风洞模型支撑装置的制作方法

专利名称：风洞模型支撑装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及风洞实验装备领域，尤其是涉及一种在风洞实验中用于对模型进行支
撑的风洞模型支撑装置。
背景技术：
风洞实验是进行空气动力学研究的三个基本手段之一，风洞实验的成果强有力地 推动了航空航天事业的发展。在风洞实验中，需要飞行器模型(以下简称模型)经常作出 俯仰、偏航、滚转、升沉、横向平移和纵向平移等姿态和动作。而要实现上述姿态和动作，必 须先用支架系统将模型支撑在风洞之中，这个支架即通常所称的风洞模型支撑系统，它是 实现风洞中模型姿态控制的机构。在风洞实验中，常用的模型支撑方式包括腹撑、尾撑、背 撑和张线支撑等。在不同种类的风洞试验中，会根据具体情况采用不同的支撑方式，这些不 同的支撑方式具有各自的特点和优势。 随着并联机构的出现及相关理论的逐渐成熟，并联机构以其高刚度、高响应速度 和误差不累积等优点，很快应用到风洞模型支撑系统中。目前广泛采用的风洞模型支撑系 统有Stewart平台的并联机构风洞模型系统和Hexaglide (6-PSS)并联机构风洞模型支撑 系统。虽然这两类风洞模型支撑系统具有较高的动态响应特性，但是很难满足风洞模型试 验中对模型做高频率、大振幅运动的实验要求。因为在风洞试验中，模型是由一根杆件与动 平台固连，在试验过程中动平台不能进入风区，这就要求动平台和模型之间的杆件长度至 少大于风洞的半径。然而由于风洞半径的限制，当模型做大振幅、高频率运动时，会使风洞 模型支撑系统所需要的输入加速度相当大，这是一般的驱动单元无法实现的，而且结构复 杂，制造、装配成本较高。

发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。 为此，本发明的目的在于提出一种风洞模型支撑装置，该风洞模型支撑装置可扩 大模型的俯仰和滚转振幅、提高了风洞模型的俯仰和滚转姿态实现能力，降低了驱动单元 运动行程、运动速度和加速度，动态性能好，运动精度高，可以实现高频率大振幅运动，结构 简单、工作可靠。 为了达到上述目的，根据本发明的一个实施例的风洞模型支撑装置，包括动平 台，所述动平台具有三个平动自由度和至少一个转动自由度；夹持装置，所述夹持装置与所 述动平台相连接并用于固定支撑所述模型；以及第一和第二驱动单元，所述第一和第二驱 动单元设置在所述动平台上，用于驱动所述夹持装置以使所述夹持装置获得沿着纵向和横 向转动的自由度。其中，所述第一驱动单元包括第一驱动电机，以及第一绳索牵引机构，所 述第一驱动电机驱动所述第一绳索牵引机构，所述第一绳索牵引机构进而牵引所述夹持装 置，以实现夹持装置的纵向和横向转动的自由度中的一个；所述第二驱动单元包括第二 驱动电机，以及第二绳索牵引机构，所述第二驱动电机驱动所述第二绳索牵引机构，所述第
4二绳索牵引机构进而牵引所述夹持装置，以实现所述夹持装置的横向和纵向转动的自由度 中的另一个。 根据本发明的风洞模型支撑装置，可实现风洞试验中模型的六自由度运动，且通
过并联的第一绳索牵引机构和第二绳索牵引机构，可以扩大模型的俯仰和滚转振幅、提高
了风洞模型的俯仰和滚转姿态实现能力，降低了驱动单元运动行程、运动速度和加速度，动
态性能好，运动精度高，可以实现高频率大振幅运动，结构简单、工作可靠。
另外，根据本发明实施例的风洞模型支撑装置还具有如下附加技术特征 所述第一驱动单元和所述第二驱动单元相互垂直地布置。 所述第一绳索牵引机构包括第一巻绕轴，所述第一巻绕轴与所述第一驱动电机
相连接；和第一绳索件，所述第一绳索件巻绕在所述第一巻绕轴上，且两端分别与所述夹持
装置相连接，以在第一巻绕轴转动时牵引所述夹持装置沿着上下的方向运动。 在所述第一绳索牵引机构中，所述第一绳索件包括第一绳索和第二绳索，所述第
一和第二绳索的第一端分别反向巻绕在所述第一巻绕轴，所述第一和第二绳索的第二端分
别与所述夹持装置的相对的两个位置相连接。 在所述第一绳索牵弓|机构中，还包括用于固定支撑第一 电机的第一 电机支撑；以
及固定支撑第一巻绕轴的第一支架，所述第一电机支撑和第一支架固定于所述动平台上。 所述第二绳索牵引机构包括第二巻绕轴，所述第二巻绕轴与所述第二驱动电机
