專利名稱：：全自動(dòng)無砝碼自補(bǔ)償天平校準(zhǔn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本實(shí)用新型涉及風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)力天平的地面靜態(tài)校準(zhǔn)設(shè)備的部件，特別涉及一種全自動(dòng)砝碼自補(bǔ)償天平校準(zhǔn)裝置。眾所周知，風(fēng)洞試驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬的飛行試驗(yàn)是空氣動(dòng)力學(xué)研究和設(shè)計(jì)的三大手段，實(shí)踐證明，風(fēng)洞試驗(yàn)在現(xiàn)在或未來都將是航空航天器氣動(dòng)力研究不可缺少的重要手段。風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn)主要用來測(cè)量各類飛行器模型所受的氣動(dòng)力和力矩，是空氣動(dòng)力地面模擬實(shí)驗(yàn)中最基本的試驗(yàn)項(xiàng)目。其測(cè)力試驗(yàn)的不確定度主要同試驗(yàn)?zāi)Ｐ图捌浒惭b不確定度，測(cè)力天平和測(cè)量?jī)x器不確定度，流場(chǎng)品質(zhì)，控制系統(tǒng)和風(fēng)洞的動(dòng)態(tài)特性有關(guān)。尤其是在當(dāng)前風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)備發(fā)展比較成熟的今天，測(cè)力天平的不確定度已經(jīng)成為風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn)不確定度的重要因素。而風(fēng)洞天平對(duì)作用的飛行器模型上氣動(dòng)載荷測(cè)量的不確定度不僅取決于天平設(shè)計(jì)加工完后本身具有的性能，更為重要的是取決于天平地面靜態(tài)校準(zhǔn)的精確度，而制約天平靜態(tài)校準(zhǔn)精確度的關(guān)鍵是天平校準(zhǔn)設(shè)備的性能及與之相聯(lián)系的加載和數(shù)據(jù)處理方法。因此，國(guó)內(nèi)外氣動(dòng)工作者都十分重視風(fēng)洞天平校準(zhǔn)設(shè)備的研制工作。在校準(zhǔn)系統(tǒng)的研制中，盡可能采用當(dāng)時(shí)最新的科技成果，建立盡可能高精度等級(jí)，盡可能自動(dòng)化的校準(zhǔn)系統(tǒng)，從而提高天平計(jì)量的精確度，提高風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn)的精確度。風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn)要求測(cè)力天平具有把作用在飛行器模型上的空氣動(dòng)力按給定的坐標(biāo)軸系進(jìn)行精確分解并精確測(cè)量六個(gè)氣動(dòng)力載荷分量(升力Y，俯仰力矩Mz，阻力X，滾轉(zhuǎn)力矩Mx，側(cè)向力Z，偏航力矩My)的能力。風(fēng)洞應(yīng)變天平校準(zhǔn)的目的，就是通過相應(yīng)的校準(zhǔn)設(shè)備和校準(zhǔn)方法，對(duì)被校天平施加校準(zhǔn)載荷，求得被校天平各分量的輸出信號(hào)隨所加載荷的變化關(guān)系，進(jìn)而獲得天平的校準(zhǔn)公式和工作公式。