一种用于高超声速风洞多体分离试验的空间六自由度机构的制作方法

本发明属于高超声速风洞试验技术领域，具体涉及一种用于高超声速风洞多体分离试验的空间六自由度机构。

背景技术：

高超声速风洞多体分离试验，是在高超声速风洞开展各类高超声速飞行器主体与分离体之间的安全分离特性和气动特性模拟试验研究。开展风洞多体分离试验，需要一套安装于风洞内部、由计算机控制的分离体模型机构，用以支撑分离体试验模型，并提供六自由度（轴向X、法向Y、侧向Z、俯仰α、偏航β和滚转γ）运动功能。为了满足多体分离试验要求，分离体模型机构需要具有较大的运动范围，较高的承载能力和运动精度，能以最快的速度达到指定位置，同时应尽可能达到风洞试验段截面的任何地方。

目前，国内外风洞多体分离试验的六自由度机构主要有两种类型：一种是六个自由度的运动保持相互独立，由三个直线导轨约束加三个回转约束的形式来实现六个自由度运动，回转约束靠装置前部安装的三自由度装置头来完成。美国ΑEDC、以色列IΑI的4英尺风洞和CΑRDC的1.2米风洞都是采用这种机构，但这类三自由度装置头尺寸较大，且位于风洞试验段截面内，增大了风洞的堵塞度。第二种六自由度机构是由两个以上部件回转约束的组合变化来提供六个自由度的运动。法国NERΑ的6英尺高速风洞和英国ΑRΑ的9英尺×8英尺高速风洞都采用了第二类机构。这类机构堵塞度相对较小，可位于风洞试验段内，但第二类机构六个自由度不是完全独立的，较难实现高刚度和较高的运动精度。

高超声速风洞流场建立时将产生很大的冲击载荷，通过试验模型传递到分离体模型机构，对分离体模型机构的承载能力和运动精度产生较大的影响；高超声速风洞不同于一般的低速风洞和跨超风洞，试验段截面尺寸有限，分离体模型机构的堵塞度受到严格限制；为了保护风洞设备和试验模型，应尽可能避免分离体模型与飞行器主体模型、喷管及扩压器间的碰撞。因此，对高超声速风洞多体分离试验的分离体模型机构设计提出了更高的要求。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种用于高超声速风洞多体分离试验的空间六自由度机构。

本发明的用于高超声速风洞多体分离试验的空间六自由度机构，其特点是：包括Z向机构、X向机构、β 机构、Y向机构、α 机构和γ 机构的六个自由度运动机构；Z向机构、X向机构和β 机构的基座为水平方向，采用叠放的方式，从下到上依次叠加；Y向机构和α 机构的基座为竖直方向，从外到内嵌套连接；γ 机构通过弯刀与α 机构固定连接；

Z向机构为第一级运动机构，实现Z向运动，Z向基座固定于风洞试验段的内安装支架上；

X向机构为第二级运动机构，实现X向运动，X向基座放置在Z向基座上面，通过Z向螺母和Z向滑块与固定连接；

β 机构为第三级运动机构，实现β 角度运动，β 基座放置在X向基座上面，通过β 基座连接板与X向滑块和X向螺母固定连接；

Y向机构为第四级运动机构，实现Y向运动，Y向基座为n型，垂直穿过β 运动平台，与β运动平台固定连接；

α 机构为第五级运动机构，实现α 角度运动，α 基座内嵌在Y向基座中，通过Y向螺母和Y向滑块与Y向机构固定连接，α 基座上有α 弧形滑块，α 弧形滑块与弯刀固定连接；

γ 机构为第六级运动机构，实现γ 角度运动，γ机构通过弯刀与α 机构固定连接；

Z向机构、X向机构、β 机构、Y向机构、α 机构处在高超声速风洞的流场之外，γ 机构暴露在流场内。

所述的Z向机构的Z向基座为内空的矩形箱体，将两根Z向直线导轨分别布置在矩形箱体外侧，两根Z向丝杠分别布置在矩形箱体内侧；每根Z向直线导轨分别布置两个滑块，每根Z向丝杠上布置一个Z向电机和Z向螺母。

