一种气动式反操纵负载模拟器及其模拟方法

技术领域

本发明涉及负载模拟技术领域，尤其涉及一种气动式反操纵负载模拟器及其模拟方法。

背景技术

飞行器伺服机构在飞行过程中容易受到反操纵影响，不利于飞行器的稳定控制，反操纵即为负载反向带动伺服机构运转的现象。为验证伺服机构抗反操纵的能力，需要在地面通过反操纵负载模拟器模拟飞行过程中的反操纵条件。

反操纵负载模拟器通过转接轴与伺服机构连接，通过调节负载为伺服机构提供满足要求的加载梯度。

根据负载方式的不同，反操纵负载模拟器一般有电动式和电液式两种。

电动式负载模拟器电子元器件较多，工作寿命短，控制复杂，加载精度低；电液式负载模拟器存在液压回路等易损件，体积偏大，造价较高，且初始负载较大，不利于小型伺服机构的测试。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种气动式反操纵负载模拟器及其模拟方法，用以解决现有反操纵负载模拟器元器件较多，工作寿命短，控制复杂，加载精度低、体积偏大，造价较高，且初始负载较大，不利于小型伺服机构的测试的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种气动式反操纵负载模拟器，包括：气缸组件、连杆、偏心轴、转接轴组件、伺服机构和输出轴；

气缸组件能够驱动连杆输出位移；

连杆与偏心轴转动连接，偏心轴通过转接轴组件与伺服机构的输出轴固定连接；偏心轴的轴线与输出轴的轴线平行且具有偏心距；

连杆、偏心轴和输出轴组成曲柄滑块机构；气缸组件通过连杆带动偏心轴旋转。

进一步地，转接轴组件的轴线与输出轴的轴线重合。

进一步地，连杆通过吊耳与偏心轴转动连接。

进一步地，连杆与吊耳固定连接，吊耳与偏心轴通过关节轴承连接。

进一步地，转接轴组件包括：第一转接轴、扭矩传感器和第二转接轴。

进一步地，第一转接轴与偏心轴固定连接；第二转接轴与输出轴固定连接；扭矩传感器的两端分别固定连接第一转接轴和第二转接轴。

进一步地，扭矩传感器与第一转接轴通过第二联轴器固定连接，扭矩传感器与第二转接轴通过第一联轴器固定连接。

进一步地，气缸组件包括：气缸缸体、连杆、活塞和气缸端盖；活塞设置在气缸缸体中，并将气缸缸体分隔为第一腔体和第二腔体；活塞上下移动时，能够带动连杆伸缩。

进一步地，气缸组件通过气源进行供气，气源能够与第一腔体或第二腔体连通。

一种反操纵负载模拟方法，采用气动式反操纵负载模拟器进行反操纵负载模拟；包括以下步骤：

步骤S1：伺服机构带动输出轴旋转，输出轴通过转接轴组件带动偏心轴旋转；

步骤S2：通过气源向气缸组件中充气，连杆伸缩运动；

步骤S3：连杆带动偏心轴旋转；连杆施加到偏心轴的扭矩方向与输出轴的旋转方向相同，模拟反操纵负载。

本发明技术方案至少能够实现以下效果之一：

1、本发明的气动式反操纵负载模拟器通过气缸组件与偏心轴的配合实现反操纵负载模拟，调整气缸组件的气体压力、连杆长度以及偏心轴的偏心距(曲柄长度)，可实现适应多种型号伺服机构的多种加载梯度的反操纵测试需求。

2、本发明的气动式反操纵负载模拟器，通过气缸驱动偏心轴旋转，对反操纵负载进行模拟，结构简单，操作方便，解决了传统负载模拟器工作寿命短、体积大、造价高和加载精度低等问题，满足伺服机构反操纵测试需求。

3、本发明的反操纵负载模拟器为曲柄滑块机构，活塞杆为滑块，进行直线运动，连杆、吊耳、偏心轴共同构成摇杆，摇杆的长度L为活塞到偏心轴轴线的距离；偏心轴和转接轴之间构成曲柄，曲柄的长度H为偏心轴的轴线到输出轴轴线之间的距离，即曲柄的长度为偏心轴相对于输出轴的偏心距。

