本發(fā)明涉及一種用于風(fēng)洞多體分離試驗(yàn)的空間六自由度機(jī)構(gòu)，屬于高超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于六維力測量的六自由度風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)┒宋蛔苏`差補(bǔ)償方法。

背景技術(shù)：

高超聲速風(fēng)洞多體分離試驗(yàn)，是在高超聲速風(fēng)洞開展各類高超聲速飛行器主體與分離體之間的安全分離特性和氣動特性模擬試驗(yàn)研究。在風(fēng)洞六自由度機(jī)構(gòu)試驗(yàn)中，由于機(jī)構(gòu)并非是絕對的剛性的，執(zhí)行末端受載荷作用會產(chǎn)生彈性變形。在非定常氣動載荷作用下，執(zhí)行末端在不同位姿的彈性變形產(chǎn)生不可忽視的彈性變形誤差，影響機(jī)構(gòu)的精度，使用壽命，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和真實(shí)性，即使在機(jī)構(gòu)部件的加工，機(jī)構(gòu)的安裝、裝配能很好的滿足條件，仍有必要對機(jī)構(gòu)的執(zhí)行末端的的彈性變形進(jìn)行誤差補(bǔ)償。因此，本發(fā)明提供一種基于六維力測量的六自由度風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)┒宋蛔苏`差補(bǔ)償方法，以解決上述問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：在進(jìn)行高超聲速風(fēng)洞多體分離試驗(yàn)的風(fēng)洞六自由度機(jī)構(gòu)中，由于該六自由度機(jī)構(gòu)并非是絕對的剛性的，該六自由度機(jī)構(gòu)的執(zhí)行末端受載荷作用會產(chǎn)生彈性變形，在非定常氣動載荷作用下該六自由度機(jī)構(gòu)的執(zhí)行末端在不同位姿的彈性變形產(chǎn)生不可忽視的彈性變形誤差，以至于影響風(fēng)洞試驗(yàn)的精確性和可靠性。

因此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于六維力測量的六自由度風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)┒宋蛔苏`差補(bǔ)償方法以解決上述問題，本發(fā)明的該基于六維力測量的六自由度風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)┒宋蛔苏`差補(bǔ)償方法采用的技術(shù)方案是包括如下步驟：

1、在風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)中，建立該六自由度機(jī)構(gòu)的執(zhí)行末端模型在單位六分量力作用下不同位姿的彈性變形構(gòu)成的彈性變形誤差表，即該六自由度機(jī)構(gòu)的執(zhí)行末端處于不同位姿下對應(yīng)于末端彈性變形誤差量的轉(zhuǎn)換矩陣；

2、基于上述轉(zhuǎn)換矩陣，通過運(yùn)動學(xué)逆解，由該六自由度機(jī)構(gòu)的執(zhí)行末端模型在單位六分量力作用下不同位姿的彈性變形構(gòu)成的彈性變形誤差表反解得到并建立不同位姿六個旋轉(zhuǎn)角度的末端位姿誤差補(bǔ)償表；

3、在某一時(shí)刻該六自由度機(jī)構(gòu)的執(zhí)行末端處于某一位姿時(shí)，檢索彈性變形誤差表，得到該位姿下單位六分量力作用下該六自由度機(jī)構(gòu)的執(zhí)行末端的彈性變形誤差量。根據(jù)末端模型內(nèi)部天平實(shí)時(shí)測量的末端六分量動態(tài)力，得到六維動態(tài)力彈性變形產(chǎn)生的末端位姿誤差，基于末端位姿誤差補(bǔ)償表實(shí)時(shí)修正六個旋轉(zhuǎn)角度，從而全行程動態(tài)補(bǔ)償氣動載荷作用產(chǎn)生的彈性變形誤差，使氣動載荷的彈性變形誤差降低。

本發(fā)明進(jìn)一步提供一種基于六維力測量的六自由度風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)┒宋蛔苏`差補(bǔ)償方法，其包括：

步驟1，建立一個六自由度機(jī)構(gòu)的執(zhí)行末端在單位六分量力的作用下不同位姿的關(guān)于該執(zhí)行末端的彈性變形的一個末端彈性變形數(shù)據(jù)庫；

步驟2，根據(jù)末端彈性變形數(shù)據(jù)庫，建立該執(zhí)行末端在不同位姿下的關(guān)于六個驅(qū)動電機(jī)的運(yùn)動旋轉(zhuǎn)角度的一個末端位姿誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)庫；以及

