航天產(chǎn)品質(zhì)量特性參數(shù)一體化測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 波 馮立杰 李 輝 胡圣鑫 曹紅星

裝配·檢測(cè)

航天產(chǎn)品質(zhì)量特性參數(shù)一體化測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 波 馮立杰 李 輝 胡圣鑫 曹紅星

（上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600）

針對(duì)航天產(chǎn)品研制過(guò)程中質(zhì)量特性參數(shù)測(cè)量存在的工位分散布局、測(cè)量精度差、人工作業(yè)強(qiáng)度大等問(wèn)題，結(jié)合科研生產(chǎn)實(shí)際需求，提出了集成質(zhì)量、質(zhì)心、質(zhì)偏、三軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量功能的航天產(chǎn)品質(zhì)量特性參數(shù)一體化測(cè)量系統(tǒng)方案，研制了質(zhì)量特性參數(shù)一體化測(cè)量平臺(tái)，并開展了測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)和產(chǎn)品工藝試驗(yàn)，大大提升了測(cè)量效率和測(cè)量質(zhì)量。

質(zhì)量特性；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；一體化測(cè)量

1 引言

導(dǎo)彈裝備正朝高速、大機(jī)動(dòng)、長(zhǎng)航時(shí)方向發(fā)展，產(chǎn)品質(zhì)量越來(lái)越大，質(zhì)量分布呈現(xiàn)明顯的非對(duì)稱性，偏心質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等質(zhì)量特性參數(shù)測(cè)量難度越來(lái)越大[1]?？傃b階段產(chǎn)品質(zhì)量特性參數(shù)測(cè)量面臨較大的質(zhì)量和效率瓶頸，主要表現(xiàn)在：測(cè)量工位分散，測(cè)量效率低下；產(chǎn)品類型眾多，工藝裝備重復(fù)投入，成本較高；測(cè)量結(jié)果離散性大、一致性差；手工測(cè)量誤差、系統(tǒng)測(cè)量誤差大，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果可信度低；傳統(tǒng)手工測(cè)量精度較差，總體設(shè)計(jì)人員的控制參數(shù)整定難度較大。

國(guó)外在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量方面研究起步較早，理論研究和工程應(yīng)用成果豐碩[2，3]。國(guó)外空間電子公司研制的質(zhì)量特性參數(shù)測(cè)量設(shè)備可覆蓋4000kg以下的產(chǎn)品，測(cè)量精度高達(dá)0.2%。國(guó)內(nèi)方面，西北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、南京理工大學(xué)等單位在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量設(shè)備方面處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位。其中，西北工業(yè)大學(xué)黃德東教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)大尺寸復(fù)雜形狀飛行器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量高精度測(cè)量方法開展了深入研究，形成了系列化的產(chǎn)品[4]，哈爾濱工業(yè)大學(xué)張趙鈞教授提出了基于氣浮軸承的通用型轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量設(shè)備[5]。

本項(xiàng)目以提升測(cè)量精度、提高作業(yè)效率為目標(biāo)，擬開展通用化平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)、高精度測(cè)量與處理技術(shù)、質(zhì)量特性一體化測(cè)量集成設(shè)計(jì)技術(shù)的研究，研制一套能夠?qū)①|(zhì)量測(cè)量、質(zhì)心與質(zhì)偏測(cè)量、三軸（軸、軸、軸）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量質(zhì)量特性參數(shù)一體化測(cè)量的通用平臺(tái)。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)量原理分析

2.1.1 質(zhì)量質(zhì)心測(cè)量原理

解決方案中的質(zhì)量質(zhì)心、測(cè)量采用三點(diǎn)稱重傳感器測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)。如圖1所示，傳感器在設(shè)備上的位置分布呈等腰三角形，、為設(shè)備的基準(zhǔn)坐標(biāo)橫軸和縱軸，為設(shè)備的坐標(biāo)原點(diǎn)，1、2、1、2、3分別為傳感器到縱軸、橫軸的垂直投影距離。

圖1 傳感器安裝位置示意圖

根據(jù)力和力矩平衡原理：

徑向質(zhì)心：

軸向質(zhì)心：

2.1.2 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量原理

擺動(dòng)周期是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算的唯一影響變量。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量系統(tǒng)模型如圖2所示，考慮阻尼系數(shù)。

