CN114489088B - 一种水下航行体姿态模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种水下航行体姿态模拟装置，包括偏航模拟机构和纵倾模拟机构以及横倾模拟机构，所述偏航模拟机构和纵倾模拟机构以及横倾模拟机构从下至上依序安装，其中，所述偏航模拟机构上安装有转动气浮台板，纵倾模拟机构通过支撑旋转座与气浮台板铰接，纵倾模拟机构上对称安装有横倾模拟机构。本发明能够实现对水下航行体在实航试验工况下的姿态模拟，直观有效地模拟出水下航行体航行在试验中姿态的变化情况，可以进一步对水下航行体的运动学及动学进行分析、建立相应的算法，设计制作控制和执行单元，从而判断控制算法的合理性，确保了水下航行体在实航试验前，其姿态控制能够满足试验任务需要。

Description

一种水下航行体姿态模拟装置

技术领域

本发明涉及一种模拟装置，具体的是涉及一种水下航行体姿态模拟装置，用于水下航行体的横倾、纵倾和偏航运动的姿态模拟，属于水下航行体调试检测装置技术领域。

背景技术

水下航行体在航行试验中，其横倾、纵倾及偏航等姿态角会根据控制系统指令和水流等外部干扰产生实时的变化。姿态信息是水下航行体控制系统进行导航控制的依据，航姿系统将采集到的姿态信息实时反馈给控制系统，经过预定的算法，控制系统再发出指令控制航行体下一步的动作。这样，操作人员在工房内进行产品调试的过程中，就需要相应的辅助装置来模拟水下航行体在实航试验工况下的姿态变化情况，来判断控制算法是否合理。从而确保水下航行体在实航试验前，其姿态控制能够满足试验任务的需要。

目前，水下航行体在工房内调试过程中的姿态模拟常用方法有两种：第一种方法是由操作者借助工房内的行吊，将航行体吊装脱离支撑架悬浮起来，按照航行体调试工艺要求，两名操作者相互配合完成水下航行体的横倾、纵倾及偏航3个姿态的转动模拟；第二种方法是用机械传动链路较为复杂的专用姿态模拟装置来完成，如专利号为CN104571124A，名称为“一种用于水下航行器三自由度姿态模拟装置”以及专利号为CN103323178B，名称为“一种两自由度姿态模拟装置”的专利。

不难看出，第一种方法只能定性而不能定量模拟，不便于对航行体控制系统性能作进一步的研究分析，而且航行体被吊装悬浮在半空中进行转动时，存在一定的安全隐患。第二种方法，由于采用驱动电机+齿轮减速机构+花键轴传动的结构方案，这样就使得整个装置的机械传动链路较为复杂，使得模拟装置的可靠性较低，在调试过程中常出现因模拟装置故障而导致调试过程报错，然后多次重复调试的现象，这不仅浪费了大量试验准备时间，而且还对电子组件的使用寿命造成影响。

因此，需研制一种实用性较强以及工作可靠性较高的一种水下航行体姿态模拟装置是解决上述技术问题的关键所在。

发明内容

针对现有的技术不足和改进需求，本发明的目的在于提供一种用于水下航行体姿态模拟装置，通过对关键组件的结构及其传动结构方案等进行改进，能够实现对水下航行体在实航试验工况下的姿态模拟，直观有效地模拟出水下航行体航行在试验中姿态的变化情况，可以进一步对水下航行体的运动学及动学进行分析、建立相应的算法，设计制作控制和执行单元，从而判断控制算法的合理性，确保了水下航行体在实航试验前，其姿态控制能够满足试验任务需要。

本发明另一个发明目的是采用无框力矩电机直接驱动执行机构，省去中间的传动环节，缩短了机械传动链，简化机械结构，提高了传动的精度以及姿态模拟的可靠性，构成部件的各个组件结构摩擦损耗小，模拟装置使用寿命长，由于该模拟装置采用气体静压润滑技术，以空气作为润滑剂，使对应结构件间保持相对运动，即这种相对运动的支撑面与被支撑面之间依靠空气膜将两者隔开，从而该结构组件具有摩擦损耗小、运动平稳、电机所需的驱动功率小等特点。

为解决上述问题并达到上述的发明目的，本发明一种用于水下航行体姿态模拟装置是通过采用下列的设计结构以及采用下列的技术方案来实现的：

作为本发明一种用于水下航行体姿态模拟装置的改进，包括偏航模拟机构(1)和纵倾模拟机构(2)以及横倾模拟机构(3)，所述偏航模拟机构(1)和纵倾模拟机构(2)以及横倾模拟机构(3)从下至上依序安装，其中，所述偏航模拟机构(1)上安装有转动气浮台板(13a)，纵倾模拟机构(2)通过支撑旋转座(5)与气浮台板(13a)铰接，纵倾模拟机构(2)上对称安装有横倾模拟机构(3)。

