一种一体化直驱式动态负压发生装置及其装配方法和应用

1.本发明属于临近空间飞行器半实物大气环境仿真模拟领域，更具体地，涉及一种一体化直驱式动态负压发生装置及其装配方法和应用。


背景技术：

2.随着国家科技的发展，各国拓宽拓广了海、陆、空的探索和信息系统建设，临近空间(距地面20～100km的空域)被纳入发展的增长点之一。然而，全实物试验需要耗费大量的人力、物力，实现难度高。大气仿真模拟设备的成功研发能为高空飞行器的试验环节提供基础条件，大幅度降低试验成本。
3.高空气压环境对飞行器的高空性能有着决定性影响，要求大气仿真模拟设备具有较高的模拟精度。目前，某些飞行器的最高飞行高度为30km，气压环境低至1.17kpa，飞行器在飞行过程中会经过0～30km高度，飞行器所处的压力环境随着高度增加而降低，且不同高度的气压具有时变性。1kpa以下高精度、高动态负压动态伺服控制技术的攻关有助于推进面向更高空间(距地面30km以上的空域)的飞行器研究。因此，大范围、高精度、高动态的负压发生器是大气仿真模拟设备的关键组成。
4.大气仿真模拟设备通常采用较为成熟的基于定容积原理的负压伺服装置，例如专利cn 201710817585.x提供了一种高动态大气环境模拟系统及两回路控制方法，该系统以电-气比例阀为控制元件，以环境压力为正压源，以真空泵为负压源，通过对定容积容腔抽、充气，进而改变定容积容腔的气体密度，从而产生负压信号。因为动态跟踪过程通过抽、充气控制定容积被控腔压力，会受到真空泵抽气能力不足以及气体在管道流动受到管路动态特性的影响，因而基于定容积原理的负压伺服装置无法在较低的压力点产生高动态、高精度的负压信号，最低只能达到1kpa的负压信号。
5.基于变容积原理的负压伺服装置目前处于研究阶段，例如专利cn201811542870.6提供了一种基于对称气缸的动态负压伺服控制系统与方法，基于变容积原理的负压伺服装置以电机为控制元件，在被控腔气体总量不变的情况下，通过电机驱动活塞组件移动，缩小或扩大被控腔的容积，从而在被控腔产生动态负压信号。然而，由于其结构复杂，伺服电机、滚珠丝杠、对称缸、位移传感器、位移控制器等部件需要一一手动安装在实验台上，导致装配难度大；其采用滚珠丝杆将电机的转动转换为对称缸活塞的移动，系统存在较大转动惯量，系统的动态性能较差，从而出现较大的相位滞后，其活塞组件和对称缸体内壁存在较大的静摩擦，导致其容易出现削顶现象，因而模拟的动态负压信号波形较差，精度较低，负压信号无法达到1kpa以下。
6.因此，亟需一种大范围、高精度的面向临近空间飞行器的动态负压发生装置，为临近空间飞行器的半实物仿真环节提供进一步技术支持。


技术实现要素：

7.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种一体化直驱式动态负压
发生装置及其装配方法和应用，由此解决现有负压伺服技术存在的负压模拟范围局限于1kpa压力以上、系统动态性能差、装配难度高的技术问题。
8.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了以下技术方案：
9.一种一体化直驱式动态负压发生装置，包括：回弹式位移传感器、缸体、气缸活塞、气缸端盖、音圈电机线圈动子、音圈电机磁钢定子、法兰连接座、发生器固定座和活塞杆，其中，
