質(zhì)量質(zhì)心校準(zhǔn)裝置的應(yīng)用與改進(jìn)

郭建麟，余潤喜，彭軍，何群，孫豐甲

(1.中航工業(yè)北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京100095;2.中國北方發(fā)動機(jī)研究所，山西大同037000)

0 引言

飛機(jī)的質(zhì)量特性是飛機(jī)設(shè)計(jì)中不可缺少的原始數(shù)據(jù)，它是飛機(jī)載荷計(jì)算、操穩(wěn)特性分析和氣動彈性分析中必備的參數(shù)。隨著飛機(jī)自動化的不斷提高，主動控制技術(shù)日益廣泛的應(yīng)用，需要飛機(jī)設(shè)計(jì)師提供更為精確的飛機(jī)質(zhì)量特性數(shù)據(jù)。

在飛機(jī)研制過程中，通過測量大部件的質(zhì)量、質(zhì)心，確定試制產(chǎn)品部件的實(shí)際質(zhì)量、質(zhì)心;根據(jù)圖樣和技術(shù)條件檢驗(yàn)部件理論質(zhì)量和實(shí)際質(zhì)量的符合性，理論質(zhì)心和實(shí)測質(zhì)心的符合性。利用全機(jī)各個大部件的質(zhì)量、質(zhì)心測量數(shù)據(jù)可有效預(yù)測全機(jī)質(zhì)量、質(zhì)心變化情況，為全機(jī)質(zhì)量、質(zhì)心測量提供依據(jù)［1］。

質(zhì)量質(zhì)心校準(zhǔn)裝置可以為飛機(jī)部件提供質(zhì)量和質(zhì)心的高精度數(shù)據(jù)。本文就校準(zhǔn)裝置及其應(yīng)用與改進(jìn)作簡要介紹。

1 校準(zhǔn)裝置簡介

1.1 裝置的組成

質(zhì)量質(zhì)心校準(zhǔn)裝置由機(jī)械結(jié)構(gòu)、氣路部分與軟件部分組成。裝置的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要由工作臺面、傳感器、保護(hù)氣缸、支撐段、底座、卸荷螺釘和保護(hù)螺釘?shù)冉M成。工作臺面是被測件的安裝平臺，臺面上有螺釘孔，可與夾具連接，同時還有定位基準(zhǔn)線，臺面中心有定位接口，可以確保被測件中心或基準(zhǔn)線通過臺面中心。傳感器用來稱量被測件的重量。保護(hù)氣缸是傳感器的保護(hù)機(jī)構(gòu)，氣缸頂起時，工作臺面與傳感器的球頭脫離，保護(hù)傳感器不受過載沖擊;氣缸落下時，工作臺面落在傳感器球頭上，進(jìn)行稱重。支撐段是保護(hù)氣缸和傳感器的安裝平臺。底座是裝置的固定部分，底座下面可以用墊鐵來調(diào)整裝置的水平度。卸荷螺釘是用來在保護(hù)氣缸不工作時承受重量，保護(hù)傳感器的。保護(hù)螺釘是在裝置不工作時防止工作臺面移動的。

氣路部分是用來控制和協(xié)調(diào)保護(hù)氣缸工作的。通過調(diào)節(jié)氣缸的節(jié)氣閥可以來控制保護(hù)氣缸頂起與落下的速度，能夠使氣缸快速頂起和緩慢落下，同時保證各氣缸的動作一致。

軟件部分包括傳感器信號采集和測量軟件。傳感器信號采集通過二次儀表來實(shí)現(xiàn)，并通過串口上傳數(shù)據(jù)和發(fā)送指令。測量軟件可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與二次儀表的通信，完成稱重和質(zhì)心的計(jì)算等。

