专利名称：一种双向摇摆机构的性能试验装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及双向摇摆机构的性能试验装置，特别是大负载力随摇摆机构摆动，对关键部位进行高温加热，驱动摇摆机构按要求参数摆动。
背景技术：
为提高摇摆机构的可靠性和一致性，要求对发动机摇摆机构进行考核试验，保证交付摇摆机构的可靠性和一致性，需要对摇摆机构测量最小启动力矩和摇摆试验。由于摇摆机构摇摆机构和试验工艺的特殊性，没有能够完成类似摇摆试验装置，需要设计一种新型可靠摇摆试验装置，满足试验工艺的特殊性。

发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明为发动机摇摆机构提供一种能够模拟发动机工作状态的试验系统，能够向摇摆机构施加2500N的负载力，且负载力的方向始终与摇摆机构的套筒同轴；能够将摇摆机构旋转轴加热到180-200°C;能够驱动摇摆机构按要求的参数摆动。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是包括支撑框架、施力装置、驱动系统和加热灯；所述的支撑框架包括上板和底板，相互之间通过柱子连接，上板为圆环，中间固定摇摆机构，底板上安装施力装置，所述的施力装置置于摇摆机构的内部，且能够绕摇摆机构的旋转轴线摆动，施力装置包括支撑套、导向轴、弹簧、力传感器、施力板和底座；支撑套两端开孔，上端开孔中通过导向轴连接施力板，施力板通过螺栓连接摇摆机构，施力板与摇摆机构之间安装力传感器，导向轴外围同轴压紧有弹簧，支撑套的下端开孔通过摆动轴连接竖直放置的支撑柱；所述的驱动系统包括电机、联轴器、转动轴、联轴柄和端面齿柄，电机通过联轴器连接转动轴的一端，转动轴的另一端通过联轴柄连接端面齿柄，端面齿柄连接在摇摆机构的端面齿上；驱动系统的作用方向垂直于施力装置的作用方向；加热灯安装上板上，光线由上往下照射摇摆机构的转轴进行加热。所述的加热灯的位置低于力传感器，避免加热时影响其工作。所述的加热灯选用功率为200W的红外线石英短波辐射器，灯出射的红外型进过灯罩反射后，平行射出照射摇摆机构。所述的摇摆机构转轴或摇摆机构的紧定销孔中粘贴热电偶，热电偶的测温和加热器反馈给控制系统，控制加热灯。所述的电机为步进电机。所述的摇摆机构摆动的极限位置上安装有对射光电开关，通过控制系统关断电机。本发明的有益效果是(I)将施加的负载力回路与驱动力的传递线路不重叠，两者之间不重叠可以减小系统结构强度和其它附带要考虑的问题。
(2)施力装置结构简单、安全可靠、施力准确，能够施加2500N三位大负载力，且方向跟随摇摆机构的套筒摆动。(3)加热灯具有结构简单、功率密度大、安装使用方便，占用空间小等优点。(4)驱动装置摇摆力矩大，摇摆角度、摇摆速度、摇摆次数可以设定调整，满足试验的各项要求。


图1为摇摆试验系统的结构；图2为摇摆试验系统的施力结构；图3为摇摆试验系统的驱动结构；图4为本发明外观结构；图5为控制系统功能示意图；图6为加热装置控制原理图；图中，1-上板，2-柱子，3-底板，4-支撑柱，5-摆动轴，6-支撑套，7-弹簧，8-导向轴，9-传感器,10-长螺栓,11-施力板，12-电机,13-行星减速机,14-联轴器,15-转动轴，16-联轴柄，17-连接螺栓，18-端面齿柄，19-加热灯，20-摇摆机构。
具体实施例方式本发明将摇摆试验系统的整体结构设计为具有一个方向的旋转自由度，施力结构置于摇摆机构的内部，且能够绕与摇摆机构旋转轴同轴的轴线摆动。能够通过手动调整换向满足摇摆机构两个方向摇摆试验；采用步进电机驱动摇摆机构摆动，使用石英红外线短波辐射器加热摇摆机构的转动轴。其优点是功能多、结构紧凑、精度高、强度好、操作方便、
