CN105547585A - 姿控发动机矢量推力原位校准装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及姿控发动机矢量推力原位校准装置，包括标准矢量力力源、加载机构、矢量力测量单元、数据采集单元以及数据处理单元，标准矢量力力源用于根据执行要求产生并控制9个标准力作用在加载机构上；加载机构用于固定待校准的矢量力传感器；矢量力测量单元用于对待测矢量力传感器输出的电压信号的进行采集并存储至数据处理模块；数据处理模块用于接收来自标准矢量力力源的加载结果和矢量力测量单元的测量结果，并进行存储对，后通过计算获取待校准矢量力传感器的校准系数。姿控发动机矢量推力原位校准装置可在2Pa高模环境下远程自动校准，可有效消除推进剂供应管路、测量线缆对矢量推力测量的影响，提高矢量推力测量精度。

Description

姿控发动机矢量推力原位校准装置

技术领域

本发明涉及航天发动机试验，具体地说涉及姿控发动机高空模拟试验前后，矢量推力测量装置原位校准的试验方法。

背景技术

理想状态下，发动机推力与发动机中心轴线重合，但实际情况往往是：由于加工精度的限制，非对称因素的影响，形成发动机的几何不对称性，或者高温高压情况下发动机喉部与喷管的变形以及燃气在喷管内的不对称流动，导致发动机推力作用线偏离发动机中心轴线，从而产生了推力偏心、出现侧向推力和主推力矢量绕推进器质心的力矩，针对这些问题，在某型号2000N发动机研制过程中，提出了矢量推力测量的技术要求。

针对这一问题，设计了矢量推力测量装置，实现了2000N姿控发动机矢量推力测量，但应用矢量推力测量装置进行矢量推力测量过程中，存在以下问题：

(1)在2000N姿控发动机矢量推力测量过程中，发动机水平安装于矢量力传感器上，在发动机的重量作用下，矢量力传感器会在垂直方向产生一定的形变，这种状态与试验室校准环境不同；

(2)在2000N姿控发动机矢量推力测量过程中，大气压力、环境温度与试验室校准环境不同，导致应用试验室校准系数计算发动机矢量推力的精度降低；

(3)在矢量推力测量过程中，发动机需要通过供应管路进行推进剂供应，而管路安装不能完全消除安装形变，必然会产生一定的初始力值，多次试验需要重复安装管路，这导致初始力值在每次试验过程也不完全相同，这些状态也在试验室内无法模拟；

(4)在发动机矢量推力测量过程中，供应管路会随着矢量力传感器的形变而形变，这就导致发动机的推力传递至矢量力传感器前，部分力值因管路的存在而损失掉，因此，矢量力传感器测得的力值小于发动机的真实矢量推力。

(5)同时，供应管路的存在，会影响矢量力传感器的相间互扰系数。

发明内容

为了消除环境变化、安装状态、管路约束、相间互扰等对姿控发动机矢量推力测量的影响，本发明提供一种姿控发动机矢量推力原位校准装置。

本发明的技术解决方案：

姿控发动机矢量推力原位校准装置，其特殊之处在于：包括标准矢量力力源、加载机构、矢量力测量单元、数据采集单元以及数据处理单元，

所述标准矢量力力源用于根据执行要求产生并控制9个标准力作用在加载机构上；

所述加载机构用于固定待校准的矢量力传感器，并将9个标准力施加在不同的地方完成待校准矢量力传感器的三个方向的力载荷Fx、Fy、Fz以及三个方向的力矩载荷Mx、My、Mz的加载；

所述矢量力测量单元用于对待测矢量力传感器输出的电压信号的进行采集并存储至数据处理模块，同时为待校准矢量力传感器的7个应变桥单独提供激励，并对所提供激励进行回测；

所述数据处理模块用于接收来自标准矢量力力源的加载结果和矢量力测量单元的测量结果，并进行存储对，后通过计算获取待校准矢量力传感器的校准系数。

标准矢量力力源包括力源控制模块、PLC控制器、9个伺服驱动器、9个电动缸、9个标准传感器以及采集设备，

9个伺服驱动器、9个电动缸和9个标准力传感器一一对应，依次连接；

所述力源控制模块包括施加指令产生模块、比较模块以及施加结果反馈模块，所述采集设备用于采集用于在标准力传感器上的实时力值并反馈给力源控制模块；PLC控制器控制对应电动缸运动，电动缸产生的力作用于对应的标准力传感器上；