作为本发明上述的改进，所述偏航模拟机构(1)包括长形基座(11)、无框直驱力矩电机组件(12)和气浮轴承组件(13)以及供气系统(14)，其中，偏航模拟机构(1)用于实现对水下航行体偏航运动的模拟；在基座(11)内设有腔体，在腔体内分别安装有无框直驱力矩电机组件(12)和气浮轴承组件(13)以及供气系统(14)，供气系统(14)连接无框直驱力矩电机组件(12)，无框直驱力矩电机组件(12)安装于气浮轴承组件(13)上，气浮轴承组件(13)安装于基座(11)上。

作为本发明上述的进一步改进，所述基座(11)的底部两侧成排设置有多对支撑脚，支撑脚为喇叭状结构；

所述无框直驱力矩电机组件(12)包括定子固定座(121)、力矩电机定子(122)、力矩电机转子(123)、定子安装螺钉(124)、转子固定座(125)、转子固定座安装螺钉(126)和转子安装螺钉(127)以及定子固定座安装螺钉(128)，其中，无框直驱力矩电机组件(12)用于驱动气浮轴承组件(13)，实现水下航行体的偏航运动；

所述力矩电机定子(122)通过环状分布的定子安装螺钉(124)固定在定子固定座(121)上，使其连接成一个整体，再通过定子固定座安装螺钉(128)将该整体安装固定在气浮轴承组件(13)上；所述力矩电机转子(123)通过环状分布的转子安装螺钉(127)固定在转子固定座(125)上，使其连接成一个整体，再通过转子固定座安装螺钉(126)将该整体安装固定在气浮轴承组件(13)上。

作为本发明上述的更进一步改进，所述气浮轴承组件(13)包括气浮台板(13a)、半球形气浮轴座安装螺钉(13b)、半球形石墨瓦(13c)、中心轴(13d)、半球形回转轴(13e)、半球形气浮轴座(13f)、圆弧形石墨块(13g)、气密堵头(13h)、进气口接头安装座(13i)、进气滑环(13j)、石墨套(13k)、进气口接头安装座端盖(13m)、圆光栅读数头(13n)、圆光栅(13o)、圆光栅安装座(13p)、圆光栅安装座固定螺钉(13q)、圆光栅固定螺钉(13r)、支撑法兰盘(13s)、支撑法兰盘固定螺钉(13t)、止转销轴(13u)等构成，其中，

半球形气浮轴座(13f)通过半球形气浮轴座安装螺钉(13b)与基座(11)连接，半球形石墨瓦(13c)通过机械胶与半球形气浮轴座(13f)的内球面粘接成一个整体；半球形回转轴(13e)与半球形石墨瓦(13c)间可相对旋转的球铰接结构；气浮台板(13a)通过内六角头螺钉(126)与半球形回转轴(13e)连接成一个整体；中心轴(13d)的上轴端穿过半球形回转轴(13e)中心孔与气浮台板(13a)接触，下轴端装有进气口接头安装座(13i)、进气滑环(13j)、石墨套(13k)及用于位置测量反馈的光栅组件，整体通过支撑法兰盘(13s)连接于力矩电机定子(122)上。

作为本发明上述的又进一步改进，所述纵倾模拟机构(2)包括纵倾支撑台板组件(21)和顶升组件(22)以及纵倾角测量传感器(23)，其中，所述纵倾模拟机构(2)用于模拟水下航行体的俯仰运动；所述纵倾支撑台板组件(21)的底端连接支撑旋转座(5)；所述顶升组件(22)的顶端连接纵倾支撑台板组件(21)，底端连接转动圆盘(4)；所述纵倾角测量传感器(23)安装于支撑旋转座(5)的一侧，用于测量纵倾支撑台板组件(21)在顶升组件(22)顶升作用下的纵倾角度大小。

作为本发明上述的再进一步改进，所述横倾模拟机构(3)包括滚转驱动组件(31)、上半抱环组件(32)、环抱连接销轴(33)、下半抱环组件(34)、下半环抱组件固定螺钉(35)、半抱环锁紧组件(36)和第一卡爪组件(37)以及第二卡爪组件(38)，其中，上半抱环组件(32)、下半抱环组件(34)的一端在环抱连接销轴(33)处形成可转动的铰链连接，另一端装有半抱环锁紧组件(36)完成水下航行体的装夹，滚转驱动组件(31)共4个，通过螺钉分别安装在上半抱环组件(32)、下半抱环组件(34)的环形钢架上。

作为本发明上述的再更进一步改进，所述横倾模拟机构(3)通过下半环抱组件固定螺钉(35)安装固定在纵倾模拟机构(2)的纵倾支撑台板组件(21)上；

滚转驱动组件(31)用于驱动卡爪组件(37)，从而实现水下航行体的横滚运动的模拟。

作为本发明上述的又再更进一步改进，所述滚转驱动组件(31)包括伺服驱动电机(311)、轴承座(312)、轴承座固定螺钉(313)、驱动丝杠(314)、弧形滑移螺母(315)、丝杠锁紧螺母(316)，其中，驱动丝杠(314)的两端通过轴承座(312)支撑固定，一端连接有伺服驱动电机(311)，另一端安装有轴向定位的丝杠锁紧螺母(316)。滚珠丝杠(314)通过螺纹连接着弧形滑移螺母(315)，弧形滑移螺母(315)圆弧端面与上半抱环组件(32)的滑动配合。

