CN105784316A - 一种用于高超声速风洞多体分离试验的高刚度嵌入式装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于高超声速风洞多体分离试验的高刚度嵌入式装置，所述的装置包括X向、Z向、Y向直线运动和<i>β</i>、<i>α</i>、<i>γ</i>角位移运动。X向、Z向和<i>β</i>运动采用三自由度并联平台实现，Y向、<i>α</i>运动和<i>γ</i>运动采用独立机构实现。三自由度并联平台、Y向机构和<i>α</i>机构通过箱体叠放方式自下而上、由外到内嵌套连接；<i>γ</i>机构通过弯刀与<i>α</i>机构固定连接，单独置于风洞流场。三自由度并联平台包括X向运动的并联基座与Z向运动的并联运动平台，两者之间采用四个旋转滑块组件连接，通过独立控制两组X向、Z向驱动组件可实现X向、Z向和<i>β</i>运动及多自由度耦合运动。本发明结构紧凑，刚性好，空间复用，能够在有限空间内实现高速、高精度、高承载能力的六自由度运动。

Description

一种用于高超声速风洞多体分离试验的高刚度嵌入式装置

技术领域

本发明属于高超声速风洞试验技术领域，具体涉及一种用于高超声速风洞多体分离试验的高刚度嵌入式装置。

背景技术

高超声速风洞多体分离试验，是在高超声速风洞中开展各类高超声速飞行器主体与分离体之间的安全分离特性和气动特性模拟试验研究。开展风洞多体分离试验，需要一套安装于风洞内部、由计算机控制的分离体模型装置，用以支撑分离体试验模型，并为分离体试验模型提供六自由度（轴向X、法向Y、侧向Z、俯仰α、偏航β和滚转γ）姿态调整功能。为了满足多体分离试验要求，分离体模型装置需要具有较大的运动范围，较高的承载能力和运动精度，能以最快的速度达到指定位置，同时能尽可能达到风洞试验段截面的任何地方。

目前，国内外风洞多体分离试验的六自由度装置主要有两种类型：一种是六个自由度的运动保持相互独立，由三个直线导轨约束加三个回转约束的形式来实现六自由度运动，回转约束靠装置前部安装的三自由度装置头来完成。美国AEDC、以色列IAI的4英尺风洞和CARDC的1.2米风洞都是采用这种装置，但其三自由度装置头尺寸较大，且位于风洞试验段截面内，增大了风洞的堵塞度。第二种六自由度装置是由两个以上部件回转约束的组合变化来提供六个自由度的运动。法国NERA的6英尺高速风洞和英国ARA的9英尺×8英尺高速风洞都采用了第二类装置。这类装置堵塞度相对较小，可位于风洞试验段内，但第二类装置的六个自由度不是完全独立的，较难实现高刚度和较高的运动精度。

高超声速风洞流场建立时将产生很大的冲击载荷，通过试验模型传递到分离体模型装置，对分离体模型装置的承载能力和运动精度产生较大的影响；高超声速风洞不同于一般的低速风洞和跨超风洞，试验段截面尺寸有限，分离体模型装置的堵塞度受到严格限制；为了保护风洞设备和试验模型，应尽可能避免分离体模型与飞行器主体模型、喷管及扩压器间的碰撞。因此，对高超声速风洞多体分离试验的分离体模型装置设计提出了更高的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供了一种用于高超声速风洞多体分离试验的高刚度嵌入式装置。

本发明的用于高超声速风洞多体分离试验的高刚度嵌入式装置，其特点是：包括三自由度并联平台、Y向机构、α机构和γ机构；

所述的三自由度并联平台包括X向机构、Z向机构和β机构，三自由度并联平台的并联基座为水平方向，X向导轨固定在三自由度并联平台的并联基座上，实现X向运动；Z向导轨通过旋转滑块组件垂直固定在X向导轨上，实现Z向运动；旋转滑块组件绕Y轴旋转，实现β运动；

