CN109752164A - 一种低速旋翼翼型动态试验驱动机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低速旋翼翼型动态试验驱动机构，包括转盘门、执行机构、第一滑动机构、第二滑动机构和控制机构，所述转盘门顶端两侧固定设置有直线导轨，所述转盘门顶端在直线导轨之间开设有活动槽，所述执行机构分别与第一滑动机构和第二滑动机构连接，所述控制机构与执行机构连接。本发明通过俯仰运动和沉浮运动均采用直驱电机驱动，减少了电机与模型的连接，提高了运动精度。

Description

一种低速旋翼翼型动态试验驱动机构

技术领域

本发明涉及低速风洞大尺寸模型的动态试验研究设备技术领域，具体为一种低速旋翼翼型动态试验驱动机构。

背景技术

在翼型动态试验中，最重要的相似参数是缩减频率；为了提高试验的缩减频率，试验模型往往做的偏小，如德国航空航天中心的试验设备，虽然最大振荡频率可达30Hz，但模型弦长仅为0.3m，展长1m，并且只能做俯仰运动，造成试验雷诺数仅在数万或十万的量级，远达不到旋翼翼型的典型工作状态(百万雷诺数量级)，针对大模型且能做三种运动(俯仰运动、沉浮运动以及二者的耦合运动)的动态试验驱动机构，在国内外处于领先水平。

现有的低速风洞大尺寸模型的动态试验研究设备存在以下不足：

1、现有的低速风洞大尺寸模型的动态试验研究设备的俯仰运动和沉浮运动均使用电机驱动连杆带动，电机与模型的连接环节比较多，降低了运动精度，且为了提高试验的缩减频率，试验模型往往做的偏小，如德国航空航天中心的试验设备，虽然最大振荡频率可达30Hz，但模型弦长仅为0.3m，展长 1m，并且只能做俯仰运动，造成试验雷诺数仅在数万或十万的量级，远达不到旋翼翼型的典型工作状态；

2、现有的低速风洞大尺寸模型的动态试验研究设备不能很好的对电机等设备进行控制，同时不能高效率的处理数据，控制器开放性弱，工作不稳定，使试验的数据不够精确，且有可能导致试验失败。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低速旋翼翼型动态试验驱动机构，以解决上述背景技术中提出的现有的低速风洞大尺寸模型的动态试验研究设备的俯仰运动和沉浮运动均使用电机带动，电机与模型的连接环节比较多，降低了运动精度，且为了提高试验的缩减频率，试验模型往往做的偏小，如德国航空航天中心的试验设备，虽然最大振荡频率可达30Hz，但模型弦长仅为0.3m，展长1m，并且只能做俯仰运动，造成试验雷诺数仅在数万或十万的量级，远达不到旋翼翼型的典型工作状态和现有的低速风洞大尺寸模型的动态试验研究设备不能很好的对电机等设备进行控制，同时不能高效率的处理数据，控制器开放性弱，工作不稳定，使试验的数据不够精确，且有可能导致试验失败的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种低速旋翼翼型动态试验驱动机构，包括转盘门、执行机构、第一滑动机构、第二滑动机构和控制机构，所述转盘门顶端两侧固定设置有直线导轨，所述转盘门顶端在直线导轨之间开设有活动槽，所述执行机构中的俯仰运动直驱电机和沉浮运动直驱电机分别与第一滑动机构和第二滑动机构连接，所述控制机构与执行机构连接。

进一步的，所述第一滑动机构活动设置于直线导轨顶端，所述第一滑动机构包括滑板和第一滑块，所述滑板的底端两侧均固定设置有第一滑块，所述第一滑块远离滑板的一侧与直线导轨活动连接，所述滑板的底端开设有活动孔。

进一步的，所述第二滑动机构包括“T”型连杆机构、第二滑块和安装座，所述“T”型连杆机构两侧底端均固定设置有第二滑块，所述第二滑块的底端与直线导轨活动连接，所述“T”型连杆机构远离第二滑块的一端与滑板铰接，所述“T”型连杆机构在远离滑板一侧的顶端开设有滑槽，所述安装座固定设置于“T”型连杆机构顶端。

进一步的，所述执行机构包括俯仰运动直驱电机和沉浮运动直驱电机，所述俯仰运动直驱电机固定设置于滑板顶端，所述俯仰运动直驱电机的输出轴端穿过活动孔和转盘门设置于活动槽底端，所述沉浮运动直驱电机活动设置于安装座顶端，所述沉浮运动直驱电机的输出轴端穿过安装座设置于安装座底端。

