一种多自由度的亚跨超声速风洞大攻角机构的制作方法

本发明涉及亚跨超风洞的试验装置领域，主要是一种多自由度的风洞大攻角机构。

背景技术：

超机动性、超敏捷性是第四代飞行器的重要战术性能指标，良好的大攻角气动性能是第四代飞行器获得超机动性、超敏捷性的基本条件，而风洞试验是研究飞行器大攻角气动性能的重要手段，风洞大攻角试验技术是一项关键的风洞特种试验技术。另外，现代风洞朝着具有更强的试验能力、更高的生产效率及更低的运行费用方向发展，往往要求在一次吹风过程中尽可能多地模拟模型试验状态，如模型的俯仰、偏航、滚转、横向平移、纵向平移等姿态和动作，这些动作必须依靠等各种类型的机构配合控制方案实现。

风洞试验要求模型支撑机构的姿态位置准确并且具有足够的刚度和强度、小的阻塞比和较低的流场干扰性能，由于尾支撑结构简单、通用性好、流场干扰小，因而在各个风洞中应用最为广泛。尾支撑的一般结构是将内式应变天平安装在模型腔内，通过支杆与风洞的支架系统连接。采用尾支撑的风洞支架系统常见的有弯刀支架、多连杆支架、侧窗支架、关节式支架等形式，各种支架适用于不同的试验场合，具有不同的特点及优势，这几种支架的基本设计思路是以实现模型攻角为主要目标，在此基础上叠加攻角预置功能、侧滑角功能、滚转角功能，来实现风洞试验所需要的各种模型姿态。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种多自由度的亚跨超声速风洞大攻角机构。

本发明的技术解决方案是：一种多自由度的亚跨超声速风洞大攻角机构，包括前臂组件、后臂组件、框架、位置传感器；框架为整个机构的安装基础；所述的前臂组件和后臂组件组成结构相同，均包括伺服电机、齿轮副、滚珠丝杠、滚动导轨及相应的臂；滚动导轨的滑块固连在框架上，前臂、后臂分别与其对应组件中的滚动导轨固连，伺服电机、齿轮副、滚珠丝杠和滚动导轨形成的直线运动机构带动前后臂上下运动，前臂的下端通过铰链轴与模型支杆座连接，后臂的下端与小臂一端铰接，小臂的另一端与模型支杆座铰接；试验时，根据待试验攻角，控制两台伺服电机分别转动带动前臂和后臂上下运动，当前臂和后臂的上下运动速度一致时，实现模型支杆的平动，两台位置传感器分别用于敏感前臂、后臂的位移，将敏感的位移输出至外部，外部根据位移结合待试验攻角实现对伺服电机的闭环控制。

还包括安装在框架上的限位开关，通过上下两个不同位置的限位开关，防止前臂、后臂撞击风洞上壁板和下壁板。

前臂位于迎风面，后臂组件中的滚动导轨长度大于前臂组件中的滚动导轨长度。

还包括连接导轨，连接导轨的轨道与前臂连接，连接导轨的滑块与后臂连接。

所述的位置传感器采用电位计。

所述的限位开关采用非接触式的霍尔式电磁开关元件。

还包括安装在模型支杆座上的滚转臂组件，滚转臂组件带动模型支杆进行转动，利用机构的攻角、滚转角的位置耦合，得到安装在模型支杆前端模型的攻角、侧滑角姿态。

所述的滚转臂组件包括滚转接头、齿轮副Ⅰ、伺服电机Ⅰ、滚针轴承、引线保护管、模型支杆座、转轴；伺服电机Ⅰ的转动通过齿轮副Ⅰ传递至滚转接头使其转动；滚转接头尾部插在模型支杆座内部空腔内，通过滚针轴承约束，前端与模型支杆连接。

伺服电机Ⅰ安装在滚转接头的下方。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明一种多自由度的亚跨超风洞大攻角机构，集成了大攻角、模型上下移动、变攻角--上下移动的组合运动、自动变滚转角、耦合实现攻角--侧滑角姿态等功能，适用于亚跨超风洞试验模型的多种姿态控制，具有功能多样、攻角范围大、模型运动范围大、控制方案灵活的优点。

(2)本发明一种多自由度的亚跨超风洞大攻角机构，采用多连杆为基础的结构实现攻角和上下移动，具有结构简单、拆装方便、可实现攻角范围大的优点。

(3)本发明一种多自由度的亚跨超风洞大攻角机构，前臂与后臂之间通过滚动导轨连接，使后臂和小臂的刚性进一步加强，具有刚度大、结构稳固的优点。

(4)本发明一种多自由度的亚跨超风洞大攻角机构，前臂与后臂都采用了电位计作为位置反馈，实现了前臂和后臂的位置闭环控制，具有位置和攻角精度高、位置和攻角控制可靠的优点。

(5)本发明一种多自由度的亚跨超风洞大攻角机构，前臂与后臂采用了非接触式的限位开关，避免了误操作造成的机械损坏，具有耐用性好的优点。

(6)本发明一种多自由度的亚跨超风洞大攻角机构，摆臂内的滚转电机布置在滚转接头的下方，减弱了伺服电机对模型测量参数信号的电磁干扰，有利于获得准确的模型测量参数，具有电磁干扰小的优点。

