基于過程控制的風(fēng)洞天平校準(zhǔn)技術(shù)研究

羅天保，王作全，沈景鵬，黃 健

（中國空氣動力研究與發(fā)展中心校準(zhǔn)測試實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽 621000）

0 引 言

在航空航天飛行器的風(fēng)洞測力試驗(yàn)中，風(fēng)洞天平是作為測量空氣動力載荷（力和力矩）的傳感器。風(fēng)洞天平校準(zhǔn)（本文指地面靜態(tài)校準(zhǔn)）是在天平校準(zhǔn)設(shè)備上，按照事先編制的載荷表，對天平施加標(biāo)準(zhǔn)載荷，并采集天平輸出信號，計算天平各分量的輸出信號與校準(zhǔn)載荷的變化關(guān)系，即給出天平校準(zhǔn)公式[1]。相比其他力傳感器校準(zhǔn)，風(fēng)洞天平校準(zhǔn)周期長，過程步驟多，影響校準(zhǔn)結(jié)果的因素多，校準(zhǔn)過程容易出問題。

1 風(fēng)洞天平校準(zhǔn)存在的問題

目前風(fēng)洞天平校準(zhǔn)一般是采取事后檢驗(yàn)的方法，往往到校準(zhǔn)過程的最后一步才發(fā)現(xiàn)前面步驟的錯誤，從而導(dǎo)致返工，不僅效率低而且難以保證校準(zhǔn)數(shù)據(jù)質(zhì)量；因此，需要探索一種控制方法把事后檢驗(yàn)結(jié)果改變?yōu)槭虑翱刂七^程，即預(yù)測數(shù)據(jù)質(zhì)量問題的發(fā)生并事先加以預(yù)防。

2 過程控制方法與控制圖

過程控制是ISO9000族標(biāo)準(zhǔn)重要的理論基礎(chǔ)之一，過程控制是指使過程處于受控狀態(tài)所采取的控制技術(shù)和活動，使影響過程質(zhì)量的所有因素得到有效控制，達(dá)到減少或消除質(zhì)量問題的目的[2]。檢定和校準(zhǔn)過程控制通常采用控制圖技術(shù)?？刂茍D技術(shù)是運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計技術(shù)，以過程的某一質(zhì)量特性繪出控制圖，從而評估和監(jiān)視過程是否處于“受控狀態(tài)”[3]。一般有平均值控制圖、極差控制圖和標(biāo)準(zhǔn)偏差控制圖3種控制圖[4]。

在進(jìn)行測量過程控制時，必須同時使用平均值和極差（或標(biāo)準(zhǔn)偏差）兩種控制圖[5]，由平均值控制圖監(jiān)控測量過程的系統(tǒng)影響是否增大，由極差（或標(biāo)準(zhǔn)偏差）控制圖監(jiān)控測量過程的隨機(jī)影響是否增大[6]，只有數(shù)據(jù)在兩種控制圖中均在控制極限之內(nèi)時，才能稱測量過程處于受控狀態(tài)[7]。

3 基于過程控制的風(fēng)洞天平校準(zhǔn)方法

在風(fēng)洞天平校準(zhǔn)中運(yùn)用過程控制方法使校準(zhǔn)過程受控以保證校準(zhǔn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，經(jīng)過3個步驟來實(shí)現(xiàn)：（1）分析工作過程；（2）確定關(guān)鍵環(huán)節(jié)（如果某環(huán)節(jié)控制失效，影響到測試結(jié)果，那么該環(huán)節(jié)即為關(guān)鍵環(huán)節(jié)[8]）；（3）提出控制要求及控制措施。

3.1 風(fēng)洞天平校準(zhǔn)過程分析

天平校準(zhǔn)過程按照先后順序大致可劃分為6個步驟，見圖1。

（1）天平的通電檢查和校準(zhǔn)設(shè)備檢查。其輸入是待校天平自身性能狀態(tài)以及供橋電源等校準(zhǔn)設(shè)備的性能狀態(tài)。輸出結(jié)果是對待校天平自身性能狀態(tài)和供橋電源等校準(zhǔn)設(shè)備性能狀態(tài)是否正常并適合校準(zhǔn)的判斷，如果天平自身有問題，后面的步驟都沒有實(shí)施的必要。

