CN106840583B - 一种具有平移功能的亚跨超声速风洞大攻角机构 - Google Patents

Abstract

一种具有平移功能的亚跨超声速风洞大攻角机构，大攻角组件采用铰链形式通过转轴与模型支杆座连接，为模型支杆前端连接的模型提供试验攻角；所述的平移组件包括上端框、滚珠光杠、滚珠丝杠、活动端框、伺服电机、齿轮副、下端框、位置传感器；两个滚珠光杠的光杠轴两端固连在上端框和下端框上，滚珠光杠的直线轴承安装在活动端框上，滚珠丝杠的丝杠轴两端安装在上端框和下端框上且连接端能够相互转动，滚珠丝杠的丝母安装在活动端框上，伺服电机驱动齿轮副带动丝杠轴转动从而驱动丝母平移进而带动活动端框上下移动，活动端框带动大攻角组件上下移动；位置传感器用于敏感活动端框的上下位移，利用该位移信息结合待平移的距离，对伺服电机进行闭环控制；所述的上端框与下端框之间的距离大于风洞轴线至上驻室顶板的距离。

Description

一种具有平移功能的亚跨超声速风洞大攻角机构

技术领域

本发明涉及亚跨超声速风洞的试验装置领域，主要是一种具有平移和滚转功能的风洞大攻角机构。

背景技术

超机动性、超敏捷性是第四代飞行器的重要战术性能指标，良好的大攻角气动性能是第四代飞行器获得超机动性、超敏捷性的基本条件，而风洞试验是研究飞行器大攻角气动性能的重要手段，风洞大攻角试验技术是一项关键的风洞特种试验技术。另外，现代风洞朝着具有更强的试验能力、更高的生产效率及更低的运行费用方向发展，往往要求在一次吹风过程中尽可能多地模拟模型试验状态，如模型的俯仰、偏航、滚转、横向平移、纵向平移等姿态和动作，这些动作必须依靠等各种类型的机构配合控制方案实现。

风洞试验要求模型支撑机构的姿态位置准确并且具有足够的刚度和强度、小的阻塞比和较低的流场干扰性能，由于尾支撑结构简单、通用性好、流场干扰小，因而在各个风洞中应用最为广泛。尾支撑的一般结构是将内式应变天平安装在模型腔内，通过支杆与风洞的支架系统连接。采用尾支撑的风洞支架系统常见的有弯刀支架、多连杆支架、侧窗支架、关节式支架等形式，各种支架适用于不同的试验场合，具有不同的特点及优势，这几种支架的基本设计思路是以实现模型攻角为主要目标，在此基础上叠加攻角预置功能、侧滑角功能、滚转角功能，来实现风洞试验所需要的各种模型姿态。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了具有平移功能的亚跨超风洞大攻角机构。

本发明的技术解决方案是：一种具有平移功能的亚跨超声速风洞大攻角机构，包括大攻角组件、平移组件,大攻角组件采用铰链形式通过转轴与模型支杆座连接，为模型支杆前端连接的模型提供试验攻角；所述的平移组件包括上端框、滚珠光杠、滚珠丝杠、活动端框、伺服电机、齿轮副、下端框、位置传感器；两个滚珠光杠的光杠轴两端固连在上端框和下端框上，滚珠光杠的直线轴承安装在活动端框上，滚珠丝杠的丝杠轴两端安装在上端框和下端框上且连接端能够相互转动，滚珠丝杠的丝母安装在活动端框上，伺服电机驱动齿轮副带动丝杠轴转动从而驱动丝母平移进而带动活动端框上下移动，活动端框带动大攻角组件上下移动；位置传感器用于敏感活动端框的上下位移，利用该位移信息结合待平移的距离，对伺服电机进行闭环控制；所述的上端框与下端框之间的距离大于风洞轴线至上驻室顶板的距离。

