一种风洞内试验模型动态特性测量的加卸载系统的制作方法

1.本发明涉及风洞技术领域，尤其涉及一种风洞内试验模型动态特性测量的加卸载系统。


背景技术：

2.风洞动态试验需要研究飞行器模型在动态运动过程中的气动载荷、变形、流场等特性。在一些风洞动态试验中，需要在试验模型振动状态下进行相关研究测量，而试验模型振动需要施加外力来引发，且需要准确测量所施加外拉力大小，在振动过程中还需要切断所施加的引发试验模型振动的外拉力对试验模型的影响，而且切断的速度越快，对试验模型振动过程影响越小，试验结果越准确。因此，为了保证试验结果的准确，需要尽可能少的引入如机械摩擦力等外来干扰量，并且外拉力施加必须要垂直于试验模型，不能有倾斜夹角。为了满足不同试验需求或者不同的试验模型，需要所施加的外拉力大小能够调节，设备相对试验模型位置能够调节。目前，尚未有成熟的、标准化、产品化的设备能够达到要求。


技术实现要素：

3.(一)要解决的技术问题
4.本发明的目的是提供一种风洞内试验模型动态特性测量的加卸载系统，满足试验需求。
5.(二)技术方案
6.为了实现上述目的，本发明提供了一种风洞内试验模型动态特性测量的加卸载系统，包括：
7.加载机构，包括支撑座和三个移动机构，三个移动机构分别沿空间直角坐标系的z向、x向和y向布置，其中，x向的移动机构与z向的移动机构滑动连接，使x向的移动机构能够沿z向滑动，且在滑动行程中的任意位置能够相对z向的移动机构固定，y向的移动机构与x向的移动机构滑动连接，使y向的移动机构能够沿x向滑动，且在滑动行程中的任意位置能够相对x向的移动机构固定，支撑座与y向的移动机构滑动连接,使支撑座能够沿y向滑动，且在滑动行程中的任意位置能够相对y向的移动机构固定；以及
8.模型连接机构，其沿空间直角坐标系的z向、x向和y向中的其中一个方向布置并固定安装在支撑座，其中：
9.模型连接机构拉伸座、拉钩、释放气缸、测力传感器和直线导轨，拉伸座的一端为模型固定端，与模型固定端相对的另一端为测力端，模型固定端设有通槽，拉钩通过转轴安装在通槽，且能够绕转轴的轴线转动，拉钩的一端为挂物端，另一端为限位端，释放气缸安装在拉伸座，释放气缸的气控杆能够在通槽内伸缩，且气控杆在伸入通槽内时，位于限位端和通槽的槽底之间，阻止限位端向槽底方向转动，使挂物端靠近槽底的一侧与槽底平行，测力传感器的一端与测力端连接，另一端与支撑座连接，直线导轨的滑动部与拉伸座连接，直线导轨的固定部与支撑座连接，测力传感器的测力方向与直线导轨的滑动方向平行。
10.可选地，移动机构包括外壳、动力机构、滑动板和两个移动副；
11.外壳包括壳体和盖体，壳体的两侧壁设有与滑动行程相对应的凹口，使盖体盖设于壳体时，壳体与盖体之间形成与滑动行程相匹配的滑动板滑道；
12.移动副包括调节滑轨和调节滑块，调节滑轨设置在壳体上，调节滑块与调节滑轨滑动连接，两个移动副的调节滑轨平行间隔设置；
13.动力机构设置在两个调节滑轨之间，其包括伺服电机、螺杆、螺母和支撑块，螺母与螺杆螺纹连接，螺杆的一端通过减速机与伺服电机连接，另一端通过轴承与支撑块转动连接，螺杆与调节滑轨平行间隔设置；
14.滑动板与螺母和两个移动副的调节滑块连接，且两端从位于两侧的滑动板滑道伸出壳体；
15.x向的移动机构的壳体与z向的移动机构的滑动板连接，y向的移动机构的壳体与x向的移动机构的滑动板连接,支撑座与y向移动机构的滑动板连接。
16.可选地，移动机构还包括锁止结构，设置在两个调节滑轨之间，其包括锁紧导轨、锁紧片和锁紧气缸，锁紧导轨与调节导轨平行设置，且锁紧导轨包括两个相对间隔设置的l形板，形成锁紧通道，两个l形板的间隔距离大于锁紧气缸的活塞杆的直径，小于锁紧片的尺寸，锁紧气缸的缸筒设置在滑动板上，锁紧片固定在锁紧气缸的活塞杆端部，且位于锁紧通道内，锁紧气缸与伺服电机联动控制，伺服电机停止工作时，活塞杆收缩，锁紧片抵紧在锁紧导轨，使调节滑块相对调节导轨锁止。
17.可选地，调节导轨的两端分别设有行程开关，用于限制调节滑块的滑动行程；和/或
18.滑动板连接有拉线编码器，用于计算调节滑块的移动距离。
19.可选地，加卸载系统包括两个模型连接机构，且两个模型连接机构分别沿空间直角坐标系的z向、x向和y向中的其中两个方向布置并固定安装在支撑座；或