进一步的，所述沉浮运动直驱电机的输出轴端上安装有拨杆，所述拨杆的另一端安装有圆柱销，所述圆柱销活动设置于滑槽内部。

进一步的，所述俯仰运动直驱电机输出轴与滑板平面垂直，所述沉浮运动直驱电机输出轴和圆柱销的轴线均与俯仰运动直驱电机的输出轴平行并指向一致。

进一步的，所述机构控制包括主控计算机、多轴运动控制卡、电机控制器和位置反馈编码器，所述主控计算机与多轴运动控制卡、电机控制器和位置反馈编码器连接，所述电机控制器和位置反馈编码器分别与俯仰运动直驱电机和沉浮运动直驱电机连接。

进一步的，所述机构控制使用回路控制策略采用“位置闭环”方案，所述主控计算机将设定的机构工作状态输出到多轴运动控制卡，所述多轴运动控制卡完成对控制信息的运算后，通过D/A将运算后的控制数据转换成模拟量，输出到电机控制器，所述电机控制器输出驱动控制信号经功率放大输出到俯仰运动直驱电机和沉浮运动直驱电机，俯仰运动直驱电机和沉浮运动直驱电机按照设定的运动规律转动。

进一步的，俯仰运动直驱电机选择中国台湾HIWIN旋转式直驱电机，两台电机驱动上下转盘同步运动，型号规格为TMRW7FL，连续扭矩720N.m，两台电机总扭矩1440N.m，大于计算所需的最大扭矩1200N.m，满足要求。

进一步的，沉浮运动直驱电机选择中国台湾HIWIN旋转式直驱电机，两台电机上下同步推拉驱动，型号规格为TMRWAFL，连续扭矩1290N.m，两台电机总扭矩2580N.m，大于计算所需最大扭矩1900N.m，满足要求。

进一步的，位置反馈编码器件选用进口的绝对值光电编码器作为测角元件，其精度为±2″，通过后续数字细分电路，其分辨率可以达到25位分辨率(0.0386″)，该编码器具有精度高、可靠性高等特点。

进一步的，位置反馈编码器将产品的位置信息反馈到系统中，通过数显单元显示，使用高精度的角度编码器并通过倍频器细分后得到所需要的角度分辨率，选用德国HEIDENHAN(海德汉)ECN125绝对值角度编码器，2048线。

进一步的，电机控制器选择了意大利TDE全数字通用伺服驱动器，根据选用的直驱电机参数，俯仰运动直驱电机选择功率为20kW，俯仰运动直驱电机选择功率为37kW。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明通过俯仰运动和沉浮运动均采用直驱电机驱动，减少了电机与模型的连接，提高了运动精度，且直驱电机功率高，可驱动弦长900mm，展长 1600mm，重量49kg的翼型模型做三种不同的运动，振荡频率高，俯仰振荡可达5Hz，沉浮振荡可达3Hz，确保实现俯仰和沉浮的正弦波规律运动，且俯仰运动、沉浮运动和耦合运动三种运动方式可单独控制；

2、本发明通过采用可编程多轴运动控制卡(PMAC)，PMAC运动控制器是目前世界上功能最强的硬件集成化运动控制器，该运动控制器开放性强，工作稳定可靠，支持各种总线结构，提供多种通信接口，拥有丰富的外围附件，配置灵活，可以控制多种形式的电动机以及接收市场上大多数位置及速度反馈元件的反馈信号，可静态控制模型的试验迎角，也可做静态试验，系统采用自检与自校、故障分类监测及处理等安全运行的保护措施，并通过控制计算机和相应的外围电路单元对故障信息进行分级监测处理，能够快速的处理数据，保障了实验稳定的进行。

附图说明

图1为本发明一种低速旋翼翼型动态试验驱动机构整体结构示意图；

图2为本发明一种低速旋翼翼型动态试验驱动机构的系统示意图；

图3为本发明一种低速旋翼翼型动态试验驱动机构的控制机构示意图；

图4为本发明一种低速旋翼翼型动态试验驱动机构的直线导轨安装示意图；

图5为本发明一种低速旋翼翼型动态试验驱动机构的三维结构示意图。

图中：1、转盘门；2、执行机构；3、第一滑动机构；4、第二滑动机构；5、控制机构；6、直线导轨；7、活动槽；8、滑板；9、第一滑块；10、活动孔；11、“T”型连杆机构；12、第二滑块；13、安装座；14、滑槽；15、俯仰运动直驱电机；16、沉浮运动直驱电机；17、拨杆；18、圆柱销；19、主控计算机；20、多轴运动控制卡；21、电机控制器；22、位置反馈编码器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种低速旋翼翼型动态试验驱动机构，包括转盘门1、执行机构2、第一滑动机构3、第二滑动机构4和控制机构5，所述转盘门1顶端两侧固定设置有直线导轨6，所述转盘门1顶端在直线导轨6之间开设有活动槽7，所述执行机构2中的俯仰运动直驱电机 15和沉浮运动直驱电机16分别与第一滑动机构3和第二滑动机构4连接，所述控制机构5与执行机构2连接。