当活塞在气压的作用下进行直线运动时，带动连杆和吊耳进行直线和旋转的复合运动。吊耳通过关节轴承带动偏心轴做离心运动，即偏心轴绕输出轴的轴线的旋转运动，反操纵负载模拟器对偏心轴施加的反操纵扭矩传递至伺服机构上，模拟飞行器伺服机构受到的反操纵负载。

4、本发明的反操纵负载模拟器，在转接轴组件上安装扭矩传感器，通过扭矩传感器实时监测反操纵扭矩的大小。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明的气动式反操纵负载模拟器；

图2为本发明的气动式反操纵负载模拟器侧视图；

图3为本发明的驱动气缸剖视图；

图4为本发明的气动式反操纵负载模拟器运动原理图。

附图标记：

1-伺服机构；2-输出轴；3-第一转接轴；4-第二转接轴；5-底座；6-气缸组件；7-第一转接支架；8-第一联轴器；9-扭矩传感器；10-第二联轴器；11-第二转接支架；12-吊耳；13-偏心轴；14-吊耳套筒；15-减压阀；16-气源；17-关节轴承；

601-连杆；602-活塞套筒；603-第一腔体；604-第二腔体；605-球头；606-第一通气孔；607-活塞；608-第二通气孔；609-气缸端盖；610-第一密封圈；611-第二密封圈；612-第一导向密封环；613-第二导向密封环。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本发明的一个具体实施例，公开了一种气动式反操纵负载模拟器，解决传统负载模拟器工作寿命短、体积大、造价高和加载精度低等问题，满足多种型号伺服机构的反操纵测试需求。

飞行器伺服机构在飞行过程中容易受到反操纵影响，不利于飞行器的稳定控制。

本发明的一种具体实施方式中，如图1-4所示，气动式反操纵负载模拟器包括：气缸组件6、偏心轴13、转接轴组件和伺服机构1。其中，偏心轴13能够在气缸组件6的带动下旋转，偏心轴13通过转接轴组件与伺服机构1的输出轴2连接，偏心轴13旋转时能够对伺服机构1的输出轴2施加反操纵扭矩。

进一步地，偏心轴13的气缸组件6的连杆601之间转动连接。连杆601伸缩时，能够带动偏心轴13绕伺服机构1的输出轴2的轴线旋转。

本实施例中，偏心轴13旋转时，能够对伺服机构1的输出轴2施加反操纵扭矩。本发明通过对运行中的伺服机构1的输出轴2施加反操纵扭矩，实现了对飞行器飞行过程中其伺服机构受到的反操纵负载的地面模拟。

进一步地，转接轴组件的轴线与伺服机构1的输出轴2的轴线重合。

进一步地，偏心轴13的轴线与输出轴2的轴线平行，且具有偏心距H，即偏心轴13的轴线与转接轴组件的轴线之间的偏心距为H，如图2所示。通过改变偏心距H的大小，能够实现对伺服机构的多种加载梯度的反操纵测试需求。

本发明的一种具体实施方式中，伺服机构1、转接轴组件和气缸组件6均安装在底座5上，底座5作为整个气动式反操纵负载模拟器的安装基础。

进一步地，底座5上通过螺钉固定安装第一转接支架7和第二转接支架11，转接轴组件安装在第一转接支架7和第二转接支架11上，第一转接支架7和第二转接支架11用于抬高转接轴组件的高度，使转接轴组件能够与伺服机构1的输出轴2配合。

本发明的一种具体实施方式中，气动式反操纵负载模拟器还设有扭矩传感器9，如图1所示。扭矩传感器9设置在转接轴组件上，用于监测气动式反操纵负载模拟器的反操纵扭矩。

本发明的一种具体实施方式中，转接轴组件包括：第一转接轴3、第二转接轴4、第一联轴器8、第二联轴器10和扭矩传感器9。其中，第一转接轴3与偏心轴13固定连接，且同步旋转；第二转接轴4与伺服机构1的输出轴2固定连接。扭矩传感器9的两端分别连接第一转接轴3和第二转接轴4，能够实时监测气动式反操纵负载模拟器输出的反操纵扭矩。