（2）天平安裝與調(diào)整。其輸入是經(jīng)（1）步驟檢查后的天平及其裝配件和校準(zhǔn)架。輸出結(jié)果是對天平安裝狀態(tài)是否符合校準(zhǔn)要求的判斷，該步驟輸出結(jié)果經(jīng)判斷合格是后續(xù)步驟“天平校準(zhǔn)中心的確定”和“施加載荷并采集天平輸出信號”輸出結(jié)果合格的必要條件。

（3）天平校準(zhǔn)中心的確定。其輸入是安裝在校準(zhǔn)架上的天平的設(shè)計中心與（加載架）校準(zhǔn)中心的相對位置偏差。輸出結(jié)果是對天平的設(shè)計中心與校準(zhǔn)中心的相對位置偏差造成的附加力矩是否符合校準(zhǔn)要求的判斷，該指標(biāo)合格是后續(xù)步驟“計算校準(zhǔn)公式系數(shù)并驗(yàn)證”輸出結(jié)果合格的必要條件。

（4）編制載荷表。其輸入是天平設(shè)計載荷與校準(zhǔn)架校準(zhǔn)載荷以及加載架力臂。輸出結(jié)果是加載載荷表。

（5）施加載荷并采集天平輸出信號。其輸入是加載載荷表，在該步驟中根據(jù)具體的校準(zhǔn)軸系和校準(zhǔn)方法測量并調(diào)整天平及其支撐裝置的坐標(biāo)位置并按照載荷表施加標(biāo)準(zhǔn)載荷，采集對應(yīng)加載狀態(tài)的天平輸出信號，即該步驟的輸出結(jié)果。該步驟是天平校準(zhǔn)的主要步驟，占據(jù)整個校準(zhǔn)工作大部分的資源與活動。

（6）計算校準(zhǔn)公式系數(shù)并驗(yàn)證。其輸入由（4）和（5）的輸出結(jié)果提供。在該步驟中計算天平校準(zhǔn)公式，并判斷天平校準(zhǔn)公式是否合理。輸出就是經(jīng)判斷符合要求的天平校準(zhǔn)公式。該步驟輸出結(jié)果即是整個校準(zhǔn)工作的輸出結(jié)果，因此是關(guān)鍵步驟。

根據(jù)以上分析，在天平校準(zhǔn)過程中，前1個步驟輸出符合校準(zhǔn)要求是后1個步驟的輸出符合校準(zhǔn)要求的必要條件；因此，在進(jìn)入下1個步驟前務(wù)必采取控制措施確保當(dāng)前步驟符合要求。前4個步驟是確保校準(zhǔn)數(shù)據(jù)質(zhì)量的基礎(chǔ)，后2個步驟占據(jù)整個校準(zhǔn)工作大部分的資源與活動，是主要步驟和關(guān)鍵步驟。

3.2 影響校準(zhǔn)數(shù)據(jù)質(zhì)量和工作效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

（1）天平的通電檢查和校準(zhǔn)設(shè)備檢查。其關(guān)鍵是要作為必須通過的步驟實(shí)施，在實(shí)際工作中校準(zhǔn)人員往往忽略該步驟直接進(jìn)行后續(xù)步驟，有時候到最后一個步驟才發(fā)現(xiàn)天平本身有故障或者校準(zhǔn)設(shè)備有問題，導(dǎo)致返工，重新校準(zhǔn)。

（2）天平安裝與調(diào)整。其關(guān)鍵環(huán)節(jié)是控制天平與校準(zhǔn)架的裝配偏差，確保校準(zhǔn)坐標(biāo)軸系在施加與承受載荷以及校準(zhǔn)姿態(tài)調(diào)整過程中準(zhǔn)確和穩(wěn)固。

圖1 風(fēng)洞天平校準(zhǔn)過程

（3）天平校準(zhǔn)中心的確定。其關(guān)鍵環(huán)節(jié)是對天平設(shè)計中心與加載中心位置偏差計算要準(zhǔn)確，調(diào)整方向要正確。

（4）編制載荷表。其關(guān)鍵環(huán)節(jié)是根據(jù)天平各分量最大校準(zhǔn)載荷與校準(zhǔn)方法并綜合考慮標(biāo)準(zhǔn)力源和加載方式對載荷組合分配要合理，對載荷值計算要準(zhǔn)確。

