CN106872139A - 超低温六分量天平校准复位过程中的位姿检测方法 - Google Patents

Abstract

一种超低温六分量天平校准复位过程中的位姿检测方法，其包括步骤通过一个施力机构对位于一个低温箱内的一个校准加载头施加标准载荷；控制一个低温箱温度从常温到低温再到超低温的过程中，通过一组高精度激光位移传感器采集位于该低温箱内的一个校准加载头在X方向上的低温变形量，并通过一个复位机构补偿该校准加载头在X方向上的低温变形量；通过一个施力机构对该校准加载头施加标准载荷；通过一组高精度激光位移传感器在该低温箱外采集该校准加载头的位移量；将该校准加载头的位移量传输至一个控制系统中，以使该控制系统根据该校准加载头的位移量获得该校准加载头在该低温箱内的线位移和角位移，以在后续根据该校准加载头的线位移和角位移，通过一个复位机构进行补偿。

Description

超低温六分量天平校准复位过程中的位姿检测方法

技术领域

本发明涉及一种属于风洞试验领域，尤其是涉及一种超低温六分量天平校准复位过程中的位姿检测方法。

背景技术

风洞天平是风洞测力试验基础测量设备，用于测量风洞试验中作用在试验模型上的气动力(力和力矩)的大小、方向和作用点。天平校准系统是天平计量设备，通过对天平按已知的坐标轴系精确地施加静态载荷(力和力矩)，获取天平公式(输出信号与载荷的关系矩阵)，评估天平性能。由于风洞试验的特殊性和复杂性，以及不同种类试验测量要求差异大，导致风洞天平成为一种特殊的、非标准力/力矩测量设备。天平的校准是非常重要的部分，它直接关系到天平在以后的风洞试验使用中的测量精准度。超低温六分量天平校准系统是体轴系校准系统，可实现天平体温度从常温到超低温的精确控制和不同温度条件下的天平静态校准。

在风洞天平校准系统中，加载头安装在天平的模型端，加载系统通过加载头对被校天平施加标准载荷。在校准载荷作用下，加载头的空间位置发生变化。通过天平变形测量装置将加载头的空间位置采集到控制系统中。复位机构根据采集到的加载头空间位置变化做出相应的调整，使加载头恢复到加载前的初始位置。目前，在常温实验环境下，不考虑温度变化的影响，天平变形测量装置主要是由安装在加载头正前方的变形测量板和变形测量架组成。但是对于特殊用途的天平，如超低温天平，在温度变化的过程中，加载头发生低温变形，导致加载系统施加的标准载荷不是作用在加载头几何中心。给天平校准带来很大误差。而且，在校准不同天平的过程中，变形测量装置的测量基准可能会发生改变，没有数据或指标显示测量基准是否发生改变，从而也会给天平校准带来误差。

在超低温实验条件下，通过仪器设备来测量加载头的空间位置变化，温度会对仪器设备产生影响，需要更加方便可靠的测量方法；随着航天和航空技术的发展，对风洞实验的测量精度提出了更高的要求。因此，本发明提供一种超低温六分量天平校准复位过程中的位姿检测方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是的目的在于提供一种超低温六分量天平校准复位过程中的位姿检测方法。

为了达到上述目的，本发明的该超低温六分量天平校准复位过程中的位姿检测方法包括一个主变形测量装置和一个辅助变形测量装置。

该主变形测量装置包括一个主变形测量板和一个主变形测量架，该主变形测量板是固定在校准加载头正前方的位置检测板，该主变形测量架装配有六个高精度激光位移传感器，通过检测该主变形测量板来测量该校准加载头的姿态，其为非接触式测量，其中六个高精度激光位移传感器分别为X1(左上)、X2(右上)、X3(下)、Y1(左上)、Y2(右上)、Z1(右上)。

该辅助变形测量装置包括一个辅助变形测量板和一个辅助变形测量架，该辅助变形测量板包括位于该校准加载头的X正向和Y负向的变形测量板，该辅助变形测量架由一个测量Y正向部分和一个测量Y负向部分组成，该测量Y正向部分和该测量Y负向部分安装在同一个基座上，分别装配有三个高精度激光位移传感器，其中三个高精度激光位移传感器分别为PX(Y正向)、PY(Y正向)、PZ(Y正向)、NX(Y负向)、NY(Y负向)、NZ(Y负向)。

