CN113670563B

CN113670563B - 一种用于piv系统的四自由度移测装置、控制系统及方法

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Publication number: CN113670563B
Application number: CN202111224023.7A
Authority: CN
Inventors: 史喆羽; 赵昱; 张卫国; 田昊; 马帅
Original assignee: Low Speed Aerodynamics Institute of China Aerodynamics Research and Development Center
Current assignee: Low Speed Aerodynamics Institute of China Aerodynamics Research and Development Center
Priority date: 2021-10-21
Filing date: 2021-10-21
Publication date: 2022-02-22
Anticipated expiration: 2041-10-21
Also published as: CN113670563A

Abstract

为解决现有的航空声学风洞试验中存在的测量装置的位置转换效率低影响试验效率的技术问题，本发明实施例提供一种用于PIV系统的四自由度移测装置、控制系统及方法，包括：Z向运动机构，设于X向运动机构；X向运动机构，用于在X向做直线运动，设有用于Z向运动机构在Z向做直线运动的Z向轨道；旋转机构，设于Z向运动机构；以及支架，设于旋转机构；所述支架包括：第一支撑架，设有用于在Y向直线运动的Y向运动机构；Y向运动机构，用于安装PIV系统的PIV相机；以及第二支撑架，用于安装PIV系统的激光器，设于旋转机构，与第一支撑架固定连接以使旋转机构转动时激光器与PIV相机在Z向上的距离固定。本发明实施例提高了测量装置的位置转换效率。

Description

一种用于PIV系统的四自由度移测装置、控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种用于PIV系统的四自由度移测装置、控制系统及方法。

背景技术

5.5米×4米航空声学风洞建成后，配置了诸如传声器远场架、传声器阵列等测量装置，但皆为固定式或手推式，由于不具备进行自动运动定位的能力，存在位置转换效率低、定位精度差等问题，且位置转换只能在停风后进行，严重影响试验效率。