所述施加指令产生模块用于根据矢量力传感器校准程序产生施加指令发送给PLC控制器，同时将施加指令中包含的施加标准力值发送给比较模块；

所述比较模块用于接收数据采集设备反馈的实时力值，并与需要施加的标准力值进行比较后，根据比较结果向施加指令产生模块或施加结果反馈模块发送指令；当实时力值与标准力值在差值在允许范围内，向施加指令产生模块发送停止施加指令，同时向施加结果反馈模块发送施加结果。

上述加载机构包括加载头、连杆、传感器安装法兰以及后法兰，所述加载头的一端与发动机连接，所述加载头的另一端通过连杆与后法兰连接，所述传感器安装法兰位于后法兰与加载头之间，所述传感器安装法兰固定在不动的基础上，待校准矢量力传感器的一端固定在传感器安装法兰上，待校准矢量力传感器的另一端固定在加载头上；

设加载头的中心位置为原点，加载头与水平面平行的为X轴，与水平面垂直的为Z轴，发动机的中轴线为Y轴；所述加载头上的设置有六个拉环和两个压座；后法兰上设置有第七拉环；

拉环用于实现标准拉力的施加，具有3自由度，对施加的标准拉力具有补偿作用；压座用于实现标准压力的施加，具有3自由度，对施加的标准推力具有补偿作用；六个拉环和两个压座通过组合的方式实现Fy、Fz、Mx、My和Mz标准力的施加；

第一拉环位于加载头的X轴上，标准拉力F1通过第一拉环作用在加载头上，标准拉力F1的方向与X轴同向；第二、三拉环分别位于X轴上且以Y轴对称设置，标准拉力F6通过第二拉环作用在加载头上，标准拉力F7通过第三拉环作用在加载头上，标准拉力F6、标准拉力F7的均与Z轴平行，方向相反且大小相同；第四拉环位于X轴上，第一压座位于X轴上，第四拉环与第一压座以Z轴对称设置；标准推力F8通过第一压座作用在加载头上，标准拉力F9通过第四拉环作用在加载头上，标准推力F8与标准拉力F9均与Z轴平行，方向相反且大小相同；第五拉环位于加载头的Z轴上，标准拉力F3通过第一拉环作用在加载头上，标准拉力F3的方向与Z轴同向；第六拉环位于加载头的Z轴上，第二压座位于加载头的Z轴上，第六拉环与第二压座以X轴对称设置，标准拉力F5通过第六拉环作用在加载头上，标准推力F4通过第二压座作用在加载头上，标准拉力F5与标准推力F4均与Y轴平行，方向相反且大小相同；标准拉力F2通过第七拉环作用在后法兰上，标准拉力F2的方向与Y轴一致；9个电动缸分别作用在六个拉环、两个压座和第七拉环上。

上述数据处理单元包括标准力判断模块、标准力采集模块、电压信号采集模块、存储模块以及校准系数计算模块，

所述标准力判断模块用于接收来自标准矢量力力源的是否为正确的加载结果，并在加载结果正确时，将加载的标准力值发送给标准力采集模块，同时通知电压信号采集模块采集与该加载结果对应的电压信号；

所述标准力采集模块用于采集标准力判断模块发送的标准力值，并发送给存储模块；所述电压信号采集模块用于从矢量力测量单元采集对应的电压信号，并发送给存储模块；所述存储模块用于按照对应的关系存储采集到的标准力值和电压信号；

