CN108381521A - 高马赫数高动压大升力模型捕获轨迹试验的六自由度机构 - Google Patents
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Abstract
一种高马赫数高动压大升力模型捕获轨迹试验的六自由度机构，包括三自由度平移机构、俯仰/偏航运动机构和滚转运动机构，所述的三自由度平移并联机构包括三组导轨基座、三组第一滑块、三组第一直线驱动机构、三组第一万向铰链、三根第一连杆，通过控制三个第一滑块的协调运动，进而使俯仰/偏航基座实现沿三个坐标轴的平移运动；所述的俯仰/偏航运动机构包括俯仰/偏航基座、三组第二直线驱动机构、三组第二滑块、三组转动铰链、三组第二万向铰链和三组第二连杆，所述的滚转运动机构包括滚转头、滚转头伺服电机、一对正齿轮、中空谐波减速器、联轴器和外挂物尾杆。本发明具有大运动行程、高承载能力和刚度，高运动精度的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种高马赫数高动压大升力模型捕获轨迹试验的六自由度机构。
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。其中六自由度机构是捕获轨迹试验***中外挂物的支撑装置及其运动执行装置，是整个***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。目前，国外超声速风洞CTS***以AEDC冯卡门实验室超声速CTS***为代表，其风洞为连续式风洞，动压低、承受载荷小；国内，以FL-3、FD-12、FL-28风洞CTS***为代表，暂冲式风洞动压高、冲击大；只能承担小载荷(小升力面)模型试验。国内外尚没有适用于暂冲式风洞M＝2～4时高动压条件下大升力面模型CTS试验的六自由度机构。
发明内容
为了解决了现有六自由度机构行程小、承载能力差及刚度差等问题，本发明的目的是：提供一种高马赫数高动压大升力模型捕获轨迹试验的六自由度机构，该装置用于高马赫数捕获轨迹试验中，模拟外挂物与载机分离状态的试验装置。
本发明的技术方案如下：一种高马赫数高动压大升力模型捕获轨迹试验的六自由度机构，包括三自由度平移机构、俯仰/偏航运动机构和滚转运动机构，所述的三自由度平移并联机构和俯仰/偏航运动机构连接，俯仰/偏航运动机构与滚转运动机构连接；
所述的三自由度平移并联机构包括三组导轨基座、三组第一滑块、三组第一直线驱动机构、三组第一万向铰链、三根第一连杆，三组导轨基座沿圆周平均间隔固定在风洞试验段上，每组导轨基座上安装有一组第一直线驱动机构，每组第一直线驱动机构与一个第一滑块连接，每个第一滑块与一根第一连杆的一端铰接，每根第一连杆的另外一端通过一组第一万向铰链与俯仰/偏航基座连接，第一直线驱动机构驱动其第一滑块沿风洞轴向运动，三根第一连杆通过第一万向铰链与第一滑块和俯仰/偏航基座连接。通过控制三个第一滑块的协调运动，进而使俯仰/偏航基座实现沿三个坐标轴的平移运动；
所述的俯仰/偏航运动机构包括俯仰/偏航基座、三组第二直线驱动机构、三组第二滑块、三组转动铰链、三组第二万向铰链和三组第二连杆，滚转头的底部平面圆周按平均间隔安装有三组第二万向铰链，俯仰/偏航基座沿径向平均间隔安装有三组第二直线驱动机构，每组第二直线驱动机构上安装有一个第二滑块，每组第二滑块通过一组转动铰链与第二连杆的一端连接，第二连杆的另外一端与一个第二万向铰链连接；
所述的滚转运动机构包括滚转头、滚转头伺服电机、一对正齿轮、中空谐波减速器、联轴器和外挂物尾杆，外挂物尾杆的末端***到滚转头内，滚转头内安装有滚转头伺服电机、正齿轮、中空谐波减速器和联轴器，中空谐波减速器通过一对正齿轮与滚转头伺服电机连接，中空谐波减速器通过联轴器与外挂物尾杆的内轴连接，以实现外挂物绕其轴线的滚转运动。本发明的创新点和有益效果是：
