CN103364169A - 高精度全自动回零式补偿型体轴系天平校准系统 - Google Patents

Abstract

高精度全自动回零式补偿型体轴系天平校准系统包括复位子系统、加载子系统、加载头初始定位子系统、复位测量子系统、控制子系统和软件子系统。为了解决回零式补偿型体轴系天平校准系统的高精度和全自动问题，研制了一套技术领先、设备先进的高精度全自动回零式补偿型体轴系天平校准系统。各个子系统研制过程中集合了多年在天平校准系统研制和使用方面的经验和教训，整套系统最终实现了高精度和全自动天平校准。

Description

高精度全自动回零式补偿型体轴系天平校准系统

技术领域

本发明涉及航空气动力风洞试验技术领域，特别涉及的是能够获得天平工作公式的一套高精度全自动回零式补偿型体轴系天平校准系统。

 背景技术

风洞天平是风洞测力实验的关键设备之一，天平的精准度直接影响风洞实验数据的准确性。天平是测量仪器，不进行标定就不能使用，天平的标定是通过天平校准系统来完成的。天平校准系统是提供高精度、高准度天平的必要条件，天平的精准度取决于校准系统的精准度，因此各风洞实验单位都非常重视高精度天平校准系统的研制。

风洞天平校准系统按加载坐标轴系的不同，可分为地轴系天平校准系统与体轴系天平校准系统。地轴系天平校准系统因为天平受载后的变形，使所施加载荷的方向发生了变化，从而与天平体轴系的方向不一致，因而不能正确地模拟模型在风洞的受力状态，影响天平对气动力测量的准度，目前在国内外已经很少使用。

体轴系天平校准系统大体可分如下四种：回零式补偿型体轴系天平校准系统、跟随式补偿型体轴系天平校准系统、测位式非补偿型体轴系天平校准系统、双天平式非补偿型体轴系天平校准系统。跟随式补偿型体轴系天平校准系统的施力点距离天平太近，因此准度较低；测位式非补偿型体轴系天平校准系统的体轴载荷是近似换算得到的，再加上很难确定施力点的确切位置，因此准度较低；双天平式非补偿型体轴系天平校准系统的标准天平也需要校准，被校天平的误差也要增加，因此设备结构将更为复杂，对标准天平量程范围和精度要求很高，有的还需要一套复杂的标定标准天平的系统。由于以上原因，回零式补偿型体轴系天平校准系统已成为校准系统的主流趋势，其性能的优越性已经被大家所认识，发展速度也越来越快。

回零式补偿型体轴系天平校准系统要求天平在静校过程中所受的载荷始终与安装在天平模型端加载头的体轴系坐标保持一致。当天平及支杆受载变形时通过自动测量、控制和调整系统使加载头重新恢复到受载前的位置和状态，实现体轴系校准。回零式补偿型体轴系天平校准系统给天平校准结果带来的误差主要来自于加载头初始定位的误差、加载子系统的误差和复位精度的误差，因此回零式补偿型体轴系天平校准系统研制过程中需要考虑减少以上的误差，实现高精度天平校准系统的研制。同时，回零式补偿型体轴系天平校准系统的全自动研制也是迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，为了解决回零式补偿型体轴系天平校准系统的高精度和全自动问题，而提供一套技术领先、设备先进的高精度全自动回零式补偿型体轴系天平校准系统。

采用的技术方案是：

高精度全自动回零式补偿型体轴系天平校准系统，包括复位子系统、加载子系统、加载头初始定位子系统、复位测量子系统、控制子系统和软件子系统。

所述复位子系统包括法向直线运动机构、轴向直线运动机构、侧向直线运动机构、俯仰角运动机构、滚转角运动机构和侧滑角运动机构。自下而上将法向直线运动机构、轴向直线运动机构、侧向直线运动机构、俯仰角运动机构、滚转角运动机构串联在一起。此方案复位速度快，且易于单自由度复位，复位精度高，对其它自由度复位相对影响小，大量选用了高精度成品件，减少了天平校准复位时间。为了实现天平全自动校准，每个自由度安装了限位开关。

所述的加载子系统包括盒式结构加载头、拖动装置、砝码串、传力装置。砝码串放置于拖动装置上，砝码串上端柄通过传力装置与盒式结构加载头连接，盒式天平下面与复位子系统连接，盒式天平上面与盒式结构加载头连接。加载子系统采用高精度的砝码加载和盒式结构的加载头设计方案，全部砝码均为国家三等精度砝码。砝码的加工材料按照国家三等砝码设计要求确定为不锈钢1Cr18Ni9Ti。盒式结构的加载头采用了一体加工，而且考虑到盒式天平准确安装定位，在天平安装面上设计了两个天平安装定位靠模。为了实现天平全自动校准，各个加载装置安装了限位开关。