20.加卸载系统包括三个模型连接机构，且三个模型连接机构分别沿空间直角坐标系的z向、x向和y向布置并固定安装在支撑座。
21.可选地，拉伸座的测力端具有缺口，测力传感器设置在缺口位置，一端通过丝杆与拉伸座连接，另一端与支撑座固定连接。
22.可选地，气控杆的端部设有限位块，气控杆通过限位块阻止限位端向槽底方向转动。
23.可选地，气控杆套设有一压缩弹簧，压缩弹簧一端抵在缸筒上，另一端抵在限位块，限位块从槽底和限位块之间撤出后，压缩弹簧被压缩。
24.可选地，槽底上设有挡块，当拉钩旋转至设定角度时，限位端抵在挡块，设定角度为90
°
～120
°
之间任一角度；和/或
25.挂物端为尖壁结构，其尖端朝向槽底，尖端完全倒圆角。
26.可选地，转轴的两端通过轴承固定通槽的两侧槽壁，拉钩固定于转轴；
27.其中，在拉钩的挂物端和限位端之间设有一通孔，通孔内侧设有键槽，转轴上设有与键槽相配合的键结构，通过键槽与键结构配合，实现拉钩与转轴的固定。
28.(三)有益效果
29.本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供的风洞内试验模型动态特性测
量的加卸载系统，包括支撑座、三个分别沿空间直角坐标系的z向、x向和y向布置移动机构，以及沿空间直角坐标系的z向、x向和y向中的其中任意一个方向布置并固定安装在支撑座的模型连接机构，x向的移动机构与z向的移动机构滑动连接，y向的移动机构与x向的移动机构滑动连接，该加卸载系统通过各移动机构的移动，实现位置的调节，能够应用在不同尺寸、不同角度的试验模型，且加载过程中外部干扰力小，能够保证试验模型的受力无倾斜夹角，在整个试验过程中，试验模型受到的拉力从有到无均能够被测力传感器测量，且使试验模型得到快速释放，满足试验需求。
附图说明
30.本发明附图仅为说明目的提供，图中各部件的比例与数量不一定与实际产品一致。
31.图1是本发明实施例中一种风洞内试验模型动态特性测量的加卸载系统的结构示意图；
32.图2是图1中加卸载系统另一角度的结构示意图；
33.图3是本发明实施例中一种移动机构的结构示意图；
34.图4是本发明实施例中一种移动机构去除盖体后的结构示意图；
35.图5是本发明实施例中一种移动机构去除盖体和滑动板的结构示意图；
36.图6是本发明实施例中一种锁止结构及移动副与滑动板和壳体连接的结构示意图；
37.图7是本发明实施例中一种模型连接机构与支撑座连接的结构示意图；
38.图8是7中z向布置的模型连接机构与支撑座的连接示意图；
39.图9是7中y向布置的模型连接机构与支撑座的连接示意图；
40.图10是本发明实施例中一种模型连接机构的结构示意图；
41.图11是图10中模型连接机构的拉伸座剖面结构示意图；
42.图12是图11中拉钩旋转90
°
后(释放状态)的结构示意图。
43.图中：1：加载机构；
44.11：移动机构；
45.111：外壳；1111：壳体；1112：盖体；1113：滑动板滑道；
46.112：动力机构；1121：伺服电机；1122：螺杆；1123：螺母；1124：支撑块；1125：减速机；
47.113：滑动板；
48.114：移动副；1141：调节滑轨；1142：调节滑块；
49.115：锁止结构；1151：锁紧导轨；1152：锁紧通道；1153：锁紧片；1154：锁紧气缸；
50.116：拉线编码器；
51.12：支撑座；
52.2：模型连接机构；
53.21：拉伸座；211：通槽；212：挡块；
54.22：拉钩；221：挂物端；222：限位端；
55.23：释放气缸；231：气控杆；232：限位块；233：压缩弹簧；
56.24：测力传感器；
57.25：直线导轨；251：固定部；252：滑动部；
58.26：丝杆；
59.27：转轴；
60.3:安装底座。
具体实施方式
61.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
62.参见图1和图2所示，本发明实施例提供的风洞内试验模型动态特性测量的加卸载系统包括加载机构1和模型连接机构2。
63.加载机构1包括支撑座12和三个移动机构11。其中，三个移动机构11分别沿空间直角坐标系的z向、x向和y向布置，针对该三个移动机构11，沿z向布置的移动机构下称z向的移动机构，沿x向布置的移动机构下称x向的移动机构，沿y向布置的移动机构下称y向的移动机构。