安全可靠。本发明的技术解决方案之一为将机械结构设计为具有一个方向上的旋转自由度，然后通过手动调整方向，增加另一个方向上的旋转自由度，满足摇摆试验的要求。摇摆机构由耳座、转轴、套筒等组成。转轴为摇摆机构摆动和承力的关键部位。摇摆试验系统的支撑框架由上板、底板和连接它们的四根柱子组成。上板为圆环，中间圆周内部均布4个突出方块，用于固定摇摆机构；底板为圆盘外圆上长着一个方形块，用于安装电机；在底板的中间设计有施力装置，施力装置置于摇摆机构的内部，且能够绕摇摆机构的旋转轴线摆动，安装好后与摇摆机构形成力的闭环。在支撑框架的旁边设计有驱动系统，驱动系统由电机、联轴器、转动轴、联轴柄、螺栓和端面齿柄组成。电机为步进电机；联轴器为抱紧式刚性联轴器，将圆管沿轴向切去Imm的切口，在切口上设计3个螺栓连接；转动轴为一台阶轴；联轴柄为圆筒径向长柄，轴向被切开的联轴器，在切口上设计有3个螺栓连接，可以将联轴器抱死在轴上。端面齿柄为端面齿径向上设计与联轴柄连接的柄，与联轴柄之间用螺栓连接。联轴器将最左边电机和中间的转动轴连在一起，联轴柄连在转动轴上，用螺栓将联轴柄和端面齿柄连在一起，端面齿柄连接在摇摆机构的端面齿上。驱动系统的动力通过联轴器传递到转动轴上，用螺栓将联轴柄抱死在转动轴上，再将动力通过摆杆机构传递到摇摆机构上。将加热灯安装上板上边的位置上，光线由上往下照射摇摆机构的转轴进行加热。这种结构的优点有将施加的负载力回路与驱动力的传递线路不重叠，两者之间不重叠可以减小系统结构强度和其它附带要考虑的问题。本发明的技术解决方案之二为摇摆试验系统的机械框架设计有上板和底板及其连接它们的四根柱子，主要作用是承受负载力，将负载力传递回摇摆机构，形成力的闭合回路。施力装置置于摇摆机构的内部，且能够绕摇摆机构的旋转轴线摆动。施力装置由支撑套、导向轴、弹簧、力传感器、长螺栓、施力板、底座等组成。支撑套为上圆下扁的形状，上边和下侧都开有孔，上边用于装弹簧，下侧与轴连接用于转动。导向轴为一阶梯轴，用于压缩弹簧和连接力传感器；施力板为中间开有大孔，靠外侧开有两圈孔，内侧八个螺栓孔，外圈开四个通孔的圆盘，外侧通孔通过螺栓与摇摆机构连接，内侧螺栓通孔通过长螺栓与传感器连接。底座成圆筒状上边两侧有安装孔，里边安装轴承。底座在最下边，支撑套通过轴与底座连接，其上边弹簧和导向轴，导向轴的上方装有传感器，长螺栓插在传感器外侧的六个孔中与下边的施力板连接。施力板用螺栓与摇摆结构连接。将施力结构的摆动中心布置在摇摆机构的摆动中心，摆动轴的两边装有两个轴承，用于转动和传递摆动时的负载力；弹簧的中间装有导向轴，插入支撑套的孔中，摆动时起定位和保护作用，防止弹簧蹦出；最上边安装有力传感器进行摆动时的实时测力，将力传感器布置在最顶部，避免加热时影响其工作，能够实时测量施加的负载力。施力装置通过拧紧螺栓，压缩弹簧产生对摇摆机构施加负载力。本发明的技术解决方案之三为加热灯选用功率为200W的红外线石英短波辐射器作为加热元件，根据抛物线焦点出射的线经过抛物线反射后出射平行线的原理，设计一个灯罩，灯出射的红外型进过灯罩反射后，平行射出照射到加热面上对加热体加热。红外线石英短波辐射器发出的光中短波占有很大比重，金属比较容易吸收短波。所以加热金属的效果好。加热灯具有结构简单，功率密度大，使用方便，空间小等优点。根据设计需要，热电偶即电阻式应变片，应贴在摇摆机构转轴或摇摆机构的紧定销孔中，用胶带粘上。热电偶的测温和加热器通过控制系统的控制形成闭合的控制系统。本发明的技术解决方案之四为采用步进电机作为摇摆试验的旋转动力，由减速比为9的减速机增大驱动力矩满足摆动的要求，由摆杆机构减少驱动装置与摇摆机构的同轴度的要求。