专利名称：低堵塞度捕获轨迹试验系统的独立六自由度运动装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种六自由度运动装置，特别是涉及一种在捕获轨迹试验系统中 解决低堵塞度的独立六自由度运动装置。
背景技术：
捕获轨迹风洞试验系统对于飞行器外挂物投放轨迹测量不可或缺。美国在上世纪七十年代，掌握了捕获轨迹风洞试验技术，英国、法国、以色列和中 国等国也于八十年代发展和应用了该项试验技术。六自由度运动机构是捕获轨迹风洞试验系统的核心，是系统中外挂物模型的支撑 装置及其运动的执行机构。六自由度运动机构由计算机控制，为外挂物模型提供六个自由 度(轴向X、横向Y、铅垂方向Z、俯仰α、偏航β和滚转Y)，其典型形式有两种一种是六 个自由度的运动保持相互独立，由三个直线导轨约束(实现三个线位移运动)加三个回转 约束(实现三个角位移运动)的形式来实现六个自由度运动，如美国AFDC、通用动力公司和 以色列IAI的4英尺等风洞中的机构，其三个角位移都是靠装置前部安装的三自由度装置 头的运动来完成，横向运动靠装置头在横向导轨支架上的移动来完成，而铅垂和轴向运动 靠铅垂支架(安装在风洞上部或下部的滚动轴承导轨上)沿风洞铅垂向或轴向的移动来完 成，当横向运动尺度较大时，为了保证横向支架的刚度，美国和以色列在CTS横向支架两侧 安装了小圆盘并让它沿着风洞两侧所安装的铅垂光滑平板移动。另一种则由两个以上部件的回转约束的组合变化来提供六个自由度的运动，如 法国ONERA的6英尺高速风洞和英国ARA的9英尺χ8英尺高速风洞中的CTS机构，这类机 构由于没有采用横向或垂向的直线导轨，堵塞度相对较小，通常安装在母机支撑装置上，不 涉及风洞结构，试验时易于安装，且可位于风洞试验段内；但这类机构对母机支撑装置的刚 度要求和自身机构的精度要求均很高，并且其六个自由度不是完全独立运行，即，某些自由 度的运动需要由多支臂或多部件的组合运动来产生，因此其运动范围受到很大的限制，机 构的组合运动还必须通过修正来消除其对试验值的影响，对飞行器外挂物投放轨迹的控制 难度大。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种为了解决在捕获轨迹风洞试验中实现相互独立的 六个自由度运动，并且该独立六自由度运动装置对气流的堵塞度低。为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是低堵塞度捕获轨迹试验系统的 独立六自由度运动装置，整体安装在风洞试验段(或风洞超扩段)上，包括竖直设置的Z轴 运动机构，沿风洞水平方向设置的Y轴运动机构和水平设置并与Y轴运动机构垂直的X轴 运动机构，所述X轴驱动装置、Y轴驱动装置和Z轴驱动装置中，或者仅有Z轴驱动装置置 于风洞试验段的外壁上，或者仅有Y轴驱动装置置于风洞试验段的外壁的顶部，三个角位 移装置连接在X轴运动机构的顶端。[0008]所述Z轴运动机构为两个，分别位于风洞试验段的两侧外壁上，两个Z轴驱动装置 分别同步驱动控制两个Z轴运动机构的运行，Z轴运动机构上设置有两个用于抵消实验装 置重力的重力平衡装置，Y轴运动机构穿过风洞试验段，其两端分别连接在两个Z轴运动机 构上，X轴运动机构连接在Y轴运动机构上，其中两个Z轴驱动装置同步驱动两个Z轴运动 机构带动Y轴运动机构沿Z轴运动，Y轴驱动装置驱动Y轴运动机构带动X轴运动机构沿Y 轴运动，X轴驱动装置带动三个角位移装置沿X轴运动。所述Y轴运动机构的固定在风洞试验段(或风洞超扩段)的顶部外壁上，Z轴运 动机构连接在Y轴运动机构上，X轴运动机构连接在Z轴运动机构上，其中Y轴驱动装置驱 动Y轴运动机构带动Z轴运动机构沿Y轴运动，Z轴驱动装置驱动Z轴运动机构带动X轴 运动机构沿Z轴运动，X轴驱动装置驱动X轴运动机构带动三个角位移装置沿X轴运动。