所述的X向机构的X向基座为内空的矩形箱体，两根X向直线导轨布置在X向基座的内侧，两根X向丝杠平行布置在直线导轨旁边；每根X向直线导轨上分别布置四个直线滑块，每根X向丝杠上布置一个X向电机和X向螺母。

所述的Y向机构的Y向基座为中空的n形对称箱体，n形箱体两侧的中间区域分别布置一套Y向电机、Y向丝杠和Y向螺母，每根丝杠两侧各布置一根Y向直线导轨和两个Y向滑块。

所述的β 机构的β 基座为一个内空的U形箱体，β 丝杠和β 螺母布置在U形箱体封闭的一侧，β 丝杠旁边布置β 直线导轨和两个滑块，且β 螺母和β 滑块固定连接；U形箱体开口一侧和直线导轨旁分别布置β 弧形滑块，而β 弧形滑块上布置3段β 弧形导轨；β 连杆一端与滑块通过旋转副连接，另一端通过旋转副与β 运动平台连接，同时β 运动平台与β基座之间通过三段β 弧形导轨连接。

所述的α 机构的α 基座为一个底部开口的内空矩形箱体，箱体内部两侧分别布置一根α 直线导轨和两个α 直线滑块，α 直线导轨之间布置α 电机、α 丝杠和α 螺母，α 螺母与两侧的α 直线滑块固定连接；两侧的α 直线导轨下方分别布置一根α 弧形导轨和两个α弧形滑块，α 弧形滑块与α 弯刀固定连接；α 连杆一侧通过旋转副与α 螺母连接，另一侧通过旋转副与α 弧形滑块连接。

所述的γ 机构主要包括弯刀、γ 套筒、γ 电机、γ 减速机、γ 主轴和尾支杆；弯刀与γ 套筒固定连接，γ 套筒与γ 主轴通过轴承组件连接；γ 主轴一端与尾支杆固定连接，另一端通过γ 减速机与γ 电机连接；γ 电机通过γ 减速机和γ 主轴驱动尾支杆实现γ 方向的滚转运动。

本发明的用于高超声速风洞多体分离试验的空间六自由度机构，包括Z、X、Y三个直线运动机构和β 、α 、γ 三个角位移运动机构，各个自由度分层实现、逐级连接，保证六个自由度机构既可独立运动，又可联动；结构上，六个自由度机构的基座为箱体形状，通过采用箱体叠放方式实现内嵌集成，能在有限空间内实现较高的刚度和较大的运动范围。所述的空间六自由度机构的第一级运动机构为Z向机构，Z向基座固定于风洞试验段内支架上；第六级运动机构为γ 机构，实现滚转运动，滚转自由度的γ 机构通过尾支杆与分离体试验模型连接；并且只有γ 机构暴露在流场内，风洞堵塞度较小。

所述的Z向机构采用电机丝杠驱动、直线导轨导向的传动方式，主要包括Z向基座、Z向电机、Z向丝杠、Z向螺母、Z向直线导轨和Z向滑块。Z向基座为一个内空的矩形箱体，两根Z向直线导轨分别布置在矩形箱体外侧，两根Z向丝杠分别布置在矩形箱体内侧。每根Z向直线导轨分别布置两个Z向滑块，每根Z向丝杠上分别布置一个Z向电机和Z向螺母。Z向螺母和Z向滑块与X向基座固定连接，两侧Z向电机同步驱动两侧的Z向丝杠转动时，驱动两侧的Z向螺母在Z向丝杠上同步运动，带动X向基座实现Z方向的运动。

所述的X向机构采用电机丝杠驱动、直线导轨导向的传动方式，主要包括X向基座、X向电机、X向丝杠、X向螺母、X向滑块和X向直线导轨。X向基座为一个内空的矩形箱体，两根X向直线导轨布置在X向基座的内侧，两根X向丝杠平行布置在X向直线导轨的旁边。每根X向直线导轨上分别布置四个X向滑块，每根X向丝杠上布置一个X向电机和X向螺母。X向滑块和X向螺母与β 基座连接板固定连接。两侧的X向电机同步驱动两侧的X向丝杠转动时，驱动两侧的X向螺母在X向丝杠上同步运动，带动β 基座实现沿X方向的运动。

