于衛(wèi)青，袁先士，李 通，陳志堅(jiān)，高 超

(1中國(guó)兵器工業(yè)第203研究所，西安 710065;2解放軍邊防學(xué)院，西安 710108)

0 引言

盡管CFD技術(shù)有了很大發(fā)展，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)壳叭匀皇乾F(xiàn)代飛行器氣動(dòng)力研究最主要最基本的實(shí)驗(yàn)手段，風(fēng)洞測(cè)力實(shí)驗(yàn)是風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)最基本的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。風(fēng)洞應(yīng)變天平是風(fēng)洞測(cè)力實(shí)驗(yàn)必不可少的最重要最關(guān)鍵的核心測(cè)試設(shè)備之一，它的性能直接影響風(fēng)洞測(cè)力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性和精度。天平校準(zhǔn)公式的準(zhǔn)確程度直接影響了天平的性能，而天平校準(zhǔn)前加載頭安裝定位則是天平校準(zhǔn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，快速定位方法則提高了天平校準(zhǔn)系統(tǒng)的定位精度、定位效率、成功率和校準(zhǔn)精度。

1 測(cè)量原理及系統(tǒng)組成

1.1 校正原理

天平校準(zhǔn)加載頭初始坐標(biāo)系的確定是通過(guò)一個(gè)定位平臺(tái)建立起來(lái)的，定位平臺(tái)的水平度為3″。定位平臺(tái)上設(shè)有參考坐標(biāo)系OXYZ(十字線)，加載頭坐標(biāo)系O'X'Y'Z'則位于定位平臺(tái)的上方，沿鉛垂方向上移一定的位置。

這種方法建立起來(lái)的加載坐標(biāo)系是通過(guò)一個(gè)中間參考坐標(biāo)系來(lái)完成的，參考坐標(biāo)系的任何微小改變都將影響加載頭坐標(biāo)系的復(fù)現(xiàn)精度。

CG-01風(fēng)洞天平校準(zhǔn)系統(tǒng)基于準(zhǔn)直原理，采用直接復(fù)現(xiàn)加載頭坐標(biāo)系的方法。該方法采用一個(gè)高精度的立方鏡安裝在加載頭上，如圖1所示。立方鏡本身是一個(gè)直角坐標(biāo)系，立方鏡坐標(biāo)系O'X'Y'Z'與加載頭保持著固定的位置關(guān)系，其安裝精度由制造裝配精度來(lái)保證。

圖1 安裝立方鏡的加載頭

若加載頭坐標(biāo)系為 OXoYoZo，立方鏡坐標(biāo)系為O'X'Y'Z'，則二者關(guān)系為:

設(shè)定A、B兩個(gè)測(cè)微準(zhǔn)直儀位于同一水平面且互相垂直的兩個(gè)位置上，如圖2所示。建立的瞄準(zhǔn)坐標(biāo)系OXYZ與加載坐標(biāo)系OXoYoZo的關(guān)系為:

圖2 利用準(zhǔn)直方法復(fù)現(xiàn)加載坐標(biāo)系

由于加載頭上立方鏡的坐標(biāo)系O'X'Y'Z'與加載頭坐標(biāo)系OXoYoZo的關(guān)系為:

只要調(diào)整瞄準(zhǔn)坐標(biāo)系OXYZ與立方鏡坐標(biāo)系O'X'Y'Z'重合就可以將加載頭安放到加載頭坐標(biāo)系上。

1.2 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)通過(guò)兩套測(cè)微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡建立瞄準(zhǔn)坐標(biāo)系，利用測(cè)微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡、精密立方鏡、激光投點(diǎn)器，測(cè)微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡如圖3所示，通過(guò)測(cè)微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡復(fù)現(xiàn)加載頭十字準(zhǔn)直影像，實(shí)現(xiàn)加載頭初始狀態(tài)的精確定位。其中將立方鏡安裝在加載頭的設(shè)計(jì)位置上(△X、△Y、△Z)，要求:

1)立方鏡坐標(biāo)系與加載頭坐標(biāo)系平行;

2)立方鏡的中心位于加載頭坐標(biāo)系的(△X、△Y、△Z)，其中:△Z=0。

系統(tǒng)可滿足加載頭定位精度指標(biāo):

通過(guò)分層飽和法處理天然狀態(tài)鹽巖得到鹵水飽和狀態(tài)的鹽巖試件，對(duì)試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)測(cè)定飽和狀態(tài)下試件的單軸壓縮強(qiáng)度(表4)飽和狀態(tài)下鹽巖的單軸抗壓強(qiáng)度為1.5～4.7 MPa，與天然狀態(tài)下鹽巖試件強(qiáng)度比較，經(jīng)原位鹵水飽和處理過(guò)的后鹽巖被軟化，強(qiáng)度降低。

