专利名称：天平校准系统六自由度复位装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是标定试验装置，具体涉及的是航空系统按精确已知的坐标轴系对
被校天平的各个载荷分量精确的施加校准载荷，以求得天平各分量的信号输出与载荷的变 化关系的天平校准系统六自由度复位装置。
背景技术：
天平体轴校准要求天平在静校过程中所受的载荷始终与安装在天平模型端加载 头的体轴系坐标保持一致。当天平及支杆受载变形时通过自动测量、控制和调正系统使加 载头重新恢复到受载前的位置和状态，或者通过改变加载方向使加载轴系跟随加载头的坐 标轴系的改变而变化，实现体轴系校准。前者被称为复位式体轴系校准设备，后者被称为跟 踪式体轴系天平校准设备。 天平校准是通过相应的校准设备和校准方法，按精确已知的坐标轴系对被校天平
的各个载荷分量精确的施加校准载荷，以求得天平各分量的信号输出与载荷的变化关系。
在天平校准过程中，对被校天平施加校准载荷是通过相应的校准设备来实现的。
目前国内生产型风洞的天平静校大多数使用体轴系天平静校台。体轴系校准设备
又分为复位式体轴系校准设备和跟踪式体轴系天平校准设备。 复位体轴系校准设备按台体的结构可分为塔式结构、框架式结构、连杆式结构等。
塔式结构的台体，复位速度快，且易于单自由度复位，复位精度高，对其它自由度复位相对
影响小。框架式结构的台体体积较庞大、结构较复杂、造价较昂贵。连杆式的台体体积小、
结构简单、造价低。但是复位控制比较复杂，存在一定的设计难度和风险。 综合以上校准设备各有利弊，目前尚没有复位速度快，复位精度高，结构简单，复
位控制比较方便的塔式台体复位装置。
发明内容
本发明的目的是为了解决天平加载头的快速准确复位的问题，而提供一种技术先
进、结构紧凑、操作灵活，易于单自由度复位，对其它自由度复位相对影响小的天平校准系
统六自由度复位装置。 采用的技术方案是 天平校准系统六自由度复位装置，包括轴向直线运动机构、侧向直线运动机构、法 向直线运动机构、俯仰角运动机构、滚转角运动机构和侧滑角运动机构；所述轴向直线运动 机构位于底部，侧向直线运动机构位于轴向直线运动机构的下支座上面，侧向直线运动机 构下面的上导轨与轴向直线运动机构的下支座固定连接；法向直线运动机构位于侧向直线 运动机构的上面，法向直线运动机构的方箱与侧向直线运动机构导轨上的滑块固定连接；
上述俯仰角运动机构的第一蜗轮与设置在法向直线运动机构的升降架上部的第 一蜗杆转动连接；俯仰角运动机构的主轴箱通过短轴与直线运动机构的升降架上部转动连 接。
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上述滚转角运动机构的底板与俯仰角运动机构的主轴座固定连接，主轴座通过心 轴及轴承与俯仰角运动机构的主轴箱连接； 上述侧滑角运动机构的蜗轮通过蜗轮轴与主轴座固定，主轴座通过心轴及轴承与 俯仰角运动机构的主轴箱连接； 上述轴向直线运动机构，包括下导轨、下滑块、下丝杠和下支座；所述下支座的下 面设置有下螺母，下螺母与下丝杠转动连接，下丝杠的一端与下电机输出轴固定连接，下电 机固定在底座上，下丝杠的另一端与下支座转动连接；下支座四角的下面设置有下滑块，下 滑块与下支座固定连接，下滑块分别位于下导轨上，下导轨装设在基座上；从上明显看出， 由下电机控制下丝杠转动，下丝杠带动其上的下螺母和与下螺母固连的下支座做直线运 动，也可理解为下支座沿X轴的方向进行运动。 上述侧向直线运动机构，包括上导轨，上滑块，上丝杠和方箱，所述方箱的下面设 置有上螺母，上螺母与上丝杠转动连接，上丝杠的一端与上谐波减速器的输出轴固定连接， 上谐波减速器的输入轴与上电机的输出轴固定连接，上电机固定在方箱的下面，上丝杠的 另一端与方箱转动连接，方箱的四角下面分别设置有上滑块，上滑块与方箱固定连接，上滑 块分别位于上导轨上，上导轨与下导轨成垂直方向固定装设在下支座的上面；可理解为方 箱沿Y轴的方向进行运动。 上述法向直线运动机构，包括升降架、螺旋升降机、升降机法兰和方箱；所述螺旋 升降机装设在方箱内的下部，螺旋升降机的下端与升降电机的出轴固定连接，升降电机装 设在方箱的底端；螺旋升降机的上端与上升丝杠的下端固定连接，上升丝杠的上端装设在 升降机法兰的中心螺纹孔中，升降机法兰位于升降架的底部，并与升降架固定连接；