所述的β 机构通过一种直线变圆弧机构实现，主要包括β 基座、β 电机、β 丝杠、β螺母、β 直线导轨、β 滑块、β 弧形导轨、β 弧形滑块、β 连杆和β 运动平台。β 基座为一个内空的U形箱体，U形箱体封闭的一侧布置β 丝杠和β 螺母，β 丝杠旁边布置β 直线导轨和两个β 滑块，并且β 螺母和β 滑块固定连接。U形箱体开口一侧和β 直线导轨旁边分别布置两个β 弧形滑块，β 弧形滑块上布置3段β 弧形导轨。β 连杆一端与β 滑块通过旋转副连接，另一端通过旋转副与β 运动平台连接，同时β 运动平台与β 基座之间通过三段β 弧形导轨连接。β 电机驱动β 丝杠转动时，β 螺母带动β 连杆一端沿β 直线导轨运动，β 连杆另一端带动β 运动平台实现偏航运动。

所述的Y向机构采用电机丝杠驱动、直线导轨导向的传动方式，主要包括Y向基座、Y向电机、Y向丝杠、Y向螺母、Y向直线导轨和Y向滑块。Y向基座为一个中空的n形对称箱体，n形箱体两侧的中间区域各布置一套Y向电机、Y向丝杠和Y向螺母，每个Y向丝杠两侧各布置一根Y向直线导轨和两个Y向滑块。Y向螺母和Y向滑块同α 基座固定连接。两侧的Y向电机同步驱动Y向丝杠转动时，两个Y向螺母同步带动α 基座实现Y方向的运动。

所述的α 机构5采用一种直线变圆弧机构实现，主要包括α 基座、α 电机、α 丝杠、α 螺母、α 直线导轨、α 直线滑块、α 连杆、α 弧形导轨、α 弧形滑块和弯刀。α 基座为一个底部开口的内空矩形箱体，箱体内部两侧各布置一根α 直线导轨和两个α 直线滑块，α 直线导轨之间布置α 电机、α 丝杠和α 螺母，α 螺母与两侧的α 直线滑块固定连接。两侧的直线导轨下方各布置一根α 弧形导轨和两个α 弧形滑块，α 弧形滑块与弯刀固定连接。α 连杆一侧通过旋转副与α 螺母连接，另一侧通过旋转副与α 弧形滑块连接。α 电机驱动α 丝杠转动时，α 螺母驱动α 直线滑块和α 连杆一端沿α 直线导轨运动，α 连杆另一端带动α弧形滑块和弯刀实现俯仰运动。

所述的γ 机构采用电机+减速机+主轴的传动方式，主要包括弯刀、γ 套筒、γ电机罩、γ 电机、γ 减速机、γ 主轴和尾支杆。弯刀与γ 套筒固定连接，γ 套筒与γ 主轴通过轴承组件连接。γ 主轴一端与尾支杆固定连接，另一端通过γ 减速机与γ 电机连接。γ 电机罩与γ 套筒固定连接，对γ 电机起保护作用，同时对风洞流场进行整流。γ电机通过γ 减速机驱动γ 主轴和尾支杆实现滚转运动。

本发明的用于高超声速风洞多体分离试验的空间六自由度机构具有以下优点：

1.各个自由度分层实现、逐级连接，保证六个自由度机构之间既可独立运动，又可联动；结构上通过采用箱体叠放方式实现内嵌集成，能在有限空间内实现较高的刚度和较大的运动范围；六个自由度能够相互独立控制、单独驱动，可避免各自由度相互耦合产生的多解和误差，提高机构运行的响应速度和运行精度。

2.Z 向机构、X向机构和Y向机构均采用两组驱动组件对称布置，有效减小了驱动电机的功率和体积，合理利用空间，同时能够增加机构的整体稳定性。

3.β 机构和α 机构采用一种直线变圆弧机构实现，避免了传统的三自由度旋转副的叠加，缩短了机构悬臂的长度，增加了空间六自由度机构的刚度和承载能力。

4.只有结构简单紧凑的γ 机构置于风洞流场，有效地降低了风洞的阻塞度。

总之，用于高超声速风洞多体分离试验的空间六自由度机构的各个自由度之间逐级连接、层叠内嵌，能够实现空间复用，增大了各个自由度的运动范围；同时保证了空间六自由度机构的刚度和承载能力，提高了机构运行的响应速度和运行精度；减小了风洞阻塞度，能满足高超声速风洞多体分离试验要求，可广泛应用到机床、飞行模拟器、空间对接设备等工业、军事、国防重点领域中。