1)加載頭的水平度:≤±3″;

2)加載頭的定位精度:±0.05mm。

圖3測(cè)微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡

1.3 測(cè)微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡

用于大尺寸測(cè)量時(shí)建立基準(zhǔn)線。它主要用來(lái)提供一條從零到任意遠(yuǎn)的光學(xué)基準(zhǔn)視線及與此相垂直的直線、平面。天平校準(zhǔn)加載頭主要是結(jié)合它的自準(zhǔn)直功能，利用一個(gè)與基準(zhǔn)線垂直的反射平面，通過(guò)與安裝在加載頭上的立方鏡的十字目標(biāo)位置比較進(jìn)行調(diào)整，將加載頭精確定位在加載坐標(biāo)系內(nèi)。

1.4 定位目標(biāo)

在水平面內(nèi)調(diào)整加載頭的方位，使加載頭的中心位于X軸與Z軸的交點(diǎn)處，X軸位于X向4個(gè)滑輪組的對(duì)稱中心線上，Z軸位于Z向兩個(gè)滑輪組的對(duì)稱中心線上。

2 調(diào)試項(xiàng)目

2.1 平面反射鏡基準(zhǔn)調(diào)試

加載頭安裝調(diào)試前首先要保證測(cè)微準(zhǔn)直儀位置的準(zhǔn)確，為了檢查測(cè)微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡的位置是否發(fā)生了變化，加配了校準(zhǔn)裝置，校準(zhǔn)裝置如圖4所示。校準(zhǔn)裝置主要是一個(gè)帶有十字標(biāo)記的平面反射鏡，它安置在測(cè)微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡的軸線上并與軸線垂直，反射鏡的十字標(biāo)記中心與望遠(yuǎn)鏡的角度分劃板中心重合。反射鏡安置在相對(duì)穩(wěn)定的基座上。

2.2 建立瞄準(zhǔn)坐標(biāo)系

根據(jù)確定好測(cè)微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡的位置，調(diào)整立方鏡的位置。以精密立方鏡的兩個(gè)工作面為目標(biāo)，移動(dòng)加載頭，調(diào)整加載頭角位移和線位移，確定立方鏡的位置，分別調(diào)整兩個(gè)測(cè)微準(zhǔn)直儀軸線與立方鏡的工作面垂直且通過(guò)立方鏡的十字刻線中心，則調(diào)整后的兩臺(tái)測(cè)微準(zhǔn)直儀位于同一水平面且互相垂直，它們的軸線交點(diǎn)位于立方鏡的中心，調(diào)整原理如圖5所示。

2.3 復(fù)現(xiàn)加載頭坐標(biāo)系

由于加載頭坐標(biāo)系與立方鏡坐標(biāo)系之間保持固定的關(guān)系，復(fù)現(xiàn)加載頭坐標(biāo)系相當(dāng)于復(fù)現(xiàn)立方鏡坐標(biāo)系。通過(guò)測(cè)微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡觀察立方鏡的準(zhǔn)直像，調(diào)整加載頭，使準(zhǔn)直像與望遠(yuǎn)鏡的角度分劃板的十字標(biāo)記重合。為了快速方便的調(diào)整系統(tǒng)增加了粗定位裝置。兩激光投點(diǎn)器發(fā)出的光線粗略的交匯在立方鏡的中心位置上。

圖5 用準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡建立的

3 定位方法

加載頭安裝定位前，首先要進(jìn)行平面鏡基準(zhǔn)調(diào)試，這是加載頭定位的前提。為了實(shí)現(xiàn)加載頭的空間精確定位，可以采用兩種定位方法，一是初始定位方法，二是通過(guò)不斷摸索總結(jié)的快速定位方法。

3.1 初始定位方法

加載頭定位初始的方法是采用先固定安裝加載頭，通過(guò)測(cè)微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡觀察立方鏡的十字目標(biāo)慢慢移動(dòng)加載頭，尋找加載頭的空間位置坐標(biāo)，從而保證加載頭立方鏡的坐標(biāo)與測(cè)微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡建立的坐標(biāo)重合，達(dá)到空間定位的目標(biāo)。