所述的Y向机构的Y向导轨通过并联运动平台固定在Z向导轨上，Y向滑块安装在Y向导轨上，实现Y向运动；

所述的α机构的α导轨通过α基座固定在Y向滑块上，实现α运动；

所述的γ机构通过弯刀与α机构固定连接，实现γ运动；

三自由度并联平台、Y向机构和α机构处在高超声速风洞的流场之外，γ机构暴露在流场内。

所述的三自由度并联平台主要包括并联基座和并联运动平台；并联基座上部沿X方向布置两组驱动元件，主要包括X向电机、X向丝杠、X向螺母、X向导轨和X向滑块；X向电机驱动两根X向丝杠带动两个X向螺母同步运动，带动两侧X向滑块实现X向运动。

所述的并联运动平台下部沿Z方向布置两组驱动元件，主要包括Z向电机、Z向丝杠、Z向螺母、Z向导轨和Z向滑块，每组Z向驱动元件都配置两套Z向导轨和Z向滑块，Z向螺母及Z向导轨同时与并联运动平台固定连接；Z向电机分别驱动两根Z向丝杠带动Z向螺母与并联运动平台实现Z向运动。

所述的并联基座与并联运动平台之间采用四个旋转滑块组件连接，每个旋转滑块组件将相应的X向滑块和Z向滑块连接，并且两者之间可以自由转动；位于两根X向导轨相同位置的两个旋滑块承组件通过X向滑块连接两个X向螺母，通过Z向滑块连接两个Z向螺母；X向电机与Z向电机分开控制，驱动X向螺母和Z向螺母产生相互独立的运动；两个X向电机产生反向等速运动，驱动两侧的X向丝杠带动X向螺母进行反向等速运动，产生X向位移差；X向位移差驱动与X向螺母连接的两个旋转滑块组件同时偏转，另外两个旋转滑块组件随动，带动并联运动平台同时产生β运动与直线运动，β运动的旋转中心位于尾支杆末端在旋转平面内的投影处；通过独立控制X向电机和Z向电机转动可以实现X向、Z向和β自由度的单自由度运动以及多自由度耦合运动。

所述的Y向机构采用电机丝杠驱动、直线导轨导向的传动原理，主要包括并联运动平台、Y向电机、Y向丝杠、Y向螺母、Y向导轨和Y向滑块；并联运动平台为一个具有内部空间、带两翼的对称箱体，箱体的两翼与四根Z向导轨固定；箱体的内部空间左右两侧对称布置四组Y向电机、Y向丝杠和Y向螺母，一根Y向丝杠外侧平行布置一根Y向导轨及两个Y向滑块；Y向螺母与Y向滑块同时与内嵌的α基座固定连接；Y向电机驱动Y向丝杠转动时，带动Y向螺母与α基座实现Y向运动。

所述的α机构包括α基座、α电机、α丝杠、α螺母、α直线导轨、α直线滑块、α弧形滑块、α弧形导轨、α连杆和弯刀；α基座为中空的n形箱体，箱体内顶部中间区域布置一根α直线导轨和两个α直线滑块，α直线导轨下面平行布置一根α丝杠及α电机和α螺母，α直线滑块和α螺母固定连接；n形箱体两侧各布置一根α弧形导轨及两个α弧形滑块；弯刀的根部为一个矩型凹槽，凹槽外侧与两侧的α弧形滑块固定连接，凹槽内侧通过旋转副与两个α连杆一端连接，α连杆另一端通过旋转副与α螺母连接；α电机驱动α丝杠转动时，α螺母带动α连杆沿α直线导轨同步运动，进而带动弯刀实现α运动。

所述的γ机构包括γ套筒、γ电机、γ减速机、γ主轴和尾支杆；γ套筒与弯刀固定连接，同时γ套筒与γ主轴通过轴承组件连接；γ主轴一端与尾支杆固定连接，另一端通过γ减速机与γ电机连接；γ电机通过γ减速机、γ主轴驱动尾支杆实现γ运动。

本发明的用于高超声速风洞多体分离试验的高刚度嵌入式装置具有以下特点：

1.结构上采用并-串混联形式，其中X向运动、Z向运动和β运动采用三自由度并联平台实现，Y向运动、α运动和γ运动分别采用独立机构实现，三自由度并联平台和三个独立机构之间通过内嵌方式串联，结构紧凑，空间复用，在有限空间内增大了装置整体的刚度和工作空间。

