CN103434627A

CN103434627A - 一种摇臂滑块式摆线桨自动控制机构

Info

Publication number: CN103434627A
Application number: CN2013103900888A
Authority: CN
Inventors: 胡峪; 吴超; 宋笔锋
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2013-08-30
Filing date: 2013-08-30
Publication date: 2013-12-11

Abstract

本发明公开了一种摇臂滑块式摆线桨自动控制机构，摇臂滑块式摆线桨自动控制机构，实现了相位角和偏转角的分离控制，可以在任意时刻实现任意的偏转角，为摆线桨的进一步研究如气动特性，最优的攻角变化曲线，角加速度边界的研究提供了一个很好的实验平台。实现了摆线桨叶片偏转角的灵活控制，是研究摆线桨气动特性的一个非常好的实验平台。

Description

一种摇臂滑块式摆线桨自动控制机构

技术领域

本发明涉及一种摆线桨控制机构，具体地说,涉及一种摇臂滑块式摆线桨自动控制机构。

背景技术

摆线桨亦称直翼推进器，是一种能够提供瞬间可变全向矢量推力的推进装置，具有效率高、矢量推力变化快的特点。

中国专利CN85103046A中公开了一种凸轮作为控制机构的摆线桨。摆线桨中的控制机构由一个凸轮底盘组成，叶片安装在叶盘上；叶盘带动叶片绕着凸轮盘公转。同时叶片盘上安装有两个导轮，导轮在凸轮盘的凸轮内部运动，从而使摆线桨叶片的攻角可以根据凸轮事先设计好的运动规律变化，该摆线桨控制机构相对简单，但是凸轮的导轮槽曲线是固定的，很难实现瞬间可变的矢量推力。同时凸轮盘结构庞大笨重，只适用于中小运输船舶的推进器，不适合飞行器。

美国专利No.60/939,888中提出了一种摆线桨旋转倾斜盘控制机构，该机构通过舵机控制底盘的倾斜角，再通过一系列连杆机构传递，从而实现对桨叶俯仰角的控制。该控制机构具有极快的响应，较轻的重量，并已成功运用于摆线桨微型飞机。但是，该控制机构由于构件之间连接较多，致使其机械损失较大。

在现有技术中的摆线桨控制机构，其结构较为复杂，机械损失严重，偏转角变化不灵活。已有的偏转角优化结论因为偏转角变化不规律在控制上难以实现，摆线桨叶片的角加速度边界等相关信息得不到实验数据加以佐证。

发明内容

为了避免现有技术的不足，克服摆线桨控制机构的结构复杂，机械损失严重，摆线桨叶片偏转角不能自由控制的问题，本发明提出一种摇臂滑块式摆线桨自动控制机构。摇臂滑块式摆线桨自动控制机构，实现了相位角和偏转角的分离控制，可以在任意时刻实现任意的偏转角，为摆线桨的进一步研究如气动特性，最优的攻角变化曲线，角加速度边界的研究提供了一个很好的实验平台。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括主轴部分，壳体部分，滑块部分，叶片，转子滑块连杆，角片，垫块，伺服电机，编码器，支架，所述机构壳体呈长方***于中间，壳体一端连接有支架固定电机和编码器，编码器位于支架端与驱动电机保持距离，驱动电机固定在支架侧面，通过齿轮降低转速传递扭矩给壳体内的万向轴节；所述主轴依次与主轴套筒，轴心碳管，角片连接件，叶片支撑壁，叶片连接件，轴端套筒连接；主轴套筒与万向轴节固连，轴心碳管固定在主轴套筒内，角片连接件和叶片支撑臂固定在轴心碳管上；所述滑块部分包括滑块内环，滑块支臂、垫块，滑块通过三点接触连接在机壳内线性导轨上，滑块上部的两个大环通过轴承套在两根较粗的线性导轨上，下部的环形结构套在另一个较细的线性导轨上，滑环沿水平方向滑动；滑块内环通过轴承和滑块相连，内环固定拉杆和传递横向位移；滑块带动内环横向位移使叶片获得偏转角，内环周向转动使叶片得到相位角；编码器输出主轴任意时刻转动速度及相位角；所述控制机构连接六个伺服电机，壳体侧壁各为三个，分别通过连杆与滑块连接；伺服电机转动，产生水平方向位移，通过连接滑块内环的连杆带动滑块平移，并拉动叶片控制杆使叶片俯仰，实现对叶片偏转角控制；主轴驱动电机带动主轴转动，叶片偏转角由伺服电机控制，相位角由主轴驱动电机控制，实现相位角和偏转角的分离控制，得到任意相位角时任意的偏转角。

有益效果

本发明提出的一种摇臂滑块式摆线桨自动控制机构，摇臂滑块式摆线桨自动控制机构，实现了相位角和偏转角的分离控制，可以在任意时刻实现任意的偏转角，为摆线桨的进一步研究如气动特性，最优的攻角变化曲线，角加速度边界的研究提供了一个很好的实验平台。实现了摆线桨叶片偏转角的灵活控制，是研究摆线桨气动特性的一个非常好的实验平台。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种摇臂滑块式摆线桨自动控制机构作进一步详细说明。