64.x向的移动机构11与z向的移动机构11滑动连接，使x向的移动机构11能够沿z向滑动，且在滑动行程中的任意位置能够相对z向的移动机构11固定。
65.y向的移动机构11与x向的移动机构11滑动连接，使y向的移动机构11能够沿x向滑动，且在滑动行程中的任意位置能够相对x向的移动机构11固定，支撑座12与y向的移动机构11滑动连接,使支撑座12能够沿y向滑动，且在滑动行程中的任意位置能够相对y向的移动机构11固定。
66.根据试验需要，模型连接机构2可以沿空间直角坐标系的z向、x向和y向中的其中任意一个方向布置并固定安装在支撑座12。在本实施例中，参见图9所示，以模型连接机构2沿空间直角坐标系的z向布置为例具体进行说明。需要说明的是，模型连接机构2沿空间直角坐标系的z向布置是指测力传感器24的测力方向及加载外拉力和方向为z向。
67.参见图8和图9所示，模型连接机构2包括拉伸座21、拉钩22、释放气缸23、测力传感器24和直线导轨25。其中，拉伸座21的一端为模型固定端，与模型固定端相对的另一端为测力端，模型固定端设有通槽211，拉钩22通过转轴27安装在通槽211，且能够绕转轴27的轴线转动，拉钩22的一端为挂物端221，另一端为限位端222，释放气缸23安装在拉伸座21，释放气缸23的气控杆231能够在通槽211内伸缩，且气控杆231在伸入通槽211内时，位于限位端222和通槽211的槽底之间，阻止限位端222向槽底方向转动，使挂物端221靠近槽底的一侧与槽底平行，测力传感器24的一端与测力端连接，另一端与支撑座12连接，直线导轨25的滑动部252与拉伸座21连接，直线导轨25的固定部251与支撑座12连接，测力传感器24的测力方向与直线导轨25的滑动方向平行。
68.使用时，加卸载系统通过安装底座3安装在风洞内，根据试验需要，选择移动x向的移动机构11、y向的移动机构11和支撑座12中其中一个或多个，使模型连接机构2到达相应的位置，气控杆(活塞杆)231位于槽底与限位端222之间，使拉钩22的挂物端221靠近槽底的
一侧与槽底平行,试验模型(图中未示出)整体相对风洞固定，将该固定的试验模型上所预留的钩环垂直挂在挂物端221，且试验模型位于拉伸座21背离测力传感器24的一侧(图9中的右侧)。测力传感器24和直线导轨25两者之间整体呈平行布置，测力传感器24的测力方向与直线导轨25的滑动方向平行。然后再通过沿z向移动x向的移动机构11对测力传感器24施加外拉力(加载)，由于测力传感器24与拉伸座21连接为一个整体，拉力通过测力传感器24、拉伸座21传递到试验模型，与试验模型之间无倾斜夹角，测力传感器24能够时时测得所施加的外拉力大小，当施加的外拉力达到设定值时，x向移动机构11停止移动。在需要卸载时，参见图11和图12所示，释放气缸23工作，气控杆231受力快速下拉，从槽底和限位端222之间撤出，且在撤出的一瞬间，限位端222瞬间失去限位，拉钩22发生顺时针旋转，使试验模型得到快速释放，从槽底和限位端222之间撤出的瞬间，试验模型开始释放，直至试验模型的钩环与挂物端221完全脱离，完成试验模型的完全释放。由于受到的外拉力消失(实现卸载)，试验模型产生振动。
69.该加卸载系统通过各移动机构11的移动，实现位置的调节，能够应用在不同尺寸、不同角度的试验模型，且加载过程中外部干扰力小，能够保证试验模型的受力无倾斜夹角，在整个试验过程中，试验模型受到的拉力从有到无均能够被测力传感器24测量，且使试验模型得到快速释放，满足试验需求。
70.需要说明的是，模型连接机构2沿空间直角坐标系的y向布或者x向布置与沿z向布置相比，仅是模型连接机构2的安装方向不同，其使用过程基本相同，在此不再赘述。
71.还需要说明的是，测力传感器24为现有传感器，在此不再赘述。
72.为了能够匹配更多的试验需要，在一些优选实施方式中，加卸载系统包括两个模型连接机构2，且两个模型连接机构2分别沿空间直角坐标系的z向、x向和y向中的其中两个方向布置并固定安装在支撑座12，例如，参见图7所示，，两个模型连接机构2分别沿z向和y向布置。参见图9和图10所示，模型连接机构2分别沿z向和y向布置。当然在其他一些实施方式中，两个模型连接机构2分别沿x向和z向布置，或者x向和y向布置。
