皮祖成， 陳 曦， 陳 文， 王 誠

(1. 中國航天空氣動力技術(shù)研究院， 北京 100074; 2.中國航天建設(shè)集團有限公司， 北京 100071)

基于LabVIEW的試車臺天平原位校準(zhǔn)

皮祖成1， 陳 曦2， 陳 文1， 王 誠1

(1. 中國航天空氣動力技術(shù)研究院， 北京 100074; 2.中國航天建設(shè)集團有限公司， 北京 100071)

試車臺是一種用于發(fā)動機推力測量的專用測試臺， 本文所述試車臺天平是一種新型的6分量大載荷測力天平. 為了消除安裝發(fā)動機模型后對測力的影響、 提高測量的精度， 對這種天平采用了原位校準(zhǔn)的方法. 校準(zhǔn)時天平安裝在正常使用的位置， 不用拆卸到實驗室進行校準(zhǔn). 該方法將所需的標(biāo)準(zhǔn)加載裝置安裝到實驗現(xiàn)場的測力機構(gòu)上， 在不改變天平使用位置的情況下對天平進行現(xiàn)場校準(zhǔn). 本文主要闡述了編寫和使用LabVIEW程序?qū)π?zhǔn)過程進行控制的方法. 通過控制8軸的伺服系統(tǒng)來產(chǎn)生實驗所需的標(biāo)準(zhǔn)力， 同時測量天平的應(yīng)變量. 通過多組實驗數(shù)據(jù)， 最終計算出天平的校準(zhǔn)公式、 精度、 準(zhǔn)度等重要指標(biāo).

試車臺； 原位校準(zhǔn)； LabVIEW； 6分量大載荷測力天平

0 引 言

風(fēng)洞模型試驗是航空航天飛行器研制過程中了解飛行器性能、 降低飛行器研制風(fēng)險和成本的重要手段之一， 風(fēng)洞天平則是直接感應(yīng)和測量作用在模型6個自由度上氣動力和力矩的高精度測量裝置[1]. 對天平的高精度、 高效率、 低成本的校準(zhǔn)成為一個重要的研究方向， 因而自動化的天平校準(zhǔn)技術(shù)應(yīng)運而生[2]. 隨著對飛行器研制要求的提高， 各種新型的測試天平不斷出現(xiàn)， 同時產(chǎn)生了不同的校準(zhǔn)方法. 在高空倉內(nèi)進行發(fā)動機氣動力的測試需要使用到大載荷天平， 該天平由8個力傳感器和具備力分解特性的機械框架組成. 為了降低使用工況和校準(zhǔn)環(huán)境的差異， 提高測試的精準(zhǔn)度， 對該天平的校準(zhǔn)采用了原位靜態(tài)校準(zhǔn)的方式. 與常規(guī)的單分量原位校準(zhǔn)[3]不同， 由于采用了多分量天平[4]， 因此校準(zhǔn)時需要同時產(chǎn)生多個標(biāo)準(zhǔn)力， 并對多個力的大小進行組合， 以用于計算更準(zhǔn)確的天平公式. 原位校準(zhǔn)是將產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)力的裝置安裝到實驗現(xiàn)場， 在不改變天平正式使用時原有位置的情況下對天平進行校準(zhǔn)， 國外有學(xué)者使用單一力向量的方式實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)力的加載[5]， 但此種方法力加載的方向控制難度較大， 方向的誤差也會影響校準(zhǔn)的精度. 原位校準(zhǔn)多采用伺服控制系統(tǒng)和測力傳感器的組合來產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)力[6]， 而在軟件編寫上由于多采用NI公司的高精度數(shù)據(jù)采集器， 因此也多使用LabVIEW語言[7]. 由于原位校準(zhǔn)離開了實驗室的理想環(huán)境， 現(xiàn)場產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)力， 并采集天平的輸出數(shù)據(jù)， 這些都要求具有較高的精度指標(biāo)， 其中涉及到諸多關(guān)鍵技術(shù)需要解決[8]. 本文將基于工程實踐對這種校準(zhǔn)方式的校準(zhǔn)控制進行闡述. 本文所使用的測試校準(zhǔn)方法也曾應(yīng)用于無人機氣動力地面車載測試系統(tǒng)的校準(zhǔn)[9].