用螺栓将端面齿柄连接在摇摆机构的端面齿上，端面齿柄和联轴柄用连接螺栓连上，联轴柄可以左右滑动，通过拧紧螺栓固定在驱动轴上，最终将驱动力矩从动力系统中传递到摇摆机构上，驱动摇摆机构摆动。本发明的技术解决方案之五为采用两对对射光电开关安装在摇摆机构摆动的极限位置上，防止误操作和意外发生。根据摇摆机构安装到摇摆试验系统上摇摆的特点，通过研究摇摆机构的摇摆走过的轨迹，确定在与转轴垂直方向的极限位置设计两个对射的光电开关，当摇摆机构快摆到极限位置，套筒上锥筒的末端进入对射区域，挡住射线，由光电开关给出一个脉冲信号，停止电机转动，防止碰撞，撞伤摇摆机构。下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。双向摇摆机构的性能试验装置的支撑框架由上板1、底板3和若干根柱子2组成，如图1。在底板3的中间设计有施力装置，安装好后与摇摆机构形成力的闭环。在支撑框架的左边设计有驱动系统，连接摇摆机构。驱动系统的动力通过联轴器13传递到转动轴14上，用螺栓将联轴柄15抱死在传动轴14上，再将动力通过摆杆机构传递到摇摆机构上。将加热灯18安装在上板I上，光线由上往下照射摇摆机构的局部位置进行加热。这种结构的优点有将施加的负载力回路与驱动力的传递线路不重叠，两者之间不重叠可以减小系统结构强度和其它附带要考虑的问题。摇摆试验系统的机械框架设计有上板和底板及其连接它们的四根柱子，主要作用是承受负载力，目的是作为过度环节将负载力传递回摇摆机构，形成力的闭合回路。施力装置置于摇摆机构的内部，且能够绕摇摆机构的旋转轴线摆动。施力装置由摆动轴5、支撑套6、导向轴8、弹簧7、BK-4B500轮辐式力传感器9、长螺栓10、施力板11组成，如图2。将施力结构的摆动中心布置在摇摆机构的摆动中心，摆动轴5的两边装有两个轴承，用于转动和传递摆动时的负载力；弹簧7的中间装有导向轴8，插入支撑套6的孔中，摆动时起定位和保护作用，防止弹簧7蹦出；最上边安装的BK-4B500轮辐式力传感器9进行摆动时的实时测力，将力传感器9布置在最顶部，避免加热时影响其工作，能够实时测量施加的负载力。施力装置通过拧紧长螺栓10，压缩弹簧产生对摇摆机构施加负载力。弹簧为φ8χ50χ85，材料为65Si2MnWA，压缩行程为20 mm可产生2500 N，极限压力为4625N。驱动装置的动力源采用步进电机12和行星轮减速机13。步进电机12可以达到20Nm的启动力矩，转速可调，且转动精度高，且能够实现反馈控制；行星轮减速机13的减速 比为9，精度高，两者配合可以达到ISONm的驱动力矩。步进电机12具有结构简单，控制精度高，与液压系统相比其成本小，系统不需要维护，只需要简单的保养，占用空间小等优点。为模仿摇摆机构工作时的环境，考核摇摆机构20中轴的强度及其涂层，需要对摇摆机构20的转轴处加热，加热温度控制在100-200°C。选择功率为200W的红外线石英短波辐射器作为加热元件，根据抛物线焦点出射的线经过抛物线反射后出射平行线的原理，设计一个灯罩，灯出射的红外型进过灯罩反射后，平行射出照射到加热面上对加热体加热。加热灯19具有结构简单，功率密度大，使用方便，空间小等优点。可以将热电偶插在摇摆机构的紧定销孔中，用胶带粘上。热电偶的测温和加热器通过控制系统的控制形成闭合的控制系统。由于系统结构设计的特点，为防止误操作和发生意外，摇摆机构的锥筒可能撞到系统的施力柱上，需要设计防碰撞装置。根据摇摆机构安装到摇摆试验系统上摇摆的特点，通过研究摇摆机构的摇摆走过的轨迹，确定在与转轴垂直方向的极限位置设计两个对射的光电开关，当摇摆机构快摆到极限位置，套筒上锥筒的末端进入对射区域，挡住射线，由光电开关给出一个脉冲信号，停止电机转动，防止碰撞，撞伤摇摆机构。