发明内容

为解决现有的航空声学风洞试验中存在的测量装置的位置转换效率低影响试验效率的技术问题，本发明实施例提供一种用于PIV系统的四自由度移测装置、控制系统及方法。

本发明实施例通过下述技术方案实现：

第一方面，本发明实施例提供一种用于PIV系统的四自由度移测装置，包括：

Z向运动机构，设于X向运动机构；

X向运动机构，用于在X向做直线运动，设有用于Z向运动机构在Z向做直线运动的Z向轨道；

旋转机构，设于Z向运动机构；以及

支架，设于旋转机构；

所述支架包括：

第一支撑架，设有用于在Y向直线运动的Y向运动机构；

Y向运动机构，用于安装PIV系统的PIV相机；以及

第二支撑架，用于安装PIV系统的激光器，设于旋转机构，与第一支撑架固定连接以使旋转机构转动时激光器与PIV相机在Z向上的距离固定。

进一步的，所述X向和Z向相互垂直，X向和Z向位于同一水平面；所述Y向垂直于所述水平面。

进一步的，所述第一支撑架为立架，所述立架设有多个Y向运动机构；每个Y向运动机构均设有PIV系统的PIV相机。

进一步的，所述Y向运动机构的数量为2个，2个Y向运动机构分别设于立架的上部和下部。

进一步的，所述Y向运动机构为单轴机器人。

进一步的，所述旋转机构包括：

转动平台，设于Z向平台，通过转盘与第一伺服电机连接；

所述X向运动机构包括：

X向平台，与第二伺服电机连接；

X向轨道，用于X向平台在X向做直线运动；

所述Y向运动机构包括：

Y向平台，与第三伺服电机连接；

Y向轨道，用于Y向平台在Y向做直线运动；

所述Z向运动机构包括：

Z向平台，与第四伺服电机连接；

Z向轨道，设于X向平台,用于Z向平台在Z向做直线运动。

进一步的，所述第二支撑架为横架，所述横架的一端与立架固定连接。

第二方面，本发明实施例提供一种用于PIV系统的四自由度移测装置的控制方法，包括：

接收位移反馈信息并根据位移反馈信息生成指定速度运行指令；

发送指定速度运行指令至伺服驱动器，以使伺服驱动器控制伺服电机按照指定速度运行。

第三方面，本发明实施例提供一种用于PIV系统的四自由度移测装置的控制系统，包括：

运动控制器，用于接收位移反馈信息并根据位移反馈信息生成指定速度运行指令；用于发送指定速度运行指令至伺服驱动器，以使伺服驱动器控制伺服电机按照指定速度运行。

进一步的，用于PIV系统的四自由度移测装置的控制系统，包括：

所述运动控制器，用于通过第一伺服驱动器与第一伺服电机连接；

用于通过第二伺服驱动器与第二伺服电机连接；

用于通过第三伺服驱动器与第三伺服电机连接；

用于通过第四伺服驱动器与第四伺服电机连接。

本发明实施例与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明实施例的一种用于PIV系统的四自由度移测装置、控制系统及方法，通过包括X向运动机构、Y向运动机构、Z向运动机构和旋转机构的四自由度移测装置，实现了PIV系统的高空支撑和快速移动，从而，实现了在大型低速风洞中进行PIV测量的快速准确移测功能，提升了风洞试验效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为用于PIV系统的四自由度移测装置的结构示意图。

图2为图1的局部放大图。

图3为控制系统的原理示意图。

图4为用于PIV系统的四自由度移测装置的控制方法的控制原理示意图。

图5为用四自由度移测装置进行直升机旋翼复杂流场PIV测量试验示意图。

图6为直升机旋翼俯视结构示意图。

图7为用于PIV系统的四自由度移测装置的控制方法的流程示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-X向轨道，2-横架，3-X向平台，4-激光器，5-下部Y向运动机构，6-下部PIV相机，7-上部Y向运动机构，8-上部PIV相机，9-Z向平台，10-钢丝绳，11-立架，12-转盘。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例

为解决现有的航空声学风洞试验中存在的测量装置的位置转换效率低影响试验效率的技术问题，本发明实施例提供一种用于PIV系统的四自由度移测装置，参考图1-图2所示，包括：Z向运动机构，设于X向运动机构；X向运动机构，用于在X向做直线运动，设有用于Z向运动机构在Z向做直线运动的Z向轨道；旋转机构，设于Z向运动机构；以及支架，设于旋转机构；所述支架包括：第一支撑架，设有用于在Y向直线运动的Y向运动机构；Y向运动机构，用于安装PIV系统的PIV相机；以及第二支撑架，用于安装PIV系统的激光器，设于旋转机构，与第一支撑架固定连接以使旋转机构转动时激光器4与PIV相机在Z向上的距离固定。

其中，X向、Y向和Z向可以为X向和Z向共面，Y向与X向和Z向所在平面相交。

可选地，X向、Y向和Z向两两相互正交，即所述X向和Z向相互垂直，X向和Z向位于同一水平面；所述Y向垂直于所述水平面。

X向、Y向和Z向即三个两两正交的平动自由度X、Y和Z；旋转机构提供绕Y轴转动的自由度，其中X向平动自由度通过X向运动机构实现，Z向平动自由度通过Z向运动机构实现，Y向平动自由度通过Y向运动机构实现，绕Y轴转动自由度通过旋转机构实现；通过将PIV系统的PIV相机设于第一支撑架上的Y向运动机构，将PIV系统的激光器安装于旋转机构上的第二支撑架，保证了PIV相机和激光器的同步运动，在Z向上的相对位置不变，即PIV相机和激光器在Z向上的距离固定。

可选地，第二支撑架上还设有用于放置激光器的激光器支架、三角架、激光器电源、激光器水箱等等PIV系统的其它所需的部件。

从而，本发明实施例通过包括X向运动机构、Y向运动机构、Z向运动机构和旋转机构的四自由度移测装置，实现了PIV系统的高空支撑和快速移动，从而，实现了在大型低速风洞中进行PIV测量的快速准确移测功能，提升了风洞试验效率。

进一步的，所述第一支撑架为立架11，所述立架设有多个Y向运动机构；每个Y向运动机构均设有PIV系统的PIV相机。

参考图1所示，在立架11上设有多个Y向运动机构，每个Y向运动机构均设有PIV系统的PIV相机；可选地，所述Y向运动机构的数量为2个，2个Y向运动机构分别设于立架的上部和下部。

即立架上部设有上部Y向运动机构7，上部PIV相机8在立架上部的Y向运动机构上作直线运动；立架下部设有下部Y向运动机构5，立架的下部PIV相机6在立架下部的Y向运动机构上作直线运动。

