CN105258907A - 一种应用于风洞试验的三转角头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于风洞试验的三转角头，由后端到前端依次包括侧滑机构、俯仰机构和滚转机构，所述侧滑机构和俯仰机构串联设置；本发明中的三转角头属于大扭矩机械臂，可以支撑机弹模型进行三个角度方向的变化，其中俯仰方向的运动范围为±45°，载荷能力为300Nm，侧滑方向的运动范围为±45°，载荷能力为300Nm，滚转方向的运动范围为±180°，载荷能力为23Nm；本发明创新了风洞三转角头的驱动方式，大幅提升了风洞捕获轨迹试验的能力。

Description

一种应用于风洞试验的三转角头

技术领域

本发明涉及风洞试验领域，尤其是涉及应用于低速风洞捕获轨迹试验、流场校测试验以及尾流场测量试验的一种应用于风洞试验的三转角头。

背景技术

捕获轨迹试验是一种常见的特种风洞试验，用于模拟飞机导弹等外挂物在投放后的飞行轨迹。FL-12风洞现有的捕获轨迹装置由于受80年代任务需求（以载机带弹为主，气动载荷小）影响和机电技术限制，设计载荷偏小，尤其表现在α机构承载能力不足，要求试验模型的重量不能超过2kg，俯仰力矩须小于100Nm。而随着H6挂双三、无人机等载机带机试验任务的增多，其外挂物模型重量已达到或超过5kg，最大俯仰力矩承载能力要求达到250Nm。由于机构的承载能力不足，捕获轨迹试验中能够模拟的模型姿态角范围严重受限，只能在载荷容许的范围内实现投放分离轨迹的模拟，无法完成部分试验。

发明内容

本发明的目的是在现有CTS系统的X向、Y向、Z向线位移部件基础符合继续使用条件上，提供一种角位移部件，该部件可以支撑外挂物完成俯仰α、侧滑β、滚转γ三个方向的转动，在载荷提升的同时，同时解决现有三转角头线缆外露，外形整流性能较差以及风洞阻塞比较大等问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种应用于风洞试验的三转角头，由后端到前端依次包括侧滑机构、俯仰机构和滚转机构，所述侧滑机构和俯仰机构串联设置，

所述侧滑机构包括连接座，所述连接座上沿轴线对称设置有两个用于连接轴叉的侧边，轴叉与侧边通过纵向主轴承连接，所述连接座底面设置有通孔，侧滑电缸穿过连接座通过设置在侧滑电缸上的电缸推杆轴连接到轴叉上，电缸推动杆与轴叉之间通过纵向连接轴连接；

所述俯仰机构包括俯仰电缸，通过设置在俯仰电缸上的电缸推杆轴连接到轴叉上，电缸推杆轴与轴叉之间通过横向连接轴连接；

所述滚转机构包括电机、谐波齿轮减速器和与减速器连接的支杆，所述支杆为中空结构，用于布线；

所述横向主轴承上均设置有角度传感器，所述纵向连接轴连接和横向连接轴连接上均设置有限位传感器；

所述侧滑机构、俯仰机构和滚转机构为同轴圆柱结构，所述俯仰机构和滚转机构外设置有整流罩，整流罩通过横向主轴承连接到轴叉上，所述整流罩从俯仰机构到滚转机构的部分为圆锥外形。

在上述技术方案中，所述角度传感器设置在横向主轴承的一个端面上，且角度传感器与横向主轴承同轴设置。

在上述技术方案中，所述连接座连接到CTS系统的X直线位移杆上，所述X直线位移杆为中空结构，所述侧滑电缸及其安装组件均设置在X直线位移杆内。

在上述技术方案中，所述所述横向轴承为金属基镶嵌式自润滑轴承，所述摩擦系数为0.05。

在上述技术方案中，所述轴叉上横向主轴承和横向连接轴设置在同一竖直方向上，纵向主轴承和纵向连接轴设置同一水平方向上。

在上述技术方案中，所述纵向主轴承和横向主轴承各自位于轴叉上的两个对立面上。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明通过自编软件对三转角头进行角度控制，结合位于主旋转轴上的角度编码器反馈的角度信号，可对三转角头的角度进行闭环控制。该种控制方式精度较高，重复性较好，在俯仰方向的控制精度可以达到0.016°，综合误差小于0.05°。该种控制方式自动化程度较高，操作人员只需在软件中输入三个控制角度，软件会通过反馈的角度信号不断的调整至系统角度符合输入值。期间无需人工干预。

