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

摘要

本发明提供了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，所述机构包括Z、X、Y三自由度直线运动机构和β、α、γ三自由度角位移运动机构。六个自由度之间分层实现、逐级连接，结构上通过箱体叠放方式实现内嵌集成。Z向机构、X向机构和β机构自下而上依次叠加，Y向机构和α机构从外到内嵌套连接；γ机构通过弯刀与α机构固定连接，单独置于风洞流场。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，同时增加了机构的整体稳定性；β机构和α机构采用直线变圆弧机构实现，避免了传统三自由度旋转副的叠加，缩短了机构悬臂长度。本发明结构紧凑，刚性好，能够实现高速、高精度、高承载能力的六自由度运动。

说明书

技术领域

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。

发明内容

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>α>γ>β>α>γ>α>

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>β>β>β>

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>β运动平台固定连接；

α>α>α>α>α>α>

γ>γ>γ机构通过弯刀与α>

Z向机构、X向机构、β>α>γ>

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>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β基座之间通过三段β>

所述的α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>α弧形滑块，α>α>α>α>α>

所述的γ>γ>γ>γ>γ>γ>γ>γ>γ>γ>γ>γ>γ>γ>γ>

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>γ>γ>γ>

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>β>

所述的β>β>β>β>β螺母、β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>

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>α>

所述的α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>α弧形滑块和弯刀实现俯仰运动。

所述的γ>γ>γ电机罩、γ>γ>γ>γ>γ>γ>γ>γ>γ>γ>γ>γ>γ电机通过γ>γ>

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>

3.β>α>

4.只有结构简单紧凑的γ>

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>

图5是本发明的Y向机构半剖示意图；

图6是本发明的α>

图7是本发明的γ>

图中：1.Z向机构2.X向机构3.β>α>γ>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>α>α电机38.α>α>α>α>α>α>α>γ>γ>γ>γ减速机50.γ>

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>α>γ>γ>γ>β>α>γ>

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>β>β>

β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β螺母23和β>β>β>β>β>β直线导轨24运动。β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>β>

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>α>

α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>α直线导轨40和两个α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>α>

γ>γ>γ>γ>γ>γ>γ>γ>γ>γ>γ>γ>γ>γ>γ电机48起保护作用，同时对风洞流场进行整流。γ>γ>γ>γ>