作为本发明上述的又再更加进一步改进，在上半抱环组件(32)和下半抱环组件(34)的环形框架上均安装有两个橡胶滚轮(39)，其中下半抱环组件(34)的滚轮机械固定，上半抱环组件(32)上的滚轮(39)可径向活动调节，保证四个滚轮(39)与航行体(6)接触，用于确保航行体(6)可在四个滚轮(39)的支撑下做滚转运动。

作为本发明上述的还更加进一步改进，所述第一卡爪组件(37)包括第一径向调节螺杆(371)、第一滑块(372)、第一弧形夹爪(373)和第一限位挡轴(374)以及第一拨杆(375)，其中，第一滑块(372)安装在上半抱环组件(32)的滑槽内，第一限位挡轴(374)穿过上半抱环组件(32)的端面滑槽与第一滑块(372)螺纹连接，第一径向调节螺杆(371)穿过第一滑块(372)中心螺纹孔后与第一弧形夹爪(373)螺纹连接。

所述第二卡爪组件(38)包括第二径向调节螺杆(381)、第二滑块(382)、第二弧形夹爪(383)以及第二限位挡轴(384)，其中，

第二滑块(382)安装在下半抱环组件(34)的滑槽内，第二限位挡轴(384)穿过下半抱环组件(34)的端面滑槽与第二滑块(382)螺纹连接，第二径向调节螺杆(381)穿过第二滑块(382)中心螺纹孔后与第二弧形夹爪(383)螺纹连接。

工作原理是：上述设计结构的一种用于水下航行体姿态模拟装置在进行使用时，工作人员只需将本发明通过人工或是相应的搬运设备将其搬运至指定的调试工房安装作为备用。

安装时的步骤是：

首先，将偏航模拟机构(1)摆放在指定位置后，通过基座(11)的底部两侧成排设置的支撑脚对装置进行调水平；

然后，将纵倾模拟机构(2)的纵倾支撑台板组件(21)上的销轴与支撑旋转座(5)铰接，顶升组件(22)固定在气浮台板(13a)，顶杆与纵倾支撑台板组件(21)铰接。

最后，将横倾模拟机构(3)通过下半环抱组件固定螺钉(35)对称地安装在纵倾支撑台板组件(21)上。

按照上述的安装顺序完成本发明的安装后，即可进行水下航行体姿态模拟使用，具体使用时的步骤是：

首先，将横倾模拟机构(3)的半抱环锁紧组件(36)解锁，并将上半抱环组件(32)打开；

然后，通过工房内的行车平稳地将水下航行体(6)吊装在横倾模拟机构(3)的滚轮(39)上，操作人员扣合上、下抱环组件，并通过调节半抱环锁紧组件(36)，从而完成水下航行体(6)装夹工作。

最后，启动模拟装置的电控系统，并根据水下航行体(6)的姿态模拟工艺要求，分别对水下航行体的横倾、纵倾和偏航等3个方向的运动进行模拟

本发明与现有技术相比所产生的有益效果是：

1、本发明一种用于水下航行体姿态模拟装置通过对关键组件的结构及其传动结构方案等进行改进，能够实现对水下航行体在实航试验工况下的姿态模拟，直观有效地模拟出水下航行体航行在试验中姿态的变化情况，可以进一步对水下航行体的运动学及动学进行分析、建立相应的算法，设计制作控制和执行单元，从而判断控制算法的合理性，确保了水下航行体在实航试验前，其姿态控制能够满足试验任务需要；

2、本发明可靠性高，本发明总体结构形式采用无框力矩电机直接驱动执行机构，省去中间的传动环节，缩短了机械传动链，简化机械结构，提高了传动的精度以及姿态模拟的可靠性；

3、本发明组件结构摩擦损耗小，模拟装置使用寿命长。由于该模拟装置采用气体静压润滑技术，以空气作为润滑剂，使对应结构件间保持相对运动，即这种相对运动的支撑面与被支撑面之间依靠空气膜将两者隔开，从而该结构组件具有摩擦损耗小、运动平稳、电机所需的驱动功率小等特点；

4、本发明应用广泛，可以推广至有类似功能需求的其他水下航行体中，帮助操作者模拟水下航行体的姿态变化的情况。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：