该主变形测量装置将该校准加载头的空间位置采集到一个控制系统中，一个复位机构根据该校准加载头的空间位置的变化调整该校准加载头恢复到加载前的初始位置，其中X1、X2和X3的高精度激光位移传感器分别用于测量该校准加载头的水平X方向位移变化，Y1和Y2的高精度激光位移传感器分别用于测量该校准加载头铅垂Y方向位移变化，Z1的高精度激光位移传感器用于测量该校准加载头侧向位移变化。

该辅助变形测量装置将该校准加载头的空间位置采集到该控制系统中，低温试验箱控制温度到超低温的过程中，该校准加载头发生低温变形，该校准加载头的Y向和Z向关于该校准加载头的轴向(即X向)对称，其中该校准加载头的低温变形量不会引起该校准加载头的坐标系的变化。该复位机构根据该校准加载头的X向的低温变形调整该校准加载头在X方向上回复低温变形前的位置。

该辅助变形测量装置将该校准加载头的空间位置采集到该控制系统中，当该主变形测量架的坐标基准改变，该辅助变形测量架测得的该校准加载头的空间位置在未加载的情况下发生变化。

本发明进一步提供一种超低温六分量天平校准复位过程中的位姿检测方法，其包括：

步骤1，控制一个低温箱温度从常温到低温再到超低温的过程中，通过一组高精度激光位移传感器采集位于该低温箱内的一个校准加载头在X方向上的低温变形量，并通过一个复位机构补偿该校准加载头在X方向上的低温变形量；

步骤2，通过一个施力机构对该校准加载头施加标准载荷；

步骤3，通过一组高精度激光位移传感器在该低温箱外采集该校准加载头的位移量；

步骤4，将该校准加载头的位移量传输至一个控制系统中，以使该控制系统根据该校准加载头的位移量获得该校准加载头在该低温箱内的线位移和角位移，以在后续根据该校准加载头的线位移和角位移，通过该复位机构进行补偿。

优选地，在该步骤3中，该校准加载头的位移量包括X方向、Y方向和Z方向的位移量，以在该步骤4中，该控制系统能够获得该校准加载头在该低温箱内的X方向、Y方向和Z方向的线位移和绕X方向、Y方向和Z方向的角位移。

优选地，分别通过一个该高精度激光位移传感器测量该校准加载头在X方向的位移变化、分别通过一个该高精度激光位移传感器测量该校准加载头在铅垂Y方向的位移变化，通过一个该高精度激光位移传感器测量该校准加载头的侧向位移变化，以获得该校准加载头的位移量。

优选地，在该步骤1之前包括步骤：标定该校准加载头的坐标系和调整天平校心和加载力坐标系。

优选地，在常温环境下标定该校准加载头的坐标系和调整天平校心和加载力坐标系。

本发明的该超低温六分量天平校准复位过程中的位姿检测方法的有益效果是：

1、天平和该校准加载头置于低温试验箱内，该校准加载头的加载点和复位过程中的位姿监测部分布置在该低温试验箱外，不仅有利于标准载荷的加载，也有利于复位过程中的位姿测量。高精度激光位移传感器不需要在超低温的环境中工作，不仅方便测量，也提高了测量的精度和可靠性。

2、选用高精度激光位移传感器测量该校准加载头的空间位姿，并且测量方式采用非接触式测量，避免了接触式测量微小的拖力产生的误差。

3、该主变形测量板使用六个高精度激光位移传感器测量该主变形测量板上的测量点的线位移，直接测量出该校准加载头的X、Y和Z方向上的线位移，再计算出绕X、Y和Z的角位移，测量方便，节约成本。

4、在试验过程中的温度变化大，该校准加载头在X方向上的低温变形使标准载荷不是作用在该校准加载头的几何中心，该辅助变形测量装置测量出X向的低温变化并通过复位机构补偿。该辅助测量百年星装置利用传感器冗余，很好地解决了低温变形问题，从而避免了低温变形打来的较大影响。

