重载短行程高速高精准定位的快插机构及动力学轨迹规划方法技术

发明专利技术提供重载短行程高速高精准定位的快插机构及其动力学轨迹规划方法。该快插机构包括安装板、位移传感器和驱动器。所述位移传感器为光栅尺。所述位移传感器包括光栅尺主尺和光栅尺读数头。所述光栅尺主尺布置在安装板的板面上。所述光栅尺读数头与机架固定连接。所述驱动器为直线电机。所述驱动器包括直线电机次级和两个直线电机初级。所述驱动器采用双边短初级布置形式。工作时，快插机构沿竖直Y方向或倾斜方向将模型送入风洞流场均匀区。在基本不改变运动速度和位移曲线平滑性的基础上，有效的降低了加速段和减速段的最大加速度值，从而不仅降低了直线电机在运动过程中的最大驱动力、减小峰值电流。减小峰值电流。减小峰值电流。

【技术实现步骤摘要】
重载短行程高速高精准定位的快插机构及动力学轨迹规划方法


[0001]本专利技术涉及航天
，特别涉及重载短行程高速高精准定位的快插机构及其动力学轨迹规划方法。

技术介绍

[0002]为了确保航天飞行器的功能、性能、可靠性和安全性，必须在风洞中进行各种风洞试验。快速插入机构是在风洞试验中模拟高超声速飞行器重返大气层的重要装备，用于获取相应的气动力、气动热等高动态气动特性。
[0003]目前国内外有关快速插入机构的试验设备有某国航天局研制的风洞直径为1.27m的模型快速插入机构、某国的1米模型支撑机构和我国的多套模型快速插入机构等。这些机构都具有一定的高精准定位功能，但在载荷、行程、速度、加速度和精准度等方面都有一定不足，特别是这些机构的轨迹规划都是基于经验和反复调试标定得出来的。
[0004]因此，开发适用于极端工况的通用快插机构及其动力学轨迹规划方法，具有重要的实际意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供重载短行程高速高精准定位的快插机构及其动力学轨迹规划方法，以解决现有技术中存在的问题。
[0006]为实现本专利技术目的而采用的技术方案是这样的，重载短行程高速高精准定位的快插机构，包括安装板、位移传感器和驱动器。
[0007]所述位移传感器为光栅尺。所述位移传感器包括光栅尺主尺和光栅尺读数头。所述光栅尺主尺布置在安装板的板面上。所述光栅尺读数头与机架固定连接。
[0008]所述驱动器为直线电机。所述驱动器包括直线电机次级和两个直线电机初级。所述安装板的板面上设置有用于容置直线电机次级的次级部件区段槽。所述直线电机次级嵌固在次级部件区段槽内。所述安装板、直线电机次级和光栅尺主尺共同组成运动组件。所述两个直线电机初级与机架固定连接。所述驱动器采用双边短初级布置形式。两个直线电机初级相对布置。所述运动组件夹设在两个直线电机初级之间。模型与安装板连接。工作时，快插机构沿竖直Y方向或倾斜方向将模型送入风洞流场均匀区。
[0009]进一步，所述安装板上具有孔洞以减轻自重。
[0010]本专利技术还公开一种根据上述快插机构的动力学轨迹规划方法，包括以下步骤：
[0011]1)采用七段式三角函数加减速法对快插机构进行加减速度控制规划，得到加减速曲线方程。其中，七段式三角函数包括加加速段、匀加速段、减加速段、匀速段、加减速段、匀减速段和减减速段七段。七段式三角函数加减速法的加速度函数表达式如式(1)所示。
[0012][0013]式中，A
am
为加速段最大加速度，A
dm
为减速段最大加速度，t
am1
为加加速段所用时间，t1为匀加速段时间，t
am2
为减加速段所用时间，t
c
为匀速段所用时间，t
dm1
为加减速段的时间，t2为匀减速段所用时间，t
dm2
为减减速段所用时间。t
a
为预加速段时间限制。t
v
为有效段时间限制。
[0014]2)以步骤1)求解得到的三角函数加减速曲线方程为约束条件，设计以驱动力和直线电机做功功率最小化为目标函数的优化模型。得到电机驱动力函数。
[0015]本专利技术的技术效果是毋庸置疑的：
[0016]A.运动部件不带电，直线电机前后并联，磁极力前后平衡，导轨滑块仅承担少量不平衡力；
[0017]B.提供一种基于动力学模型，以运动时间、速度、位移等物理量为约束条件，以驱动力及驱动功率为优化目标的轨迹优化设计方法；
[0018]C.在基本不改变运动速度和位移曲线平滑性的基础上，有效的降低了加速段和减速段的最大加速度值，从而不仅降低了直线电机在运动过程中的最大驱动力、减小峰值电流，还能够指导和优化直线电机、控制系统、相关电缆等系统配件的选型。
附图说明
[0019]图1为快插机构结构示意图；
[0020]图2为快插机构正视图；
[0021]图3为快插机构俯视图；
[0022]图4为光栅尺读数头示意图；
[0023]图5为七段式三角函数加速度曲线示意图；