圖2 扭擺模型示意圖

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量數(shù)學(xué)模型為：

式中：——試件對(duì)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；——扭桿剛度系數(shù)，kg·m/rad；——系統(tǒng)粘性阻尼系數(shù)；——系統(tǒng)自由擺動(dòng)周期，s。

2.2 總體方案設(shè)計(jì)

圖3 質(zhì)量特性參數(shù)測(cè)量一體化平臺(tái)總體架構(gòu)

質(zhì)量特性參數(shù)測(cè)量一體化平臺(tái)具備寬量程質(zhì)量測(cè)量、高精度質(zhì)心測(cè)量、三軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量功能，平臺(tái)由測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)構(gòu)成，詳細(xì)構(gòu)成見(jiàn)圖3。

2.2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

a. 底座

底座主要是實(shí)現(xiàn)上部機(jī)構(gòu)的支撐，設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)的承載安全系數(shù)大于2，底座設(shè)置有調(diào)平機(jī)構(gòu)，通過(guò)水平測(cè)量?jī)x器配合校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量平臺(tái)的調(diào)平。

底座上安裝有稱重傳感器、升降驅(qū)動(dòng)電機(jī)和升降機(jī)等。三安裝于底座的左右兩邊電機(jī)各通過(guò)轉(zhuǎn)向箱帶動(dòng)前后兩側(cè)升降機(jī)升降，實(shí)現(xiàn)稱重傳感器的加載與空載，兩組傳動(dòng)系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)有行程開關(guān)裝置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)限位控制。

b. 橫擺預(yù)扭機(jī)構(gòu)

橫擺扭擺機(jī)構(gòu)由扭桿、套筒、兩個(gè)徑向軸承和一個(gè)推力軸承組成。扭桿和擺動(dòng)架連接，兩個(gè)徑向軸承固定套筒，一個(gè)推力軸承支撐套筒。采用兩個(gè)徑向軸承限位，設(shè)備的抗側(cè)偏能力強(qiáng)，整個(gè)設(shè)備的重量支撐在推力軸承上，摩擦力小，擺動(dòng)周期衰減慢，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量精度高。

c. 橫滾預(yù)扭機(jī)構(gòu)

橫擺扭擺機(jī)構(gòu)由預(yù)扭電機(jī)、凸輪機(jī)構(gòu)、橫滾拉簧、滾輪及滾輪座、橫滾轉(zhuǎn)環(huán)組成，見(jiàn)圖4。預(yù)扭電機(jī)帶動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，將橫滾轉(zhuǎn)環(huán)拉升到一定角度，兩側(cè)的橫滾彈簧處于不對(duì)稱蓄能狀態(tài)，凸輪釋放后，橫滾轉(zhuǎn)環(huán)以近簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖4 橫滾預(yù)扭機(jī)構(gòu)示意圖

d. 工作平臺(tái)

工作平臺(tái)采用型材焊接，目的是使測(cè)量臺(tái)面盡量輕，傳感器量程盡量小，提高測(cè)量的精度。兩側(cè)安裝有直線導(dǎo)軌及滑塊，滾環(huán)托架組件和橫滾機(jī)構(gòu)分別安裝在直線導(dǎo)軌兩側(cè)，實(shí)現(xiàn)兩組裝夾滾環(huán)的左右移動(dòng)，以適應(yīng)不同長(zhǎng)度產(chǎn)品的裝夾測(cè)試。

e. 標(biāo)尺組件

標(biāo)尺組件包括支座、數(shù)顯標(biāo)尺、直線導(dǎo)軌和靠尺等。支座安裝于工作臺(tái)面上，靠尺安裝于直線導(dǎo)軌上，并與數(shù)顯標(biāo)尺相連，實(shí)現(xiàn)同時(shí)在導(dǎo)軌與標(biāo)尺上的左右自由移動(dòng)?？砍邽闇y(cè)量設(shè)備的軸向基準(zhǔn)，通過(guò)移動(dòng)靠尺靠緊被測(cè)件的端面（為被測(cè)件軸向基準(zhǔn)）實(shí)現(xiàn)被測(cè)件軸向測(cè)量基準(zhǔn)和測(cè)量設(shè)備的基準(zhǔn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，整個(gè)標(biāo)尺組件可以在臺(tái)面上左右移動(dòng)，適用不同長(zhǎng)度產(chǎn)品的定位。

f. 柔性裝夾環(huán)