本发明中所述第一滑动机构3活动设置于直线导轨6顶端，所述第一滑动机构3包括滑板8和第一滑块9，所述滑板8的底端两侧均固定设置有第一滑块9，所述第一滑块9远离滑板8的一侧与直线导轨6活动连接，所述滑板 8的底端开设有活动孔10，用于安装俯仰运动直驱电机15；

本发明中所述第二滑动机构4包括“T”型连杆机构11、第二滑块12和安装座13，所述“T”型连杆机构11两侧底端均固定设置有第二滑块12，所述第二滑块12的底端与直线导轨6活动连接，所述“T”型连杆机构11远离第二滑块12的一端与滑板8铰接，所述“T”型连杆机构11在远离滑板8一侧的顶端开设有滑槽14，所述安装座13固定设置于“T”型连杆机构11顶端，用于安装沉浮运动直驱电机16；

本发明中所述执行机构2包括俯仰运动直驱电机15和沉浮运动直驱电机 16，所述俯仰运动直驱电机15固定设置于滑板8顶端，所述俯仰运动直驱电机15的输出轴端穿过活动孔10和转盘门1设置于活动槽7底端，所述沉浮运动直驱电机16活动设置于安装座13顶端，所述沉浮运动直驱电机16的输出轴端穿过安装座13设置于安装座13底端，为设备提供动力；

本发明中所述沉浮运动直驱电机16的输出轴端上安装有拨杆17，所述拨杆17的另一端安装有圆柱销18，所述圆柱销18活动设置于滑槽14内部，用于使滑板8运动；

本发明中所述俯仰运动直驱电机15输出轴与滑板8平面垂直，所述沉浮运动直驱电机16输出轴和圆柱销18的轴线均与俯仰运动直驱电机15的输出轴平行并指向一致，保证设备的正常运转；

本发明中所述控制机构5包括主控计算机19、多轴运动控制卡20、电机控制器21和位置反馈编码器22，所述主控计算机19与多轴运动控制卡20、电机控制器21和位置反馈编码器22连接，所述电机控制器21和位置反馈编码器22分别与俯仰运动直驱电机15和沉浮运动直驱电机16连接，用于控制设备的运行；

本发明中所述控制机构5使用回路控制策略采用“位置闭环”方案，所述主控计算机19将设定的机构工作状态输出到多轴运动控制卡20，所述多轴运动控制卡20完成对控制信息的运算后，通过D/A将运算后的控制数据转换成模拟量，输出到电机控制器21，所述电机控制器21输出驱动控制信号经功率放大输出到俯仰运动直驱电机15和沉浮运动直驱电机16，俯仰运动直驱电机15和沉浮运动直驱电机16按照设定的运动规律转动，使设备更加的稳定；

工作原理：本发明通过主控计算机19将设定的机构工作状态输出到多轴运动控制卡20，多轴运动控制卡20完成对控制信息的运算后，通过D/A将运算后的控制数据转换成模拟量，输出到电机控制器21，电机控制器21输出驱动控制信号经功率放大输出到俯仰运动直驱电机15和沉浮运动直驱电机16，俯仰运动直驱电机15和沉浮运动直驱电机16按照设定的运动规律转动，通过在滑板8上安装俯仰运动直驱电机15，俯仰运动直驱电机15输出轴与滑板 8平面垂直，并通过转盘门1所开设的活动槽7伸入到转盘门1底端，通过俯仰运动直驱电机15的输出轴端在转盘门1底端安装模型，在滑板8滑动时带动俯仰运动直驱电机15输出轴在活动槽7内做沉浮运动，通过“T”型连杆机构11远离第二滑块12的一端与滑板8铰接，只要推动“T”型连杆机构11，就可以使滑板8沿直线导轨6往复运动，当沉浮运动直驱电机16输出轴匀速转动时，圆柱销18的圆心在直线导轨6方向的运动投影轨迹就是正弦运动，把圆柱销18插入到“T”型连杆机构11的滑槽14里，当沉浮运动直驱电机 16匀速转动时，圆柱销18在滑槽14内滑动，由于“T”型连杆机构11固定在直线导轨6上，只能产生沿直线导轨6方向上的滑动，所以它的运动规律与圆柱销18的圆心在直线导轨6方向上的投影运动规律是一样的，即“T”型连杆机构11和滑板8都是正弦运动，通过改变圆柱销18在拨杆17上的位置，就改变了滑板8正弦运动的幅值，其频率由沉浮运动直驱电机16的转速控制，实现模型的沉浮运动，俯仰运动的振荡频率0～5Hz，最大角度振幅± 15°，平均迎角0°～360°无级可调，精度≤6′；沉浮运动的振荡频率0～ 3Hz，振幅位移范围-100mm～﹢100mm，位置精度≤2mm；耦合运动的俯仰和沉浮运动间的相位可以任意给定，能够达到两种运动在同一时刻均达到最大值或最小值，同步精度≤6′或≤2mm，确保实现俯仰和沉浮的正弦波规律运动，且三种可单独控制。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种低速旋翼翼型动态试验驱动机构，包括转盘门(1)、执行机构(2)、第一滑动机构(3)、第二滑动机构(4)和控制机构(5)，其特征在于：所述转盘门(1)顶端两侧固定设置有直线导轨(6)，所述转盘门(1)顶端在直线导轨(6)之间开设有活动槽(7)，所述执行机构(2)中的俯仰运动直驱电机(15)和沉浮运动直驱电机(16)分别与第一滑动机构(3)和第二滑动机构(4)连接，所述控制机构(5)与执行机构(2)连接。