(1)此六自由度机构采用七台伺服电机实现三个方向的直线运动和角运动。采用三自由度平移并联机构和三自由度两转动一平动并联机构的串联形式，实现除滚转外的其余五个自由度的运动。滚转运动使用谐波减速器实现。此形式在达到机构运动行程和风洞堵塞度的要求下，增加机构的整体承载能力和刚度，以满足外挂物的大载荷要求。
(2)三自由度平移机构采用并联形式。三根连杆通过两端的万向铰链将三个滑块和俯仰/偏航基座连接。三个滑块与三组直线驱动机构连接，实现滑块沿风洞轴向的运动。通过滑块的协调运动实现三个方向的线位移，特别是可实现沿风洞轴向的大行程运动，轴向运动行程最大可达1000mm。滑块、直线驱动机构及基座均安装在试验段段壁板背风面，仅万向铰链和连杆位于风洞流场内，减少运动机构在风洞流场内的占用空间，并联形式加大了机构的承载能力和刚度；与传统的串联形式相比，提高了机构的运动误差。
(3)俯仰/偏航结构采用具有两个转动和一个平动的三自由度并联机构，其中只对两个转动自由度进行控制，俯仰/偏航角的范围分别可达±45°。三根连杆通过转动铰链和万向较量分别与三个滑块和滚转头连接。连杆分两段，两段连杆通过滚动轴承实现绕连根轴线的转动。三个滑块与三组直线驱动机构连接，实现滑块沿风洞轴向的运动。通过滑块的协调运动实现俯仰/偏航运动。滑块和直线驱动机构均安装在俯仰/偏航基座上。
(4)滚转机构通过谐波减速器驱动，使滚转角范围可达±360°以上。空心减速器输入端通过一对齿轮与伺服电机连接，实现伺服电机的偏置，以满足机构的走线要求。
(5)六自由度机构采用七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2000N。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明的三自由度平移机构示意图。
图3是本发明的俯仰/偏航运动机构示意图。
图4是本发明的滚转运动机构示意图。
具体实施方式
下面举例对本发明做进一步说明：
实施例1
如图1所示，一种高马赫数高动压大升力模型捕获轨迹试验的六自由度机构，适用于1m量级超声风洞高马赫数高动压条件大升力面模型捕获轨迹试验，包括三自由度平移机构1、俯仰/偏航运动机构2和滚转运动机构3；
如图2所示，所述的三自由度平移并联机构1包括三组导轨基座4、三组第一滑块5、三组第一直线驱动机构6、三组第一万向铰链7、三根第一连杆8，三组导轨基座4沿圆周平均间隔固定在风洞试验段上，每组导轨基座4上安装有一组第一直线驱动机构6，每组第一直线驱动机构6与一个第一滑块5连接，每个第一滑块5与一根第一连杆8的一端铰接，每根第一连杆8的另外一端通过一组第一万向铰链7与俯仰/偏航基座9连接，第一直线驱动机构6驱动其第一滑块5沿风洞轴向运动，三根第一连杆8通过第一万向铰链7与第一滑块5和俯仰/偏航基座9连接；每组第一直线驱动机构6包括第一伺服电机10、第一减速器11、第一丝杠12和第一直线导轨13，通过控制三台伺服电机10驱动丝杠12，使三个滑块5协调运动，从而使俯仰/偏航基座9实现沿三个坐标轴的平移运动。
如图3所示，所述的俯仰/偏航运动机构2包括俯仰/偏航基座9、三组第二直线驱动机构14、三组第二滑块15、三组转动铰链16、三组第二万向铰链17和三组连杆机构18，滚转头19的底部平面圆周按平均间隔安装有三组第二万向铰链17，俯仰/偏航基座9沿径向平均间隔安装有三组第二直线驱动机构14，每组第二直线驱动机构14上安装有一个第二滑块15，每组第二滑块15通过一组转动铰链16与一组连杆机构18的一端连接，连杆机构18的另外一端与一个第二万向铰链17连接；每组连杆机构18包括第二连杆24、第三连杆26和滚动轴承26，第二连杆24与通过滚动轴承26与第三连杆26连接；
每组第二直线驱动机构14包括第二伺服电机20、第二减速器21、第二丝杠22和第二直线导轨23；