所述的平移组件还包括配重，通过配重实现伺服电机正反转时的力矩平衡。

还包括上限位开关和下限位开关、用于防止活动端框撞击上端框和下端框。

限位开关采用非接触式的霍尔式电磁开关元件。

所述的位置传感器采用电位计。

还包括滚转臂组件，滚转臂组件带动模型支杆进行转动，利用机构的攻角、滚转角的位置耦合，得到安装在模型支杆前端模型的攻角、侧滑角姿态。

所述的滚转臂组件包括滚转接头、齿轮副Ⅰ、伺服电机Ⅰ、滚针轴承、引线保护管、模型支杆座、转轴；伺服电机Ⅰ的转动通过齿轮副Ⅰ传递至滚转接头使其转动；滚转接头尾部插在模型支杆座内部空腔内，通过滚针轴承约束，前端与模型支杆连接。

伺服电机Ⅰ安装在滚转接头的下方。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明一种具有平移和滚转功能的亚跨超风洞大攻角机构，采用了模块化设计，各个模块的功能基本独立，进行简单的功能叠加就具备了“大攻角+平移+滚转”的功能。

(2)本发明一种具有平移和滚转功能的亚跨超风洞大攻角机构，提供了一种继续进行功能模块叠加的平台，为机构的功能拓展和延伸打下了良好的基础。

(3)本发明一种具有平移和滚转功能的亚跨超风洞大攻角机构，集成了大攻角、模型上下移动、变攻角--上下移动的组合运动、自动变滚转角、耦合实现攻角--侧滑角姿态等功能，适用于亚跨超风洞试验模型的多种姿态控制，具有功能多样、攻角范围大、模型运动范围大、控制方案灵活的优点。

(4)本发明一种具有平移和滚转功能的亚跨超风洞大攻角机构，采用多连杆为基础的结构实现攻角和上下移动，具有结构简单、拆装方便、可实现攻角范围大的优点。

(5)本发明一种具有平移和滚转功能的亚跨超风洞大攻角机构，大攻角组件和平移组件采用了拉线传感器作为位置反馈，实现了闭环控制，具有精度高、控制可靠的优点。

(6)本发明一种具有平移和滚转功能的亚跨超风洞大攻角机构，大攻角组件和平移组件采用了非接触式的限位开关，避免了误操作造成的机械损坏，具有耐用性好的优点。

(7)本发明一种具有平移和滚转功能的亚跨超风洞大攻角机构，摆臂内的滚转电机布置在滚转接头的下方，减弱了伺服电机对模型测量参数信号的电磁干扰，有利于获得准确的模型测量参数，具有电磁干扰小的优点。

(8)本发明一种具有平移和滚转功能的亚跨超风洞大攻角机构，滚转电机与滚转接头之间的齿轮副距离可调节，从而避免了加工误差、磨损造成的齿形变位等因素导致的齿轮副回差较大，具有滚转精度高的优点。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为大攻角组件的结构图；

图3为平移组件的结构图；

图4为滚转组件的结构图；

图5为上下平移运动示意图；

图6为大攻角运动示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实例对本发明做详细说明，本发明一种多自由度的亚跨超风洞大攻角机构，如图1所示，大攻角组件1.0、平移组件2.0，大攻角组件1.0采用铰链形式通过转轴与模型支杆座连接，为模型支杆前端连接的模型提供试验攻角；

