CN107797100A - 超小型大功率雷达随动系统闭合回路模拟负载台 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超小型大功率雷达随动系统闭合回路模拟负载台，伺服电机的输出端、换向齿轮组的小齿轮和惯量盘组同轴安装；换向齿轮组的大齿轮、磁粉制动器、行星减速器和一号消隙齿轮组的主动轮同轴安装；一号消隙齿轮组的消隙齿轮、二号消隙齿轮组的主动轮同轴安装；二号消隙齿轮组的消隙齿轮、弹性联轴器和光电编码器的输入端同轴安装。本发明能够对各型雷达随动系统及大功率转台进行负载模拟，大幅减小了模拟负载台的体积和重量。

Description

超小型大功率雷达随动系统闭合回路模拟负载台

技术领域

本发明涉及伺服控制领域，用于各型雷达随动系统及大功率转台的模拟及调试。

背景技术

国内现有负载模拟装置关于转矩及转动惯量的模拟方法有三类，一类采用摩擦盘、飞轮模拟转矩及转动惯量，如由中国航空综合技术研究所发明的“一种机械式扭矩负载模拟装置”(专利申请号：CN201710233740.3；公开号：CN106840646A)、由北京机械设备研究所发明的“一种双工位伺服机构负载模拟器”(专利申请号：CN201610946082.8；公开号：CN106297529A)和由北京交通大学发明的“电动伺服机构负载模拟系统及其模拟方法”(专利申请号：CN201610771926.X；公开号：CN106323618A)。另一类采用增速机或弹簧、飞轮模拟转矩及转动惯量，如由索特传动设备有限公司发明的“负载试验装置”(专利申请号：CN201410337909.6；公开号：CN104089766A)和由北京理工大学发明的“伺服系统复杂负载工况模拟和性能测试装置”(专利申请号：CN200820178534.3；公开号：CN201302606Y)。第三类采用磁粉制动器和飞轮模拟转矩及转动惯量，如由哈尔滨工业大学发明的“双向磁粉负载模拟器”(专利申请号：CN201510974848.9；公开号：CN105575246A)和由江苏科技大学发明的“一种动态负载模拟测试试验平台及测试方法”(专利申请号：CN201410510967.4；公开号：CN104267617B)。前两类负载模拟装置采用摩擦盘、增速机或弹簧模拟转矩，飞轮模拟转动惯量，并且摩擦盘、增速机、弹簧、飞轮在同一轴上，重量和体积均十分庞大。第三类采用磁粉制动器、飞轮模拟转矩及转动惯量，用磁粉制动器模拟转矩虽减小了部分体积，但其磁粉制动器、飞轮均安置在负载轴上，重量和体积虽然比前两类略小，但仍然很大。另外，上述负载模拟装置均用角度传感器和扭矩传感器测量转角、扭矩负载和惯性负载(输送信号)。

由上可知，目前国内负载模拟装置虽能为随动系统及转台的调试提供平台，但由于力矩加载机构、惯量模拟机构和传感器均在同一负载轴上，造成大功率雷达随动系统模拟负载台体积和重量十分庞大，模拟负载的功率受限，且不易搬动，调试场所一般需要固定；如果没有闭合回路负载台，雷达随动系统只能在雷达总站装配完成后进行闭合回路调试，这样会严重影响随动系统的研制进度，也同时影响雷达总站研制和调试进度。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种超小型大功率雷达随动系统闭合回路模拟负载台，对各型雷达随动系统及大功率转台进行负载模拟，大幅减小了模拟负载台的体积和重量，可以加快各型雷达随动系统及大功率转台的设计、调试进度，实现随动系统闭合回路调试，同时对评估各型雷达随动系统的效能具有指导意义。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超小型大功率雷达随动系统闭合回路模拟负载台，包括伺服电机、换向齿轮组、惯量盘组、磁粉制动器、行星减速器、一号消隙齿轮组、二号消隙齿轮组、弹性联轴器和光电编码器。

所述伺服电机的输出端、换向齿轮组的小齿轮和惯量盘组同轴安装；所述换向齿轮组的大齿轮、磁粉制动器、行星减速器和一号消隙齿轮组的主动轮同轴安装，一号消隙齿轮组的消隙齿轮、二号消隙齿轮组的主动轮同轴安装，二号消隙齿轮组的消隙齿轮、弹性联轴器和光电编码器的输入端同轴安装。