所述校准系数计算模块用于在九个标准力加载完成后，从存储模块中读取对应的数据按照单元校准法计算待校准矢量力传感器的校准系数。

上述采集设备为DMP40采集设备。

待校准矢量力传感器通过4个螺栓与传感器安装法兰固定；加载头与矢量力传感器之间通过2个定位销定位后，由4个螺栓固定；

后法兰与加载头之间通过4个带有定位功能的连杆固定。

上述加载头、连杆和后法兰均采用轻质材料LV12制作。

本发明所具有的优点：

1、应用本发明装置可消除管路、线缆等约束环节对姿控发动机矢量推力测量的影响，显著提高矢量推力测量精度；

2、本发明装置的力源基于电动缸的精确控制技术研制，可实现2Pa高真空环境下标准力加载。

3、本发明装置的校准范围主推力Fx为0～2000N、侧向力Fy及Fz为0～60N、X轴力矩Mx为0～20N·m、Y轴力矩My为0～10N·m、Z轴力矩Mz为0～50N·m。

4、本发明装置的控制系统采用PLC自动控制，因此，可以在发动机点火前、后以远程自动校准；

5、本发明采用LV12制作，质量轻，降低矢量力传感器承担额重量。

6、本发明装置以地轴系、单元校准法设计，校准设备结构简单，加载效率高(不调整复位)、重复性误差小(校准精度高)，设备造价较低。

附图说明

图1为本发明姿控发动机矢量推力原位校准装置的原理图；

图2为本发明标准矢量力力源的结构示意图；

图3、图4为本发明加载机构的机构示意图；

图5为本发明数据处理单元的结果示意图；

其中附图标记为：1-加载头，2-矢量力传感器，3-传感器安装法兰，4-连杆，5-后法兰，11-第一拉环，12-第二拉环，13-第三拉环，14-第四拉环，15-第五拉环，16-第六拉环，17-第七拉环，21-第一压座，22-第二压座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明:

如图1所示，姿控发动机矢量推力原位校准装置，包括标准矢量力力源、加载机构、矢量力测量单元、数据采集单元以及数据处理单元，

标准矢量力力源用于根据执行要求产生并控制9个标准力作用在加载机构上；

加载机构用于固定待校准的矢量力传感器，并将9个标准力施加在不同的地方完成待校准矢量力传感器的三个方向的力载荷Fx、Fy、Fz以及三个方向的力矩载荷Mx、My、Mz的加载；

矢量力测量单元用于对待测矢量力传感器输出的电压信号的进行采集并存储至数据处理模块，同时为待校准矢量力传感器的7个应变桥单独提供激励，并对所提供激励进行回测；

数据处理模块用于接收来自标准矢量力力源的加载结果和矢量力测量单元的测量结果，并进行存储对，后通过计算获取待校准矢量力传感器的校准系数。

(1)矢量力传感器

矢量力传感器采用一体加工而成，传感器由7个双圆弧形双向弹性铰链和7个应变梁构成，双圆弧形双向弹性铰链的优点是抗干扰能力强，灵敏度高，可以提供小的角位移，轴向刚度大，没有间隙和摩擦、滞后的问题，有极长的寿命。由弹性铰链所实现的机械分解，使各测力元件只受到欲测力的作用，因而各分量间干扰小，有利于提高精度，在外力作用下，矢量力传感器输出7路电压信号，分别为U1～U7。

(2)加载机构

图3、4为加载机构结构示意图，姿控发动机矢量推力加载机构由加载头1、连杆4、后法兰5、传感器安装法兰3、定位销、拉环、压座等部分组成。

矢量力传感器2校准前，通过4个M12的螺栓与传感器安装法兰3固定，传感器安装法兰3与不动的基础连接；加载头1与矢量力传感器2之间通过2个定位销定位后，由4个螺栓固定，加载头1上设置了定位孔，用于实现与发动机安装法兰的定位，原位校准前通过12个M8的螺栓与发动机连接固定；

拉环用于实现标准拉力的施加，具有3自由度，对施加的标准拉力具有补偿作用；压座用于实现标准压力的施加，具有3自由度，对施加的标准推力具有补偿作用；

后法兰通过4个带有定位功能的连杆与加载头连接固定，通过拉环实现Fx推力的加载；在加载头上安装6个拉环，2个压座，通过组合的方式可以实现Fy、Fz、Mx、My、Mz等标准力的施加。为了降低加载装置的重量，加载头、连杆、后法兰采用轻质材料LV12制作。

