CN104111138B - 一种大型导弹发动机六分量测力及校准装置 - Google Patents

Abstract

一种大型导弹发动机六分量测力及校准装置，四个传力组件垂直安装在固定框与浮动框之间，且呈方形布置；另外四个传力组件分别通过上下支撑架固定在浮动框和固定框上，且这四个传力组件轴线相对于浮动框横向安装，安装位置分别与上述方形的四个边平行；四个力发生器垂直安装在固定框与浮动框上，另外四个力发生器分别通过支撑架转接横向固定在浮动框和固定框之间，安装位置分别与上述方形的四个边平行；校准时，力发生器产生的力通过浮动框传递给工作力传感器，根据工作力传感器测量的信息实现校准；测力时，力发生器不工作，被测力通过浮动框传递给工作力传感器，根据工作力传感器测量的信息得到需要测量的力和力矩。

Description

一种大型导弹发动机六分量测力及校准装置

技术领域

本发明用于导弹发动机在高空环境、大马赫数条件下的自由射流测力试验，属于航空试验与测试技术领域。

背景技术

美国、俄罗斯、日本等国类似的火箭自由射流试验设备已运行多年，所匹配的力测量装置多为单分量或三分量测力设备，未找到同时测量六分量力和力矩的设备。最有代表性是美国NASALANGLEY8ft高温风洞，其匹配的测力设备也是纵向三分量的，即轴向力、法向力和俯仰力矩。

国内有类似的预研阶段使用的设备，匹配的测力设备尺寸小、载荷测量范围小，为风洞使用的整体式天平结构，校准要在专门研制的校正架上进行。另外国内也有仅测量推力的单分量测力设备，能实现现场校准。但能在现场进行校准的大载荷六分量测力设备没有文献可查。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种大型导弹发动机六分量测力及校准装置。

本发明的技术解决方案是：一种大型导弹发动机六分量测力及校准装置，包括8个力发生器、固定框、浮动框和8个传力组件；

其中四个传力组件垂直安装在固定框与浮动框之间，且呈方形布置；另外四个传力组件分别通过上下支撑架固定在浮动框和固定框上，且这四个传力组件轴线相对于浮动框横向安装，安装位置分别与上述方形的四个边平行；四个力发生器垂直安装在固定框与浮动框上，另外四个力发生器分别通过支撑架转接横向固定在浮动框和固定框之间，安装位置分别与上述方形的四个边平行；

所述的传力组件包括工作力传感器、传力柔性梁、传力法兰；传力柔性梁一端通过螺杆与工作力传感器固定，工作力传感器直接固定在固定框上或者通过下支撑架固定在固定框上；传力柔性梁的另一端穿过传力法兰的通孔，传力法兰直接固定在浮动框上或者通过上支撑架固定在浮动框上；

校准时，力发生器产生的力通过浮动框传递给工作力传感器，根据工作力传感器测量的信息实现校准；测力时，力发生器不工作，被测力通过浮动框传递给工作力传感器，根据工作力传感器测量的信息得到需要测量的力和力矩。

所述的力发生器包括驱动部件、导向部件、监测元件和传力部件；所述监测元件为测力传感器；

所述驱动部件包括伺服马达和螺旋升降机，其中伺服马达输出扭矩，螺旋升降机将伺服马达的旋转运动转换为螺旋升降机丝杠的轴向直线运动，由丝杠带动导向部件、检测元件和传力部件做直线运动；

所述导向部件包括托盘和导向柱，固定框套在螺旋升降机的丝杠上，位于螺旋升降机上方且与螺旋升降机固定连接，托盘位于固定框上方，螺旋升降机的丝杠前端有安装用的螺纹，托盘通过中心螺纹孔旋紧在丝杠前端，导向柱的一端直接固定在固定框上或者通过支撑架转接固定在固定框上，另一端穿过托盘上预留的导向孔对托盘进行导向；测力传感器安装在托盘上；