升降架的两侧面上分别对称的设置有升降滑道，升降滑道位于两侧升降轨之间。 这里由升降电机控制螺旋升降机运动，从而带动与升降机法兰28固连的升降架沿升降轨 上下运动。 上述俯仰角运动机构，包括第一谐波减速器，第一同步带，第一蜗轮和第一蜗杆， 所述第一谐波减速器装设在法向直线运动机构的升降架的上部，第一谐波减速器的输入轴 与伺服电机的输出轴固定连接，第一谐波减速器的输出轴通过第一同步带与第一蜗杆转动 连接，第一蜗轮通过螺钉与主轴箱固定连接，主轴箱通过短轴与法向直线运动机构的升降 架转动连接，并且与滚转角运动机构的第二蜗轮及主轴转动连接，主轴的另一端装设有加 载头。 上述滚转角运动机构，包括底板、第二谐波减速器、第二同步带、第二蜗轮和第二 蜗杆；所述底板的一端与主轴座的后端固定连接，主轴座装设在主轴箱内；第二谐波减速 器和第二蜗杆固定装设在底板上，第二谐波减速器的输入轴与第二伺服电机的输出轴固定 连接，第二谐波减速器的输出轴轮通过第二同步带与第二蜗杆转动连接，第二蜗轮装设在 主轴的后端，第二蜗轮与主轴固定连接，主轴的另一端装设有加载头。 上述侧滑角运动机构包括第三蜗轮、第三蜗杆、第三同步带和第三谐波减速器；第 三蜗杆和第三谐波减速器固定在主轴箱上。第三谐波减速器的输入轴与第三伺服电机的输 出轴固定连接，第三蜗轮一端与中轴固定连接，中轴通过轴承与主轴箱转动连接并与主轴 座固定连接。由第三伺服电机驱动第三谐波减速器带动第三同步带运动，再由第三同步带 带动第三蜗杆机构转动，第三蜗轮与第三蜗杆啮合也随之转动。第三蜗轮转动带动中轴转
5动，中轴带动主轴座转动，从而实现主轴的角度变化。 上述加载头连接在天平尾端，天平连接在六自由度复位装置的主轴上。
本发明的工作过程及原理 本发明是一种天平校准试验技术，所发明的六自由度复位装置采用塔式结构。由 下而上分别是，包括轴向直线运动机构、侧向直线运动机构、法向直线运动机构、俯仰角运 动机构、滚转角运动机构和侧滑角运动机构。这样可以单自由度调整复位，对其它自由度复 位相对影响小。 轴向直线运动机构和侧向直线运动机构，由电机控制丝杠转动，带动其上的螺母 和与螺母固连的支座做直线运动，同时由与丝杠平行放置的两根导轨和导轨上滑块承载并 传递运动。 法向直线运动机构，将螺旋升降机竖直放置并由电机控制其运动，带动与法兰端 固连的升降架上下运动，载荷由螺旋升降机12承担，同时由与螺旋升降机12的轴线平行放 置的并且与升降架固连的多根导轨及导轨上的滑块传递运动。 俯仰角运动机构、滚转角运动机构和侧滑角运动机构，由伺服电机驱动谐波减速 器带动同步带运动，再由同步带带动蜗轮蜗杆机构转动，蜗轮转动的同时带动与其固连的 主轴旋转，从而实现角度变化。 本发明的优点是系统刚度大，调整响应快，能够对被校天平进行精确安装、调整 和定位，复位精度高。可以单自由度调整，有利于加载头的初始定位。
图l是本发明的结构示意图。图2是图1的A-A向结构示意图(即轴向直线运动机构俯视示意图)。图3是本发明的侧向直线运动机构结构示意图。图4是图3的俯视示意图。图5是本发明方箱内法向直线运动机构连接示意图。图6是本发明俯仰角运动机构结构示意图。图7是图6左视局部剖视示意图。图8是本发明的滚转角运动机构结构示意图。图9是图8左视示意图。图10是本发明的侧滑角运动机构结构示意图。图11是图10的俯视结构示意图。