73.在其他一些实施方式中，加卸载系统包括三个模型连接机构2，且三个模型连接机构2分别沿空间直角坐标系的z向、x向和y向布置并固定安装在支撑座12。
74.在一些优选实施方式中，参见图3～图5所示，移动机构11包括外壳111、动力机构112、滑动板113和两个移动副114。
75.其中，参见图3所示，外壳111包括壳体1111和盖体1112，壳体1111的两侧壁设有与滑动板113滑动行程相对应的凹口，使盖体1112盖设于壳体1111时，壳体1111与盖体1112之间形成与滑动行程相匹配的滑动板滑道1113。
76.参见图4和图5所示，移动副114包括调节滑轨1141和调节滑块1142，调节滑轨1141设置在壳体1111上，调节滑块1142与调节滑轨1141滑动连接，两个移动副114的调节滑轨1141平行间隔设置。z向的移动机构11的调节滑轨1141沿z向布置。x向的移动机构11的调节滑轨1141沿x向布置。y向的移动机构11的调节滑轨1141沿y向布置。
77.动力机构112在设置两个调节滑轨1141之间，其包括伺服电机1121、螺杆1122、螺母1123和支撑块1124，螺母1123与螺杆1122螺纹连接，螺杆1122的一端通过减速机1125与伺服电机1121连接，另一端通过轴承与支撑块1124转动连接，螺杆1122与调节滑轨1141平行间隔设置。
78.滑动板113与螺母1123和两个移动副114的调节滑块1142连接，且该滑动板113的两端从位于两侧的滑动板滑道1113伸出壳体1111。
79.参见图2所示，x向的移动机构11的壳体1111与z向的移动机构11的滑动板113连接，y向的移动机构11的壳体1111与x向的移动机构11的滑动板113连接,支撑座12与y向移动机构11的滑动板113连接。该加载机构运行平稳，布局合理，能够保证加载过程中，外拉力方向不发生变化。
80.在一个具体地实施方式中，一个移动机构11的壳体1111与另一个移动机构11的伸出其壳体1111的滑动板113通过螺栓连接。
81.需要说明的是，根据需要三个方向布置的移动机构11的尺寸可以根据需要调整，各移动机构11的外壳形状也可以出于安装、避让等方面考虑进行相应的变化，在此不作限定。
82.在一个实施方式中，伺服电机1121选用带制动刹车的伺服电机，具备断电抱闸功能，实现各向布置的移动机构11在滑动行程中任意位置的刹车固定。
83.在另一些优选实施方式中，参见图6所示，移动机构11还包括锁止结构115，锁止结构115设置在两个调节滑轨1141之间，其包括锁紧导轨1151、锁紧片1153和锁紧气缸1154，锁紧导轨1151与调节导轨1141平行设置，且锁紧导轨1151包括两个相对间隔设置的l形板，形成锁紧通道1152，两个l形板的间隔距离大于锁紧气缸1154的活塞杆的直径，小于锁紧片1153的尺寸，锁紧气缸1154的缸筒设置在滑动板113上，锁紧片1153固定在锁紧气缸1154的活塞杆端部，且位于锁紧通道1152内，锁紧气缸1154与伺服电机1121联动控制，伺服电机1121停止工作时，活塞杆收缩，锁紧片1153抵紧在锁紧导轨1151，使调节滑块1142相对调节导轨1141锁止固定。
84.为了更好的实现对移动机构11滑动行程的限制，在一些优选实施方式中，在调节导轨1141或者锁紧导轨1151的两端分别设有行程开关，用于限制调节滑块1142的滑动行程。
85.在一些实施方式中，可以通过电机的转动圈数来确定移动距离，也可以通过拉线编码器116来确定移动距离。
86.为了方便布置测力传感器以及减小设备体积，在一些实施方式中，参见图8～图10所示，拉伸座21的左侧设有缺口，测力传感器24设置在缺口位置，一端通过丝杆26与拉伸座21连接，另一端与支撑座12连接。
87.在一些优选地实施方式中，参见图11和图12所示，转轴27的两端通过轴承固定通槽111的两侧槽壁，拉钩22固定于转轴27。即拉钩22与转轴27相对拉伸座21同步转动。更优选地，拉钩22的挂物端221和限位端222之间设有一通孔，通孔内侧设有键槽，转轴27上设有与键槽相配合的键结构，通过键槽与键结构配合，实现拉钩22与转轴27的固定，方便拆卸和更换。
88.在另外一些实施方式中，也可以通过轴承安装在转轴27上，即转轴27不转动，拉钩22相对转轴27转动。