所述传力部件包括传立杆、传力销、法兰以及对称配置在法兰两端的柔性梁；

柔性梁为圆柱状，沿轴向有通孔，两个柔性梁对称配置在法兰两侧，柔性梁和法兰通过定位销固定连接，传力杆穿过柔性梁的轴向通孔，传力销穿过柔性梁端部的圆孔和传力杆对应位置上的长槽孔，将柔性梁的两端与传力杆活动连接，传力杆的一端旋紧在测力传感器上，另一端穿过浮动框，通过法兰将力发生器直接固定在浮动框上或者通过支撑架转接固定在浮动框上。

所述柔性梁包括固定端、自由端、第一片梁、第二片梁和基体；

固定端和自由端位于基体的两端，固定端的一端与法兰通过定位销固定连接，另一端向外伸出一直U型的第一片梁，自由端的一端通过传力销与传力杆活动连接，自由端的另一端向外伸出一倒直U型的第二片梁；第一片梁与第二片梁呈十字交叉，十字交叉的部分互不接触；第一片梁的远离固定端的一端连接在基体上，第二片梁的远离自由端的一端也连接在基体上，基体上开有减重孔，以减轻整个柔性梁的重量；基体和自由端之间有缝隙，基体和固定端之间也有缝隙。

所述第一片梁和第二片梁均仅能承受自由端施加的拉力。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明测力装置为组装式结构，采用标准的大载荷、高精度力传感器作为测量元件，测量范围可改变；并且能同时测量六个分量的力和力矩。

(2)本发明校准与测力装置集成在一起，使空间利用率高；校准设备体积小，重量轻，方便加工，节省成本；现场校准能综合现场干扰因素，大大提高测量精度。

(3)本发明力发生器结构紧凑，通过不同的组合方式，可以精确产生天平校准的力和力矩，在保证天平性能不改变的前提下可以直接安装在天平的固定端和自由端之间，以此实现天平的原位校准。且力发生器采用机电式力加载装置，可双向加载，抗干扰能力强，加载精度高。

(4)本发明中的伺服马达、螺旋升降机都是成熟产品，可靠性好。并且零部件的更换和维护都比较方便，节省了研制成本和维护费用。

(5)本发明采用模块化结构，统一安装位置零部件之间的互换性好，通过更换伺服马达、高精度传感器和精密传力部件可以实现不同载荷范围的加载，大大缩短了生产周期，节约了成本。

(6)本发明可以实现双向加载，由于单个柔性梁只能承受拉力，在连接法兰两边对称配置柔性梁就可以实现拉力和压力双方向的加载。

附图说明

图1为本发明测力装置与校准装置的结构示意图；

图2为本发明测力装置的示意图；

图3为本发明传力组件示意图；

图4、5为图3不同方向立体图；

图6为本发明力发生器结构示意图；

图7为传力部件结构示意图；

图8为柔性梁和法兰的安装示意图；

图9为柔性梁结构示意图；

图10为柔性梁结构的全剖视图；

图11为柔性梁结构A-A剖视图；

图12为柔性梁结构的三维图；

图13为传立杆结构示意图；

图14为导向部件安装示意图；

图15为托盘结构示意图；

图16为托盘结构的全剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明，具体如下：

如图1所示，一种大型导弹发动机六分量测力及校准装置，包括八个力发生器1-8、固定框9、浮动框10和八个传力组件12-19；当本装置用于测力时，力发生器不工作，图2给出无力发生器安装时的结构，下称测力装置。

其中四个传力组件12、13、14、15垂直安装在固定框9与浮动框10之间，且呈方形布置；另外四个传力组件16-19分别通过上下支撑架固定在浮动框10和固定框9上，且这四个传力组件轴线16-19相对于浮动框10横向安装，安装位置分别与上述方形的四个边平行；四个力发生器1、2、3、4垂直安装在固定框9与浮动框10上，另外四个力发生器5-8分别通过支撑架转接横向固定在浮动框10和固定框9之间，安装位置分别与上述方形的四个边平行；

