一種多自由度的亞跨超聲速風洞大攻角機構的製作方法

2024-04-02 16:31:05 1

本發明涉及亞跨超風洞的試驗裝置領域，主要是一種多自由度的風洞大攻角機構。

背景技術：

超機動性、超敏捷性是第四代飛行器的重要戰術性能指標，良好的大攻角氣動性能是第四代飛行器獲得超機動性、超敏捷性的基本條件，而風洞試驗是研究飛行器大攻角氣動性能的重要手段，風洞大攻角試驗技術是一項關鍵的風洞特種試驗技術。另外，現代風洞朝著具有更強的試驗能力、更高的生產效率及更低的運行費用方向發展，往往要求在一次吹風過程中儘可能多地模擬模型試驗狀態，如模型的俯仰、偏航、滾轉、橫向平移、縱向平移等姿態和動作，這些動作必須依靠等各種類型的機構配合控制方案實現。

風洞試驗要求模型支撐機構的姿態位置準確並且具有足夠的剛度和強度、小的阻塞比和較低的流場幹擾性能，由於尾支撐結構簡單、通用性好、流場幹擾小，因而在各個風洞中應用最為廣泛。尾支撐的一般結構是將內式應變天平安裝在模型腔內，通過支杆與風洞的支架系統連接。採用尾支撐的風洞支架系統常見的有彎刀支架、多連杆支架、側窗支架、關節式支架等形式，各種支架適用於不同的試驗場合，具有不同的特點及優勢，這幾種支架的基本設計思路是以實現模型攻角為主要目標，在此基礎上疊加攻角預置功能、側滑角功能、滾轉角功能，來實現風洞試驗所需要的各種模型姿態。

技術實現要素：

本發明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提供了一種多自由度的亞跨超聲速風洞大攻角機構。

本發明的技術解決方案是：一種多自由度的亞跨超聲速風洞大攻角機構，包括前臂組件、後臂組件、框架、位置傳感器；框架為整個機構的安裝基礎；所述的前臂組件和後臂組件組成結構相同，均包括伺服電機、齒輪副、滾珠絲槓、滾動導軌及相應的臂；滾動導軌的滑塊固連在框架上，前臂、後臂分別與其對應組件中的滾動導軌固連，伺服電機、齒輪副、滾珠絲槓和滾動導軌形成的直線運動機構帶動前後臂上下運動，前臂的下端通過鉸鏈軸與模型支杆座連接，後臂的下端與小臂一端鉸接，小臂的另一端與模型支杆座鉸接；試驗時，根據待試驗攻角，控制兩臺伺服電機分別轉動帶動前臂和後臂上下運動，當前臂和後臂的上下運動速度一致時，實現模型支杆的平動，兩臺位置傳感器分別用於敏感前臂、後臂的位移，將敏感的位移輸出至外部，外部根據位移結合待試驗攻角實現對伺服電機的閉環控制。

還包括安裝在框架上的限位開關，通過上下兩個不同位置的限位開關，防止前臂、後臂撞擊風洞上壁板和下壁板。

前臂位於迎風面，後臂組件中的滾動導軌長度大於前臂組件中的滾動導軌長度。

還包括連接導軌，連接導軌的軌道與前臂連接，連接導軌的滑塊與後臂連接。

所述的位置傳感器採用電位計。

所述的限位開關採用非接觸式的霍爾式電磁開關元件。

還包括安裝在模型支杆座上的滾轉臂組件，滾轉臂組件帶動模型支杆進行轉動，利用機構的攻角、滾轉角的位置耦合，得到安裝在模型支杆前端模型的攻角、側滑角姿態。

所述的滾轉臂組件包括滾轉接頭、齒輪副Ⅰ、伺服電機Ⅰ、滾針軸承、引線保護管、模型支杆座、轉軸；伺服電機Ⅰ的轉動通過齒輪副Ⅰ傳遞至滾轉接頭使其轉動；滾轉接頭尾部插在模型支杆座內部空腔內，通過滾針軸承約束，前端與模型支杆連接。

伺服電機Ⅰ安裝在滾轉接頭的下方。

本發明與現有技術相比有益效果為：

(1)本發明一種多自由度的亞跨超風洞大攻角機構，集成了大攻角、模型上下移動、變攻角--上下移動的組合運動、自動變滾轉角、耦合實現攻角--側滑角姿態等功能，適用於亞跨超風洞試驗模型的多種姿態控制，具有功能多樣、攻角範圍大、模型運動範圍大、控制方案靈活的優點。

(2)本發明一種多自由度的亞跨超風洞大攻角機構，採用多連杆為基礎的結構實現攻角和上下移動，具有結構簡單、拆裝方便、可實現攻角範圍大的優點。

(3)本發明一種多自由度的亞跨超風洞大攻角機構，前臂與後臂之間通過滾動導軌連接，使後臂和小臂的剛性進一步加強，具有剛度大、結構穩固的優點。

(4)本發明一種多自由度的亞跨超風洞大攻角機構，前臂與後臂都採用了電位計作為位置反饋，實現了前臂和後臂的位置閉環控制，具有位置和攻角精度高、位置和攻角控制可靠的優點。

(5)本發明一種多自由度的亞跨超風洞大攻角機構，前臂與後臂採用了非接觸式的限位開關，避免了誤操作造成的機械損壞，具有耐用性好的優點。

(6)本發明一種多自由度的亞跨超風洞大攻角機構，擺臂內的滾轉電機布置在滾轉接頭的下方，減弱了伺服電機對模型測量參數信號的電磁幹擾，有利於獲得準確的模型測量參數，具有電磁幹擾小的優點。

