一種單矢量風(fēng)洞天平校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計

湛華海，張 旭，呂治國，于 煒，王設(shè)希，褚衛(wèi)華

(1. 中國空氣動力研究與發(fā)展中心 空氣動力學(xué)國家重點實驗室，四川 綿陽 621000； 2. 中國空氣動力研究與發(fā)展中心設(shè)備設(shè)計及測試技術(shù)研究所，四川綿陽 621000)

0 引 言

風(fēng)洞模型試驗是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)和測量作用在飛行器模型上氣動力和力矩的高精度測量裝置。風(fēng)洞天平技術(shù)涉及到天平材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計分析、加工制造、應(yīng)變傳感器技術(shù)和天平校準(zhǔn)技術(shù)等。天平校準(zhǔn)是利用天平校準(zhǔn)裝置，按照一定的校準(zhǔn)方法，建立天平測量信號和所受氣動載荷關(guān)系的過程，即獲取天平公式和天平其它性能參數(shù)的過程。由于風(fēng)洞天平校準(zhǔn)關(guān)系到天平未來應(yīng)用中模型氣動數(shù)據(jù)測量的不確定度，所以，風(fēng)洞天平校準(zhǔn)被認(rèn)為是天平研制過程中的重要環(huán)節(jié)。近年來，美、歐等發(fā)達(dá)國家在不斷追求風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)精細(xì)化的過程中，天平校準(zhǔn)技術(shù)有了新的發(fā)展和進(jìn)步。

激波風(fēng)洞是進(jìn)行高超聲速飛行器氣動力地面試驗的重要設(shè)備，其模型氣動載荷測量的裝置主要是壓電天平。它是利用壓電材料受力后在其表面產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)原理來測量作用在模型上的空氣動力載荷，主要用在脈沖型風(fēng)洞中進(jìn)行模型測力試驗。壓電天平具有頻率響應(yīng)快，剛度大，靈敏度高，載荷范圍寬等特點，但是缺點是低頻特性差。

1 壓電天平校準(zhǔn)原理

由于壓電天平低頻特性較差，其靜態(tài)校準(zhǔn)與應(yīng)變天平有很大的差異。一是壓電天平的靜態(tài)校準(zhǔn)是一個動態(tài)的測量過程，加載( 或卸載) 后，天平輸出的是一個階躍信號；二是為了避免在加載過程中施加砝碼時的“過沖”，壓電天平的校準(zhǔn)多采用卸載法，即首先對天平施加好載荷，在釋放掉電荷后，采用熔斷絲線的方法或人工快速托起砝碼的方法突然卸掉天平上的載荷，這時天平上產(chǎn)生與加載數(shù)值相等、符號相反的電荷量。圖1 是一種壓電天平校準(zhǔn)的單點卸載多元校準(zhǔn)設(shè)備示意圖。在天平的加載架上斜置一根鋼絲，鋼絲的延長線與天平坐標(biāo)軸不相交，鋼絲的另一端通過滑輪掛上一定質(zhì)量的砝碼，滑輪可以在某一平面內(nèi)做兩自由度運動，用測量鋼絲上A、B 兩點的空間坐標(biāo)，再通過空間矢量分解原理可計算出施加在天平上的六個分量的載荷。校準(zhǔn)時，每變化一次滑輪位置，測量一次鋼絲上兩點的空間坐標(biāo)，然后，卸載一次，如此反復(fù)進(jìn)行，即可完成對壓電天平的校準(zhǔn)。

圖1 壓電天平校準(zhǔn)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of piezoelectric balances calibration theory

2 單矢量天平校準(zhǔn)系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計為卸載式六分量自動校準(zhǔn)系統(tǒng)，采用單矢量多元校準(zhǔn)方式實現(xiàn)壓電天平自動校準(zhǔn)。具體為：通過加載頭給天平懸掛一靜重式砝碼，然后通過機(jī)構(gòu)調(diào)整天平姿態(tài)及加載點位置，將砝碼的鉛垂載荷變換為相對于天平軸系而言的矢量載荷，通過力的分解與坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，變換為所需要的六自由度載荷。根據(jù)壓電天平動態(tài)響應(yīng)的特點，校準(zhǔn)采用突然卸載的方法，實現(xiàn)載荷階躍。即先將砝碼加載于天平上，然后由機(jī)構(gòu)帶動天平和砝碼做勻速直線下降運動，在砝碼碰撞到地面時，實現(xiàn)砝碼載荷的瞬間卸載。天平校準(zhǔn)原理如圖2 所示。它是通過天平姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)改變天平與鋼帶之間位置，由角編碼器數(shù)據(jù)計算加載載荷空間矢量位置關(guān)系，從而進(jìn)行單矢量載荷的分解實現(xiàn)六分量加載。單矢量六自由度天平校準(zhǔn)系統(tǒng)的特點在于結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)誤差源少，校準(zhǔn)精度和效率高。