可选地，所述Y向运动机构为单轴机器人。

进一步的，所述旋转机构包括：转动平台，设于Z向平台，通过转盘12与第一伺服电机连接；所述X向运动机构包括：X向平台3，与第二伺服电机连接；X向轨道1，用于X向平台在X向做直线运动；所述Y向运动机构包括：Y向平台，与第三伺服电机连接；Y向轨道，用于Y向平台在Y向做直线运动；所述Z向运动机构包括：Z向平台9，与第四伺服电机连接；Z向轨道，设于X向平台,用于Z向平台在Z向做直线运动。

进一步的，所述第二支撑架为横架2，所述横架的一端与立架11固定连接。可选地，立架11通过钢丝绳10和斜撑杆进行固定。

参考图5和图6所示。在5.5米×4米航空声学风洞开口试验段中，利用本发明实施例的四自由度移测装置开展了一期3米直径直升机旋翼复杂流场PIV测量试验。

总体要求：平动运动范围：以直升机模型桨叶回转中心为原点（距地面8m，距风洞喷口4m），各方向的运动范围为：X= -3m～3m，Y=-3m~3m，Z=0~2.6m；转盘机构运动范围：±180°；平动运动精度0.1mm，转盘机构定位精度：0.05°；所述Y向运动机构为单轴机器人。单轴机器人行程：1.2m；单轴机器人定位精度：0.1mm。

如图5所示，旋翼由4片桨叶组成，旋翼平面位于风洞中心距离地面高8米，测量截面包括沿旋翼径向和顺来流方向（XY平面）两种朝向，其中径向3个测量截面方位角分别为180°、225°和315°（图6中截面Ⅰ、截面Ⅳ和截面Ⅲ），3个顺来流方向测量截面（截面定位关系：方位角+距离桨盘中心距离）分别为（194.5°，375mm）、（270°，375mm）和（300°，1.5m）（截面Ⅱ、截面Ⅴ、截面Ⅵ），参考图6所示，来流方向从上往下，旋翼俯视逆时针旋转，朝后为0°方位角），由此，获得了直升机旋翼悬停和前飞典型状态流场结果。

从而，本发明实施例实现了在大型低速风洞中进行PIV测量的快速准确移测功能，能极大提升风洞试验效率；本发明实施例的四自由度移测装置，四自由度高精度移动定位，保证了光学测量成像布局，整体随动，全系统位于风洞流场外，不干扰被测流场。

为进一步提高测量装置的位置转换效率，提高转换的精度，第二方面，本发明实施例提供一种用于PIV系统的四自由度移测装置的控制方法，参考图7所示，参考图4所示，所述控制方法以运动控制器作为执行主体，包括：

S1.接收位移反馈信息并根据位移反馈信息生成指定速度运行指令；

S2.发送指定速度运行指令至伺服驱动器，以使伺服驱动器控制伺服电机按照指定速度运行。

以驱动器作为执行主体。所述控制方法包括：

接收电机的速度反馈信息，并根据速度反馈信息生成位移反馈信息；

将位移反馈信息发送至运动控制器以使运动控制器根据位移反馈信息生成指定速度运行指令；

驱动器接收指定速度运行指令并根据所述指定速度运行指令控制电机的转动速度，以使电机改变传动机构的转动速度，从而最终使与传动机构连接的相应的平台的运动速度改变。

从而，通过控制方法实现了对各个平台如X向平台、Y向平台和Z向平台的运动速度的控制和改变。

可选地，运动控制器还与上位机连接，用于接收上位机的位移给定指令并根据位移给定指令生成指定速度运行指令以最终实现对各个平台的位移的控制。

第三方面，本发明实施例提供一种用于PIV系统的四自由度移测装置的控制系统，参考图3所示，包括：

原理同控制方法，此不赘述。

为了便于对各个自由度进行精确定位和控制，进一步的，用于PIV系统的四自由度移测装置的控制系统，包括：

用于通过第二伺服驱动器与第二伺服电机连接；

用于通过第三伺服驱动器与第三伺服电机连接；

用于通过第四伺服驱动器与第四伺服电机连接。

可选地，运动控制器采用PLC1511T控制器。

可选地，转盘采用蜗轮蜗杆的传动形式，负载力矩主要由转盘摩擦力矩确定。根据有关结构参数，同时考虑使用过程中受载变化情况等因素，取安全系数为3，求得需要的电机额定力矩为63.6 N•m。同时根据运动速度和蜗轮蜗杆减速比，求得电机带减速器输出转速应不低于42rpm。选取西门子SIMOTICS S-1FL6067-1AC61-2LB1高惯量伺服电机作为第一伺服电机。

