皮祖成， 陳 曦， 陳 文， 王 誠(chéng)

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

基于LabVIEW的試車臺(tái)天平原位校準(zhǔn)

皮祖成1， 陳 曦2， 陳 文1， 王 誠(chéng)1

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

試車臺(tái)是一種用于發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)量的專用測(cè)試臺(tái)， 本文所述試車臺(tái)天平是一種新型的6分量大載荷測(cè)力天平. 為了消除安裝發(fā)動(dòng)機(jī)模型后對(duì)測(cè)力的影響、 提高測(cè)量的精度， 對(duì)這種天平采用了原位校準(zhǔn)的方法. 校準(zhǔn)時(shí)天平安裝在正常使用的位置， 不用拆卸到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行校準(zhǔn). 該方法將所需的標(biāo)準(zhǔn)加載裝置安裝到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)力機(jī)構(gòu)上， 在不改變天平使用位置的情況下對(duì)天平進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn). 本文主要闡述了編寫和使用LabVIEW程序?qū)π?zhǔn)過程進(jìn)行控制的方法. 通過控制8軸的伺服系統(tǒng)來產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)所需的標(biāo)準(zhǔn)力， 同時(shí)測(cè)量天平的應(yīng)變量. 通過多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)， 最終計(jì)算出天平的校準(zhǔn)公式、 精度、 準(zhǔn)度等重要指標(biāo).

試車臺(tái)； 原位校準(zhǔn)； LabVIEW； 6分量大載荷測(cè)力天平

0 引 言

風(fēng)洞模型試驗(yàn)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(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)量作用在模型6個(gè)自由度上氣動(dòng)力和力矩的高精度測(cè)量裝置[1]. 對(duì)天平的高精度、 高效率、 低成本的校準(zhǔn)成為一個(gè)重要的研究方向， 因而自動(dòng)化的天平校準(zhǔn)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[2]. 隨著對(duì)飛行器研制要求的提高， 各種新型的測(cè)試天平不斷出現(xiàn)， 同時(shí)產(chǎn)生了不同的校準(zhǔn)方法. 在高空倉內(nèi)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)力的測(cè)試需要使用到大載荷天平， 該天平由8個(gè)力傳感器和具備力分解特性的機(jī)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(cè)試的精準(zhǔn)度， 對(duì)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(shí)需要同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)力， 并對(duì)多個(gè)力的大小進(jìn)行組合， 以用于計(jì)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)， 在不改變天平正式使用時(shí)原有位置的情況下對(duì)天平進(jìn)行校準(zhǔn)， 國(guó)外有學(xué)者使用單一力向量的方式實(shí)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(huì)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(cè)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(shí)驗(yàn)室的理想環(huán)境， 現(xiàn)場(chǎng)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(shí)踐對(duì)這種校準(zhǔn)方式的校準(zhǔn)控制進(jìn)行闡述. 本文所使用的測(cè)試校準(zhǔn)方法也曾應(yīng)用于無人機(jī)氣動(dòng)力地面車載測(cè)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(hào)和標(biāo)準(zhǔn)傳感器的信號(hào)外， 由于其帶有控制器板卡， 也兼作控制計(jì)算機(jī).

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(gè)分別帶有力傳感器的測(cè)力元件和具備力解耦功能的機(jī)械框架組成. 天平結(jié)構(gòu)如圖 2 所示， 被測(cè)模型安裝于天平的上平臺(tái)， 實(shí)驗(yàn)時(shí)模型所受的6分量力通過機(jī)械結(jié)構(gòu)傳遞到天平的8個(gè)傳感器上. 通過采集這8個(gè)傳感器的信號(hào)， 并結(jié)合校準(zhǔn)得到的天平公式即可計(jì)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(shí)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(duì)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(jìn)行獨(dú)立控制， 就可以對(duì)天平施加載荷范圍內(nèi)的任何一個(gè)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(gè)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(xì)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(jī)帶動(dòng)升降機(jī)做直線運(yùn)動(dòng)， 并通過傳力桿對(duì)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(cè)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(jī)設(shè)備.

1.4 運(yùn)動(dòng)控制

電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制采用電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器來完成. 運(yùn)動(dòng)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(hào).