5、该辅助变形测量装置同时监测该主变形测量架的坐标系基准是否发生改变，当该辅助变形测量装置的高精度激光位移传感器测量出该校准加载头的空间位姿在未施加标准载荷的情况下发生变化，则该主变形测量架的坐标系基准发生了改变，这样，有利于校准试验的成功率，避免了人力和物力的浪费。

6、本发明的该超低温六分量天平校准复位过程中的位姿检测方法测量精度高、测量可靠性强，并且节约了成本，提高了资源的利用率。

附图说明

为了获得本发明的上述和其他优点和特点，以下将参照附图中所示的本发明的具体实施例对以上概述的本发明进行更具体的说明。应理解的是，这些附图仅示出了本发明的典型实施例，因此不应被视为对本发明的范围的限制，通过使用附图，将对本发明进行更具体和更详细的说明和阐述。在附图中：

图1是一个位姿检测装置的示意图。

图2是该位姿检测装置检测一个校准加载头的空间位姿的示意图。

图3是该校准加载头的示意图。

图4是该位姿检测装置的一个辅助变形测量装置的局部示意图。

图5是该位姿检测装置一个天平安装示意图。

图6是该位姿检测装置的主变形测量板测量点的分布示意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

如图1至图6所示，一个位姿检测装置用于在低温试验中检测一个校准加载头5的空间位姿，以保证试验的精确度和可靠性。该位姿检测装置包括一个主变形测量装置和一个辅助变形测量装置，该主变形测量装置和该辅助变形测量装置能够相互配合，以实现对该校准加载头5的空间位姿的检测，并且能够在后续根据该位姿检测装置对该校准加载头5的检测结果对该校准加载头5进行补偿，以保证试验的精确度和可靠性。

该主变形测量装置包括一个主变形测量架1和一个主变形测量板2。该辅助变形测量装置包括一个辅助变形测量基座3、一个辅助变形测量架6以及一个辅助变形测量板7，该辅助变形测量架6和该辅助变形测量板7均设置在该辅助变形测量基座3上。优选地，该辅助变形测量板7包括Y正向的辅助变形测量板和Y负向的辅助变形测量板，该辅助变形测量架6包括Y正向的辅助变形测量架和Y负向的辅助变形测量架。

进行标准载荷加载之前，在常温环境下，需要先标定好该校准加载头5的坐标系，调整天平校心以及加载力坐标系。使用激光跟踪仪调整该校准加载头5位置水平，以该校准加载头5的轴向正前方为X轴正向，铅锤向上为Y轴正向，根据右手定则确定Z方向，建立加载头坐标系；调整天平8校心，即调整该天平8校心与该校准加载头5几何中心重合。该天平8校心在X、Z方向上通过加工精度来保证与该校准加载头5几何中心X、Z方向上重合。Y方向上通过施加已知载荷，如果该天平8有扭矩信号输出，则该天平8校心与该校准加载头5几何中心在Y方向上不重合。由于所施加的载荷是已知的，根据该天平8输出的扭矩信号大小计算出该天平8需要调整的距离至天平扭矩输出信号为零；标定加载力系，使加载力系该校准与加载头5坐标系重合。

标定好该校准加载头5的坐标系，调整该天平8校心以及加载力坐标系后，该主变形测量架1上的高精度激光位移传感器示数采集到一个控制系统中；控制低温实验箱4温度至目标温度，在目标温度下，该校准加载头5发生低温变形，该Y向的辅助变形测量架6上的高精度激光位移传感器测量出该校准加载头5中心在X方向上的低温变形量，通过一个复位机构调整该校准加载头5至温度改变之前该校准加载头5在X方向的位置，从而补偿低温变形；此时，该主变形测量架1上的高精度激光位移传感器的示数作为在超低温环境下天平校准复位过程中该校准加载头5的校准基准。

如图2所示，在施力机构对该校准加载头5施加标准载荷过程中，该校准加载头5发生空间位置变化。因为该主变形测量板1不受力，所以该主变形测量板1在三个方向上的位移变化量可用于表示该校准加载头5的几何中心的在三个方向上的位移变化量。高精度激光位移传感器将位移变化量采集到该控制系统中，从而计算出该校准加载头5在三个方向上的产生的线位移和绕三个轴的角位移，其计算如下：

