探针测量校准系统机械结构设计

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判断气流速度的大小与方向，被广泛应用于低速风洞实验各种大角度的流动测量。七孔探针测量流动角度范围大并且设备简单对环境要求低价格低廉用于流场的测量有着广阔的前景。本文研究的是种七孔探针三维自动测速系统的机械结构设计,该机械结构具有两个转动自由度和较高的传动精度。能够使探针实现相互垂直的回转运动。该系统由七孔探针，异步电动机，行星齿轮减速器，直锥齿轮，同步带传动系统组成。其特点是大广角,角的范围从到高灵敏度系统的测速范围从到系统的旋转角度从到。整个测量过程全部由计算机自动控制,自动进行数据处理。关键词七孔探针风洞实验自动标定目录中文摘要第章绪论.风洞及七孔探针简介.探针标定技术的发展状况第二章探针自动定位结构总体设计.系统组成.系统特性.总体方案拟定.主要设计参数及校核.探针支架的具体设计轴部分转动设计轴转动设计夹具部分设计底座设计.材料选择.同步带的参数设计及选择同步带的概述同步带的特点同步带传动的主要失效形式同步带传动的设计准则同步带分类同步带的主要参数同步带及带轮的选择第三章电机选择和芯轴设计.伺服电机的选取.芯轴结构设计.芯轴强度校核第四章探针自动标定机构使用时注意事项.安全要求.实施方法结论致谢参考文献第章绪论.风洞及七孔探针简介风洞，是能人工产生和控制气流，以模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象的种管道状实验设备，它是进行空气动力实验最常用最有效的工具。图风洞实验室组成风洞主要由洞体驱动系统和测量控制系统组成，各部分的形式因风洞类型而异。图低速风洞翼型实验种类风洞种类繁多，有不同的分类方法。按实验段气流速度大小来区分，可以分为低速高速和高超声速风洞。流场测量中,经常遇到复杂的三维大角度流动情况,如燃气轮机涡轮叶片尾缘,飞机翼型附近的复杂流场。通常用种测量工具来测量流场中的速度分布三孔压力探针,五孔压力探针和热线探头。但是由于探针只能在俯仰角和侧滑角不超过􀀁􀀁时才能准确测量,而热线探头则容易被空气中的尘土颗粒碰断,并且测量的是空间平面的平均速度分布,并非是空间点速度分布。所以为了测量大角度的复杂三维流场采用七孔压力探针简称七孔针。尽管采用七孔针测量流场需要大量时间并且校验方法也极其复杂,但是可以对大角度流场进行准确的测量。图测压孔位置分布图探针真实尺寸七孔压力探针既是种高性能的流场测量仪器，又是种有效而又精确的测量方法。通过测量七个孔的压力值，利用已校准的数据库和局部最小二乘法插值，就能够精确地确定速度的大小和方向总压和静压马赫数雷诺数以及诸如密度和粘性等流场性质。与激光多普勒测速仪粒子成象测速仪以及热线风速仪相比，七孔探针有它自身的优越性价格便宜，设备简单，测量方法简单，对环境要求低，精度很高等。目前许多飞机已广泛采用前缘边条，前掠翼和鸭式布局的飞机也已研制出来。这些气动布局证明，利用强旋涡控制可提高飞机的机动性。像协和号超音速客机的机翼，实际上与涡升力的复杂流动有关。形弯曲进气道的强漩流也是引起发动机喘震的重要原因之。如果机翼上主次涡的干扰处置不当，会引起气流分离和升力损失。虽然流动显示技术对漩涡干扰可以做到直观而又深刻的了解，但不能进行定量测量。七孔探针的出现，其目的在于能够高精度地测量流动角高达度的流动，能用于风洞实验模型周围及其后面尾迹的复杂流动的定量测量。