風洞模型支撐裝置的製作方法

2023-06-15 12:29:21 1

專利名稱：風洞模型支撐裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種風洞實驗裝置，尤其是涉及一種用於風洞實驗中模型的支撐裝置。
背景技術：
風洞實驗是空氣動力學研究三個基本手段之一，風洞實驗成果最強有力地推動了 航空航天事業的發展。在風洞實驗中，需用支架系統把模型支撐在風洞之中，這個支架就是 風洞模型支撐，它是實現風洞模型姿態控制的機構。常用的模型支撐方式包括腹撐、尾撐、 背撐和張線支撐等。在不同種類的風洞試驗中，不同支撐方式有各自的特點和優勢。在實 驗中要求飛機模型的俯仰、偏航、滾轉、升沉、橫向平移和縱向平移。 隨著並聯機構的出現及相關理論的逐漸成熟，並聯機構以其高剛度、高響應速度 和誤差不累積等優點，很快應用到風洞模型支撐系統中。目前大多採用的風洞模型支撐系 統有Stewart平臺的並聯機構風洞模型系統和Hexaglide (6-PSS)並聯機構風洞模型支撐 系統。雖然這兩類風洞模型支撐系統具有較高的動態響應特性，但是很難滿足風洞模型試 驗中對飛機模型做高頻率、大振幅運動的實驗要求。因為在風洞試驗中，飛機模型是由一根 杆件與動平臺固連，在試驗過程中動平臺不能進入風區，這就要求動平臺和飛機模型之間 的杆件長度至少大於風洞的半徑。由於風洞半徑的限制，當模型做大振幅、高頻率運動時， 會使風洞模型支撐系統所需要的輸入加速度相當大，這是一般的驅動單元無法實現的，而 且結構複雜，且製造、裝配成本較高。

發明內容
本發明旨在至少解決現有技術中存在的技術問題之一。為此，本發明的目的在於 提出一種可擴大模型的俯仰和滾轉振幅、結構簡單且可靠的用於風洞中的風洞模型支撐裝置。 根據本發明的一個實施例的風洞模型支撐裝置，包括動平臺，所述動平臺具有三 個平動自由度和至少一個轉動自由度；夾持裝置，所述夾持裝置與所述動平臺相連接並用 於固定支撐所述模型；以及第一和第二驅動單元，所述第一和第二驅動單元設置在所述動 平臺上，並用於驅動所述夾持裝置以使所述夾持裝置獲得沿著縱向和橫向轉動的自由度。
根據本發明的風洞模型支撐裝置，可實現風洞試驗中模型的六自由度，且通過並 聯的第一驅動單元和第二驅動單元可以有效地擴大所能實現模型的俯仰和滾轉振幅，降低 了驅動單元的加速度和運動速度並減少了運動行程，降低了控制系統的複雜程度，結構簡 單並且可靠性強。 另外，根據本發明的風洞模型支撐裝置還具有如下附加技術特徵
所述第一驅動單元和所述第二驅動單元垂直布置。 第一驅動單元包括第一驅動電機；以及第一曲柄連杆機構，所述第一驅動電機 驅動所述第一曲柄連杆機構以實現所述夾持裝置的縱向和橫向轉動自由度中的一個。
所述第一曲柄連杆機構包括第一曲柄搖杆機構，所述第一曲柄搖杆機構的從動 件為第一搖杆，且第一搖杆末端鉸接有第一剛性杆，所述第一剛性杆的另一端與所述夾持 裝置可轉動地連接且可上下運動，以使第一曲柄帶動第一搖杆做擺動使第一剛性杆帶動所 述夾持裝置運動；和第一齒輪齒條機構，所述第一齒輪齒條機構與所述第一驅動電機相連 接，用以驅動第一曲柄搖杆機構，其中所述第一齒輪齒條機構中第一齒條的一端與第一曲 柄相鉸接。 第二驅動單元包括第二驅動電機；以及第二曲柄連杆機構，所述第二驅動電機 驅動所述第二曲柄連杆機構以實現所述夾持裝置的縱向和橫向轉動自由度中的另一個。
所述第二曲柄連杆機構包括第二曲柄搖杆機構，所述第二曲柄搖杆機構的從動 件為第二搖杆，且第二搖杆末端鉸接有第二剛性杆，所述第二剛性杆的另一端與所述夾持 裝置可轉動地連接且可上下運動，以使第二曲柄帶動第二搖杆做擺動使第二剛性杆帶動所 述夾持裝置運動；和第二齒輪齒條機構，所述第二齒輪齒條機構與所述第二驅動電機相連 接，用以驅動第二曲柄搖杆機構，其中所述第二齒輪齒條機構中第二齒條的一端與第二曲 柄相鉸接。 所述夾持裝置為虎克鉸，其包括上鉸鏈架，所述上鉸鏈架的頂端與所述動平臺底
