CN207423485U - 大型跨声速风洞大载荷模型捕获轨迹试验的六自由度系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种大型跨声速风洞大载荷模型捕获轨迹试验的六自由度系统，包括横向运动机构、法向运动机构、轴向运动机构和三自由度姿态运动机构。解决了捕获轨迹试验中六自由度机构行程小、承载能力低、刚度差的问题。所述的横向运动机构安装在试验段上、下壁板背风面上，法向运动机构安装在横向运动机构上，轴向运动机构安装在法向运动机构上，三自由度姿态运动机构安装在轴向运动机构上，三自由度姿态运动机构采用滚装、俯仰和滚转运动来实现机构末端俯仰、偏航和滚装运动。第一级滚转机构与轴向运动机构连接，依次串联安装俯仰机构和第二级滚转机构。本实用新型具有大运动行程、高承载能力和刚度，较高的运动精度和较小的堵塞度。

Description

大型跨声速风洞大载荷模型捕获轨迹试验的六自由度系统

技术领域

本实用新型属于航空气动力风洞领域，具体涉及一种大型跨声速风洞大载荷模型捕获轨迹试验的六自由度系统。

背景技术

捕获轨迹试验是一种研究外挂物与载机分离安全特性的特种风洞试验，具体来说在高速风洞试验中模拟外挂物与载机分离状态的试验装置。其中六自由度机构是捕获轨迹试验系统中外挂物的支撑装置及其运动执行装置，是整个系统的核心部分。六自由度机构由计算机控制，为外挂物模型提供六个自由度(轴向X、侧向Y、法向Z、俯仰α、偏航β、滚转γ)的运动。六自由度机构各个方向的运动行程和运动精度直接影响捕获轨迹试验的精度和效果，同时六自由度机构的外形结构直接影响其系统刚度和其在风洞流场中的堵塞度及支撑干扰大小。跨声速风洞对试验段内的运动机构尺寸有明确要求，必须小于1％。在如此苛刻的尺寸约束条件下，一般跨声速风洞CTS试验六自由度机构对模型气动载荷的限制都比较严格，经查询，目前2m量级跨声速风洞CTS六自由度机构能够承受的模型气动载荷最多不超过120kg。现有六自由度机构行程小、承载能力差及刚度差。

实用新型内容

基于以上不足之处，本实用新型的目的是提供一种大型跨声速风洞大载荷模型捕获轨迹试验的六自由度系统，解决了现有六自由度机构行程小、承载能力差及刚度差的问题。

本实用新型所采用的技术方案如下：一种大型跨声速风洞大载荷模型捕获轨迹试验的六自由度系统，包括横向运动机构、法向运动机构、轴向运动机构和三自由度姿态运动机构，所述的横向运动机构安装在试验段上、下壁板背风面上，法向运动机构安装在横向运动机构上，轴向运动机构安装在法向运动机构上，三自由度姿态运动机构安装在轴向运动机构上；

所述的横向运动机构包括第一丝杠、横向直线导轨、第一减速器、第一伺服电机，横向直线导轨安装在上、下壁板背风面基座上，第一丝杠、第一减速器和第一伺服电机安装在下壁板背风面基座上，第一伺服电机通过第一减速器与第一丝杠连接，第一丝杠与法向基座的下端面连接；法向基座的上、下端面与横向直线导轨滑动连接，从而使法向运动机构沿风洞横线运动；

所述的法向运动机构包括第二丝杠、第二直线导轨、第二减速器、第二伺服电机和法向基座，第二伺服电机、第二减速器、第二丝杠和第二直线导轨均安装在法向基座上，第二丝杠和第二直线导轨平行，第二伺服电机通过第二减速器与第二丝杠连接，从而使轴向运动机构沿风洞法向运动；

所述的轴向运动机构包括第三丝杠、第三直线导轨、第三减速器、第三伺服电机、轴向基座、连接板和第一滑块，第三丝杠、第三直线导轨、第三减速器和第三伺服电机安装在轴向基座上，第三丝杠和第三直线导轨平行，第三直线导轨上安装有第一滑块，第一滑块与连接板固定连接，连接板与第三丝杠的螺母连接，连接板与法向运动机构连接，第三伺服电机通过第三减速器与第三丝杠连接，从而轴向基座实现轴向运动；

