CN102692312B - 一种大气边界层风洞的准三维自动测量系统 - Google Patents

Abstract

一种大气边界层风洞的准三维自动测量系统，它涉及一种准三维自动测量系统。本发明为了解决现有的大型风洞移动控制设备种类较少，结构复杂，且自动设备多由国外进口，成本高昂，不便于推广应用，而自有设备多为手动控制，无法实现测速杆连续多点测量和自动移动的问题。本发明包括前后移动装置和上下移动装置，上下移动装置设置在前后移动装置内，第一前后移动机构和第二前后移动并列设置在前后移动支架两侧，上下移动支架设置在前后移动支架内，第一上下移动机构和第二上下移动机构并列设置在上下移动支架的两侧。支持框架长度调节件和测量杆支持机构长度调节件在一定范围内长度可调，并可进行一定程度的调平。本发明适用于风洞的自动测量。

Description

一种大气边界层风洞的准三维自动测量系统

技术领域

本发明涉及一种准三维自动测量系统，具体涉及一种大气边界层风洞的准三维自动测量系统。

背景技术

风洞，是能人工产生和控制气流，以模拟物体周围气体的流动，并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象的一种管道状实验设备，它是进行空气动力实验最常用、最有效的工具。随着工业空气动力学的发展，低速风洞(风洞实验段气流的马赫数M小于0.4的风洞)在交通运输、房屋建筑、风能利用和环境保护等部门中也得到越来越广泛的应用。风洞实验时，常将模型或实物固定在风洞内，使气体流过模型，通过测量模型及模型周围相关参数得到对模型原型的实验评价。该方法模型周围流动条件容易控制，可重复地、相对经济地取得实验数据。

风洞试验中，数据的采集对于实验过程以及实验结果分析最为重要。目前，国内风洞中普遍应用的有：电子扫描阀、热线风速仪、LDV（激光多普勒风速计）、PIV(粒子图像测速技术)、皮托管、分力天平、位移传感器等。其中，风速相关的测量主要使用热线风速仪、PIV、和皮托管等，而相应的测量控制设备以机械手动式居多，这直接导致某些大型风洞中风速测量系统无法快速高效地进行风场的测量，这对风洞的应用造成了严重阻碍。

以下为现有的风洞自动测量系统的现有技术：

1）以哈尔滨工业大学风洞与浪槽实验室为例，其中使用MULTICHANNEL热线风速仪测量平均风速，风速剖面，湍流度等参数。但由于配套的测量控制系统结构单一、全手动操作且仅提供一个测点的定位等因素，造成该仪器系统在应用时存在很大缺陷。该测量设备在风洞的一次开闭过程中，只能完成一个固定位置点的测量。若进行一组测点的试验测试，就需要反复启停风洞，在风机停止后由实验人员进入风洞内调整测点位置，并需要额外的多次重复试验才能得到多个测点的可信测试信息。这不仅造成巨大的能源、时间浪费及设备消耗，而且会造成一些难以避免的实验误差，甚至影响整个实验风速测量的水平。而且对于复杂的风场测量几乎无法实现，这直接制约了该风洞在需要复杂风场测量领域的应用，所造成的直接和间接损失巨大。

2)汕头大学大气边界层风洞移测架使用情况。汕头大学风洞型式为单回流闭口双实验段，配备一台三自由度压力移测架，采用直角坐标形式，测量基本参数为总压、静压、大气压,模型压力分布和力、力矩系数等。可对实验段中设计范围内任意点进行压力移测。 但该设备对于低风速风洞来说，投入资金太大。

3)英国萨里大学配备有工业用风洞一座，该风洞中使用的移测架可以使试验模型垂直移动。这方便某些特殊工业产品的风洞试验，但该移动测量控制系统结构复杂，造价高昂。

4)F.C.Pye Laboratory里的风洞中安装的移测架，完全采用电脑控制，用XYZ协调系统可随时采集、分析和处理数据，且结构选用流线型以来减小对风的阻力。同样，该套系统造价高昂。

5)江苏技术学院研制出一种风洞单一自由度移测架及其测控系统，可自动控制测量风洞流场截面上下各点的流场流速。该成果控制精度高、刚度好、可靠性高，实现了移测架系统的自动化控制。但该测控系统只能完成单一自由度的测量，距全场自动测量的目标还有一定距离，且由于整体设备位于风洞中心区域，结构所受风的作用力很大，对于丝杆和滑杆的定位要求以及移测架上托架和固定探针的夹具的钢度要求较高，造价随之增高。

