(shù)字通訊接口和控制回路；控制模板裝在控制計(jì)算機(jī)里，數(shù)字通訊接口安裝在控制計(jì)算機(jī)上；控制回路具有模擬控制回路和數(shù)字控制回路。本發(fā)明在地面模擬復(fù)現(xiàn)海面陣風(fēng)的干擾力，通過控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)加載力的精確控制。
文檔編號G01M9/00GK102519702SQ201110429248
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月20日
發(fā)明者滕磊, 王寅, 解寶琴 申請人:南京碩航機(jī)電有限公司