海面陣風力加載器的製作方法
2023-05-17 13:48:16
專利名稱：海面陣風力加載器的製作方法
海面陣風力加載器技術領域
本發明海面陣風力加載器涉及一種負載模擬器，特別是一種對海面艦船上的承載對象施加模擬陣風乾擾負載，用以檢測和分析承載對象的性能的力加載器。
背景技術：
海面上陣風的吹力是艦船甲板上搖擺運動設備的主要外部幹擾負載，在地面模擬陣風乾擾力負載對於檢測承載對象的性能有著重要意義；也可以用做實物在迴路仿真實驗中的物理效應設備，復現運動對象的各種載荷，起到提高仿真逼真度的目的。負載加載分為主動加載和被動加載，尤其是被動加載，由於承載對象搖擺運動導致的多餘力嚴重影響系統的正常工作和負載模擬目的。發明內容
本發明的目的是提供一種海面陣風力加載器，在實驗室條件下模擬陣風乾擾負載，檢測和分析承載對象的性能，實現輸出端承載對象的高精度直線位移運動和加載力的精確控制。
海面陣風力加載器是採取以下技術方案實現的海面陣風力加載器包括電動執行機構和控制系統。電動執行機構包括加載器臺體組件、直流力矩電機、測速電機、滾珠絲杆、 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、牆板、電機安裝座和螺紋轉接件，所述的牆板包括牆板一和牆板二，牆板一和牆板二相互平行並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牆板中間，支承軸一和支承軸二分別通過螺釘固定在牆板一和牆板二上；軸承的外圈固定在軸承座內的前端，軸承的內圈與主軸的中間端緊固；直流力矩電機的內法蘭與主軸後端連接，直流力矩電機外法蘭固定在軸承座內的後端，直流力矩電機後部安裝有測速電機； 接長軸通過螺釘與直流力矩電機的內法蘭一起安裝在主軸後端，測速電機的內法蘭通過螺釘安裝在接長軸上，測速電機的外法蘭固定在電機安裝座上；電機安裝座通過螺釘與直流力矩電機的外法蘭一起固定在軸承座內的後端；滾珠絲杆穿過主軸中心，滾珠絲杆的法蘭面通過螺釘固定在主軸前端，滾珠絲杆後外接螺紋轉接件，螺紋轉接件後接拉壓力傳感器， 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，通過連杆與滾珠絲杆連接。
控制系統包括功率放大器、控制計算機、控制模板、數字通訊接口和控制迴路，控制系統安裝在儀表機櫃內，功率放大器安裝在儀表機櫃底板上，控制計算機安裝在儀表機櫃側板中間，功率放大器與控制計算機連接，直流力矩電機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算機連接。海面陣風力加載器的控制由控制計算機來實現，直線電位器輸出的模擬信號傳給控制計算機，控制計算機根據給定值與直線電位器輸出的模擬信號比較並綜合後發出控制指令，其輸出的電壓作為直流力矩電機的功率放大器的輸入信號進入功率放大器，功率放大器的輸出端與直流力矩電機相連，通過控制直流力矩電機的電樞電壓來控制直流力矩電機的轉動。
控制模板採用DSP數字控制模板，DSP數字控制模板安裝在控制計算機裡，數字通訊接口安裝在控制計算機上，DSP數字控制模板構成主動式和被動式力加載系統，DSP數字控制模板通過數字通訊接口從承載對象獲得實時的被加載體運動規律，從而通過控制迴路以數字控制方式實現模擬海面陣風力的加載控制。
控制迴路具有模擬控制迴路和數字控制迴路，模擬控制迴路由電流環和速度環構成，數字控制迴路包括位置環、力環和前饋補償環節，主要由基於DSP設計的控制器實現。
所述的DSP數字控制模板採用市售的DSP28335數控模板。