10.所述气缸端盖密封封盖在所述缸体右端，所述缸体的右端外周的第一凸台与所述气缸端盖外周的第二凸台固连并通过二者之间拐角接触面实现所述缸体与所述气缸端盖之间的定位；所述活塞杆的左端依次穿过所述气缸端盖、设置于所述缸体内的所述气缸活塞、所述缸体左端面后与所述回弹式位移传感器对接；所述活塞杆的右端与所述音圈电机线圈动子固连，所述音圈电机线圈动子可移动地设置于所述音圈电机磁钢定子上，所述音圈电机磁钢定子固定于所述法兰连接座内部，所述法兰连接座左侧开口、左侧外周设有第三凸台，所述第三凸台固连于所述第二凸台右侧外周的直角环形缺口内并通过二者之间拐角接触面实现所述法兰连接座与所述气缸端盖之间的定位；所述发生器固定座固连于所述第三凸台右下侧；
11.所述回弹式位移传感器、所述活塞杆、所述音圈电机线圈动子和所述音圈电机磁钢定子的中心轴重合；在所述缸体内所述气缸活塞左侧的腔体即左腔相对右侧的腔体即右腔密封，所述左腔和所述右腔均相对所述缸体外部环境密封；所述左腔和所述右腔的腔壁上各设有用以连通外部回路的通气孔。
12.优选地，上述一体化直驱式动态负压发生装置，还包括设有第一通孔的传感器固定座，所述传感器固定座固定在所述缸体左侧，所述回弹式位移传感器的右端穿入所述第一通孔，其弧形凸面与穿入所述第一通孔的所述活塞杆的左端的弧形凹面配合，以对所述回弹式位移传感器定位。
13.优选地，上述一体化直驱式动态负压发生装置，还包括法兰连接件，所述活塞杆的右端通过所述法兰连接件与所述音圈电机线圈动子固连。
14.优选地，上述一体化直驱式动态负压发生装置，还包括均设置于所述气缸端盖与所述活塞杆之间的第一导向环和密封盖，所述密封盖压紧所述第一导向环固定在所述气缸端盖右侧。
15.优选地，所述音圈电机磁钢定子与所述法兰连接座间隙配合；所述法兰连接座与所述气缸端盖间隙配合；所述气缸端盖与所述缸体间隙配合；所述缸体与所述活塞间隙配合；所述活塞与所述活塞杆间隙配合，二者之间轴肩定位；所述活塞杆与所述缸体间隙配合；所述活塞杆与所述气缸端盖间隙配合；所述活塞杆与所述法兰连接件间隙配合；所述活塞杆与所述活塞杆间隙配合。
16.优选地，所述缸体和所述活塞杆均采用不锈钢材料制成，所述气缸活塞和所述法兰连接件均采用铝合金材料制成，所述传感器固定座采用尼龙材料制成。
17.按照本发明的另一方面，还提供了以下技术方案：
18.一种一体化直驱式动态负压发生装置的装配方法，包括如下步骤：
19.(s1)气缸活塞通过活塞杆轴肩定位后二者固连，构成活塞组件；将活塞组件从缸体右端装配入缸体内，然后将气缸端盖密封封盖在缸体右端；
20.(s2)将音圈电机磁钢定子连同音圈电机线圈动子固定在法兰连接座内，音圈电机线圈动子与活塞杆右端固连，完成音圈电机装配；
21.(s3)将回弹式位移传感器固定在缸体左侧，其右端通过弧形凸面与活塞杆左端的弧形凹槽配合定位对接；发生器固定座通过法兰连接座左侧外周的第三凸台定位，最后将气缸端盖、法兰连接座和发生器固定座相连接。
22.按照本发明的另一方面，还提供了以下技术方案：
23.一种基于一体化直驱式动态负压发生装置的负压伺服系统，包括：包括工控机、上述一体化直驱式动态负压发生装置和外部回路，其中，
24.所述外部回路包括右支路开关阀、左支路开关阀、右支路压力传感器、左支路压力传感器、主路开关阀和电-气比例阀，所述右支路开关阀的一端连通所述一体化直驱式动态负压发生装置的右腔通气孔、另一端连接主路开关阀的一端，所述左支路开关阀的一端连通所述一体化直驱式动态负压发生装置的左腔通气孔、另一端连接所述主路开关阀的一端，所述主路开关阀的另一端连接所述电-气比例阀的第一端，所述电-气比例阀的第二端连接正压源、第三端连接负压源；
25.所述音圈电机线圈动子、所述右支路开关阀、所述左支路开关阀、所述主路开关阀、所述电-气比例阀均通过采集板的d/a通道与所述工控机连接；