附图说明

图1是本发明的用于高超声速风洞多体分离试验的空间六自由度机构示意图；

图2是本发明的Z向机构示意图；

图3是本发明的X向机构示意图；

图4是本发明的β 机构示意图；

图5是本发明的Y向机构半剖示意图；

图6是本发明的α 机构示意图；

图7是本发明的γ 机构示意图；

图中：1.Z向机构 2.X向机构 3.β 机构 4.Y向机构 5.α 机构 6.γ 机构 7.Z向基座 8.Z向电机 9.Z向丝杠 10.Z向螺母 11.Z向直线导轨 12.Z向滑块 13.X向基座 14.X向电机 15.X向丝杠 16.X向螺母 17.X向滑块 18.X向直线导轨 19.β 基座连接板 20.β 基座 21.β 电机 22.β 丝杠 23.β 螺母 24.β 直线导轨 25.β 滑块 26.β 弧形导轨 27.β 弧形滑块 28.β 连杆 29.β 运动平台 30.Y向基座 31.Y向电机 32.Y向丝杠 33.Y向螺母 34.Y向直线导轨 35.Y向滑块 36.α 基座 37.α电机 38.α 丝杠 39.α 螺母 40.α 直线导轨 41.α 直线滑块 42.α 连杆 43.α 弧形导轨 44.α 弧形滑块 45.弯刀 46.γ 套筒 47.γ 电机罩 48.γ 电机 49.γ减速机 50.γ 主轴 51.尾支杆 Α.直线滑块 Β.弧形滑块 ΑΑ′.直线导轨 ΑΒ.驱动连杆 ΒΒ′.弧形导轨。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，空间六自由度机构包括Z向机构1、X向机构2、β 机构3、Y向机构4、α 机构5和γ 机构6，六个自由度之间分层实现、逐级连接，结构上通过采用箱体叠放方式实现内嵌集成，保证六个自由度机构之间既可相互独立运动，又可联动，并且能在有限空间内实现较高的刚度和较大的运动范围。空间六自由度机构的第一级为Z向机构1，Z向基座7固定于风洞试验段内安装支架上；第六级实现滚转运动，滚转自由度的γ 机构6通过尾支杆50与分离体试验模型连接；只有γ 机构6暴露在流场内，风洞堵塞度较小；其连接顺序依次为Z向机构1、X向机构2、β 机构3、Y向机构4、α 机构5和γ 机构6。

Z向机构1采用电机丝杠驱动、直线导轨导向的传动方式，如图2所示，主要包括Z向基座7、Z向电机8、Z向丝杠9、Z向螺母10、Z向直线导轨11和Z向滑块12。Z向基座7为一个内空的矩形箱体，将两根Z向直线导轨11分别布置在Z向基座7外侧，两根Z向丝杠9分别平行布置在Z向基座7内侧。每根Z向直线导轨11布置两个Z向滑块12，每根Z向丝杠9布置一个Z向电机8和Z向螺母10。Z向螺母10和Z向滑块12与X向基座13固定连接，两侧的Z向电机8同步驱动两侧的Z向丝杠9转动时，驱动两侧的Z向螺母10同步运动，带动X向基座13实现沿Z方向的运动。采用两组驱动组件对称布置，有效减小了单个驱动电机的功率和体积，合理利用空间，同时增加机构整体的稳定性。

X向机构2采用电机丝杠驱动、直线导轨导向的传动方式，如图3所示，主要包括X向基座13、X向电机14、X向丝杠15、X向螺母16、X向滑块17和X向直线导轨18。X向基座13为一个内空的矩形箱体，两根X向直线导轨18分别布置在X向基座13的内侧，两根X向丝杠15平行布置在X向直线导轨18旁边。每根X向直线导轨18布置四个X向直线滑块17，每根X向丝杠15布置一个X向电机14和X向螺母16。X向滑块17和X向螺母16与β 基座20固定连接。两侧的X向电机14同步驱动X向丝杠15转动时，驱动两侧的X向螺母16同步运动，带动β 基座连接板19实现沿X方向的运动。同样采用两组驱动组件对称布置，便于β 机构3实现内嵌。