部通過動平臺連接件進行連接，所述上鉸鏈架成拱形且兩端分別形成有在同一軸線上的第
一圓孔；下鉸鏈架，所述下鉸鏈架的底端通過模型連接件與所述模型進行連接，所述下鉸鏈
架形成為半球殼形，且在邊緣處形成在同一軸線上的兩個凸緣，所述兩個凸緣上分別形成
有第二圓孔，所述兩個第二圓孔的軸線與所述第一圓孔的軸線相垂直；以及十字軸，所述十
字軸的四個軸端分別可轉動地設在所述兩個第一圓孔和兩個第二圓孔中。 根據本發明的風洞模型支撐裝置，在虎克鉸上形成了兩組軸線相互垂直的轉動
副，並且相交於十字軸的中心點。由此，兩個上鉸鏈架和下鉸鏈架可以分別繞十字軸做獨立
轉動。由於驅動單元的運動副都是低副，且組成運動副的原件表面全是圓柱面或平面，因而
加工、安裝和調整都比較方便，可以獲得較高的精度；組成運動副的原件間的接觸都是面接
觸，它所承受的單位壓力較小，故磨損較小，可靠性較高。 所述第一和第二剛性杆的下端分別通過第一球鉸和第二球鉸與所述虎克鉸相鉸 接。 所述剛性杆的下端與下鉸鏈架的邊緣鉸接，且鉸接點分別在十字軸的兩條軸線所 在的豎直面上。 所述動平臺具有三個平動自由度和一個轉動自由度，即沿Z軸的升降、沿Y軸的橫 向平動、沿X軸的縱向平動和繞Z軸的偏航。 本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變 得明顯，或通過本發明的實踐了解到。


本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變 得明顯和容易理解，其中 圖1是根據本發明的風洞模型支撐裝置的在Y0Z平面上的結構示意圖；
圖2是圖1中所示的風洞模型支撐裝置的虎克鉸的示意圖；以及
圖3是圖1中所示的風洞模型支撐裝置的第一驅動單元在X0Z平面上的示意圖。 附圖標記 1.模型；2.動平臺； 3.第一驅動單元； 4.第二驅動單元； 5.虎克鉸
具體實施例方式
下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終
相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附
圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。 在本發明的描述中，術語"縱向"、"橫向"、"上"、"下"、"頂"、"底"及O-XYZ坐標系
等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明而
不是要求本發明必須以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。 下面參考圖1-3描述根據本發明的一個實施例的風洞模型支撐裝置。 如圖1-圖3所示，根據本發明實施例的風洞模型支撐裝置包括動平臺2、夾持裝置
5、第一驅動單元3和第二驅動單元4。其中，動平臺2具有三個平動自由度和至少一個轉動
自由度。可選地，動平臺2具有四個自由度，即三個平動自由度和至少一個轉動自由度，即
沿Z軸的升降、沿Y軸的橫向平動、沿X軸的縱向平動和繞Z軸的偏航。當然，在本發明的
另一個示例中，動平臺2也可以具有六個自由度，即沿Z軸的升降、沿Y軸的橫向平動、沿X