所述X轴运动机构迎风截面为π空腔结构，X轴驱动装置设置于X轴运动机构的 后端，与X轴驱动装置连接的X轴绕线机设置于X轴运动机构的内部空腔内用于控制X轴 运动机构运行，用于自动收放X轴运动机构上三个角位移装置的控制线缆。。所述Y轴运动机构与Y轴绕线机平行排列，Y轴绕线机与Y轴驱动装置连接用于 控制Y轴运动机构运行。所述Z轴运动机构的迎风截面为井字状的结构形式。所述Z轴运动机构上设置有用于抵消实验装置重力的重力平衡装置。从本实用新型的上述技术特征可以看出，本实用新型的优点是(1)与传统X轴支 撑结构形式不同，本实用新型的X轴运动机构采用η空腔结构形式，将χ轴驱动装置布置 在X轴运动机构后面，同时将X轴绕线机置于X轴运动机构空腔内，使试验装置设计更紧 凑，大大减小了试验装置的堵塞度。(2)本实用新型将Y轴运动机构及Y轴绕线机平行排列在Y轴后面，使同一截面的 迎风面积减小，从而减小堵塞度。(3)本实用新型另外一种结构形式是将Z轴支撑结构的迎风截面设计为井字状的 结构形式，使同一截面的迎风面积减小，从而减小堵塞度。(4)与传统Z轴运动机构设计不同，在其中一种结构中，本实用新型采用左右同步 驱动并配合机构重力平衡装置(如平衡气缸)的设计方式，克服Z轴采用单边驱动，容易使 试验装置产生卡死、爬行等不良现象；对于另外一种结构形式，本实用新型采用单驱动并配 合机构重力平衡装置(如平衡气缸)的设计方式。Z轴运动机构配合机构重力平衡装置， 避免机构向下运动时惯性较大所产生的破坏现象(如损坏精密滚珠丝杠)，同时机构重力 平衡装置抵消试验装置的重力，还可保证精密丝杠在高精度工况下服役，确保Z轴运动精 度。经过试验表明，本实用新型独立六自由度运动装置的风洞堵塞度比现有技术当中的系 统低45%以上。
本实用新型将通过附图比较以及结合实施例的方式说明图1是本实用新型其中一种结构的示意图，图2是本实用新型另一种结构的示意图，图3是本实用新型X轴运动机构η空腔结构示意图，[0022]图4是本实用新型Y轴运动机构及Y轴绕线机结构示意图，其中附图标记1是风洞试验段2是X轴运动机构3是Y轴运动机构4是Z轴运动机构5是X轴驱动装置6是Y轴驱动装置7是Z轴驱动装置8是三个角位移装置9是 重力平衡装置10是X轴绕线机11是Y轴绕线机。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本实用新型做进一步的说明优选实施例如图1-图4所示的低堵塞度捕获轨迹试验系统的独立六自由度运动装置，整体安 装在风洞试验段(或风洞超扩段)1上，包括竖直设置的Z轴运动机构4，沿风洞水平方向设 置的Y轴运动机构3和水平设置并与Y轴运动机构3垂直的X轴运动机构2，所述X轴驱 动装置5、Y轴驱动装置6和Z轴驱动装置7中，或者仅有Z轴驱动装置7置于风洞试验段 (或风洞超扩段)1的外壁上，或者仅有Y轴驱动装置6置于风洞试验段(或风洞超扩段)1 的外壁的顶部，三个角位移装置8连接在X轴运动机构2的顶端。本方案的设置方式大幅 简化了装置内部的结构，对于降低堵塞度起到重要作用，另外，三个角位移装置8的结构简 单，体积小，重量轻，安装方便，可靠性高，能够很好的满足堵塞度的要求，且实现的承载能 力大。如图1所示，在上述方案的基础上，所述Z轴运动机构4为两个，分别位于风洞试 验段(或风洞超扩段)1的两侧外壁上，两个Z轴驱动装置7分别同步驱动控制两个Z轴运 动机构4的运行，Z轴运动机构4上设置有两个用于抵消实验装置重力的重力平衡装置9，Y 轴运动机构3穿过风洞试验段1，其两端分别连接在两个Z轴运动机构4上，X轴运动机构 2连接在Y轴运动机构3上，其中两个Z轴驱动装置7同步驱动两个Z轴运动机构4带动 Y轴运动机构3沿Z轴运动，Y轴驱动装置6驱动Y轴运动机构3带动X轴运动机构2沿Y 轴运动，X轴驱动装置5带动三个角位移装置8沿X轴运动。