图1为本发明的水下航行体姿态模拟装置结构示意图；

图2为本发明的偏航模拟机构示意图；

图3为本发明的无框直驱力矩电机组件结构示意图；

图4为本发明的气浮轴承组件结构示意图；

图5为本发明的供气系统原理示意图；

图6为本发明的纵倾模拟机构示意图；

图7为本发明的横倾模拟机构示意图；

图8为本发明的滚转驱动组件机构结构示意图；

图9为本发明的滚转驱动组件机构工作示意图；

图10为本发明的卡爪组件结构示意图；

图11为本发明的整体立体结构示意图之一；

图12为本发明的整体立体结构示意图之二；

图13为本发明的立体俯视图；

图14为本发明的整体立体结构示意图之三；

图15为本发明的整体立体结构示意图之四；

图16为本发明的整体立体结构示意图之五；

图17为本发明的整体立体俯视图；

图18为本发明的局部立体结构示意图；

图19为本发明的基座(11)的结构图；

图20为本发明的横倾模拟机构(3)部件的使用图；

图21为本发明的横倾模拟机构(3)部分结构的局部放大图；

图22为本发明的横倾模拟机构(3)部件的分解图之一；

图23为本发明的横倾模拟机构(3)部件的分解图之二；

图24为本发明的支撑旋转座(5)部件的结构示意图；

其中，图中标号：1—偏航模拟机构，

11—基座，12—无框直驱力矩电机组件，121—定子固定座，122—力矩电机定子，123—力矩电机转子，124—定子安装螺钉，125—转子固定座，126—转子固定座安装螺钉，127—转子安装螺钉，128—定子固定座安装螺钉，

13—气浮轴承组件，13a—气浮台板，13b—半球形气浮轴座安装螺钉，13c—半球形石墨瓦，13d—中心轴，13e—半球形回转轴，13f—半球形—气浮轴座，13g—圆弧形石墨块，13h—气密堵头，13i—进气口接头安装座，13j—进气滑环，13k—石墨套，13m—进气口接头安装座端盖，13n—圆光栅读数头，13o—圆光栅，13p—圆光栅安装座，13q—圆光栅安装座固定螺钉，13r—圆光栅固定螺钉，13s—支撑法兰盘，13t—支撑法兰盘固定螺钉，13u—止转销轴，14—供气系统；

2—纵倾模拟机构，21—纵倾支撑台板组件，22—顶升组件，23—纵倾角测量传感器；

3—横倾模拟机构，31—滚转驱动组件，311—伺服驱动电机，312—轴承座，313—轴承座固定螺钉，314—驱动丝杠，315—弧形滑移螺母，316—丝杠锁紧螺母，

32—上半抱环组件，33—环抱连接销轴，34—下半抱环组件，35—下半环抱组件固定螺钉，36—半抱环锁紧组件，

37—卡爪组件，371—径向调节螺杆，372—滑块，373—弧形夹爪，374—限位挡轴，375—拨杆，

38—第二卡爪组件，381—第二径向调节螺杆，382—第二滑块，383—第二弧形夹爪，384—第二限位挡轴；

39—滚轮；

5—支撑旋转座；

6—航行体。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创造特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图以及具体实施方式对本发明的技术方案作更进一步详细的说明，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，本发明所述的姿态模拟装置由3个机构组成，即偏航模拟机构1、纵倾模拟机构2、横倾模拟机构3。其中偏航模拟机构1与纵倾模拟机构2通过支撑旋转座5连接在一起，且各连接件均可以绕其轴心进行旋转运动。3个机构的工作环节可以是独立的，即能够准确模拟水下航行体单一自由度的运动。

在本发明中，支撑旋转座5为销轴式铰接结构，所述纵倾角测量传感器23与支撑台板组件21的销轴连接。

如图2、图3所示，无框直驱力矩电机组件12的定子固定座121通过定子固定座安装螺钉128与基座11连接，力矩电机定子122通过定子安装螺钉124与定子固定座121固定连接成一个整体，力矩电机转子123与转子固定座125通过转子安装螺钉127连接在一起，最后通过转子固定座安装螺钉126与气浮轴承组件13的半球形回转轴13e连接成一个整体。

如图2、图4所示，偏航模拟机构1的半球形气浮轴座13f通过半球形气浮轴座安装螺钉13b与基座11连接，半球形石墨瓦13c通过机械胶与半球形气浮轴座13f的内球面粘接成一个整体；半球形回转轴13e与半球形石墨瓦13c间可相对旋转的球铰接结构；气浮台板13a通过内六角头螺钉126与半球形回转轴13e连接成一个整体；中心轴13d的上轴端穿过半球形回转轴13e中心孔与气浮台板13a接触，下轴端装有进气口接头安装座13i、进气滑环13j、石墨套13k及用于位置测量反馈的光栅组件，整体通过支撑法兰盘13s连接于力矩电机定子122上。

如图6所示，纵倾模拟机构2纵倾支撑台板组件21的底端通过销轴与支撑旋转座5铰接，顶升组件22的顶端与纵倾支撑台板组件21铰链连接，底端连连接在气浮台板13a上，纵倾角测量传感器23安装于支撑旋转座5的一侧，用于测量纵倾支撑台板组件21在顶升组件22顶升作用下的纵倾角度大小。

