湛華海，張 旭，呂治國(guó)，于 煒，王設(shè)希，褚衛(wèi)華

(1. 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 空氣動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621000； 2. 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心設(shè)備設(shè)計(jì)及測(cè)試技術(shù)研究所，四川綿陽(yáng) 621000)

0 引 言

風(fēng)洞模型試驗(yàn)是飛行器研制過(guò)程中了解飛行器性能、降低飛行器研制風(fēng)險(xiǎn)和成本的重要手段之一，風(fēng)洞天平則是直接感應(yīng)和測(cè)量作用在飛行器模型上氣動(dòng)力和力矩的高精度測(cè)量裝置。風(fēng)洞天平技術(shù)涉及到天平材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析、加工制造、應(yīng)變傳感器技術(shù)和天平校準(zhǔn)技術(shù)等。天平校準(zhǔn)是利用天平校準(zhǔn)裝置，按照一定的校準(zhǔn)方法，建立天平測(cè)量信號(hào)和所受氣動(dòng)載荷關(guān)系的過(guò)程，即獲取天平公式和天平其它性能參數(shù)的過(guò)程。由于風(fēng)洞天平校準(zhǔn)關(guān)系到天平未來(lái)應(yīng)用中模型氣動(dòng)數(shù)據(jù)測(cè)量的不確定度，所以，風(fēng)洞天平校準(zhǔn)被認(rèn)為是天平研制過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)。近年來(lái)，美、歐等發(fā)達(dá)國(guó)家在不斷追求風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)精細(xì)化的過(guò)程中，天平校準(zhǔn)技術(shù)有了新的發(fā)展和進(jìn)步。

激波風(fēng)洞是進(jìn)行高超聲速飛行器氣動(dòng)力地面試驗(yàn)的重要設(shè)備，其模型氣動(dòng)載荷測(cè)量的裝置主要是壓電天平。它是利用壓電材料受力后在其表面產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)原理來(lái)測(cè)量作用在模型上的空氣動(dòng)力載荷，主要用在脈沖型風(fēng)洞中進(jìn)行模型測(cè)力試驗(yàn)。壓電天平具有頻率響應(yīng)快，剛度大，靈敏度高，載荷范圍寬等特點(diǎn)，但是缺點(diǎn)是低頻特性差。

1 壓電天平校準(zhǔn)原理

由于壓電天平低頻特性較差，其靜態(tài)校準(zhǔn)與應(yīng)變天平有很大的差異。一是壓電天平的靜態(tài)校準(zhǔn)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的測(cè)量過(guò)程，加載( 或卸載) 后，天平輸出的是一個(gè)階躍信號(hào)；二是為了避免在加載過(guò)程中施加砝碼時(shí)的“過(guò)沖”，壓電天平的校準(zhǔn)多采用卸載法，即首先對(duì)天平施加好載荷，在釋放掉電荷后，采用熔斷絲線(xiàn)的方法或人工快速托起砝碼的方法突然卸掉天平上的載荷，這時(shí)天平上產(chǎn)生與加載數(shù)值相等、符號(hào)相反的電荷量。圖1 是一種壓電天平校準(zhǔn)的單點(diǎn)卸載多元校準(zhǔn)設(shè)備示意圖。在天平的加載架上斜置一根鋼絲，鋼絲的延長(zhǎng)線(xiàn)與天平坐標(biāo)軸不相交，鋼絲的另一端通過(guò)滑輪掛上一定質(zhì)量的砝碼，滑輪可以在某一平面內(nèi)做兩自由度運(yùn)動(dòng)，用測(cè)量鋼絲上A、B 兩點(diǎn)的空間坐標(biāo)，再通過(guò)空間矢量分解原理可計(jì)算出施加在天平上的六個(gè)分量的載荷。校準(zhǔn)時(shí)，每變化一次滑輪位置，測(cè)量一次鋼絲上兩點(diǎn)的空間坐標(biāo)，然后，卸載一次，如此反復(fù)進(jìn)行，即可完成對(duì)壓電天平的校準(zhǔn)。

