CN109238630B - 杆式天平校准装置及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种杆式天平校准装置及校准方法，包括：校准支座，其连接在光学平台上；校准下支架，其与校准支座连接；校准上支架，其通过圆销与校准下支架定位，采用螺杆拉紧；杆式天平，其尾部等直段与校准上支架的圆孔配合，采用方键Ⅰ进行周向定位，并通过螺母Ⅰ拉紧；加载套，其通过与杆式天平前端的锥部配合，采用方键Ⅱ进行周向定位，并通过螺母Ⅱ拉紧；加载环，其成对使用，通过螺钉固定成一个整环，并与加载套上的键配合，进行周向定位；轴向力加载盘，其固定在加载套上，在天平竖直状态下，可放置砝码，加载轴向力；托盘，其通过可拆卸铰链固定在加载环上，可放置砝码，加载法向力/俯仰力矩，侧向力/偏航力矩和滚转力矩。

Description

杆式天平校准装置及校准方法

技术领域

本发明属于航空航天试验技术领域，具体涉及一种杆式天平校准装置及校准方法，其操作简单，能快速实现六分量杆式天平的单元加载和综合加载，获得天平校准公式及其精准度。

背景技术

杆式应变天平是风洞试验中重要的测力装置，为了准确测量风洞试验中飞行器模型所受的气动载荷，必须在试验前获得杆式应变天平的工作公式，即需要进行天平静态校准。天平静态校准通常在天平校准架上开展，通过校准架上设置的加载点，施加准确的六分量载荷，建立天平的信号输出与加载载荷的函数关系，得到天平校准公式。

天平校准架由加载系统、调整系统、力源系统与控制系统等部分组成，而其中加载系统是校准设备中最重要的系统之一，主要作用是提供确定准确的载荷，包括校准台架、加载架、传力件与力源等。一般而言，天平校准架具有较强的通用性，能满足不同载荷和不同尺寸天平的校准工作，但其机械结构复杂，体积庞大，造价偏高，而且复杂的校准架意味着更长的校准周期。

应变计在杆式应变天平上粘贴安装后，需要检查应变计的输出特性，确保应变计安装的可靠性。目前，实验室中常采用人工施力的方式，得到天平受力时的大致输出和加载前后的输出变化，以此评估应变天平的性能。这种方法过于简单，仅能体现天平在非确定载荷作用下的回零性，无法全面评估应变天平的性能，诸如线性度，机械滞后等。因此，需要在天平贴片后进行准确的天平加载，以确保应变计的安装可靠性。

应变天平具有较好的长期稳定性。通常情况下，应变天平的校准工作会定期开展，如每季度，每半年。天平校准时间与风洞测力试验时间并非总是吻合，可能存在较长的时间间隔。在试验前，为确认天平的基本加载特性，需要对应变天平进行简易的加载。

为了能在上述两种情况下，快速准确地完成杆式应变天平校准工作，因此设计一种杆式天平的简易校准装置是非常有意义的。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种杆式天平校准装置，包括：

校准支座，其可拆卸连接在光学平台上；

校准下支架，其与校准支座垂直且可拆卸连接；

校准上支架，其通过定位销与校准下支架定位，且与校准下支架可拆卸连接；

杆式天平，其尾部等直段与校准上支架的圆孔配合，同时采用方键Ⅰ进行周向定位，并通过螺母Ⅰ拉紧固定于校准上支架上；

加载套，其内具有与杆式天平前端锥部相配合的锥形孔，其通过锥形孔与杆式天平前端锥部匹配连接，采用方键Ⅱ对杆式天平进行周向定位，并通过螺母Ⅱ将杆式天平拉紧固定于加载套内；所述加载套的外部沿轴线设置有对称的键结构；

加载环，其为两个成对使用的半环结构，通过螺钉固定，将两个半环连接成一个整环，并与加载套上的键结构配合，进行周向定位；通过连接两个半环的螺钉的松紧，可实现加载环在加载套轴线方向的固定；