通过控制三台第二伺服电机20驱动三组第二丝杠22，使三个第二滑块15协调运动，从而使滚转头19实现俯仰、偏航和沿风洞轴向的直线运动。这里仅利用此机构实现俯仰和偏航运动。此机构在运动过程中会产生沿风洞法向和横向的附加运动，此部分运动由三自由度平移并联机构1补偿。
如图4所示，所述的滚转运动机构3包括滚转头19、滚转头伺服电机27、一对正齿轮28、中空谐波减速器29、联轴器30和外挂物尾杆31，外挂物尾杆31的末端***到滚转头19内，滚转头19内安装有滚转头伺服电机27、正齿轮28、中空谐波减速器29和联轴器30，中空谐波减速器29通过一对正齿轮28与滚转头伺服电机27连接，中空谐波减速器29通过联轴器30与外挂物尾杆31的内轴32连接，以实现外挂物绕其轴线的滚转运动。
本发明的工作原理：
1)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。
整套***的运行过程是：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三自由度平移机构(1)、俯仰/偏航运动机构(2)和滚转运动机构(3)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。
Claims (1)
1.一种高马赫数高动压大升力模型捕获轨迹试验的六自由度机构，包括三自由度平移机构(1)、俯仰/偏航运动机构(2)和滚转运动机构(3)，所述的三自由度平移并联机构(1)和俯仰/偏航运动机构(2)连接，俯仰/偏航运动机构与滚转运动机构(3)连接；其特征在于：
所述的三自由度平移并联机构(1)包括三组导轨基座(4)、三组第一滑块(5)、三组第一直线驱动机构(6)、三组第一万向铰链(7)、三根第一连杆(8)，三组导轨基座(4)沿圆周平均间隔固定在风洞试验段上，每组导轨基座(4)上安装有一组第一直线驱动机构(6)，每组第一直线驱动机构(6)与一个第一滑块(5)连接，每个第一滑块(5)与一根第一连杆(8)的一端铰接，每根第一连杆(8)的另外一端通过一组第一万向铰链(7)与俯仰/偏航基座(9)连接，第一直线驱动机构(6)驱动其第一滑块(5)沿风洞轴向运动，三根第一连杆(8)通过第一万向铰链(7)与第一滑块(5)和俯仰/偏航基座(9)连接。通过控制三个第一滑块(5)的协调运动，进而使俯仰/偏航基座(9)实现沿三个坐标轴的平移运动；
所述的俯仰/偏航运动机构(2)包括俯仰/偏航基座(9)、三组第二直线驱动机构(14)、三组第二滑块(15)、三组转动铰链(16)、三组第二万向铰链(17)和三组连杆机构(18)，滚转头(19)的底部平面圆周按平均间隔安装有三组第二万向铰链(17)，俯仰/偏航基座(9)沿径向平均间隔安装有三组第二直线驱动机构(14)，每组第二直线驱动机构(14)上安装有一个第二滑块(15)，每组第二滑块(15)通过一组转动铰链(16)与一组连杆机构(18)的一端连接，连杆机构(18)的另外一端与一个第二万向铰链(17)连接；每组连杆机构(18)包括第二连杆(24)、第三连杆(26)和滚动轴承(26)，第二连杆(24)与通过滚动轴承(26)与第三连杆(26)连接；
所述的滚转运动机构(3)包括滚转头(19)、滚转头伺服电机(27)、一对正齿轮(28)、中空谐波减速器(29)、联轴器(30)和外挂物尾杆(31)，外挂物尾杆(31)的末端***到滚转头(19)内，滚转头(19)内安装有滚转头伺服电机(27)、正齿轮(28)、中空谐波减速器(29)和联轴器(30)，中空谐波减速器(29)通过一对正齿轮(28)与滚转头伺服电机(27)连接，中空谐波减速器(29)通过联轴器(30)与外挂物尾杆(31)的内轴(32)连接，以实现外挂物绕其轴线的滚转运动。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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