所述的三自由度姿态运动机构包括第一级滚转机构、俯仰机构和第二级滚转机构；

所述的第一级滚转机构包括滚转壳体、第一谐波减速器，第一轴承和第四伺服电机；俯仰基座与壳体之间安装有第一轴承，滚转壳体与轴向基座连接，第一谐波减速器的输出端与俯仰基座连接，第四伺服电机驱动第一谐波减速器实现俯仰基座绕风洞轴线±360°转动；

所述的俯仰机构包括电动缸、第四直线导轨、连杆、俯仰基座和第二滑块，电动缸和第四直线导轨安装在俯仰基座上，连杆一端与第二滑块铰接，连杆的另一端与第二级滚转机构铰接，电动缸的伸缩杆与第二滑块连接；

所述的第二级滚转机构通过转轴铰接在俯仰基座上，电动缸伸缩杆运动时，第二滑块沿风洞轴线运动，通过连杆驱动第二级滚转机构绕该转轴转动，从而实现第二级滚转机构的俯仰运动；

所述的第二级滚转机构包括外壳、第二谐波减速器、第五伺服电机、第二轴承，外挂物尾杆、内轴和联轴器，外壳通过转轴铰接在俯仰基座上，外壳内装有第二谐波减速器、第五伺服电机、第二轴承内轴和联轴器；第二谐波减速器通过齿轮与第五伺服电机连接，第二谐波减速器输出端通过联轴器与内轴连接，内轴和外壳之间安装有第二轴承，内轴与外挂物尾杆连接。

本实用新型的创新点和有益效果是：

(1)此六自由度机构采用六台伺服电机实现三个方向的直线运动和姿态运动。横向运动机构、法向运动机构和轴向运动机构的串联安装，实现三个方向的直线运动。机构的姿态运动采用两级滚转机构加俯仰机构的方式实现俯仰、偏航和滚转角的运动。

(2)横向机构位于试验段上下壁板的背风面，减少了六自由度机构的安装空间。采用单侧丝杠驱动和上下导轨支撑的方式，横向机构的运动行程可达1500mm。

(3)法向机构安装在横向机构上，采用丝杠驱动，运动行程可达1500mm。

(4)轴向机构安装在横向机构上。直线导轨的滑块和丝杠的螺母与法向机构相连，丝杠通过减速器与伺服电机相连。伺服电机驱动丝杠转动时，由于螺母固定，丝杠沿其轴线运动，从而实现机构的轴向运动，横向机构运动行程可达1800mm。

(5)三自由度姿态运动机构采用第一级滚转机构、俯仰机构和第二级滚转机构依次串联安装的方式，实现机构的俯仰、偏航和滚转的运动。滚转机构采用谐波减速器加伺服电机的形式，俯仰采用曲柄滑块的形式，直线驱动机构驱动滑块沿风洞轴线运动，与滑块相连的连杆带动第二级滚转机构绕俯仰基座的转轴做俯仰运动。俯仰偏航范围可达±45°，滚转可到±360°。

(6)六自由度机构采用六台高精度伺服电机协调驱动机构，实现三个方向的线位移精度可达0.1mm，三个方向的角位移精度可达1′。此机构利用并联机构实现除滚转外的其余5个自由度的运动，大大提升的机构的承载能力和刚度，法向承载能力高达2400N。

附图说明

图1是实施例1的整体结构示意图。

图2是实施例1横向运动机构示意图。

图3是实施例1横向运动机构与法向基座连接示意图。

图4是实施例1法向运动机构示意图。

图5是实施例1轴向运动机构示意图。

图6是实施例1的三自由度姿态运动机构示意图。

具体实施方式

下面根据附图举例对本实用新型做进一步说明：

实施例1

如图1所示，一种大型跨声速风洞大载荷模型捕获轨迹试验的六自由度系统，包括横向运动机构1、法向运动机构2、轴向运动机构3和三自由度姿态运动机构4，所述的横向运动机构1安装在试验段上、下壁板背风面上，法向运动机构2安装在横向运动机构1上，轴向运动机构3安装在法向运动机构2上，三自由度姿态运动机构4安装在轴向运动机构3上；