具体实施例方式
天平校准系统六自由度复位装置，包括轴向直线运动机构1、侧向直线运动机构 2、法向直线运动机构3、俯仰角运动机构4、滚转角运动机构5和侧滑角运动机构6 ;所述轴 向直线运动机构1位于底部，侧向直线运动机构2位于轴向直线运动机构1的下支座9上 面，侧向直线运动机构2下面的上导轨19与轴向直线运动机构1的下支座9固定连接；法 向直线运动机构3位于侧向直线运动机构2的上面，法向直线运动机构3的方箱22与侧向 直线运动机构2导轨上的滑块固定连接；
俯仰角运动机构4的第一蜗轮与设置在法向直线运动机构3的升降架13上部的 第一蜗杆转动连接；俯仰角运动机构4的主轴箱31通过短轴与直线运动机构3的升降架13 上部转动连接。 滚转角运动机构5的底板与俯仰角运动机构的主轴座32固定连接，主轴座32通 过心轴及轴承与俯仰角运动机构的主轴箱31连接； 侧滑角运动机构6的蜗轮通过蜗轮轴与主轴座固定，主轴座32通过心轴及轴承与 俯仰角运动机构的主轴箱31连接； 轴向直线运动机构l，包括下导轨10、下滑块11、下丝杠7和下支座9 ;所述下支座 9的下面设置有下螺母8，下螺母8与下丝杠7转动连接，下丝杠7的一端与下电机输出轴 固定连接，下电机固定在底座上，下丝杠7的另一端与下支座9转动连接；下支座9四角的 下面设置有下滑块ll，下滑块(11)与下支座9固定连接，下滑块11分别位于下导轨10上， 下导轨10装设在基座上；从上明显看出，由下电机控制下丝杠7转动，下丝杠7带动其上的 下螺母8和与下螺母8固连的下支座9做直线运动，也可理解为下支座9沿X轴的方向进 行运动。 侧向直线运动机构2，包括上导轨19，上滑块20，上丝杠21和方箱22，所述方箱22 的下面设置有上螺母25，上螺母25与上丝杠21转动连接，上丝杠21的一端与上谐波减速 器24的输出轴固定连接，上谐波减速器24的输入轴与上电机23的输出轴固定连接，上电 机23固定在方箱22的下面，上丝杠21的另一端与方箱22转动连接，方箱22的四角下面 分别设置有上滑块20，上滑块20与方箱22固定连接，上滑块20分别位于上导轨19上，上 导轨19与下导轨10成垂直方向固定装设在下支座9的上面；可理解为方箱22沿Y轴的方 向进行运动。 法向直线运动机构3，包括升降架13、螺旋升降机12、升降机法兰28和方箱22 ;所 述螺旋升降机12装设在方箱22内的下部，螺旋升降机12的下端与升降电机26的出轴固 定连接，升降电机26装设在方箱22的底端；螺旋升降机12的上端与上升丝杠27的下端固 定连接，上升丝杠27的上端装设在升降机法兰28的中心螺纹孔中，升降机法兰28位于升 降架13的底部，并与升降架13固定连接； 升降架13的两侧面上分别对称的设置有升降滑道14，升降滑道14位于两侧升降 轨44之间。这里由升降电机26控制螺旋升降机12运动，从而带动与升降机法兰28固连 的升降架13沿升降轨44上下运动。可理解为升降架13沿Z轴的方向进行运动，这也意味 着升降架13及升降架13上面连接的部件可沿X、Y和Z轴方向全方位运动。
俯仰角运动机构4，包括第一谐波减速器15，第一同步带16，第一蜗轮18和第一 蜗杆17，所述第一谐波减速器15装设在法向直线运动机构3的升降架13的上部，第一谐 波减速器15的输入轴与伺服电机的输出轴固定连接，第一谐波减速器15的输出轴通过第 一同步带16与第一蜗杆17转动连接，第一蜗轮18通过螺钉与主轴箱31固定连接，主轴箱 31通过短轴29与法向直线运动机构3的升降架13转动连接，并且与滚转角运动机构5第 二蜗轮34的主轴33转动连接，主轴33的另一端装设有加载头43。 