海面陣風力加載器的控制方法包括如下對於驅動元件為直流力矩電機的力加載器系統，其本質是一個電動位置和速度閉環控制系統。本發明電機控制系統包括電流環、 速度環、位置環、力反饋和前饋補償，構成「四環」反饋加前饋補償的控制。電流環是由功率放大器內部物理實現的，功率放大器中採用了電流環校正控制以增大直流力矩電機的頻率響應範圍；速度環是在電流環的基礎上，加入速率反饋構成，由控制器擴展模擬電路物理實現，速率反饋以執行機構中的測速電機反饋為準。位置環是在速率環的基礎上，加入位置反饋構成，執行機構中的高精度直線電位器作為位移反饋，採集的與絲杆位移成比例關係的電壓信號，經A/D採樣成數字量進入控制器，控制器輸出的電壓作為直流力矩電機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，通過控制直流力矩電機的電樞電壓來控制直流力矩電機的轉動。力環是在位置環的基礎上，加入力反饋構成，執行機構中的拉壓力傳感器作為力反饋，測出由於絲杆輸出位移與承載對象運動不同步產生的彈性形變力(即加載力)，調理後也經A/D採樣成數字量力反饋值進入控制器，控制器對控制計算機給定加載指令與力反饋值進行比較，再與位置反饋值比較後，輸出控制電壓，進入模擬控制迴路，經過速度環和電流環，通過伺服功放控制直流力矩電機的電樞電壓來控制其轉動，再由減速傳動機構帶動絲杆進行直線位移運動，對力傳感器後的承載對象實施力加載，構成完整的控制迴路。
本發明的工作原理海面陣風力加載器以直流力矩電機為拖動裝置，後部安裝測速電機作為速率反饋傳感器，直流力矩電機增大力矩帶動滾珠絲杆進行前後運動，將角度運動轉換成線性位移運動，滾珠絲杆同時帶動高精度直線電位器運動，作為位置反饋傳感器，滾珠絲杆後外接拉壓力傳感器，拉壓力傳感器通過球形軸頭與承載對象連接，當絲杆輸出位移與承載對象運動不同步時，加載力沿絲杆軸線輸出加載到承載對象上。
本發明的優點a)採用「四環」反饋加主動前饋補償的控制方案設計了海面陣風力加載器的控制系統，仿真和測試結果表明該力加載器能夠在地面模擬復現海面陣風的幹擾力，加載精度滿足技術指標要求。
b)以直流力矩電機為拖動動力，其特點是可堵轉輸出，力矩大，空載轉速高，具有一定的過載能力，扭矩重量比大，還具有反應速度快、外特性線性度好、諧振頻率高等優點， 從而能滿足力加載器的加載力和動態精度的要求；c)力加載器採用二點裝夾方式固定在基座上，通過球形軸頭與被加載體連接，加載力沿滾珠絲杆軸線輸出；d)採用硬鋁合金材料為加載器的外殼，以盡減輕其重量，並保證足夠的強度和剛度；e)採用高精度直線電位器作為位移反饋，靈敏度達到2.00005mv/v，精度達到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，並通過串行接口從控制計算機獲得被加載體的運動角度信號，通過控制計算機系統以數字控制方式實現加載力的精確控制。
以下將結合附圖對本發明作進一步說明 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是力加載器系統結構框圖。
圖中1、球形軸頭，2、拉壓力傳感器，3、螺紋轉接件，4、連杆，5、滾珠絲杆，6、主軸， 7、軸承座，8、導軌，9、軸承，10、直線電位器，11、直流力矩電機，12、電機安裝座，13、接長軸， 14、測速電機，15、導向杆，16A、牆板一，16B、牆板二，17A、支承軸一，17B、支承軸二，18、基座。
具體實施方式
參照附圖廣3，海面陣風力加載器包括電動執行機構和控制系統，電動執行機構包括加載器臺體組件、直流力矩電機11、測速電機14、滾珠絲杆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、牆板、電機安裝座12和螺紋轉接件3，所述的牆板包括牆板一 16A和牆板二 16B，牆板一 16A和牆板二 16B相互平行並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豎立在牆板中間，支承軸一 