軸的縱向平動、繞Z軸的偏航、繞Y軸的俯仰及繞X軸的滾轉。 夾持裝置5與動平臺2相連接並用於固定支撐模型1。可選地，夾持裝置5為虎 克鉸。如圖2所示，虎克鉸5包括上鉸鏈架51、下鉸鏈架52和十字軸53。其中，在上鉸鏈 架51的頂端與動平臺2底部通過動平臺連接件21進行固定連接。而下鉸鏈架52的底端 通過模型連接件11與模型1進行連接。 具體地，上鉸鏈架51成拱形，其兩端分別形成有第一圓孔511，兩個第一圓孔511 在同一軸線上，且該軸線沿X軸方向。下鉸鏈架52形成為半球殼形，且在邊緣處形成在同 一軸線上的兩個凸緣521，兩個凸緣521上分別形成有第二圓孔522，兩個第二圓孔522的 軸線與第一圓孔511的軸線相垂直，即沿Y軸方向。十字軸53的四個軸端分別可轉動地設 在兩個第一圓孔511和兩個第二圓孔522中，從而形成了兩組軸線相互垂直的轉動副A、B 及C、 D。其中，A、 B轉動副的軸線沿X軸方向，而C、 D轉動副的軸線沿Y軸方向，並且相交 於十字軸53的中心點0。由此，兩個上鉸鏈架51和下鉸鏈架52可以分別繞十字軸53做獨 立轉動。 如圖1和圖3所示，第一驅動單元3和第二驅動單元4相互垂直地設置在動平臺 2上，並用於驅動虎克鉸5以使虎克鉸5獲得沿著X軸和Y軸轉動的自由度。例如，假設第 一驅動單元3沿X軸布置，而第二驅動單元4沿Y軸布置。 如圖3所示，第一驅動單元3包括第一驅動電機31和第一曲柄連杆機構。第一驅 動電機31通過第一電機支撐311安裝在動平臺2上，且驅動第一曲柄連杆機構以實現虎克 鉸5繞Y軸的俯仰運動。
具體地，第一 曲柄連杆機構包括第一 曲柄搖杆機構33和第一齒輪齒條機構32。
第一齒輪齒條機構32由第一驅動電機31驅動，並用以驅動第一 曲柄搖杆機構33， 其中，第一齒輪321通過第一皮帶輪34與第一驅動電機31相連接。第一齒輪齒條機構32 通過第一齒輪齒條機構支架324安裝在動平臺2上，且在第一齒輪齒條機構支架324上還 安裝有可繞其軸線轉動的第一齒輪齒條機構套筒323。第一齒輪321位於第一齒輪齒條機 構套筒323內且與第一齒輪齒條機構套筒323轉動連接，而第一齒條322和第一齒輪321 在第一齒輪齒條機構套筒323內嚙合，從而使得第一齒輪齒條機構套筒323隨著第一齒條 322的運動繞第一齒輪齒條機構支架324的軸線轉動。第一齒輪齒條機構32中第一齒條 322的一端與第一 曲柄搖杆機構33的第一 曲柄331相鉸接，可選地，該第一齒條322鉸接在 第一曲柄331的中部。 第一曲柄搖杆機構33的主動件為第一曲柄331，而從動件為第一搖杆332。第一 曲柄搖杆機構33通過第一曲柄支架334和第一剛性杆支架335安裝在動平臺2上，其中， 第一曲柄331的下端鉸接在第一曲柄支架334上、且上端與第一搖杆332的一端鉸接，而第 一搖杆332的另一端與第一剛性杆333的上端鉸接。在第一剛性杆支架335上固定有第一 剛性杆套筒3331。第一剛性杆333的下端與虎克鉸5可轉動地連接且可在第一剛性杆套 筒3331中上下運動，以使第一曲柄331帶動第一搖杆332做擺動使第一剛性杆333帶動虎 克鉸5運動。例如，第一剛性杆333可與虎克鉸5通過第一球鉸35相鉸接，具體地，第一剛 性杆333的下端與下鉸鏈架52的邊緣鉸接，且鉸接點在十字軸53的X軸線所在豎直面的 E點上，E點位置如圖2中所示。 如圖1所示，第二驅動單元3包括第二驅動電機41和第二曲柄連杆機構。第二驅 動電機41通過第二電機支撐411安裝在動平臺2上，且驅動第二曲柄連杆機構以實現虎克 鉸5繞X軸的滾轉運動。 具體地，第二曲柄連杆機構包括第二曲柄搖杆機構43和第二齒輪齒條機構42。