圖1 裝置機(jī)械機(jī)構(gòu)示意圖

1.2 測量原理

質(zhì)量質(zhì)心校準(zhǔn)裝置的測量原理是三點(diǎn)測量法［2］，即用三個傳感器在同一圓周上呈120°角均勻分布共同稱重，其原理圖如圖2所示。三個傳感器共同承擔(dān)被測件的重量，其稱重讀數(shù)分別為m1，m2，m3，三個傳感器在工作臺面上的投影坐標(biāo)分別為P1(x1，y1)，P2(x2，y2)，P3(x3，y3)。

圖2 測量原理圖

設(shè)被測件的質(zhì)量為m，質(zhì)心位置C的坐標(biāo)為(x，y)。則由力與力矩平衡原理，可得被測件的質(zhì)量為

被測件的質(zhì)心為

1.3 傳感器位置坐標(biāo)標(biāo)定

由質(zhì)心計(jì)算公式可以看出，質(zhì)心測量精度主要由質(zhì)量測量精度和傳感器位置精度來決定。目前稱重傳感器的精度很高，由質(zhì)量測量誤差引起的質(zhì)心測量誤差要遠(yuǎn)小于由傳感器位置誤差引起的質(zhì)心測量誤差［3］。而由于傳感器的安裝、工作臺面的偏轉(zhuǎn)等原因，傳感器位置坐標(biāo)的實(shí)際值與理論值可能存在較大的偏差，因此需要對傳感器的位置坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定。

工作臺面的上下移動使得臺面基準(zhǔn)線會與理論基準(zhǔn)不一致，所以不能簡單地測量傳感器球頭的相對位置。該裝置設(shè)計(jì)并制造了一套標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊，用來標(biāo)定傳感器的位置坐標(biāo)。具體做法是:將標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊(質(zhì)量為g)依次放置在工作臺面上的三個不同位置處，讀取在不同位置處傳感器各自的讀數(shù)(g11，g12，g13)，(g21，g22，g23)，(g31，g32，g33)并用全站儀精確測得在不同位置處標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊的質(zhì)心坐標(biāo)(xc1，yc1)，(xc2，yc2)，(xc3，yc3)。則質(zhì)心計(jì)算公式

式中:i為標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊放置位置序號，i=1，2，3;(xciyci)為第i號位置處標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊的質(zhì)心坐標(biāo);(gi1，gi2gi3)號位置處三個傳感器的讀數(shù)。由公式(3)可計(jì)算得出三個傳感器的位置坐標(biāo)(x1，y1)，(x2，y2)，(x3，y3)。

2 校準(zhǔn)裝置應(yīng)用

2.1 裝置的特點(diǎn)

該質(zhì)量質(zhì)心校準(zhǔn)裝置具有以下特點(diǎn):

1)精度高。裝置采用梅特勒-托利多的SBH-0.5型高精度稱重傳感器，并搭配IND560型顯示控制器，因此質(zhì)量測量精度較高。傳感器安裝位置坐標(biāo)經(jīng)由標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊的標(biāo)定精確測得，并通過全站儀輔助將被測件或夾具的基準(zhǔn)線與工作臺面的基準(zhǔn)線對準(zhǔn)，因此質(zhì)心測量精度也較高。

2)通用性好。以通用性為出發(fā)點(diǎn)設(shè)計(jì)的工作臺面并配合專用夾具可以對各種不規(guī)則外形的被測件進(jìn)行測量，滿足不同需求。

3)安全性高。保護(hù)氣缸、卸荷螺釘及保護(hù)螺釘?shù)脑O(shè)計(jì)能夠保護(hù)傳感器不受過載沖擊，同時氣缸的快起和緩落還可保證被測件平穩(wěn)安全。

2.2 裝置的技術(shù)指標(biāo)

該質(zhì)量質(zhì)心校準(zhǔn)裝置的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 裝置的技術(shù)指標(biāo)

2.3 應(yīng)用情況

該套質(zhì)量質(zhì)心校準(zhǔn)裝置已先后對航空、航天等多家單位的標(biāo)準(zhǔn)件或產(chǎn)品進(jìn)行了計(jì)量校準(zhǔn)服務(wù)。被測件多為不規(guī)則物體，如飛機(jī)彈射座椅、導(dǎo)彈標(biāo)準(zhǔn)樣柱、雷達(dá)天線模擬器、導(dǎo)彈整流罩及舵面等。