如图7所示，横倾模拟机构3的上半抱环组件32、下半抱环组件34的一端在环抱连接销轴33处形成可转动的铰链连接，另一端装有半抱环锁紧组件36完成水下航行体的装夹。滚转驱动组件31共2个，通过螺钉分别安装在上半抱环组件32环形框架上。滚转驱动组件31用于驱动卡爪组件37，从而实现水下航行体的横滚运动的模拟。

如图7、图8所示，滚转驱动组件31的驱动丝杠314的两端通过轴承座312支撑固定，一端连接有伺服驱动电机311，另一端安装有轴向定位的丝杠锁紧螺母316。滚珠丝杠314通过螺纹连接着弧形滑移螺母315，弧形滑移螺母315圆弧端面与上半抱环组件32的滑动配合。

如图9、图10所示，第一滑块372安装在上半抱环组件32的滑槽内，第一限位挡轴374穿过上半抱环组件32的端面滑槽与第一滑块372螺纹连接，第一径向调节螺杆371穿过第一滑块372中心螺纹孔后与第一弧形夹爪373螺纹连接。所述第二卡爪组件38结构安装方式与第一卡爪组件37相同。

综上所述，本发明更为具体的实施方式是：

实施例1，如图1和图11所示，本发明所述的姿态模拟装置由3个机构组成，即偏航模拟机构1、纵倾模拟机构2、横倾模拟机构3。各机构之间有连接件进行连接，且各连接件均可以绕其轴心进行旋转运动。3个机构的工作环节可以是独立的，即能够准确模拟水下航行体单一自由度的运动。

优选地，如图2所示，所述偏航模拟机构1由基座11、无框直驱力矩电机组件12、气浮轴承组件13、供气系统14等组成。所述无框直驱力矩电机组件12直接驱动气浮轴承组件13，即无框力矩电机的转子直接与气浮回转轴直接耦合。所述供气系统14产生压强稳定的供气气体，并经过过滤、压力检测和气源通断控制后，进入气浮轴承组件13，利用石墨多孔质特性，分别在的半球形石墨瓦13c、圆弧形石墨块13g和石墨套13k的内测形成气膜，从而形成刚度大、摩擦小的多孔质气体静压轴承组，简单而言，就是在此过程中，分别在半球形石墨瓦13c与半球形回转轴2013e之间、圆弧形石墨块13g与基座11台面之间以及石墨套13k与中心轴13d之间形成空气膜，以空气作为润滑剂，使对应结构件间保持相对运动，即这种相对运动的支撑面与被支撑面之间依靠空气膜将两者隔开，从而该结构组件具有摩擦损耗小、运动平稳等特性。

优选地，如图4所示，所述中心轴13d用于安装进气结构件以及位置检测反馈组件圆光栅读数头、圆光栅等，圆光栅读数头13d用于读取环形圆光栅尺29上的数值，便于后台控制系统监测和控制无框直驱力矩电机组件12的电机转子10的转速，使转台以一定转速平稳转动，从而完成水下航行体的偏航姿态模拟。

实施例2，如图6所示，纵倾模拟机构2用于模拟水下航行体的俯仰运动，主要包括纵倾支撑台板组件21、顶升组件22、纵倾角测量传感器23。所述顶升组件22，同理应用了无框直驱力矩电机的中空特性，设计了中心升降的丝杠—螺母机构，实现对纵倾支撑台板组件21的俯仰顶升运动。所述纵倾角测量传感器23用于测量纵倾支撑台板组件21在顶升组件22顶升作用下的纵倾角度大小。

实施例3，如图7，横倾模拟机构3主要由滚转驱动组件31、上半抱环组件32、环抱连接销轴33、下半抱环组件34、下半环抱组件固定螺钉35、半抱环锁紧组件36、卡爪组件37等构成。所述横倾模拟机构3通过下半环抱组件固定螺钉35安装固定在纵倾模拟机构2的纵倾支撑台板组件21上。所述上半抱环组件32、下半抱环组件34的一端在环抱连接销轴33处形成可转动的铰链连接，另一端装有半抱环锁紧组件36，当完成水下航行体吊装后，操作人员先扣合上、下抱环组件，并通过调节半抱环锁紧组件36，从而完成水下航行体的装夹工作。

优选地，如图8、图9所示，所述驱动丝杠314的两端通过轴承座312支撑固定，其中一段连接有伺服驱动电机311，另一端安装有轴向定位的丝杠锁紧螺母316。所述滚珠丝杠314通过螺纹连接着弧形滑移螺母315，所述弧形滑移螺母315的圆弧型端面与上半抱环组件32的滑槽相匹配，确保弧形滑移螺母315的圆弧端面与卡爪组件37的驱动杆圆柱面始终相切。所述伺服驱动电机311转动时，在驱动丝杠314的作用下，弧形滑移螺母315将水平滑移，弧形滑移螺母315的圆弧端面驱动卡爪组件37夹持着航行体偏转θ°。