本發明具有阻塞比小、功能多樣、結構可靠、使用方便的特點，是一套實用性很強的亞跨超風洞大攻角機構。

附圖說明

圖1為本發明的總體結構示意圖；

圖2為本發明滾轉臂組件的放大視圖；

圖3為本發明上下平移運動示意圖；

圖4為本發明大攻角運動示意圖；

圖5為風洞坐標系與模型坐標系轉化關係圖。

具體實施方式

下面結合附圖及實例對本發明做詳細說明，本發明一種多自由度的亞跨超聲速風洞大攻角機構，如圖1所示，包括前臂組件、後臂組件、框架2、位置傳感器3；框架2為整個機構的安裝基礎；所述的前臂組件和後臂組件組成結構相同，均包括伺服電機11、齒輪副12、滾珠絲槓13、滾動導軌14及相應的臂(前臂15、後臂17)；滾動導軌14的滑塊固連在框架2上，前臂15、後臂17分別與其對應組件中的滾動導軌固連，前臂位於迎風面，後臂組件中的滾動導軌長度大於前臂組件中的滾動導軌長度。前臂15與後臂17之間可通過連接導軌16連接；連接導軌16的軌道與前臂15連接，連接導軌16的滑塊與後臂17連接，使後臂17的一端由懸臂梁結構轉化為簡支梁結構，從而加強了後臂17的剛度，使後臂17的結構更加輕巧堅固。伺服電機11、齒輪副12、滾珠絲槓13和滾動導軌形成的直線運動機構帶動前後臂上下運動，前臂15的下端通過鉸鏈軸與模型支杆座連接，後臂17的下端與小臂18一端鉸接，小臂18的另一端與模型支杆座鉸接；試驗時，根據待試驗攻角，控制兩臺伺服電機分別轉動帶動前臂和後臂上下運動，當前臂和後臂的上下運動速度一致時，實現模型支杆的平動，兩臺位置傳感器分別用於敏感前臂、後臂的位移，將敏感的位移輸出至外部，外部根據位移結合待試驗攻角實現對伺服電機的閉環控制。

進一步的，本發明還包括安裝在框架上的限位開關，通過上下兩個不同位置的限位開關，防止前臂、後臂撞擊風洞上壁板和下壁板。限位開關採用非接觸式的霍爾式電磁開關元件，避免了接觸式開關反覆開關造成的設備損壞，具有可靠性高的特點。

位置傳感器3採用電位計，本例中採用拉線式電位計；位置傳感器3的基座固定在框架2上，位置傳感器的拉線與前臂15、後臂17連接.

本發明還包括安裝在模型支杆座上的滾轉臂組件6，滾轉臂組件帶動模型支杆進行轉動，利用機構的攻角、滾轉角的位置耦合，得到安裝在模型支杆前端模型的攻角、側滑角姿態。具體如圖2所示，滾轉臂組件6包括滾轉接頭61、齒輪副Ⅰ62、伺服電機Ⅰ63、滾針軸承64、引線保護管65，模型支杆座66、轉軸67；伺服電機Ⅰ63的轉動通過齒輪副Ⅰ62傳遞至滾轉接頭61使其轉動，控制模型的滾轉姿態，達到滾轉角度範圍為-180°～180°；滾轉接頭61尾部插在模型支杆座66內部空腔內，通過滾針軸承64約束，前端與模型支杆連接。伺服電機Ⅰ63安裝在滾轉接頭61的下方，從而將減弱了伺服電機對模型測量參數信號的電磁幹擾，有利於獲得準確的模型測量參數。

本發明還可設計齒輪副Ⅰ62兩個齒輪之間的距離可調節，從而避免了加工誤差、磨損造成的齒形變位等因素導致的齒輪副回差較大，將迴轉誤差控制在風洞試驗所要求的角度精度控制範圍內。

前臂15與後臂17、小臂18、模型支杆座66形成了基本的四連杆機構。控制前臂15與後臂17同向運動且速度一致，則小臂18與模型支杆座66的相對位置和角度關係不發生變化，模型的運動軌跡為上下平動，此功能用以實現風洞模型在試驗段流場均勻區內的上下平動，達到躲避試驗段激波、頭部反射激波等對彈翼、尾舵、測量翼、測量舵影響的目的，如圖3示意；

控制前臂15與後臂17同向運動而速度不一致【一般為前臂15速度慢、後臂17速度快】，則小臂18與模型支杆座66的相對位置和角度關係發生變化，模型的運動軌跡為上下擺動，此功能用以實現風洞模型的攻角，攻角範圍能達到-10°～65°，如圖4示意。也可採用平動與差動的各種組合控制方案，依據試驗需要確定。

本發明通過攻角機構改變模型支杆在鉛垂面內的轉動角度αm，通過滾轉接頭自動改變模型的滾轉角γ，從而在風洞試驗中耦合實現攻角α--側滑角β的試驗狀態。如圖5所示，模型軸線在縱向平面與風洞軸線之間的夾角就是模型的攻角α，在水平面內與風洞軸線之間的夾角就是模型的側滑角β，公式為：

Sinα＝cosγ×tanαm

Sinβ＝sinγ×sinαm，

本發明未詳細說明部分屬於本領域技術人員公知常識。