回轉(zhuǎn)滾環(huán)托架組件和橫滾滾環(huán)托架組件均安裝于工作臺(tái)面導(dǎo)軌上，可左右滑動(dòng)，適應(yīng)不同產(chǎn)品支撐跨距的裝夾測(cè)試，柔性裝夾環(huán)在支撐滾輪組件上，通過(guò)更換不同的適配塊可適應(yīng)不同直徑的航天產(chǎn)品的測(cè)試測(cè)量需求。柔性裝夾環(huán)在手動(dòng)驅(qū)動(dòng)下，可繞其中心回轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)在0°、90°、180°、270°的銷孔定位。

2.2.2 測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)

質(zhì)量特性參數(shù)測(cè)試一體化平臺(tái)的測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)分為應(yīng)用層、控制層、執(zhí)行感知層等三級(jí)架構(gòu)，如圖5。應(yīng)用層主要指綜合控制軟件，控制層主要指數(shù)據(jù)采集與控制模塊，執(zhí)行感知層主要由質(zhì)量質(zhì)心感知模塊、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量執(zhí)行模塊構(gòu)成。

圖5 測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)架構(gòu)圖

a. 綜合控制軟件

測(cè)量系統(tǒng)上位機(jī)是基于WinCE操作系統(tǒng)下，采用LabView開發(fā)平臺(tái)開發(fā)，具有人機(jī)工程合理、軟件系統(tǒng)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。上位機(jī)實(shí)現(xiàn)以下功能：系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自檢和標(biāo)校功能；參數(shù)設(shè)置，具有自動(dòng)凈重計(jì)算、報(bào)表參數(shù)預(yù)置、操作信息輸入等功能；具有質(zhì)量特性參數(shù)（質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）一鍵標(biāo)校功能；測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式多樣，具備PDF、電子表格等多種形式。

b. 數(shù)據(jù)采集與控制模塊

數(shù)據(jù)采集與控制模塊由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、PCI2361計(jì)數(shù)板卡、PCI8002 I/O板卡、串行通信板卡等組成。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)提供軟件運(yùn)行需要的基礎(chǔ)環(huán)境，PCI2361測(cè)量光電開關(guān)的響應(yīng)頻率用以計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，PCI8002 I/O板卡采集限位開關(guān)的到位狀態(tài)，并控制電機(jī)的啟停，串行通信板卡與三個(gè)稱重傳感器通信，獲取質(zhì)量信息用以計(jì)算質(zhì)量、質(zhì)心、質(zhì)偏。

c. 質(zhì)量質(zhì)心感知模塊

質(zhì)量質(zhì)心感知模塊包括稱重傳感器、稱重變換器、升降電機(jī)、限位行程開關(guān)?？刂颇K控制升降電機(jī)對(duì)稱重傳感器進(jìn)行加載和卸載，限位行程開關(guān)檢測(cè)到機(jī)構(gòu)到位后將信息傳遞給板卡控制器控制升降電機(jī)停止。加載狀態(tài)下，三個(gè)稱重傳感器通過(guò)稱重變換器進(jìn)行稱重測(cè)量，然后通過(guò)RS232口將測(cè)量數(shù)據(jù)傳遞到工控機(jī)進(jìn)行采集、處理。

d. 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量執(zhí)行模塊

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量執(zhí)行模塊包含扭轉(zhuǎn)電機(jī)、光電傳感器、行程開關(guān)。預(yù)扭電機(jī)提供橫擺裝置、橫滾裝置運(yùn)動(dòng)的初始擺動(dòng)角度，行程開關(guān)自動(dòng)預(yù)扭釋放信號(hào)。預(yù)扭機(jī)構(gòu)釋放后，對(duì)光電傳感器形成周期性輸入，光電傳感器測(cè)量的周期信號(hào)通過(guò)分頻處理后輸入PCI2361計(jì)數(shù)板卡計(jì)數(shù)，進(jìn)而得到每個(gè)擺動(dòng)的擺動(dòng)周期，通過(guò)工控機(jī)的綜合控制軟件算法預(yù)處理后計(jì)算出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

3 系統(tǒng)校準(zhǔn)與工藝試驗(yàn)

3.1 校準(zhǔn)試驗(yàn)

質(zhì)量特性參數(shù)測(cè)量一體化平臺(tái)研制完成后，使用經(jīng)過(guò)國(guó)家相關(guān)計(jì)量研究院計(jì)量通過(guò)的標(biāo)準(zhǔn)樣棒進(jìn)行了平臺(tái)的精度校準(zhǔn)。計(jì)測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 校準(zhǔn)試驗(yàn)記錄表