步驟3，在該六自由度機(jī)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)該末端位姿誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)庫對該六自由度機(jī)構(gòu)的該執(zhí)行末端的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

作為對本發(fā)明的該基于六維力測量的六自由度風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)┒宋蛔苏`差補(bǔ)償方法的進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例，在該步驟3中，進(jìn)一步包括步驟：

步驟3.1，該六自由度機(jī)構(gòu)的該執(zhí)行末端在某一時(shí)刻處于某一位姿時(shí)，基于執(zhí)行末端實(shí)時(shí)六分量力受載測量，通過該末端彈性變形數(shù)據(jù)庫得到該執(zhí)行末端在該時(shí)刻該位姿下的變形量；

步驟3.2，根據(jù)該執(zhí)行末端該時(shí)刻該位姿下的變形量和該末端位姿誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)庫，得到需要對該執(zhí)行末端進(jìn)行補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償量；以及

步驟3.3，根據(jù)該補(bǔ)償量對該六自由度機(jī)構(gòu)的該執(zhí)行末端的變形進(jìn)行補(bǔ)償。

作為對本發(fā)明的該基于六維力測量的六自由度風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)┒宋蛔苏`差補(bǔ)償方法的進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例，在該步驟3.3中，通過該六自由度機(jī)構(gòu)的各個不同自由度的伺服電機(jī)根據(jù)該補(bǔ)償量對該六自由度機(jī)構(gòu)的該執(zhí)行末端的變形進(jìn)行補(bǔ)償。

作為對本發(fā)明的該基于六維力測量的六自由度風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)┒宋蛔苏`差補(bǔ)償方法的進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例，在該步驟1中，通過樣條曲線插值法建立該末端完整運(yùn)動空間、全部位姿下彈性變形數(shù)據(jù)庫。

本發(fā)明的該基于六維力測量的六自由度風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)┒宋蛔苏`差補(bǔ)償方法的有益效果是：

1、該基于六維力測量的六自由度風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)┒宋蛔苏`差補(bǔ)償方法基于該六自由度機(jī)構(gòu)的執(zhí)行末端測量的彈性誤差補(bǔ)償，減少了中間環(huán)節(jié)，能夠有效且方便地降低該六自由度機(jī)構(gòu)的執(zhí)行末端的彈性變形誤差，提高了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性，更好的模擬了工程實(shí)際情況。

2、該六自由度機(jī)構(gòu)的執(zhí)行末端所受風(fēng)載分布力轉(zhuǎn)換到集中于末端的集中力的測量，便于實(shí)施。

3、通過試驗(yàn)、建立數(shù)據(jù)庫、試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)庫條用各個步驟，邏輯清晰，減少了數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，節(jié)約了時(shí)間，提高了效率，降低了風(fēng)洞試驗(yàn)成本。

附圖說明

為了獲得本發(fā)明的上述和其他優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，以下將參照附圖中所示的本發(fā)明的具體實(shí)施例對以上概述的本發(fā)明進(jìn)行更具體的說明。應(yīng)理解的是，這些附圖僅示出了本發(fā)明的典型實(shí)施例，因此不應(yīng)被視為對本發(fā)明的范圍的限制，通過使用附圖，將對本發(fā)明進(jìn)行更具體和更詳細(xì)的說明和闡述。在附圖中：

圖1是六自由度機(jī)構(gòu)的示意圖。

圖2是該基于六維力測量的六自由度風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)┒宋蛔苏`差補(bǔ)償方法的控制流程示意圖。

圖3是該基于六維力測量的六自由度風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)┒宋蛔苏`差補(bǔ)償方法的流程示意圖。

具體實(shí)施方式

以下描述用于揭露本發(fā)明以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明。以下描述中的優(yōu)選實(shí)施例只作為舉例，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到其他顯而易見的變型。在以下描述中界定的本發(fā)明的基本原理可以應(yīng)用于其他實(shí)施方案、變形方案、改進(jìn)方案、等同方案以及沒有背離本發(fā)明的精神和范圍的其他技術(shù)方案。