以某型舵面為例簡要介紹測量過程。為消除系統(tǒng)誤差，采取四象限法進(jìn)行測量，如圖3所示。測量步驟為:①完成測量前的準(zhǔn)備工作;②將夾具通過定位中心固定在工作臺面，測量夾具在象限Ⅰ的質(zhì)量與質(zhì)心;③將夾具依次轉(zhuǎn)動90°，分別測量夾具在象限Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ的質(zhì)量與質(zhì)心;④將被測舵面安裝在夾具上，再次固定于工作臺面中心，測量夾具與被測舵面在象限Ⅰ的質(zhì)量與質(zhì)心;⑤將夾具與被測舵面一起依次轉(zhuǎn)動90°，分別測量夾具和被測舵面在象限Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ的質(zhì)量與質(zhì)心。

圖3 四象限法示意圖

按照上述測量步驟，利用質(zhì)量質(zhì)心測量軟件(軟件界面如圖4所示)，可以得到被測舵面在四個象限內(nèi)的質(zhì)量(mI，mⅡ，mⅢ，mⅣ)與質(zhì)心(xI，yI)，(xⅡ，yⅡ)，(xⅢ，yⅢ)，(xⅣ，yⅣ)，實(shí)測數(shù)據(jù)見表2。被測舵面的質(zhì)量和質(zhì)心由四象限的結(jié)果取平均得

圖4 四象限法測量軟件界面

表2 某型舵面的質(zhì)量質(zhì)心實(shí)測數(shù)據(jù)

3 校準(zhǔn)裝置的改進(jìn)

利用四象限法測量，可以有效地消除系統(tǒng)誤差，提高測量精度［4］。但是在工作臺面上較為頻繁地轉(zhuǎn)動夾具及被測件，且每次都需要將夾具基準(zhǔn)線與臺面基準(zhǔn)線進(jìn)行對準(zhǔn)，使得操作較為繁瑣且費(fèi)時。為此，本文提出了一個改進(jìn)方案，即將工作臺面改為可旋轉(zhuǎn)的。如圖5所示，工作臺面由上、下兩臺面組成，通過推力調(diào)心滾子軸承連接，下臺面有四個圓周均布的定位孔，孔內(nèi)均裝有鋼球和壓縮彈簧，上臺面對應(yīng)的有四個定位孔，孔直徑小于鋼球直徑。轉(zhuǎn)動上臺面，鋼球擠壓彈簧并脫離上臺面定位孔，上臺面可以自由轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)動到90°時，彈簧將鋼球頂入下一個上臺面定位孔，從而完成轉(zhuǎn)動與定位。這樣就可以一次固定夾具與被測件在工作臺面上，并靈活而又簡單地完成四象限法測量。

圖5 裝置改進(jìn)圖

4 結(jié)論

該質(zhì)量質(zhì)心校準(zhǔn)裝置具有較高的精度、可靠性和穩(wěn)定性，同時可以測量各種不規(guī)則的物體，有廣泛的應(yīng)用前景。而利用對工作臺面的改進(jìn)，可以輕松地完成四象限法測量，有效地消除系統(tǒng)誤差，提高測量精度和可操作性。

［1］閆志賓，劉欣，潘若剛.大部件的質(zhì)量、質(zhì)心測量方法及誤差分析［C］.中國航空學(xué)會飛機(jī)總體專業(yè)分會重量工程專業(yè)委員會第十三次學(xué)術(shù)交流會，2010.

［2］鄭賓，侯文，楊瑞峰.大尺寸柱狀結(jié)構(gòu)質(zhì)量、質(zhì)心測量方法［J］.測試技術(shù)學(xué)報，2002，16(2):108-111.

［3］騫永博，吳斌.彈丸質(zhì)量質(zhì)心測量方法研究［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2006，26(3):126-128.

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