風洞天平全自動校準系統(tǒng)的研制*

張 平,趙長輝,劉博宇

(中國航空工業(yè)空氣動力研究院, 沈陽 110034)

0 引言

風洞試驗、計算機模擬和飛行試驗是空氣動力學研究的三大重要手段。作為空氣動力學研究的必要手段,風洞試驗為各種飛行器的研究提供了理論依據(jù)[1]。風洞天平,是目前國內(nèi)外各類型風洞在氣動力測量試驗中最核心的測量設(shè)備,其性能指標直接影響風洞測力試驗的精準度[2]。風洞天平對作用在飛行器模型上氣動載荷測量的精準度不僅取決于天平本身的基本性能,更為重要的是取決于天平校準系統(tǒng)的精準度。因此,國內(nèi)外的空氣動力試驗機構(gòu)都十分重視天平校準系統(tǒng)的研制工作。隨著科技水平的發(fā)展,現(xiàn)多傾向于朝著自動化程度更高、更精確、更高效的體軸系天平校準設(shè)備的方向發(fā)展[3]。其典型設(shè)備,國內(nèi)如:航空工業(yè)氣動院的BACS1500是砝碼加載的復位型校準設(shè)備[4]、中國空氣動力研究與發(fā)展中心的ABCS30K是力發(fā)生器加載的復位型校準設(shè)備[5]、中國航天空氣動力技術(shù)研究院的ABCS-300是力發(fā)生器加載的復位型校準設(shè)備[6];國外如:法國莫當中心的B3.1是砝碼加載的復位型校準設(shè)備、瑞典航空研究院FFA的MK-15是力發(fā)生器加載的非補償型校準設(shè)備[7]等。

現(xiàn)有校準設(shè)備的加載方式傳統(tǒng)上采用單級砝碼加載,加載量程內(nèi)可形成的階梯數(shù)有限,無法實現(xiàn)校準載荷范圍內(nèi)對任意給定的載荷實施等階梯自動加載,不易加載表的自動生成及校準載荷細分。另外,復位機構(gòu)大多采用齒輪等高副傳動,傳動精度差、機構(gòu)背隙大,導致復位時難以快速進入誤差帶,校準時間長,效率較低。

針對上述問題,文中研制了一套全自動天平校準系統(tǒng),設(shè)計了一種全新的三級砝碼自動加載裝置,該裝置采用三套相互獨立的傳動機構(gòu),由電機拖動、直線滑軌導向,可保證隨時實現(xiàn)載荷按階梯自動加載。同時,確定了六自由度串聯(lián)復位方式,選擇回程差非常微小的行星滾珠絲杠傳動,采用鉸鏈連接形式,形成連桿機構(gòu)將伺服電動缸傳動的直線運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動,提高了傳動精度,縮短了復位時間。

1 系統(tǒng)介紹

天平校準系統(tǒng)為復位補償型、自動加載體軸系靜校臺,其總體結(jié)構(gòu)布置如圖1所示，主要由加載系統(tǒng)、復位機構(gòu)、測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)等部分組成,包含15個加載點(+Y向3個、-Y向4個,+X向2個,-X向2個,+Z向2個,-Z向2個)。加載系統(tǒng)包含加載頭、鋼架、傳力鋼帶、滑輪、砝碼及其拖動裝置;復位機構(gòu)由6個獨立自由度的運動機構(gòu)串聯(lián)而成;測量系統(tǒng)用于實現(xiàn)加載的復位與定位,包括激光位移計復位子系統(tǒng)及加載頭初始定位子系統(tǒng);控制系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線控制加載系統(tǒng)及復位機構(gòu);數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)采用德國HBM公司的MGCPLUS數(shù)采設(shè)備,采集精度可達0.05%。數(shù)據(jù)處理軟件采用VB語言編程,對天平校準數(shù)據(jù)實施采集和處理,最終得到天平靜校系數(shù)。

圖1 天平校準系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)布置示意圖

系統(tǒng)的校準載荷范圍如表1所示。

表1 體軸系加載量程

六自由度復位機構(gòu)的指標如表2所示。

表2 六自由度復位機構(gòu)指標

2 校準系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

天平校準系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括三級砝碼自動加載技術(shù)和高精度快速體軸復位技術(shù)。