如圖1所示，一個用于風(fēng)動試驗(yàn)的六自由度機(jī)構(gòu)包括一個Z向運(yùn)動機(jī)構(gòu)1、一個X向運(yùn)動機(jī)構(gòu)2、一個偏航運(yùn)動機(jī)構(gòu)3、一個Y向運(yùn)動該機(jī)構(gòu)4、一個俯仰運(yùn)動機(jī)構(gòu)5以及一個滾轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)6，其中該Z向運(yùn)動機(jī)構(gòu)1、該X向運(yùn)動機(jī)構(gòu)2、該偏航運(yùn)動機(jī)構(gòu)3、該Y向運(yùn)動機(jī)構(gòu)4、該俯仰運(yùn)動機(jī)構(gòu)5和該滾轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)6相互串聯(lián)在一起并且非耦合，以實(shí)現(xiàn)該六自由度機(jī)構(gòu)的各個自由度的單獨(dú)運(yùn)動。該滾轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)6的執(zhí)行末端設(shè)置一個天平，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)六維力測量，可以測量出六分量氣動載荷，由于該六自由度機(jī)構(gòu)具有非絕對剛性的特性和在試驗(yàn)環(huán)境中非定常量氣動載荷機(jī)構(gòu)末端的作用從而產(chǎn)生彈性誤差。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的是：

第一，慣性力是分布力，不用考慮力傳遞的時(shí)間，慣性力作用在物體的瞬間，物體立即產(chǎn)生形變，即形變不需要時(shí)間。

第二，由慣性力引起的變形為彈性變形，彈性系數(shù)不變，遵循胡克定律。

第三，慣性力造成的該六自由度機(jī)構(gòu)的執(zhí)行末端的末端位姿誤差的原因在于滑塊變形和模型變形兩個部分。

第四，該六自由度機(jī)構(gòu)的執(zhí)行末端的變形是連續(xù)的，可以積分。

第五，與采用剛性構(gòu)件的運(yùn)動分析方法得到的該六自由度機(jī)構(gòu)的名義運(yùn)動的位移相比，由構(gòu)件彈性變形引起的彈性位移很小。

第六，這種彈性位移不會影響該六自由度機(jī)構(gòu)的名義運(yùn)動。

由第五點(diǎn)和第六點(diǎn)可以知道，該六自由度機(jī)構(gòu)的真實(shí)運(yùn)動的位移可以看作名義運(yùn)動的位移和彈性位移的疊加，而彈性位移可以看作該六自由度機(jī)構(gòu)的彈性誤差。

讓該六自由度機(jī)構(gòu)的執(zhí)行末端承受氣動載荷并調(diào)節(jié)至天平六分量力測量值分別為單位載荷F_x(e)，F(xiàn)_y(e)，F(xiàn)_z(e)，M_x(e)，M_y(e)，M_z(e)，并測量出該六自由度機(jī)構(gòu)的執(zhí)行末端在不同位姿下的的彈性變形誤差，從而得出某一位姿下該六自由度機(jī)構(gòu)的執(zhí)行末端承受單位六分量載荷而產(chǎn)生的彈性變形誤差量的轉(zhuǎn)換矩陣T，其中式(1)為其計(jì)算式：

最終得到的該為六自由度機(jī)構(gòu)的執(zhí)行末端在某一位姿(X_i，Y_j，Z_k，α_l，β_m，γ_n)下單位六分量力作用下彈性變形誤差表，如下表所示：

因?yàn)樵摿杂啥葯C(jī)構(gòu)的執(zhí)行末端的位姿狀態(tài)較多，若將末端彈性誤差表全部建立，會造成數(shù)據(jù)龐大，查表耗時(shí)較長，故在建表時(shí)的處理方法是在能很好的滿足該六自由度機(jī)構(gòu)運(yùn)動性能和精度的情況下，選取一定的位姿區(qū)間量δx，δy，δz，δα，δβ，δγ，使測量讀取的每兩個位姿之間間隔該位姿區(qū)間量。由于在實(shí)際運(yùn)動中，該六自由度機(jī)構(gòu)的執(zhí)行末端的末端運(yùn)動軌跡是連續(xù)的，位移、速度是可求導(dǎo)、可積分的，彈性誤差變形也是漸變的，所以對于某個位姿不在上表中時(shí)，采用樣條曲線插值方法來得出該位姿下的末端彈性誤差變形量。