相连接；和第二绳索件，所述第二绳索件巻绕在所述第二巻绕轴上，且两端分别与所述夹持
装置相连接以在第二巻绕轴转动时牵引所述夹持装置沿着上下的方向运动。 所述第二绳索件由第三绳索和第四绳索构成，其中所述第三和第四绳索的第一端
分别反向巻绕在所述第二巻绕轴，所述第三和第四绳索的第二端分别与所述夹持装置上另
外的两个相对位置相连接。 在所述第一绳索牵弓|机构中，还包括用于固定支撑第二电机的第二电机支撑；以
及固定支撑第二巻绕轴的第二支架，所述第二电机支撑和第二支架固定于所述动平台上。 所述夹持装置为虎克铰，其包括上铰链架，所述上铰链架的顶端与所述动平台底
部通过动平台连接件进行连接，所述上铰链架成拱形且两端分别形成有在同一轴线上的第
一圆孔；下铰链架，所述下铰链架的底端通过模型连接件与所述模型进行连接，所述下铰链
架形成为半球壳形，且在边缘处形成在同一轴线上的两个凸缘，所述两个凸缘上分别形成
有第二圆孔，所述两个第二圆孔的轴线与所述第一圆孔的轴线相垂直；以及十字轴，所述十
字轴的四个轴端分别可转动地设在所述两个第一圆孔和两个第二圆孔中。 所述第一绳索件的两端分别穿过动平台后与所述下铰链架上的两个相对位置相
连接，所述第二绳索件的两端分别穿过所述动平台后与所述下铰链架上的另外两个相对位
置相连接，所述另外两个相对位置的连线与所述两个相对位置的连线垂直。 所述动平台具有3个平动自由度和三个转动自由度。 根据本发明的风洞模型支撑装置，采用第一和第二绳索牵引机构牵引虎克铰转动 的并联机构，显著提高了模型的俯仰和滚转姿态实现能力，同时降低了六自由度并联风洞 模型支撑各驱动单元的加速度、运动速度、运动行程，此外该机构还具有运动质量小，动态 性能好，运动精度高的优点。 作为一种新型的并联机构，绳索牵引并联机构具有工作空间大、可重组、结构简
5单、易拆装、高负载能力和负载/重量比、价格低廉和运动速度快等优点。将绳牵引并联机 构应用于风洞模型不仅仅可以实现模型较大的转角范围而且能够很好的解决模型支撑的 刚度与气动干扰之间的矛盾。 并且由于所有的运动副都是低副，且组成运动副的原件表面全是圆柱面或平面， 因而加工、安装和调整都比较方便，可以获得较高的精度；组成运动副的原件间的接触都是 面接触，它所承受的单位压力较小，故磨损较小，可靠性较高。 本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变 得明显，或通过本发明的实践了解到。


本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变 得明显和容易理解，其中 图1是根据本发明实施例的风洞模型支撑装置的结构示意图；以及 图2是图1中所示的风洞模型支撑装置的虎克铰的结构示意图。 主要附图标记说明 1并联机构2动平台 3绳索 31第三绳索32第一绳索 33第二绳索 34第四绳索 4十字轴5下铰链架 6模型连接件7模型 8电机支撑 81第一电机支撑82第二电机支撑 9动平台连接件 IO上铰链架 11电机 111第一驱动电机 112第二驱动电机 15支架 151第一支架(X方向) 152第一支架(X方向) 153第一支架(Y方向) 154第一支架(Y方向) 161第一巻绕轴 162第二巻绕轴 A转动副B转动副 C转动副D转动副
具体实施例方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终
相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附
图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。 在本发明的描述中，术语"纵向"、"横向"、"上"、"下"、"顶"、"底"及0-XYZ坐标系等
指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不
是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。例如，在本
发明中，所提及的横向可以指的是附图2中所示的Y轴方向，所述纵向可以指的是图2中所