1 校準(zhǔn)系統(tǒng)的構(gòu)成

校準(zhǔn)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示. NI采集器除了用于采集天平信號和標(biāo)準(zhǔn)傳感器的信號外， 由于其帶有控制器板卡， 也兼作控制計算機.

圖 1 校準(zhǔn)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of calibration system

1.1 天平

天平由8個分別帶有力傳感器的測力元件和具備力解耦功能的機械框架組成. 天平結(jié)構(gòu)如圖 2 所示， 被測模型安裝于天平的上平臺， 實驗時模型所受的6分量力通過機械結(jié)構(gòu)傳遞到天平的8個傳感器上. 通過采集這8個傳感器的信號， 并結(jié)合校準(zhǔn)得到的天平公式即可計算出模型的受力. 天平公式采用顯式模型[10].

圖 2 天平結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of balance

1.2 力發(fā)生器

校準(zhǔn)時使用標(biāo)準(zhǔn)力發(fā)生器來產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的力源， 用于對天平施加標(biāo)準(zhǔn)的力. 標(biāo)準(zhǔn)力發(fā)生器共有8套， 通過將標(biāo)準(zhǔn)力發(fā)生器安裝于天平的不同位置并進行獨立控制， 就可以對天平施加載荷范圍內(nèi)的任何一個6分量力(法向力、 側(cè)向力、 軸向力、 偏航力矩、 俯仰力矩和滾轉(zhuǎn)力矩)或任意力的組合(用于多元校準(zhǔn)). 標(biāo)準(zhǔn)力發(fā)生器的安裝示意圖如圖 3 所示， 單個力發(fā)生器的結(jié)構(gòu)如圖 4 所示.

圖 3 標(biāo)準(zhǔn)力發(fā)生器Fig.3 Standard force generator

圖 4 力發(fā)生器詳細結(jié)構(gòu)Fig.4 Detail structure of force generator

使標(biāo)準(zhǔn)力傳感器產(chǎn)生所需的形變來產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)力. 形變是通過電機帶動升降機做直線運動， 并通過傳力桿對標(biāo)準(zhǔn)力傳感器施加作用力來產(chǎn)生的.

1.3 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集使用NI公司的數(shù)據(jù)采集器. 采用LabVIEW語言編寫測控程序. 由于采集器具有控制器板卡， 所以無需增加別的工控機設(shè)備.

1.4 運動控制

電機的運動控制采用電機運動控制器和伺服驅(qū)動器來完成. 運動控制器具有8路數(shù)字I/O輸入口， 可以接收力發(fā)生器零位傳感器的輸入信號.

2 加載流程控制

天平的加載方式有單元加載、 多元加載、 精度加載、 準(zhǔn)度加載等形式[10]. 在本原位校準(zhǔn)系統(tǒng)中每種加載方式的基本元素就是對單個加載點的控制. 每一個加載點是由1～8個不等的力發(fā)生器組合控制來實現(xiàn)的. 所以針對這種特點設(shè)計了基于靈活過程控制的程序結(jié)構(gòu). 圖 5 所示為所有加載過程的公共流程圖. 圖中陰影部分在各種加載方式的流程中的功能和實現(xiàn)方式都是相同的， 所以設(shè)計為單獨的單點加載功能項， 供各種加載方式調(diào)用. 設(shè)置加載參數(shù)和生成6分量加載表是因加載方式的不同而異的， 所以在每種加載方式下單獨設(shè)計.

2.1 單點加載

圖 5 加載流程圖Fig.5 Procedure of load operation

單點加載需要實現(xiàn)8個力發(fā)生器的獨立控制， 即將6分量加載表中的數(shù)據(jù)點分解到8個力發(fā)生器上. 分解公式如式(1)～式(3)所示. 從式(1)到式(2)是通過機械安裝位置， 將原有的8套力發(fā)生器組合成6個力和力矩的分量形式， 以此達到同桿式天平的天平公式相一致. 式(3)中A矩陣說明了這種轉(zhuǎn)換方法， 其中LMx,LMy,LMz為加載滾轉(zhuǎn)、 偏航和俯仰力矩時對應(yīng)的力臂. 每個力發(fā)生器按照各自所分配的力F1～F8進行加載控制.

