秦海峰

（航空工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095）

0 引言

對(duì)空間任一力矢量，在擇定的三維坐標(biāo)系中最多可以被分解為六個(gè)分量，即三個(gè)力值分量和三個(gè)力矩分量［1］。近些年來，多分量力測(cè)量?jī)x器的應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)多分量力測(cè)量?jī)x器進(jìn)行全面和準(zhǔn)確校準(zhǔn)的需求也越來越迫切。在實(shí)際工程應(yīng)用中，常見到的多分量力測(cè)量?jī)x器主要有二分量、三分量、四分量以及多分量力傳感器或測(cè)力儀。針對(duì)不同結(jié)構(gòu)和測(cè)量范圍的多分量力測(cè)量?jī)x器，需要合適的校準(zhǔn)裝置和校準(zhǔn)方法來實(shí)現(xiàn)其校準(zhǔn)。

目前，意大利國(guó)家計(jì)量院（INRiM）及德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）等計(jì)量機(jī)構(gòu)均開展了多分量力的校準(zhǔn)技術(shù)研究，在多分量力校準(zhǔn)裝置和傳感器方面取得了一些成果［2-3］。為了解決多分量力測(cè)量?jī)x器的校準(zhǔn)和溯源問題，航空工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所研制了多套校準(zhǔn)裝置［4］，最新研制的一套大空間多分量力校準(zhǔn)裝置，可進(jìn)行多分量力測(cè)量?jī)x器的單分量獨(dú)立校準(zhǔn)和多分量組合校準(zhǔn)［5］。

1 多分量力校準(zhǔn)裝置的整體設(shè)計(jì)

多分量力校準(zhǔn)裝置的系統(tǒng)組成如圖1所示，主要由裝置主機(jī)、液壓動(dòng)力系統(tǒng)、輔助工裝系統(tǒng)和控制及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)組成。

圖1 多分量力校準(zhǔn)裝置組成框圖

加載裝置主機(jī)主要由主機(jī)框架、工作臺(tái)及定位機(jī)構(gòu)、可升降加力框架機(jī)構(gòu)和多個(gè)力加載單元等組成。其作用是形成承力框架，并通過對(duì)多個(gè)力加載單元進(jìn)行合理的組合來實(shí)現(xiàn)三個(gè)力值分量和三個(gè)力矩分量的選擇加載。

液壓動(dòng)力系統(tǒng)由伺服油源、液壓閥組以及液壓管路等組成，用來實(shí)現(xiàn)各個(gè)力加載單元的載荷驅(qū)動(dòng)。動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)各個(gè)力加載單元配置的液壓缸塞系統(tǒng)，通過增大和減小系統(tǒng)壓力來實(shí)現(xiàn)力的加載和卸載。液壓動(dòng)力系統(tǒng)共配置了7套伺服油源，分別用來對(duì)一組豎直方向力加載單元、4組水平方向力加載單元和一組動(dòng)橫梁鎖緊系統(tǒng)提供動(dòng)力，可以獨(dú)立或同時(shí)工作。

輔助工裝系統(tǒng)是根據(jù)被校多分量力傳感器的結(jié)構(gòu)專門設(shè)計(jì)的，用于承受和傳遞主機(jī)各力加載單元施加的力，并耦合為所需實(shí)現(xiàn)的多分量力的機(jī)械部件。同時(shí)，輔助工裝起到連接、支承、耦合以及傳遞等多種作用。

控制及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)由伺服控制系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)力傳感器及信號(hào)放大系統(tǒng)、信號(hào)采集及反饋系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理軟件組成。其作用是通過計(jì)算機(jī)確定所需施加載荷的位置、大小及方向，合理控制主機(jī)的各個(gè)力加載單元進(jìn)行自動(dòng)加載，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)采集和處理分析。控制及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)需按多分量力傳感器校準(zhǔn)方法規(guī)定的試驗(yàn)程序自動(dòng)對(duì)多分量力傳感器做試驗(yàn)，其控制方式設(shè)計(jì)為全自動(dòng)控制模式和手動(dòng)控制模式。力值控制模式也設(shè)計(jì)有逐級(jí)加載和可以按規(guī)定的時(shí)間連續(xù)加載兩種模式。

多分量力組合加載的合理實(shí)現(xiàn)是該校準(zhǔn)裝置的技術(shù)難點(diǎn)。對(duì)加載裝置主機(jī)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)這一功能的關(guān)鍵問題。

2 多分量力組合加載的實(shí)現(xiàn)

2.1 主機(jī)結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)