第二齒輪齒條機構42由第二驅動電機41驅動，並用以驅動第二曲柄搖杆機構43， 其中，第二齒輪421通過第二皮帶輪44與第二驅動電機41相連接。第二齒輪齒條機構42 通過第二齒輪齒條機構支架424安裝在動平臺2上，且在第二齒輪齒條機構支架424上還 安裝有可繞其軸線轉動的第二齒輪齒條機構套筒423。第二齒輪421位於第二齒輪齒條機 構套筒423內且與第二齒輪齒條機構套筒423轉動連接，而第二齒條422和第二齒輪421 在第二齒輪齒條機構套筒423內嚙合，從而使得第二齒輪齒條機構套筒423隨著第二齒條 422的運動繞第二齒輪齒條機構支架424的軸線轉動。第二齒輪齒條機構42中第二齒條 422的一端與第二曲柄搖杆機構43的第二曲柄431相鉸接，可選地，該第二齒條422鉸接在 第二曲柄431的中部。 第二曲柄搖杆機構43的主動件為第二曲柄431，而從動件為第二搖杆432。第二 曲柄搖杆機構43通過第二曲柄支架434和第二剛性杆支架435安裝在動平臺2上，其中， 第二曲柄431的下端鉸接在第二曲柄支架434上、且上端與第二搖杆432的一端鉸接，而第 二搖杆432的另一端與第二剛性杆433的上端鉸接。在第二剛性杆支架435上固定有第二 剛性杆套筒4331。第二剛性杆433的下端與虎克鉸5可轉動地連接且可在第二剛性杆套 筒4331中上下運動，以使第二曲柄431帶動第二搖杆432做擺動使第二剛性杆433帶動虎 克鉸5運動。例如，第二剛性杆433可與虎克鉸5通過第二球鉸45相鉸接，具體地，第二剛
7性杆433的下端與下鉸鏈架52的邊緣鉸接，且鉸接點在十字軸53的Y軸線所在豎直面的 H點上，H點位置如圖2中所示。 下面將參考圖1-圖3來詳細描述根據本發明的風洞模型支撐裝置的工作過程。
首先描述根據本發明的風洞模型支撐裝置用來實現模型的滾轉運動的過程。第一 驅動電機31驅動第一皮帶輪34帶動第一齒輪321轉動，而後帶動第一齒條322沿Y軸方向 來回運動，並帶動第一曲柄331繞著第一曲柄支架334擺動，進而使得第一搖杆332帶動第 一剛性杆333上下運動，虎克鉸5的C-D轉動副轉動，從而實現模型1繞Y軸的俯仰運動。
然後描述根據本發明的風洞模型支撐裝置用來實現模型的俯仰運動的過程。第二 驅動電機41驅動第二皮帶輪44帶動第二齒輪421轉動，而後帶動第二齒條422沿X軸方向 來回運動，並帶動第二曲柄431繞著第二曲柄支架434擺動，進而使得第二搖杆432帶動第 二剛性杆433上下運動，虎克鉸5的A-B轉動副轉動，從而實現模型1繞X軸的滾轉運動。
根據本發明的風洞模型支撐裝置，可實現風洞試驗中模型的六自由度，且通過並 聯的第一驅動單元3和第二驅動單元4可以有效地擴大所能實現模型1的俯仰和滾轉振 幅，降低了驅動單元的加速度和運動速度並減少了運動行程，結構簡單並且可靠性強。
另外，根據本發明的風洞模型支撐裝置，在虎克鉸上形成了兩組軸線相互垂直的 轉動副，並且相交於十字軸的中心點。由此，兩個上鉸鏈架和下鉸鏈架可以分別繞十字軸做 獨立轉動。由於驅動單元的運動副都是低副，且組成運動副的原件表面全是圓柱面或平面， 因而加工、安裝和調整都比較方便，可以獲得較高的精度；而且組成運動副的原件間的接觸 都是面接觸，因此它所承受的單位壓力較小，故磨損較小，可靠性較高。 儘管已經示出和描述了本發明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解在不 脫離本發明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本 發明的範圍由權利要求及其等同物限定。
權利要求
一種風洞模型支撐裝置，包括動平臺，所述動平臺具有三個平動自由度和至少一個轉動自由度；夾持裝置，所述夾持裝置與所述動平臺相連接並用於固定支撐所述模型；以及第一和第二驅動單元，所述第一和第二驅動單元設置在所述動平臺上，並用於驅動所述夾持裝置以使所述夾持裝置獲得沿著縱向和橫向轉動的自由度。