本发明的机械臂采用串联式的结构代替了并联式，保证了三转角头的三个旋转角度正交，故角度变化不会相互耦合，在控制过程中无需解耦，各角度均可单独变化，与并联式机械臂相比控制方程更简单，换算过程更少，可靠性更高。该种结构形式同时有利于减少系统径向尺寸，减少系统的阻塞面积。

本发明大量选用高强度铝材代替钢材，减轻系统自身重量，间接提升了载荷能力，有利于安装维护。同时针对风洞试验装置的整流要求，选用了碳纤维蒙皮作为整流材料，选材新颖又便于安装。

本发明可方便应用于风洞试验，与现有三转角头相比，载荷能力提升两倍，控制精度提升一倍，可满足新一代机弹的试验需求。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的外形结构示意图；

图2是本发明结构的剖视图；

图3是本发明中轴叉的剖视图；

其中：1是侧滑电缸，2是轴叉，3是纵向主动轴，4是横向主动轴，5纵向连接轴，6是横向连接轴，7是整流罩，8是支杆，9是电动推杆轴、10是俯仰电缸，11是电机，12是减速器，13是角度传感器，14、15是限位传感器。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明三转角头，由后端到前端依次包括侧滑机构、俯仰机构和滚转机构，所述侧滑机构和俯仰机构串联设置，所述侧滑机构包括连接座，所述连接座上沿轴线对称设置有两个用于连接轴叉的侧边，轴叉与侧边通过纵向主轴承连接，所述连接座底面设置有通孔，侧滑电缸穿过连接座通过设置在侧滑电缸上的电缸推杆轴连接到轴叉上，电缸推动杆与轴叉之间通过纵向连接轴连接；所述俯仰机构包括俯仰电缸，通过设置在俯仰电缸上的电缸推杆轴连接到轴叉上，电缸推杆轴与轴叉之间通过横向连接轴连接；所述滚转机构包括电机、谐波齿轮减速器和与减速器连接的支杆，所述支杆为中空结构，用于布线；所述横向主轴承上均设置有角度传感器，所述纵向连接轴连接和横向连接轴连接上均设置有限位传感器；所述侧滑机构、俯仰机构和滚转机构为同轴圆柱结构，所述俯仰机构和滚转机构外设置有整流罩，整流罩通过横向主轴承连接到轴叉上，所述整流罩从俯仰机构到滚转机构的部分为圆锥外形。

本发明在驱动时由由侧滑电缸推动电缸推杆轴，带动轴叉沿纵向主旋转轴旋转，以实现角度的偏转，该角度为β；同时由俯仰电缸推动电缸推杆轴沿横向主旋转轴旋转，以实现角度的偏转，该角度为α。滚转γ方向由位于部件前端的直流伺服电机搭配谐波齿轮减速器驱动模型探测杆实现转动，环形角度传感器布置在探测杆外圈，采集的角度即为机构的滚转角。

侧滑电缸连接到现有CTS系统的X直线位移杆，经过尺寸控制，串联式的侧滑β电缸及支撑部件刚好可以预埋在X直线位移杆中，有效的控制了径向尺寸，减小了机构阻塞度。该种布置方式下，装置总长度为830mm（不包括支杆及模型），减少了240mm，机构基座的直径为210mm，减少了85mm。经投影后测得三转角头最大迎风面堵塞面积约为0.12m2，最大堵塞度：0.12/10.72（风洞试验段截面积）=1.12%（不包括y向立柱的堵塞度，立柱迎风面积约为0.21*h，h为立柱高度）。