所述的惯量盘组分片设计，根据不同需求拆装惯量盘片。

所述的伺服电机的输出端和换向齿轮组的小齿轮轴、光电编码器输入端和弹性联轴器均通过转接法兰盘连接。

本发明的有益效果是：

(1)用超小体积模拟了大功率负载力矩

该模拟负载台采用磁粉制动器产生的阻力作为负载力矩，且磁粉制动器位于一级减速之后，大幅缩小了磁粉制动器的体积、重量，实现了用超小体积、重量的负载台模拟大功率雷达随动系统的构思，是设计上的巧妙创新。

(2)实现了阶梯式负载力矩和转动惯量的模拟

根据不同转台随动系统调试需要，负载力矩和转动惯量的大小是可调的。根据调整电压大小可调整磁粉制动器的力矩，从而调整负载力矩；用积木式可拆卸惯量盘模拟转动惯量，实现了阶梯式转动惯量的模拟。

(3)模拟精度高

该模拟负载台传动比可达500～2000，数据传动部分采用消隙齿轮，有效地消除了传动误差，真实地模拟转台随动系统各项参数。

(4)实现了随动系统闭合回路调试

该模拟负载台具有光电编码器接口装置，可以连接法兰盘直径在120mm以内的码盘，从而构成带有位置环的随动系统，可以真实地模拟各种大功率随动系统闭合回路调试。通过该模拟负载台，成功摸索出各种大功率随动系统的运动参数。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的工作原理图；

图中，1-伺服电机，2-换向齿轮组，3-惯量盘组，4-磁粉制动器，5-行星减速器，6-消隙齿轮组，7-消隙齿轮组，8-弹性联轴器，9-光电编码器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明提供的模拟负载台可以模拟各种大功率转台的负载力矩、转动惯量、传动比，提供高精度位置测量数据，可满足大型转台随动系统调试的需求。

所述的超小型大功率雷达随动系统闭合回路模拟负载台由伺服电机1、换向齿轮组2、惯量盘组3、磁粉制动器4、行星减速器5、消隙齿轮组6、消隙齿轮组7、弹性联轴器8、光电编码器9等组成。可以模拟最大12000N.m的负载力矩、2160kg.m2的转动惯量、500～2000的传动比，满足各种大型转台随动系统调试的需求。

伺服电机1、换向齿轮组2的小齿轮、惯量盘组3在第1轴(电机轴)上，换向齿轮组2的大齿轮、磁粉制动器4、行星减速器5、消隙齿轮组6的主动轮在第2轴上，消隙齿轮组6的消隙齿轮、消隙齿轮组7的主动轮在第3轴上，消隙齿轮组7的消隙齿轮、弹性联轴器8、光电编码器9在第4轴(负载轴)上。

伺服电机1通过换向齿轮组2实现一级减速，再通过行星减速器5实现二级减速，最后通过两对消隙齿轮组6、7与光电编码器9联接。为尽可能减小体积，惯量盘组3安装在第1轴上，与伺服电机1同轴。磁粉制动器4位于一级减速之后，安装在第2轴上，换向齿轮组2的大齿轮通过刚性联轴器与磁粉制动器4联接。伺服电机1与光电编码器9之间设有换向齿轮组2、行星减速器5，消隙齿轮组6、消隙齿轮组7、弹性联轴器8。光电编码器9通过弹性联轴器8与消隙齿轮组7联接。

该模拟负载台根据传动原理，将惯量盘组3安装在第1轴上，与伺服电机1同轴，使惯量盘组3的体积最小化。惯量盘组3按分片设计，可根据不同需求拆装惯量盘的数量，实现阶梯式转动惯量的模拟。

磁粉制动器4位于一级减速之后，安装在第2轴上。采用磁粉制动器4产生的阻力作为负载力矩，较之采用摩擦盘、增速机或弹簧模拟转矩，体积、重量有了本质的降低。一级减速有效地减少了磁粉制动器4的转速，而行星减速器5、消隙齿轮组6、消隙齿轮组7扩大了模拟负载，将磁粉制动器4安装在中间轴，是设计上的巧妙创新。

该模拟负载台在伺服电机1到光电编码器9之间设计有换向齿轮组2、行星减速器5、消隙齿轮组6、消隙齿轮组7，通过调整消隙齿轮组6、消隙齿轮组7的传动比，可模拟500～2000的总传动比。消隙齿轮组6、消隙齿轮组7可消除传动侧隙，弹性联轴器8消除光电编码器9的安装误差，以保证闭合回路的传递精度。