因此从八十年代以来七孔探针直被广泛用于大角度复杂流动的测量，其意义在于适应我国航天科学研究发展的需要，为目前和将来能设计出更先进的飞机为国防事业提供有力的帮助。虽然现在七孔探针在不可压缩流测量中的应用越来越广泛，但目前的七孔探针测量系统对数据的采集和处理过程也相当繁琐且处理周期比较长，直没有形成个高效的测量系统。特别是在些特定场合，如全尺寸测量，飞行实测以及恶劣环境下的流动测量等，要求测试系统必须具有稳定性好，操作简单，高精度的特性。现代海战越来越强调海空协调作战，从而促使海军直升机得到迅速的发展。海军直升机具有强大反潜反舰等功能，执行不同的任务，投放的导弹或鱼雷也有所不同，因此投放方式有所差距。有的投放不需要开伞，而有的则需要，飞行投放开伞靠开伞绳的长短来实现。为了确保加装带伞鱼雷投放的安全性，急需对投雷环境弹舱下部的气流流场进行测量，为投放方案设计提供依据。目前，国内外对直升机流场进行飞行实测研究非常少，直升机复杂的气动特性，特别是在机腹的流场特性，除了受前飞速度的影响外，还受到旋翼所产生的下洗速度，直升机的复杂外形以及自然风等因素的影响，使得流场难以预测。因此，结合七孔探针流场测量的优点，针对直升机腹部流场测量的要求，开发出套适用性强，性能优良的七孔探针实时测试系统是十分必要的。同时，界面友好，实时性强的测试系统也能为七孔探针的广泛应用提供方便。目前，国内对七孔探针的研究与运用仅局限在低速不可压缩流中，随着四代战斗机的出现，超音速巡航，高机动性成为飞机的重要性能指标，此时对飞机流场的研究仅靠在低速中测量是远远不够的，又由于其他测量手段的局限性，急需对七孔探针在可压缩流中乃至超音速流中应用进行研究。对七孔探针进行可压缩测量方法研究如果采用实验的方法，则所需采集点数目繁多，对实验仪器的安装与可靠性都要求非常高，同时需要大量的集中气源，使得校准费用变得非常昂贵。数值计算是近年来在流体力学理论研究和实际工程应用中发挥了巨大作用的有力工具之，对七孔探针在可压缩中的校准理论研究阶段采用数值计算的手段是非常合理和必要的，通过研究七孔探针的绕流以及受力分析能够为实验方案的设计与优化提供非常有利的帮助。我国学者对七孔探针已有定量的研究，在研究实验过程中也发现了七孔探针测量流场时的局限性，受加工工艺水平，测量方法和测量设备的影响。在解决七孔探针问题的过程中，我们意识到七孔探针作为种流场测量工具，不仅要求其测量结果合理精确，同样重要的是使用要方便实用，鉴于七孔探针校准及测量方法都很繁琐，所以急需用计算机语言编写出套完整的校准及测量程序，使其拥有友好实用的界面，方便使用者进行七孔探针测量流场。七孔探针校准及测量程序要求与硬件设计结合，自动完成数据采集处理过程，校准和测量算法内嵌其中，并且可以扩展变化。这样，七孔探针就有了继续深入研究和技术发展的平台，七孔探针的使用也会得以简化，使七孔探针应用有更广阔的前景。.探针标定技术的发展状况近年来，定位系统的研究不断深入，出现了各种定位的先进思想和技术。如船舶动力定位系统，大型加工工件的定位系统，伺服控制定位系统，工作台定位系统，曲线定位系统等。动力定位系统于上世纪年代后期由美国海军研制成功，起初主要应用于潜水艇支持船军用海底电缆铺设等作业。从上世纪年代初开始，随着北海油田墨西哥湾油田的大规模开发，动力定位系统被广泛应用于油田守护平台避碰水下工程施工海底管线检修水下机器人跟踪等作业。尤其是年代以来，随着海上勘探开发逐步向深水和超深水以上发展，几乎所有的深水钻井船油田守护船都装备了动力定位系统。据初步估计，目前全世界装备动力定位系统的各类船只已超过力艘。