所述的加载头初始定位子系统，包括两个测微准直仪和立方镜，立方镜安装于盒式结构加载头上。加载头初始定位子系统采用立方镜准直原理的测量方案，该方法采用一个高精度的立方镜安装在加载头上，立方镜本身是一个直角坐标系，其精度由制造装配精度来保证。在同一水平面内互相垂直的两个位置上安装两个测微准直仪，只要调整加载头使测微准直仪瞄准立方镜坐标系，就可以将加载头坐标系调整到与系统坐标系重合。该方法的角位移定位精度5秒，线位移定位精度0.05mm，长期稳定性好，并具有自检功能。

所述的复位测量子系统包括六个高精度半导体激光位移传感器。将六个高精度半导体激光位移传感器分成三组测量加载头在空间位置变化的方案，复位测量子系统与复位子系统一起完成回零式补偿型体轴系天平校准系统复位回零功能。日本Keyence的超高精度半导体激光位移传感器的分辨率最高可达0.0025μm，经换算角位移复位精度小于3秒，线位移复位精度小于0.03mm。

所述的控制子系统，通过CAN总线和DeviceNet总线驱动复位子系统和加载子系统的电机转动，实现自动加载和自动复位。控制子系统将当今先进的计算机技术、网络技术、分布控制技术、总线技术融为一体，实现天平校准的自动加载和自动复位控制工作。控制子系统主要采用现场总线控制。天平数据采集采用安捷伦公司的高精度3458A八位半数字电压表。为了实现天平全自动校准，该系统通过先进的检测元件及传感器实现对天平校准系统各个工作环节以及各个电气元件工作情况进行监控。

所述的软件子系统，是向控制子系统发送指令、接收复位测量子系统的数据及进行数据处理等功能。软件子系统主要包括自动复位控制系统软件、自动加载控制系统软件和自动数采处理系统软件。本套软件子系统的编制集合了我们多年在天平校准方面的经验和教训，最终成功地实现全自动天平校准。

高精度全自动回零式补偿型体轴系天平校准系统的校准方法：

应用复位子系统和加载头初始定位子系统完成盒式结构加载头的初始定位；

控制子系统和软件子系统准备就位后，操作人员通过中心控制站的人机界面下达全自动天平校准；

软件子系统，可以全自动完成更新加载组号、自动加载命令；

软件子系统向控制子系统发加载指令和复位指令，并时时地接收复位测量子系统的数据；

控制子系统，根据软件子系统的加载数据驱动电机开始转动，拖动装置的托盘带动砝码串下移，实现自动加载；

复位子系统，根据复位测量子系统测量出加载头在盒式天平加载变形后相对于初始位置的角度和位移变化量，在加载同时六个自由度电机转动，实现自动复位；自动加载完毕后返回加载完成信息，软件子系统才开始判断复位是否结束，当判断复位结束信息返回来，软件子系统自动命令数采设备采集盒式天平信号便完成了一组载荷的加载复位过程；如此往复，可实现盒式天平的多个加载点的自动加载、复位、采集，即完成此台盒式天平的全自动校准工作，并自动生成天平合格证。

本发明取得的积极效果是：

（1）、该套回零式补偿型体轴系天平校准系统大量选用高精度的成品件；

（2）该套回零式补偿型体轴系天平校准系统实现了大载荷配重的双层拖动研制；

3）该套回零式补偿型体轴系天平校准系统加载头初始定位精度：线位移小于0.05mm，角位移小于5″；

（4）该套回零式补偿型体轴系天平校准系统复位精度：线位移小于0.03mm，角位移小于3″；

（5）该套回零式补偿型体轴系天平校准系统实现全自动天平校准，一台天平校准时间由原来需12小时缩减到现在的5小时以内，大大提高了时间效率；

（6）应用此套天平校准系统完成了多台天平的校准，精准度指标均达到国军标合格指标，多数达到国军标先进指标。

附图说明

图1是本发明的整套系统结构示意图。

图2是图1的俯视示意图。

图3是本发明的复位子系统结构示意图。

图4是本发明的砝码串结构示意图。

图5是本发明的立方镜准直原理示意图。

图6是本发明的复位测量子系统结构示意图。

图7是本发明的双层拖动装置结构示意图。

图8是本发明的控制子系统模拟实物示意图。

具体实施方式

高精度全自动回零式补偿型体轴系天平校准系统，包括复位子系统1、加载子系统2、加载头初始定位子系统3、复位测量子系统4、盒式天平5、控制子系统6和软件子系统7。

所述的复位子系统1，包括法向直线运动机构8、轴向直线运动机构9、侧向直线运动机构10、俯仰角运动机构11、滚转角运动机构12和侧滑角运动机构13。自下而上将法向直线运动机构8、轴向直线运动机构9、侧向直线运动机构10、俯仰角运动机构11、滚转角运动机构12和侧滑角运动机构13串联在一起。