如图3所示，每个传力组件包括工作力传感器123、传力柔性梁124、传力法兰125；如图4、5所示，传力柔性梁124是双向正交的四棱柱体，即在四棱柱体相对的两面的相同位置分别向四棱柱体内部加工凹槽，凹槽截面形状在凹槽底部位置为圆形，圆形上为矩形槽，圆形槽与矩形槽连通；四棱柱体另外两个相对的两面同样加工上述凹槽；上述两组凹槽正交；在四棱柱体的两端分别加工上述两组凹槽得到传力柔性梁124。传力柔性梁124的主要作用为传递沿其轴向的载荷，抑制其它方向的干扰。传力柔性梁124一端通过螺杆与工作力传感器123固定，当传力组件垂直安装时，工作力传感器123直接固定在固定框9上，当横向安装时，工作力传感器123通过下支撑架转接固定在固定框9上；传力柔性梁124的另一端穿过传力法兰125的通孔，垂直安装时，传力法兰125直接固定在浮动框10上，横向安装时，通过上支撑架转接固定在浮动框10上。

如图6所示，本发明力发生器包括驱动部件、导向部件、监测元件、传力部件；所述监测元件为测力传感器25；所述驱动部件包括伺服马达28和螺旋升降机27，其中伺服马达28输出扭矩，螺旋升降机27通过其内部的涡轮蜗杆将伺服马达的旋转运动转换为螺旋升降机丝杠的轴向直线运动，由丝杠带动导向部件、检测元件和传力部件做直线运动。伺服马达28与螺旋升降机27通过中间的转接座连接，用螺钉固定，伺服马达28的输出轴与螺旋升降机27的输入轴通过联轴器相连，以传递马达输出的扭矩。垂直安装时，螺旋升降机27通过螺钉直接固定在固定框9上，横向安装时，螺旋升降机27通过支撑架转接固定在固定框9上。伺服马达28的转速和输出扭矩等参数通过上位机控制，测力传感器25的输出信号实时反馈给上位机，由此形成一个闭环控制系统，由上位机通过传感器的输出值来判断是否达到了所需要的校准力，然后控制马达的运转。

导向部件包括托盘29(如图15和图16所示)、导向柱26和固定框9(如图14所示)，固定框9套在螺旋升降机27的丝杠上，位于螺旋升降机27上方且与螺旋升降机27固定连接，托盘29位于固定框9上方，螺旋升降机27的丝杠前端有安装用的螺纹，托盘29通过中心螺纹孔293旋紧在丝杠前端，导向柱26的一端固定在固定框9上，另一端穿过托盘3上预留的导向孔292对托盘29进行导向；测力传感器25用八个螺钉通过托盘29的安装螺纹孔291安装在托盘29上；

所述传力部件包括传立杆23(如图13所示)、传力销21、法兰22以及对称配置在法兰两端的柔性梁24(如图7所示)。对称配置在法兰22两端的柔性梁24通过定位销固定在法兰上(如图8所示)和法兰作为一个整体。法兰的安装圆柱面起到定位的作用，保证柔性梁内孔中心线和螺旋升降机丝杠中心线的位置偏差在误差允许的范围内。传力销21从柔性梁24的圆孔和传立杆23上的长槽孔内穿过。法兰22和浮动框10通过螺钉连接；

如图9、图10、如图11、图12所示，柔性梁24是在圆柱状材料的基础上经过电加工和切削加工而成，外表面有通槽、销孔和平面，内部沿轴向有通孔，两个柔性梁24对称配置在法兰22两侧，柔性梁24和法兰22通过定位销固定连接，传力杆23穿过柔性梁24的轴向通孔，传力销21穿过柔性梁24端部的圆孔和传力杆23对应位置上的长槽孔，将柔性梁24的两端与传力杆23活动连接，传立杆23的一端旋紧在测力传感器25上，垂直安装时，另一端穿过浮动框10，通过法兰22将力发生器直接固定在浮动框10上；横向安装时，通过支撑架转接固定在浮动框10上。