89.为了减少试验模型与挂物端221之间的接触面，在一些优选实施方式中，参见图8所示，挂物端221为尖劈结构，其尖端朝向槽底，对尖端进行完全倒圆角，减少试验模型钩环上的受力侧与挂物端221的接触面积，在完全倒圆角后，弧面最靠近槽底处的切面与槽底平
行。
90.在一些优选实施方式中，参见图11和图12所示，气控杆231的端部设有限位块232，能够避免气控杆231磨损，并且能够更好的实现与限位端222的匹配以及更方便更换。气控杆231通过限位块232阻止限位端222向朝向槽底方向转动。
91.进一步优选地，在气控杆231套设有一压缩弹簧233，压缩弹簧233一端抵在气缸13的缸筒上，另一端抵在限位块232,当气控杆231向下运动，限位块232随气控杆231运动，从槽底和限位端222之间撤出，此时压缩弹簧233被压缩，此时压缩弹簧233对限位块232具有回弹力，在气控杆231快速向上运动过程中，在压缩弹簧233回弹力的作用下，能够较好的保证气控杆231能够运动的指定位置，避免气控杆231因机械结构松动或者停止后回弹而影响对拉钩22的限位，尤其是在交错距离较小的情况下，此方案更具有优势。
92.更优选地，限位端222靠近槽底的一侧面为平面，限位块232与槽底和限位端222相配合的一侧面为平面。需要说明的是，限位块232与气控杆231之间的连接方式可以为螺纹连接、螺栓连接或者焊接等方式，在此不作限定。
93.为了在实现稳定支撑的同时尽可能的缩短从槽底和限位端222撤出时间，在优选实施方式中，限位块232与限位端222的交错长度为1mm～3mm，例如，1mm、1.5mm、2mm、2.3mm、2.6mm、3mm等。此范围内时在提供较稳定支撑(阻止转动)的同时，能够尽可能的缩短从槽底和限位端222撤出时间，减少对测力传感器测力精准度的影响。
94.在一个具体实施方式中，气控杆231与限位端222的交错距离为1mm，使用1mpa的气源作为驱动力，气缸采用50mm缸径，根据动能公式得到活塞(气控杆)运动速度约为0.21m/s。由此可以算出，气控杆231与限位端222交错1mm，气控杆231撤出的时间约为4.7ms，在气控杆撤出后，阻断力的传递，拉钩22的挂物端221朝向试验模型方向旋转，试验模型得到快速释放。需要说明的是，此实施方式仅为示例，在其他一些实施方式中，气源压力和缸径可以根据试验需要选择，以调整气控杆从槽底与限位端222之间撤出的时间。需要说明的是，本技术的方案中，在理想情况下，撤出的时间并不会对试验模型释放过程直接造成不利影响，但由于实际应用中加工精度和装配精度难以达到完全理想状态，因此，撤出的时间越快，对测力的准确度以及试验模型的不利影响越小。还需要说明的是，本发明主要贡献在于提供一种满足试验需要的装置，而针对限位块232与限位端222的交错长度以及气控杆231的运动速度，在本发明所提供装置的基础上，本领域技术人员能够根据需要进行选择。
95.在释放瞬间，为了防止拉钩22击中试验模型，在一些优选实施方式中，参见图11和图12所示，在拉钩22的旋转路径上设有挡块212，该挡块212设置在槽底上，当拉钩22旋转至设定角度时，限位端222抵在挡块212，即拉钩22被挡块212所阻挡，停止转动。其中，设定角度为90
°
～180
°
之间，例如，90
°
、95
°
、98
°
、100
°
、110
°
、120
°
、150
°
等。
96.更优选地，挂物端221向远离槽底方向转动90
°
～120
°
之间的任一角度时，挡块212与限位端222接触。
97.在一些优选实施方式中，挡块212为磁铁材料制成，拉钩22为能被磁铁吸引的铁磁性材料制成，例如，铁、45号钢等，避免拉钩22被挡块212阻挡后回转。
98.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，不存在方案冲突的情况下，各个实施例中所提到的各
项技术特征均可以任意方式组合起来，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
99.此外，在不脱离本发明的范围的情况下，对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。