滚转γ方向，电机及减速器均由相应安装件安装在整流罩中，整流罩内部经过优化设计，γ电机以及α电缸的电源线及控制线均由其内部走向后方，为方便天平安装，避免线缆外露，在支杆内部预埋了天平信号线，同样由整流罩内部走向后方。在这种布置下，所有线缆不外露于风洞流场中，既保证了信号传输的稳定，又保证了整流罩外形的流线性，减少不规则反射气流对外挂物模型的影响。

轴叉如图3所示，角度传感器布置在横向主轴上，传感器直径为38mm，采集精度为0.0005°，高于机构的控制精度，安装于与主旋转轴同轴的位置，可以实时采集主旋转轴的角度信号，参与角度的闭环控制。轴承选用金属基镶嵌式(JDB)自润滑轴承，可以实现无油润滑，摩擦系数约为0.05,且保时性较好，可以长时间有效减少机构的启动力矩及工作力矩。光电式限位传感器将保证机构的安全，当机构超出角度范围后即可触发限位传感器，通过程序控制机构停止运行，防止碰撞的发生。

俯仰α、偏转β方向载荷计算：

推力电缸需定制精密梯形丝杆，直径16mm，导程3mm，容许负荷16900N，传动效率25%，具备机械自锁能力；

电缸推杆轴与主旋转轴之间的距离为50mm，此距离即丝杆推力的力臂；

主旋转轴的载荷能力为250Nm时丝杆所需的最大推力为：F=250/（0.05×sin45）=7071N；

驱动丝杆的最大扭矩为：M=F×0.003/2π/0.25=13.5Nm；

丝杆最大速度：50×2×π/(360/4)=3.49066mm/s；

丝杆最大转速：3.49066/3=1.1636(rps)=69.8rpm；

故减速器的减速比不大于：4000/69.8=57；

减速器减速比选为50，额定转矩22Nm；

电机选用ESA2S70W直流电机，额定转矩0.32(1.6)Nm,额定转速3000（4000）rpm；

可实现额定转矩50×0.32=16Nm（最大扭矩80Nm），大于丝杆所需扭矩13.5Nm；

考虑丝杆的容许负荷，机构的实际载荷能力为：（12000/9800）×250=306Nm，大于250Nm；

可实现机构最高转速57/50×4=4.56°/s＞4°/s；

丝杆定位精度:节距最大误差0.03/300mm,在行程范围<100mm的最大定位误差为0.01/100；

角度定位误差即机构控制精度：0.01/(50×sin45)=0.016°<0.05°，达标。

滚转γ方向载荷计算：

电机选取要求：扭矩大于20Nm，速度大于10°/s，定位精度高于0.1°。

选用MaxonRE40电机，功率150W，具体型号选取148877，重量480g，工作温度-30℃至100℃。额定转速7000rpm，额定载荷0.184Nm，最大载荷2.28Nm，转动惯量138g·cm2，电机效率为92%。

减速机的选取要求：首先考虑载荷，减速机尺寸，其次考虑转速。

减速比计算：20Nm/0.184Nm=109.29，考虑效率80%左右，109.29/80%=136.61，所以减速比首要考虑140以上，再考虑20%-30%的过载余量，选取180-200是合适的。

电机转速为7000×360/60=42000°/s，假定选取的减速比为200，减速后转速为210°/s，符合要求，所以要求减速器的最大输入转速不小于400均可满足10°/s的速度要求。

最终选取的减速器为减速比为160的HarmonicDrive品牌的FD系列轻量组合FD-20-160-2-G型谐波减速器，润滑脂润滑时效率约为80%，在最大输入转速750rpm（满足要求）下可以输出49Nm扭矩。满足20Nm的要求。

电机的控制精度取决于编码器，编码器选取RE40配套编码器MAXONEncoderHEDL5540，每圈500帧，最大转速12000rpm，3通道，通过减速器后的控制精度为360/（500×160）=0.0045°小于0.1°，控制精度要求合格。