滚转角运动机构5，包括底板30、第二谐波减速器37、第二同步带36、第二蜗轮34 和第二蜗杆35 ;所述底板30的一端与主轴座32的后端固定连接，主轴座32装设在主轴箱 31内；第二谐波减速器37和第二蜗杆35固定装设在底板30上，第二谐波减速器37的输入轴与第二伺服电机的输出轴固定连接，第二谐波减速器37的输出轴轮通过第二同步带36 与第二蜗杆35转动连接，第二蜗轮34装设在主轴33的后端，第二蜗轮34与主轴33固定 连接，主轴33的另一端装设有加载头43。 侧滑角运动机构6，包括第三蜗轮38、第三蜗杆39、第三同步带40和第三谐波减速 器42。第三蜗杆39和第三谐波减速器42固定在主轴箱31上。第三谐波减速器42的输入 轴与第三伺服电机的输出轴固定连接，第三蜗轮38 —端与中轴41固定连接，中轴41通过 轴承与主轴箱31转动连接并与主轴座32固定连接。由第三伺服电机驱动第三谐波减速器 42带动第三同步带40运动，再由第三同步带40带动第三蜗杆机构39转动，第三蜗轮38与 第三蜗杆39啮合也随之转动。第三蜗轮38转动带动中轴41转动，中轴41带动主轴座32 转动，从而实现主轴33的角度变化。 加载头43连接在天平45尾端，天平45连接在六自由度复位装置的主轴33上。载 荷施加在加载头上时，与之相连的天平27因为承受载荷而变形，引起加载头位置的变化。 因此，可以通过自动测量、控制系统和复位装置使加载头恢复到受载前的位置和状态，加载 头43可以提供复制装置的复位依据和天平的加载点，并避免附加力矩的产生，从而实现体 轴系校准。
权利要求
天平校准系统六自由度复位装置，包括轴向直线运动机构(1)、侧向直线运动机构(2)、法向直线运动机构(3)、俯仰角运动机构(4)、滚转角运动机构(5)和侧滑角运动机构(6)；其特征在于所述轴向直线运动机构(1)位于底部，侧向直线运动机构(2)位于轴向直线运动机构(1)的下支座(9)上面，侧向直线运动机构(2)下面的上导轨(19)与轴向直线运动机构(1)的下支座(9)固定连接；法向直线运动机构(3)位于侧向直线运动机构(2)的上面，法向直线运动机构(3)的方箱(22)与侧向直线运动机构(2)导轨上的滑块固定连接；上述俯仰角运动机构(4)的第一蜗轮与设置在法向直线运动机构(3)的升降架(13)上部的第一蜗杆转动连接；俯仰角运动机构(4)的主轴箱(31)通过短轴与直线运动机构(3)的升降架(13)上部转动连接。上述滚转角运动机构(5)的底板与俯仰角运动机构的主轴座(32)固定连接，主轴座(32)通过心轴及轴承与俯仰角运动机构的主轴箱(31)连接；上述侧滑角运动机构(6)的蜗轮通过蜗轮轴与主轴座固定，主轴座(32)通过心轴及轴承与俯仰角运动机构的主轴箱(31)连接；
2. 根据权利要求1所述的天平校准系统六自由度复位装置，其特征在于上述轴向直 线运动机构(l)，包括下导轨(10)、下滑块(11)、下丝杠(7)和下支座(9);所述下支座(9) 的下面设置有下螺母(8)，下螺母(8)与下丝杠(7)转动连接，下丝杠(7)的一端与下电机 输出轴固定连接，下电机固定在底座上，下丝杠(7)的另一端与下支座(9)转动连接；下支 座(9)四角的下面设置有下滑块(ll)，下滑块(11)与下支座(9)固定连接，下滑块(11)分 别位于下导轨(10)上，下导轨(10)装设在基座上。
3. 根据权利要求1所述的天平校准系统六自由度复位装置，其特征在于上述侧向直 线运动机构(2)，包括上导轨(19)，上滑块(20)，上丝杠(21)和方箱(22)，所述方箱(22) 的下面设置有上螺母(25)，上螺母(25)与上丝杠(21)转动连接，上丝杠(21)的一端与上 谐波减速器(24)的输出轴固定连接，上谐波减速器(24)的输入轴与上电机(23)的输出轴 固定连接，上电机(23)固定在方箱(22)的下面，上丝杠(21)的另一端与方箱(22)转动连 接，方箱(22)的四角下面分别设置有上滑块(20)，上滑块(20)与方箱(22)固定连接，上滑 块(20)分别位于上导轨(19)上，上导轨(19)与下导轨(10)成垂直方向固定装设在下支 座(9)的上面。