本发明具有阻塞比小、功能多样、结构可靠、使用方便的特点，是一套实用性很强的亚跨超风洞大攻角机构。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明滚转臂组件的放大视图；

图3为本发明上下平移运动示意图；

图4为本发明大攻角运动示意图；

图5为风洞坐标系与模型坐标系转化关系图。

具体实施方式

下面结合附图及实例对本发明做详细说明，本发明一种多自由度的亚跨超声速风洞大攻角机构，如图1所示，包括前臂组件、后臂组件、框架2、位置传感器3；框架2为整个机构的安装基础；所述的前臂组件和后臂组件组成结构相同，均包括伺服电机11、齿轮副12、滚珠丝杠13、滚动导轨14及相应的臂(前臂15、后臂17)；滚动导轨14的滑块固连在框架2上，前臂15、后臂17分别与其对应组件中的滚动导轨固连，前臂位于迎风面，后臂组件中的滚动导轨长度大于前臂组件中的滚动导轨长度。前臂15与后臂17之间可通过连接导轨16连接；连接导轨16的轨道与前臂15连接，连接导轨16的滑块与后臂17连接，使后臂17的一端由悬臂梁结构转化为简支梁结构，从而加强了后臂17的刚度，使后臂17的结构更加轻巧坚固。伺服电机11、齿轮副12、滚珠丝杠13和滚动导轨形成的直线运动机构带动前后臂上下运动，前臂15的下端通过铰链轴与模型支杆座连接，后臂17的下端与小臂18一端铰接，小臂18的另一端与模型支杆座铰接；试验时，根据待试验攻角，控制两台伺服电机分别转动带动前臂和后臂上下运动，当前臂和后臂的上下运动速度一致时，实现模型支杆的平动，两台位置传感器分别用于敏感前臂、后臂的位移，将敏感的位移输出至外部，外部根据位移结合待试验攻角实现对伺服电机的闭环控制。

进一步的，本发明还包括安装在框架上的限位开关，通过上下两个不同位置的限位开关，防止前臂、后臂撞击风洞上壁板和下壁板。限位开关采用非接触式的霍尔式电磁开关元件，避免了接触式开关反复开关造成的设备损坏，具有可靠性高的特点。

位置传感器3采用电位计，本例中采用拉线式电位计；位置传感器3的基座固定在框架2上，位置传感器的拉线与前臂15、后臂17连接.

本发明还包括安装在模型支杆座上的滚转臂组件6，滚转臂组件带动模型支杆进行转动，利用机构的攻角、滚转角的位置耦合，得到安装在模型支杆前端模型的攻角、侧滑角姿态。具体如图2所示，滚转臂组件6包括滚转接头61、齿轮副Ⅰ62、伺服电机Ⅰ63、滚针轴承64、引线保护管65，模型支杆座66、转轴67；伺服电机Ⅰ63的转动通过齿轮副Ⅰ62传递至滚转接头61使其转动，控制模型的滚转姿态，达到滚转角度范围为-180°～180°；滚转接头61尾部插在模型支杆座66内部空腔内，通过滚针轴承64约束，前端与模型支杆连接。伺服电机Ⅰ63安装在滚转接头61的下方，从而将减弱了伺服电机对模型测量参数信号的电磁干扰，有利于获得准确的模型测量参数。

本发明还可设计齿轮副Ⅰ62两个齿轮之间的距离可调节，从而避免了加工误差、磨损造成的齿形变位等因素导致的齿轮副回差较大，将回转误差控制在风洞试验所要求的角度精度控制范围内。

前臂15与后臂17、小臂18、模型支杆座66形成了基本的四连杆机构。控制前臂15与后臂17同向运动且速度一致，则小臂18与模型支杆座66的相对位置和角度关系不发生变化，模型的运动轨迹为上下平动，此功能用以实现风洞模型在试验段流场均匀区内的上下平动，达到躲避试验段激波、头部反射激波等对弹翼、尾舵、测量翼、测量舵影响的目的，如图3示意；

控制前臂15与后臂17同向运动而速度不一致【一般为前臂15速度慢、后臂17速度快】，则小臂18与模型支杆座66的相对位置和角度关系发生变化，模型的运动轨迹为上下摆动，此功能用以实现风洞模型的攻角，攻角范围能达到-10°～65°，如图4示意。也可采用平动与差动的各种组合控制方案，依据试验需要确定。

本发明通过攻角机构改变模型支杆在铅垂面内的转动角度α_m，通过滚转接头自动改变模型的滚转角γ，从而在风洞试验中耦合实现攻角α--侧滑角β的试验状态。如图5所示，模型轴线在纵向平面与风洞轴线之间的夹角就是模型的攻角α，在水平面内与风洞轴线之间的夹角就是模型的侧滑角β，公式为：

Sinα＝cosγ×tanα_m

Sinβ＝sinγ×sinα_m，

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。