17A和支承軸二 17B分別通過螺釘固定在牆板一 16A和牆板二 16B上；軸承9的外圈固定在軸承座7內的前端，軸承9的內圈與主軸6的中間端緊固；直流力矩電機11的內法蘭與主軸6後端連接，直流力矩電機11的外法蘭固定在軸承座7內的後端，直流力矩電機11後部安裝有測速電機14 ；接長軸13通過螺釘與直流力矩電機11的內法蘭一起安裝在主軸6後端，測速電機14的內法蘭通過螺釘安裝在接長軸13上，測速電機14的外法蘭固定在電機安裝座12上；電機安裝座12通過螺釘與直流力矩電機11的外法蘭一起固定在軸承座7內的後端；滾珠絲杆5穿過主軸6中心，滾珠絲杆5的法蘭面通過螺釘固定在主軸6前端，滾珠絲杆5後外接螺紋轉接件3，螺紋轉接件3後接拉壓力傳感器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，通過連杆4與滾珠絲杆5連接。
控制系統包括功率放大器、控制計算機、控制模板、數字通訊接口和控制迴路，控制系統安裝在儀表機櫃內，功率放大器安裝在儀表機櫃底板上，控制計算機安裝在儀表機櫃側板中間，功率放大器與控制計算機連接，直流力矩電機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算機連接。海面陣風力加載器的控制由控制計算機來實現，直線電位器輸出的模擬信號傳給控制計算機，控制計算機根據給定值與直線電位器輸出的模擬信號比較並綜合後發出控制指令，其輸出的電壓作為直流力矩電機的功率放大器的輸入信號進入功率放大器，功率放大器的輸出端接至直流力矩電機，通過控制直流力矩電機的電樞電壓來控制電機的轉動。
控制模板採用DSP數字控制模板，DSP數字控制模板安裝在控制計算機裡，數字通訊接口安裝在控制計算機上，DSP數字控制模板構成主動式和被動式力加載系統，DSP數字控制模板通過數字通訊接口從承載對象獲得實時的被加載體運動規律，從而通過控制迴路以數字控制方式實現模擬海面陣風力的加載控制。
控制迴路具有模擬控制迴路和數字控制迴路，模擬控制迴路由電流環和速度環構成，數字控制迴路包括位置環、力環和前饋補償環節，主要由基於DSP設計的控制器實現。
所述的DSP數字控制模板採用市售的DSP28335數控模板。
海面陣風力加載器的控制方法包括如下對於驅動元件為直流力矩電機的力加載器系統，其本質是一個電動位置和速度閉環控制系統。本發明電機控制系統包括電流環、 速度環、位置環、力反饋和前饋補償，構成「四環」反饋加前饋補償的控制。電流環是由功率放大器內部物理實現的，功率放大器中採用了電流環校正控制以增大力矩電機的頻率響應範圍；速度環是在電流環的基礎上，加入速率反饋構成，由控制器擴展模擬電路物理實現， 速率反饋以執行機構中的測速電機反饋為準。位置環是在速率環的基礎上，加入位置反饋構成，執行機構中的高精度直線電位器作為位移反饋，採集的與絲杆位移成比例關係的電壓信號，經A/D採樣成數字量進入控制器，控制器輸出的電壓作為力矩電機的功率放大器的輸入信號，功率放大器輸出接至力矩電機，通過控制電機的電樞電壓來控制電機的轉動。 力環是在位置環的基礎上，加入力反饋構成，執行機構中的拉壓力傳感器作為力反饋，測出由於絲杆輸出位移與承載對象運動不同步產生的彈性形變力(即加載力)，調理後也經A/D 採樣成數字量力反饋值進入控制器，控制器對控制計算機給定加載指令與力反饋值進行比較，再與位置反饋值比較後，輸出控制電壓，進入模擬控制迴路，經過速度環和電流環，通過伺服功放控制力矩電機的電樞電壓來控制其轉動，再由減速傳動機構帶動絲杆進行直線位移運動，對力傳感器後的承載對象實施力加載，構成完整的控制迴路。