現(xiàn)有技術(shù)中，國(guó)內(nèi)的天平校準(zhǔn)設(shè)備大體可以分為三類一類是基于砝碼加載的地軸系天平校準(zhǔn)設(shè)備，這類設(shè)備對(duì)天平實(shí)施校準(zhǔn)時(shí)，不對(duì)校準(zhǔn)加載后天平和支桿的彈性變形所引起的加載頭位置的變化進(jìn)行復(fù)位補(bǔ)償，這樣就使校準(zhǔn)加在后力值的方向和作用點(diǎn)均偏離了初始坐標(biāo)軸系，而僅靠測(cè)量加載頭在六個(gè)自由度方向的位置變化量來進(jìn)行數(shù)據(jù)修正，由于位置測(cè)量的不準(zhǔn)確往往給校準(zhǔn)結(jié)果帶來比較大的誤差；第二類是基于砝碼加載的準(zhǔn)體軸系天平校準(zhǔn)設(shè)備，這類設(shè)備雖然可以實(shí)現(xiàn)加載頭的復(fù)位補(bǔ)償，但由于設(shè)備本身的限制，無法實(shí)現(xiàn)所有二元組合加載(如YMy、ZMz等)，加之采用滑輪和鋼帶傳動(dòng)，考慮到摩擦阻力及力的方向、作用點(diǎn)等，系統(tǒng)誤差偏大，也給校準(zhǔn)結(jié)果帶來比較大的誤差；這兩類設(shè)備的共同缺點(diǎn)是校準(zhǔn)裝置的自動(dòng)化程度低，特別是對(duì)于大載荷天平的校準(zhǔn)將帶來不可容忍的繁重的、耗時(shí)費(fèi)力的人力浪費(fèi)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，校準(zhǔn)效率低；第三類是以沈陽(yáng)626所為代表的基于砝碼加載的自動(dòng)天平校準(zhǔn)設(shè)備，該設(shè)備由加載機(jī)構(gòu)、復(fù)位檢測(cè)機(jī)構(gòu)、六自由度自補(bǔ)償復(fù)位機(jī)構(gòu)和測(cè)控處子系統(tǒng)組成，該設(shè)備雖然從原理上具有前兩類無可比擬的優(yōu)越性，但是，由于從根本上沒有擺脫砝碼加載的方式，不可避免的存在著滑輪和鋼帶傳動(dòng)帶來的摩擦阻力的影響、力的方向和作用點(diǎn)誤差難以嚴(yán)格控制的缺點(diǎn)。更重要的是，對(duì)聯(lián)5000N以上的天平校準(zhǔn)設(shè)備來說，用傳統(tǒng)的砝碼加載是無法實(shí)現(xiàn)的，必須研制力發(fā)生器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無砝碼加載。實(shí)踐證明，高精度的校準(zhǔn)設(shè)備是對(duì)被校天平實(shí)施精確校準(zhǔn)，進(jìn)面獲得高精度測(cè)力試驗(yàn)結(jié)果的關(guān)鍵。上述傳統(tǒng)的天平校準(zhǔn)設(shè)備，采用的是單元校準(zhǔn)體軸系或地軸系砝碼加載，難以真正模擬天平在風(fēng)洞吹風(fēng)試驗(yàn)中的受力狀態(tài)，不能做到高精度，高效率地對(duì)天平實(shí)施校準(zhǔn)。本實(shí)用新型之目的的旨在克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，通過對(duì)加載機(jī)構(gòu)與復(fù)位檢測(cè)機(jī)構(gòu)的改進(jìn)，提供一和大載荷、體軸系、高精度的全自動(dòng)無砝碼自補(bǔ)償天平校準(zhǔn)裝置，以滿足1.2×1.2m跨超聲速風(fēng)洞風(fēng)洞各類型號(hào)試驗(yàn)所需天平的校準(zhǔn)需要，同時(shí)兼顧2.4×2.4m跨聲速風(fēng)洞中、小載荷天平的校準(zhǔn)需要。