圖1 壓電天平校準(zhǔn)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of piezoelectric balances calibration theory

2 單矢量天平校準(zhǔn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)為卸載式六分量自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，采用單矢量多元校準(zhǔn)方式實(shí)現(xiàn)壓電天平自動(dòng)校準(zhǔn)。具體為：通過(guò)加載頭給天平懸掛一靜重式砝碼，然后通過(guò)機(jī)構(gòu)調(diào)整天平姿態(tài)及加載點(diǎn)位置，將砝碼的鉛垂載荷變換為相對(duì)于天平軸系而言的矢量載荷，通過(guò)力的分解與坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，變換為所需要的六自由度載荷。根據(jù)壓電天平動(dòng)態(tài)響應(yīng)的特點(diǎn)，校準(zhǔn)采用突然卸載的方法，實(shí)現(xiàn)載荷階躍。即先將砝碼加載于天平上，然后由機(jī)構(gòu)帶動(dòng)天平和砝碼做勻速直線(xiàn)下降運(yùn)動(dòng)，在砝碼碰撞到地面時(shí)，實(shí)現(xiàn)砝碼載荷的瞬間卸載。天平校準(zhǔn)原理如圖2 所示。它是通過(guò)天平姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)改變天平與鋼帶之間位置，由角編碼器數(shù)據(jù)計(jì)算加載載荷空間矢量位置關(guān)系，從而進(jìn)行單矢量載荷的分解實(shí)現(xiàn)六分量加載。單矢量六自由度天平校準(zhǔn)系統(tǒng)的特點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)誤差源少，校準(zhǔn)精度和效率高。

圖2 單矢量六自由度天平校準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure schematic diagram of the single vector six-component balance calibration system

系統(tǒng)由校準(zhǔn)架主體結(jié)構(gòu)、砝碼加載分系統(tǒng)、控制分系統(tǒng)、天平數(shù)據(jù)采集分系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)構(gòu)成如圖3 所示?？梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)壓電天平進(jìn)行六自由度校準(zhǔn)。通過(guò)碰撞的方式能在30ms 的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)載荷的快速卸載。校準(zhǔn)系統(tǒng)具有以下功能：(1) 有不同的天平支桿接口滿(mǎn)足不同形式天平的需要；(2) 加載頭能夠?qū)崿F(xiàn)0°，90°和180°方向的自鎖；(3) 在設(shè)計(jì)載荷范圍內(nèi)，天平支桿能夠進(jìn)行滾轉(zhuǎn)和俯仰范圍內(nèi)的角度改變；(4) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以完成天平及角位移傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、顯示及存儲(chǔ)；(5) 控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理軟件能夠滿(mǎn)足天平校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)處理的要求，給出天平校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

圖3 單矢量六自由度天平校準(zhǔn)系統(tǒng)組成圖Fig.3 Composing diagram of the single vector sixcomponent balance calibration system

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遵循“穩(wěn)定可靠、操作便利、性?xún)r(jià)比高、使用效率高”的原則開(kāi)展。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括校準(zhǔn)架主體結(jié)構(gòu)( 即天平姿態(tài)調(diào)整及運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)) 、砝碼加載裝置、碰撞裝置以及相關(guān)附件等部分。

3.1 校準(zhǔn)架主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1.1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

校準(zhǔn)架主體結(jié)構(gòu)是具有3 個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)裝置。其功能主要是實(shí)現(xiàn)天平滾轉(zhuǎn)姿態(tài)調(diào)整、天平俯仰姿態(tài)調(diào)整、天平及砝碼升降運(yùn)動(dòng)。由兩組旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和一組直線(xiàn)機(jī)構(gòu)組成，為串聯(lián)式組合結(jié)構(gòu)，如圖4 所示。