[0024]图6为七段式三角函数速度曲线示意图；
[0025]图7为七段式三角函数位移曲线示意图；
[0026]图8为不同三角函数轨迹规划位移曲线；
[0027]图9为不同三角函数轨迹规划速度曲线；
[0028]图10为不同三角函数轨迹规划加速度曲线；
[0029]图11为不同三角函数轨迹规划F
‑
V曲线；
[0030]图12为不同三角函数轨迹规划合力曲线；
[0031]图13为不同三角函数轨迹规划功率曲线；
[0032]图14为实验测得的位移速度加速段图。
[0033]图中：运动构件的安装板1、直线电机初级2、直线电机次级3、光栅尺主尺4、光栅尺读数头5、直线电机初级的接线盒6。
具体实施方式
[0034]下面结合实施例对本专利技术作进一步说明，但不应该理解为本专利技术上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本专利技术上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本专利技术的保护范围内。
[0035]实施例1：
[0036]参见图1～图4，本实施例公开重载短行程高速高精准定位的快插机构，包括安装板、位移传感器和驱动器。
[0037]所述位移传感器为光栅尺。所述位移传感器包括光栅尺主尺和光栅尺读数头。所述光栅尺主尺布置在安装板的板面上。所述光栅尺读数头与机架固定连接。
[0038]所述驱动器为直线电机。所述驱动器包括直线电机次级和两个直线电机初级。所述安装板的板面上设置有用于容置直线电机次级的次级部件区段槽。所述安装板上具有孔洞以减轻自重。所述直线电机次级嵌固在次级部件区段槽内。所述安装板、直线电机次级和光栅尺主尺共同组成运动组件。所述两个直线电机初级与机架固定连接。所述驱动器采用双边短初级布置形式。两个直线电机初级相对布置。所述运动组件夹设在两个直线电机初级之间。模型与安装板连接。快插机构固定安装在机架上，模型安装在快插机构的驱动器上，工作时，快插机构沿竖直Y方向或倾斜方向将模型送入风洞流场均匀区。
[0039]实施例2：
[0040]本实施例公开一种根据实施例1所述快插机构的动力学轨迹规划方法，包括以下步骤：
[0041]1)采用七段式三角函数加减速法对快插机构进行加减速度控制规划，得到加减速曲线方程。其中，七段式三角函数包括加加速段、匀加速段、减加速段、匀速段、加减速段、匀减速段和减减速段七段。七段式三角函数加减速法的加速度函数表达式如式(1)所示。
[0042][0043]式中，A
am
为加速段最大加速度，A
dm
为减速段最大加速度，t
am1
为加加速段所用时间，t1为匀加速段时间，t
am2<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.重载短行程高速高精准定位的快插机构，快插机构固定安装在机架上，其特征在于：包括安装板(1)、位移传感器和驱动器；所述位移传感器为光栅尺；所述位移传感器包括光栅尺主尺(4)和光栅尺读数头(5)；所述光栅尺主尺(4)布置在安装板(1)的板面上；所述光栅尺读数头(5)与机架固定连接；所述驱动器为直线电机；所述驱动器包括直线电机次级(3)和两个直线电机初级(2)；所述安装板(1)的板面上设置有用于容置直线电机次级(3)的次级部件区段槽；所述直线电机次级(3)嵌固在次级部件区段槽内；所述安装板(1)、直线电机次级(3)和光栅尺主尺(4)共同组成运动组件；所述两个直线电机初级(2)与机架固定连接；所述驱动器采用双边短初级布置形式；两个直线电机初级(2)相对布置；所述运动组件夹设在两个直线电机初级(2)之间；模型与安装板(1)连接；工作时，快插机构沿竖直Y方向或倾斜方向将模型送入风洞流场均匀区；模型在规定时间内高速通过定长位移并在终点稳定。2.根据权利要求1所述的重载短行程高速高精准定位的快插机构，其特征在于：所述安装板(1)上具有孔洞以减轻自重。3.一种根据权利要求1或2所述快插机构的动力学轨迹规划方法，其特征在于，包括以下步骤：1)采用七段式三角函数加减速法对快插机构进行加减速度控制规划，得到加减速曲线方程；其中，七段式三角函数包括加加速段、匀加速段、减加速段、匀速段、加减速段、匀减速段和减减速段七段；七段式三角函数加减速法的加速度函数表达式如式(1)所示；式中，A
am
为加...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢志江，张德炜，杜斌，宋代平，罗俊鹏，温福生，高祥天，崔炜栋，蒙红宇，钟昕昉，张锐，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：