對每個力發(fā)生器進行閉環(huán)PID控制， 以實現(xiàn)對標(biāo)準(zhǔn)力的產(chǎn)生. 其控制框圖如圖 6 所示. 需要加載的標(biāo)準(zhǔn)力值作為系統(tǒng)的給定值， 標(biāo)準(zhǔn)傳感器的實際輸出壓力通過NI采集器進行信號調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換， 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量作為反饋. 將誤差信號輸入到PID調(diào)節(jié)器中進行運算， 從而得到電機的速度給定值. 運動控制器、 伺服驅(qū)動器、 電機、 電機編碼器共同組成了速度控制環(huán). 通過對電機的速度控制實現(xiàn)了對升降機構(gòu)上下運動的控制， 從而使得標(biāo)準(zhǔn)傳感器產(chǎn)生受拉或受壓的力.

圖 6 力發(fā)生器控制框圖Fig.6 Control diagram of force generator

2.2 回零控制

力發(fā)生器在需要加載零載荷的時候通過“回零”來實現(xiàn). 力發(fā)生器的傳力桿與傳力銷之間是一個長孔， 只要傳力銷與傳力桿孔的上下邊緣不接觸就對天平不施加力的作用， 即加載的力為零. 但由于在長孔內(nèi)傳力銷與傳力桿之間存在不可避免的摩擦作用， 這使得在長孔內(nèi)的不同位置標(biāo)準(zhǔn)傳感器輸出的值存在略微的差異. 為了得到一個穩(wěn)定的“零點”， 在每次加載零值載荷時通過調(diào)節(jié)升降機， 將傳力銷調(diào)整到長孔的正中位置， 實現(xiàn)一個固定的“零點”.

圖 7 力傳遞機構(gòu)Fig.7 Force delivery mechanism

圖 8 找零流程圖Fig.8 Procedure of finding original position

由于伺服電機采用了相對式的編碼器， 每次重新開啟運動控制器后編碼器位置清零， 所以每次運行程序都需要先確定零位的相對編碼器位置， 這個過程稱為找零過程. 記錄此零位置， 在每次需要回零或者加載零值載荷的時候， 通過控制電機直接回到此編碼器位置即可. 這樣即可以采用恒定的速度回零， 加快了零值加載的速度.

在LabVIEW程序上采用了圖8的流程來實現(xiàn)找零位的功能， 流程結(jié)束時得到的Pz值即是每次回零需要運行到的電機位置.

3 加載精度控制

加載時對力發(fā)生器產(chǎn)生的力有精度的要求， 一般為0.1%. 但是， 在進行準(zhǔn)度加載的時候由于加載載荷是隨機生成的， 對加載時的加載精度要求并不嚴(yán)格. 所以可以采用更大的加載誤差， 這樣通過減少控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間來提高加載速度.

3.1 非零點的加載精度

由于一個穩(wěn)定的高階控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)在穩(wěn)態(tài)時呈現(xiàn)出震蕩衰減的特性， 如圖 9 所示， 所以通過設(shè)定誤差帶的寬度來確保加載的精度， 即圖 9 中的誤差帶e. 將e的值設(shè)定為e≤FS×A， 其中FS為加載的滿量程，A為加載的精度， 這樣即可滿足精度的要求.

3.2 零位的加載精度

零位的加載是通過電機運行到固定位置來實現(xiàn)的， 這樣零位的加載誤差僅來源于傳力銷與傳力桿之間的摩擦力， 由于機械加工的精度較高， 這樣摩擦力的最大值就可以得到保證， 從而保證了加載的精度.

圖 9 階躍響應(yīng)曲線Fig.9 Curve of phase step response

4 實 驗

力發(fā)生器在某次單元校準(zhǔn)實驗的數(shù)據(jù)如表 1 所示. 其中7次加載3 kN時的最大誤差為5 N. 7次加載零點時的最大誤差也為5 N， 而力發(fā)生器的最大載荷為9 kN， 則加載精度達到了0.056%， 超過了0.1% 的精度要求.

表 1 力發(fā)生器精度數(shù)據(jù)

最后采用多元校準(zhǔn)方式算出天平公式， 并通過準(zhǔn)度加載數(shù)據(jù)計算出天平的準(zhǔn)度數(shù)據(jù)如表 2 所示.

