崔智強(qiáng),李 強(qiáng),紀(jì) 濤,李小剛

(中國航空工業(yè)空氣動力研究院,遼寧 沈陽 110034)

風(fēng)洞試驗是空氣動力學(xué)研究的必要手段,在導(dǎo)彈和飛機(jī)型號的研制中都必須通過風(fēng)洞測力試驗獲得氣動力數(shù)據(jù),指導(dǎo)彈箭和飛機(jī)型號設(shè)計的改進(jìn)和優(yōu)化。天平是風(fēng)洞測力試驗的關(guān)鍵設(shè)備,天平的精準(zhǔn)度直接影響風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[1]。能否對天平進(jìn)行正確校準(zhǔn)是決定被校天平能否精確測量氣動力載荷的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。實踐證明,天平能否對氣動力載荷進(jìn)行精確測量不僅取決于天平本身,更重要地取決于對天平的精確校準(zhǔn)。天平本身(包括設(shè)計、加工、應(yīng)變計及其粘貼、線路連接和敷設(shè)等)決定了天平的精度(重復(fù)性);能否對天平進(jìn)行精確校準(zhǔn)決定了天平的準(zhǔn)度(系統(tǒng)誤差)[2],因此國內(nèi)外各風(fēng)洞試驗單位都十分重視天平校準(zhǔn)設(shè)備的研制工作。

現(xiàn)階段國內(nèi)外天平校準(zhǔn)設(shè)備仍以回零式補(bǔ)償型體軸系天平校準(zhǔn)系統(tǒng)為主[3-4],已開展單矢量天平校準(zhǔn)設(shè)備研究,但并未推廣應(yīng)用,見圖1?；亓闶窖a(bǔ)償型體軸系天平校準(zhǔn)系統(tǒng)主要采用機(jī)械式加載架初始定位方式、滑輪配合砝碼加載方式和串聯(lián)式復(fù)位機(jī)構(gòu),并且大部分只是實現(xiàn)了“半自動”的天平校準(zhǔn),天平校準(zhǔn)用時10 h以上。機(jī)械式加載架初始定位方式不可在線實測加載架初始定位的數(shù)據(jù),無法保證加載架初始定位精度。雖然砝碼準(zhǔn)確度高,但滑輪存在摩擦力,無法保證加載載荷的準(zhǔn)確度,同時只能施加砝碼重量的載荷,無法完全模擬風(fēng)洞試驗中出現(xiàn)的載荷工況。串聯(lián)式復(fù)位機(jī)構(gòu)存在機(jī)械間隙和運動慣性大等問題,影響天平校準(zhǔn)效率。

圖1 天平校準(zhǔn)設(shè)備

本套高精確性天平校準(zhǔn)設(shè)備針對已有天平校準(zhǔn)設(shè)備存在加載架初始定位精度、加載載荷準(zhǔn)確度和天平校準(zhǔn)效率偏低的問題,突破了激光跟蹤儀的加載架初始定位、力傳感器配合電動缸的加載和六連桿并聯(lián)復(fù)位機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù),最終實現(xiàn)了天平的“全自動”校準(zhǔn),天平校準(zhǔn)用時從10 h以上降低到3 h以內(nèi),同時天平校準(zhǔn)的準(zhǔn)確度達(dá)到了國軍標(biāo)的先進(jìn)指標(biāo)要求。

1 高精確性和高效率天平校準(zhǔn)設(shè)備的技術(shù)方案

高精確性和高效率天平校準(zhǔn)設(shè)備的技術(shù)方案采用以X軸為水平方向的回零式補(bǔ)償型體軸系天平校準(zhǔn)系統(tǒng)方案,可實現(xiàn)17個加載點自動加載和六自由度自動復(fù)位的天平體軸校準(zhǔn),見圖2。本套高精確性天平校準(zhǔn)設(shè)備創(chuàng)新地采用了激光跟蹤儀的加載架初始定位方式、力傳感器配合電動缸的加載方式和六連桿并聯(lián)復(fù)位機(jī)構(gòu),載荷范圍可實現(xiàn)法向力小于±50 kN的六分量天平 “全自動”天平校準(zhǔn)。

圖2 技術(shù)方案

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 激光跟蹤儀的加載架初始定位

已有天平校準(zhǔn)設(shè)備的機(jī)械式加載架初始定位等方式不可在線實測加載架初始定位的數(shù)據(jù),只是理論上達(dá)到加載架初始定位角精度±5″和線位移精度±0.05 mm。本套設(shè)備采用了激光跟蹤儀的加載架初始定位方式,可實時在線給出加載架初始定位的數(shù)據(jù),實現(xiàn)了加載架初始定位角精度±3″和線位移精度±0.03 mm。

本技術(shù)采用在鋼架、加載架上固定激光跟蹤儀的靶座,應(yīng)用三坐標(biāo)標(biāo)定出加載架上靶座與17個加載點的準(zhǔn)確位置關(guān)系。 同時根據(jù)激光跟蹤儀計算偏差的原理,編寫了六自由度的快速定位程序,保證了加載架快速定位的精度指標(biāo)和效率(用時20 min),見圖3。

圖3 加載架快速定位

2.2 力傳感器配合電動缸的加載方式

滑輪配合砝碼加載方式雖然砝碼準(zhǔn)確度高,但滑輪存在摩擦力,無法保證加載載荷的準(zhǔn)確度;同時只能施加砝碼重量的載荷,無法完全模擬風(fēng)洞試驗中出現(xiàn)的載荷工況,不利于排查風(fēng)洞試驗中遇到的問題。本套系統(tǒng)采用了力傳感器配合電動缸的加載方式,將力傳感器布置在滑輪與天平之間,剔除了滑輪摩擦力的影響,保證了加載載荷的準(zhǔn)確度±0.02%;并且由于采用電動缸加載的方式,可以實現(xiàn)任意載荷的施加,可完全模擬風(fēng)洞試驗中出現(xiàn)的載荷工況,如圖4所示。