2.1 三級砝碼自動加載技術(shù)

2.1.1 現(xiàn)有加載方式存在的問題

現(xiàn)校準系統(tǒng)通常采用單級砝碼加載技術(shù),即將不同規(guī)格的砝碼按一定的比例數(shù)布置在同一拖動機構(gòu)上。由于受砝碼串空間尺寸的限制,同規(guī)格的砝碼數(shù)、不同規(guī)格砝碼選用的比例都將受限,當實施加載時,砝碼只能按照在砝碼串上的布置順序依次施加,即要施加底部的砝碼,在其頂部的砝碼必已處于施加狀態(tài)。此加載方式將無法實現(xiàn)任意給定載荷的等階梯加載。通常按4階梯加載時,只能某兩組載荷自己成階梯。以此方式加載將不易實現(xiàn)滿量程范圍內(nèi)天平等階梯單元校準,且無法實現(xiàn)某給定載荷值附近的細分載荷加載。

2.1.2 三級砝碼自動加載技術(shù)方案

此項技術(shù)是在單級砝碼加載的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的,國內(nèi)尚屬首次,可實現(xiàn)校準載荷范圍內(nèi)對天平按等階梯加載。其優(yōu)勢在于既可實現(xiàn)滿量程范圍內(nèi)對天平進行單元或多元校準,又可實現(xiàn)給定范圍內(nèi)針對關(guān)注的試驗載荷對天平進行等階梯細分加載,以提高天平在該載荷范圍內(nèi)的準度。

三級加載裝置見圖2，含有3套獨立的拖動機構(gòu),各級加載互不影響,采用差動組合計算載荷。由上至下分別是1 kg、5 kg和30 kg砝碼拖動機構(gòu)。其中1 kg砝碼4塊,5 kg砝碼5塊,30 kg砝碼根據(jù)載荷實際需要確定N塊,3層砝碼通過一根吊桿連接在一起。當某級砝碼托盤向下移動時,砝碼吊起,通過吊桿傳遞自重到加載點,實現(xiàn)加載,未吊起的砝碼仍在托盤上等待加載。當托盤向上移動時,吊起的砝碼依次落回,托盤承擔自重,實現(xiàn)卸載。三級砝碼結(jié)構(gòu)如圖3所示,可提供的載荷范圍為:最小載荷是1 kg;最大載荷是1×4+5×5+30×N,單位kg。

圖2 砝碼自動加載裝置

圖3 砝碼串結(jié)構(gòu)圖

以按39 kg、78 kg、117 kg以及156 kg等階梯加載為例,其工作過程如下：

第一步:1 kg砝碼托盤向下移動4塊,5 kg砝碼托盤向下移動1塊,30 kg砝碼托盤向下移動1塊,施加載荷1×4+5×1+30×1=39 kg。

第二步:1 kg砝碼托盤向上移動1塊變成3塊,5 kg砝碼托盤向下移動3塊,30 kg砝碼托盤向下移動2塊,施加載荷1×3+5×3+30×2=78 kg。

第三步:1 kg砝碼托盤向上移動1塊變成2塊,5 kg砝碼托盤向下移動5塊,30 kg砝碼托盤向下移動3塊,施加載荷1×2+5×5+30×3=117 kg。

第四步:1 kg砝碼托盤向上移動1塊變成1塊,5 kg砝碼托盤向上移動4塊變成1塊,30 kg砝碼托盤向下移動5塊,施加載荷1×1+5×1+30×5=156 kg。

其調(diào)試過程中,由于三級砝碼需通過差動組合以實現(xiàn)按階梯連續(xù)加載,自動加載速度相對較慢。經(jīng)反復試驗,確定不同級砝碼采用不同的加載速度,加大小質(zhì)量砝碼級運動速度,從而提高了加載效率。

2.2 高精度體軸復位技術(shù)

2.2.1 現(xiàn)有復位機構(gòu)存在的問題

現(xiàn)校準設(shè)備一般為復位型設(shè)備,通常采用塔式結(jié)構(gòu), 六自由度位移通常采用渦輪蝸桿、齒輪傳動,電機驅(qū)動。由于安裝誤差、機構(gòu)傳動間隙、磨損等因素的影響,隨著使用時間加長,復位精度會降低,調(diào)整響應會變慢,嚴重影響工作效率,且噪聲顯著。