4. 根据权利要求1所述的天平校准系统六自由度复位装置，其特征在于上述法向直 线运动机构(3)，包括升降架(13)、螺旋升降机(12)、升降机法兰(28)和方箱(22);所述螺 旋升降机(12)装设在方箱(22)内的下部，螺旋升降机(12)的下端与升降电机(26)的出 轴固定连接，升降电机(26)装设在方箱(22)的底端；螺旋升降机(12)的上端与上升丝杠 (27)的下端固定连接，上升丝杠(27)的上端装设在升降机法兰(28)的中心螺纹孔中，升降 机法兰(28)位于升降架(13)的底部，并与升降架(13)固定连接；升降架(13)的两侧面上分别对称的设置有升降滑道(14)，升降滑道(14)位于两侧升 降轨(44)之间。
5. 根据权利要求1所述的天平校准系统六自由度复位装置，其特征在于上述俯仰角 运动机构(4)，包括第一谐波减速器(15)，第一同步带(16)，第一蜗轮和第一蜗杆，所述第 一谐波减速器(15)装设在法向直线运动机构(3)的升降架(13)的上部，第一谐波减速器(15)的输入轴与伺服电机的输出轴固定连接，第一谐波减速器(15)的输出轴通过第一同 步带(16)与第一蜗杆(17)转动连接，第一蜗轮(18)通过螺钉与主轴箱(31)固定连接，主 轴箱(31)通过短轴(29)与法向直线运动机构(3)的升降架(13)转动连接，并且与滚转角 运动机构(5)第二蜗轮(34)及主轴33转动连接，主轴33的另一端装设有加载头43。
6. 根据权利要求1所述的天平校准系统六自由度复位装置，其特征在于上述滚转角 运动机构(5)，包括底板(30)、第二谐波减速器(37)、第二同步带(36)、第二蜗轮(34)和第 二蜗杆(35);所述底板(30)的一端与主轴座(32)的后端固定连接，主轴座(32)装设在主 轴箱(31)内；第二谐波减速器(37)和第二蜗杆(35)固定装设在底板(30)上，第二谐波减 速器(37)的输入轴与第二伺服电机的输出轴固定连接，第二谐波减速器(37)的输出轴轮 通过第二同步带(36)与第二蜗杆(35)转动连接，第二蜗轮(34)装设在主轴(33)的后端， 第二蜗轮(34)与主轴(33)固定连接，主轴(33)的另一端装设有加载头(43)。
7. 根据权利要求1所述的天平校准系统六自由度复位装置，其特征在于上述侧滑 角运动机构(6)，包括第三蜗轮(38)、第三蜗杆(39)、第三同步带(40)和第三谐波减速器 (42);第三蜗杆(39)和第三谐波减速器(42)固定在主轴箱(31)上；第三谐波减速器(42) 的输入轴与第三伺服电机的输出轴固定连接，第三蜗轮(38) —端与中轴(41)固定连接，中 轴(41)通过轴承与主轴箱(31)转动连接并与主轴座(32)固定连接。
全文摘要
天平校准系统六自由度复位装置，轴向直线运动机构位于底端，侧向直线运动机构位于轴向直线运动机构的上面，侧向直线运动机构下面的上导轨与轴向直线运动机构的下支座固定连接；法向直线运动机构的方箱与侧向直线运动机构导轨上的滑块固定连接；俯仰角运动机构的主轴箱与法向直线运动机构的升降架通过短轴连接；滚转角运动机构的底板与主轴座固定连接，主轴座通过心轴及轴承与俯仰角运动机构的方箱连接；侧滑角运动机构的蜗轮通过蜗轮轴与主轴座连接。本发明系统刚度大，调整响应快，能够对被校天平进行精确安装、调整和定位，复位精度高。可以单自由度调整，有利于加载头的初始定位。
文档编号G01G23/00GK101726352SQ20091022060
公开日2010年6月9日 申请日期2009年12月10日 优先权日2009年12月10日
发明者王颖, 赵长辉, 邢汉奇, 阎莉 申请人:中国航空工业第一集团公司沈阳空气动力研究所