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(duì)單個(gè)加載點(diǎn)的控制. 每一個(gè)加載點(diǎn)是由1～8個(gè)不等的力發(fā)生器組合控制來實(shí)現(xiàn)的. 所以針對(duì)這種特點(diǎn)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)方式都是相同的， 所以設(shè)計(jì)為單獨(dú)的單點(diǎn)加載功能項(xiàng)， 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(dú)設(shè)計(jì).

2.1 單點(diǎn)加載

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

單點(diǎn)加載需要實(shí)現(xiàn)8個(gè)力發(fā)生器的獨(dú)立控制， 即將6分量加載表中的數(shù)據(jù)點(diǎn)分解到8個(gè)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(jī)械安裝位置， 將原有的8套力發(fā)生器組合成6個(gè)力和力矩的分量形式， 以此達(dá)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(shí)對(duì)應(yīng)的力臂. 每個(gè)力發(fā)生器按照各自所分配的力F1～F8進(jìn)行加載控制.

對(duì)每個(gè)力發(fā)生器進(jìn)行閉環(huán)PID控制， 以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)際輸出壓力通過NI采集器進(jìn)行信號(hào)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(hào)輸入到PID調(diào)節(jié)器中進(jìn)行運(yùn)算， 從而得到電機(jī)的速度給定值. 運(yùn)動(dòng)控制器、 伺服驅(qū)動(dòng)器、 電機(jī)、 電機(jī)編碼器共同組成了速度控制環(huán). 通過對(duì)電機(jī)的速度控制實(shí)現(xiàn)了對(duì)升降機(jī)構(gòu)上下運(yùn)動(dòng)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(shí)候通過“回零”來實(shí)現(xiàn). 力發(fā)生器的傳力桿與傳力銷之間是一個(gè)長(zhǎng)孔， 只要傳力銷與傳力桿孔的上下邊緣不接觸就對(duì)天平不施加力的作用， 即加載的力為零. 但由于在長(zhǎng)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(zhǎng)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(gè)穩(wěn)定的“零點(diǎn)”， 在每次加載零值載荷時(shí)通過調(diào)節(jié)升降機(jī)， 將傳力銷調(diào)整到長(zhǎng)孔的正中位置， 實(shí)現(xiàn)一個(gè)固定的“零點(diǎn)”.

圖 7 力傳遞機(jī)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(jī)采用了相對(duì)式的編碼器， 每次重新開啟運(yùn)動(dòng)控制器后編碼器位置清零， 所以每次運(yùn)行程序都需要先確定零位的相對(duì)編碼器位置， 這個(gè)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(shí)候， 通過控制電機(jī)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(shí)現(xiàn)找零位的功能， 流程結(jié)束時(shí)得到的Pz值即是每次回零需要運(yùn)行到的電機(jī)位置.

3 加載精度控制

加載時(shí)對(duì)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(jìn)行準(zhǔn)度加載的時(shí)候由于加載載荷是隨機(jī)生成的， 對(duì)加載時(shí)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(shí)間來提高加載速度.

3.1 非零點(diǎn)的加載精度

由于一個(gè)穩(wěn)定的高階控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)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(jī)運(yùn)行到固定位置來實(shí)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(jī)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(shí) 驗(yàn)

力發(fā)生器在某次單元校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)如表 1 所示. 其中7次加載3 kN時(shí)的最大誤差為5 N. 7次加載零點(diǎn)時(shí)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(dá)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(jì)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(diǎn)， 這就要求對(duì)其進(jìn)行的校準(zhǔn)必須選擇原位自動(dòng)校準(zhǔn)的方式. 原位自動(dòng)校準(zhǔn)的方式在國(guó)內(nèi)的使用還較少， 本文采用LabVIEW語言， 并結(jié)合運(yùn)動(dòng)控制器的下位機(jī)編程語言， 實(shí)現(xiàn)該校準(zhǔn)方式的可行性； 通過實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(dá)到較高的精度要求； 并且通過對(duì)某天平的校準(zhǔn)， 得到的準(zhǔn)度滿足該天平的設(shè)計(jì)要求.

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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(jī)任務(wù)載荷及測(cè)控軟件等研究.

1671-7449(2017)04-0357-07

V211.74

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.04.014