优选地，如图10所示，卡爪组件37的作用是在滚转驱动组件31驱动作用下实现水下航行体的自动滚转运动。主要由径向调节螺杆371、滑块372、弧形夹爪373、限位挡轴374、拨杆375等构成。当水下航行体吊装至抱环组件上，通过半抱环锁紧组件36完成装夹后，操作者旋转径向调节螺杆371的滚花手柄驱动弧形夹爪373在径向压紧航行体外表面，在滚转驱动组件31的弧形滑移螺母315的作用下拨动拨杆375，驱使滑块372带动着一对弧形夹爪373在上半抱环组件32的滑槽中运动，从而实现水下航行体的滚装运动。

在上述的整个实施操作过程中，偏航模拟机构1用于实现对水下航行体偏航运动的模拟，包括基座11、无框直驱力矩电机组件12、气浮轴承组件13、供气系统14，如图2所示。基座11主要为内部及台面结构组件提供坚实、稳固牢靠的支撑以及水平度调节。无框直驱力矩电机组件12用于驱动气浮轴承组件13，实现水下航行体的偏航运动，主要由定子固定座121、力矩电机定子122、力矩电机转子123、定子安装螺钉124、转子固定座125、转子固定座安装螺钉126、转子安装螺钉127、定子固定座安装螺钉128等构成，如图3所示，所述力矩电机定子122通过环状分布的定子安装螺钉124固定在定子固定座121上，使其连接成一个整体，再通过定子固定座安装螺钉128将该整体安装固定在气浮轴承组件13上；同理，所述力矩电机转子123通过环状分布的转子安装螺钉127固定在转子固定座125上，使其连接成一个整体，再通过转子固定座安装螺钉126将该整体安装固定在气浮轴承组件13上。气浮轴承组件13主要起到周向定位、轴向止推以及提供一定的承载能力和刚度的作用，由气浮台板13a、半球形气浮轴座安装螺钉13b、半球形石墨瓦13c、中心轴13d、半球形回转轴13e、半球形气浮轴座13f、圆弧形石墨块13g、气密堵头13h、进气口接头安装座13i、进气滑环13j、石墨套13k、进气口接头安装座端盖13m、圆光栅读数头13n、圆光栅13o、圆光栅安装座13p、圆光栅安装座固定螺钉13q、圆光栅固定螺钉13r、支撑法兰盘13s、支撑法兰盘固定螺钉13t、止转销轴13u等构成，如图4所示，所述气浮台板13a下底面设有多个圆弧形石墨块13g，利用了石墨多孔质特性，在基座11台面形成气膜，构成了一个多孔质气体静压止推轴承，托举着气浮台板13a上的结构组件；所述半球形气浮轴座13f与半球形回转轴13e中间设有半球形石墨瓦13c，同理，构成了一个半球形径向—推力复合的多孔质气体静压轴承；所述中心轴13d用于安装进气结构件以及位置检测反馈组件圆光栅读数头、圆光栅等，圆光栅读数头13n读取圆光栅尺29上的数值，便于后台控制系统监测和控制力矩电机转子组件的转速，使转台以一定转速平稳转动。供气系统14主要功能是气源过滤、压力检测和气源通断控制。供气气源产生高压气体，经过过滤、调压设备进入气浮轴承，再通过气浮轴承组件13的半球形石墨瓦13c、圆弧形石墨块13g、石墨套13k形成刚度大、摩擦小的多孔质气体静压轴承组。所述供气系统14，一方面可以提供压强稳定的供气气源，从而保证气浮轴承组件13平稳地运动；另一方面可以滤除压缩空气中的杂质和水分，从而防止气浮轴承组件13发生损坏，其供气系统原理如图5所示。

纵倾模拟机构2用于模拟水下航行体的俯仰运动，主要包括纵倾支撑台板组件21、顶升组件22、纵倾角测量传感器23，如图6所示，所述纵倾支撑台板组件21用于安装横倾模拟机构3以及为待模拟航行体提供稳固支撑；所述顶升组件22应用无框直驱力矩电机的中空特性，设计了中心升降的丝杠—螺母机构，实现对纵倾支撑台板组件21的顶升运动；所述纵倾角测量传感器23用于测量纵倾支撑台板组件21在顶升组件3722顶升作用下的纵倾角度大小。

