CN108896271B - 一种直升机旋翼气动试验五分量测力天平原位加载校准装置 - Google Patents

一种直升机旋翼气动试验五分量测力天平原位加载校准装置 Download PDF

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Abstract

一种直升机旋翼气动试验五分量测力天平原位加载校准装置，属于多分量测力天平校准领域。包括旋翼天平五分量力组合加载机构和自动化测试校准系统；旋翼天平五分量力组合加载机构包括框架式加载架、多维力加载头以及标准力源；自动化测试校准系统包括伺服电机控制模块、数据采集与处理模块、通讯模块以及综合校准控制软件模块；框架式加载架以旋翼天平底座为基础向外延伸并构建框架式支撑结构平台；多维力加载头采用自上而下模块化设计；标准力源为一体化设计的电动加载缸。本发明实现了旋翼五分量气动力组合加载校准，显著提高了旋翼天平五分量气动力的校准精度，大大提高了校准效率，且具有加载精度高、响应快、易于自适应控制以及易维护的优势。

Description

一种直升机旋翼气动试验五分量测力天平原位加载校准装置
技术领域
本发明涉及一种直升机旋翼气动试验五分量测力天平原位加载校准装置，尤其涉及一种直升机旋翼气动试验五分量测力天平在其安装原位进行多分量力组合加载校准的装置，属于多分量测力天平校准领域。
背景技术
直升机旋翼试验过程中多维气动力的试验数据通过安装于旋翼试验塔顶部的五分量测力天平和扭矩传感器直接测得，其测量数据的准确性直接影响被测旋翼系统的性能评价结果。其中，五分量测力天平即旋翼天平。因此，旋翼天平在全寿命周期内需进行定期校准，以保证量值准确，数据可靠。
旋翼天平安装在旋翼试验塔顶部，内部传感器的安装定位精度要求高，实际工况环境复杂，传感器拆卸单独送检的方式，无法表征旋翼天平在实际工况安装状态下系统整体的测量特性，必须进行原位校准。现有技术中，有实现大吨位旋翼天平在旋翼试验台上标定，并实现旋翼天平升力和弯矩这两种单分量力的原位校准，然而多分量测力天平是一种耦合性很强的测力系统，单分量力的加载校准无法揭示各分量之间的耦合关系，无法进一步提高校准精度。对于旋翼天平这种大吨位复杂的测力系统，多分量力值校准是十分重要且必要的，然而，现有的多分量测力天平校准技术中，校准目标只能覆盖常规小型的、可拆卸的多分量力测量仪表。
综上所述，目前还没有针对旋翼天平这类大吨位、无法拆卸的测力系统进行多分量力原位校准的装置。本发明正是基于这种现状，研究能够在旋翼天平的安装原位进行多分量力组合加载校准的校准装置，不仅能实现直升机旋翼升力(Z)、阻力(X)、侧向力(Y)、俯仰力矩(MZ)、滚转力矩(MX)五分量气动力的任一分量力值的单独校准，也能实现任意多个分量力组合加载的校准。
发明内容
本发明的目的是为解决旋翼天平多分量力组合加载校准无法灵活实现的技术难题，提供一种既能对旋翼天平进行五分量力组合的机械加载，又能实现多维力电气自动化校准的原位加载校准装置，提出了一种直升机旋翼气动试验五分量测力天平原位加载校准装置。
一种直升机旋翼气动试验五分量测力天平原位加载校准装置包括旋翼天平五分量力组合加载机构和自动化测试校准系统两大部分；
其中，旋翼天平五分量力组合加载机构是在旋翼天平安装原位实现五分量力同时加载的机械结构，包括框架式加载架、多维力加载头以及标准力源；
自动化测试校准系统采用PXI总线硬件平台，基于Labview程序开发环境编制综合校准控制软件；
所述框架式加载架以旋翼天平底座为基础安装底部立柱，向外延伸至旋翼天平浮框之上，底部立柱之上构建框架式支撑结构平台；框架式加载架由4组底部立柱、1组支撑框架平台、4组上下部连接法兰板以及4组水平加载柱组装而成，其中的横梁或立梁均采用弯矩耐受力强的圆柱型或H型型材为基体加工制造；