6）中国航空工业空气动力研究院研制了一种大型风洞移动测量装置及其安装调试方法。该装置使用移动测量耙，并配备可移动的工装架，移动测量耙可上下移动。但其缺点是仅可进行一维移动，完成准二维的测量，且主要在高速风洞中使用。

此外，在一些小型风洞中较广泛使用三坐标测量机，是60年代后期发展起来的一种高效率的精密测量仪器。它广泛应用于机械、电子、汽车、飞机等工业部门中。由于其具有高准确度、高效率、测量范围大的优点，已成为几何量测量仪器的一个主要发展方向。主要有悬臂式、桥式、龙门式。但该类设备测量行程较小，仅适用于小型风洞，在大型风洞中无法使用。

综上可知，现有的大型风洞移动控制设备种类较少，结构复杂，且自动设备多由国外进口，成本高昂，不便于推广应用，而自有设备多为手动控制，无法实现测速杆的连续多点测量和自动移动。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的大型风洞移动控制设备种类较少，结构复杂，且自动设备多由国外进口，成本高昂，不便于推广应用，而自有设备多为手动控制，无法实现测速杆的连续多点测量和自动移动的问题，进而提供一种大气边界层风洞的准三维自动测量系统。

本发明的技术方案是：一种大气边界层风洞的准三维自动测量系统包括前后移动装置和上下移动装置，上下移动装置设置在前后移动装置内，

前后移动装置包括前后移动支架、第一前后移动机构、第二前后移动机构、滑动机构、第二前后移动齿轮轴和两个前后移动轴承座，第一前后移动机构和第二前后移动机构并列 设置在前后移动支架上，第一前后移动机构和第二前后移动机构均包括前后移动伺服电机、第一前后移动齿轮轴、前后移动横梁、第一前后移动行程开关、第二前后移动行程开关、第一丝母、第二丝母和前后移动丝杆，前后移动伺服电机设置在前后移动支架的下端，前后移动伺服电机的输出端与第一前后移动齿轮轴和前后移动丝杆依次连接，前后移动横梁设置在第一前后移动齿轮轴上，第一前后移动行程开关设置在前后移动丝杆上，第二前后移动行程开关设置在前后移动丝杆的末端，第一丝母和第二丝母并列设置在第一前后移动行程开关和第二前后移动行程开关之间的前后移动丝杆上，第二前后移动齿轮轴设置在第一前后移动机构和第二前后移动机构之间，且第二前后移动齿轮轴两端的齿轮分别与第一前后移动机构和第二前后移动机构的第一前后移动齿轮轴的齿轮相啮合，滑动机构包括两个直线滑轨和两个滑块，两个直线滑轨分别固装在前后移动支架的上部，每个滑块滑动安装在一个直线滑轨上，上下移动装置包括上下移动支架、第一上下移动机构、第二上下移动机构、两个连接杆、两个上下移动轴承座和上下移动横梁，上下移动支架设置在前后移动支架内，且上下移动支架的两端与滑块固接，第一上下移动机构和第二上下移动机构并列设置在上下移动支架的两侧，上下移动横梁设置在上下移动支架的上部，第一上下移动机构和第二上下移动机构均包括上下移动齿轮轴、上下移动伺服电机、上下移动齿轮、上下移动丝杆、第一上下移动行程开关和第二上下移动行程开关，上下移动齿轮轴设置在上下移动横梁的上方，上下移动齿轮轴的左端设有两个齿轮，上下移动齿轮轴的右端设有一个齿轮，上下移动伺服电机固装在上下移动支架的上端，上下移动齿轮设置在上下移动伺服电机输出端上，上下移动齿轮与上下移动齿轮轴左端的一个齿轮相啮合，上下移动丝杆与上下移动齿轮轴左端的另一个齿轮相啮合，第一上下移动行程开关和第二上下移动行程开关由上至下依次设置在上下移动丝杆上，且第一上下移动行程开关位于上下移动横梁的下方，两个上下移动轴承座分别设置在上下移动横梁上，并支撑上下移动齿轮轴，每个连接杆的一端固装在上下移动支架上，每个连接杆的另一端固装在第一丝母上，上下移动支架的底端固装在第二丝母上。