從表1可以看出，該平臺(tái)的質(zhì)量質(zhì)心、/向轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)量精度相對(duì)較高，達(dá)到了千分之一以上的精度。向轉(zhuǎn)動(dòng)慣量精度稍低，大約在千分之二以內(nèi)。經(jīng)綜合分析，向轉(zhuǎn)動(dòng)慣量精度稍低的原因在于被測(cè)產(chǎn)品長(zhǎng)徑比較大，橫滾機(jī)構(gòu)的滾輪與滾環(huán)之間的阻尼系數(shù)與摩擦力相關(guān)，多種因素合計(jì)影響較大。為保證后續(xù)向轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的精度，建議每次使用前采取相應(yīng)的潤(rùn)滑措施。

3.2 應(yīng)用驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證一體化平臺(tái)的可行性，本項(xiàng)目以產(chǎn)品的理論計(jì)算為參考，通過(guò)與傳統(tǒng)的電子稱重、懸吊測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的結(jié)果比較，驗(yàn)證一體化平臺(tái)的測(cè)量準(zhǔn)確性。一體化平臺(tái)實(shí)物如圖6所示，將導(dǎo)彈產(chǎn)品放置在兩個(gè)滾環(huán)上并緊固。

圖6 一體化平臺(tái)

表2 工藝試驗(yàn)記錄表

通過(guò)表2可以看出，傳統(tǒng)的測(cè)量方法測(cè)量值與理論值的偏離度更大，而一體化平臺(tái)測(cè)量結(jié)果更接近產(chǎn)品理論要求值，測(cè)量偏差均在1%以內(nèi)，同時(shí)測(cè)量效率提升5倍，進(jìn)一步驗(yàn)證了一體化平臺(tái)測(cè)量方法的可行性、測(cè)量系統(tǒng)的可應(yīng)用性。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外航天產(chǎn)品質(zhì)量特性參數(shù)測(cè)量設(shè)備研究現(xiàn)狀，識(shí)別產(chǎn)品研制過(guò)程質(zhì)量特性參數(shù)測(cè)量存在的生產(chǎn)瓶頸和技術(shù)難點(diǎn)，結(jié)合科研生產(chǎn)實(shí)際需求，研制了集成質(zhì)量、質(zhì)心、質(zhì)偏、三軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)量功能的航天產(chǎn)品質(zhì)量特性參數(shù)一體化測(cè)量系統(tǒng)，并開展了測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)和產(chǎn)品工藝試驗(yàn)，取得了良好的工藝效果，為優(yōu)化作業(yè)工位布局、提升質(zhì)量特性參數(shù)精度提供了重要技術(shù)和設(shè)備支撐。

1 宋斌. 一種多功能彈靜態(tài)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 科技視界，2020(5)：1～2

2 湯海亮. 摩擦阻力矩對(duì)臥式扭擺法測(cè)量彈箭極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量精度的影響[J]. 南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2018(5)：2～3

3 張立明. 質(zhì)量質(zhì)心及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量一體化測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013

4 張宗媛. 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量系統(tǒng)研制[D]. 沈陽(yáng)：沈陽(yáng)理工大學(xué)，2013

5 唐文彥. 扭擺法測(cè)飛行體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量[J]. 南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008(2)：69～72

Design and Application of Integrated Measurement System for Quality Characteristic Parameters of Aerospace Products

Yang Bo Feng Lijie Li Hui Hu Shengxin Cao Hongxing

(Shanghai Institute of Aerospace Precision Machinery, Shanghai 201600)

In view of the problems in the measurement of quality characteristic parameters in the process of aerospace product development, such as the scattered layout of work stations, poor measurement accuracy and high manual work intensity, and combined with the actual needs of scientific research and production, an integrated measurement system scheme of aerospace product quality characteristic parameters integrating the measurement functions of quality, mass center, mass deviation and three-axis moment of inertia is proposed. The integration measurement platform of quality characteristic parameters is developed, and the calibration of the measurement system and product process test are carried out, thus improved the measurement efficiency and measurement quality.

mass characteristics；rotational inertia；integrated measurement

楊波（1988），工程師，電氣工程自動(dòng)化專業(yè)；研究方向：導(dǎo)彈數(shù)字化裝配研究。

2020-10-13