横倾模拟机构3用于模拟水下航行体的横滚运动，主要由滚转驱动组件31、上半抱环组件32、环抱连接销轴33、下半抱环组件34、下半环抱组件固定螺钉35、半抱环锁紧组件36、卡爪组件37等构成，整个横倾模拟机构3通过下半环抱组件固定螺钉35安装固定在纵倾模拟机构2的纵倾支撑台板组件21上，如图7所示。滚转驱动组件31用于驱动卡爪组件37，从而实现水下航行体的横滚运动的模拟，它由伺服驱动电机311、轴承座312、轴承座固定螺钉313、驱动丝杠314、弧形滑移螺母315、丝杠锁紧螺母316等构成，整个滚转驱动组件31通过轴承座固定螺钉313安装固定在上半抱环组件32上，如图8所示。所述驱动丝杠314的两端通过轴承座312支撑固定，其中一段连接有伺服驱动电机311，另一端安装有轴向定位的丝杠锁紧螺母316。所述驱动丝杠314通过螺纹连接着弧形滑移螺母315，所述弧形滑移螺母315的圆弧型端面与上半抱环组件32的滑槽相匹配，确保弧形滑移螺母315的圆弧端面与卡爪组件37的驱动杆圆柱面始终相切；所述伺服驱动电机311顺时针转动时，在驱动丝杠314的作用下，弧形滑移螺母315将水平向右滑移，弧形滑移螺母315的圆弧端面驱动卡爪组件37夹持着航行体向右侧偏转+θ°，同理，伺服驱动电机311逆时针转动时，卡爪组件37夹持着航行体向左侧偏转-θ°，其工作原理如图9所示，弧形滑移螺母315的移动行程L与航行体横倾角θ的几何关系如图10所示。上半抱环组件32通过环抱连接销轴33与下半抱环组件34形成转动铰链连接结构，分别在上半抱环组件32、下半抱环组件34的环形框架上装有四个橡胶滚轮，其中下半抱环组件34的滚轮机械固定，上半抱环组件32的滚轮可径向活动调节，保证四个滚轮与航行体表面相接触，确保航行体可在四个滚轮支撑下做滚转运动。卡爪组件37的作用是在滚转驱动组件31驱动作用下实现水下航行体的自动滚转运动。主要由径向调节螺杆371、滑块372、弧形夹爪373、限位挡轴374、拨杆375等构成，如图11所示。当水下航行体吊装至抱环组件上，通过半抱环锁紧组件36完成装夹后，操作者旋转径向调节螺杆371的滚花手柄驱动弧形夹爪373在径向压紧航行体外表面，在滚转驱动组件31的弧形滑移螺母315的作用下拨动拨杆375，驱使滑块372带动着一对弧形夹爪373在上半抱环组件32的滑槽中运动，从而实现水下航行体的滚装运动。

最后需要说明的是，以上已结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有联接、连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

Claims (7)

1.一种水下航行体姿态模拟装置，包括偏航模拟机构（1）和纵倾模拟机构（2）以及横倾模拟机构（3），其特征在于：所述偏航模拟机构（1）和纵倾模拟机构（2）以及横倾模拟机构（3）从下至上依序安装，其中，所述偏航模拟机构（1）上安装有转动气浮台板（13a），纵倾模拟机构（2）通过支撑旋转座（5）与气浮台板（13a）铰接，纵倾模拟机构（2）上对称安装有横倾模拟机构（3）；

所述偏航模拟机构（1）包括长形基座（11）、无框直驱力矩电机组件（12）和气浮轴承组件（13）以及供气系统（14），其中，偏航模拟机构（1）用于实现对水下航行体偏航运动的模拟；在长形基座（11）内设有腔体，在腔体内分别安装有无框直驱力矩电机组件（12 ）和气浮轴承组件（13）以及供气系统（14），供气系统（14）连接无框直驱力矩电机组件（12），无框直驱力矩电机组件（12）安装于气浮轴承组件（13）上，气浮轴承组件（13）安装于长形基座（11）上；

所述气浮轴承组件（13）包括气浮台板（13a）、半球形气浮轴座安装螺钉（13b）、半球形石墨瓦（13c）、中心轴（13d）、半球形回转轴（13e）、半球形气浮轴座（13f）、圆弧形石墨块（13g）、气密堵头（13h）、进气口接头安装座（13i）、进气滑环（13j）、石墨套（13k）、进气口接头安装座端盖（13m）、圆光栅读数头（13n）、圆光栅（13o）、圆光栅安装座（13p）、圆光栅安装座固定螺钉（13q）、圆光栅固定螺钉（13r）、支撑法兰盘（13s）、支撑法兰盘固定螺钉（13t）、止转销轴（13u），其中，

半球形气浮轴座（13f）通过半球形气浮轴座安装螺钉（13b）与长形基座（11）连接，半球形石墨瓦（13c）通过机械胶与半球形气浮轴座（13f）的内球面粘接成一个整体；半球形回转轴（13e）与半球形石墨瓦（13c）间为可相对旋转的球铰接结构；气浮台板（13a）通过内六角头螺钉与半球形回转轴（13e）连接成一个整体；中心轴（13d）的上轴端穿过半球形回转轴（13e）中心孔与气浮台板（13a）接触，下轴端装有进气口接头安装座（13i）、进气滑环（13j）、石墨套（13k）及用于位置测量反馈的光栅组件，整体通过支撑法兰盘（13s）连接于力矩电机定子（122）上；