26.所述右支路压力传感器用于测量所述右腔压力，所述左支路压力传感器用于测量所述左腔压力；所述回弹式位移传感器、所述右支路压力传感器和所述左支路压力传感器均通过采集板的a/d通道与所述工控机连接。
27.按照本发明的另一方面，还提供了以下技术方案：
28.上述负压伺服系统产生动态负压信号的方法，包括如下步骤：
29.(t1)开启左支路开关阀、右支路开关阀、主路开关阀，电-气比例阀通过正压源连通大气环境，所述左腔和所述右腔处于连通状态、均连通大气环境；以音圈电机线圈动子为控制元件，回弹式位移传感器提供反馈信号，初始化气缸活塞至中位；
30.(t2)保持左支路开关阀、右支路开关阀、主路开关阀状态不变，右支路压力传感器或左支路压力传感器提供反馈信号，通过控制电-气比例阀的阀口开度初始化左、右腔压力；
31.(t3)关闭左支路开关阀、右支路开关阀、主路开关阀，左、右腔处于隔断状态；以音圈电机线圈动子为控制元件，驱动气缸活塞，使得左腔在初始化压力附近产生动态负压信号。
32.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
33.1、本发明提供的一体化直驱式动态负压发生装置，通过缸体、气缸端盖、法兰连接座、发生器固定座的结构上的创新设计，以及与回弹式位移传感器、气缸活塞、活塞杆、音圈电机线圈动子、音圈电机磁钢定子各部件之间连接关系的一体化创新设计，实现了基于变容积原理的直驱式动态负压发生装置，以音圈电机(音圈电机线圈动子、音圈电机磁钢定子)为控制元件，直接驱动活塞组件(气缸活塞、活塞杆)平移，使得被控腔(缸体内左腔)的容积缩小或扩大，从而使被控腔在初始压力附近产生动态负压信号；本发明被控腔压力调整产生负压信号的过程与正压源、负压源均无关，不涉及抽、充气的过程，有效避免了真空
泵抽气能力不足、抽/充气过程不对称、管路动态特性干扰等因素的影响，因而能够在更低的负压偏置点(0.5kpa，幅值0.2kpa)产生动态负压信号，具有大范围、高精度、高动态三大特点；
34.2、本发明提供的一体化直驱式动态负压发生装置，通过音圈电机直接驱动活塞组件，避免传动结构引入较大的转动惯量，提高了装置的动态性能；装置整体一体化设计，装置装配好即可保证回弹式位移传感器、活塞杆、音圈电机线圈动子、音圈电机磁钢定子的中心轴同轴，保证了控制元件、执行器、传感器的位置精度和配合精度，实验时将整个装置直接通过发生器固定座安装在实验台上即可，降低了系统的装配难度；
35.3、本发明提供的一体化直驱式动态负压发生装置，通过传感器固定座固定回弹式位移传感器，回弹式位移传感器与活塞杆左端通过弧形凸面和弧形凹槽的配合实现定位，提高了装置的定位精度，降低了装配难度；
36.4、本发明提供的一体化直驱式动态负压发生装置，由于在满足密封要求的前提下直接将第一导向环装配入气缸端盖与活塞杆之间装配难度太高，因而设计密封盖，将第一导向环装入后利用密封盖压紧固定，降低第一导向环装配难度；
37.5、本发明提供的一体化直驱式动态负压发生装置，通过各部件之间的间隙配合关系，保证部件定位精度、装配精度的情况下降低装置装配难度；
38.6、本发明提供的一体化直驱式动态负压发生装置，缸体和活塞杆均采用不锈钢材料制成，以保证缸体和活塞杆的刚度；气缸活塞和法兰连接件均采用铝合金材料制成，以提高动态性能，减小移动组件的惯量；传感器固定座采用尼龙材料制成，以保证回弹式位移传感器的测量精度，避免回弹式位移传感器和缸体导电；