柔性梁24包括固定端241、自由端242、第一片梁243、第二片梁244和基体245；

固定端241和自由端242位于基体245的两端，固定端241的一端与法兰22通过定位销固定连接，另一端向外伸出一直U型的第一片梁243，自由端242的一端通过传力销21与传力杆23活动连接，自由端242的另一端向外伸出一倒直U型的第二片梁244；第一片梁243与第二片梁244呈十字交叉，十字交叉的部分互不接触；第一片梁243的远离固定端241的一端连接在基体245上，第二片梁244的远离自由端242的一端也连接在基体245上，基体245上开有减重孔246，以减轻整个柔性梁24的重量；基体245和自由端242之间有缝隙，基体245和固定端241之间也有缝隙。

第一片梁243直U型和第二片梁244倒直U型的厚度都很薄，第一片梁243和第二片梁244均仅能承受自由端242施加的拉力。，根据材料力学知识可知，片梁在压力作用下会失稳、变形(原理同细长杆受压失稳变形一致)，不能正常传递力。所以这种柔性梁只能对自由端242施加拉力。

力发生器的工作原理：在伺服马达28驱动下，螺旋升降机27的丝杠向上(图6中所示方向)运动时，导向部件、检测元件连同传力杆23同时向上运动，当上面传力销21和传力杆23上部长槽孔的下缘接触时，加载力通过传立杆23、传力销21传递给法兰22上端的柔性梁24，此时传力杆23下部的长槽孔和下面的传力销21之间存在间隙，加载力不能通过下面的传力销21传递给法兰22下端的柔性梁24，加载力最终通过法兰22传递给浮动框10，对受试产品形成压力。伺服马达28带动螺旋升降机27的丝杠向下(图6中所示方向)运动时，导向部件、检测元件连同传力杆23同时向下运动，当下面传力销21和传力杆23下部长槽孔的下缘接触时，加载力通过传立杆23、传力销21传递给法兰22下端的柔性梁24，此时传力杆23上部的长槽孔和上面的传力销21之间存在间隙，加载力不能通过上面的传力销21传递给法兰22上端的柔性梁24，加载力最终通过法兰22传递给浮动框10对受试产品形成拉力。

整个力源装置中，螺旋升降机27安装在固定框9上作为固定端，法兰22和浮动框10连接作为自由端，该力发生器产生的力通过浮动框10施加给需要校准的产品。

本发明装置在校准时，当伺服电机驱动升降机的丝杠上下移动时，托盘、力传感器及传力杆同步移动。当传力杆向上移动，传力杆上面的长槽的底部顶到上方的传力销，从而通过传力销、柔性杆、承力法兰向浮动框施加向上的力。当升降机的丝杠向下移动时，则对浮动框施加向下的力，通过浮动框将力传递给工作力传感器123，根据测力传感器25和工作力传感器123测量的信息实现校准；例如按照图1、2所示的安装关系，力发生器1、力发生器2、力发生器3、力发生器4组合作用可以施加±Y、±Mx及±Mz；力发生器5和力发生器6组合作用施加±X；力发生器7和力发生器8组合作用可以施加±Z及±My。8个力发生器共同作用可以在试验现场实现对测力装置的多元校准。