3.2 快速定位方法

實(shí)現(xiàn)快速定位的關(guān)鍵是:1)天平與加載頭的配合安裝，保證安裝位置滿足 α≤3'，β≤3'，μ≤3';2)優(yōu)化加載頭六個(gè)自由度調(diào)整位移的順序，依據(jù)先線位移后角位移的原則，位移調(diào)整順序?yàn)?Χ、Ζ、Y、α、β、γ。采用粗定位與精確定位相結(jié)合的辦法，實(shí)現(xiàn)加載頭的快速定位。

3.2.1 粗定位

粗定位采用激光投點(diǎn)器引導(dǎo)，根據(jù)激光投點(diǎn)器發(fā)出的可見(jiàn)紅光位置，調(diào)整加載頭的位置，使投點(diǎn)器的光斑盡量照射在立方鏡的中心位置，調(diào)整加載頭角度(俯仰與偏擺)，盡量使投射到立方鏡上的激光點(diǎn)的反射光斑進(jìn)入測(cè)微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)內(nèi)。

3.2.2 精確定位

粗定位結(jié)束后，要進(jìn)一步進(jìn)行精確定位。首先對(duì)加載頭進(jìn)行線位移調(diào)整，通過(guò)觀察準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡的準(zhǔn)直像和立方鏡上的十字分劃線，不斷調(diào)整加載頭位置，使角度分劃板的十字線與立方鏡十字線重合，如果它們的中心分別與角度分劃板的十字線中心重合，則表明加載頭的一個(gè)水平軸向位置已經(jīng)確定。而進(jìn)行加載頭角度定位，通過(guò)調(diào)整加載頭角位移 α、β、γ，使得位移分劃板反射像的圓心與望遠(yuǎn)鏡位移分劃板的十字中心重合，即望遠(yuǎn)鏡的光軸與立方鏡準(zhǔn)直加載頭基本實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直調(diào)整，角位移定位結(jié)束。只有線位移和角位移都滿足要求，加載頭實(shí)現(xiàn)了精確定位。

3.3 加載頭精確定位

一個(gè)方向的測(cè)微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡完成了定位目標(biāo)后，進(jìn)行另一個(gè)方向的測(cè)微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡的定位，只有當(dāng)兩個(gè)方向的測(cè)微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡都完成了定位目標(biāo)，則說(shuō)明加載頭進(jìn)入了預(yù)定的空間坐標(biāo)內(nèi)，加載頭實(shí)現(xiàn)了精確定位，則可以進(jìn)行天平校準(zhǔn)的下一項(xiàng)準(zhǔn)備工作。

Ζ方向測(cè)微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡可實(shí)現(xiàn)線位移Χ、Ζ方向和角位移α、β的定位，Χ方向測(cè)微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡可實(shí)現(xiàn)線位移Χ、Ζ方向和角位移β、γ的定位。

4 方法比較

初始定位方法是樹立了一個(gè)空間目標(biāo)，但是如何達(dá)到目標(biāo)則沒(méi)有詳細(xì)的安排和具體的調(diào)節(jié)步驟，需要天平校準(zhǔn)人員不斷嘗試進(jìn)行調(diào)整定位，費(fèi)時(shí)費(fèi)力?？焖俣ㄎ环椒▌t是初始定位方法的一個(gè)改進(jìn)，與初始定位方法相比，更加關(guān)注加載頭前期的安裝，一方面可以確保天平與加載頭作為一個(gè)整體進(jìn)行定位，另一方面保證天平與加載頭位于同一空間坐標(biāo)系內(nèi)，但這樣需要多個(gè)人員的配合，同時(shí)增加了安裝時(shí)間?？偟膩?lái)說(shuō)，快速定位方法調(diào)節(jié)目標(biāo)明確，調(diào)節(jié)步驟清晰，與初始定位方法相比可以在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到定位目標(biāo)。

5 結(jié)論

應(yīng)用兩種方法對(duì)多臺(tái)天平進(jìn)行了校準(zhǔn)前的安裝定位，通過(guò)對(duì)結(jié)果分析比較，得到了以下結(jié)論:

1)快速定位方法能夠縮短定位時(shí)間，提高工作效率。初始定位調(diào)整帶有隨機(jī)性，一般耗時(shí)不確定，但最少需要40min，而快速定位則最多需要20min。

2)應(yīng)用快速定位提高了定位精度，保證了加載頭定位的成功率和天平校準(zhǔn)的準(zhǔn)確率。應(yīng)用此方法校準(zhǔn)的天平達(dá)到了GJB 2244－94規(guī)定的合格指標(biāo)要求，部分指標(biāo)進(jìn)入先進(jìn)指標(biāo)。

故快速定位方法應(yīng)用于天平校準(zhǔn)加載頭的空間坐標(biāo)精確定位是成功的。

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