(3)标准矢量力力源

标准矢量力力源原理框图见图2，标准矢量力力源包括力源控制模块、PLC控制器、9个伺服驱动器、9个电动缸、9个标准传感器以及采集设备，

9个伺服驱动器、9个电动缸和9个标准力传感器一一对应，依次连接；

力源控制模块包括施加指令产生模块、比较模块以及施加结果反馈模块，所述采集设备用于采集用于在标准力传感器上的实时力值并反馈给力源控制模块；PLC控制器控制对应电动缸运动，电动缸产生的力作用于对应的标准力传感器上；施加指令产生模块用于根据矢量力传感器校准程序产生施加指令发送给PLC控制器，同时将施加指令中包含的施加标准力值发送给比较模块；比较模块用于接收数据采集设备反馈的实时力值，并与需要施加的标准力值进行比较后，根据比较结果向施加指令产生模块或施加结果反馈模块发送指令；当实时力值与标准力值在差值在允许范围内，向施加指令产生模块发送停止施加指令，同时向施加结果反馈模块发送施加结果。

由力源控制计算机、RS232串口通讯线缆、DMP40高精度采集设备、Z30A传感器、8个S2M传感器、9个电动缸、9个伺服驱动器、PLC控制器、网线组成。

其原理为当力控制计算机内的软件执行标定程序后，在某个档位确定了加载的目标力值后，通过PLC控制器及运动控制模块控制电动缸运动，电动缸产生的力值作用于标准力传感器，并由DMP40采集，再通过RS232串口通讯线缆将力值实时传输给力控制计算机，力控制计算机内的软件将该力值与目标力值比较，形成闭环控制，当标准力传感器输出力值与目标在一定范围内后，停止标准力加载，并将该数据传输给数据采集计算机后，执行下一个档位的运动控制。

如图5所示数据处理单元包括标准力判断模块、标准力采集模块、电压信号采集模块、存储模块以及校准系数计算模块，

标准力判断模块用于接收来自标准矢量力力源的是否为正确的加载结果，并在加载结果正确时，将加载的标准力值发送给标准力采集模块，同时通知电压信号采集模块采集与该加载结果对应的电压信号；

标准力采集模块用于采集标准力判断模块发送的标准力值，并发送给存储模块；所述电压信号采集模块用于从矢量力测量单元采集对应的电压信号，并发送给存储模块；所述存储模块用于按照对应的关系存储采集到的标准力值和电压信号；

校准系数计算模块用于在九个标准力加载完成后，从存储模块中读取对应的数据按照单元校准法计算待校准矢量力传感器的校准系数。

矢量力测量系统的应用软件包括数据采集程序和数据处理程序，数据采集程序是基于P6000系统开发的，采集程序具有实时显示U1～U7以及实时计算Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz六个分量并绘制曲线的功能。数据处理程序分为主系数计算、干扰系数计算、解耦计算等功能模块，软件是基于WindowsXP操作平台，使用VB6.0编程语言开发，采用模块化的设计方法，保证各层软件和模块的独立性，从而方便模块的升级和维护。

其工作流程为

(1)状态检查

采集设备应给矢量力传感器供桥压，并通过压力回测系统显示当前桥压。矢量力传感器采集设备能够实现矢量力传感器7路信号实时采集。在矢量力传感器坐标系的X轴、Y、Z轴方向分别对矢量力传感器施加力值，对传感器的各个桥路的输出进行检查，确认各个桥路输出正确。校准系统采集设备能够实现标准力传感器桥压调整，并实时采集标准力传感器的输出电压值。

(2)发动机安装

产品安装前，应确认发动机质量产生的侧向力及力矩在矢量力传感器量程范围之内。通过连接螺栓将发动机安装法兰与加载头连接，并通过定位销定位。

(3)约束系统安装

按照管路约束力释放装置结构安装入口管路、发动机控制气管路及压力、温度振动测量线缆。管路及线缆固定牢固。除标定状态的管路和线缆与加载头及发动机连接外，其余系统与加载头和发动机无干涉现象。

(4)原位校准

检查并确认发动机和加载头上应承受的各种约束力都已加载完成，推进剂管路增压至试验额定压力。施加预加载的加载力值为额定推力的120％，加载不少于三次，由零到120％额定载荷推力分7个档位加载，做三个升回程，同时记录矢量力传感器7路信号的校准数据。校准结束后，将校准装置与加载头脱开。