圖2 單矢量六自由度天平校準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure schematic diagram of the single vector six-component balance calibration system

系統(tǒng)由校準(zhǔn)架主體結(jié)構(gòu)、砝碼加載分系統(tǒng)、控制分系統(tǒng)、天平數(shù)據(jù)采集分系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)構(gòu)成如圖3 所示。可以實現(xiàn)對壓電天平進(jìn)行六自由度校準(zhǔn)。通過碰撞的方式能在30ms 的時間內(nèi)實現(xiàn)載荷的快速卸載。校準(zhǔn)系統(tǒng)具有以下功能：(1) 有不同的天平支桿接口滿足不同形式天平的需要；(2) 加載頭能夠?qū)崿F(xiàn)0°，90°和180°方向的自鎖；(3) 在設(shè)計載荷范圍內(nèi)，天平支桿能夠進(jìn)行滾轉(zhuǎn)和俯仰范圍內(nèi)的角度改變；(4) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以完成天平及角位移傳感器數(shù)據(jù)的實時采集、顯示及存儲；(5) 控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理軟件能夠滿足天平校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)處理的要求，給出天平校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

圖3 單矢量六自由度天平校準(zhǔn)系統(tǒng)組成圖Fig.3 Composing diagram of the single vector sixcomponent balance calibration system

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)構(gòu)設(shè)計遵循“穩(wěn)定可靠、操作便利、性價比高、使用效率高”的原則開展。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括校準(zhǔn)架主體結(jié)構(gòu)( 即天平姿態(tài)調(diào)整及運動機(jī)構(gòu)) 、砝碼加載裝置、碰撞裝置以及相關(guān)附件等部分。

3.1 校準(zhǔn)架主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1.1 機(jī)構(gòu)設(shè)計

校準(zhǔn)架主體結(jié)構(gòu)是具有3 個自由度的運動裝置。其功能主要是實現(xiàn)天平滾轉(zhuǎn)姿態(tài)調(diào)整、天平俯仰姿態(tài)調(diào)整、天平及砝碼升降運動。由兩組旋轉(zhuǎn)運動機(jī)構(gòu)和一組直線機(jī)構(gòu)組成，為串聯(lián)式組合結(jié)構(gòu)，如圖4 所示。

圖4 校準(zhǔn)架主體結(jié)構(gòu)Fig.4 Main structure of the calibration system

天平滾轉(zhuǎn)姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)帶動大減速比的高精度減速機(jī)直接驅(qū)動。軸體前端通過支桿轉(zhuǎn)換接頭，實現(xiàn)與天平支桿連接。支桿轉(zhuǎn)換接頭可滿足不同天平支桿形式壓電天平的校準(zhǔn)需求。

天平俯仰姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)采用的是專業(yè)三排圓柱滾子組合轉(zhuǎn)盤軸承，與小齒輪配合，實現(xiàn)俯仰運動。三排圓柱滾子組合轉(zhuǎn)盤軸承各種載荷由不同滾道和滾子組承受，在同等受力條件下，軸承的直徑可大大縮小，使主機(jī)更為緊湊；在同等尺寸下，承載能力大幅提高。此種結(jié)構(gòu)形式承載能力強(qiáng)，可實現(xiàn)大俯仰力矩、高精度運動。傳動機(jī)構(gòu)經(jīng)減速機(jī)、齒輪副兩級減速。齒輪副采用小模數(shù)齒輪，高精度齒面加工，可實現(xiàn)高精度控制。

天平及砝碼升降運動機(jī)構(gòu)采用高精度直線滾動導(dǎo)軌副作運動機(jī)構(gòu)，由高精度滾珠絲桿螺母副進(jìn)行驅(qū)動和控制，實現(xiàn)平穩(wěn)的直線運動。直線導(dǎo)軌長度要滿足機(jī)構(gòu)啟動、加速、平穩(wěn)直線運動、碰撞、減速、停車系列動作在內(nèi)的操作。直線滾動導(dǎo)軌副的滑塊與導(dǎo)軌之間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，大大降低二者之間的運動摩擦力，從而獲得動、靜摩擦力之差很小，隨動性好；驅(qū)動信號與機(jī)械動作滯后的時間間隔極短，有益于提高系統(tǒng)控制的響應(yīng)速度和靈敏度，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。同時能實現(xiàn)無間隙運動，提高了機(jī)械系統(tǒng)的剛度。