圖4 校準(zhǔn)架主體結(jié)構(gòu)Fig.4 Main structure of the calibration system

天平滾轉(zhuǎn)姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)帶動(dòng)大減速比的高精度減速機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。軸體前端通過(guò)支桿轉(zhuǎn)換接頭，實(shí)現(xiàn)與天平支桿連接。支桿轉(zhuǎn)換接頭可滿(mǎn)足不同天平支桿形式壓電天平的校準(zhǔn)需求。

天平俯仰姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)采用的是專(zhuān)業(yè)三排圓柱滾子組合轉(zhuǎn)盤(pán)軸承，與小齒輪配合，實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動(dòng)。三排圓柱滾子組合轉(zhuǎn)盤(pán)軸承各種載荷由不同滾道和滾子組承受，在同等受力條件下，軸承的直徑可大大縮小，使主機(jī)更為緊湊；在同等尺寸下，承載能力大幅提高。此種結(jié)構(gòu)形式承載能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)大俯仰力矩、高精度運(yùn)動(dòng)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)經(jīng)減速機(jī)、齒輪副兩級(jí)減速。齒輪副采用小模數(shù)齒輪，高精度齒面加工，可實(shí)現(xiàn)高精度控制。

天平及砝碼升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用高精度直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副作運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，由高精度滾珠絲桿螺母副進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。直線(xiàn)導(dǎo)軌長(zhǎng)度要滿(mǎn)足機(jī)構(gòu)啟動(dòng)、加速、平穩(wěn)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)、碰撞、減速、停車(chē)系列動(dòng)作在內(nèi)的操作。直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副的滑塊與導(dǎo)軌之間的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，大大降低二者之間的運(yùn)動(dòng)摩擦力，從而獲得動(dòng)、靜摩擦力之差很小，隨動(dòng)性好；驅(qū)動(dòng)信號(hào)與機(jī)械動(dòng)作滯后的時(shí)間間隔極短，有益于提高系統(tǒng)控制的響應(yīng)速度和靈敏度，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。同時(shí)能實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙運(yùn)動(dòng)，提高了機(jī)械系統(tǒng)的剛度。

3.1.2 剛度計(jì)算與分析

由于天平校準(zhǔn)的特殊性，要求天平校準(zhǔn)架剛度應(yīng)盡可能高。天平校準(zhǔn)系統(tǒng)升降臺(tái)體及基座應(yīng)具有良好的強(qiáng)度和剛度。設(shè)計(jì)中對(duì)結(jié)構(gòu)受力變形進(jìn)行了有限元分析計(jì)算，結(jié)果如圖5 所示。在最大設(shè)計(jì)載荷下，由升降臺(tái)體及基座的變形引起的位移變化在0.06mm左右。

圖5 校準(zhǔn)架主體結(jié)構(gòu)變形有限元分析Fig.5 Finite element analysis of main structure of the calibration system

3.2 砝碼加載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

砝碼加載機(jī)構(gòu)主要是實(shí)現(xiàn)天平校準(zhǔn)時(shí)載荷的加/卸載。包括天平加載頭、鋼帶/鋼絲掛載裝置、砝碼、叉車(chē)、碰撞鋼板等?？紤]到本系統(tǒng)中有大質(zhì)量砝碼，砝碼加載采用電動(dòng)叉車(chē)加載方式，提高工作效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

根據(jù)不同校準(zhǔn)量程，系統(tǒng)配備多套天平加載頭，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。低量程使用鋁制加載頭、大量程使用鋼制加載頭。加載頭設(shè)計(jì)為套筒式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有可沿軸向滑動(dòng)的套筒，同時(shí)兼做天平轉(zhuǎn)換接頭。實(shí)現(xiàn)不同接頭尺寸、不同軸徑、不同長(zhǎng)度天平的校準(zhǔn)。加載頭在垂直天平軸線(xiàn)端面和平行天平軸線(xiàn)的另外一面上均布置多個(gè)加載點(diǎn)。