2.根据权利要求1所述的一种低速旋翼翼型动态试验驱动机构，其特征在于：所述第一滑动机构(3)活动设置于直线导轨(6)顶端，所述第一滑动机构(3)包括滑板(8)和第一滑块(9)，所述滑板(8)的底端两侧均固定设置有第一滑块(9)，所述第一滑块(9)远离滑板(8)的一侧与直线导轨(6)活动连接，所述滑板(8)的底端开设有活动孔(10)。

3.根据权利要求2所述的一种低速旋翼翼型动态试验驱动机构，其特征在于：所述第二滑动机构(4)包括“T”型连杆机构(11)、第二滑块(12)和安装座(13)，所述“T”型连杆机构(11)两侧底端均固定设置有第二滑块(12)，所述第二滑块(12)的底端与直线导轨(6)活动连接，所述“T”型连杆机构(11)远离第二滑块(12)的一端与滑板(8)铰接，所述“T”型连杆机构(11)在远离滑板(8)一侧的顶端开设有滑槽(14)，所述安装座(13)固定设置于“T”型连杆机构(11)顶端。

4.根据权利要求3所述的一种低速旋翼翼型动态试验驱动机构，其特征在于：所述执行机构(2)包括俯仰运动直驱电机(15)和沉浮运动直驱电机(16)，所述俯仰运动直驱电机(15)固定设置于滑板(8)顶端，所述俯仰运动直驱电机(15)的输出轴端穿过活动孔(10)和转盘门(1)设置于活动槽(7)底端，所述沉浮运动直驱电机(16)活动设置于安装座(13)顶端，所述沉浮运动直驱电机(16)的输出轴端穿过安装座(13)设置于安装座(13)底端。

5.根据权利要求4所述的一种低速旋翼翼型动态试验驱动机构，其特征在于：所述沉浮运动直驱电机(16)的输出轴端上安装有拨杆(17)，所述拨杆(17)的另一端安装有圆柱销(18)，所述圆柱销(18)活动设置于滑槽(14)内部。

6.根据权利要求5所述的一种低速旋翼翼型动态试验驱动机构，其特征在于：所述俯仰运动直驱电机(15)输出轴与滑板(8)平面垂直，所述沉浮运动直驱电机(16)输出轴和圆柱销(18)的轴线均与俯仰运动直驱电机(15)的输出轴平行并指向一致。

7.根据权利要求4所述的一种低速旋翼翼型动态试验驱动机构，其特征在于：所述控制机构(5)包括主控计算机(19)、多轴运动控制卡(20)、电机控制器(21)和位置反馈编码器(22)，所述主控计算机(19)与多轴运动控制卡(20)、电机控制器(21)和位置反馈编码器(22)连接，所述电机控制器(21)和位置反馈编码器(22)分别与俯仰运动直驱电机(15)和沉浮运动直驱电机(16)连接。

8.根据权利要求7所述的一种低速旋翼翼型动态试验驱动机构，其特征在于：所述控制机构(5)使用回路控制策略采用“位置闭环”方案，所述主控计算机(19)将设定的机构工作状态输出到多轴运动控制卡(20)，所述多轴运动控制卡(20)完成对控制信息的运算后，通过D/A将运算后的控制数据转换成模拟量，输出到电机控制器(21)，所述电机控制器(21)输出驱动控制信号经功率放大输出到俯仰运动直驱电机(15)和沉浮运动直驱电机(16)，俯仰运动直驱电机(15)和沉浮运动直驱电机(16)按照设定的运动规律转动。