表 2 天平準(zhǔn)度

5 結(jié) 論

由于本文所提到的新型天平具有載荷大、 體積大等特點， 這就要求對其進行的校準(zhǔn)必須選擇原位自動校準(zhǔn)的方式. 原位自動校準(zhǔn)的方式在國內(nèi)的使用還較少， 本文采用LabVIEW語言， 并結(jié)合運動控制器的下位機編程語言， 實現(xiàn)該校準(zhǔn)方式的可行性； 通過實踐和實驗驗證了該校準(zhǔn)方式下力發(fā)生器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)力源能達到較高的精度要求； 并且通過對某天平的校準(zhǔn)， 得到的準(zhǔn)度滿足該天平的設(shè)計要求.

[1] 戰(zhàn)培國. 國外風(fēng)洞天平校準(zhǔn)技術(shù)研究進展[J]. 航空科學(xué)技術(shù)， 2012(2)： 18-20. Zhan Peiguo. Development of wind tunnel balance calibration techniques[J]. Aeronautical Science and Technology. 2012(2)： 18-20. (in Chinese)

[2] Dennis Booth， David King. Automatic Balance Calibration System (ABCS) Upgrades[J]. AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 2006(1)： 9-12.

[3] 連威. 火箭發(fā)動機推力原位校準(zhǔn)控制系統(tǒng)研究[D]. 長春： 吉林大學(xué)， 2016.

[4] 于常安， 王羅， 何顯中， 等. 航空矢量噴管測試平臺用六分量盒式天平結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 航空動力學(xué)報， 2016， 31(1)： 23-30. Yu Changan, Wang Luo, He Xianzhong, et al. Design on structure of six-component box balance for the aero-engine vector nozzle measuring platform[J]. Journal of Aerospace Power. 2016， 31(1)： 23-30. (in Chinese)

[5] Langley Research Center， Hampton. Single-Vector Calibration of Wind-Tunnel Force Balances. Mechanics[Z]. 2003： 23-25.

[6] 李洪任， 侯守全， 孟瑞峰， 等. 原位校準(zhǔn)高精度測力系統(tǒng)研發(fā)[J]. 制造業(yè)自動化， 2015， 37(4)： 65-68. Li hongren， Hou Shouquan， Meng Ruifeng， et al. Research and development calibration of in situ and high-precision thrust measurement system[J]. Manufacturing Automation， 2015， 37(4)： 65-68. (in Chinese)

[7] 阿拉塔， 石峰， 吳忠艷， 等. 基于LabVIEW的原位自動校準(zhǔn)軟件設(shè)計[J]. 計測技術(shù)， 2015， 35(7)： 221-225. A-lata， Shi feng， Wu Zhongyan， et al. Auto in-situ calibration software design based on LabVIEW[J]. Measurement and test technology， 2015， 35(7)： 221-225. (in Chinese)

[8] 王相龍. 傳感器原位標(biāo)定系統(tǒng)穩(wěn)定加載關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 長春： 吉林大學(xué)， 2015.

[9] 賈毅， 張永升， 劉丹， 等. 無人機氣動力地面車載測試系統(tǒng)[J]. 實驗流體力學(xué)， 2013， 27(3)： 83-86. Jia Yi， Zhang Yongsheng， Liu Dan， et al. A ground test vehicle (GTV) system of measure the aerodynamic characteristics of unmanned air vehicles[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics， 2013， 27(3)： 83-86. (in Chinese)

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

In-situ Calibration of Testbed Based on LabVIEW

PI Zucheng1, CHEN Xi2, CHEN Wen1, WANG Cheng1

(1. China Academy of Aerospace Aerodynamics, Beijing 100074, China; 2. China Aerospace Construction Group Co., Ltd, Beijing 100071, China)

Testbed is a kind of thrust force measurement equipment for motor test. A new type of force measurement balance, Which can measure six components, is used for engine test. In order to reduce the affect of the load and increase the accuracy of the test we choose original position calibration method. This method, which is different from the traditional calibration method, not need to change the position of the balance from the original position of the test. The standard force producer is located around the framework of the balance to perform the test with no change of position. This paper will introduce you a method which is based on LabVIEW to control the calibration procedure and accuracy. By controlling the 8-axis servo system to produce the required standard force of the experiment, while measuring the amount of strain of the balance. Through several sets of experimental data, we can generate the formula, accuracy, and other important indicators of the balance.

testbed; original position calibration (WPC); LabVIEW; six component balance of heavy load test

2016-12-27

皮祖成(1985-)， 男， 工程師， 碩士， 主要從事無人機任務(wù)載荷及測控軟件等研究.

1671-7449(2017)04-0357-07

V211.74

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.04.014