為使砝碼在規(guī)定時(shí)間內(nèi)卸載，除了對(duì)校準(zhǔn)架主體結(jié)構(gòu)升降運(yùn)動(dòng)的速度有要求，同時(shí)，還要求碰撞盡量是剛性接觸。因此，砝碼卸載時(shí)，地面與砝碼接觸部分設(shè)計(jì)為鋼板，并凸出地面。為使碰撞產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)其它設(shè)備影響盡可能小，碰撞鋼板地基與周邊基礎(chǔ)之間設(shè)計(jì)有隔震帶。經(jīng)驗(yàn)證試驗(yàn)，采用鋼板碰撞方式，卸載時(shí)間可控制在20ms 內(nèi)。

4 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)裝置的運(yùn)行控制以及天平信號(hào)采集、處理。包括控制分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集/處理分系統(tǒng)。設(shè)計(jì)中根據(jù)功能的獨(dú)立性將兩系統(tǒng)分離，以實(shí)現(xiàn)高可靠性和抗干擾?？驁D如圖6 所示。

4.1 控制分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制分系統(tǒng)用于控制校準(zhǔn)系統(tǒng)的運(yùn)行，以及調(diào)整天平在安裝平臺(tái)上的姿態(tài)位置。所有的操作能實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)程控操作，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作?？刂葡到y(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)，控制機(jī)柜和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等組成。

圖6 測(cè)控系統(tǒng)總體框圖Fig.6 Collective frame diagram of the measurement and control system

4.1.1 控制分系統(tǒng)工作過(guò)程

本校準(zhǔn)系統(tǒng)的控制過(guò)程為：用戶(hù)通過(guò)上位工業(yè)控制計(jì)算機(jī)或者HMI 人機(jī)界面向運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)送姿態(tài)調(diào)整命令。運(yùn)動(dòng)控制器接收到命令后，其內(nèi)置的運(yùn)動(dòng)控制單元按照一定的控制算法控制伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。在調(diào)整的過(guò)程中，通過(guò)監(jiān)測(cè)編碼器判斷是否調(diào)整完成。然后，用戶(hù)通過(guò)使用砝碼加載作業(yè)叉車(chē)給砝碼加載。在加載完成后，控制平臺(tái)升降的電機(jī)使天平和加載頭平行勻速向下移動(dòng)，當(dāng)砝碼盤(pán)接觸到地面前的瞬間，運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集，當(dāng)數(shù)據(jù)采集完成后，通過(guò)控制系統(tǒng)發(fā)出命令，天平及砝碼直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)停止。通過(guò)PXIe 嵌入式計(jì)算機(jī)讀取數(shù)據(jù)，這樣就完成了一個(gè)點(diǎn)的校準(zhǔn)。然后天平及砝碼通過(guò)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)回復(fù)到初始位置，進(jìn)行下一個(gè)校準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)，如此循環(huán)。最終經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理完成對(duì)一臺(tái)天平的校準(zhǔn)。

4.1.2 控制分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

天平校準(zhǔn)系統(tǒng)要求高的精度，而且要求姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)能夠?qū)⑻炱降奈恢谜{(diào)整到所需的狀態(tài)。在滿(mǎn)足精度要求后，要求測(cè)量系統(tǒng)盡快完成數(shù)據(jù)采集和處理功能。為了減少控制對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的干擾性，充分利用工控機(jī)很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和方便的用戶(hù)控制界面編制能力，測(cè)控系統(tǒng)總體構(gòu)成遵從“操作管理集中、單元控制獨(dú)立、測(cè)控系統(tǒng)隔離、系統(tǒng)信息共享”的設(shè)計(jì)思路，在本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，將測(cè)量和控制系統(tǒng)分離。