如图2所示，控制大攻角组件1.0的伺服电机1.1运动，带动电机齿轮1.2转动并传递至主动齿轮1.3和主动丝杠1.4，从而带动前臂1.9上下运动；主动齿轮1.3再带动从动齿轮1.13及从动丝杠1.14运动，从而带动后臂1.17上下运动。通过预先设定的主动齿轮1.3与动齿轮1.13的齿数比，前臂1.9与后臂1.17的上下运动即存在固定的速度差【一般为前臂1.9速度慢、后臂1.17速度快】，该速度差引起小臂1.18与滚转臂组件3.0的相对位置和角度关系发生变化，模型的运动轨迹为上下摆动，此功能用以实现风洞模型的攻角，攻角范围为-10°～65°，如图6示意。其中，配重1.5的作用是为了实现伺服电机1.1正反转时候的力矩平衡。为了控制前臂1.9只具有垂直方向唯一的自由度，设置滚动导轨1.8，滚动导轨1.8的导轨与前臂1.9的前端面固定，滚动导轨1.8的滑块与活动端框2.4连接。从动丝杠1.14与后臂1.17之间通过法兰座1.15连接，当整套装置安装在风洞上的时候，需手动微调后臂1.17的姿态，使模型支杆处于风洞轴线位置时攻角的为0°±0.05°，此时人工摇动手摇把1.10、通过减速机1.11和齿轮1.12传动，使从动齿轮1.13旋转，从而带动从动丝杠1.14和后臂1.17上下移动。

如图2所示，大攻角组件1.0采用拉线式电位计作为位置传感器1.16。位置传感器1.16的基座固定在框架1.7上，拉线与前臂1.9连接。伺服电机1.1通过位置传感器1.16的位置反馈通过实现攻角的闭环控制。采用霍尔式电磁开关元件作为限位开关1.6，作为前臂1.9的上下位置限位。

如图3所示，平移组件2.0包括上端框2.1、滚珠光杠2.2、滚珠丝杠2.3、活动端框2.4、伺服电机2.5、齿轮副2.6、下端框2.7、位置传感器2.11；平移组件2.0的固定结构是以上端框2.1、下端框2.7、滚珠光杠2.2为基本组件构建的一个框架式结构，运动结构是以伺服电机2.5、齿轮副2.6、滚珠丝杠2.3、滚珠光杠2.2、活动端框2.4为基础搭建的直线运动平台，伺服电机2.5的转动通过齿轮副2.6传递至滚珠丝杠2.3，带动活动端框2.4沿着滚珠光杠2.2的导向上下移动，移动范围根据风洞和试验情况设定，平移位置示意见图5。具体的两个滚珠光杠2.2的光杠轴两端固连在上端框2.1和下端框2.7上，滚珠光杠的直线轴承安装在活动端框2.4上，滚珠丝杠2.3的丝杠轴两端安装在上端框2.1和下端框2.7上且连接端能够相互转动，滚珠丝杠的丝母安装在活动端框2.4上，伺服电机2.5驱动齿轮副2.6带动丝杠轴转动从而驱动丝母平移进而带动活动端框上下移动，活动端框带动大攻角组件上下移动；此时整套机构控制的模型的运动轨迹为上下平移，此功能用以实现风洞模型在试验段流场均匀区内的上下平移，达到躲避试验段激波、头部反射激波等对弹翼、尾舵、测量翼、测量舵影响的目的，如图3和图5示意，配重2.8实现伺服电机正反转时的力矩平衡；

如图3所示，平移组件2.0采用拉线式电位计作为位置传感器2.11,用于敏感活动端框的上下位移，其基座固定在下端框2.7上，拉线与活动端框2.4连接。伺服电机2.5通过位置传感器2.11的位置反馈实现上下平移位置的闭环控制。采用霍尔式电磁开关元件作为限位开关2.9，2.10，作为活动端框2.4的上下位置限位。所述的上端框与下端框之间的距离大于风洞轴线至上驻室顶板的距离。

本发明还包括安装在模型支杆座上的滚转臂组件3.0，滚转臂组件带动模型支杆进行转动，利用机构的攻角、滚转角的位置耦合，得到安装在模型支杆前端模型的攻角、侧滑角姿态。具体如图1、4所示，包括滚转接头3.1、齿轮副Ⅰ3.2、伺服电机Ⅰ3.3、滚针轴承3.4、引线保护管3.5、模型支杆座3.6、转轴3.7；伺服电机Ⅰ3.3的转动通过齿轮副Ⅰ3.2传递至滚转接头3.1使其转动，控制模型的滚转姿态，达到滚转角度范围为-180°～180°；滚转接头3.1尾部插在模型支杆座3.6内部空腔内，通过滚针轴承3.4约束，前端与模型支杆连接。伺服电机Ⅰ3.3安装在滚转接头3.1的下方，从而将减弱了伺服电机对模型测量参数信号的电磁干扰，有利于获得准确的模型测量参数。