按照多分量力的構(gòu)成原理，校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)思路是在被測(cè)傳感器的受力工裝上沿多個(gè)方向同步施加多個(gè)力和力矩，工裝在承受多個(gè)力和力矩后將所有方向的力耦合后形成矢量力并剛性傳遞到被校傳感器上，矢量力的耦合原理如圖2所示。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)多分量力的同步組合加載功能，同時(shí)考慮到針對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式和不同大小的多分量力傳感器校準(zhǔn)的適用性，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在裝置內(nèi)部加載空間形成了一個(gè)加載面高度可調(diào)的力加載三維坐標(biāo)系。為了保證力矩參數(shù)的準(zhǔn)確度，對(duì)各個(gè)力矩分量采用在一定力臂長(zhǎng)度位置施加力的方式來實(shí)現(xiàn)。裝置主機(jī)的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖2 力矢量的耦合原理示意圖

圖3 多分量力校準(zhǔn)裝置主機(jī)結(jié)構(gòu)圖

在裝置空間坐標(biāo)系的X，Y和Z軸方向分別分布了5個(gè)力加載單元，并根據(jù)需要在每個(gè)力加載單元設(shè)計(jì)了一個(gè)或多個(gè)加載力源，各力源輸出頭通過解耦元件串接標(biāo)準(zhǔn)力傳感器，通過對(duì)各力源進(jìn)行選擇控制加載，將不同位置和方向的力協(xié)調(diào)加載到固定在工作臺(tái)上的被校多分量力傳感器上，即可實(shí)現(xiàn)力矢量各個(gè)分量的獨(dú)立校準(zhǔn)或多分量力的同步組合加載和校準(zhǔn)。

基于裝置需要實(shí)現(xiàn)的具體功能要求，主機(jī)結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)有：①各分量具有獨(dú)立性，并可實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)加載；②各加載力源的力值控制均要達(dá)到較高的準(zhǔn)確度；③對(duì)各力矩分量的力臂必須進(jìn)行準(zhǔn)確控制；④有較大的試驗(yàn)空間，通過可升降移動(dòng)加載機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)加力高度位置，方便對(duì)不同的校準(zhǔn)對(duì)象進(jìn)行校準(zhǔn)；⑤裝置主機(jī)有足夠的剛度，控制整體變形和扭轉(zhuǎn)，使各分量在最大載荷時(shí)的變形均不會(huì)明顯影響整體準(zhǔn)確度。

所有技術(shù)設(shè)計(jì)均需基于以上目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)來進(jìn)行，裝置最終實(shí)現(xiàn)的有效工作空間為1.2 m×1.2 m×0.8 m，各分量的范圍和測(cè)量不確定度水平見表1。

表1 多分量力校準(zhǔn)裝置技術(shù)參數(shù)

2.2 多分量力加載原理設(shè)計(jì)

在校準(zhǔn)裝置主機(jī)力加載空間坐標(biāo)系中合適的方向和位置上共設(shè)計(jì)分布13個(gè)力源，如圖4所示，用來實(shí)現(xiàn)力和力矩，力矩分量的力源位于偏離坐標(biāo)軸中心的固定位置上。

圖4 校準(zhǔn)裝置力源的分布示意圖

每個(gè)力源均配置有獨(dú)立的動(dòng)力系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)各自獨(dú)立控制加載。每個(gè)力源還串接安裝了標(biāo)準(zhǔn)力傳感器，用于實(shí)現(xiàn)力值的準(zhǔn)確測(cè)量和控制，對(duì)這些力源進(jìn)行分別控制、協(xié)同工作，即可實(shí)現(xiàn)力矢量的多個(gè)分量的同步加載和校準(zhǔn)。

在裝置加載機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，在力矢量坐標(biāo)系垂直方向（Z向）的力加載單元共布置了5個(gè)力源，用于實(shí)現(xiàn)主分量FZ和繞兩個(gè)側(cè)向力分量FX，F(xiàn)Y的彎矩（含正反矩）MX和MY，Z向加載器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖如圖5所示。

圖5 Z方向力加載單元結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)Z向各力源工作時(shí)，最終實(shí)現(xiàn)的FZ，MX和MY量值大小分別由公式（1）至公式（3）計(jì)算得到。