所述长形基座（11）的底部两侧成排设置有多对支撑脚，支撑脚为喇叭状结构；

所述无框直驱力矩电机组件（12）包括定子固定座（121）、力矩电机定子（122）、力矩电机转子（123）、定子安装螺钉（124）、转子固定座（125）、转子固定座安装螺钉（126）和转子安装螺钉（127）以及定子固定座安装螺钉（128），其中，无框直驱力矩电机组件（12）用于驱动气浮轴承组件（13），实现水下航行体的偏航运动；

所述力矩电机定子（122）通过环状分布的定子安装螺钉（124）固定在定子固定座（121）上，使其连接成一个整体，再通过定子固定座安装螺钉（128）将该整体安装固定在气浮轴承组件（13）上；所述力矩电机转子（123）通过环状分布的转子安装螺钉（127）固定在转子固定座（125）上，使其连接成一个整体，再通过转子固定座安装螺钉（126）将该整体安装固定在气浮轴承组件（13）上。

2.根据权利要求1所述的一种水下航行体姿态模拟装置，其特征在于：所述纵倾模拟机构（2）包括纵倾支撑台板组件（21）和顶升组件（22）以及纵倾角测量传感器（23），其中，所述纵倾模拟机构（2）用于模拟水下航行体的俯仰运动；所述纵倾支撑台板组件（21）的底端连接支撑旋转座（5）；所述顶升组件（22）的顶端连接纵倾支撑台板组件（21），底端连接转动圆盘（4）；所述纵倾角测量传感器（23）安装于支撑旋转座（5）的一侧，用于测量纵倾支撑台板组件（21）在顶升组件（22）顶升作用下的纵倾角度大小。

3.根据权利要求1所述的一种水下航行体姿态模拟装置，其特征在于：所述横倾模拟机构（3）包括滚转驱动组件（31）、上半抱环组件（32）、抱环连接销轴（33）、下半抱环组件（34）、下半抱环组件固定螺钉（35）、半抱环锁紧组件（36）和第一卡爪组件（37）以及第二卡爪组件（38），其中，上半抱环组件（32）、下半抱环组件（34）的一端在抱环连接销轴（33）处形成可转动的铰链连接，另一端装有半抱环锁紧组件（36）完成水下航行体的装夹；滚转驱动组件（31）共4个，通过螺钉分别安装在上半抱环组件（32）、下半抱环组件（34）的环形钢架上。

4.根据权利要求3所述的一种水下航行体姿态模拟装置，其特征在于：所述横倾模拟机构（3）通过下半抱环组件固定螺钉（35）安装固定在纵倾模拟机构（2）的纵倾支撑台板组件（21）上；

滚转驱动组件（31）用于驱动卡爪组件，从而实现水下航行体的横滚运动的模拟。

5.根据权利要求3或4所述的一种水下航行体姿态模拟装置，其特征在于：所述滚转驱动组件（31）包括伺服驱动电机（311）、轴承座（312）、轴承座固定螺钉（313）、驱动丝杠（314）、弧形滑移螺母（315）、丝杠锁紧螺母（316），其中，驱动丝杠（314）的两端通过轴承座（312）支撑固定，一端连接有伺服驱动电机（311），另一端安装有轴向定位的丝杠锁紧螺母（316）；驱动丝杠（314）通过螺纹连接着弧形滑移螺母（315），弧形滑移螺母（315）圆弧端面与上半抱环组件（32）的滑动配合。

6.根据权利要求3所述的一种水下航行体姿态模拟装置，其特征在于：在上半抱环组件（32）和下半抱环组件（34）的环形框架上均安装有两个橡胶滚轮（39），其中下半抱环组件（34）的滚轮机械固定，上半抱环组件（32）上的滚轮（39）可径向活动调节，保证四个滚轮（39）与航行体（6）接触，用于确保航行体（6）可在四个滚轮（39）的支撑下做滚转运动。

7.根据权利要求3所述的一种水下航行体姿态模拟装置，其特征在于：所述第一卡爪组件（37）包括第一径向调节螺杆（371）、第一滑块（372）、第一弧形夹爪（373）和第一限位挡轴（374）以及第一拨杆（375），其中，第一滑块（372）安装在上半抱环组件（32）的滑槽内，第一限位挡轴（374）穿过上半抱环组件（32）的端面滑槽与第一滑块（372）螺纹连接，第一径向调节螺杆（371）穿过第一滑块（372）中心螺纹孔后与第一弧形夹爪（373）螺纹连接；

所述第二卡爪组件（38）包括第二径向调节螺杆（381）、第二滑块（382）、第二弧形夹爪（383）以及第二限位挡轴（384），其中，第二滑块（382）安装在下半抱环组件（34）的滑槽内，第二限位挡轴（384）穿过下半抱环组件（34）的端面滑槽与第二滑块（382）螺纹连接，第二径向调节螺杆（381）穿过第二滑块（382）中心螺纹孔后与第二弧形夹爪（383）螺纹连接。