2.设计了三自由度并联平台，采用旋转滑块组件将互相垂直的X向运动、Z向运动串联，通过两个X向滑块运动位移差实现β运动；四个旋转滑块组件实现β运动，区别于单个转动副实现转动的方式，能够使得整个平台运动平稳，受力均匀，有效地增加了整个机构的结构稳定性。

3.α机构采用直线变圆弧机构实现，避免了三个自由度旋转副的叠加，缩短了机构悬臂的长度，增加了高刚度嵌入式装置的刚度和承载能力；同时仅有γ机构进入风洞流场，减小了风洞阻塞度。

4.β运动由X向运动和Z向运动组合实现，其他的5个自由度既可以独立运动，还可联动；各自由度运动解算简单，能使分离体模型快速有效地到达多体分离试验需要的指定位姿。

总之，本发明的用于高超声速风洞多体分离试验的高刚度嵌入式装置采用并-串混联形式，结构紧凑，空间复用，在有限空间内增大了装置整体的刚度和工作空间；同时保证了嵌入式装置的刚度和承载能力，提高了机构运行的响应速度和运行精度；减小了风洞阻塞度，能满足高超声速风洞多体分离试验要求。同时，这种并-串混联结构能够用于多种场合，方便与其它机构进行串联或并联以实现更多自由度运动。

附图说明

图1为本发明的用于高超声速风洞多体分离试验的高刚度嵌入式装置示意图；

图2为本发明装置中的三自由度并联平台示意图；

图3为本发明装置中的旋转滑块组件示意图；

图4为本发明装置中的Y向机构半剖示意图；

图5为本发明装置中的α机构示意图；

图6为本发明装置中的γ机构示意图；

图7为本发明装置中的4-PRP并联机构示意图。

图中：1.三自由度并联平台，2.Y向机构，3.α机构，4.γ机构，5.并联基座，6.X向电机，7.X向丝杠，8.X向螺母，9.X向滑块，10.X向导轨，11.Z向电机，12.Z向丝杠，13.Z向螺母，14.Z向导轨，15.Z向滑块，16.旋转滑块组件，17.并联运动平台，18.Y向电机，19.Y向丝杠，20.Y向螺母，21.Y向导轨，22.Y向滑块，23.α基座，24.α电机，25.α丝杠，26.α螺母，27.α直线导轨，28.α直线滑块，29.α弧形滑块，30.α弧形导轨，31.α连杆，32.弯刀，33.γ套筒，34.γ电机，35.γ减速机，36.γ主轴，37.尾支杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1-7所示，高刚度嵌入式装置结构上采用并-串混联形式，其中X向运动、Z向运动和β运动采用三自由度并联平台1实现，Y向运动、α运动和γ运动分别采用独立机构实现；三自由度并联平台1和三个独立机构通过内嵌集成方式串联，即可得到用于高超声速风洞多体分离试验的高刚度嵌入式装置。

第一层为三自由度并联平台1，通过X向和Z向两个直线运动机构实现X向、Z向和β三个自由度的姿态调整。Y向机构2与三自由度并联平台1的并联运动平台17连接；α机构3采用一种直线变圆弧机构实现，内嵌于并联运动平台17的内部空间；γ机构4采用γ电机34、γ减速器35和γ主轴36直接驱动尾支杆37转动实现，通过弯刀32与α机构3连接，只有γ机构4置于风洞流场。三自由度并联平台1和三个独立机构内嵌串联，结构紧凑，空间复用，在有限空间内增大了装置的整体刚度和工作空间。

如图2所示，在三自由度并联平台1的并联基座5上沿X方向布置两组驱动组件，主要包括X向电机6、X向丝杠7、X向螺母8、X向滑块9和X向导轨10。X向电机6驱动两根X向丝杠7带动两个X向螺母8同步运动，使得X向滑块9沿X向运动。在并联运动平台17沿Z方向布置两组驱动组件，主要包括Z向电机11、Z向丝杠12、Z向螺母13、Z向导轨14和Z向滑块15。一组Z向驱动组件配置两套Z向导轨14和Z向滑块15，Z向螺母13、Z向导轨14同时与并联运动平台17固定连接。Z向电机11分别驱动两根Z向丝杠12带动Z向螺母13和并联运动平台17同时实现Z向运动。