如图2-3所示，所述的横向运动机构1包括第一丝杠5、横向直线导轨6、第一减速器7、第一伺服电机8，横向直线导轨6安装在上、下壁板背风面基座91.92上，第一丝杠5、第一减速器7和第一伺服电机8安装在下壁板背风面基座92上，第一伺服电机8通过第一减速器7与第一丝杠5连接，第一丝杠5螺纹连接有螺母，螺母与法向基座14的下端面固定连接；法向基座14的上、下端面通过滑块与横向直线导轨6滑动连接，从而使法向运动机构2沿风洞横线运动；

如图4所示，所述的法向运动机构2包括第二丝杠10、第二直线导轨11、第二减速器12、第二伺服电机13和法向基座14，第二伺服电机13、第二减速器12、第二丝杠10和第二直线导轨11均安装在法向基座14上，第二丝杠10和第二直线导轨11平行，第二伺服电机13通过第二减速器12与第二丝杠10连接，从而使轴向运动机构沿风洞法向运动；

如图5所示，所述的轴向运动机构3包括第三丝杠15、第三直线导轨16、第三减速器17、第三伺服电机18、轴向基座19、连接板20和第一滑块22，第三丝杠15、第三直线导轨16、第三减速器17和第三伺服电机18安装在轴向基座19上，第三丝杠15和第三直线导轨16平行，第三直线导轨16上安装有第一滑块22，第一滑块22与连接板20固定连接，连接板20与第三丝杠15的螺母连接，连接板20上安装在法向运动机构2，第三伺服电机18通过第三减速器17与第三丝杠15连接，从而轴向基座19实现轴向运动；

如图6所示，所述的三自由度姿态运动机构4包括俯仰机构、第一级滚转机构和第二级滚转机构，

所述的俯仰机构包括电动缸30、第四直线导轨31，连杆32、俯仰基座33和第二滑块34，电动缸30和第四直线导轨31安装在俯仰基座33上，连杆32一端与第二滑块34铰接，连杆32的另一端与第二级滚转机构铰接，电动缸30的伸缩杆与第二滑块34连接；

所述的第一级滚转机构包括滚转壳体26、第一谐波减速器27，第一轴承28和第四伺服电机29；俯仰基座33与滚转壳体26之间安装有第一轴承28，滚转壳体26与轴向基座连接19，第一谐波减速器27的输出端与俯仰基座33连接，第四伺服电机29驱动第一谐波减速器27实现俯仰基座33绕风洞轴线±360°转动；

所述的第二级滚转机构通过转轴35铰接在俯仰基座33上，电动缸30伸缩杆运动时，第二滑块34沿风洞轴线运动，通过连杆32驱动第二级滚转机构绕该转轴35转动，从而实现第二级滚转机构25的俯仰运动；

所述的第二级滚转机构包括外壳36、第二谐波减速器37、第五伺服电机39、第二轴承40，外挂物尾杆41、内轴42和联轴器43，外壳36通过转轴35铰接在俯仰基座33上，外壳36内装有第二谐波减速器37、第五伺服电机39、第二轴承40、内轴42和联轴器43；第二谐波减速器37通过齿轮与第五伺服电机39连接，第二谐波减速器37的输出端通过联轴器43与内轴42连接，内轴42和外壳36之间安装有第二轴承40，内轴42与外挂物尾杆41连接。