本发明与现有技术相比具有以下效果：1.本发明的测量控制系统具有成本低、扩展性好、可移植性好、可组装和对风场影响小的特点。本发明支持采用压力扫描阀、热线风速仪及PIV三种测量设备作为数据采集仪器，在测量时使用电机伺服系统实现测量杆的二维自动移动，搭配测量杆上测量设备的布置，可以达到准三维的测量控制需求，从而达到一次风洞启停即可测量一个或多个断面风速的功能。2.本发明能够满足风洞试验对于风速场精确快速测量的要求，替代某些大气边界层风洞中所使用的手动测量装置，实现对风洞目 标数据的自动化定位测量，既能大为简化风洞试验数据测量的控制操作步骤，更能大量节省试验时间，避免风洞试验时人工操作的不便及频繁启停所造成的能源浪费，具有很好的节能性。同时，本发明不仅实现了风洞实验中的对风速场的快速自动测量定位，还因试验过程中不启停风洞而保证风洞中风场的一致性，从而达到更好的的测量精度。3.本发明的有益效果具体体现在以下几点：

①能够实现布置有测量装置的测量杆的前后、上下的自动平动，实现准三维空间测量。由两个伺服电机控制器分别控制两台不同方向的伺服电机转动。通过联动装置实现某一方向两条丝杆的同步转动，从而实现测速杆在前后或上下方向的平动。

②能够实现多测点多功能的同步测量。在测量杆上安装可拆卸式多功能的仪器固定装置，按照所需要的测量方式进行布置，且多种测量设备可以配合使用，从而在一定程度上弥补某一类设备数量不足的缺陷。

③能够实现水平测量杆的稳定测量要求。通过对水平测量杆截面流线型设计减小风阻，并设计一种双支持结构，将测量点独立于测量杆并前伸，降低测点处的振动。在流线型设计的基础上设计了布线暗层，充分降低测量设备及数据线对来流的影响。

④能够实现良好的可移植性。本发明能够在水平和垂直方向进行一定程度的伸缩，从而在2～3m高度范围和3～4m宽度范围的矩形风洞中具有较好的可移植性。

附图说明

图1是本发明的主视图；图2是本发明的俯视图；图3是本发明的侧视图；图4是第一前后移动机构和第二前后移动的俯视放大图；图5是前后移动装置的侧视放大图；图6是上下移动装置的主视放大图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图6说明本实施方式，本实施方式的一种大气边界层风洞的准三维自动测量系统包括前后移动装置和上下移动装置，上下移动装置设置在前后移动装置内，

前后移动装置包括前后移动支架1、第一前后移动机构2、第二前后移动机构3、滑动机构11、第二前后移动齿轮轴28和两个前后移动轴承座29，第一前后移动机构2和第二前后移动机构3并列设置在前后移动支架1上，第一前后移动机构2和第二前后移动机构3均包括前后移动伺服电机4、第一前后移动齿轮轴5、前后移动横梁6、第一前后移动行程开关7、第二前后移动行程开关8、第一丝母9、第二丝母10和前后移动丝杆14，前后移动伺服电机4设置在前后移动支架1的下端，前后移动伺服电机4的输出端与第一前后 移动齿轮轴5和前后移动丝杆14依次连接，前后移动横梁6设置在第一前后移动齿轮轴5上，第一前后移动行程开关7设置在前后移动丝杆14上，第二前后移动行程开关8设置在前后移动丝杆14的末端，第一丝母9和第二丝母10并列设置在第一前后移动行程开关7和第二前后移动行程开关8之间的前后移动丝杆14上，第二前后移动齿轮轴28设置在第一前后移动机构2和第二前后移动机构3之间，且第二前后移动齿轮轴28两端的齿轮分别与第一前后移动机构2和第二前后移动机构3的第一前后移动齿轮轴5的齿轮相啮合，滑动机构11包括两个直线滑轨12和两个滑块13，两个直线滑轨12分别固装在前后移动支架1的上部，每个滑块13滑动安装在一个直线滑轨12上，