本发明还可设计齿轮副Ⅰ3.2两个齿轮之间的距离可调节，从而避免了加工误差、磨损造成的齿形变位等因素导致的齿轮副回差较大，将回转误差控制在风洞试验所要求的角度精度控制范围内。

大攻角组件1.0、平移组件2.0、滚转臂组件3.0三者的功能基本独立，即本发明可认为是“大攻角+平移+滚转”功能的简单叠加，去除三者之间的任何一个组件，仍然可以实现剩余组件的功能，从而为本发明的功能简化、或者功能拓展、或者其他功能的继续叠加搭建了一个模块化的设计平台，在此平台上进行的“大攻角+平移+滚转”及其他组合设计具有良好的功能适应性

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (8)

1.一种具有平移功能的亚跨超声速风洞大攻角机构，其特征包括大攻角组件(1.0)、平移组件(2.0),大攻角组件(1.0)采用铰链形式通过转轴与模型支杆座连接，为模型支杆前端连接的模型提供试验攻角；所述的平移组件(2.0)包括上端框(2.1)、滚珠光杠(2.2)、滚珠丝杠(2.3)、活动端框(2.4)、伺服电机(2.5)、齿轮副(2.6)、下端框(2.7)、位置传感器(2.11)；整个平移组件(2.0)通过下端框(2.7)安装在上驻室的外部，两个滚珠光杠(2.2)的光杠轴两端固连在上端框(2.1)和下端框(2.7)上，滚珠光杠的直线轴承安装在活动端框(2.4)上，滚珠丝杠(2.3)的丝杠轴两端安装在上端框(2.1)和下端框(2.7)上且连接端能够相互转动，滚珠丝杠的丝母安装在活动端框(2.4)上，伺服电机(2.5)驱动齿轮副(2.6)带动丝杠轴转动从而驱动丝母平移进而带动活动端框上下移动，活动端框带动大攻角组件上下移动；位置传感器(2.11)用于敏感活动端框的上下位移，利用该位移信息结合待平移的距离，对伺服电机进行闭环控制；所述的上端框与下端框之间的距离大于风洞轴线至上驻室顶板的距离。

2.根据权利要求1所述的机构，其特征在于：所述的平移组件(2.0)还包括配重(2.8)，通过配重实现伺服电机正反转时的力矩平衡。

3.根据权利要求1所述的机构，其特征在于：还包括上限位开关(2.9)和下限位开关(2.10)、用于防止活动端框撞击上端框(2.1)和下端框(2.7)。

4.根据权利要求3所述的机构，其特征在于：限位开关采用非接触式的霍尔式电磁开关元件。

5.根据权利要求1所述的机构，其特征在于：所述的位置传感器采用电位计。

6.根据权利要求1所述的机构，其特征在于：还包括滚转臂组件(3.0)滚转臂组件带动模型支杆进行转动，利用机构的攻角、滚转角的位置耦合，得到安装在模型支杆前端模型的攻角、侧滑角姿态。

7.根据权利要求6所述的机构，其特征在于：所述的滚转臂组件(3.0)包括滚转接头(3.1)、齿轮副Ⅰ(3.2)、伺服电机Ⅰ(3.3)、滚针轴承(3.4)、引线保护管(3.5)、模型支杆座(3.6)、转轴(3.7)；伺服电机Ⅰ(3.3)的转动通过齿轮副Ⅰ(3.2)传递至滚转接头(3.1)使其转动；滚转接头(3.1)尾部插在模型支杆座(3.6)内部空腔内，通过滚针轴承(3.4)约束，前端与模型支杆连接。

8.根据权利要求7所述的机构，其特征在于：伺服电机Ⅰ(3.3)安装在滚转接头(3.1)的下方。