3.1.2 剛度計算與分析

由于天平校準(zhǔn)的特殊性，要求天平校準(zhǔn)架剛度應(yīng)盡可能高。天平校準(zhǔn)系統(tǒng)升降臺體及基座應(yīng)具有良好的強(qiáng)度和剛度。設(shè)計中對結(jié)構(gòu)受力變形進(jìn)行了有限元分析計算，結(jié)果如圖5 所示。在最大設(shè)計載荷下，由升降臺體及基座的變形引起的位移變化在0.06mm左右。

圖5 校準(zhǔn)架主體結(jié)構(gòu)變形有限元分析Fig.5 Finite element analysis of main structure of the calibration system

3.2 砝碼加載機(jī)構(gòu)設(shè)計

砝碼加載機(jī)構(gòu)主要是實現(xiàn)天平校準(zhǔn)時載荷的加/卸載。包括天平加載頭、鋼帶/鋼絲掛載裝置、砝碼、叉車、碰撞鋼板等。考慮到本系統(tǒng)中有大質(zhì)量砝碼，砝碼加載采用電動叉車加載方式，提高工作效率，降低勞動強(qiáng)度。

根據(jù)不同校準(zhǔn)量程，系統(tǒng)配備多套天平加載頭，以實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計。低量程使用鋁制加載頭、大量程使用鋼制加載頭。加載頭設(shè)計為套筒式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有可沿軸向滑動的套筒，同時兼做天平轉(zhuǎn)換接頭。實現(xiàn)不同接頭尺寸、不同軸徑、不同長度天平的校準(zhǔn)。加載頭在垂直天平軸線端面和平行天平軸線的另外一面上均布置多個加載點。

為使砝碼在規(guī)定時間內(nèi)卸載，除了對校準(zhǔn)架主體結(jié)構(gòu)升降運動的速度有要求，同時，還要求碰撞盡量是剛性接觸。因此，砝碼卸載時，地面與砝碼接觸部分設(shè)計為鋼板，并凸出地面。為使碰撞產(chǎn)生的振動對其它設(shè)備影響盡可能小，碰撞鋼板地基與周邊基礎(chǔ)之間設(shè)計有隔震帶。經(jīng)驗證試驗，采用鋼板碰撞方式，卸載時間可控制在20ms 內(nèi)。

4 測控系統(tǒng)設(shè)計

測控系統(tǒng)主要實現(xiàn)校準(zhǔn)裝置的運行控制以及天平信號采集、處理。包括控制分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集/處理分系統(tǒng)。設(shè)計中根據(jù)功能的獨立性將兩系統(tǒng)分離，以實現(xiàn)高可靠性和抗干擾。框圖如圖6 所示。

4.1 控制分系統(tǒng)設(shè)計

控制分系統(tǒng)用于控制校準(zhǔn)系統(tǒng)的運行，以及調(diào)整天平在安裝平臺上的姿態(tài)位置。所有的操作能實現(xiàn)計算機(jī)程控操作，同時也能實現(xiàn)手動操作。控制系統(tǒng)主要由計算機(jī)，控制機(jī)柜和伺服驅(qū)動系統(tǒng)等組成。

圖6 測控系統(tǒng)總體框圖Fig.6 Collective frame diagram of the measurement and control system

4.1.1 控制分系統(tǒng)工作過程

本校準(zhǔn)系統(tǒng)的控制過程為：用戶通過上位工業(yè)控制計算機(jī)或者HMI 人機(jī)界面向運動控制器發(fā)送姿態(tài)調(diào)整命令。運動控制器接收到命令后，其內(nèi)置的運動控制單元按照一定的控制算法控制伺服電機(jī)運轉(zhuǎn)。在調(diào)整的過程中，通過監(jiān)測編碼器判斷是否調(diào)整完成。然后，用戶通過使用砝碼加載作業(yè)叉車給砝碼加載。在加載完成后，控制平臺升降的電機(jī)使天平和加載頭平行勻速向下移動，當(dāng)砝碼盤接觸到地面前的瞬間，運動控制器產(chǎn)生觸發(fā)信號啟動數(shù)據(jù)采集，當(dāng)數(shù)據(jù)采集完成后，通過控制系統(tǒng)發(fā)出命令，天平及砝碼直線運動停止。通過PXIe 嵌入式計算機(jī)讀取數(shù)據(jù)，這樣就完成了一個點的校準(zhǔn)。然后天平及砝碼通過直線運動回復(fù)到初始位置，進(jìn)行下一個校準(zhǔn)運動，如此循環(huán)。最終經(jīng)過數(shù)據(jù)處理完成對一臺天平的校準(zhǔn)。