控制系统是本系统的控制中心，负责本系统的全部控制操作，如图5所示，其中涂层加热部分的要求较高，控制也较为复杂。加热部分的温度控制过程采用了 PID控制方式，同时结合系统实际状况采取了一些针对性的控制方案，确保被控参数的控制精度。以过零式可控硅为例，基本控制原理见图6所示。由于计算机是通过软件实现其控制算法，必须对模拟调节器进行离散化处理，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，不能对积分和微分项直接准确计算，只能用数值计算的方法逼近，用离散的差分方程来代替连续的微分方程，因此采用了数字PID增量公式为数学模型，以采样时刻的偏差(偏差=目标温度给定值一温度反馈值)计算控制量与上一时刻控制量的累加，并输出到过零可控硅，从而温度趋近给定值，满足控制精度要求。PID增量按下公式计算
PID 增量=Kp [e (k) -e (k~l) ] +Kxe (k) +Kd [e (k) ~2e (k~l) +e (k~2)]简写为PID增量=Ae(k)-Be(k-l)+Ce(k-2)式中
权利要求
1.一种双向摇摆机构的性能试验装置，包括支撑框架、施力装置、驱动系统和加热灯，其特征在于所述的支撑框架包括上板和底板，相互之间通过柱子连接，上板为圆环，中间固定摇摆机构，底板上安装施力装置，所述的施力装置置于摇摆机构的内部，且能够绕摇摆机构的旋转轴线摆动，施力装置包括支撑套、导向轴、弹簧、力传感器、施力板和底座；支撑套两端开孔，上端开孔中通过导向轴连接施力板，施力板通过螺栓连接摇摆机构，施力板与摇摆机构之间安装力传感器，导向轴外围同轴压紧有弹簧，支撑套的下端开孔通过摆动轴连接竖直放置的支撑柱；所述的驱动系统包括电机、联轴器、转动轴、联轴柄和端面齿柄，电机通过联轴器连接转动轴的一端，转动轴的另一端通过联轴柄连接端面齿柄，端面齿柄连接在摇摆机构的端面齿上；驱动系统的作用方向垂直于施力装置的作用方向；加热灯安装上板上，光线由上往下照射摇摆机构的转轴进行加热。
2.根据权利要求1所述的双向摇摆机构的性能试验装置，其特征在于所述的加热灯的位置低于力传感器。
3.根据权利要求1所述的双向摇摆机构的性能试验装置，其特征在于所述的加热灯选用功率为200W的红外线石英短波辐射器，灯出射的红外型进过灯罩反射后，平行射出照射摇摆机构。
4.根据权利要求1所述的双向摇摆机构的性能试验装置，其特征在于所述的摇摆机构转轴或摇摆机构的紧定销孔中粘贴热电偶，热电偶的测温和加热器反馈给控制系统，控制加热灯。
5.根据权利要求1所述的双向摇摆机构的性能试验装置，其特征在于所述的电机为步进电机。
6.根据权利要求1所述的双向摇摆机构的性能试验装置，其特征在于所述的摇摆机构摆动的极限位置上安装有对射光电开关，通过控制系统关断电机。
全文摘要
本发明提供了一种双向摇摆机构的性能试验装置，包括支撑框架、施力装置、驱动系统和加热灯，将摇摆试验系统的整体结构设计为具有一个方向的旋转自由度，施力结构置于摇摆机构的内部，且能够绕与摇摆机构旋转轴同轴的轴线摆动。能够通过手动调整换向满足摇摆机构两个方向摇摆试验；采用步进电机驱动摇摆机构摆动，使用石英红外线短波辐射器加热摇摆机构的转动轴。本发明功能多、结构紧凑、精度高、强度好、操作方便、安全可靠。
文档编号G01M15/00GK103018048SQ20121052000
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月3日 优先权日2012年12月3日
发明者许静, 郝贵欣, 李华, 张华 , 董飞, 梁宝恩, 高建平 申请人:西安航天发动机厂