羅天保，王作全，沈景鵬，黃 健

（中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心校準(zhǔn)測(cè)試實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621000）

0 引 言

在航空航天飛行器的風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn)中，風(fēng)洞天平是作為測(cè)量空氣動(dòng)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(duì)天平施加標(biāo)準(zhǔn)載荷，并采集天平輸出信號(hào)，計(jì)算天平各分量的輸出信號(hào)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(zhǎng)，過(guò)程步驟多，影響校準(zhǔn)結(jié)果的因素多，校準(zhǔn)過(guò)程容易出問(wèn)題。

1 風(fēng)洞天平校準(zhǔn)存在的問(wèn)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(guò)程的最后一步才發(fā)現(xiàn)前面步驟的錯(cuò)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^(guò)程，即預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量問(wèn)題的發(fā)生并事先加以預(yù)防。

2 過(guò)程控制方法與控制圖

過(guò)程控制是ISO9000族標(biāo)準(zhǔn)重要的理論基礎(chǔ)之一，過(guò)程控制是指使過(guò)程處于受控狀態(tài)所采取的控制技術(shù)和活動(dòng)，使影響過(guò)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(wèn)題的目的[2]。檢定和校準(zhǔn)過(guò)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(jì)技術(shù)，以過(guò)程的某一質(zhì)量特性繪出控制圖，從而評(píng)估和監(jiān)視過(guò)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(cè)量過(guò)程控制時(shí)，必須同時(shí)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(cè)量過(guò)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(cè)量過(guò)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(shí)，才能稱測(cè)量過(guò)程處于受控狀態(tài)[7]。

3 基于過(guò)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(guò)程控制方法使校準(zhǔn)過(guò)程受控以保證校準(zhǔn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，經(jīng)過(guò)3個(gè)步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)：（1）分析工作過(guò)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(cè)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(guò)程分析

天平校準(zhǔn)過(guò)程按照先后順序大致可劃分為6個(gè)步驟，見(jiàn)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(duì)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(wèn)題，后面的步驟都沒(méi)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(duì)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(hào)”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(jì)中心與（加載架）校準(zhǔn)中心的相對(duì)位置偏差。輸出結(jié)果是對(duì)天平的設(shè)計(jì)中心與校準(zhǔn)中心的相對(duì)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(jì)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(jì)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(hào)。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(cè)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(duì)應(yīng)加載狀態(tài)的天平輸出信號(hào)，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(gè)校準(zhǔn)工作大部分的資源與活動(dòng)。

（6）計(jì)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(jì)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(gè)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(guò)程中，前1個(gè)步驟輸出符合校準(zhǔn)要求是后1個(gè)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(gè)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(gè)步驟是確保校準(zhǔn)數(shù)據(jù)質(zhì)量的基礎(chǔ)，后2個(gè)步驟占據(jù)整個(gè)校準(zhǔn)工作大部分的資源與活動(dòng)，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(guò)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(shí)候到最后一個(gè)步驟才發(fā)現(xiàn)天平本身有故障或者校準(zhǔn)設(shè)備有問(wèn)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(guò)程中準(zhǔn)確和穩(wěn)固。

圖1 風(fēng)洞天平校準(zhǔn)過(guò)程

（3）天平校準(zhǔn)中心的確定。其關(guān)鍵環(huán)節(jié)是對(duì)天平設(shè)計(jì)中心與加載中心位置偏差計(jì)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(duì)載荷組合分配要合理，對(duì)載荷值計(jì)算要準(zhǔn)確。

（5）施加載荷并采集天平輸出信號(hào)。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(duì)天平在承載后的變形測(cè)量要準(zhǔn)確，如果是體軸系校準(zhǔn)對(duì)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(hào)時(shí)要確保天平各分量承載狀態(tài)穩(wěn)定，并準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)載荷表給出的載荷組合。

（6）計(jì)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(duì)公式系數(shù)計(jì)算要正確，對(duì)天平公式擬合算法要合理，能有效減小校準(zhǔn)過(guò)程中引入的附加干擾；2）綜合加載要準(zhǔn)確無(wú)誤。

3.3 控制方法

編制了專用校準(zhǔn)軟件程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)上述6個(gè)步驟關(guān)鍵環(huán)節(jié)的控制，達(dá)到控制校準(zhǔn)過(guò)程，確保校準(zhǔn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠的目的。

（1）通過(guò)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(gè)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(gè)步驟。

（2）充分發(fā)揮軟件程序計(jì)算準(zhǔn)確且快速的優(yōu)勢(shì)，凡是需要計(jì)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(jì)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(duì)角度等空間位置測(cè)量功能，采用平均值控制圖和極差控制圖對(duì)天平輸出信號(hào)與供橋電源以及準(zhǔn)體軸系坐標(biāo)位置實(shí)時(shí)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(guò)程中引入的附加干擾。

（5）在綜合校準(zhǔn)加載過(guò)程中實(shí)時(shí)計(jì)算出測(cè)量值與加載載荷值的偏差，以便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤的加載。

（6）支持及時(shí)糾正錯(cuò)誤加載，提高效率。

（7）軟件程序經(jīng)過(guò)多次對(duì)比驗(yàn)證，確保計(jì)算正確無(wú)誤。

4 結(jié)束語(yǔ)

選取不同量程、不同風(fēng)洞應(yīng)用的具有代表性的4臺(tái)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(guò)程控制方法校準(zhǔn)。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用過(guò)程控制方法校準(zhǔn)能避免以往到最后階段才發(fā)現(xiàn)問(wèn)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(dòng)，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(jì)算出來(lái)的天平公式中的干擾修正系數(shù)可以看出應(yīng)用過(guò)程控制方法對(duì)減少校準(zhǔn)過(guò)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(jì)算出來(lái)的相對(duì)誤差均方根值明顯低于原方法，說(shuō)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(guò)程控制方法對(duì)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(guò)程來(lái)確定，比如控制圖技術(shù)并非所有過(guò)程步驟都適用，僅對(duì)校準(zhǔn)過(guò)程的 （5）“施加載荷并采集天平輸出信號(hào)”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(guò)程控制方法，也是把校準(zhǔn)人員對(duì)校準(zhǔn)過(guò)程的操作和判斷所總結(jié)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)字化的過(guò)程，促進(jìn)了校準(zhǔn)技術(shù)精細(xì)化發(fā)展。

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