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用于捕获轨迹风洞试验的三自由度转角头设计

魏然 车兵辉 张钧 孙传宝 王新林

魏然, 车兵辉, 张钧, 等. 用于捕获轨迹风洞试验的三自由度转角头设计[J]. 实验流体力学, 2016, 30(6): 91-97. doi: 10.11729/syltlx20150141
引用本文: 魏然, 车兵辉, 张钧, 等. 用于捕获轨迹风洞试验的三自由度转角头设计[J]. 实验流体力学, 2016, 30(6): 91-97. doi: 10.11729/syltlx20150141
Wei Ran, Che Binghui, Zhang Jun, et al. The design of a 3-DOF robot arm used forcaptive trajectory simulation in wind tunnel test[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2016, 30(6): 91-97. doi: 10.11729/syltlx20150141
Citation: Wei Ran, Che Binghui, Zhang Jun, et al. The design of a 3-DOF robot arm used forcaptive trajectory simulation in wind tunnel test[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2016, 30(6): 91-97. doi: 10.11729/syltlx20150141

用于捕获轨迹风洞试验的三自由度转角头设计

doi: 10.11729/syltlx20150141
详细信息
    通讯作者:

    魏然(1987-), 男, 黑龙江大庆人。助理工程师。研究方向:低速空气动力试验技术。通信地址:四川省绵阳市北川县129信箱(622662)。E-mail:wrywrr@mail.ustc.edu.cn

  • 中图分类号: V211.73;TH122

The design of a 3-DOF robot arm used forcaptive trajectory simulation in wind tunnel test

  • 摘要: 设计了用于FL-12风洞捕获轨迹试验的三自由度转角头装置,该装置为机电一体化设备。介绍了三自由度转角头装置的结构设计,控制系统设计,驱动元件的选型计算及校核,并对装置进行了静力学与动力学分析以验证设计结果。结果表明,和现有装置相比,该三自由度转角头在俯仰和偏航方向的载荷能力均由100N·m提升至250N·m,可控制精度由0.1°提升至0.05°,在滚转方向的载荷能力由10N·m提升至20N·m,可控制精度由0.1°提升至0.05°。通过对试验装置风洞适用性的研究,在设计中对驱动元件及线缆的结构、整流装置的外形、装置总体尺寸等进行了优化,改善了现有设备线缆外露,外形整流性能较差以及风洞堵塞比较大等问题。
  • 图  1  现有移测架系统示意图

    Figure  1.  Sketch of former CTS system

    图  2  现有三自由度转角头资料照片

    Figure  2.  Picture of former 3-DOF robot arm

    图  3  方案一示意图

    Figure  3.  Sketch of scheme 1

    图  4  方案二示意图

    Figure  4.  Sketch of scheme 2

    图  5  方案三示意图

    Figure  5.  Sketch of scheme 3

    图  6  改进方案三示意图

    Figure  6.  Sketch of improved scheme 3

    图  7  三自由度转角头外形图

    Figure  7.  Shape of the 3-DOF robot arm

    图  8  传动结构示意图

    Figure  8.  Sketch of transmission structure

    图  9  整流罩内部结构图

    Figure  9.  Structure inside the cover

    图  10  轴叉结构示意图

    Figure  10.  Sketch of bushing structure

    图  11  三自由度转角头传动原理图

    Figure  11.  3-DOF robot arm transmission principle

    图  12  机构俯仰角度-电缸位移图

    Figure  12.  Calculation result of electric cylinder displacement

    图  13  俯仰机构角度-电缸推力图

    Figure  13.  Calculation result of electric cylinder thrust

    图  14  俯仰机构角度-电缸速度图

    Figure  14.  Calculation result of electric cylinder velocity

    图  15  三自由度转角头控制架构图

    Figure  15.  3-DOF robot arm control design

    图  16  轴叉及电缸铰链轴抗压计算应力图

    Figure  16.  Calculation result of bushing pressure

    图  17  电缸耳轴及支撑强度计算应力图

    Figure  17.  Calculation result of electric cylinder

    图  18  干涉及间隙计算结果

    Figure  18.  Calculation result of interposition

    表  1  三自由度转角头装置总体技术指标

    Table  1.   3-DOF robot arm technical specification

    项目现有能力设计要求
    俯仰载荷100N·m250N·m
    精度0.1°0.05°
    速度10°/s4°/s
    角度范围±45°±45°
    偏航载荷100N·m250N·m
    精度0.1°0.05°
    速度10°/s4°/s
    角度范围±45°±45°
    滚转载荷10N·m20N·m
    精度0.1°0.05°
    速度10°/s10°/s
    角度范围±180°±180°
    重量\60kg
    堵塞比\1.2%
    下载: 导出CSV

    表  2  选用材料力学性能参数

    Table  2.   Mechanical properties of used material

    材料屈服强度/MPa泊松比密度/(kg·m-3)
    7075-T65.05×1020.332.81×103
    30CrMnSiA8.35×1020.287.25×103
    下载: 导出CSV

    表  3  三自由度转角头设计结果

    Table  3.   3-DOF robot arm design result

    项目现有能力设计要求设计结果
    俯仰载荷100N·m250N·m306N·m
    精度0.1°0.05°0.016°
    速度10°/s4°/s4.56°/s
    偏航载荷100N·m250N·m306N·m
    精度0.1°0.05°0.016°
    速度10°/s4°/s4.56°/s
    滚转载荷10N·m20N·m23.5N·m
    精度0.1°0.05°0.0045°
    速度10°/s10°/s262°/s
    重量\60kg56kg
    尺寸/mm1070×295×295\1140×Φ210
    堵塞比\1.2%1.12%
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-01-05
  • 修回日期:  2016-04-09
  • 刊出日期:  2016-12-25

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    《实验流体力学》编辑部

    2021年8月13日