例如各力发生器的测力传感器的输出信号按力发生器所示编号分别记为U₁～U₈，单位：mV，k₁～k₈分别为测力传感器的系数，单位：N/mV，L₁₂为力发生器1和力发生器2之间的距离，L₁₃为力发生器1和力发生器3之间的距离，L₇₈为力发生器7和力发生器8之间的距离。则由力发生器所施加载荷分别为X＝(K₅·△U₅+K₆·△U₆)，Y＝(K₁·△U₁+K₂·△U₂+K₃·△U₃+K₄·△U₄)，Z＝(K₇·△U₇+K₈·△U₈)，M_x＝[(K₁·△U₁+K₃·△U₃)-(K₂·△U₂+K₄·△U₄)]·L₁₂/2，M_y＝(K₇·△U₇-K₈·△U₈)·L₇₈/2，M_z＝[(K₁·△U₁+K₂·△U₂)-(K₃·△U₃+K₄·△U₄)]·L₁₃/2，需要施加力X时，由上位机给一个设定值X₀，指示力发生器5和力发生器6的马达同时运转，马达驱动升降机的丝杠向左或向右同方向移动，力发生器5和力发生器6的测力传感器25产生读数变化△U₅和△U₆，将该读数变化代入上式1计算出力值X，上位机计算力值X与设定值X₀之差，判定如果在误差范围内，则上位机指示马达停止运转，将力值X通过上支撑架传给浮动框10，浮动框将力值传给工作力传感器123，工作力传感器123读数发生变化，将该读数录入上位机，得到一组载荷和信号输出的加载数据。如果需要六个分量同时加载，则8个力发生器的马达全部动作。

测力时，力发生器不工作，被测力通过浮动框10传递给工作力传感器123，例如按照图1、2所示的安装关系，各传力组件的工作力传感器的输出根据传力组件编号分别记为U₁₂～U₁₉。则U_Fx＝U₁₆+U₁₇，U_Fy＝U₁₂+U₁₃+U₁₄+U₁₅，U_Fz＝U₁₈+U₁₉，U_mx＝(U₁₂+U₁₄)-(U₁₃+U₁₅)，U_my＝U₁₈-U₁₉，U_mz＝(U₁₂+U₁₃)-(U₁₄+U₁₅)，式中U_Fx～U_Mz分别对应公式中的△u_i，单位为mV。

利用校准装置的力发生器对测力装置可以实行六分量多元加载，由加载数据，根据最小二乘法原理，采用多元线性回归分析方法，计算各分量的系数，得到测力装置的校准公式，形如： $F_i=a_i\·\mathrm{\Δ}{u}_i+\underset{\underset{j\≠i}{i=1}}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}(b_{\mathrm{ij}}\·P_j)+\underset{j=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=j}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}(c_{\mathrm{ijk}}\·P_j\·P_k).$

式中：F_i─测力装置第i个分量的载荷测值(i＝1～6，分别代表阻力Fx，升力Fy，侧向力Fz，滚转力矩Mx,偏航力矩，My，俯仰力矩Mz)，N(或N·m)；

a_i─第i个分量的主系数；N(或N·m)/mV；

△u_i─第i个分量的输出信号；mV；

b_ij─其它分量载荷对第i分量的线性干扰系数，N(或N·m)/N·m(或N)；

P_j、P_k─对第i个分量产生干扰的分量载荷，N(或N·m)；

c_ijk─各分量载荷对第i分量的平方干扰系数(j＝k时)和交叉干扰系数(j≠k时)，N(或N·m)/N2(N2·m2或N2·m)；

将各工作力传感器123的测量信息代入校准公式 $F_i=a_i\·\mathrm{\Δ}{u}_i+\underset{\underset{j\≠i}{i=1}}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}(b_{\mathrm{ij}}\·P_j)+\underset{j=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=j}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}(c_{\mathrm{ijk}}\·P_j\·P_k),$ 利用多元线性回归分析方法等数学处理方法，得到作用在浮动框10的力和力矩。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (4)

1.一种大型导弹发动机六分量测力及校准装置，其特征在于：包括8个力发生器、固定框(9)、浮动框(10)和8个传力组件；

其中四个传力组件垂直安装在固定框(9)与浮动框(10)之间，且呈方形布置；另外四个传力组件分别通过上下支撑架固定在浮动框(10)和固定框(9)上，且这四个传力组件轴线相对于浮动框(10)横向安装，安装位置分别与上述方形的四个边平行；四个力发生器垂直安装在固定框(9)与浮动框(10)上，另外四个力发生器分别通过支撑架转接横向固定在浮动框(10)和固定框(9)之间，安装位置分别与上述方形的四个边平行；