上下移动装置包括上下移动支架15、第一上下移动机构16、第二上下移动机构17、两个连接杆18、两个上下移动轴承座19和上下移动横梁20，上下移动支架15设置在前后移动支架1内，且上下移动支架15的两端与滑块13固接，第一上下移动机构16和第二上下移动机构17并列设置在上下移动支架15的两侧，上下移动横梁20设置在上下移动支架15的上部，第一上下移动机构16和第二上下移动机构17均包括上下移动齿轮轴21、上下移动伺服电机22、上下移动齿轮23、上下移动丝杆24、第一上下移动行程开关25和第二上下移动行程开关26，上下移动齿轮轴21设置在上下移动横梁20的上方，上下移动齿轮轴21的左端设有两个齿轮，上下移动齿轮轴21的右端设有一个齿轮，上下移动伺服电机22固装在上下移动支架15的上端，上下移动齿轮23设置在上下移动伺服电机22输出端上，上下移动齿轮23与上下移动齿轮轴21左端的一个齿轮相啮合，上下移动丝杆24与上下移动齿轮轴21左端的另一个齿轮相啮合，第一上下移动行程开关25和第二上下移动行程开关26由上至下依次设置在上下移动丝杆24上，且第一上下移动行程开关25位于上下移动横梁20的下方，两个上下移动轴承座19分别设置在上下移动横梁20上，并支撑上下移动齿轮轴21，每个连接杆18的一端固装在上下移动支架15上，每个连接杆18的另一端固装在第一丝母9上，上下移动支架15的底端固装在第二丝母10上。

本发明在安装阶段时，需要对三维移测架的双平面调平，本系统中与丝母连接的部件上开有装配孔，所述装配孔为弧形孔，通过与丝母的位置相互配合，完成测量系统两个平面上高度的一致。安装时，连接杆与丝母在初始预计位置用螺母连接，测量平整度（包括水平面与竖直面）。不平时，可通调整弧形孔部件角度进行微调；若仍无法平整，则调整螺母位置改变角度，旋转丝母至平衡位置，再次安装拧紧螺母，测量，不平则重复上述调整过程，直到平衡为止。这一设计能够使系统水平精度均达到很高的水平，避免加工与安装偏差造成的系统误差。

本实施方式的丝杆上的移动部件移动到丝杆两端，触碰到行程开关，则系统则自动断 电以保护装置。

具体实施方式二：结合图3说明本实施方式，本实施方式的准三维自动测量系统还包括支持框架长度调节件30、测量杆支持机构长度调节件31和多个齿轮轴长度调节件32，支持框架长度调节件30固装在前后移动装置中前后移动支架1的上端，测量杆支持机构长度调节件31设置在上下移动支架15上，齿轮轴长度调节件32设置在第一前后移动齿轮轴5、上下移动齿轮轴21和第二前后移动齿轮轴28上，且第一前后移动齿轮轴5、上下移动齿轮轴21和第二前后移动齿轮轴28均为伞齿轮轴。如此设置，使系统在2～3m高度范围和3～4m宽度范围内可调。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

本实施方式在实施过程中，支持框架长度调节件30和测量杆支持机构长度调节件31在一定范围内长度可调，并可进行一定程度的调平。

具体实施方式三：结合图2说明本实施方式，本实施方式的准三维自动测量系统还包括测量杆双支持结构33，测量杆双支持结构33固装在上下移动支架15上，且测量杆双支持结构33位于测量杆支持机构长度调节件31的下端，测量杆双支持结构33为流线型测量支持杆与拉应力预紧机构组成的双支持结构。如此设置，可以在尽可能减少测量杆支持结构阻力的同时保证系统测量的稳定性，其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图3说明本实施方式，本实施方式的连接杆18为带有弧形孔的连接杆。如此设置，可以对上下支架15进行一定程度的调节和支持，使其在前后运行时保证更好的垂直程度，达到测量快速调平的目的，从而提高整个测量系统的水平精度。其它组成和连接关系与具体实施方式三相同。

Claims (4)