39.7、本发明提供的一体化直驱式动态负压发生装置的装配方法，首先装配好活塞组件、气缸端盖，然后装配音圈电机，最后装配好回弹式位移传感器，定位发生器固定座，将气缸端盖、法兰连接座和发生器固定座相连接。装配好后实验时直接将装置整体通过定位发生器固定座固定在实验台上即可使用，整体装配简单、实用；
40.8、本发明提供的基于一体化直驱式动态负压发生装置的负压伺服系统，通过工控机控制音圈电机、外部回路中各阀门组件(右支路开关阀、左支路开关阀、主路开关阀、电-气比例阀)，以及回弹式位移传感器和外部回路中压力传感器(右支路压力传感器和左支路压力传感器)，实现了基于变容积原理的直驱式动态负压发生方式，以音圈电机为控制元件，直接驱动活塞组件平移，使得被控腔的容积缩小或扩大，从而使被控腔在初始压力附近产生动态负压信号；能够在更低的负压偏置点(0.5kpa，幅值0.2kpa)产生动态负压信号，具有大范围、高精度、高动态三大特点。
附图说明
41.图1是本发明较佳实施例中一种面向临近空间飞行器的一体化直驱式动态负压发生装置的结构示意图；
42.图2是本发明较佳实施例中基于一体化直驱式动态负压发生装置的负压伺服系统工作原理图。
43.在所有的附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
44.1、回弹式位移传感器；2、传感器固定座；3、缸体；4、气缸活塞；5、气缸端盖；6、音圈
电机线圈动子；7、音圈电机磁钢定子；8、法兰连接座；9、法兰连接件；10、发生器固定座；11、密封盖；12、活塞杆；13、工控机；14、一体化直驱式动态负压发生装置；15、右支路开关阀；16、左支路开关阀；17、右支路压力传感器；18、左支路压力传感器；19、主路开关阀；20、电-气比例阀；21、正压源；22、负压源。
具体实施方式
45.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
46.需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
47.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
48.如图1所示，本发明实施例提供一种面向临近空间飞行器的一体化直驱式动态负压发生装置，包括回弹式位移传感器1、传感器固定座2、缸体3、气缸活塞4、气缸端盖5、音圈电机线圈动子6、音圈电机磁钢定子7、法兰连接座8、法兰连接件9、发生器固定座10、密封盖11和活塞杆12。
49.气缸端盖5密封封盖在缸体3右端，缸体3的右端外周的第一凸台与气缸端盖5外周的第二凸台固连并通过二者之间拐角接触面实现缸体3与气缸端盖5之间的定位；活塞杆12的左端依次穿过气缸端盖5、设置于缸体3内的气缸活塞4、缸体3左端面后与回弹式位移传感器1对接；活塞杆12的右端通过法兰连接件9与音圈电机线圈动子6固连，音圈电机线圈动子6可移动地设置于音圈电机磁钢定子7上，音圈电机磁钢定子7固定于法兰连接座8内部，法兰连接座8左侧开口、左侧外周设有第三凸台，第三凸台固连于第二凸台右侧外周的直角环形缺口内并通过二者之间拐角接触面实现法兰连接座8与气缸端盖5之间的定位；发生器固定座10固连于第三凸台右下侧。
50.传感器固定座2固定在缸体3左侧，回弹式位移传感器1的右端穿入第一通孔，其弧形凸面与穿入第一通孔的活塞杆12的左端的弧形凹面配合，以便于回弹式位移传感器1的回弹杆定位。活塞杆12设有轴肩与法兰连接件9的阶梯孔间隙配合并通过螺纹连接。