（5）施加載荷并采集天平輸出信號。其關(guān)鍵環(huán)節(jié)有3條：1）如果是人工加載，施加載荷要準(zhǔn)確；2）根據(jù)具體的校準(zhǔn)坐標(biāo)軸系，如果是地軸系校準(zhǔn)對天平在承載后的變形測量要準(zhǔn)確，如果是體軸系校準(zhǔn)對天平體坐標(biāo)位置的復(fù)位要準(zhǔn)確；3）采集天平輸出信號時要確保天平各分量承載狀態(tài)穩(wěn)定，并準(zhǔn)確對應(yīng)載荷表給出的載荷組合。

（6）計算校準(zhǔn)公式系數(shù)并驗(yàn)證。其關(guān)鍵環(huán)節(jié)有2條：1）對公式系數(shù)計算要正確，對天平公式擬合算法要合理，能有效減小校準(zhǔn)過程中引入的附加干擾；2）綜合加載要準(zhǔn)確無誤。

3.3 控制方法

編制了專用校準(zhǔn)軟件程序來實(shí)現(xiàn)對上述6個步驟關(guān)鍵環(huán)節(jié)的控制，達(dá)到控制校準(zhǔn)過程，確保校準(zhǔn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠的目的。

（1）通過軟件程序設(shè)置校準(zhǔn)工作流程，嚴(yán)格控制校準(zhǔn)人員按照上述6個步驟實(shí)施，當(dāng)前步驟經(jīng)判斷符合要求才能進(jìn)入下一個步驟。

（2）充分發(fā)揮軟件程序計算準(zhǔn)確且快速的優(yōu)勢，凡是需要計算的工作都交給軟件程序完成，并給出操作提示，避免校準(zhǔn)人員的計算和操作失誤。

（3）結(jié)合數(shù)據(jù)采集功能以及數(shù)字傾角傳感器對角度等空間位置測量功能，采用平均值控制圖和極差控制圖對天平輸出信號與供橋電源以及準(zhǔn)體軸系坐標(biāo)位置實(shí)時監(jiān)控，確保天平各分量承載狀態(tài)和供橋電源以及校準(zhǔn)坐標(biāo)位置受控。

（4）優(yōu)化了算法，采取有效合理的數(shù)據(jù)處理方法減小校準(zhǔn)過程中引入的附加干擾。

（5）在綜合校準(zhǔn)加載過程中實(shí)時計算出測量值與加載載荷值的偏差，以便于及時發(fā)現(xiàn)錯誤的加載。

（6）支持及時糾正錯誤加載，提高效率。

（7）軟件程序經(jīng)過多次對比驗(yàn)證，確保計算正確無誤。

4 結(jié)束語

選取不同量程、不同風(fēng)洞應(yīng)用的具有代表性的4臺風(fēng)洞應(yīng)變天平，在體軸系校準(zhǔn)架上分別采用原方法和應(yīng)用過程控制方法校準(zhǔn)。通過對比發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用過程控制方法校準(zhǔn)能避免以往到最后階段才發(fā)現(xiàn)問題而導(dǎo)致返工的情況發(fā)生，減少了完成一次校準(zhǔn)需要占用的資源活動，即提高了工作效率；單元校準(zhǔn)加卸載數(shù)據(jù)的重復(fù)性和一階差線性明顯提高；從擬合計算出來的天平公式中的干擾修正系數(shù)可以看出應(yīng)用過程控制方法對減少校準(zhǔn)過程引入的附加干擾有一定效果；用于驗(yàn)證擬合天平公式的綜合加載計算出來的相對誤差均方根值明顯低于原方法，說明擬合的公式更合理且更接近天平自身真實(shí)性能。這些均體現(xiàn)出應(yīng)用過程控制方法對提高校準(zhǔn)數(shù)據(jù)質(zhì)量的效果。

需指出的是，控制措施應(yīng)該根據(jù)具體的受控過程來確定，比如控制圖技術(shù)并非所有過程步驟都適用，僅對校準(zhǔn)過程的 （5）“施加載荷并采集天平輸出信號”采用了控制圖，而且采用軟件程序監(jiān)控判斷受控狀態(tài)也不用畫出具體的控制圖圖形。另外借助軟件程序?qū)崿F(xiàn)過程控制方法，也是把校準(zhǔn)人員對校準(zhǔn)過程的操作和判斷所總結(jié)出來的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)字化的過程，促進(jìn)了校準(zhǔn)技術(shù)精細(xì)化發(fā)展。

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