控制系統(tǒng)主要包括兩個(gè)部分：上位工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。上位工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的主要作用是：(1) 上位控制計(jì)算機(jī)是姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制界面，負(fù)責(zé)將有關(guān)姿態(tài)調(diào)整控制操作命令通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)傳輸給PLC 控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)動(dòng)作的啟停；可觸發(fā)測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集； 負(fù)責(zé)與測(cè)量系統(tǒng)通信。(2) 負(fù)責(zé)天平校準(zhǔn)過(guò)程中姿態(tài)調(diào)整過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一方面能在線(xiàn)顯示用于控制天平姿態(tài)調(diào)整電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，另一方面要對(duì)電機(jī)運(yùn)動(dòng)和數(shù)據(jù)采集過(guò)程的故障和異常狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警和處理。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的主要作用是：(1) 天平姿態(tài)調(diào)整。通過(guò)控制兩組獨(dú)立的伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)使得天平在俯仰和滾轉(zhuǎn)方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，使得天平的姿態(tài)滿(mǎn)足校準(zhǔn)要求。(2) 實(shí)現(xiàn)砝碼的快速卸載?？刂破脚_(tái)升降的電機(jī)可以快速啟動(dòng)，并迅速達(dá)到勻速運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，保持加載頭平穩(wěn)快速下降。( 3) 安全聯(lián)鎖。設(shè)計(jì)中采用兩級(jí)安全連鎖裝置。第一級(jí)限位開(kāi)關(guān)通知控制系統(tǒng)軟件停機(jī)，第二級(jí)限位開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)斷電處理。

4.2 天平信號(hào)采集分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

天平數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)主要是對(duì)校準(zhǔn)過(guò)程中天平信號(hào)進(jìn)行采集和數(shù)據(jù)處理，得到天平校準(zhǔn)公式和天平校準(zhǔn)不確定度。

4.2.1 數(shù)采系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

天平數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)包括多通道電荷放大器、多通道高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備、工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集軟件、數(shù)據(jù)處理軟件等部分。結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 天平信號(hào)數(shù)采系統(tǒng)框圖Fig.7 Frame diagram of the balance signal data acquisition system

電荷放大器選用的是DAQP-CHARGE-B/單通道靜態(tài)、動(dòng)態(tài)電荷放大器模塊。它的作用是將壓電天平產(chǎn)生的電荷信號(hào)進(jìn)行調(diào)理放大，使之轉(zhuǎn)換為±5V 的電壓信號(hào)，供高速數(shù)據(jù)采集卡采集。為了滿(mǎn)足16 通道同步測(cè)量的要求，我們將16 個(gè)放大器模塊安裝在DEWE-30-16 機(jī)箱中，構(gòu)成16 通道電荷放大器。

16 通道高速采集系統(tǒng)使用NI 的PXIe 嵌入式系統(tǒng)。PXIe 嵌入式系統(tǒng)的作用是： 驅(qū)動(dòng)高速數(shù)據(jù)采集卡工作，通過(guò)PXI Express 總線(xiàn)將數(shù)據(jù)保存在內(nèi)存，進(jìn)而保存在硬盤(pán)中。PXIe 嵌入式系統(tǒng)由以下幾部分組成：帶有4 個(gè)插槽的機(jī)箱，Core 2 Duo 2.53GHz 的中央處理器，X 系列的多功能數(shù)據(jù)采集卡。采集卡自帶16 個(gè)同步模擬輸入，48 個(gè)數(shù)字IO 端口。每個(gè)模擬輸入通道的采樣率達(dá)到1.25Mb/s，分辨率達(dá)到16bit，輸入信號(hào)為±5V 時(shí)絕對(duì)誤差為0.1%，且因?yàn)镻XIe嵌入式系統(tǒng)使用了PXIe 總線(xiàn)技術(shù)，可以將采集到的數(shù)據(jù)快速保存到硬盤(pán)上，滿(mǎn)足了試驗(yàn)對(duì)精度和速度的需求。