本方案中，将Z轴运动机构4 整体固定在风洞试验段(或风洞超扩段)1的左右侧外壁上，以增加整个装置的刚度，Z轴 运动机构以及其他的驱动装置均布置在风洞试验段(或风洞超扩段)的外面，最大限度地 扩大装置运行范围并降低其在风洞中的堵塞度；另外Y轴运动机构3的两端连接在Z轴运 动机构4上以增加刚度和强度，X轴运动机构2为悬臂梁结构，安装在Y轴运动机构3上， 三个角位移装置8安装在X轴运动机构2的顶端，实现三自由度的角位移。上述方案中，所述X轴运动机构2为π空腔结构，X轴驱动装置5设置于X轴运 动机构2的后端，与X轴驱动装置5连接的X轴绕线机10设置于X轴运动机构2的内部空 腔内用于控制X轴运动机构2运行。由于X轴运动机构2(沿风洞轴向)为悬臂梁结构，而 且在风洞中须承受很大的气动载荷，为了增加X轴运动机构2的抗弯强度，同时减轻重量，X 轴运动机构采用η空腔结构，用高强度合金结构钢加工成型，将X轴驱动装置布置在X轴， 同时将X轴绕线机致于X轴运动机构空腔内，使试验装置设计更紧凑，大大减小了试验装置 的堵塞度。在上述方案中，所述Y轴运动机构3与Y轴绕线机11平行排列，Y轴绕线机11与 Y轴驱动装置6连接用于控制Y轴运动机构3运行。本方案中，Y轴运动机构(沿风洞水平 方向)采用两端固定式安装，以增加刚度及强度。Y轴运动机构与Y轴绕线机平行排列，Y轴绕线机置于Y轴运动机构后面，使同一截面的迎风面积减小，从而减小堵塞度。本实用新型的另外一种结构形式如图2所示，所述Y轴运动机构3的两端连接在 风洞试验段(或风洞超扩段)1的顶部外壁上，Z轴运动机构4连接在Y轴运动机构3上， X轴运动机构2连接在Z轴运动机构4上，其中Y轴驱动装置6驱动Y轴运动机构3带动 Z轴运动机构4沿Y轴运动，Z轴驱动装置7驱动Z轴运动机构4带动X轴运动机构2沿Z 轴运动，X轴驱动装置5驱动X轴运动机构2带动三个角位移装置8沿X轴运动。在上述方案中，所述Z轴运动机构4的迎风截面为井字状的结构形式。本实用新 型将Z轴支撑结构的迎风截面设计为井字状的形式，使同一截面的迎风面积减小，从而减 小堵塞度。在上述方案中的本实用新型的装置，所述Z轴运动机构4上设置有用于抵消实验 装置重力的重力平衡装置9。本方案中，采用单驱动并配合机构重力平衡装置9 (如平衡气 缸)的设计方式。Z轴运动机构4配合机构重力平衡装置9，避免机构向下运动时惯性较大 所产生的破坏现象(如损坏精密滚珠丝杠)，同时机构重力平衡装置9抵消试验装置的重 力，还可保证精密丝杠在高精度工况下服役，确保Z轴运动机构运动精度。本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征以外，均可以以任何方式组合。本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙 述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只 是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
权利要求低堵塞度捕获轨迹试验系统的独立六自由度运动装置，整体安装在风洞试验段(1)上，包括竖直设置的Z轴运动机构(4)，沿风洞水平方向设置的Y轴运动机构(3)和水平设置并与Y轴运动机构(3)垂直的X轴运动机构(2)，其特征在于所述X轴驱动装置(5)、Y轴驱动装置(6)和Z轴驱动装置(7)中，或者仅有Z轴驱动装置(7)置于风洞试验段(1)的外壁上，或者仅有Y轴驱动装置(6)置于风洞试验段(1)的顶部外壁，三个角位移装置(8)连接在X轴运动机构(2)的顶端。