并联基座5与并联运动平台17之间采用四个旋转滑块组件16连接，旋转滑块组件16将相应的X向滑块9和Z向滑块15连接在一起，两者之间可自由转动，如图3所示。其中位于X向导轨10相同位置的两个旋转滑块组件16通过X向滑块9连接两个X向螺母8，通过Z向滑块15连接两个Z向螺母13。X向电机6与Z向电机11独立控制，驱动X向螺母8和Z向螺母13产生相互独立的运动。在实现β运动时，两个X向电机6进行等速反向运动，驱动两侧的X向丝杠7带动X向螺母8进行反向运动，产生X向位移差。位移差驱动与X向螺母8连接的两个旋转滑块组件16同时偏转，另外两个旋转滑块组件16随动，带动并联运动平台17同时产生β运动和直线运动，β运动的旋转中心位于尾支杆37中心在旋转平面内的投影处。这种三自由度并联平台，通过独立控制X向电机6和Z向电机11实现X向、Z向和β自由度的单自由度运动以及多自由度耦合运动。

三自由度并联平台1通过两组X向驱动元件和两组Z向驱动元件，实现了三个自由度的运动，其实质为4-PRP三自由度并联机构。4-PRP并联机构的结构原理如图7所示，由并联基座A₁A₂A₃A₄、中间四组运动支链A_iB_iC_i和并联运动平台C₁C₂C₃C₄组成，其中每组运动支链又是由移动副（P副）—转动副（R副）—移动副（P副）组成。在X向布置两组驱动元件，同向等速驱动并联基座A₁A₂A₃A₄的移动副，实现X向运动。在Z向布置两组驱动元件，同向等速驱动并联运动平台C₁C₂C₃C₄的移动副，实现Z向运动。反向等速驱动X向两组驱动元件，同时同向等速驱动Z方向的两组驱动元件，即可实现β运动。

建立如图7所示的坐标系：在并联基座A₁A₂A₃A₄上建立固定坐标系O₁-X₁Y₁Z₁，原点O₀位于A₁A₂A₃A₄几何中心，X₀轴设为与导轨线A₂A₃(或A₁A₄)平行，Y₀轴垂直于基平台A₁A₂A₃A₄，Z₀轴用右手法则判别；在并联运动平台C₁C₂C₃C₄上建立动坐标系O₁-X₁Y₁Z₁，原点O₁位于C₁C₂C₃C₄几何中心，初始位置时，固定坐标系与动坐标系原点及各轴相互重合。

设动坐标系O₁-X₁Y₁Z₁相对于固定坐标系O₀-X₀Y₀Z₀有一个沿X方向的位移，沿Z方向的位移，及绕Y轴的偏航角度，两坐标系的齐次变换矩阵为T：

式中，R为动坐标系到固定坐标系的方向余弦矩阵，P为动坐标系到固定坐标系的位置向量：

其中t为常数，即两个平台间的设计距离，。设C₁C₂=C₃C₄=2m，C₁C₄=C₂C₃=2n，C_i（i=1,2,3,4）为O₁-X₁Y₁Z₁中的齐次坐标，根据几何关系，可得C_i（i=1,2,3,4）的齐次坐标。C_i ^’（i=1,2,3,4）为固定坐标系O₀-X₀Y₀Z₀中的齐次坐标，由下式：

可求得：

Y向机构2沿并联运动平台17的Z向中性面对称，图4为Y向机构2的半剖示意图。Y向机构2采用电机丝杠驱动、直线导轨导向传动方式，主要包括并联运动平台17、Y向电机18、Y向丝杠19、Y向螺母20、Y向导轨21和Y向滑块22。并联运动平台17为一个具有内部空间、带两翼的对称箱体，便于α机构内嵌。箱体的两翼与并联运动平台17的Z向导轨14和Z向滑块15连接。箱体的内部空间左右两侧对称布置四组Y向电机18、Y向丝杠19和Y向螺母20，一根Y向丝杠19外侧分别平行布置一根Y向导轨21和两个Y向滑块22。Y向螺母20与Y向滑块22同时与内嵌的α基座23连接。Y向电机18驱动Y向丝杠19转动时，与带动相应的Y向螺母20沿Y向运动，驱动α基座23产生Y向运动。每根Y向导轨21布置两个Y向滑块22，有效地保证α基座23的稳定性。四组驱动元件同步驱动，减小了单个电机的功率和体积，有效减小占用空间，便于机构内嵌，增加机构的整体刚度。