指的X方向，反之亦可。而竖向指的是Z轴所指示的方向。需要说明的是，该说明仅出于示例的目的，以方便普通技术人员理解本发明的要旨，而不能认为是限制本发明的保护范围。
下面参考附图描述根据本发明实施例的风洞模型支撑装置。 如图1和图2所示，根据本发明实施例的风洞模型支撑装置包括动平台2、夹持装 置100、第一驱动单元200和第二驱动单元300。 其中，动平台2具有三个平动自由度和一个转动自由度。即沿Z轴的升降、沿Y轴 的横向平动、沿X轴的纵向平动和绕Z轴的偏航。当然，在本发明的另一个示例中，动平台2 也可以具有更多的自由度，比如在具有六个自由度时，为沿Z轴的升降、沿Y轴的横向平动、 沿X轴的纵向平动、绕Z轴的偏航、绕Y轴的滚转及绕X轴的俯仰。
所述夹持装置100与动平台2相连接并用于固定支撑模型7。
根据本发明的一个实施例，第一驱动单元200和第二驱动单元300相互垂直地设 置在动平台2上，即分别位于XOZ平面内和YOZ平面内并且分别布置在X轴的轴线方向上 以及Y轴的轴线方向上，用于驱动夹持装置100以使夹持装置100获得沿着X轴和Y轴转 动的自由度。例如，假设第一驱动单元200沿X轴布置，第一驱动单元200将控制夹持装置 100，进而使模型做滚转运动；此时，则第二驱动单元300沿Y轴布置，第二驱动单元300将 控制夹持装置IOO，进而使模型做俯仰运动。 根据本发明一个的实施例，所述夹持装置100为虎克铰。如图2所示，虎克铰100 包括上铰链架10、下铰链架5和十字轴4。其中，在上铰链架10的顶端与动平台2底部通 过动平台连接件9进行固定连接。而下铰链架5的底端通过模型连接件6与模型7进行连 接。 具体地，上铰链架10成拱形，其两端分别形成有第一圆孔IOI，两个第一圆孔101 在同一轴线上，且该轴线沿X轴方向。下铰链架5形成为半球壳形，且在边缘处形成在同一 轴线上的两个凸缘lll，两个凸缘111上分别形成有第二圆孔102，两个第二圆孔102的轴 线与第一圆孔101的轴线相垂直，即沿Y轴方向。十字轴4的四个轴端分别可转动地设在 两个第一圆孔101和两个第二圆孔102中，从而形成了两组轴线相互垂直的转动副A、B及 C、D。其中，A、B转动副的轴线沿X轴方向，而C、D转动副的轴线沿Y轴方向，并且相交于十 字轴4的中心点0。由此，上铰链架10和下铰链架5可以分别绕十字轴4做独立转动。
如图1所示，第一驱动单元200进一步包括第一驱动电机111，以及第一绳索牵 引机构，第一驱动电机111驱动所述第一绳索牵引机构，所述第一绳索牵引机构进而驱动 夹持装置100，以实现夹持装置100的纵向转动的自由度，即使模型7围绕Y轴进行滚转运 动。 其中，所述第一绳索牵引机构包括第一巻绕轴161以及第一绳索件。第一巻绕轴 161与第一驱动电机111相连接，所述第一绳索件巻绕在第一巻绕轴161上，且两端与夹持 装置IOO相连接，以在第一巻绕轴转动时，例如在第一巻绕轴161做正向或反向转动时上下 运动，经由夹持装置100牵引模型7实现滚转运动。 根据本发明的一个实施例，所述第一绳索件包括第一绳索32和第二绳索33，第一 绳索32和第二绳索33分别通过其各自的第一端相对反向地巻绕在第一巻绕轴161上，第 一绳索32的第二端和第二绳索33的第二端分别与夹持装置100的相对的两个位置E、F相 连接。例如，第一绳索32的第一端右旋(伸出右手，四指握紧，拇指竖直，若绳的绳股按四 指弯曲的方向旋转向拇指的方向，此绳即为右旋)，第二绳索33的第一端左旋(伸出左手，四指握紧，拇指竖直，若绳的绳股按四指弯曲的方向旋转向拇指的方向，此绳即为左旋)。
所述第一绳索牵引机构还包括用于固定支撑第一驱动电机111的第一电机支撑
81 ;以及固定支撑第一巻绕轴161的两个第一支架151、152，所述第一电机支撑81和第一 支架151、152均固定于动平台2上。 由此，通过第一驱动电机lll驱动第一巻绕轴161正转或反转，即可使第一绳索32 和第二绳索33中的一个被巻起，另一个被释放开，从而带动夹持装置100，实现模型14绕Y 轴的滚转运动。 请再次参见图1，第二驱动单元300进一步包括第二驱动电机112，以及第二绳索 牵引机构，第二驱动电机112驱动所述第二绳索牵引机构，所述第二绳索牵引机构进而驱 动夹持装置100，以实现夹持装置100的横向转动的自由度，即使模型7围绕X轴进行俯仰 运动。 其中，所述第二绳索牵引机构包括第二巻绕轴162以及第二绳索件。第二巻绕轴 162与第二驱动电机112相连接，所述第二绳索件巻绕在第二巻绕轴162上，且两端分别与 所述夹持装置IOO相连接，以在第二巻绕轴162转动时，例如在第二巻绕轴162做正向或反 向转动时上下运动，牵引所述夹持装置IOO，进而牵引模型7实现俯仰运动。