本實(shí)用新型的內(nèi)容是一種全自動(dòng)無砝碼自補(bǔ)償天平校準(zhǔn)裝置，包括加載機(jī)構(gòu)與復(fù)位檢測(cè)機(jī)構(gòu)，其特征是所述加載機(jī)構(gòu)與復(fù)位檢測(cè)機(jī)構(gòu)由底座(1)、一端與底座(1)連接的承力座(11)；由安裝在承力座(11)上的有標(biāo)準(zhǔn)錐孔的加載頭(10)、套接于加載頭(10)標(biāo)準(zhǔn)錐孔內(nèi)的滑套(9)、加載頭定位銷(16)構(gòu)成的加載頭部分；與加載頭(10)一端面連接的渦流探頭(18)(例如BENTLY渦流探頭等)構(gòu)成的加載頭復(fù)位檢測(cè)部分；由與承力座(11)連接的彈性支承座(13)，支撐于彈性支承座(13)上順次串接的調(diào)節(jié)螺母(12)、平衡力值傳感器(14)、彈性鉸鏈吊桿(15)和懸掛橫梁(17)構(gòu)成的平衡部分；以及6～14個(gè)加載部分組成；各單元加載部分均由施力框架(2)，安裝在施力框架(2)上的力發(fā)生器(6)，順次串接的后軸承座(4)、施力桿(5)、標(biāo)準(zhǔn)力值傳感器(7)和另一端與加載頭(10)相連的彈性鉸鏈?zhǔn)┝ψ?8)，一端與底座(1)連接、一端與力發(fā)生器(6)活動(dòng)鉸鏈連接、一端與施力桿(5)活動(dòng)連接的比例杠桿(3)，以及一端與承力座(11)固定連接、另一端與施力桿(5)活動(dòng)套接的支承座(19)構(gòu)成。本
實(shí)用新型內(nèi)容中所述力發(fā)生器(6)由安裝在施力框架(2)上的帶蝸輪減速器(21)的步進(jìn)電機(jī)(20)，與蝸輪減速器(21)輸出軸連接的滾珠絲桿(22)，一端與滾珠絲桿(22)連接、另一端連接有出力頭(30)的壓縮彈簧(26)，與壓縮彈簧(26)一端連接的主動(dòng)滑塊(24)和滑塊(25)，與壓縮彈簧(26)另一端連接的滑塊(29)，兩端分別與主動(dòng)滑塊(24)和滑塊(29)固定連接、并與滑塊(25)活動(dòng)套接的2根對(duì)稱的拉桿(27)，兩端分別與滑塊(25)和壓縮彈簧(26)一端固定連接、并與滑塊(29)活動(dòng)套接的2根對(duì)稱的拉桿(28)，以及兩端分別與施力框架(2)固定連接、并與主動(dòng)滑塊(24)和滑塊(29)活動(dòng)套接的2根對(duì)稱的拉桿(23)組成。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有下列特點(diǎn)(1)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、原理先進(jìn)，獨(dú)特的力發(fā)生器6方案，配備標(biāo)準(zhǔn)力值傳感器7作為天平標(biāo)準(zhǔn)的力值基準(zhǔn)是真正實(shí)現(xiàn)天平校準(zhǔn)無砝碼加載技術(shù)的關(guān)鍵；(2)應(yīng)用范圍寬?？捎糜谥睆綖棣?0-Φ80mm，載荷范圍在30000N以下的內(nèi)式應(yīng)變天平或半模天平的校準(zhǔn)，只需更換過渡錐套和不同量程組的標(biāo)準(zhǔn)力值傳感器組，即可滿足不同幾何尺寸和量程范圍天平的校準(zhǔn)需要；(3)完善的自動(dòng)控制硬件和軟件，實(shí)現(xiàn)了天平校準(zhǔn)過程的全自動(dòng)作業(yè)；(4)全新的多元校準(zhǔn)方案和數(shù)據(jù)處理方法是國(guó)內(nèi)外天平校準(zhǔn)的一大突破；(5)天平的安裝和定位方便，可靠；(6)可實(shí)現(xiàn)六自由度加載機(jī)構(gòu)的高精度測(cè)量和復(fù)位控制；(7)在校準(zhǔn)天平的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)彈性角系數(shù)的自動(dòng)校測(cè)；(8)可操作性強(qiáng)，可維護(hù)性好，工作效率高；(9)附表1是本實(shí)用新型主要技術(shù)指標(biāo)，附表2是國(guó)內(nèi)外n個(gè)風(fēng)洞天平校準(zhǔn)設(shè)備的主要性能比較表，從表中數(shù)據(jù)可以看出，本實(shí)用新型各項(xiàng)性能均已處于國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。