2.2.2 高精度體軸復位技術(shù)方案

新設(shè)備雖仍為復位型設(shè)備并延續(xù)塔式結(jié)構(gòu),但對六自由度的傳動及驅(qū)動方式進行了改進, 5個自由度選擇了伺服電動缸為原動機,其本身為伺服電動驅(qū)動,回程差非常微小的行星滾珠絲杠傳動。法向位移選擇了螺旋升降機為原動機,結(jié)構(gòu)設(shè)計上,使其在升降過程中始終被施加一定的負向載荷,可有效消除正負向間隙,保證傳動精度。所選用的螺旋升降機及伺服電動缸,具有精確控制所需速度、推力和位置等特點,復位時可使機構(gòu)迅速進入復位零點,從而縮短了復位時間,提高了效率。并且由于減去了齒輪等中間傳動環(huán)節(jié),不僅設(shè)備的維護性提高，而且工作環(huán)境明顯改善。

為實現(xiàn)機構(gòu)六自由度可同時按各自的軌跡運動,采用了多自由度數(shù)控機床的原理和技術(shù),設(shè)計了獨立的執(zhí)行機構(gòu),以不同的運動方式完成復位。首次選用連桿傳動方式,實現(xiàn)線位移往角位移的轉(zhuǎn)換。在X、Y、Z方向,伺服電動缸或螺旋升降機傳遞運動,高精度直線導軌和滾動導軌塊導向,可實現(xiàn)直線運動。在俯仰角α、偏轉(zhuǎn)角β、滾轉(zhuǎn)角γ方向,通過鉸鏈連接形成連桿機構(gòu),將伺服電動缸傳遞的直線運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動,實現(xiàn)各姿態(tài)角的旋轉(zhuǎn)運動。同時,各方向均可保證具有高精度的移動、定位和自鎖功能。α機構(gòu)傳動原理圖如圖4所示。電動缸耳軸固定,電動缸可以繞耳軸旋轉(zhuǎn),通過電動缸推桿的伸縮,實現(xiàn)框體繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。β、γ機構(gòu)同上。機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。復位機構(gòu)調(diào)試過程中,各自由度正交性好,機構(gòu)運動自如,復位響應較快。

圖4 α機構(gòu)傳動原理圖

圖5 六自由度復位機構(gòu)

3 系統(tǒng)的應用結(jié)果

系統(tǒng)在完成總體安裝及調(diào)試后,對多臺天平進行了靜態(tài)校準,以直徑為45 mm的桿式天平為例。天平綜合加載誤差和綜合加載重復性如表3所示。

表3 天平綜合加載誤差和綜合加載重復性

從表3來看,天平靜態(tài)校準的性能指標均滿足《風洞應變天平規(guī)范》(GJB2244A—2011) 規(guī)定要求, 其中部分數(shù)據(jù)優(yōu)于國軍標中規(guī)定的先進指標[8]。

從校準過程來看,天平的精準度指標雖較之前的校準系統(tǒng)沒有較大提高,但校準效率有了明顯的提升,整個加載校準過程在7 h之內(nèi)即可完成,而之前一般需要大約2 d時間。

4 結(jié)論

研制的天平全自動校準系統(tǒng)獲得了成功應用,系統(tǒng)的各項技術(shù)指標均滿足設(shè)計要求,并有一定的創(chuàng)新性,主要結(jié)論如下:

1)天平校準采用了砝碼三級自動加載技術(shù),砝碼載荷滿足校準載荷范圍,實現(xiàn)了在校準載荷范圍內(nèi)對天平以最小載荷為階梯的連續(xù)加載。

2)通過對六自由度復位機構(gòu)的現(xiàn)場調(diào)試,驗證了其結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性,機構(gòu)的運動范圍均滿足技術(shù)指標要求,復位效率有明顯提升。

3)通過調(diào)試,使得復位運動與三級砝碼自動加載同步進行,減少了復位振蕩時間。

此套校準系統(tǒng)的研制成功,不僅提升了天平校準的效率,也將對國內(nèi)研制類似天平校準系統(tǒng)起到一定的借鑒作用。