图1为对单叶片进行控制的结构示意图。

图2为核心传动机构的示意图。

图3为核心传动机构俯视图。

图4为第四滑块的示意图。

图5为第二滑块的示意图。

图6为机构除去上壁板外整体示意图。

图7为主轴结构示意图。

图8为机壳结构示意图。

图9为角片斜视图。

图中:

1.数字编码器 2.驱动电机 3.伺服电机 4.电机滑块连接杆 5.滑块内环6.第二滑块 7.角片 8.叶片 9.控制杆 10.梁 11.第一线性导轨 12.第二线性导轨13.第三线性导轨 14.滑块支臂 15.滑块挡圈 16.轴心碳管 17.滑块支臂18.挡圈 19.垫块 20.滑块内环 21.第一滑块 22.第三滑块 23.第四滑块24.第五滑块 25.第六滑块 26.主轴套筒 27.角片连接件 28.叶片连接件29.轴端套筒 30.机壳前壁板 31.机壳后壁板 32.第一机壳侧壁板33.第一伺服电机连接件 34.机壳中壁板 35.第四线性导轨 36.天平连接件37.第二伺服电机连接件 38.第二机壳侧壁板 39.叶片支撑壁 40.主轴支撑环41.拉杆

具体实施方式

本实施例是一种摇臂滑块式摆线桨自动控制机构，该机构能够对摆线桨叶片偏转角进行实时控制，为摆线桨气动特性研究提供良好的实验平台。

本发明摆线桨的自动控制机构由主轴部分，壳体部分，滑块部分，叶片，电机滑块连杆4，角片7，垫块19，伺服电机3，驱动电机2，编码器1，支架，组成。

如图1所示，机构壳体呈方形，处于中间，左边连接有支架，支架主要功能为固定伺服电机3和数字编码器1。数字编码器1连接在支架最左端和驱动电机2保持距离以避免过于强烈的电磁干扰。驱动电机2固定在支架右端上，和右边的壳体相连，通过一个齿数比为十比一的齿轮降低转速然后传递扭矩给壳体内的主轴。壳体右边为摆线桨叶片部分，摆线桨叶片8通过控制杆连9接在转轴一侧的角片7上，角片7连接壳体内部的第二滑块6。壳体两侧为第一伺服电机连接件33，第二私服电机连接件37，连接件为台阶形，各连着三个伺服电机。每个伺服电机通过一个连杆连接着一个滑块。

如图2所示，机构运动时，万向轴节被大齿轮带动转动，传递扭矩给主轴套筒26，传给轴心碳管16，从而带动机壳右侧叶片8绕主轴转动。从而实现了对摆线桨叶片相位角的控制。机壳侧壁伺服电机3转子转动，产生水平方向位移，通过连接滑块内环的电机滑块连接杆4，带动对应的第二滑块6平移，传递水平方向的位移给最右边的角片7，角片7转动把水平方向位移传递到竖直方向，从而推拉控制杆9，使叶片8俯仰，以达到对叶片偏转角控制的目的。

参见图3、图4，第四滑块主要包括滑块主体，滑块支臂17和滑块挡圈18，垫块19，滑块内环20四部分。结合图1图2可以看到滑块通过三个环形结构套在机壳内线性导轨上，从而确保滑块只能沿水平方向滑动。为了让滑块支臂错开，采取了三个一组三个一组的方式，每一组的三个支臂分别从上面下面和侧面连接到导轨上。

参阅图5、图6、图7，主轴部分从左到右依次为主轴套筒26，轴心碳管16，主轴支撑环40，角片连接件27，叶片支撑壁39，叶片连接件28，轴端套筒29。主轴套筒26套在轴心碳杆16上，一端和主轴支撑环40相连，另一端和万向轴节连接，轴心碳管在主轴套筒26内部，通过螺钉和主轴套筒26固定在一起。主轴套筒26和轴心碳杆16的主要作用为传递扭矩。主轴支撑环40主要起固定主轴的作用，为环形，外部和机壳后壁板31通过内径90外径115厚度13的轴承相连，内部和主轴套筒26用两个M2螺钉相连。角片连接件27上半部分为环形，套在轴心碳管16上，一端顶着叶片支撑壁39，且用6个M2螺钉固定在轴心碳杆16上。另一端连着六个角片，角片和连接件之间有六个内2外6厚度6的轴承相连。叶片支撑壁39为板状，下部中空，圆形，可套在轴心碳杆上。与轴端套筒26用螺钉连接，固定叶片支撑壁39轴向位置，且保证叶片支撑壁39随主轴一起转动。轴端套筒26主要为两部分，一部分包裹着轴心碳管16，用12个M2螺钉和碳管连接，另一部分连接着叶片支撑壁39，用6个M2螺钉相连接。一方面保护了轴心碳管16，使之不容易耗损，另一方面限制了叶片支撑壁39和叶片8的轴向位移，使摆线桨在旋转的时候不会来回滑动。