α机构3采用一种直线变圆弧机构实现，主要包括α基座23、α电机24、α丝杠25、α螺母26、α直线导轨27、α直线滑块28、α弧形滑块29、α弧形导轨30、α连杆31和弯刀32。α基座23为中空的n形箱体，箱体内顶部中间区域布置一根α直线导轨27和两个α直线滑块28，α直线导轨27下面平行布置一根α丝杠25以及α电机24、α螺母26，α螺母26和两个α直线滑块28固定连接。n形箱体两侧分别布置两个α弧形滑块29和一根α弧形导轨30。弯刀32根部为一个矩型凹槽，凹槽外侧与两侧的α弧形滑块29固定连接，凹槽内侧通过旋转副同时与两个α连杆31一端连接，同时α连杆31另一端通过旋转副与α螺母26连接。α电机24驱动α丝杠25转动时，α螺母26带动两个α连杆31沿α直线导轨27同步运动，带动弯刀32实现α运动。

γ机构4采用采用电机+减速机+滚转主轴的传动方式，主要包括γ套筒33、γ电机34、γ减速机35、γ主轴36和尾支杆37。γ套筒33与弯刀32固定连接，同时γ套筒33与γ主轴36通过轴承组件连接。γ主轴36一端与尾支杆37固定连接，另一端通过γ减速机35与γ电机34连接。γ电机34通过γ减速机35驱动γ主轴36和尾支杆37实现滚转运动。采用这种传动方式，传动结构简单紧凑，增加了机构刚度，减小了风洞阻塞度。

本发明不局限于上述具体实施方式，所属技术领域的技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所作出的种种变换，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于高超声速风洞多体分离试验的高刚度嵌入式装置，其特征在于：包括三自由度并联平台（1）、Y向机构（2）、α机构（3）和γ机构（4）；

所述的三自由度并联平台（1）包括X向机构、Z向机构和β机构，三自由度并联平台（1）的并联基座（5）为水平方向，X向导轨（10）固定在三自由度并联平台（1）的并联基座（5）上，实现X向运动；Z向导轨（14）通过旋转滑块组件（16）垂直固定在X向导轨（10）上，实现Z向运动；旋转滑块组件（16）绕Y轴旋转，实现β运动；

所述的Y向机构（2）的Y向导轨（21）通过并联运动平台（17）固定在Z向导轨（14）上，Y向滑块（22）安装在Y向导轨（21）上，实现Y向运动；

所述的α机构（3）的α导轨（27）通过α基座（23）固定在Y向滑块（22）上，实现α运动；

所述的γ机构（4）通过弯刀（32）与α机构（3）固定连接，实现γ运动；

三自由度并联平台（1）、Y向机构（2）和α机构（3）处在高超声速风洞的流场之外，γ机构（4）暴露在流场内。

2.根据权利要求1所述的一种用于高超声速风洞多体分离试验的高刚度嵌入式装置，其特征在于：所述的三自由度并联平台（1）主要包括并联基座（5）和并联运动平台（17）；并联基座（5）上部沿X方向布置两组驱动元件，主要包括X向电机（6）、X向丝杠（7）、X向螺母（8）、X向导轨（10）和X向滑块（9）；X向电机（6）驱动两根X向丝杠（7）带动两个X向螺母（8）同步运动，带动两侧X向滑块（9）实现X向运动。

3.根据权利要求1所述的一种用于高超声速风洞多体分离试验的高刚度嵌入式装置，其特征在于：所述的并联运动平台（17）下部沿Z方向布置两组驱动元件，主要包括Z向电机（11）、Z向丝杠（12）、Z向螺母（13）、Z向导轨（14）和Z向滑块（15），每组Z向驱动元件都配置两套Z向导轨（14）和Z向滑块（15），Z向螺母（13）及Z向导轨（14）同时与并联运动平台（17）固定连接；Z向电机（11）分别驱动两根Z向丝杠（12）带动Z向螺母（13）与并联运动平台（17）实现Z向运动。