2. 根據權利要求1所述的風洞模型支撐裝置，其中，所述第一驅動單元和所述第二驅 動單元垂直布置。
3. 根據權利要求1所述的風洞模型支撐裝置，其中，第一驅動單元包括 第一驅動電機；以及第一 曲柄連杆機構，所述第一驅動電機驅動所述第一 曲柄連杆機構以實現所述夾持裝 置的縱向和橫向轉動自由度中的一個。
4. 根據權利要求3所述的風洞模型支撐裝置，其中，所述第一曲柄連杆機構包括 第一 曲柄搖杆機構，所述第一 曲柄搖杆機構的從動件為第一搖杆，且第一搖杆末端鉸接有第一剛性杆，所述第一剛性杆的另一端與所述夾持裝置可轉動地連接且可上下運動， 以使第一曲柄帶動第一搖杆做擺動使第一剛性杆帶動所述夾持裝置運動；禾口第一齒輪齒條機構，所述第一齒輪齒條機構與所述第一驅動電機相連接，用以驅動第 一曲柄搖杆機構，其中所述第一齒輪齒條機構中第一齒條的一端與第一曲柄相鉸接。
5. 根據權利要求1所述的風洞模型支撐裝置，其中，第二驅動單元包括 第二驅動電機；以及第二曲柄連杆機構，所述第二驅動電機驅動所述第二曲柄連杆機構以實現所述夾持裝 置的縱向和橫向轉動自由度中的另一個。
6. 根據權利要求5所述的風洞模型支撐裝置，其中，所述第二曲柄連杆機構包括 第二曲柄搖杆機構，所述第二曲柄搖杆機構的從動件為第二搖杆，且第二搖杆末端鉸接有第二剛性杆，所述第二剛性杆的另一端與所述夾持裝置可轉動地連接且可上下運動， 以使第二曲柄帶動第二搖杆做擺動使第二剛性杆帶動所述夾持裝置運動；禾口第二齒輪齒條機構，所述第二齒輪齒條機構與所述第二驅動電機相連接，用以驅動第 二曲柄搖杆機構，其中所述第二齒輪齒條機構中第二齒條的一端與第二曲柄相鉸接。
7. 根據權利要求4或6所述的風洞模型支撐裝置，其特徵在於，所述夾持裝置為虎克 鉸，其包括上鉸鏈架，所述上鉸鏈架的頂端與所述動平臺底部通過動平臺連接件進行連接，所述 上鉸鏈架成拱形且兩端分別形成有在同一軸線上的第一圓孔；下鉸鏈架，所述下鉸鏈架的底端通過模型連接件與所述模型進行連接，所述下鉸鏈架 形成為半球殼形，且在邊緣處形成在同一軸線上的兩個凸緣，所述兩個凸緣上分別形成有 第二圓孔，所述兩個第二圓孔的軸線與所述第一圓孔的軸線相垂直；以及十字軸，所述十字軸的四個軸端分別可轉動地設在所述兩個第一圓孔和兩個第二圓孔中。
8. 根據權利要求7所述的風洞模型支撐裝置，其特徵在於，所述第一和第二剛性杆的 下端分別通過第一球鉸和第二球鉸與所述虎克鉸相鉸接。
9. 根據權利要求8所述的風洞模型支撐裝置，其特徵在於，所述剛性杆的下端與下鉸鏈架的邊緣鉸接，且鉸接點分別在十字軸的兩條軸線所在的豎直面上。
10.根據權利要求1所述的風洞模型支撐裝置，其特徵在於，所述動平臺具有三個平動 自由度和一個轉動自由度。
全文摘要
本發明公開了一種風洞模型支撐裝置，包括動平臺，所述動平臺具有三個平動自由度和至少一個轉動自由度；夾持裝置，所述夾持裝置與所述動平臺相連接並用於固定支撐所述模型；以及第一和第二驅動單元，所述第一和第二驅動單元設置在所述動平臺上，並用於驅動所述夾持裝置以使所述夾持裝置獲得沿著縱向和橫向轉動的自由度。根據本發明的風洞模型支撐裝置，可實現風洞試驗中模型的六自由度，且通過並聯的第一驅動單元和第二驅動單元可以有效地擴大所能實現模型的俯仰和滾轉振幅，降低了驅動單元的加速度和運動速度並減少了運動行程，結構簡單且可靠。
文檔編號G01M9/04GK101793593SQ201010102469
公開日2010年8月4日 申請日期2010年1月22日 優先權日2010年1月22日
發明者關立文, 張 浩, 汪勁松, 王立平 申請人:清華大學