所述的加载子系统2，包括盒式结构加载头14、拖动装置15、砝码串16、传力装置17。砝码串16放置于拖动装置15上，砝码串上端柄（见图4）18通过传力装置17与盒式结构加载头14连接，盒式天平5下面与复位子系统1连接，盒式天平5上面与盒式结构加载头14连接。                                         

所述的加载头初始定位子系统3包括两个测微准直仪19和立方镜20（见图6），立方镜20安装于盒式结构加载头14上。

所述的复位测量子系统4包括六个高精度半导体激光位移传感器21。

所述的控制子系统6通过CAN总线和DeviceNet总线驱动复位子系统1的电机23和加载子系统2的电机22转动，实现自动加载和自动复位；

所述的软件子系统7是向控制子系统6发送指令、接收复位测量子系统4的数据及进行数据处理等功能。 

高精度全自动回零式补偿型体轴系天平校准系统的校准方法：

应用复位子系统1和加载头初始定位子系统3完成盒式结构加载头14的初始定位；

控制子系统6和软件子系统7准备就位后，操作人员通过中心控制站的人机界面下达全自动天平校准；

软件子系统7可以全自动完成更新加载组号、自动加载命令；软件子系统7向控制子系统6发加载指令和复位指令，并时时地接收复位测量子系统4的数据；

控制子系统6根据软件子系统7的加载数据驱动电机22开始转动，拖动装置15的托盘24带动砝码串16下移，实现自动加载；

复位子系统1根据复位测量子系统4测量出加载头在盒式天平5加载变形后相对于初始位置的角度和位移变化量，在加载同时六个自由度电机23转动，实现自动复位；

自动加载完毕后返回加载完成信息，软件子系统7才开始判断复位是否结束，当判断复位结束信息返回来，软件子系统7自动命令数采设备采集盒式天平5信号便完成了一组载荷的加载复位过程；如此往复，可实现盒式天平5的多个加载点的自动加载、复位、采集，即完成此台盒式天平5的全自动校准工作，并自动生成天平合格证。 

Claims (2)

1.高精度全自动回零式补偿型体轴系天平校准系统，包括复位子系统（1）、加载子系统（2）、加载头初始定位子系统（3）、复位测量子系统（4）、盒式天平（5）、控制子系统（6）和软件子系统（7），其特征在于所述的复位子系统（1），包括法向直线运动机构（8）、轴向直线运动机构（9）、侧向直线运动机构（10）、俯仰角运动机构（11）、滚转角运动机构（12）和侧滑角运动机构（13），自下而上将法向直线运动机构（8）、轴向直线运动机构（9）、侧向直线运动机构（10）、俯仰角运动机构（11）、滚转角运动机构（12）和侧滑角运动机构（13）串联在一起；所述的加载子系统（2），包括盒式结构加载头（14）、拖动装置（15）、砝码串（16）、传力装置（17），砝码串（16）放置于拖动装置（15）上，砝码串上端柄（18）通过传力装置（17）与盒式结构加载头（14）连接，盒式天平（5）下面与复位子系统（1）连接，盒式天平（5）上面与盒式结构加载头（14）连接；所述的加载头初始定位子系统（3）包括两个测微准直仪（19）和立方镜（20），立方镜（20）安装于盒式结构加载头（14）上；所述的复位测量子系统（4）包括六个高精度半导体激光位移传感器（21）；所述的控制子系统（6）通过CAN总线和DeviceNet总线驱动复位子系统（1）的电机（23）和加载子系统（2）的电机（22）转动，实现自动加载和自动复位；所述的软件子系统（7）是向控制子系统（6）发送指令、接收复位测量子系统（4）的数据及进行数据处理功能。

2. 根据权利要求1所述的高精度全自动回零式补偿型体轴系天平校准系统，其特征在于该系统的校准方法包括如下步骤：

应用复位子系统（1）和加载头初始定位子系统（3）完成盒式结构加载头（14）的初始定位；

控制子系统（6）和软件子系统（7）准备就位后，操作人员通过中心控制站的人机界面下达全自动天平校准；

软件子系统（7）可以全自动完成更新加载组号、自动加载命令；软件子系统（7）向控制子系统（6）发加载指令和复位指令，并时时地接收复位测量子系统（4）的数据；

控制子系统（6）根据软件子系统（7）的加载数据驱动电机（22）开始转动，拖动装置（15）的托盘（24）带动砝码串（16）下移，实现自动加载；

复位子系统（1）根据复位测量子系统（4）测量出加载头在盒式天平（5）加载变形后相对于初始位置的角度和位移变化量，在加载同时六个自由度电机（23）转动，实现自动复位；

自动加载完毕后返回加载完成信息，软件子系统（7）才开始判断复位是否结束，当判断复位结束信息返回来，软件子系统（7）自动命令数采设备采集盒式天平(5)信号便完成了一组载荷的加载复位过程；如此往复，可实现盒式天平(5)的多个加载点的自动加载、复位、采集，即完成此台盒式天平（5）的全自动校准工作，并自动生成天平合格证。

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