所述多维力加载头采用自上而下模块化设计，主要包括加载转接法兰、外伸悬臂、交叉横梁、导向块、顶杆、销轴以及受力顶块；加载转接法兰为交叉十字结构，交叉横梁为耐弯矩的H型横梁，导向块的制作材料为铜合金；
多维力加载头的一端与旋翼天平受力端固联，一端与标准力源接触受力，为旋翼天平五分量气动力的同时加载提供着力点，且在满足刚度要求的前提下保证了校准载荷受力轴系与旋翼天平受力端测量轴系基准合一；顶杆在铜导向块的导向下将校准载荷传递到销轴上，以保证竖直方向上的校准载荷作用点位于横梁中心线上，受力顶块在校准坐标系正交方向加工受力平面，施载点所在轴线与交叉横梁中心线交于一点；
所述标准力源为一体化设计的电动加载缸，主要由法兰结构框、精密电机与精密行星减速器、圆柱型主体结构、精密滚柱丝杠副以及力值传感器部件组成；
法兰结构框在底部，其内部安装精密电机与精密行星减速器，圆柱型主体结构通过螺栓安装在中部，结构内部集成了推力输出的导向组件和精密滚柱丝杠副传动组件，力值传感器通过带螺纹的连接结构安装在上部；
精密滚柱丝杠副为模块化产品，根据实际要求选配伺服电机及减速机，设计法兰结构框，整体结构紧凑，结构刚性好，力加载控制稳定而精确；
标准力源为半标准化产品，由伺服电机驱动行星滚柱丝杠输出标准推力，推力杆前端安装力传感器以测量加载过程中的实际校准载荷；
自动化测试校准系统包括伺服电机控制模块、数据采集与处理模块、通讯模块以及综合校准控制软件模块，综合校准控制软件模块为总体控制模块；
所述伺服电机控制模块采用PXI运动控制卡，负责发送脉冲指令以驱动电机运动；
所述数据采集与处理模块采用PXI应变/桥输入模块卡，提供力值传感器的电压激励并采集应变信号；
所述通讯模块采用PXI串口通讯卡，获取旋翼天平数据处理系统解算出的各个分量气动力数据；
所述综合校准控制软件模块基于PC平台，主要包括人机交互界面、数据处理与显示、力值闭环控制以及自动化数据校准模块；
人机交互界面模块加载目标力值的输入与显示；数据处理与显示模块将采集到的加载端力传感器的应变信号转换成力值数据并显示出来；力值闭环控制模块将力值信号采集模块获得的实时力值数据与输入的目标力值进行对比，并采用控制策略计算产生相应的控制信号发送给伺服电机控制模块；自动化数据校准模块将力加载数据与被校系统测量数据进行比对校准，通过数据解算程序获得校准系数矩阵。
框架式加载架利用旋翼试验塔顶有限的空间，为八组标准力源的安装提供精确定位安装法兰，为旋翼天平五分量气动力的同时加载提供支撑基础。
本校准装置的连接与安装关系如下：
旋翼天平五分量力组合加载机构与自动化测试校准系统相连；框架式加载架与标准力源相连，标准力源与多维力加载头相连；
框架式加载架的连接及安装关系如下：
4组底部立柱用螺栓分别固定在旋翼天平底座的四个对称均布支点上，支撑框架平台通过螺栓与4组底部立柱的顶端法兰连接并保证平台水平，4组水平加载柱通过螺栓垂直安装在支撑框架平台上；
多维力加载头各组成模块的连接关系及安装关系如下：
加载转接法兰十字结构对应的四个外伸悬臂安装平面上固定安装交叉横梁，交叉横梁一端安装导向块，顶杆可在导向块的导向下将校准载荷准确的传递到销轴上受力顶块通过高精度轴孔与转接法兰配合安装，外伸交叉悬臂与对应位置的交叉横梁固定；
自动化测试校准系统中各模块的连接关系为：
综合校准控制软件模块分别与伺服电机控制模块、数据采集与处理模块以及通讯模块块相连。
本校准装置中各模块的功能如下：