β 机构3采用一种直线变圆弧机构实现，如图4所示，主要包括β 基座20、β 电机21、β 丝杠22、β 螺母23、β 直线导轨24、β 滑块25、β 弧形导轨26、β 弧形滑块27、β 连杆28和β 运动平台29。β 基座20为一个内空的U形箱体，便于Y向机构4实现内嵌。在U形箱体封闭的一侧布置β 丝杠22和β 螺母23，β 丝杠22旁边布置β 直线导轨24和两个β 滑块25，并且β螺母23和β 滑块25固定连接。β 电机21驱动β 丝杠22转动时，带动β 螺母23与β 滑块25沿β直线导轨24运动。β 基座20开口一侧和β 直线导轨24旁分别布置两个β 弧形滑块27，β 弧形滑块27布置三段β 弧形导轨26。β 连杆28一端与β 滑块25通过旋转副连接，另一端通过旋转副与β 运动平台29连接，同时β 运动平台29与β 基座20之间通过三段β 弧形导轨26连接。β 电机21驱动β 丝杠22转动时，β 螺母23带动β 连杆28一端沿β 直线导轨24运动，β 连杆28另一端带动β 运动平台29实现β 方向的偏航。采用直线变圆弧机构，缩短了机构悬臂长度，增加了机构整体的刚度和承载能力。

Y向机构4采用电机丝杠驱动和直线导轨导向的传动方式，如图5所示，主要包括Y向基座30、Y向电机31、Y向丝杠32、Y向螺母33、Y向直线导轨34和Y向滑块35。Y向基座30为一个中空的n形对称箱体，n形箱体两侧的中间区域分别布置一套Y向电机31、Y向丝杠32和Y向螺母33组件，Y向丝杠32两侧各布置一根Y向直线导轨34和两个Y向滑块35。Y向螺母33和Y向滑块35同α 基座36固定连接。两侧的Y向电机31同步驱动Y向丝杠32转动时，两侧的Y向螺母33同步带动α 基座36实现沿Y方向的运动。同样采用两组驱动组件对称布置方法。

α 机构5采用一种直线变圆弧机构实现，如图6所示，主要包括α 基座36、α 电机37、α 丝杠38、α 螺母39、α 直线导轨40、α 直线滑块41、α 连杆42、α 弧形导轨43、α 弧形滑块44和弯刀45。α 基座36为一个底部开口的内空矩形箱体，在箱体内部两侧分别布置一根α直线导轨40和两个α 直线滑块41，α 直线导轨40之间布置α 电机37、α 丝杠38和α 螺母39，α 螺母39与两侧的α 直线滑块41固定连接。α 直线导轨40的下方各布置一根α 弧形导轨43和两个α 弧形滑块44，α 弧形滑块44与弯刀45固定连接。α 连杆42一侧通过旋转副与α 螺母39连接，另一侧通过旋转副与α 弧形滑块44连接。α 电机37驱动α 丝杠38转动时，α 螺母39驱动α 直线滑块41和α 连杆42的一端沿α 直线导轨40运动，α 连杆42的另一端带动α 弧形滑块44和弯刀45实现α 方向的俯仰。同样采用直线变圆弧机构，并且采用两组直线导轨、圆弧导轨对称布置，使α 基座36受力均衡，增加了其刚度和承载能力。

γ 机构6采用电机+减速机+滚转主轴的传动方式，如图7所示，主要包括弯刀45、γ 套筒46、γ 电机罩47、γ 电机48、γ 减速机49、γ 主轴50和尾支杆51。弯刀45与γ 套筒46固定连接，γ 套筒46与γ 主轴50通过轴承组件连接。γ 主轴50一端与尾支杆51固定连接，另一端通过γ 减速机49与γ 电机48连接。γ 电机罩47与γ 套筒46固定连接，对γ电机48起保护作用，同时对风洞流场进行整流。γ 电机48通过γ 减速机49驱动γ 主轴50和尾支杆51实现γ 方向的滚转运动。采用这种传动方式，传动结构简单紧凑，增加了机构刚度，减小了风洞阻塞度。