4.根据权利要求1所述的一种用于高超声速风洞多体分离试验的高刚度嵌入式装置，其特征在于：所述的并联基座（5）与并联运动平台（17）之间采用四个旋转滑块组件（16）连接，每个旋转滑块组件（16）将相应的X向滑块（9）和Z向滑块（15）连接，并且两者之间可以自由转动；位于两根X向导轨（10）相同位置的两个旋滑块承组件（16）通过X向滑块（9）连接两个X向螺母（8），通过Z向滑块（15）连接两个Z向螺母（13）；X向电机（6）与Z向电机（11）分开控制，驱动X向螺母（8）和Z向螺母（13）产生相互独立的运动；两个X向电机（6）产生反向等速运动，驱动两侧的X向丝杠（7）带动X向螺母（8）进行反向等速运动，产生X向位移差；X向位移差驱动与X向螺母（8）连接的两个旋转滑块组件（16）同时偏转，另外两个旋转滑块组件（16）随动，带动并联运动平台（17）同时产生β运动与直线运动，β运动的旋转中心位于尾支杆（37）末端在旋转平面内的投影处；通过独立控制X向电机（6）和Z向电机（11）转动可以实现X向、Z向和β自由度的单自由度运动以及多自由度耦合运动。

5.根据权利要求1所述的一种用于高超声速风洞多体分离试验的高刚度嵌入式装置，其特征在于：所述的Y向机构（2）采用电机丝杠驱动、直线导轨导向的传动原理，主要包括并联运动平台（17）、Y向电机（18）、Y向丝杠（19）、Y向螺母（20）、Y向导轨（21）和Y向滑块（22）；并联运动平台（17）为一个具有内部空间、带两翼的对称箱体，箱体的两翼与四根Z向导轨（14）固定；箱体的内部空间左右两侧对称布置四组Y向电机（18）、Y向丝杠（19）和Y向螺母（20），一根Y向丝杠（19）外侧平行布置一根Y向导轨（21）及两个Y向滑块（22）；Y向螺母（20）与Y向滑块（22）同时与内嵌的α基座（23）固定连接；Y向电机（18）驱动Y向丝杠（19）转动时，带动Y向螺母（20）与α基座（23）实现Y向运动。

6.根据权利要求1所述的一种用于高超声速风洞多体分离试验的高刚度嵌入式装置，其特征在于：所述的α机构（3）包括α基座（23）、α电机（24）、α丝杠（25）、α螺母（26）、α直线导轨（27）、α直线滑块（28）、α弧形滑块（29）、α弧形导轨（30）、α连杆（31）和弯刀（32）；α基座（23）为中空的n形箱体，箱体内顶部中间区域布置一根α直线导轨（27）和2个α直线滑块（28），α直线导轨（27）下面平行布置一根α丝杠（25）及α电机（24）和α螺母（26），α直线滑块（28）和α螺母（26）固定连接；n形箱体两侧各布置一根α弧形导轨（30）及两个α弧形滑块（29）；弯刀（32）的根部为一个矩型凹槽，凹槽外侧与两侧的α弧形滑块（29）固定连接，凹槽内侧通过旋转副与两个α连杆（31）一端连接，α连杆（31）另一端通过旋转副与α螺母（26）连接；α电机（24）驱动α丝杠（25）转动时，α螺母（26）带动α连杆（31）沿α直线导轨（27）同步运动，进而带动弯刀（32）实现α运动。

7.根据权利要求1所述的一种用于高超声速风洞多体分离试验的高刚度嵌入式装置，其特征在于：所述的γ机构包括γ套筒（33）、γ电机（34）、γ减速机（35）、γ主轴（36）和尾支杆（37）；γ套筒（33）与弯刀（32）固定连接，同时γ套筒（33）与γ主轴（36）通过轴承组件连接；γ主轴（36）一端与尾支杆（37）固定连接，另一端通过γ减速机（35）与γ电机（34）连接；γ电机（34）通过γ减速机（35）、γ主轴（36）驱动尾支杆（37）实现γ运动。