根据本发明的一个实施例，所述第二绳索件包括第三绳索31和第四绳索34，第三 绳索31和第四绳索34分别通过其各自的第一端相对反向地巻绕在第二巻绕轴162上，第 三绳索32的第二端和第四绳索34的第二端分别与夹持装置100的相对的两个位置H、G相 连接。例如，第一绳索32的第一端右旋(伸出右手，四指握紧，拇指竖直，若绳的绳股按四 指弯曲的方向旋转向拇指的方向，此绳即为右旋)，第二绳索33的第一端左旋(伸出左手， 四指握紧，拇指竖直，若绳的绳股按四指弯曲的方向旋转向拇指的方向，此绳即为左旋)。
所述第二绳索牵引机构还包括用于固定支撑第二驱动电机112的第一电机支撑
82 ;以及固定支撑第二巻绕轴162的两个第一支架153、154，所述第二电机支撑82和第一 支架153、154均固定于动平台2上。 由此，通过第二驱动电机112驱动第二巻绕轴162正转或反转，即可使第三绳索31 和第四绳索34中的一个被巻起，另一个被释放开，从而带动夹持装置IOO，实现模型14绕X 轴的俯仰运动。 另外，所述第一至第四绳索的第二端与夹持装置100上两两相对的位置E、 F、 H、 G 位于下铰链架5的边缘。其中，位置E、F位于XOZ平面内，位置H、G位于YOZ平面内。可选 地，上述四个点分别两两位于十字轴4的两条轴线上。 下面参考图1-2简要描述根据本发明实施例的风洞模型支撑装置的工作过程。
首先描述根据本发明的风洞模型支撑装置用来实现模型的滚转运动的过程。第一 驱动电机111驱动第一巻绕轴161正向转动，第一巻绕轴161转动导致第一绳索32和第二 绳索33中的一个被巻起，另一个被释放开，反之亦然，从而带动夹持装置IOO，即使虎克铰 100的C-D转动副转动，实现模型14绕Y轴的滚转运动。 然后描述根据本发明的风洞模型支撑装置用来实现模型的俯仰运动的过程。第二 驱动电机112驱动第二巻绕轴162正向转动，第二巻绕轴162转动导致第三绳索31和第四 绳索34中的一个被巻起，另一个被释放开，反之亦然，从而带动夹持装置IOO，即使虎克铰 100的A-B转动副转动，实现模型14绕X轴的滚转运动。
根据本发明的风洞模型支撑装置，采用第一和第二绳索牵引机构牵引虎克铰转动 的并联机构，能够实现风洞试验中模型的六自由度，可以有效地扩大模型14的俯仰和滚转 振幅，显著提高了模型的俯仰和滚转姿态实现能力，同时降低了六自由度并联风洞模型支 撑各驱动单元的加速度、运动速度、运动行程，此外该机构还具有运动质量小，动态性能好， 运动精度高的优点，结构简单、可靠性强。 作为一种新型的并联机构，绳索牵引并联机构具有工作空间大、可重组、结构简 单、易拆装、高负载能力和负载/重量比、价格低廉和运动速度快等优点。将绳牵引并联机 构应用于风洞模型不仅仅可以实现模型较大的转角范围而且能够很好的解决模型支撑的 刚度与气动干扰之间的矛盾。 并且由于所有的运动副都是低副，且组成运动副的原件表面全是圆柱面或平面， 因而加工、安装和调整都比较方便，可以获得较高的精度；组成运动副的原件间的接触都是 面接触，它所承受的单位压力较小，故磨损较小，可靠性较高。 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解在不 脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本 发明的范围由权利要求及其等同物限定。
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权利要求
