風洞應(yīng)變天平校準系統(tǒng)加載頭快速定位技術(shù)*

于衛(wèi)青，袁先士，李 通，陳志堅，高 超

(1中國兵器工業(yè)第203研究所，西安 710065;2解放軍邊防學院，西安 710108)

0 引言

盡管CFD技術(shù)有了很大發(fā)展，風洞實驗?zāi)壳叭匀皇乾F(xiàn)代飛行器氣動力研究最主要最基本的實驗手段，風洞測力實驗是風洞實驗最基本的實驗項目。風洞應(yīng)變天平是風洞測力實驗必不可少的最重要最關(guān)鍵的核心測試設(shè)備之一，它的性能直接影響風洞測力實驗數(shù)據(jù)的可靠性和精度。天平校準公式的準確程度直接影響了天平的性能，而天平校準前加載頭安裝定位則是天平校準的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，快速定位方法則提高了天平校準系統(tǒng)的定位精度、定位效率、成功率和校準精度。

1 測量原理及系統(tǒng)組成

1.1 校正原理

天平校準加載頭初始坐標系的確定是通過一個定位平臺建立起來的，定位平臺的水平度為3″。定位平臺上設(shè)有參考坐標系OXYZ(十字線)，加載頭坐標系O'X'Y'Z'則位于定位平臺的上方，沿鉛垂方向上移一定的位置。

這種方法建立起來的加載坐標系是通過一個中間參考坐標系來完成的，參考坐標系的任何微小改變都將影響加載頭坐標系的復(fù)現(xiàn)精度。

CG-01風洞天平校準系統(tǒng)基于準直原理，采用直接復(fù)現(xiàn)加載頭坐標系的方法。該方法采用一個高精度的立方鏡安裝在加載頭上，如圖1所示。立方鏡本身是一個直角坐標系，立方鏡坐標系O'X'Y'Z'與加載頭保持著固定的位置關(guān)系，其安裝精度由制造裝配精度來保證。

圖1 安裝立方鏡的加載頭

若加載頭坐標系為 OXoYoZo，立方鏡坐標系為O'X'Y'Z'，則二者關(guān)系為:

設(shè)定A、B兩個測微準直儀位于同一水平面且互相垂直的兩個位置上，如圖2所示。建立的瞄準坐標系OXYZ與加載坐標系OXoYoZo的關(guān)系為:

圖2 利用準直方法復(fù)現(xiàn)加載坐標系

由于加載頭上立方鏡的坐標系O'X'Y'Z'與加載頭坐標系OXoYoZo的關(guān)系為:

只要調(diào)整瞄準坐標系OXYZ與立方鏡坐標系O'X'Y'Z'重合就可以將加載頭安放到加載頭坐標系上。

1.2 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)通過兩套測微準直望遠鏡建立瞄準坐標系，利用測微準直望遠鏡、精密立方鏡、激光投點器，測微準直望遠鏡如圖3所示，通過測微準直望遠鏡復(fù)現(xiàn)加載頭十字準直影像，實現(xiàn)加載頭初始狀態(tài)的精確定位。其中將立方鏡安裝在加載頭的設(shè)計位置上(△X、△Y、△Z)，要求:

1)立方鏡坐標系與加載頭坐標系平行;

2)立方鏡的中心位于加載頭坐標系的(△X、△Y、△Z)，其中:△Z=0。

系統(tǒng)可滿足加載頭定位精度指標:

通過分層飽和法處理天然狀態(tài)鹽巖得到鹵水飽和狀態(tài)的鹽巖試件，對試件進行單軸壓縮試驗測定飽和狀態(tài)下試件的單軸壓縮強度(表4)飽和狀態(tài)下鹽巖的單軸抗壓強度為1.5～4.7 MPa，與天然狀態(tài)下鹽巖試件強度比較，經(jīng)原位鹵水飽和處理過的后鹽巖被軟化，強度降低。

1)加載頭的水平度:≤±3″;

2)加載頭的定位精度:±0.05mm。

圖3測微準直望遠鏡

1.3 測微準直望遠鏡

用于大尺寸測量時建立基準線。它主要用來提供一條從零到任意遠的光學基準視線及與此相垂直的直線、平面。天平校準加載頭主要是結(jié)合它的自準直功能，利用一個與基準線垂直的反射平面，通過與安裝在加載頭上的立方鏡的十字目標位置比較進行調(diào)整，將加載頭精確定位在加載坐標系內(nèi)。

1.4 定位目標

在水平面內(nèi)調(diào)整加載頭的方位，使加載頭的中心位于X軸與Z軸的交點處，X軸位于X向4個滑輪組的對稱中心線上，Z軸位于Z向兩個滑輪組的對稱中心線上。

2 調(diào)試項目

2.1 平面反射鏡基準調(diào)試

加載頭安裝調(diào)試前首先要保證測微準直儀位置的準確，為了檢查測微準直望遠鏡的位置是否發(fā)生了變化，加配了校準裝置，校準裝置如圖4所示。校準裝置主要是一個帶有十字標記的平面反射鏡，它安置在測微準直望遠鏡的軸線上并與軸線垂直，反射鏡的十字標記中心與望遠鏡的角度分劃板中心重合。反射鏡安置在相對穩(wěn)定的基座上。