圖1是本實(shí)用新型原理框圖；圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是圖2中力發(fā)生器(6)結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1-底座、2-施力框架、3-比例杠桿、4-后軸承座、5-施力桿、6-力發(fā)生器、7-標(biāo)準(zhǔn)力值傳感器(標(biāo)準(zhǔn)力值計(jì))、8-彈性鉸鏈?zhǔn)┝ψ?-滑套、10-加載頭、11-承力座、12-調(diào)節(jié)螺母、13-彈性支承座、14-平衡力值傳感器、15-彈性鉸鏈吊桿、16-加載頭定位銷、17-懸掛橫梁、18-BENTLY渦流探頭、19-支承座、20-步進(jìn)電機(jī)、21-蝸輪減速器、22-滾珠絲桿、23-拉桿、24-主動(dòng)滑塊、25-滑塊、26-壓縮彈簧、27-拉桿、28-拉桿、29-滑塊、30-出力頭、31-六自由度的補(bǔ)償復(fù)位機(jī)構(gòu)。下面是本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例參見附圖1～3。一種BCL-30000全自動(dòng)無砝碼自補(bǔ)償天平校準(zhǔn)裝置，由加載機(jī)構(gòu)與復(fù)位檢測(cè)機(jī)構(gòu)、六自由度自補(bǔ)償復(fù)位機(jī)構(gòu)和測(cè)控處子系統(tǒng)組成。所述加載機(jī)構(gòu)與復(fù)位檢測(cè)機(jī)構(gòu)由底座1、一端與底座1連接的承力座11；由安裝在承力座11上的有標(biāo)準(zhǔn)錐孔的加載頭10、套接于加載頭10標(biāo)準(zhǔn)錐孔內(nèi)的滑套9、加載頭定位銷16構(gòu)成的加載頭部分；與加載頭10一端面連接的BENTLY渦流探頭18構(gòu)成的加載頭復(fù)位檢測(cè)部分；由與承力座11連接的彈性支承座13，支撐于彈性支承座13上順次串接的調(diào)節(jié)螺母12、平衡力值傳感器14、彈性鉸鏈吊桿15和懸掛橫梁17構(gòu)成的平衡部分；彈性鉸鏈吊桿15通過懸掛橫梁17對(duì)加載頭10的重量進(jìn)行平衡；以及6個(gè)加載部分組成；所述各加載部分均由施力框架2，安裝在施力框架2上的力發(fā)生器6，順次串接的后軸承座4、施力桿5、標(biāo)準(zhǔn)力值傳感器7和另一端與加載頭10相連的彈性鉸鏈?zhǔn)┝ψ?，一端與底座1連接、一端與力發(fā)生器6的出力頭30活動(dòng)鉸鏈連接、一端與施力桿5活動(dòng)連接的比例杠桿3，以及一端與承力座11固定連接、另一端與施力桿5活動(dòng)套接的支承座19構(gòu)成。所述力發(fā)生器6由安裝在施力框架2上的帶蝸輪減速器21的步進(jìn)電機(jī)20，與蝸輪減速器21輸出軸連接的滾珠絲桿22，一端與滾珠絲桿22連接、另一端連接有出力頭30的壓縮彈簧26，與壓縮彈簧26一端連接的主動(dòng)滑塊24和滑塊25，與壓縮彈簧26另一端連接的滑塊29，兩端分別與主動(dòng)滑塊24和滑塊29固定連接、并與滑塊25活動(dòng)套接的2根對(duì)稱的拉桿27，兩端分別與滑塊25和壓縮彈簧26一端固定連接、并與滑塊29活動(dòng)套接的2根對(duì)稱的拉桿28，以及兩端分別與施力框架2固定連接、并與主動(dòng)滑塊24和滑塊29活動(dòng)套接的2根對(duì)稱的拉桿23組成。