启动特性计算：

启动力矩=转动惯量×加速度+摩擦力矩+压缩力矩。

电机、减速器、支杆及模型（总转动惯量6000g·cm2）在的最大角加速度下，需要的扭矩为60Nm，电机加减速器，最大过载扭矩为2.28Nm×160=364Nm大于60Nm，启动特性满足要求。

本发明在考虑计算时间及占用资源情况下，选取0°到-45°作为计算范围，计算的设置中考虑了模型重力，机构载荷能力，轴孔摩擦以及启动特性，将机构运转速度设定为5°/s，计算结果可以看出，俯仰电缸的位移与机构角度基本呈线性关系，当机构角度达到最大时（-45°），电缸推杆的位移为38mm。因此，电缸100mm的行程可以满足机构的角度要求。俯仰电缸的启动推力约为7900N，随着启动完成，推力逐渐下降，而整体趋势是随着位移及角度的增加，电缸推杆的力臂变短，推力逐渐增大，最大处推力约为9700N。为保证机构速度为4°/s，电缸速度不大于3.9mm/s。由计算结果来看，静态计算时对电缸提出的12000N的推力要求及100mm的行程要求是符合预期的，可以驱动装置达到相关技术指标要求。

综上所述，所有设计结果均达到设计要求，各个角度方向的载荷能力与精度均有大幅提升。除此之外，本发明结构还解决了现有结构外形不平顺，线缆外露，阻塞度较大等问题。另外，通过动力学计算结果可以看出，电缸的推力曲线始终较为平缓，没有出现阶跃式的增长，表明机构原理设计合理有效。本发明具备完成现阶段及下一阶段风洞捕获轨迹试验的能力。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (6)

1.一种应用于风洞试验的三转角头，由后端到前端依次包括侧滑机构、俯仰机构和滚转机构，其特征在于所述侧滑机构和俯仰机构串联设置，

所述侧滑机构包括连接座，所述连接座上沿轴线对称设置有两个用于连接轴叉的侧边，轴叉与侧边通过纵向主轴承连接，所述连接座底面设置有通孔，侧滑电缸穿过连接座通过设置在侧滑电缸上的电缸推杆轴连接到轴叉上，电缸推动杆与轴叉之间通过纵向连接轴连接；

所述俯仰机构包括俯仰电缸，通过设置在俯仰电缸上的电缸推杆轴连接到轴叉上，电缸推杆轴与轴叉之间通过横向连接轴连接；

所述滚转机构包括电机、谐波齿轮减速器和与减速器连接的支杆，所述支杆为中空结构，用于布线；

所述横向主轴承上均设置有角度传感器，所述纵向连接轴连接和横向连接轴连接上均设置有限位传感器；

所述侧滑机构、俯仰机构和滚转机构为同轴圆柱结构，所述俯仰机构和滚转机构外设置有整流罩，整流罩通过横向主轴承连接到轴叉上，所述整流罩从俯仰机构到滚转机构的部分为圆锥外形。

2.根据权利要求1所述的一种应用于风洞试验的三转角头，其特征在于所述角度传感器设置在横向主轴承的一个端面上，且角度传感器与横向主轴承同轴设置。

3.根据权利要求1所述的一种应用于风洞试验的三转角头，其特征在于所述连接座连接到CTS系统的X直线位移杆上，所述X直线位移杆为中空结构，所述侧滑电缸及其安装组件均设置在X直线位移杆内。

4.根据权利要求1所述的一种应用于风洞试验的三转角头，其特征在于所述所述横向轴承为金属基镶嵌式自润滑轴承，所述摩擦系数为0.05。

5.根据权利要求1所述的一种应用于风洞试验的三转角头，其特征在于所述轴叉上横向主轴承和横向连接轴设置在同一竖直方向上，纵向主轴承和纵向连接轴设置同一水平方向上。

6.根据权利要求5所述的一种应用于风洞试验的三转角头，其特征在于所述纵向主轴承和横向主轴承各自位于轴叉上的两个对立面上。