所述的传力组件包括工作力传感器(123)、传力柔性梁(124)、传力法兰(125)；传力柔性梁(124)一端通过螺杆与工作力传感器(123)固定，工作力传感器(123)直接固定在固定框(9)上或者通过下支撑架固定在固定框(9)上；传力柔性梁(124)的另一端穿过传力法兰(125)的通孔，传力法兰(125)直接固定在浮动框(10)上或者通过上支撑架固定在浮动框(10)上；

校准时，力发生器产生的力通过浮动框(10)传递给工作力传感器(123)，根据工作力传感器(123)测量的信息实现校准；测力时，力发生器不工作，被测力通过浮动框(10)传递给工作力传感器(123)，根据工作力传感器(123)测量的信息得到需要测量的力和力矩。

2.根据权利要求1所述的一种大型导弹发动机六分量测力及校准装置，其特征在于：所述的力发生器包括驱动部件、导向部件、监测元件和传力部件；所述监测元件为测力传感器(25)；

所述驱动部件包括伺服马达(28)和螺旋升降机(27)，其中伺服马达(28)输出扭矩，螺旋升降机(27)将伺服马达的旋转运动转换为螺旋升降机丝杠的轴向直线运动，由丝杠带动导向部件、检测元件和传力部件做直线运动；

所述导向部件包括托盘(29)和导向柱(26)，固定框(9)套在螺旋升降机(27)的丝杠上，位于螺旋升降机(27)上方且与螺旋升降机(27)固定连接，托盘(29)位于固定框(9)上方，螺旋升降机(27)的丝杠前端有安装用的螺纹，托盘(29)通过中心螺纹孔旋紧在丝杠前端，导向柱(26)的一端直接固定在固定框(9)上或者通过支撑架转接固定在固定框(9)上，另一端穿过托盘(29)上预留的导向孔对托盘(29)进行导向；测力传感器(25)安装在托盘(29)上；

所述传力部件包括传力杆(23)、传力销(21)、法兰(22)以及对称配置在法兰两端的柔性梁(24)；

柔性梁(24)为圆柱状，沿轴向有通孔，两个柔性梁(24)对称配置在法兰(22)两侧，柔性梁(24)和法兰(22)通过定位销固定连接，传力杆(23)穿过柔性梁(24)的轴向通孔，传力销(21)穿过柔性梁(24)端部的圆孔和传力杆(23)对应位置上的长槽孔，将柔性梁(24)的两端与传力杆(23)活动连接，传力杆(23)的一端旋紧在测力传感器(25)上，另一端穿过浮动框(10)，通过法兰(22)将力发生器直接固定在浮动框(10)上或者通过支撑架转接固定在浮动框(10)上。

3.根据权利要求2所述的一种大型导弹发动机六分量测力及校准装置，其特征在于：所述柔性梁(24)包括固定端(241)、自由端(242)、第一片梁(243)、第二片梁(244)和基体(245)；

固定端(241)和自由端(242)位于基体(245)的两端，固定端(241)的一端与法兰(22)通过定位销固定连接，另一端向外伸出一直U型的第一片梁(243)，自由端(242)的一端通过传力销(21)与传力杆(23)活动连接，自由端(242)的另一端向外伸出一倒直U型的第二片梁(244)；第一片梁(243)与第二片梁(244)呈十字交叉，十字交叉的部分互不接触；第一片梁(243)的远离固定端(241)的一端连接在基体(245)上，第二片梁(244)的远离自由端(242)的一端也连接在基体(245)上，基体(245)上开有减重孔(246)，以减轻整个柔性梁(24)的重量；基体(245)和自由端(242)之间有缝隙，基体(245)和固定端(241)之间也有缝隙。

4.根据权利要求3所述的一种大型导弹发动机六分量测力及校准装置，其特征在于：所述第一片梁(243)和第二片梁(244)均仅能承受自由端(242)施加的拉力。