框架式加载架的功能是为旋翼天平五分量气动力的同时加载提供支撑基础；多维力加载头的功能是校准载荷的末端传递，为旋翼天平五分量气动力的同时加载提供着力点；标准力源的功能是为旋翼天平五分量气动力的同时加载提供标准的加载力；自动化测试校准系统的功能是整合力加载控制、数据采集处理、通信控制、人机界面、自动校准功能，完全实现电气自动化校准。
有益效果
一种直升机旋翼气动试验五分量测力天平原位加载校准装置，与现有校准装置相比，具有如下有益效果：
1、应用本发明装置可在旋翼天平的安装原位，实现旋翼五分量气动力单独或组合加载校准，可更全面的揭示旋翼天平在工作状态中各分量测量力值之间的耦合关系，显著提高旋翼天平五分量气动力的测量精度；
2、本发明装置多分量力组合加载的校准坐标系与旋翼天平测量坐标系基准统一，避免引入附加干扰作用力和力矩；
3、本发明装置的标准力源具有小型便携、加载精度高、响应快、易于自适应控制以及易维护的优点，克服了常规液压加载方案需要配备的液压源、笨重不便携、漏油污染、维护不便等缺点；
4、本发明装置机械结构只需一次安装就位，电气系统完全实现了自动化校准，克服了常规的校准不同分量力时需重新调整结构、液压作动筒需手动操作、力值仪表需人工记数等繁琐低效的工作方式，使重复性误差减小，校准工作效率大大提高，特别是多分量力加载校准的组合方式非常多、校准载荷数据与被校系统数据量非常大的背景下，本发明装置的自动高效校准优点更为显著。
附图说明
图1为本发明一种直升机旋翼气动试验五分量测力天平原位加载校准装置旋翼气动试验五分量测力天平的原型结构示意图；
图2为本发明一种直升机旋翼气动试验五分量测力天平原位加载校准装置的机械结构示意图；
图3为本发明一种直升机旋翼气动试验五分量测力天平原位加载校准装置中框架式加载架机械结构示意图；
图4(a)和(b)为本发明一种直升机旋翼气动试验五分量测力天平原位加载校准装置中多维加载头机械结构总体和组装示意图；
图5为本发明一种直升机旋翼气动试验五分量测力天平原位加载校准装置实施例中垂直加载单元机械结构示意图；
图6为本发明一种直升机旋翼气动试验五分量测力天平原位加载校准装置实施例中水平加载单元机械结构示意图；
图7为本发明一种直升机旋翼气动试验五分量测力天平原位加载校准装置及实施例中原位加载校准装置控制系统组成框图；
图中：1-旋翼安装法兰，2-旋翼天平底座，3-旋翼天平浮框；4-底部立柱，5-下部连接法兰板，6-支撑框架平台，7-上部连接法兰板，8-标准力源，9-单方向压力传感器，10-销轴，11-垂直顶杆，12-导向块，13-交叉横梁，14-受力顶块，15-水平加载柱，16-水平顶杆，17-加载转接法兰。
具体实施方式
结合附图详细说明本发明的结构和安装、操作方式。
实施例1
本实施例阐述了本发明一种直升机旋翼气动试验五分量测力天平原位加载校准装置的具体实施过程。
图1是本校准装置中旋翼气动试验五分量测力天平的原型结构示意图；图中，1是旋翼安装法兰，2是旋翼天平底座，3是旋翼天平浮框。
图2为本校准装置的机械结构示意图，图中：4是底部立柱，5是下部连接法兰板，6是支撑框架平台，7是上部连接法兰板，8是标准力源，9是单方向压力传感器，10是销轴，11是垂直顶杆，12是导向块，13是交叉横梁，14是受力顶块，15是水平加载柱，16是水平顶杆，17是加载转接法兰。
本校准装置的具体实施包括如下步骤：
步骤1、安装旋翼气动试验五分量测力天平原位加载校准装置的机械结构(如图2)，包括框架式加载架、多维加载头、标准力源等三部分。
首先安装框架式加载架(如图3)，在旋翼天平原型结构(如图1)上安装4支底部立柱，每个底部立柱下端安装于锁紧定位柱法兰上，在旋翼天平底座上牢固扎根，上端延伸穿过锁紧定位孔连接下部连接法兰板；4支底部立柱通过下部连接法兰板托起水平面正方形的支撑框架平台，该平台构成多分量力加载的支撑基础结构。其中上部连接法兰板提供4个用于垂直方向力加载的标准力源的安装法兰，水平加载柱提供4个用于水平方向力加载的标准力源的安装法兰。