配套选择带有 PROFINET 接口的 SINAMICS V90 400V系列驱动器作为第一伺服驱动器，第一伺服电机和第一伺服驱动器之间采用全数字的PROFINET通信方式，节省了大量现场电缆的连接，满足速度和位置的精确控制，同时统一了整个系统的通信接口。

Y向运动机构安装于立架，根据位置不同，可分为上部Y向运动机构和下部Y向运动机构；上部Y向运动机构和下部Y向运动机构的传动形式和传动参数相同，均可选地，采用丝杠传动，负载力矩主要由负载重力矩确定。根据相机重量和传动参数确定需要的电机额定力矩仅为0.32N•m。选取西门子SIMOTICS S-1FL6042-1AF61-2LB1伺服电机作为第三伺服电机，同样选择带有 PROFINET 接口的 SINAMICS V90 400V系列驱动器作为第三伺服驱动器。

第二伺服驱动器采用S120交流伺服驱动器，第二伺服电机与第二伺服驱动器配套选择；第四伺服驱动器采用Xenus直流伺服驱动器，第四伺服电机采用与第四伺服驱动器匹配的直流伺服电机。

从而，运动控制器和各个伺服驱动器利用各个伺服电机自带高精度多圈绝对值编码器同时反馈运动位移，通过控制软件调用控制器内部运动控制功能，整定优化调节参数和调节模式，实现了对各个自由度进行精确定位和控制的要求。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于PIV系统的四自由度移测装置，其特征在于，包括：

Z向运动机构，设于X向运动机构；

旋转机构，设于Z向运动机构；以及

支架，设于旋转机构；

所述支架包括：

第一支撑架，设有用于在Y向直线运动的Y向运动机构；

Y向运动机构，用于安装PIV系统的PIV相机；以及

第二支撑架，用于安装PIV系统的激光器，设于旋转机构，与第一支撑架固定连接以使旋转机构转动时激光器与PIV相机在Z向上的距离固定；

所述X向和Z向相互垂直，X向和Z向位于同一水平面；所述Y向垂直于所述水平面；

所述第一支撑架为立架；所述第二支撑架为横架，所述横架的一端与立架固定连接；

旋转机构提供绕Y向转动的自由度。

2.如权利要求1所述用于PIV系统的四自由度移测装置，其特征在于，所述立架设有多个Y向运动机构；每个Y向运动机构均设有PIV系统的PIV相机。

3.如权利要求2所述用于PIV系统的四自由度移测装置，其特征在于，所述Y向运动机构的数量为2个，2个Y向运动机构分别设于立架的上部和下部。

4.如权利要求3所述用于PIV系统的四自由度移测装置，其特征在于，所述Y向运动机构为单轴机器人。

5.如权利要求3所述用于PIV系统的四自由度移测装置，其特征在于，

所述旋转机构包括：

转动平台，设于Z向平台，通过转盘与第一伺服电机连接；

所述X向运动机构包括：

X向平台，与第二伺服电机连接；

X向轨道，用于X向平台在X向做直线运动；

所述Y向运动机构包括：

Y向平台，与第三伺服电机连接；

Y向轨道，用于Y向平台在Y向做直线运动；

所述Z向运动机构包括：

Z向平台，与第四伺服电机连接；

Z向轨道，设于X向平台,用于Z向平台在Z向做直线运动。

6.一种权利要求5所述用于PIV系统的四自由度移测装置的控制方法，其特征在于，包括：

7.一种权利要求5所述用于PIV系统的四自由度移测装置的控制系统，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述用于PIV系统的四自由度移测装置的控制系统，其特征在于，包括：

用于通过第二伺服驱动器与第二伺服电机连接；

用于通过第三伺服驱动器与第三伺服电机连接；

用于通过第四伺服驱动器与第四伺服电机连接。