该模拟负载台伺服电机1、光电编码器9接口处设有转接法兰盘，可以连接不同型号的伺服电机和光电编码器。

该模拟负载台基体采用铝合金整体铸造，大幅降低了机加难度和负载台的重量。结构紧凑，体积为618mm×453mm×265mm，十分小巧，较之采用摩擦盘、增速机或弹簧模拟转矩，体积、重量降低了97％以上。

如图1所示：

伺服电机1为超小型大功率雷达随动系统闭合回路模拟负载台提供动力。

换向齿轮组2实现一级减速。

惯量盘组3模拟负载转动惯量。

磁粉制动器4模拟负载转矩。

行星减速器5实现二级减速。

消隙齿轮组6实现三级减速并消除传动侧隙。

消隙齿轮组7实现四级减速并消除传动侧隙。

弹性联轴器8消除光电编码器9的安装误差。

光电编码器9为模拟负载台位置测量元件。

超小型大功率雷达随动系统闭合回路模拟负载台工作原理如图2所示：

磁粉制动器显示控制组合接入模拟负载台上的磁粉制动器，通过调整磁粉制动器显示控制组合的控制电流，可以调整随动系统的负载转矩，模拟真实状态下随动系统的负载条件；通过调整模拟负载台上的惯量盘组，模拟真实状态下随动系统的惯量条件。

将模拟负载台上的光电编码器接入随动控制及驱动组合，作为随动控制及驱动组合的位置传感器，以形成位置闭环；将模拟负载台上伺服电机的接入随动控制及驱动组合，伺服电机上自带的增量码盘或旋转变压器作为速度传感器，以形成速度闭环；伺服电机与随动控制及驱动组合上的电机驱动器形成电流闭环。

以上形成随动系统模拟实物状态下电流环、速度环、位置环的三环闭合调试状态，通过调整随动系统控制策略、控制算法、电流环、速度环、位置环的运动参数，使随动控制及驱动组合达到最优控制状态。

本发明的实施例如图1所示，由伺服电机1、换向齿轮组2、惯量盘组3、磁粉制动器4、行星减速器5、消隙齿轮组6、消隙齿轮组7、弹性联轴器8、光电编码器9等组成，分别安装在第1轴(电机轴)～第4轴(负载轴)上，4根轴均由滚动轴承支撑安装在基体上。

伺服电机1、换向齿轮组2的小齿轮、惯量盘组3在第1轴(电机轴)上，为避免伺服电机1的转轴承受过大弯距，惯量盘组3安装在靠近滚动轴承处。

换向齿轮组2的大齿轮、磁粉制动器4、行星减速器5、消隙齿轮组6的主动轮在第2轴上，磁粉制动器4安装在换向齿轮组2之后，即经过了一级减速，通过刚性联轴器与换向齿轮组2的大齿轮联接，行星减速器5安装在换向齿轮组2大齿轮的另一端。

行星减速器5之后设有消隙齿轮组6和消隙齿轮组7，通过调整该两组齿轮传动的传动比，可模拟500～2000的总传动比。为尽可能缩小体积，利用有效空间，消隙齿轮组6的消隙齿轮、消隙齿轮组7的主动轮安装在第3轴上，消隙齿轮组7的消隙齿轮、弹性联轴器8、光电编码器9安装在第4轴(负载轴)上。

伺服电机1通过换向齿轮组2实现一级减速，再通过行星减速器5实现二级减速，最后通过两对消隙齿轮组6、7与光电编码器9联接。惯量盘组3用来模拟转动惯量，为尽可能减小体积，惯量盘组3安装在第1轴上，与伺服电机1同轴。磁粉制动器4用来模拟负载力矩，位于换向齿轮组2即一级减速之后，安装在第2轴上，换向齿轮组2的大齿轮通过刚性联轴器与磁粉制动器4联接。伺服电机1与光电编码器9之间设有换向齿轮组2、行星减速器5，消隙齿轮组6、消隙齿轮组7，总传动比500～2000的模拟通过换向齿轮组2、行星减速器5、消隙齿轮组6、消隙齿轮组7联合实现。光电编码器9通过弹性联轴器8与消隙齿轮组7联接，以消除安装误差。

根据传动原理，转动惯量与传动比的平方成正比，为使惯量盘组3的体积最小化，将惯量盘组3安装在第1轴上，与伺服电机1同轴。惯量盘组3按分片设计，积木式装配，增加或拆除惯量盘十分方便，可根据不同需求拆装惯量盘的数量，实现阶梯式转动惯量的模拟。