本發明的工作原理海面陣風力加載器以直流力矩電機為拖動裝置，後部安裝測速電機作為速率反饋傳感器，直流力矩電機增大力矩帶動滾珠絲杆進行前後運動，將角度運動轉換成線性位移運動，滾珠絲杆同時帶動高精度直線電位器運動，作為位置反饋傳感器，滾珠絲杆後外接拉壓力傳感器，拉壓力傳感器通過球形軸頭與承載對象連接，當絲杆輸出位移與承載對象運動不同步時，加載力沿絲杆軸線輸出加載到承載對象上。
權利要求
1.一種海面陣風力加載器，其特徵在於包括電動執行機構和控制系統，電動執行機構包括加載器臺體組件、直流力矩電機、測速電機、滾珠絲杆、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、牆板、電機安裝座和螺紋轉接件，所述的牆板包括牆板一和牆板二，牆板一和牆板二相互平行並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牆板中間，支承軸一和支承軸二分別通過螺釘固定在牆板一和牆板二上；軸承的外圈固定在軸承座內的前端，軸承的內圈與主軸的中間端緊固；直流力矩電機的內法蘭與主軸後端連接，直流力矩電機外法蘭固定在軸承座內的後端，直流力矩電機後部安裝有測速電機；接長軸通過螺釘與直流力矩電機的內法蘭一起安裝在主軸後端，測速電機的內法蘭通過螺釘安裝在接長軸上，測速電機的外法蘭固定在電機安裝座上；電機安裝座通過螺釘與直流力矩電機的外法蘭一起固定在軸承座內的後端；滾珠絲杆穿過主軸中心，滾珠絲杆的法蘭面通過螺釘固定在主軸前端，滾珠絲杆後外接螺紋轉接件，螺紋轉接件後接拉壓力傳感器，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，通過連杆與滾珠絲杆連接；控制系統包括功率放大器、控制計算機、控制模板、數字通訊接口和控制迴路，控制系統安裝在儀表機櫃內，功率放大器安裝在儀表機櫃底板上，控制計算機安裝在儀表機櫃側板中間，功率放大器與控制計算機連接，直流力矩電機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算機連接；海面陣風力加載器的控制由控制計算機來實現，直線電位器輸出的模擬信號傳給控制計算機，控制計算機根據給定值與直線電位器輸出的模擬信號比較並綜合後發出控制指令，其輸出的電壓作為直流力矩電機的功率放大器的輸入信號進入功率放大器，功率放大器的輸出端與直流力矩電機相連，通過控制直流力矩電機的電樞電壓來控制直流力矩電機的轉動；控制模板安裝在控制計算機裡，數字通訊接口安裝在控制計算機上，控制模板構成主動式和被動式力加載系統，控制模板通過數字通訊接口從承載對象獲得實時的被加載體運動規律，從而通過控制迴路以數字控制方式實現模擬海面陣風力的加載控制；控制迴路具有模擬控制迴路和數字控制迴路。
2.根據權利要求1所述的海面陣風力加載器，其特徵在於所述模擬控制迴路由電流環和速度環構成，數字控制迴路包括位置環、力環和前饋補償環節。
3.根據權利要求1所述的海面陣風力加載器，其特徵在於所述控制模板採用DSP數字控制模板。
全文摘要
本發明海面陣風力加載器涉及一種負載模擬器，特別是一種對海面艦船上的承載對象施加模擬陣風乾擾負載，用以檢測和分析承載對象性能的力加載器。包括電動執行機構和控制系統，電動執行機構包括加載器臺體組件、直流力矩電機、測速電機、滾珠絲杆、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、牆板、電機安裝座和螺紋轉接件；控制系統包括功率放大器、控制計算機、控制模板、數字通訊接口和控制迴路；控制模板裝在控制計算機裡，數字通訊接口安裝在控制計算機上；控制迴路具有模擬控制迴路和數字控制迴路。本發明在地面模擬復現海面陣風的幹擾力，通過控制計算機系統實現加載力的精確控制。
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 優先權日2011年12月20日
發明者滕磊, 王寅, 解寶琴 申請人:南京碩航機電有限公司