进一步地，扭矩传感器9一端通过第一联轴器8与第二转接轴4固定连接，另一端通过第二联轴器10与第一转接轴3固定连接。

进一步地，第一转接轴3转动安装在第二转接支架11上，第二转接轴4转动安装在第一转接支架7上。

具体地，第一转接轴3通过轴承安装在第二转接支架11上，使第一转接轴3能够相对于第二转接支架11旋转，第二转接轴4通过轴承安装在第一转接支架7上，使第二转接轴4能够相对于第一转接支架7旋转。

本发明的一种具体实施方式中，偏心轴13通过吊耳12与气缸组件6的连杆601转动连接，气缸组件6的连杆601上下移动时，偏心轴13以转接轴组件的轴线作为转动轴线旋转，偏心轴13旋转时能够对伺服机构1的输出轴2施加反操纵负载。

本发明的一种具体实施方式中，气缸组件6包括：气缸缸体、连杆601、活塞套筒602、活塞607、气缸端盖609和吊耳12，如图3所示。

其中，活塞607设置在气缸缸体中，且能够相对于气缸缸体上下移动。气缸端盖609设置在气缸缸体的底部，且与气缸缸体固定连接。活塞套筒602套设在连杆601的外侧且与活塞607固定连接。

进一步地，活塞607将气缸缸体分隔为第一腔体603和第二腔体604；气缸缸体侧面设有第一通气孔606和第二通气孔608，第一通气孔606与第一腔体603连通，第二通气孔608与第二腔体604连通。通过调节第一腔体603和第二腔体604的体积能够推动活塞607上下移动。

进一步地，如图3所示，活塞607与气缸缸体之间设置第一密封圈610，气缸端盖609和气缸缸体之间设置第二密封圈611。

进一步地，如图3所示，活塞套筒602与气缸缸体之间设有第一导向密封环612，活塞套筒602与气缸端盖609之间设有第二导向密封环613。

进一步地，连杆601为伸缩杆，活塞套筒602与连杆的移动端连接，连杆601的移动端能够在活塞607的带动下上下移动。

进一步地，连杆601包括：球头605、固定部和移动端；固定部和移动端均为杆状；固定部与移动端相互套设，且能够相对滑移，通过移动端相对于固定部的滑移实现连杆601的伸缩。

进一步地，连杆601的固定部与球头605为一体结构。

进一步地，连杆601通过球头605与气缸端盖609铰接，形成球副。也就是说，活塞607上下移动时，能够带动连杆601的移动端上下移动，且连杆601能够在活塞套筒602中前后左右偏移。

进一步地，连杆601与吊耳12螺纹连接，连杆601的上端通过吊耳12与偏心轴13转动连接。

具体地，连杆601的上端套设在吊耳12下端的吊耳套筒14中，且连杆601与吊耳12的吊耳套筒14通过螺纹连接，连杆601伸缩时，吊耳12同步上下移动。

偏心轴13通过关节轴承17与吊耳12转动连接。吊耳12的上端设有轴承安装孔，轴承安装孔中安装关节轴承17，偏心轴13与关节轴承17的内圈固定连接。

本发明的一种具体实施方式中，第一通气孔606与减压阀15的管路连接时，减压阀15连接气源16。第二通气孔608与大气连通，气源16通过第一通气孔606向第一腔体603充气加压时，活塞607向下移动，连杆601下移，进而带动偏心轴13(曲柄)逆时针旋转。

第二通气孔608与与减压阀15的管路连接时，减压阀15连接气源16。第一通气孔606与大气连通，气源16通过第二通气孔608向第二腔体604充气加压时，活塞607向上移动，连杆601上移，进而带动偏心轴13(曲柄)顺时针旋转。

也就是说，第一通气孔606和第二通气孔608可根据需要进行功能互换。气源16中的高压气体通过减压阀15减压后，与第一通气孔606或第二通气孔608相连。气源16通过第一通气孔606向第一腔体603中充气时，第二通气孔608作为出气口，第一腔体603体积增大推动活塞607下移；或者，气源16通过第二通气孔608向第二腔体604中充气时，第一通气孔606作为出气口，第二腔体604体积增大推动活塞607上移。

实施时：

反操纵负载模拟器为曲柄滑块机构，活塞杆为滑块，进行直线运动，连杆601、吊耳12、偏心轴13共同构成摇杆，摇杆的长度L为活塞607到偏心轴13轴线的距离；偏心轴13和转接轴之间构成曲柄，曲柄的长度H为偏心轴13的轴线到伺服机构1的输出轴2轴线之间的距离，即曲柄的长度为偏心轴13与输出轴2之间的偏心距。