51.密封盖11压紧第一导向环固定在气缸端盖5右侧。由于气缸端盖5设有的密封沟直径较小、距离端面较深，难以安装第一导向环，本发明使用密封盖11固定方式。
52.回弹式位移传感器1、活塞杆12、音圈电机线圈动子6和音圈电机磁钢定子7的中心轴重合；在缸体3内气缸活塞4左侧的腔体即左腔相对右侧的腔体即右腔密封，左腔和右腔均相对缸体3外部环境密封；左腔和右腔的腔壁上各设有通气孔，使得左腔和右腔的气体从
通气孔进入外设回路。
53.磁钢定子7与法兰连接座8间隙配合，通过螺钉连接；法兰连接座8与气缸端盖5间隙配合，通过螺栓连接；缸体3与气缸端盖5间隙配合，通过螺钉连接；活塞4与缸体3间隙配合；活塞杆12与活塞4间隙配合，轴肩定位，通过螺母固定活塞4；活塞杆12与缸体3间隙配合，与端盖5间隙配合；法兰连接件9与活塞杆12间隙配合，通过螺母固定活塞杆12，并通过螺栓与线圈动子6连接；传感器固定座2与缸体3螺纹连接，与活塞杆12间隙配合；回弹式位移传感器1与传感器固定座2螺纹连接，通过回弹式位移传感器1的弧形凸起与活塞杆12的弧形凹面配合定位；从而实现装置一体化设计。
54.为了防止装置的内泄和外泄漏，气缸活塞4中间设有格莱圈，实现左、右腔的密封；气缸活塞4两侧设有导向环，避免活塞运动“卡死”，活塞4设有密封沟槽和与活塞杆12轴肩间隙配合的阶梯孔；缸体3端部设有动密封沟槽、斯特封，实现缸体和活塞杆的动密封；气缸端盖5内孔设有密封沟槽、斯特封，实现端盖和活塞杆的动密封；气缸端盖5外圈设有o型圈，实现缸体3与气缸端盖5的静密封。
55.为了保证缸体3耐磨性和容积气缸活塞杆12的刚度，所述缸体3和活塞杆12采用316不锈钢材料制成。为了提高动态性能，减小移动组件的惯量，气缸活塞4、法兰连接件9采用6061铝合金材料制成。保证回弹式位移传感器1的测量精度，避免回弹式位移传感器1和缸体3导电，传感器固定座2采用尼龙材料制成。
56.该一体化直驱式动态负压发生装置通过发生器固定座10固定于实验台，通过音圈电机驱动活塞组件，使得被控腔缩小或扩大，从而产生高精度动态模拟压力。
57.本发明实施例提供上述面向临近空间飞行器的一体化直驱式动态负压发生装置的装配方法如下：
58.步骤1：气缸活塞4通过活塞杆12轴肩定位，通过螺母进行固定，完成活塞组件的装配；将活塞组件与缸体3装配，接着安装气缸端盖5，最后安装密封盖11对导向环进行固定，至此完成变容积气缸的装配。
59.步骤2：将音圈电机磁钢定子7连同音圈电机线圈动子6固定在法兰连接座8内，音圈电机线圈动子6通过法兰连接件9与活塞杆12相连，完成音圈电机装配。
60.步骤3：将回弹式位移传感器1通过传感器固定座2固定在缸体3上，发生器固定座10通过法兰连接座8的凸台(即第三凸台)定位，最后通过螺栓连接气缸端盖5、法兰连接座8、发生器固定座10，最终完成一种面向临近空间飞行器的一体化直驱式动态负压发生装置的装配。
61.本发明实施例提供利用上述面向临近空间飞行器的一体化直驱式动态负压发生装置产生动态负压信号的方法如下：
62.步骤s1：提供一种面向临近空间飞行器的一体化直驱式动态负压发生装置，按照预定要求固定在实验台；
63.步骤s2：根据实际需求将设备接入外部回路，搭建基于一体化直驱式动态负压发生装置的负压伺服系统；
64.步骤s3：初始化活塞组件至中位；
65.步骤s4：以真空泵为负压源、环境压力为正压源，配合电-气比例阀，完成压力初始化；
66.步骤s5：以音圈电机为控制元件，驱动活塞组件，使得被控腔的容积缩小或扩大，从而使被控腔在初始压力附近产生动态负压信号。