4.1.2 控制分系統(tǒng)設(shè)計

天平校準(zhǔn)系統(tǒng)要求高的精度，而且要求姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)能夠?qū)⑻炱降奈恢谜{(diào)整到所需的狀態(tài)。在滿足精度要求后，要求測量系統(tǒng)盡快完成數(shù)據(jù)采集和處理功能。為了減少控制對測量系統(tǒng)的干擾性，充分利用工控機(jī)很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和方便的用戶控制界面編制能力，測控系統(tǒng)總體構(gòu)成遵從“操作管理集中、單元控制獨立、測控系統(tǒng)隔離、系統(tǒng)信息共享”的設(shè)計思路，在本項目設(shè)計中，將測量和控制系統(tǒng)分離。

控制系統(tǒng)主要包括兩個部分：上位工業(yè)控制計算機(jī)，運動控制系統(tǒng)。上位工業(yè)控制計算機(jī)的主要作用是：(1) 上位控制計算機(jī)是姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制界面，負(fù)責(zé)將有關(guān)姿態(tài)調(diào)整控制操作命令通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸給PLC 控制系統(tǒng)，實現(xiàn)電機(jī)動作的啟停；可觸發(fā)測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集； 負(fù)責(zé)與測量系統(tǒng)通信。(2) 負(fù)責(zé)天平校準(zhǔn)過程中姿態(tài)調(diào)整過程的實時監(jiān)測，一方面能在線顯示用于控制天平姿態(tài)調(diào)整電機(jī)的運動狀態(tài)，另一方面要對電機(jī)運動和數(shù)據(jù)采集過程的故障和異常狀態(tài)進(jìn)行報警和處理。運動控制系統(tǒng)的主要作用是：(1) 天平姿態(tài)調(diào)整。通過控制兩組獨立的伺服電機(jī)，驅(qū)動姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)使得天平在俯仰和滾轉(zhuǎn)方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動，使得天平的姿態(tài)滿足校準(zhǔn)要求。(2) 實現(xiàn)砝碼的快速卸載。控制平臺升降的電機(jī)可以快速啟動，并迅速達(dá)到勻速運動的狀態(tài)，保持加載頭平穩(wěn)快速下降。( 3) 安全聯(lián)鎖。設(shè)計中采用兩級安全連鎖裝置。第一級限位開關(guān)通知控制系統(tǒng)軟件停機(jī)，第二級限位開關(guān)實現(xiàn)斷電處理。

4.2 天平信號采集分系統(tǒng)設(shè)計

天平數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)主要是對校準(zhǔn)過程中天平信號進(jìn)行采集和數(shù)據(jù)處理，得到天平校準(zhǔn)公式和天平校準(zhǔn)不確定度。

4.2.1 數(shù)采系統(tǒng)硬件設(shè)計

天平數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)包括多通道電荷放大器、多通道高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備、工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集軟件、數(shù)據(jù)處理軟件等部分。結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 天平信號數(shù)采系統(tǒng)框圖Fig.7 Frame diagram of the balance signal data acquisition system

電荷放大器選用的是DAQP-CHARGE-B/單通道靜態(tài)、動態(tài)電荷放大器模塊。它的作用是將壓電天平產(chǎn)生的電荷信號進(jìn)行調(diào)理放大，使之轉(zhuǎn)換為±5V 的電壓信號，供高速數(shù)據(jù)采集卡采集。為了滿足16 通道同步測量的要求，我們將16 個放大器模塊安裝在DEWE-30-16 機(jī)箱中，構(gòu)成16 通道電荷放大器。