該校準(zhǔn)裝置工作原理如下被校天平的支桿尾端通過錐面(1∶10)配合與六自由度自補(bǔ)償復(fù)位機(jī)構(gòu)31牢固聯(lián)接，天平前錐與加載頭通過過渡錐套(1∶5)和滑套9配合，滑套9與加載頭10通過錐面配合聯(lián)接。天平校準(zhǔn)時(shí)，首先提起加載頭定位銷16，調(diào)節(jié)加載平衡部分調(diào)節(jié)螺母12，使平衡力值傳感器14測(cè)量值顯示為4000N左右，運(yùn)行自補(bǔ)償復(fù)位程序，驅(qū)動(dòng)六自由度自補(bǔ)償復(fù)位機(jī)構(gòu)31進(jìn)行復(fù)位動(dòng)作，使加載頭10處于原始基準(zhǔn)位置，然后，力發(fā)生器6接受測(cè)控處系統(tǒng)加載控制工控機(jī)發(fā)來的指令，驅(qū)動(dòng)比例杠桿3，通過施力桿5，彈性鉸鏈?zhǔn)┝ψ?對(duì)被校天平施加預(yù)定的各階梯校準(zhǔn)載荷。標(biāo)準(zhǔn)力值傳感器7串接于施力桿5和彈性鉸鏈?zhǔn)┝ψ?之間，用來精確測(cè)量施加的校準(zhǔn)載荷。在校準(zhǔn)載荷作用下，由于被校天平和支桿的變形必然使加載頭10產(chǎn)生空間方向和位置狀態(tài)的改變。這樣復(fù)位檢測(cè)系統(tǒng)的BENTLY渦流探頭18可以監(jiān)測(cè)這一變化，并輸出相應(yīng)的控制信號(hào)送往測(cè)控處系統(tǒng)自補(bǔ)償工控機(jī)，驅(qū)動(dòng)六自由度自補(bǔ)償復(fù)位機(jī)構(gòu)31進(jìn)行補(bǔ)償復(fù)位，使加載頭10恢復(fù)到加載前的初始位置和狀態(tài)。被校天平各分量的信號(hào)輸出由數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)記錄，這樣就可完成一個(gè)階梯載荷改變的天平回零體軸校加載過程。等到所有階梯載荷依次加載完畢，中心控制機(jī)就可根據(jù)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)獲得的各階梯天平信號(hào)輸出值，經(jīng)相關(guān)數(shù)據(jù)處理，求得被校天平的校準(zhǔn)公式，同時(shí)，獲得被校支桿彈性角公式。力發(fā)生器采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿方式。其工作原理圖見圖3所示，壓力傳動(dòng)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)20正轉(zhuǎn)，通過蝸輪減速器21帶動(dòng)滾珠絲杠22旋轉(zhuǎn)，主動(dòng)滑塊24向下移動(dòng)，通過滑塊25、壓縮彈簧26、彈簧壓縮產(chǎn)生變形面施力于下滑塊29，通過出力頭30出力；拉力傳動(dòng)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)20反轉(zhuǎn)，經(jīng)渦輪減速器21帶動(dòng)滾珠絲杠22旋轉(zhuǎn)，主動(dòng)滑塊24向上移動(dòng)，通過拉桿28將下滑塊29向上拉動(dòng)，壓縮彈簧變形面施力于滑塊25，通過拉桿28將力傳給出力頭30，出力頭30是滑塊上下移動(dòng)的導(dǎo)向桿，以保證施力方向垂直于施力軸線，這樣可通過驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)20正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)正負(fù)向施力傳動(dòng)。附表1附表2</tables>權(quán)利要求1.