进行垂直标准力Fx施加时，标准拉力F1通过拉环直接作用于加载头，再通过加载头作用于矢量力传感器中心，从而实现标准力F1的轴线与矢量力传感器X轴重合；

进行轴向标准力Fy施加时，标准拉力F2通过拉环作用于后法兰，再通过4根拉杆传递至加载头，最后通过加载头作用于矢量力传感器中心，从而实现标准拉力F2的轴线与矢量力传感器Y轴重合；

进行水平标准力Fz施加时，标准拉力F3通过拉环直接作用于加载头，再通过加载头作用于矢量力传感器中心，从而实现标准力F3的轴线与矢量力传感器Z轴线重合；

进行绕X轴力矩Mx施加时，标准拉力F5通过拉环作用于加载头，标准推力F4通过压座作用于加载头，拉环与压座的位置为关于X轴对称，两个作用点位于Y-Z平面内且连线与Z轴平行，F4与F5大小相等、方向相反，从结构上保证标准力轴线与矢量力传感器坐标系的Z轴相交，并与矢量力传感器Y轴平行，同时关于矢量力传感器X轴对称分布，从而实现绕X轴标准力矩Mx的施加。

进行绕X轴力矩Mx施加时，标准拉力F5通过拉环作用于加载头，标准推力F4通过压座作用于加载头，拉环与压座的位置为关于X轴对称，F4与F5大小相等、方向相反，从而实现绕X轴标准力矩Mx的施加。

进行绕Y轴力矩My施加时，标准拉力F6、F7通过拉环作用于加载头，两个拉环的位置为关于Y轴对称，F6与F7大小相等、方向相反，从而实现绕Y轴标准力矩My的施加。

进行绕Z轴力矩Mx施加时，标准拉力F9通过拉环作用于加载头，标准推力F8通过压座作用于加载头，拉环与压座的位置为关于Z轴对称，F8与F9大小相等、方向相反，从而实现绕Z轴标准力矩Mz的施加。

(5)矢量力推力测量装置系数矩阵计算

依据加载所得数据，利用最小二乘法计算出各项系数。利用六项单元加载，可求得各单元主系数，一次干扰系数和平方干扰系数，共72项。

(6)系数检查

分别施加Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz标准力，并由采集设备记录矢量力传感器的7路输出信号。用标定的系数矩阵对采集的数据处理，检查矢量力传感器的输出力值与标准力之的一致性。

Claims (7)

1.姿控发动机矢量推力原位校准装置，其特征在于：包括标准矢量力力源、加载机构、矢量力测量单元、数据采集单元以及数据处理单元，

所述标准矢量力力源用于根据执行要求产生并控制9个标准力作用在加载机构上；

所述加载机构用于固定待校准的矢量力传感器，并将9个标准力施加在不同的地方完成待校准矢量力传感器的三个方向的力载荷Fx、Fy、Fz以及三个方向的力矩载荷Mx、My、Mz的加载；

所述矢量力测量单元用于对待测矢量力传感器输出的电压信号的进行采集并存储至数据处理模块，同时为待校准矢量力传感器的7个应变桥单独提供激励，并对所提供激励进行回测；

所述数据处理模块用于接收来自标准矢量力力源的加载结果和矢量力测量单元的测量结果，并进行存储对，后通过计算获取待校准矢量力传感器的校准系数。

2.根据权利要求1所述的姿控发动机矢量推力原位校准装置，其特征在于：标准矢量力力源包括力源控制模块、PLC控制器、9个伺服驱动器、9个电动缸、9个标准传感器以及采集设备，

9个伺服驱动器、9个电动缸和9个标准力传感器一一对应，依次连接；

所述力源控制模块包括施加指令产生模块、比较模块以及施加结果反馈模块，所述采集设备用于采集用于在标准力传感器上的实时力值并反馈给力源控制模块；PLC控制器控制对应电动缸运动，电动缸产生的力作用于对应的标准力传感器上；