4.2.2 天平信號(hào)數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)

單矢量六自由度天平校準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)天平的校準(zhǔn)過(guò)程采用的是多分量綜合加載方法，即多元校準(zhǔn)方法。多元校準(zhǔn)方法是用多元組合加載的方法來(lái)確定天平的校準(zhǔn)公式。它是在天平校準(zhǔn)時(shí)，對(duì)天平各分量以不同的組合方式同時(shí)施加載荷，并求得天平校準(zhǔn)公式的方法。與單元校準(zhǔn)方法相比較，多元校準(zhǔn)方法更能真實(shí)地模擬天平的工作狀態(tài)。

校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理根據(jù)最小二乘原理，采用逐步回歸分析方法求解。天平的校準(zhǔn)公式為：

式中：Fi 為天平第i 個(gè)分量的載荷測(cè)值； ΔV i 為第i個(gè)分量電壓輸出值。

通過(guò)數(shù)據(jù)處理和變化，就可得到矩陣形式的天平工作公式：

式中：

軟件平臺(tái)選擇： 上位工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和PXIe 嵌入式系統(tǒng)使用NI 的labview 開(kāi)發(fā)平臺(tái)，而PLC 控制則使用西門(mén)子Step7 開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

5 結(jié) 論

(1) 采用伺服電機(jī)帶減速裝置進(jìn)行天平姿態(tài)調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)天平與加載鋼帶之間的空間位置關(guān)系準(zhǔn)確變換，并結(jié)合加載架上掛點(diǎn)的合理設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足校準(zhǔn)所需矢量載荷的加載需求；

(2) 通過(guò)精密直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌，采用勻速運(yùn)動(dòng)碰撞鋼板的方式，可實(shí)現(xiàn)載荷的瞬間卸載，滿(mǎn)足壓電天平信號(hào)采集需求；

(3) 單矢量六自由度天平自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、誤差源少，結(jié)合多元校準(zhǔn)方法，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞天平高效率、高精度校準(zhǔn)。

［1］ Dennis Booth. Automatic balance calibration system (ABCS)upgrades［R］. AIAA-2013-0419.

［2］ Jones Shirley M，R hew Ray D. Recent developments and status of the langley single vector balance calibration system［R］. NASA report，2004.

［3］ Lux James，Boas Amy，Li Samuel. System for automated calibration of vector modulators［R］. NASA report，2009.

［4］ Parker P A，F(xiàn)erris A T. Single vector calibration system for multi-axis load cells and method for calibrating a multiaxis load cell［R］. NASA report，2003.

［5］ DeLoach R. A comparison of two balance calibration model building methods［R］. AIAA-2007-147.

［6］ 賀德馨. 風(fēng)洞天平［M］. 北京： 國(guó)防工業(yè)出版社，2001.

［7］ GJB2244-2011 風(fēng)洞應(yīng)變天平規(guī)范［S］. 北京： 國(guó)防科工委軍標(biāo)出版發(fā)行部，1995.

［8］ 馮世軍. 渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力模擬器校準(zhǔn)箱天平校準(zhǔn)技術(shù)研究［J］. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2006，(2) ： 90-93.

［9］ 王朝安. 一個(gè)全自動(dòng)的風(fēng)洞天平校準(zhǔn)系統(tǒng)［J］. 流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)與測(cè)量，1998，(1) ： 92-96.

［10］王愛(ài)玲. 風(fēng)洞應(yīng)變天平自動(dòng)校準(zhǔn)設(shè)備研制［R］. CARDC報(bào)告，2010.

［11］江桂清. 天平校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)處理與誤差分析［G］//風(fēng)洞天平技術(shù)論文集，1998.

［12］江桂清. 氣動(dòng)天平多元校準(zhǔn)方法［G］//風(fēng)洞天平技術(shù)論文集，1998.