一種全自動(dòng)無砝碼自補(bǔ)償天平校準(zhǔn)裝置，包括加載機(jī)構(gòu)與復(fù)位檢測(cè)機(jī)構(gòu)，其特征是所述加載機(jī)構(gòu)與復(fù)位檢測(cè)機(jī)構(gòu)由底座(1)、一端與底座(1)連接的承力座(11)；由安裝在承力座(11)上的有標(biāo)準(zhǔn)錐孔的加載頭(10)、套接于加載頭(10)標(biāo)準(zhǔn)錐孔內(nèi)的滑套(9)、加載頭定位銷(16)構(gòu)成的加載頭部分；與加載頭(10)一端面連接的渦流探頭(18)構(gòu)成的加載頭復(fù)位檢測(cè)部分；由與承力座(11)連接的彈性支承座(13)，支撐于彈性支承座(13)上順次串接的調(diào)節(jié)螺母(12)、平衡力值傳感器(14)、彈性鉸鏈吊桿(15)和懸掛橫梁(17)構(gòu)成的平衡部分；以及6～14個(gè)加載部分組成；各單元加載部分均由施力框架(2)，安裝在施力框架(2)上的力發(fā)生器(6)，順次串接的后軸承座(4)、施力桿(5)、標(biāo)準(zhǔn)力值傳感器(7)和另一端與加載頭(10)相連的彈性鉸鏈?zhǔn)┝ψ?8)，一端與底座(1)連接、一端與力發(fā)生器(6)活動(dòng)鉸鏈連接、一端與施力桿(5)活動(dòng)連接的比例杠桿(3)，以及一端與承力座(11)固定連接、另一端與施力桿(5)活動(dòng)套接的支承座(19)構(gòu)成。2.接權(quán)利要求1所述的全自動(dòng)無砝碼自補(bǔ)償天平校準(zhǔn)裝置，其特征是所述力發(fā)生器(6)由安裝在施力框架(2)上的帶蝸輪減速器(21)的步進(jìn)電機(jī)(20)，與蝸輪減速器(21)輸出軸連接的滾珠絲桿(22)，一端與滾珠絲桿(22)連接、另一端連接有出力頭(30)的壓縮彈簧(26)，與壓縮彈簧(26)一端連接的主動(dòng)滑塊(24)和滑塊(25)，與壓縮彈簧(26)另一端連接的滑塊(29)，兩端分別與主動(dòng)滑塊(24)和滑塊(29)固定連接、并與滑塊(25)活動(dòng)套接的2根對(duì)稱的拉桿(27)，兩端分別與滑塊(25)和壓縮彈簧(26)一端固定連接、并與滑塊(29)活動(dòng)套接的2根對(duì)稱的拉桿(28)，以及兩端分別與施力框架(2)固定連接、并與主動(dòng)滑塊(24)和滑塊(29)活動(dòng)套接的2根對(duì)稱的拉桿(23)組成。專利摘要一種全自動(dòng)無砝碼自補(bǔ)償天平校準(zhǔn)裝置,包括加載機(jī)構(gòu)與復(fù)位檢測(cè)機(jī)構(gòu),其特征是該機(jī)構(gòu)由:底座、承力座,由加載頭、滑套和定位銷構(gòu)成的加載頭部分,由彈性支承座、調(diào)節(jié)螺母、平衡力值傳感器、彈性鉸鏈吊桿和懸掛橫梁構(gòu)成的平衡部分,6～14個(gè)加載部分,以及加載頭復(fù)位檢測(cè)部分組成。用于風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)力天平的地面靜態(tài)校準(zhǔn),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)六分量?jī)?nèi)或應(yīng)變天平和半模天平的全自動(dòng)校準(zhǔn)作業(yè)。文檔編號(hào)G01M9/06GK2385330SQ9923259公開日2000年6月28日申請(qǐng)日期1999年9月10日優(yōu)先權(quán)日1999年9月10日發(fā)明者張應(yīng)培,顧文元,陸文祥,楊奇磷,田洪盛,孫煥成,馬護(hù)生,于昆龍申請(qǐng)人:中國(guó)氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心高速氣動(dòng)力研究所