2.根据权利要求1所述的低堵塞度捕获轨迹试验系统的独立六自由度运动装置，其特 征在于所述Z轴运动机构(4)为两个，分别位于风洞试验段(1)的两侧外壁上，两个Z轴驱 动装置(7)分别同步驱动控制两个Z轴运动机构(4)的运行，Z轴运动机构(4)上设置有两 个用于抵消实验装置重力的重力平衡装置(9)，Y轴运动机构(3)穿过风洞试验段(1)，其 两端分别连接在两个Z轴运动机构(4)上，X轴运动机构(2)连接在Y轴运动机构(3)上， 其中两个Z轴驱动装置(7)同步驱动两个Z轴运动机构(4)带动Y轴运动机构(3)沿Z轴 运动，Y轴驱动装置(6)驱动Y轴运动机构(3)带动X轴运动机构(2)沿Y轴运动，X轴驱 动装置(5)带动三个角位移装置(8)沿X轴运动。
3.根据权利要求1所述的低堵塞度捕获轨迹试验系统的独立六自由度运动装置，其特 征在于所述Y轴运动机构(3)的两端连接在风洞试验段(1)外壁的顶部上，Z轴运动机构 ⑷连接在Y轴运动机构⑶上，X轴运动机构⑵连接在Z轴运动机构(4)上，其中Y轴 驱动装置(6)驱动Y轴运动机构(3)带动Z轴运动机构(4)沿Y轴运动，Z轴驱动装置(7) 驱动Z轴运动机构(4)带动X轴运动机构(2)沿Z轴运动，X轴驱动装置(5)驱动X轴运 动机构(2)带动三个角位移装置(8)沿X轴运动。
4.根据权利要求2所述的低堵塞度捕获轨迹试验系统的独立六自由度运动装置，其特 征在于所述X轴运动机构(2)为π空腔结构以降低对气流的堵塞度，X轴驱动装置(5)设 置于X轴运动机构(2)的后端，与X轴驱动装置(5)连接的X轴绕线机(10)设置于X轴运 动机构(2)的内部空腔内，用于自动收放X轴运动机构(2)上三个角位移装置(8)的控制 线缆。
5.根据权利要求2或4所述的低堵塞度捕获轨迹试验系统的独立六自由度运动装置， 其特征在于所述Y轴运动机构(3)与Y轴绕线机(11)平行排列，Y轴绕线机(11)与Y轴 驱动装置(6)连接用于控制Y轴运动机构(3)运行。
6.根据权利要求3所述的低堵塞度捕获轨迹试验系统的独立六自由度运动装置，其特 征在于所述Z轴运动机构(4)的迎风截面为井字状的结构形式，以降低对气流的堵塞度。
7.根据权利要求6所述的低堵塞度捕获轨迹试验系统的独立六自由度运动装置，其特 征在于所述Z轴运动机构(4)上设置有用于抵消实验装置重力的重力平衡装置(9)。
专利摘要本实用新型为低堵塞度捕获轨迹试验系统的独立六自由度运动装置，涉及一种捕获轨迹风洞试验中的六自由度运动装置。目的是“在捕获轨迹风洞试验中实现外挂物模型的六个自由度运动，且该装置对气流的堵塞度低”。技术方案是整体安装在风洞试验段(或风洞超扩段)上，包括竖直设置的Z轴运动机构，沿风洞水平方向设置并与气流方向垂直的Y轴运动机构和水平设置并与气流方向同向的X轴运动机构，所述X轴驱动装置、Y轴驱动装置和Z轴驱动装置中或者仅有Z轴驱动装置置于风洞试验段的外壁上，或者仅有Y轴驱动装置置于风洞试验段的外壁的顶部，三个角位移装置连接在X轴运动机构的顶端。本实用新型主要应用于航空航天中捕获轨迹风洞试验系统。
文档编号G01M9/02GK201772990SQ201020175908
公开日2011年3月23日 申请日期2010年4月29日 优先权日2010年4月29日
发明者于志松, 刘林, 刘烽, 刘维亮, 庞旭东, 张俊生, 张征宇, 李平, 祝汝松, 罗新福, 钟志刚, 饶正周, 马东平, 高峰, 高荣钊, 黄叙辉, 黄少棠 申请人:中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所