机构运动时，驱动电机2转动带动万向轴节转动，传递扭矩给主轴套筒26，传给套筒内的轴心碳管16，从而带动壳体右侧叶片支撑壁转动，支撑壁带动其上的叶片转动。

如图8所示，壳体部分包括前壁板30，机壳中壁板34，机壳后壁板31，第一机壳侧壁板32，第二机壳侧壁板38，四个支撑梁10，第一线性导轨11，第二线性导轨12，第三线性导轨13，第四线性导轨35，第一伺服电机连接件33，第二伺服电机连接件37。壁板和壁板之间用M2螺钉相连，支撑梁10起结构加强作用，两端用M3螺钉固定在机壳前壁板30和机壳后壁板31上，侧面用螺钉分别和上下壁板以及中壁板34相连接。两个伺服电机连接件分布在两个机壳侧壁板上，用M3螺钉连接，第一伺服电机连接件33和第二伺服电机37连接件呈台阶形，上面分别连接着三个伺服电机。台阶形可以保证同一侧三个伺服电机的高度差，保证了伺服电机的转子连接的连杆运动的时候空间上可以错开，不会相碰。四根线性导轨的作用为限制滑块位移，保证其只能沿着水平方向运动。

图9为角片7的斜视图，中间凹槽部分固定在角片连接件27上，角片绕角片连接件转动，将水平方向的位移传递到竖直方向。

通过软件部分，控制主轴电机和伺服电机。给定主轴转速后摆线桨开始转动，伺服电机运动规律由使用者想验证的叶片偏转角变化规律决定，不给伺服电机位移信号时，水平方向传递位移为0，角片不偏转，摆线桨叶片偏转角始终为0度。给定伺服电机运动规律后，得到相应的叶片偏转角变化规律，通过风洞试验可以得到摆线桨的角加速度边界和不同的偏转角变化曲线下摆线桨的气动特性，可以对优化计算出的最佳偏转角变化曲线进行验证。

实施例中，给定主轴驱动电机15000rpm的转速，则摆线桨转速为1500rpm，在软件***中，给定六个伺服电机偏转角角参数分别为A1=9000*t+90deg；A2=9000*t+150deg；A3=9000*t+210deg；A4=9000*t+270deg；A5=9000*t+330deg；A6=9000*t+30deg；拉杆与伺服电机连接点距伺服电机中心距离为R，则一号伺服电机的横向位移为R*cos（A1），即传递的横向位移为一个正弦变化的量，该横向位移通过拉杆，滑块，角片，控制杆最终传递给叶片，叶片最终俯仰偏转的位移也是一个正弦变化的量，从而得到的叶片偏转角θ其变化规律可以近似认为是正弦变化。这样得到了正弦曲线的摆线桨叶片偏转角变化，已通过机构仿真对叶片偏转角变化规律加以验证，机构运动时，通过对机构叶片高速连续拍照也可以验证。

Claims

1.一种摇臂滑块式摆线桨自动控制机构，其特征在于:包括主轴部分，壳体部分，滑块部分，叶片，转子滑块连杆，角片，垫块，伺服电机，编码器，支架，所述机构壳体呈长方***于中间，壳体一端连接有支架固定电机和编码器，编码器位于支架端与驱动电机保持距离，驱动电机固定在支架侧面，通过齿轮降低转速传递扭矩给壳体内的万向轴节；所述主轴部分依次与主轴套筒，轴心碳管，角片连接件，叶片支撑壁，叶片连接件，轴端套筒连接；主轴套筒与万向轴节固连，轴心碳管固定在主轴套筒内，角片连接件和叶片支撑臂固定在轴心碳管上；所述滑块部分包括滑块内环，滑块支臂、垫块，滑块通过三点接触连接在机壳内线性导轨上，滑块上部的两个大环通过轴承套在两根较粗的线性导轨上，下部的环形结构套在另一个较细的线性导轨上，滑环沿水平方向滑动；滑块内环通过轴承和滑块相连，内环固定拉杆和传递横向位移；滑块带动内环横向位移使叶片获得偏转角，内环周向转动使叶片得到相位角；编码器输出主轴任意时刻转动速度及相位角；所述控制机构连接六个伺服电机，壳体侧壁各为三个，分别通过连杆与滑块连接；伺服电机转动，产生水平方向位移，通过连接滑块内环的连杆带动滑块平移，并拉动叶片控制杆使叶片俯仰，实现对叶片偏转角控制；主轴驱动电机带动主轴转动，叶片偏转角由伺服电机控制，相位角由主轴驱动电机控制，实现相位角和偏转角的分离控制，得到任意相位角时任意的偏转角。