其次安装多维加载头(如图4)，旋翼天平顶部的旋翼安装法兰上安装加载转接法兰，加载转接法兰在水平面正交方向安装4支交叉横梁，提供4个垂直方向加载着力点，交叉横梁上部安装受力顶块，提供4个水平方向加载着力点，在水平面内与交叉横梁方向呈45度夹角。
最后安装8个标准力源，4组垂直加载单元机械结构如图5，标准力源下部与框架式加载架上的上部连接法兰板连接，上部传感器通过垂直顶杆连接多维加载头上的交叉横梁，销轴和导向块等组件起垂直方向的定位导向作用；4组水平加载单元机械结构如图6，标准力源下部连接水平加载柱，上部连接传感器通过水平顶杆连接多维加载头上的受力顶块。
步骤2、组建自动化测试校准系统(如图7)，将8组标准力源的8只力传感器的数据线与PXI应变数采卡相连，8只伺服驱动电机的数据线与PXI电机控制卡相连，将旋翼天平多分量力采集处理系统通过串口数据线与PXI串口通讯卡相连。PXI工控机及其配套板卡是自动化测试校准系统的核心硬件，通过软件系统实现数据采集处理、通信控制、人机界面、力加载闭环控制、自动校准等功能。
数据采集处理是对8个力值传感器的应变量模拟输入信号进行滤波﹑采集﹑计算等操作，最终获得各标准力源当前加载的力值信息。
通信控制是利用串口通讯获取旋翼天平测得的当前所受各分量力值信息。
人机界面包括目标力值输入界面(各标准力源的加载力值输入)，当前力值加载状态显示界面(显示8个标准力源当前加载的力值信息)，旋翼天平当前受力状态显示界面(显示被校旋翼天平的力值测量数据)等。
力加载闭环控制的工作原理是，控制系统根据各标准力源当前加载的力值信息以及输入的目标力值信息进行计算，根据二者差值向电机驱动器发出脉冲控制信号，直到当前力值与目标力值之差进入力值控制死区，停止电机。
自动校准是利用获得的试验数据，通过数据解算程序获得校准系数矩阵。基本思路是利用单元加载数据求得主系数﹑一次干扰系数﹑平方项系数，利用二元加载数据求得二次交叉干扰系数。
步骤3、原位加载校准载荷由8个不同位置安装的标准力源对应施加F1～F8来获得，可实现单分量力独立加载以及力与力、力与扭矩多分量组合加载。8套标准力源根据式(1)合成五个分量校准载荷。
Figure BDA0001738714980000091
通过调整F1～F8各项的输出力值，可以获得直升机旋翼升力(Z)、阻力(X)、侧向力(Y)、俯仰力矩(MZ)、滚转力矩(MX)五分量气动力不同数值的组合。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种旋翼气动试验五分量测力天平原位加载校准装置，包括旋翼天平五分量力组合加载机构和自动化测试校准系统两大部分，其特征在于：
其中，旋翼天平五分量力组合加载机构是在旋翼天平安装原位实现五分量力同时加载的机械结构，包括框架式加载架、多维力加载头以及标准力源；
自动化测试校准系统采用PXI总线硬件平台，基于Labview程序开发环境编制综合校准控制软件；
所述框架式加载架以旋翼天平底座为基础安装底部立柱，向外延伸至旋翼天平浮框之上，底部立柱之上构建框架式支撑结构平台；框架式加载架由4组底部立柱、1组支撑框架平台、4组上下部连接法兰板以及4组水平加载柱组装而成，其中的横梁或立梁均采用弯矩耐受力强的圆柱型或H型型材为基体加工制造；
所述多维力加载头采用自上而下模块化设计，主要包括加载转接法兰、外伸悬臂、交叉横梁、导向块、顶杆、销轴以及受力顶块；加载转接法兰为交叉十字结构，交叉横梁为耐弯矩的H型横梁，导向块的制作材料为铜合金；