式中：FZ-O為Z方向力加載單元中心位置力源加載的力值；FZ-X（＋），F(xiàn)Z-X（-）分別為Z方向力加載單元沿X軸方向上兩個(gè)力源加載的力值；FZ-Y（＋），F(xiàn)Z-Y（-）分別為Z方向力加載單元沿Y軸方向上兩個(gè)力源加載的力值；LZ-Y（＋），LZ-Y（-）分別為Z方向力加載單元沿Y軸方向上兩個(gè)力源加載力臂的長(zhǎng)度；LZ-X（＋），LZ-X（-）分別為Z方向力加載單元沿X軸方向上兩個(gè)力源加載中軸線與Z方向力加載單元中心位置的垂直距離。

在裝置力坐標(biāo)系的水平面（X-Y平面）上共布置了8個(gè)力源，用于實(shí)現(xiàn)側(cè)向力分量FX和FY以及繞主分量FZ的扭矩（含正反矩）MZ。其中X和Y方向分別有一對(duì)力加載單元面對(duì)面布置，X方向上的兩個(gè)力加載單元分別配置3個(gè)力源，而Y方向上的兩個(gè)力加載單元分別配置一個(gè)力源。水平方向上4個(gè)力加載單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 水平方向力加載單元結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)X方向和Y方向各力源工作時(shí)，F(xiàn)X，F(xiàn)Y和MZ量值的大小分別由公式（4）至公式（6）計(jì)算得到。

式中：FX-O（＋），F(xiàn)X-O（-）分別為X方向兩個(gè)相對(duì)的中心力源加載的力值；FX1，F(xiàn)X2分別為X正方向上兩個(gè)偏離中心位置的力源加載的力值；FX3，F(xiàn)X4分別為X負(fù)方向上兩個(gè)偏離中心位置的力源加載的力值；FY-O（＋），F(xiàn)Y-O（-）分別為Y方向兩個(gè)相對(duì)的中心力源加載的力值；LX1，LX2，LX3，LX4分別為對(duì)應(yīng)于X方向上4個(gè)偏離中心位置的力源加載中軸線與X方向力加載單元中心位置的垂直距離。

按照以上設(shè)計(jì)原理，該裝置在進(jìn)行力矩分量的校準(zhǔn)時(shí)，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)方向力的加載，所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要，通過加載過程的合理設(shè)計(jì)來進(jìn)行力值的抵消或者累加計(jì)算。

2.3 主機(jī)結(jié)構(gòu)變形控制

由于力矩參數(shù)是基于力和力臂兩個(gè)方面，為了達(dá)到設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度要求，在裝置的設(shè)計(jì)、加工、裝配、調(diào)試和檢測(cè)過程中，需要采取相應(yīng)的技術(shù)工藝手段來控制和保證力臂長(zhǎng)度的準(zhǔn)確度。

裝置主機(jī)各構(gòu)件在受力之后不可避免地會(huì)產(chǎn)生變形，從而影響各方向力值加載點(diǎn)位置和力臂的有效長(zhǎng)度，進(jìn)而影響到實(shí)際力矩的準(zhǔn)確性。對(duì)于裝置主機(jī)整體剛度和變形的控制是整個(gè)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，也是保證其它各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求的必要條件。

為了增加裝置剛度，減小整體體積重量，裝置四周設(shè)計(jì)了剛性支撐機(jī)構(gòu)，同時(shí)通過控制變形區(qū)、增加撓性連接件［6］等手段來保證各分量標(biāo)準(zhǔn)力傳感器輸出軸線與被校多分量力傳感器受力軸線的一致性，使其局限在一定的范圍內(nèi)，并盡量保持平行，從而減少寄生分量的產(chǎn)生。

為了驗(yàn)證裝置剛度設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了受力模型仿真分析，同時(shí)加載FX，F(xiàn)Y和FZ三方向最大力和水平方向最大力矩MZ，各部分變形情況見圖7所示。在此工況下，最大變形將產(chǎn)生在Z方向的頂板上，約為0.2 mm，由于軸向變形可由油缸活塞加力跟蹤，因此對(duì)各分量量值準(zhǔn)確度的影響甚微。設(shè)備整體結(jié)構(gòu)受到最大力矩引入的水平方向的扭轉(zhuǎn)變形為0.06 mm，與力臂長(zhǎng)度200 mm相比，相對(duì)影響量為0.03%，其影響也符合設(shè)計(jì)要求。

3 多分量力校準(zhǔn)裝置的試驗(yàn)驗(yàn)證

為了確認(rèn)校準(zhǔn)裝置各力源之間的位置關(guān)系，采用V-STARS攝影測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行各力源之間空間位置關(guān)系的測(cè)試試驗(yàn)，確定各加載軸線之間的距離和角度。測(cè)試點(diǎn)布置和處理結(jié)果如圖8所示。對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，各個(gè)加載軸線之間的夾角與標(biāo)稱值的偏差最大為0.036°，各個(gè)力矩分量有效力臂的偏差不超過0.05 mm，符合設(shè)計(jì)要求。