2.2 建立瞄準坐標系

根據(jù)確定好測微準直望遠鏡的位置，調(diào)整立方鏡的位置。以精密立方鏡的兩個工作面為目標，移動加載頭，調(diào)整加載頭角位移和線位移，確定立方鏡的位置，分別調(diào)整兩個測微準直儀軸線與立方鏡的工作面垂直且通過立方鏡的十字刻線中心，則調(diào)整后的兩臺測微準直儀位于同一水平面且互相垂直，它們的軸線交點位于立方鏡的中心，調(diào)整原理如圖5所示。

2.3 復(fù)現(xiàn)加載頭坐標系

由于加載頭坐標系與立方鏡坐標系之間保持固定的關(guān)系，復(fù)現(xiàn)加載頭坐標系相當于復(fù)現(xiàn)立方鏡坐標系。通過測微準直望遠鏡觀察立方鏡的準直像，調(diào)整加載頭，使準直像與望遠鏡的角度分劃板的十字標記重合。為了快速方便的調(diào)整系統(tǒng)增加了粗定位裝置。兩激光投點器發(fā)出的光線粗略的交匯在立方鏡的中心位置上。

圖5 用準直望遠鏡建立的

3 定位方法

加載頭安裝定位前，首先要進行平面鏡基準調(diào)試，這是加載頭定位的前提。為了實現(xiàn)加載頭的空間精確定位，可以采用兩種定位方法，一是初始定位方法，二是通過不斷摸索總結(jié)的快速定位方法。

3.1 初始定位方法

加載頭定位初始的方法是采用先固定安裝加載頭，通過測微準直望遠鏡觀察立方鏡的十字目標慢慢移動加載頭，尋找加載頭的空間位置坐標，從而保證加載頭立方鏡的坐標與測微準直望遠鏡建立的坐標重合，達到空間定位的目標。

3.2 快速定位方法

實現(xiàn)快速定位的關(guān)鍵是:1)天平與加載頭的配合安裝，保證安裝位置滿足 α≤3'，β≤3'，μ≤3';2)優(yōu)化加載頭六個自由度調(diào)整位移的順序，依據(jù)先線位移后角位移的原則，位移調(diào)整順序為 Χ、Ζ、Y、α、β、γ。采用粗定位與精確定位相結(jié)合的辦法，實現(xiàn)加載頭的快速定位。

3.2.1 粗定位

粗定位采用激光投點器引導(dǎo)，根據(jù)激光投點器發(fā)出的可見紅光位置，調(diào)整加載頭的位置，使投點器的光斑盡量照射在立方鏡的中心位置，調(diào)整加載頭角度(俯仰與偏擺)，盡量使投射到立方鏡上的激光點的反射光斑進入測微準直望遠鏡的視場內(nèi)。

3.2.2 精確定位

粗定位結(jié)束后，要進一步進行精確定位。首先對加載頭進行線位移調(diào)整，通過觀察準直望遠鏡的準直像和立方鏡上的十字分劃線，不斷調(diào)整加載頭位置，使角度分劃板的十字線與立方鏡十字線重合，如果它們的中心分別與角度分劃板的十字線中心重合，則表明加載頭的一個水平軸向位置已經(jīng)確定。而進行加載頭角度定位，通過調(diào)整加載頭角位移 α、β、γ，使得位移分劃板反射像的圓心與望遠鏡位移分劃板的十字中心重合，即望遠鏡的光軸與立方鏡準直加載頭基本實現(xiàn)準直調(diào)整，角位移定位結(jié)束。只有線位移和角位移都滿足要求，加載頭實現(xiàn)了精確定位。

3.3 加載頭精確定位

一個方向的測微準直望遠鏡完成了定位目標后，進行另一個方向的測微準直望遠鏡的定位，只有當兩個方向的測微準直望遠鏡都完成了定位目標，則說明加載頭進入了預(yù)定的空間坐標內(nèi)，加載頭實現(xiàn)了精確定位，則可以進行天平校準的下一項準備工作。

Ζ方向測微準直望遠鏡可實現(xiàn)線位移Χ、Ζ方向和角位移α、β的定位，Χ方向測微準直望遠鏡可實現(xiàn)線位移Χ、Ζ方向和角位移β、γ的定位。

4 方法比較

初始定位方法是樹立了一個空間目標，但是如何達到目標則沒有詳細的安排和具體的調(diào)節(jié)步驟，需要天平校準人員不斷嘗試進行調(diào)整定位，費時費力。快速定位方法則是初始定位方法的一個改進，與初始定位方法相比，更加關(guān)注加載頭前期的安裝，一方面可以確保天平與加載頭作為一個整體進行定位，另一方面保證天平與加載頭位于同一空間坐標系內(nèi)，但這樣需要多個人員的配合，同時增加了安裝時間。總的來說，快速定位方法調(diào)節(jié)目標明確，調(diào)節(jié)步驟清晰，與初始定位方法相比可以在較短的時間內(nèi)達到定位目標。

5 結(jié)論

應(yīng)用兩種方法對多臺天平進行了校準前的安裝定位，通過對結(jié)果分析比較，得到了以下結(jié)論:

1)快速定位方法能夠縮短定位時間，提高工作效率。初始定位調(diào)整帶有隨機性，一般耗時不確定，但最少需要40min，而快速定位則最多需要20min。

2)應(yīng)用快速定位提高了定位精度，保證了加載頭定位的成功率和天平校準的準確率。應(yīng)用此方法校準的天平達到了GJB 2244－94規(guī)定的合格指標要求，部分指標進入先進指標。

故快速定位方法應(yīng)用于天平校準加載頭的空間坐標精確定位是成功的。

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