多维力加载头的一端与旋翼天平受力端固联，一端与标准力源接触受力，为旋翼天平五分量气动力的同时加载提供着力点，且在满足刚度要求的前提下保证了校准载荷受力轴系与旋翼天平受力端测量轴系基准合一：顶杆在铜导向块的导向下将校准载荷传递到销轴上，以保证竖直方向上的校准载荷作用点位于横梁中心线上，受力顶块在校准坐标系正交方向加工受力平面，施载点所在轴线与交叉横梁中心线交于一点；
所述标准力源为一体化设计的电动加载缸，主要由法兰结构框、精密电机与精密行星减速器、圆柱型主体结构、精密滚柱丝杠副以及力传感器部件组成；
自动化测试校准系统包括伺服电机控制模块、数据采集与处理模块、通讯模块以及综合校准控制软件模块；
本校准装置的连接与安装关系如下：
旋翼天平五分量力组合加载机构与自动化测试校准系统相连；框架式加载架与标准力源相连，标准力源与多维力加载头相连；
框架式加载架各组成部件的连接及安装关系如下：
4组底部立柱用螺栓分别固定在旋翼天平底座的四个对称均布支点上，支撑框架平台通过螺栓与4组底部立柱的顶端法兰连接并保证平台水平，4组水平加载柱通过螺栓垂直安装在支撑框架平台上；
多维力加载头各组成部件的连接关系及安装关系如下：
加载转接法兰十字结构对应的四个外伸悬臂安装平面上固定安装交叉横梁，交叉横梁一端安装导向块，顶杆可在导向块的导向下将校准载荷准确的传递到销轴上，受力顶块通过高精度轴孔与转接法兰配合安装，外伸交叉悬臂与对应位置的交叉横梁固定；
自动化测试校准系统中各模块的连接关系为：
综合校准控制软件模块作为总体控制模块，分别与伺服电机控制模块、数据采集与处理模块、通讯模块等功能模块相连。
2.根据权利要求1所述的一种旋翼气动试验五分量测力天平原位加载校准装置，其特征在于：标准力源中的法兰结构框在底部，其内部安装精密电机与精密行星减速器，圆柱型主体结构通过螺栓安装在中部，结构内部集成了推力输出的导向组件和精密滚柱丝杠副传动组件，力传感器通过带螺纹的连接结构安装在上部；精密滚柱丝杠副为模块化产品，根据实际要求选配伺服电机及减速机，设计法兰结构框，整体结构紧凑，结构刚性好，力加载控制稳定而精确。
3.根据权利要求1所述的一种旋翼气动试验五分量测力天平原位加载校准装置，其特征在于：
标准力源为半标准化产品，由伺服电机驱动行星滚柱丝杠输出标准推力，推力杆前端安装力传感器以测量加载过程中的实际校准载荷。
4.根据权利要求1所述的一种旋翼气动试验五分量测力天平原位加载校准装置，其特征在于：伺服电机控制模块采用PXI运动控制卡，负责发送脉冲指令以驱动电机运动；
数据采集与处理模块采用PXI应变/桥输入模块卡，提供力传感器的电压激励并采集应变信号；
通讯模块采用PXI串口通讯卡，获取旋翼天平数据处理系统解算出的各个分量气动力数据；
综合校准控制软件模块基于PC平台，主要包括人机交互界面、数据处理与显示、力值闭环控制以及自动化数据校准模块；
其中，人机交互界面模块加载目标力值的输入与显示；数据处理与显示模块将采集到的加载端力传感器的应变信号转换成力值数据并显示出来；力值闭环控制模块将力传感器获得的实时力值数据与输入的目标力值进行对比，并采用控制策略计算产生相应的控制信号发送给伺服电机控制模块；自动化数据校准模块将力加载数据与被校系统测量数据进行比对校准，通过数据解算程序获得校准系数矩阵。
5.根据权利要求1所述的一种旋翼气动试验五分量测力天平原位加载校准装置，其特征在于：框架式加载架利用旋翼试验塔顶有限的空间，为八组标准力源的安装提供精确定位安装法兰，为旋翼天平五分量气动力的同时加载提供支撑基础。
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