圖7 主機(jī)框架受最大力和力矩后的變形情況

圖8 各力源空間位置測(cè)試結(jié)果示意圖

根據(jù)需要對(duì)力加載試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行選擇、排序，設(shè)計(jì)校準(zhǔn)程序，按照先單分量再多分量的順序逐次開展驗(yàn)證試驗(yàn)。采用高準(zhǔn)確度標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀對(duì)裝置的13個(gè)力源分別進(jìn)行獨(dú)立的力值示值誤差校準(zhǔn)，各項(xiàng)參數(shù)均優(yōu)于0.03級(jí)疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的相應(yīng)要求［7］。

對(duì)裝置開展一系列多分量力組合加載試驗(yàn)，從而驗(yàn)證其多分量力組合加載的控制能力，分量組合情況如表2所示［6］，表2中，“＋”表示可實(shí)現(xiàn)的組合，“-”表示不能實(shí)現(xiàn)的組合。針對(duì)一個(gè)剛性受力體，依次開展二分量、三分量直至六分量的組合加載試驗(yàn)，各分量均進(jìn)行了測(cè)量下限點(diǎn)和測(cè)量上限點(diǎn)力值的加載，各力源的控制準(zhǔn)確度均符合設(shè)計(jì)要求。

當(dāng)前，由于多分量力傳感器自身耦合誤差較大（很少能達(dá)到1%），市場(chǎng)上尚沒有能夠直接驗(yàn)證裝置整體最佳指標(biāo)的高準(zhǔn)確度多分量力傳感器。對(duì)現(xiàn)有準(zhǔn)確度較高的多分量力傳感器進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)，測(cè)量結(jié)果均可達(dá)到其聲稱的技術(shù)特性。其中一個(gè)試驗(yàn)的傳感器外形如圖9所示，該二分量力傳感器可在兩個(gè)軸線方向受力，兩個(gè)分量的測(cè)量上限都是2 kN。由于該傳感器本身是由4個(gè)S形傳感器共同組成，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了自身耦合誤差很小，但是變形比較大（最大時(shí)已超過1 mm），非常適合考察標(biāo)準(zhǔn)裝置自身的分量耦合情況。

表2 分量組合情況

圖9 試驗(yàn)用二分量力傳感器結(jié)構(gòu)外形圖

試驗(yàn)時(shí)，分別在傳感器兩個(gè)軸線方向同步加載直至均達(dá)到2 kN，傳感器在本裝置測(cè)得的靈敏度數(shù)據(jù)與靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)上的數(shù)據(jù)相比，兩個(gè)靈敏度的結(jié)果一致性均優(yōu)于0.1%。這一結(jié)果，一方面驗(yàn)證了校準(zhǔn)裝置本身力值協(xié)調(diào)控制的準(zhǔn)確度水平很高，另一方面也驗(yàn)證了當(dāng)內(nèi)部有變形產(chǎn)生時(shí)，裝置自身各分量的耦合效應(yīng)也非常小。

4 結(jié)束語

大量的驗(yàn)證和應(yīng)用試驗(yàn)顯示：所研制的多分量力校準(zhǔn)裝置達(dá)到了預(yù)期的水平，整體工作狀態(tài)良好，單獨(dú)或同時(shí)施加單分量力時(shí)，力值準(zhǔn)確、穩(wěn)定。試驗(yàn)結(jié)果也表明了該裝置各項(xiàng)性能指標(biāo)完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

耦合誤差是多分量力傳感器設(shè)計(jì)和制造的難點(diǎn)，目前還沒有合適的多分量力傳感器來驗(yàn)證裝置的最優(yōu)指標(biāo)。我們也在利用該裝置來開發(fā)具有更優(yōu)良性能的多分量力傳感器，這樣，后續(xù)將得到更多更好的數(shù)據(jù)。另外，加載工裝的結(jié)構(gòu)和準(zhǔn)確度也是測(cè)量結(jié)果的重要影響因素，需要重點(diǎn)關(guān)注。

本文對(duì)多分量力的組合加載技術(shù)進(jìn)行了深入研究，形成了較為全面的設(shè)計(jì)思路，同時(shí)各項(xiàng)加工、裝調(diào)工藝也得以驗(yàn)證，為今后在該領(lǐng)域繼續(xù)開展相關(guān)技術(shù)研究積累了經(jīng)驗(yàn)。