在年，我国唯的艘专门从事国际海底区域资源勘查研究开发的远洋科学考察船“大洋号”，进行了高起点的增改装工程，大大提高了全船的技术水平，成为达到国际先进水平的现代化综合性科学考察船。增改装工程中最重要的内容之便是增设动力定位系统，以满足科学调查作业的需要。动力定位系统在“大洋号”上的应用对于国内船舶动力定位系统的应用与发展有定借鉴意义。大型加工工件定位系统是具有尺寸误差自补偿，位置误差自修正功能的大型工件高精度定位系统。定位系统中采用的沉降锥销方法，基于视觉技术的软件补偿方法在其他定位机构中也具有推广价值，此外，大型磨床数控定位系统采用可编程序控制器的位控技术，利用旋转编码器直流调速系统步进电机控制及人机对话等方法，处理双轴在定位控制中的数据采集位置判别和定位控制，系统实现方法简便灵活，具有较强的抗干扰能力，可实现大型轴承机械加工设备的数控定位控制伺服控制定位系统利用具有高速运算能力的处理器为控制器。实现了个双伺服环定位控制系统。该系统达到较高的控制精度和运行效率对于工作台定位系统，清华大学设计了套基于单片机的显微镜工作台定位系统。机械传动部分采用小模数齿轮实现机械运动和动力的传递，单哈尔滨工程大学硕士学位论文片机电路控制部分实现计数脉冲的获取和电机的控制，上位机控制环节完成用户命令的发布。该系统可以按照预先设定的方式控制电机，实现显微镜工作台的二维运动，两方向重复定位精度士娜，满足了多波长光存储实验的要求，同时为医疗检验提供了自动化手段。第二章探针自动定位结构总体设计.系统组成探针定位系统是为了实现夹持探针在两个轴向进行定位的装置，是典型的机电体化产品，系统主要由机机与总线转换接口套相同的控制器和探针支架组成。机作为系统主节点，通过总线转换接口，实现机与总线间的通讯个控制器是总线的子节点，各子节点根据号，选择性地接收主节点通过总线下传的命令和数据，同时将其传递给位置伺服控制模块，控制电机驱动支架运动，电机的运动信息也通过总线实时地反馈给机探针支架是探针实现运动的载体，由微型电机驱动，实现转动控制。根据系统总体设计方案，采用自下而上的设计思路进行探针定位系统的开发设计，以保证系统开发的可靠性，同时又符合模块化设计思想在总体方案确定后，进行各功能模块的设计，并通过模块间的接口来组合成完整的系统。本课题着重研究机械部分的支架及电机问题。.系统特性通过对该系统结构以及实验要求的分析，该系统具有如下特性夹持直径小于.的杆式目标体实现沿轴向和周向的两自由度运动技术指标轴向角位移量程精度士.轴向角位移量程精度士.轴角速度轴角速度定位机构重量.总体方案拟定方案如图.图.方案原理图说明该装置有两个转动自由度，整个装置绕主电机轴线的回转运动和探针绕自身轴线的回转运动。主电机通过减速器连接到装置整体，使整个装置做回转运动，副电机通过蜗杆传动后带动同步带轮转动，经带传动变速后带动探针的夹紧装置转动，使探针做绕自身轴线的回转运动。方案如图.图.方案原理图说明该装置有两个转动自由度，整个装置绕主电机轴线的回转运动和探针绕自身轴线的回转运动。主电机通过减速器再连接到装置整体，是整个装置做回转运动，实现探针的俯仰运动。副电机通过直齿锥齿轮第次换向后，带动第二幅直齿锥齿轮和第三幅直齿锥齿轮两次换向后带动探针的夹紧装置转动，从而使探针绕自身轴线做回转运动。副电机作为配重计算，这样不但实现了探针的回转的运动，而且平衡了装置运动时的偏置。方案如图.图.方案原理图说明该装置有两个转动自由度，整个装置绕主电机轴线的回转运动和探针绕自身轴线的回转运动。主电机通