线位移：

Δz＝Δz1

角位移：

式中，Δx1、Δx2、Δx3、Δy1、Δy2、Δz1为该控制系统根据每个高精度激光位移传感器测量的数据计算出的测量点位移变化量，L1为X3到X1、X2安装位置水平连线的距离，到L2为X1、X2安装位置水平方向上的距离，L3为Y1、Y2安装位置水平方向上的距离。

该复位机构根据计算出该校准加载头5的线位移变化量和角位移变化量来调整该校准加载头5的空间位置。在调整过程中，高精度激光位移传感器实时地采集该校准加载头5的空间位置参数到该控制系统中，计算出当前该校准加载头5的线位移变化量和角位移变化量变形量，在误差范围内，恢复到校准复位过程中该校准加载头5的校准基准。

本发明进一步提供一种超低温六分量天平校准复位过程中的位姿检测方法，以保证试验精度和可靠性，其中该超低温六分量天平校准复位过程中的位姿检测方法包括步骤：

步骤1，控制一个低温箱温度从常温到低温再到超低温的过程中，通过一组高精度激光位移传感器采集位于该低温箱内的一个校准加载头在X方向上的低温变形量，并通过一个复位机构补偿该校准加载头在X方向上的低温变形量；

步骤2，通过一个施力机构对该校准加载头施加标准载荷；

步骤3，通过一组高精度激光位移传感器在该低温箱外采集该校准加载头的位移量；

步骤4，将该校准加载头的位移量传输至一个控制系统中，以使该控制系统根据该校准加载头的位移量获得该校准加载头在该低温箱内的线位移和角位移，以在后续根据该校准加载头的线位移和角位移，通过该复位机构进行补偿。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但该内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (5)

1.一种超低温六分量天平校准复位过程中的位姿检测方法，其特征在于，该超低温六分量天平校准复位过程中的位姿检测方法包括：

步骤1，控制一个低温箱温度从常温到低温再到超低温的过程中，通过一组高精度激光位移传感器采集位于该低温箱内的一个校准加载头在X方向上的低温变形量，并通过一个复位机构补偿该校准加载头在X方向上的低温变形量；

步骤2，通过一个施力机构对该校准加载头施加标准载荷；

步骤3，通过一组高精度激光位移传感器在该低温箱外采集该校准加载头的位移量；

步骤4，将该校准加载头的位移量传输至一个控制系统中，以使该控制系统根据该校准加载头的位移量获得该校准加载头在该低温箱内的线位移和角位移，以在后续根据该校准加载头的线位移和角位移，通过该复位机构进行补偿。

2.如权利要求1所述的一种超低温六分量天平校准复位过程中的位姿检测方法，其特征在于，在该步骤1中，由于该低温箱温度的变化，对已标定的校准加载头X方向的变形量，通过一组高精度激光位移传感器采集，并通过复位机构补偿该校准加载头X方向的低温变形量，在该步骤3中，该校准加载头的位移量包括X方向、Y方向和Z方向的位移量，以在该步骤4中，该控制系统能够获得该校准加载头在该低温箱内的X方向、Y方向和Z方向的线位移和绕X方向、Y方向和Z方向的角位移。

3.如权利要求2所述的一种超低温六分量天平校准复位过程中的位姿检测方法，其特征在于，补偿由于温度变化引起的校准加载头X方向低温变形，并分别通过一个该高精度激光位移传感器测量该校准加载头在X方向的位移变化、分别通过一个该高精度激光位移传感器测量该校准加载头在铅垂Y方向的位移变化，通过一个该高精度激光位移传感器测量该校准加载头的侧向位移变化，以获得该校准加载头的位移量。

4.如权利要求1‐3中的任意一个所述的一种超低温六分量天平校准复位过程中的位姿检测方法，其特征在于，在该步骤1之前包括步骤：标定该校准加载头的坐标系和调整天平校心和加载力坐标系。

5.如权利要求4所述的一种超低温六分量天平校准复位过程中的位姿检测方法，其特征在于，在常温环境下标定该校准加载头的坐标系和调整天平校心和加载力坐标系。