67.需要注意的是，为了避免缸体导电影响传感器的测量精度，本装置要求安装在绝缘的实验台上。由于磁钢定子具有强磁特性，本装置要求实验台远离铁、钴、镍等物质以及其合金制成的零部件。
68.如图2所示，本发明实施例还提供了一种基于一体化直驱式动态负压发生装置的负压伺服系统。该负压伺服系统包括工控机13、本发明面向临近空间飞行器的一体化直驱式动态负压发生装置14以及外部回路三部分。外部回路主要由左右支路、主路组成，左支路通过气管依次连接一体化直驱式动态负压发生装置14的左腔的气管接头、左支路开关阀16以及左支路压力传感器18；右支路通过气管依次连接一体化直驱式动态负压发生装置14的右腔的气管接头、右支路开关阀15以及右支路压力传感器17；左右支路与主路相连，依次连接主路开关阀19和电-气比例阀20；电-气比例阀20分别连接正压源21和负压源22。一体化直驱式动态负压发生装置14中的音圈电机、右支路开关阀15、左支路开关阀16、主路开关阀19、电-气比例阀20通过采集板的d/a通道与工控机13连接；一体化直驱式动态负压发生装置14中的回弹式位移传感器、右支路压力传感器17、左支路压力传感器18通过采集板的a/d通道与工控机13连接。
69.基于上述负压伺服系统产生动态负压信号包括如下步骤：
70.步骤s1：开启左支路开关阀16、右支路开关阀15、主路开关阀19，电-气比例阀20左移通过正压源21连通大气环境，本发明一体化直驱式动态负压发生装置的左、右腔处于连通状态，均连通大气环境，以本发明一体化直驱式动态负压发生装置14中的音圈电机为控制元件，回弹式位移传感器1提供反馈信号，初始化活塞组件至中位，即活塞位于缸体内中间位置，左右腔容积相同；
71.步骤s2：保持左支路开关阀16、右支路开关阀15、主路开关阀19状态不变，右支路压力传感器17或左支路压力传感器18提供反馈信号，通过控制电-气比例阀20的阀口开度初始化左、右腔压力；初始化的左、右腔压力根据实际需求预设；
72.步骤s3：关闭右支路开关阀15、左支路开关阀16、主路开关阀19，本发明装置的左、右腔处于隔断状态。以一体化直驱式动态负压发生装置14中的音圈电机为控制元件，驱动活塞组件，使得被控腔的容积缩小或扩大，从而在被控腔在初始压力附近产生动态负压信号。
73.本发明实施例提供的负压伺服系统，使用前，通过外部回路使气缸的左、右腔处于连通状态，以电-气比例阀为控制元件，通过改变腔内气体密度，完成压力初始化；使用时，通过外设回路，使左、右腔处于不连通状态，音圈电机驱动活塞组件，使得被控腔容积缩小或扩大，从而使被控腔产生动态负压信号。
74.本发明一体化直驱式动态负压发生装置14的一体化设计在设计环节和加工环节保证了位置精度和配合精度，降低了系统的装配难度；基于变容积原理，被控腔压力调整产生负压信号的过程与正压源、负压源均无关，不涉及抽、充气的过程，因而能够在较低的压力点产生高动态、高精度的负压信号，在低负压偏置点具有较好性能；通过音圈电机线圈动子6直接驱动活塞组件，避免传动结构引入较大的转动惯量，提高了装置的动态性能；相对于现有的负压伺服发生器，本发明有效避免了真空泵抽气能力不足、抽/充气过程不对称、
管路动态特性干扰等因素的影响，能在更低的负压偏置点(负压偏置点0.5kpa，幅度0.2kpa)产生大范围、高精度、高动态压力信号，具有装配难度低、动态性能好等优点，适用于低负压范围的大范围、高精度、高动态压力模拟。
75.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。