1.一种大气边界层风洞的准三维自动测量系统，其特征在于：它包括前后移动装置和上下移动装置，上下移动装置设置在前后移动装置内，

前后移动装置包括前后移动支架（1）、第一前后移动机构（2）、第二前后移动机构（3）、滑动机构（11）、第二前后移动齿轮轴（28）和两个前后移动轴承座（29），第一前后移动机构（2）和第二前后移动机构（3）并列设置在前后移动支架（1）上，第一前后移动机构（2）和第二前后移动机构（3）均包括前后移动伺服电机（4）、第一前后移动齿轮轴（5）、前后移动横梁（6）、第一前后移动行程开关（7）、第二前后移动行程开关（8）、第一丝母（9）、第二丝母（10）和前后移动丝杆（14），前后移动伺服电机（4）设置在前后移动支架（1）的下端，前后移动伺服电机（4）的输出端与第一前后移动齿轮轴（5）和前后移动丝杆（14）依次连接，前后移动横梁（6）设置在第一前后移动齿轮轴（5）上，第一前后移动行程开关（7）设置在前后移动丝杆（14）上，第二前后移动行程开关（8）设置在前后移动丝杆（14）的末端，第一丝母（9）和第二丝母（10）并列设置在第一前后移动行程开关（7）和第二前后移动行程开关（8）之间的前后移动丝杆（14）上，第二前后移动齿轮轴（28）设置在第一前后移动机构（2）和第二前后移动机构（3）之间，且第二前后移动齿轮轴（28）两端的齿轮分别与第一前后移动机构（2）和第二前后移动机构（3）的第一前后移动齿轮轴（5）的齿轮相啮合，滑动机构（11）包括两个直线滑轨（12）和两个滑块（13），两个直线滑轨（12）分别固装在前后移动支架（1）的上部，每个滑块（13）滑动安装在一个直线滑轨（12）上，

上下移动装置包括上下移动支架（15）、第一上下移动机构（16）、第二上下移动机构（17）、两个连接杆（18）、两个上下移动轴承座（19）和上下移动横梁（20），上下移动支架（15）设置在前后移动支架（1）内，且上下移动支架（15）的两端与滑块（13）固接，第一上下移动机构（16）和第二上下移动机构（17）并列设置在上下移动支架（15）的两侧，上下移动横梁（20）设置在上下移动支架（15）的上部，第一上下移动机构（16）和第二上下移动机构（17）均包括上下移动齿轮轴（21）、上下移动伺服电机（22）、上下移动齿轮（23）、上下移动丝杆（24）、第一上下移动行程开关（25）和第二上下移动行程开关（26），上下移动齿轮轴（21）设置在上下移动横梁（20）的上方，上下移动齿轮轴（21）的左端设有两个齿轮，上下移动齿轮轴（21）的右端设有一个齿轮，上下移动伺服电机（22）固装在上下移动支架（15）的上端，上下移动齿轮（23）设置在上下移动伺服电机（22）输出端上，上下移动齿轮（23）与上下移动齿轮轴（21）左端的一个齿轮相啮合，上下移动丝杆（24）与上下移动齿轮轴（21）左端的另一个齿轮相啮合，第一上下移动行程开关（25）和第二上下移动行程开关（26）由上至下依次设置在上下移动丝杆（24）上，且第一上下移动行程开关（25）位于上下移动横梁（20）的下方，两个上下移动轴承座（19）分别设置在上下移动横梁（20）上，并支撑上下移动齿轮轴（21），每个连接杆（18）的一端固装在上下移动支架（15）上，每个连接杆（18）的另一端固装在第一丝母（9）上，上下移动支架（15）的底端固装在第二丝母（10）上。

2.根据权利要求1所述一种大气边界层风洞的准三维自动测量系统，其特征在于：所述准三维自动测量系统还包括支持框架长度调节件（30）、测量杆支持机构长度调节件（31）和多个齿轮轴长度调节件（32），支持框架长度调节件（30）固装在前后移动装置中前后移动支架（1）的上端，测量杆支持机构长度调节件（31）设置在上下移动支架（15）上，齿轮轴长度调节件（32）设置在第一前后移动齿轮轴（5）、上下移动齿轮轴（21）和第二前后移动齿轮轴（28）上，且第一前后移动齿轮轴（5）、上下移动齿轮轴（21）和第二前后移动齿轮轴（28）均为伞齿轮轴。

3.根据权利要求2所述一种大气边界层风洞的准三维自动测量系统，其特征在于：所述准三维自动测量系统还包括测量杆双支持结构（33），测量杆双支持结构（33）固装在上下移动支架（15）上，且测量杆双支持结构（33）位于测量杆支持机构长度调节件（31）的下端，测量杆双支持结构（33）为流线型测量杆双支持结构。

4.根据权利要求3所述一种大气边界层风洞的准三维自动测量系统，其特征在于：所述连接杆（18）为带有弧形孔的连接杆。