根据传动原理，转动力矩与传动比成正比，而转速与传动比成反比。在兼顾磁粉制动器4的转速与制动力矩的情况下，为使磁粉制动器4的体积最小化，磁粉制动器4位于换向齿轮组2即一级减速之后，行星减速器5、消隙齿轮组6、消隙齿轮组7之前，安装在第2轴上。采用磁粉制动器4产生的力矩作为负载力矩，较之采用摩擦盘、增速机或弹簧模拟转矩，体积、重量有了本质的降低。一级减速有效地降低了磁粉制动器4的转速，而传动链后端行星减速器5、消隙齿轮组6、消隙齿轮组7提供的传动比大幅提高了模拟负载力矩的数值，实现了用小功率磁粉制动器模拟大功率负载力矩，是设计上的巧妙创新。根据调整电压大小可调整磁粉制动器的力矩，从而调整负载力矩。

该模拟负载台在伺服电机1到光电编码器9之间设计有换向齿轮组2、行星减速器5、消隙齿轮组6、消隙齿轮组7、弹性联轴器8，为用较小体积实现大的传动比，行星减速器5采用三级行星传动，传动比可达262。换向齿轮组2、行星减速器5为固定传动比，消隙齿轮组6、消隙齿轮组7的传动比可调，通过调整消隙齿轮组6、消隙齿轮组7的传动比，可模拟500～2000的总传动比。消隙齿轮组6、消隙齿轮组7可消除传动侧隙，弹性联轴器8消除光电编码器9的安装误差，以保证闭合回路的传递精度。

该模拟负载台伺服电机1、光电编码器9接口处设有转接法兰盘，可以连接不同型号的伺服电机和光电编码器，通用性强。

该模拟负载台基体采用铝合金整体铸造，不仅降低了机加难度和负载台的重量，减少了装配环节，还提高装配精度。该模拟负载台结构十分紧凑，传动链的安装尽可能地利用有效空间，体积为618mm×453mm×265mm，十分小巧，较之采用摩擦盘、增速机或弹簧模拟转矩，体积、重量降低了97％以上。

国内现有负载模拟装置关于转矩及转动惯量的模拟大多采用摩擦盘、增速机或弹簧模拟转矩，飞轮模拟转动惯量，并且摩擦盘、增速机、弹簧、飞轮在同一轴上，重量和体积均十分庞大。少数采用磁粉制动器、飞轮模拟转矩及转动惯量，用磁粉制动器模拟转矩较前一类虽减小了体积，但其磁粉制动器、飞轮均安置在负载轴上，对模拟大功率负载来说，重量和体积仍然很大。

超小型大功率雷达随动系统闭合回路模拟负载台采用磁粉制动器、飞轮模拟转矩及转动惯量，磁粉制动器安置在中间轴，飞轮安置在电机轴。相对于模拟同样功率的负载台，重量和体积仅为目前国内同功能负载台的3％。

目前国内负载模拟装置均用角度传感器和扭矩传感器测量转角、负载力矩，本模拟负载台采用光电编码器作为测量元件，采用消隙齿轮组消除传动误差，弹性联轴器消除安装误差，保证了高精度闭合回路模拟。

本模拟负载台可根据不同产品随动系统调试需要，负载力矩和转动惯量的大小是可调的。伺服电机、光电编码器接口处设有转接法兰盘，可以连接不同型号的伺服电机和光电编码器，通用性强。

Claims (3)

1.一种超小型大功率雷达随动系统闭合回路模拟负载台，包括伺服电机、换向齿轮组、惯量盘组、磁粉制动器、行星减速器、一号消隙齿轮组、二号消隙齿轮组、弹性联轴器和光电编码器，其特征在于：所述伺服电机的输出端、换向齿轮组的小齿轮和惯量盘组同轴安装；所述换向齿轮组的大齿轮、磁粉制动器、行星减速器和一号消隙齿轮组的主动轮同轴安装；一号消隙齿轮组的消隙齿轮、二号消隙齿轮组的主动轮同轴安装；二号消隙齿轮组的消隙齿轮、弹性联轴器和光电编码器的输入端同轴安装。

2.根据权利要求1所述的超小型大功率雷达随动系统闭合回路模拟负载台，其特征在于：所述的惯量盘组分片设计，根据不同需求拆装惯量盘片。

3.根据权利要求1所述的超小型大功率雷达随动系统闭合回路模拟负载台，其特征在于：所述的伺服电机的输出端和换向齿轮组的小齿轮轴、光电编码器输入端和弹性联轴器均通过转接法兰盘连接。