当活塞607在气压的作用下进行直线运动时，带动连杆601和吊耳12进行直线和旋转的复合运动。吊耳12通过关节轴承17与偏心轴13连接，并带动偏心轴13做离心运动(偏心轴13绕输出轴2的轴线旋转)时，反操纵负载模拟器对偏心轴13施加的反操纵扭矩通过转接轴组件和扭矩传感器传递至伺服机构上施加反操纵负载。

反操纵负载模拟器的工作原理，如图4所示：

当伺服机构1处于零位时，曲柄与连杆重合，反操纵负载模拟器不产生反操纵力矩。

当伺服机构1的输出轴2偏转时，输出轴2通过转接轴组件带动偏心轴13偏转，曲柄与连杆产生一定角度的夹角，此时，通过气缸组件6带动连杆601输出位移，连杆601带动偏心轴13进一步偏转，偏心轴13反向向伺服机构1的输出轴2施加扭矩，通过气缸组件6操纵反操纵负载模拟器产生与伺服机构1的输出轴2的运动方向相同的加载力矩，即反操纵力矩。

由于伺服机构1的偏转角度不超过30°，且摇杆长度L远大于曲柄的长度H，在该角度范围内，反操纵力矩梯度不随角度变化。不同的加载梯度通过调整进入气缸组件6的气体压力调节活塞607和连杆601的位移来实现。

气缸组件6输出位移时，连杆601通过吊耳12和关节轴承17对偏心轴13施加与偏心轴13的偏转方向相同的反操纵力矩，偏心轴13受到的反操纵力矩通过转接轴组件反向传递至伺服机构1，并且通过扭矩传感器9实时监测反操纵力矩的大小。

实施例2

本发明的另一个具体实施例，提供一种反操纵负载模拟方法，采用实施例1中的气动式反操纵负载模拟器进行反操纵负载模拟，包括以下步骤：

步骤S1：伺服机构1带动输出轴2旋转，输出轴2通过转接轴组件带动偏心轴13旋转；

步骤S2：通过气源16向气缸组件6中充气，连杆601伸缩运动；

步骤S3：连杆601带动偏心轴13旋转；连杆601施加到偏心轴13的扭矩方向与输出轴2的旋转方向相同，模拟反操纵负载。

步骤S2中，气源16通过第一通气孔606或第二通气孔608向气缸组件6中充气，控制连杆601伸缩运动；

具体地，

气源16与第一通气孔606连通时：

气源16通过第一通气孔606向第一腔体603中充气，第二通气孔608作为出气口；第一腔体603体积增大，第二腔体604体积减小，同时推动活塞607下移。

气源16与第二通气孔608连通时：

气源16通过第二通气孔608向第二腔体604中充气，第一通气孔606作为出气口；第二腔体604体积增大，第一腔体603体积减小，同时推动活塞607上移。

所述步骤S3中，连杆601、偏心轴13和第一转接轴3组成曲柄滑块结构，如图4所示。

具体地，连杆601上下运动时，能够通过吊耳12带动偏心轴13绕第一转接轴3旋转；伺服机构1通过输出轴2输出转矩带动偏心轴13转动，连杆601通过吊耳12施加到偏心轴13的转矩与输出轴2的转矩方向相同，模拟飞行器飞行状态时受到的反操纵负载。

值得注意的是，连杆601上下运动带动偏心轴13旋转时，连杆601以球头605的中心为转动中心发生偏转。

与现有技术相比，本实施例提供的反操纵负载模拟器，通过气缸组件6输出直线位移，并通过连杆601、吊耳12、偏心轴13和第一转接轴3组成曲柄滑块机构，通过连杆601的上下运动实现对偏心轴13的转动驱动，气缸组件6通过连杆601施加给偏心轴13的反操纵扭矩用于模拟飞行器受到的反操纵负载。

本发明的反操纵负载模拟器，通过控制活塞607的位移速度和位移量，能够调控反操纵负载的变化增量和反操纵负载的大小；通过改变偏心轴13的偏心距(偏心轴13轴线与输出轴2轴线间距)的大小，能够调节反操纵负载的阶梯增量，即连杆601输出的单位位移增量对应的偏心轴13受到的反操纵扭矩的大小。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。