圖4 力傳感器配合電動缸的加載方式示意圖

本技術(shù)的難點:如何實現(xiàn)在滿足六自由度復(fù)位角精度±3″和線位移精度±0.03 mm的情況下,同時滿足17個加載點的天平精確多元加載載荷需求。 為了驗證該項技術(shù)的可行性,在滑輪配合砝碼加載方式的BACS1500天平校準(zhǔn)設(shè)備上,應(yīng)用力傳感器配合電動缸的加載方式替換了一個加載點,如圖5所示。實驗結(jié)果表明:在滿足六自由度復(fù)位角精度±3″和線位移精度±0.03 mm的情況下,該加載點可達(dá)到精確加載準(zhǔn)確度±0.02%的要求。

2.3 六連桿并聯(lián)復(fù)位機(jī)構(gòu)

串聯(lián)式復(fù)位機(jī)構(gòu)存在機(jī)械間隙和運動慣性大等問題,長時間使用后單個加載載荷復(fù)位用時一般需4 min,影響天平校準(zhǔn)效率。本套設(shè)備采用了六連桿并聯(lián)復(fù)位機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)特點是:所有分支機(jī)構(gòu)可同時接受驅(qū)動器輸入,而最終共同給出輸出,機(jī)構(gòu)簡單;在機(jī)構(gòu)學(xué)上是多路閉環(huán)機(jī)構(gòu),具有剛度大、運動慣性小、精度高、基本無機(jī)械間隙等優(yōu)點;最終可實現(xiàn)單個加載載荷復(fù)位用時1 min以內(nèi),提高了天平校準(zhǔn)效率。

本技術(shù)的難點:在同時滿足六自由度運動范圍線位移±150 mm和角位移±10°的情況下,優(yōu)化分析和求解桿長的運動范圍、工作空間、電動缸驅(qū)動力,以及建立精確運動求解方程。在設(shè)計階段,應(yīng)用Unigraphics NX建立虛擬樣機(jī)模型,結(jié)合ADAMS進(jìn)行運動學(xué)、動力學(xué)分析,通過MATLAB進(jìn)行編程,求出桿長的運動范圍、工作空間、電動缸驅(qū)動力等方面的最優(yōu)構(gòu)型,如圖6所示。

圖5 力傳感器配合電動缸的加載驗證實驗

圖6 六連桿并聯(lián)復(fù)位機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

因為機(jī)械連接和加工尺寸誤差的原因,需要應(yīng)用激光跟蹤儀對六連桿并聯(lián)復(fù)位機(jī)構(gòu)進(jìn)行運動學(xué)標(biāo)定,獲得運動參數(shù),修正運動求解方程的系數(shù)和程序,見圖7。最終六連桿并聯(lián)復(fù)位機(jī)構(gòu)滿足了復(fù)位指標(biāo)角精度±3″和線位移精度±0.03 mm的要求。

圖7 六連桿并聯(lián)復(fù)位機(jī)構(gòu)的運動學(xué)標(biāo)定

3 天平校準(zhǔn)

本文研究的高精確性天平校準(zhǔn)設(shè)備系統(tǒng)如圖8所示,在其上對N6-45C六分量天平進(jìn)行了多元校準(zhǔn)方法的天平體軸系校準(zhǔn),施加了144組校準(zhǔn)載荷,獲得了天平使用公式;施加了10組不同載荷,計算獲得了綜合加載誤差;施加了7組相同載荷,計算獲得了綜合加載重復(fù)性[5]。

圖8 高精確性天平校準(zhǔn)設(shè)備

天平校準(zhǔn)結(jié)果表明:完成一臺天平的校準(zhǔn)用時3 h以內(nèi),與已有天平校準(zhǔn)設(shè)備相比提高了天平校準(zhǔn)效率;天平的綜合加載誤差和綜合加載重復(fù)性全部達(dá)到了國軍標(biāo)的先進(jìn)指標(biāo)要求。表1為天平的綜合加載誤差e和綜合加載重復(fù)性r,表中數(shù)據(jù)均為二者相應(yīng)的滿量程的百分比。

表1 天平的綜合加載誤差和綜合加載重復(fù)性

4 結(jié)論

本文通過激光跟蹤儀的加載架初始定位、力傳感器配合電動缸的加載和六連桿并聯(lián)復(fù)位機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)的突破,通過天平的校準(zhǔn)驗證得到以下結(jié)論:

①應(yīng)用運動學(xué)標(biāo)定后,六連桿并聯(lián)復(fù)位機(jī)構(gòu)的運動精度完全滿足高精確性天平校準(zhǔn)設(shè)備復(fù)位指標(biāo)角精度±3″和線位移精度±0.03 mm的要求;

②17個加載點力傳感器配合電動缸的加載方式,完全滿足在復(fù)位和加載相互干擾的作用下對天平施加±0.02%要求的體軸系校準(zhǔn)載荷;同時可對天平施加任意需要的校準(zhǔn)載荷;

③激光跟蹤儀的加載架初始定位方式,可實時在線給出加載架初始定位的數(shù)據(jù),實現(xiàn)了加載架初始定位角精度±3″和線位移精度±0.03 mm的目標(biāo)系統(tǒng);

④整套設(shè)備系統(tǒng)的天平校準(zhǔn)檢驗結(jié)果表明:該系統(tǒng)實現(xiàn)了“全自動”的天平校準(zhǔn),提高了天平校準(zhǔn)效率,天平的綜合加載誤差和綜合加載重復(fù)性全部達(dá)到了國軍標(biāo)的先進(jìn)指標(biāo)要求。