16 通道高速采集系統(tǒng)使用NI 的PXIe 嵌入式系統(tǒng)。PXIe 嵌入式系統(tǒng)的作用是： 驅(qū)動高速數(shù)據(jù)采集卡工作，通過PXI Express 總線將數(shù)據(jù)保存在內(nèi)存，進(jìn)而保存在硬盤中。PXIe 嵌入式系統(tǒng)由以下幾部分組成：帶有4 個插槽的機(jī)箱，Core 2 Duo 2.53GHz 的中央處理器，X 系列的多功能數(shù)據(jù)采集卡。采集卡自帶16 個同步模擬輸入，48 個數(shù)字IO 端口。每個模擬輸入通道的采樣率達(dá)到1.25Mb/s，分辨率達(dá)到16bit，輸入信號為±5V 時絕對誤差為0.1%，且因為PXIe嵌入式系統(tǒng)使用了PXIe 總線技術(shù)，可以將采集到的數(shù)據(jù)快速保存到硬盤上，滿足了試驗對精度和速度的需求。

4.2.2 天平信號數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計

單矢量六自由度天平校準(zhǔn)系統(tǒng)對天平的校準(zhǔn)過程采用的是多分量綜合加載方法，即多元校準(zhǔn)方法。多元校準(zhǔn)方法是用多元組合加載的方法來確定天平的校準(zhǔn)公式。它是在天平校準(zhǔn)時，對天平各分量以不同的組合方式同時施加載荷，并求得天平校準(zhǔn)公式的方法。與單元校準(zhǔn)方法相比較，多元校準(zhǔn)方法更能真實地模擬天平的工作狀態(tài)。

校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理根據(jù)最小二乘原理，采用逐步回歸分析方法求解。天平的校準(zhǔn)公式為：

式中：Fi 為天平第i 個分量的載荷測值； ΔV i 為第i個分量電壓輸出值。

通過數(shù)據(jù)處理和變化，就可得到矩陣形式的天平工作公式：

式中：

軟件平臺選擇： 上位工業(yè)控制計算機(jī)和PXIe 嵌入式系統(tǒng)使用NI 的labview 開發(fā)平臺，而PLC 控制則使用西門子Step7 開發(fā)平臺。

5 結(jié) 論

(1) 采用伺服電機(jī)帶減速裝置進(jìn)行天平姿態(tài)調(diào)整，可以實現(xiàn)天平與加載鋼帶之間的空間位置關(guān)系準(zhǔn)確變換，并結(jié)合加載架上掛點的合理設(shè)計，滿足校準(zhǔn)所需矢量載荷的加載需求；

(2) 通過精密直線滾動導(dǎo)軌，采用勻速運動碰撞鋼板的方式，可實現(xiàn)載荷的瞬間卸載，滿足壓電天平信號采集需求；

(3) 單矢量六自由度天平自動校準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、誤差源少，結(jié)合多元校準(zhǔn)方法，可實現(xiàn)風(fēng)洞天平高效率、高精度校準(zhǔn)。

［1］ Dennis Booth. Automatic balance calibration system (ABCS)upgrades［R］. AIAA-2013-0419.

［2］ Jones Shirley M，R hew Ray D. Recent developments and status of the langley single vector balance calibration system［R］. NASA report，2004.

［3］ Lux James，Boas Amy，Li Samuel. System for automated calibration of vector modulators［R］. NASA report，2009.

［4］ Parker P A，F(xiàn)erris A T. Single vector calibration system for multi-axis load cells and method for calibrating a multiaxis load cell［R］. NASA report，2003.

［5］ DeLoach R. A comparison of two balance calibration model building methods［R］. AIAA-2007-147.

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

［7］ GJB2244-2011 風(fēng)洞應(yīng)變天平規(guī)范［S］. 北京： 國防科工委軍標(biāo)出版發(fā)行部，1995.

［8］ 馮世軍. 渦輪發(fā)動機(jī)動力模擬器校準(zhǔn)箱天平校準(zhǔn)技術(shù)研究［J］. 實驗流體力學(xué)，2006，(2) ： 90-93.

［9］ 王朝安. 一個全自動的風(fēng)洞天平校準(zhǔn)系統(tǒng)［J］. 流體力學(xué)實驗與測量，1998，(1) ： 92-96.

［10］王愛玲. 風(fēng)洞應(yīng)變天平自動校準(zhǔn)設(shè)備研制［R］. CARDC報告，2010.

［11］江桂清. 天平校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)處理與誤差分析［G］//風(fēng)洞天平技術(shù)論文集，1998.

［12］江桂清. 氣動天平多元校準(zhǔn)方法［G］//風(fēng)洞天平技術(shù)論文集，1998.