本实施例1的实验过程及原理：

1)首先进行外挂物与载机的初始定位，包括初始相对位置和姿态。根据外挂物与载机的理论相对位置，实测外挂的相对载机六个方向的位姿差量ΔX、ΔY、ΔZ、Δα、Δβ、Δγ。以带补偿运动的方式控制横向运动机构、法向运动机构、轴向运动机构和三自由度姿态运动机构协调运动，使六个方向的位姿差量满足初始定位误差。然后根据试验要求和计算机计算，控制六自由度机构将外挂物运动到相应的测量位置和姿态，即可进行捕获轨迹试验。将外挂物和天平安装在六自由度机构的外挂物尾杆上。根据试验要求，确定外挂物与载机的初始理论相对位置和姿态。通过控制六自由机构使外挂物运动到初始位置和姿态，完成外挂物的初始定位。

2)根据外挂物的分离后给定或计算得到的若干载机流场下的空间位置，通过控制三自由度平移机构、俯仰/机构和滚转机构的七台伺服电机电机，使外挂物到达相应的试验位置和姿态，并通过外挂物天平进行气动载荷的测量。

Claims (1)

1.一种大型跨声速风洞大载荷模型捕获轨迹试验的六自由度系统，包括横向运动机构、法向运动机构、轴向运动机构和三自由度姿态运动机构，其特征在于：

所述的横向运动机构安装在试验段上、下壁板背风面上，法向运动机构安装在横向运动机构上，轴向运动机构安装在法向运动机构上，三自由度姿态运动机构安装在轴向运动机构上，

所述的横向运动机构包括第一丝杠、横向直线导轨、第一减速器、第一伺服电机，横向直线导轨安装在上、下壁板背风面基座上，第一丝杠、第一减速器和第一伺服电机安装在下壁板背风面基座上，第一伺服电机通过第一减速器与第一丝杠连接，第一丝杠与法向基座的下端面连接；法向基座的上、下端面与横向直线导轨滑动连接，从而使法向运动机构沿风洞横线运动；

所述的法向运动机构包括第二丝杠、第二直线导轨、第二减速器、第二伺服电机和法向基座，第二伺服电机、第二减速器、第二丝杠和第二直线导轨均安装在法向基座上，第二丝杠和第二直线导轨平行，第二伺服电机通过第二减速器与第二丝杠连接，从而使轴向运动机构沿风洞法向运动；

所述的轴向运动机构包括第三丝杠、第三直线导轨、第三减速器、第三伺服电机、轴向基座、连接板和第一滑块，第三丝杠、第三直线导轨、第三减速器和第三伺服电机安装在轴向基座上，第三丝杠和第三直线导轨平行，第三直线导轨上安装有第一滑块，第一滑块与连接板固定连接，连接板与第三丝杠连接，连接板上安装在法向运动机构上，第三伺服电机通过第三减速器与第三丝杠连接，从而轴向基座实现轴向运动；

所述的三自由度姿态运动机构包括第一级滚转机构、俯仰机构和第二级滚转机构；

所述的俯仰机构包括电动缸、第四直线导轨、连杆、俯仰基座和第二滑块，电动缸和第四直线导轨安装在俯仰基座上，连杆一端与第二滑块铰接，连杆的另一端与第二级滚转机构铰接，电动缸的伸缩杆与第二滑块连接；

所述的第一级滚转机构包括滚转壳体、第一谐波减速器，第一轴承和第四伺服电机；俯仰基座与滚转壳体之间安装有第一轴承，滚转壳体与轴向基座连接，第一谐波减速器的输出端与俯仰基座连接，第四伺服电机驱动第一谐波减速器实现俯仰基座绕风洞轴线±360°转动；

所述的第二级滚转机构通过转轴铰接在俯仰基座上，电动缸伸缩杆运动时，第二滑块沿风洞轴线运动，通过连杆驱动第二级滚转机构绕该转轴转动，从而实现第二级滚转机构的俯仰运动；

所述的第二级滚转机构包括外壳、第二谐波减速器、第五伺服电机、第二轴承，外挂物尾杆、内轴和联轴器，外壳通过转轴铰接在俯仰基座上，外壳内装有第二谐波减速器、第五伺服电机、第二轴承内轴和联轴器；第二谐波减速器通过齿轮与第五伺服电机连接，第二谐波减速器的输出端通过联轴器与内轴连接，内轴和外壳之间安装有第二轴承，内轴与外挂物尾杆连接。