所述施加指令产生模块用于根据矢量力传感器校准程序产生施加指令发送给PLC控制器，同时将施加指令中包含的施加标准力值发送给比较模块；

所述比较模块用于接收数据采集设备反馈的实时力值，并与需要施加的标准力值进行比较后，根据比较结果向施加指令产生模块或施加结果反馈模块发送指令；当实时力值与标准力值在差值在允许范围内，向施加指令产生模块发送停止施加指令，同时向施加结果反馈模块发送施加结果。

3.根据权利要求2所述的姿控发动机矢量推力原位校准装置，其特征在于：所述加载机构包括加载头、连杆、传感器安装法兰以及后法兰，所述加载头的一端与发动机连接，所述加载头的另一端通过连杆与后法兰连接，所述传感器安装法兰位于后法兰与加载头之间，所述传感器安装法兰固定在不动的基础上，待校准矢量力传感器的一端固定在传感器安装法兰上，待校准矢量力传感器的另一端固定在加载头上；

设加载头的中心位置为原点，加载头与水平面平行的为X轴，与水平面垂直的为Z轴，发动机的中轴线为Y轴；所述加载头上的设置有六个拉环和两个压座；后法兰上设置有第七拉环；

拉环用于实现标准拉力的施加，具有3自由度，对施加的标准拉力具有补偿作用；压座用于实现标准压力的施加，具有3自由度，对施加的标准推力具有补偿作用；六个拉环和两个压座通过组合的方式实现Fy、Fz、Mx、My和Mz标准力的施加；

第一拉环位于加载头的X轴上，标准拉力F1通过第一拉环作用在加载头上，标准拉力F1的方向与X轴同向；第二、三拉环分别位于X轴上且以Y轴对称设置，标准拉力F6通过第二拉环作用在加载头上，标准拉力F7通过第三拉环作用在加载头上，标准拉力F6、标准拉力F7的均与Z轴平行，方向相反且大小相同；第四拉环位于X轴上，第一压座位于X轴上，第四拉环与第一压座以Z轴对称设置；标准推力F8通过第一压座作用在加载头上，标准拉力F9通过第四拉环作用在加载头上，标准推力F8与标准拉力F9均与Z轴平行，方向相反且大小相同；第五拉环位于加载头的Z轴上，标准拉力F3通过第一拉环作用在加载头上，标准拉力F3的方向与Z轴同向；第六拉环位于加载头的Z轴上，第二压座位于加载头的Z轴上，第六拉环与第二压座以X轴对称设置，标准拉力F5通过第六拉环作用在加载头上，标准推力F4通过第二压座作用在加载头上，标准拉力F5与标准推力F4均与Y轴平行，方向相反且大小相同；标准拉力F2通过第七拉环作用在后法兰上，标准拉力F2的方向与Y轴一致；9个电动缸分别作用在六个拉环、两个压座和第七拉环上。

4.根据权利要求1或2或3所述的姿控发动机矢量推力原位校准装置，其特征在于：所述数据处理单元包括标准力判断模块、标准力采集模块、电压信号采集模块、存储模块以及校准系数计算模块，

所述标准力判断模块用于接收来自标准矢量力力源的是否为正确的加载结果，并在加载结果正确时，将加载的标准力值发送给标准力采集模块，同时通知电压信号采集模块采集与该加载结果对应的电压信号；

所述标准力采集模块用于采集标准力判断模块发送的标准力值，并发送给存储模块；所述电压信号采集模块用于从矢量力测量单元采集对应的电压信号，并发送给存储模块；所述存储模块用于按照对应的关系存储采集到的标准力值和电压信号；

所述校准系数计算模块用于在九个标准力加载完成后，从存储模块中读取对应的数据按照单元校准法计算待校准矢量力传感器的校准系数。

5.根据权利要求2所述的姿控发动机矢量推力原位校准装置，其特征在于：所述采集设备为DMP40采集设备。

6.根据权利要求3所述的姿控发动机矢量推力原位校准装置，其特征在于：

待校准矢量力传感器通过4个螺栓与传感器安装法兰固定；加载头与矢量力传感器之间通过2个定位销定位后，由4个螺栓固定；

后法兰与加载头之间通过4个带有定位功能的连杆固定。

7.根据权利要求3所述的姿控发动机矢量推力原位校准装置，其特征在于：所述加载头、连杆和后法兰均采用轻质材料LV12制作。