經(jīng)過式(1)計(jì)算和查上表得到末端變形誤差量Δx，Δy，Δz，Δα，Δβ，Δγ后，經(jīng)運(yùn)動學(xué)反解得出六個驅(qū)動滑塊的線位移誤差量ΔL₁，ΔL₂，ΔL₃，ΔL₄，ΔL₅，ΔL₆，并最終得到六個驅(qū)動電機(jī)的運(yùn)動角位移誤差補(bǔ)償量Δθ_x，Δθ_y，Δθ_z，Δθ_α，Δθ_β，Δθ_γ，其計(jì)算過程中的運(yùn)動學(xué)反解矩陣由矩陣H，K給出其中式(2)和式(3)為其計(jì)算式：

最終得到的末端彈性變形基于運(yùn)動學(xué)反解得下的驅(qū)動電機(jī)角位移補(bǔ)償量表如下表所示：

同樣，由樣條曲線插值方法來得出某一位姿下的末端彈性誤差變形量在表(2)中無法找到與之一一對應(yīng)的系列，基于運(yùn)動的連續(xù)性，同樣采取樣條曲線插值方法得到該位姿下的末端彈性誤差變形對應(yīng)的驅(qū)動電機(jī)角位移補(bǔ)償量。

當(dāng)一末端位姿為(X_r，Y_r，Z_r，α_r，β_r，γ_r)，對應(yīng)的該位姿下末端彈性變形量為(Δx_r，Δy_r，Δz_r，Δα_r，Δβ_r，Δγ_r)，對應(yīng)的電機(jī)角位移補(bǔ)償量為(Δθ_x^(r)，Δθ_y^(r)，Δθ_z^(r)，Δθ_α^(r)，Δθ_β^(r)，Δθ_γ^(r))。當(dāng)末端六分量力載荷為(aF_x(e)^(r)，bF_y(e)^(r)，cF_z(e)^(r)，dM_x(e)^(r)，eM_y(e)^(r)，fM_z(e)^(r))，則電機(jī)角位移補(bǔ)償量為(aΔθ_x^(r)，bΔθ_y^(r)，cΔθ_z^(r)，dΔθ_α^(r)，eΔθ_β^(r)，fΔθ_γ^(r))。通過反復(fù)修正，直至誤差在機(jī)構(gòu)允許范圍之內(nèi)。

如圖3所示，本發(fā)明進(jìn)一步提供一種基于六維力測量的六自由度風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)┒宋蛔苏`差補(bǔ)償方法，其包括步驟：

步驟1，建立一個六自由度機(jī)構(gòu)的執(zhí)行末端在單位六分量力的作用下不同位姿的關(guān)于該執(zhí)行末端的彈性變形的一個末端彈性變形數(shù)據(jù)庫；

步驟2，根據(jù)末端彈性變形數(shù)據(jù)庫，建立該執(zhí)行末端在不同位姿下的關(guān)于六個旋轉(zhuǎn)角度的一個末端位姿誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)庫；以及

步驟3，在該六自由度機(jī)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)該末端位姿誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)庫對該六自由度機(jī)構(gòu)的該執(zhí)行末端的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

優(yōu)選地，在該步驟3中，進(jìn)一步包括步驟：

步驟3.1，該六自由度機(jī)構(gòu)的該執(zhí)行末端在某一時(shí)刻處于某一位姿時(shí)，通過該末端彈性變形數(shù)據(jù)庫得到該執(zhí)行末端的變形量；

步驟3.2，根據(jù)該執(zhí)行末端的變形量和該末端位姿誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)庫，得到需要對該執(zhí)行末端進(jìn)行補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償量；以及

步驟3.3，根據(jù)該補(bǔ)償量對該六自由度機(jī)構(gòu)的該執(zhí)行末端的變形進(jìn)行補(bǔ)償。

優(yōu)選地，在該步驟3.3中，通過該六自由度機(jī)構(gòu)的各個不同自由度的伺服電機(jī)根據(jù)該補(bǔ)償量對該六自由度機(jī)構(gòu)的該執(zhí)行末端的變形進(jìn)行補(bǔ)償。

優(yōu)選地，在該步驟1中，通過樣條曲線插值法建立該執(zhí)行末端完整運(yùn)動空間、全部位姿下的彈性變形數(shù)據(jù)庫。

以上對本發(fā)明的一個實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)說明，但該內(nèi)容僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，不能被認(rèn)為用于限定本發(fā)明的實(shí)施范圍。凡依本發(fā)明申請范圍所作的均等變化與改進(jìn)等，均應(yīng)仍歸屬于本發(fā)明的專利涵蓋范圍之內(nèi)。