一种风洞模型支撑装置，包括动平台，所述动平台具有三个平动自由度和至少一个转动自由度；夹持装置，所述夹持装置与所述动平台相连接并用于固定支撑所述模型；以及第一和第二驱动单元，所述第一和第二驱动单元设置在所述动平台上，用于驱动所述夹持装置以使所述夹持装置获得沿着纵向和横向转动的自由度，其中，所述第一驱动单元包括第一驱动电机，以及第一绳索牵引机构，所述第一驱动电机驱动所述第一绳索牵引机构，所述第一绳索牵引机构进而牵引所述夹持装置，以实现夹持装置的纵向和横向转动的自由度中的一个；所述第二驱动单元包括第二驱动电机，以及第二绳索牵引机构，所述第二驱动电机驱动所述第二绳索牵引机构，所述第二绳索牵引机构进而牵引所述夹持装置，以实现所述夹持装置的横向和纵向转动的自由度中的另一个。
2. 根据权利要求1所述的风洞模型支撑装置，其中所述第一驱动单元和所述第二驱动单元相互垂直地布置。
3. 根据权利要求1所述的风洞模型支撑装置，其中所述第一绳索牵引机构包括第一巻绕轴，所述第一巻绕轴与所述第一驱动电机相连接；禾口第一绳索件，所述第一绳索件巻绕在所述第一巻绕轴上，且两端分别与所述夹持装置相连接，以在第一巻绕轴转动时牵引所述夹持装置沿着上下的方向运动。
4. 根据权利要求3所述的风洞模型支撑装置，其中所述第一绳索件包括第一绳索和第二绳索，所述第一和第二绳索的第一端分别反向巻绕在所述第一巻绕轴，所述第一和第二绳索的第二端分别与所述夹持装置上相对的两个位置相连接。
5. 根据权利要求3-4所述的风洞模型支撑装置，其中还包括用于固定支撑第一电机的第一电机支撑；以及固定支撑第一巻绕轴的第一支架，所述第一电机支撑和第一支架固定于所述动平台上。
6. 根据权利要求4所述的风洞模型支撑装置，其中所述第二绳索牵引机构包括第二巻绕轴，所述第二巻绕轴与所述第二驱动电机相连接；禾口第二绳索件，所述第二绳索件巻绕在所述第二巻绕轴上，且两端分别与所述夹持装置相连接以在第二巻绕轴转动时牵引所述夹持装置沿着上下的方向运动。
7. 根据权利要求6所述的风洞模型支撑装置，其中所述第二绳索件由第三绳索和第四绳索构成，其中所述第三和第四绳索的第一端分别反向巻绕在所述第二巻绕轴，所述第三和第四绳索的第二端分别与所述夹持装置上另外的两个相对位置相连接。
8. 根据权利要求6或7所述的风洞模型支撑装置，还包括用于固定支撑第二电机的第二电机支撑；以及固定支撑第二巻绕轴的第二支架，所述第二电机支撑和第二支架固定于所述动平台上。
9. 根据权利要求3或6所述的风洞模型支撑装置，其中所述夹持装置为虎克铰，其包括上铰链架，所述上铰链架的顶端与所述动平台底部通过动平台连接件进行连接，所述上铰链架成拱形且两端分别形成有在同一轴线上的第一圆孔；下铰链架，所述下铰链架的底端通过模型连接件与所述模型进行连接，所述下铰链架形成为半球壳形，且在边缘处形成在同一轴线上的两个凸缘，所述两个凸缘上分别形成有第二圆孔，所述两个第二圆孔的轴线与所述第一圆孔的轴线相垂直；以及十字轴，所述十字轴的四个轴端分别可转动地设在所述两个第一圆孔和两个第二圆孔中。
10. 根据权利要求9所述的风洞模型支撑装置，其中所述第一绳索件的两端分别穿过 动平台后与所述下铰链架上的两个相对位置相连接，所述第二绳索件的两端分别穿过所述 动平台后与所述下铰链架上的另外两个相对位置相连接，所述另外两个相对位置的连线与 所述两个相对位置的连线垂直。
11. 根据权利要求1所述的风洞模型支撑装置，其中所述动平台具有3个平动自由度和 三个转动自由度。
全文摘要
本发明公开了一种风洞模型支撑装置，包括动平台，所述动平台具有三个平动自由度和至少一个转动自由度；夹持装置，所述夹持装置与所述动平台相连接并用于固定支撑所述模型；以及第一和第二驱动单元，所述第一和第二驱动单元设置在所述动平台上，用于驱动所述夹持装置以使所述夹持装置获得沿着纵向和横向转动的自由度。第一驱动单元包括第一驱动电机及第一绳索牵引机构，第二驱动单元包括第二驱动电机及第二绳索牵引机构。该支撑装置可实现风洞试验中模型的六自由度，且通过并联的第一、第二驱动单元可有效扩大模型支撑所能实现的模型的俯仰和滚转振幅，降低驱动单元的加速度、运动速度和运动行程，结构简单可靠。
文档编号G01M9/04GK101793592SQ20101010246
公开日2010年8月4日 申请日期2010年1月22日 优先权日2010年1月22日
发明者关立文, 张 浩, 汪劲松, 王立平 申请人:清华大学