轴向力加载盘，其可拆卸连接在加载套上，在天平竖直状态下，可放置砝码，加载轴向力；

托盘，其通过可拆卸铰链固定在加载环上，可放置砝码，加载法向力/俯仰力矩，侧向力/偏航力矩和滚转力矩。

优选的是所述校准下支架的顶端设置有半圆形槽，半圆形槽的槽壁上设置有定位孔Ⅰ和位于定位孔上方对称的两个螺栓孔Ⅰ；所述校准上支架的末端设置有与半圆形槽相匹配的圆形转盘，所述圆形转盘上设置有与定位孔Ⅰ和两个螺栓孔Ⅰ相匹配的定位孔Ⅱ和螺栓孔Ⅱ；所述定位孔Ⅰ和定位孔Ⅱ内设置有定位销，其为圆销；相匹配的两个螺栓孔Ⅰ中的一个螺栓孔和螺栓孔Ⅱ内设置螺杆进行连接，在螺杆拆卸后，校准上支架可绕着圆销旋转90°，以实现校准方向的切换。

优选的是，所述校准上支架与杆式天平配合安装的圆孔处有四个方键键槽，所述杆式天平可在周向四个位置，即0°，90°，180°和270°定位。

优选的是，所述加载环成对使用，可在加载套轴向方向移动，校准时，所述加载环可选择一对或多对同时使用并加载。

优选的是，所述校准支座与光学平台的可拆卸连接方式为：在光学平台上设置有螺纹孔，通过螺杆与螺纹孔的相配合将校准支座连接在光学平台上。

优选的是，所述校准下支架与校准支座的可拆卸连接方式为螺钉连接。

优选的是，所述轴向力加载盘与加载套的可拆卸连接方式为螺钉连接。

本发明还提供一种采用上述的杆式天平校准装置进行校准的方法，包括以下步骤：

步骤一、依据杆式天平的设计载荷确定天平的校准载荷，依据天平除轴向力外的五分量载荷情况，选择合适的加载环尺寸和数量；

步骤二、将校准支座，校准上支架，校准下支架，杆式天平，加载套，加载环连接固定；同时通过可拆卸铰链将托盘固定在加载环上；

步骤三、加载法向力、俯仰力矩和滚转力矩，在托盘中加入相应载荷实现法向力和俯仰力矩的单分量加载，在托盘中加入相应载荷实现滚转力矩的单分量加载，在托盘中加入相应的载荷实现法向力、俯仰力矩和滚准力矩的多元加载；然后卸下托盘；

步骤四、将杆式天平绕校准上支架安装孔旋转90°，安装托盘，在托盘中加入相应载荷实现侧向力和偏航力矩的单分量加载，在托盘中加入相应载荷实现滚转力矩的单分量加载，在托盘中加入相应的载荷实现侧向力、偏航力矩和滚准力矩的多元加载；然后卸下托盘；

步骤五，将校准上支架绕校准下支架的连接圆销旋转90°，天平处于竖直状态，在轴向力加载盘上加入相应载荷实现轴向力的加载；

步骤六，将步骤三、步骤四和步骤五中的加载结果整合，得到六分量天平的单分量加载结果和多元加载结果，从而可计算出天平校准公式和校准精准度。

本发明至少包括以下有益效果：

（1）本发明所述校准装置能较快地实现杆式天平的校准工作，得到天平校准公式；（2）在校准中，将杆式天平绕着校准上支架中心孔旋转90°，可实现法向/俯仰与侧向/偏航加载的切换；（3）在校准中，将校准上支架绕定位圆销旋转90°，可实现法向/俯仰或侧向/偏航与轴向加载的切换；（4）本发明所述加载环为可更换件，根据天平校准载荷，选择相应尺寸的加载环。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明：

图1为本发明杆式天平校准装置的结构示意图（法向俯仰加载方向）；

图2为本发明杆式天平校准装置的结构示意图（轴向加载方向）；

图3为本发明杆式天平校准装置的托盘结构示意图；

图4为本发明杆式天平校准装置的部分拆卸结构示意图；

图5为本发明杆式天平校准装置的加载套和加载环的结构示意图；

图6为本发明杆式天平校准装置的校准下支架和校准上支架的结构示意图；

图7为发明杆式天平的结构示意图；

图8为本发明杆式天平校准装置的未设置轴向力加载盘的结构示意图；

图9为本发明杆式天平校准装置的加载套的剖面结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

图1~9示出了一种杆式天平校准装置，包括：

校准支座1，其可拆卸连接在光学平台上；

校准下支架2，其与校准支座1垂直且可拆卸连接；

校准上支架3，其通过定位销与校准下支架2定位，且与校准下支架2可拆卸连接；

杆式天平4，其尾部等直段41与校准上支架3的圆孔31配合，同时采用方键Ⅰ9进行周向定位，并通过连接在尾部等直段上的螺母Ⅰ10拉紧固定于校准上支架3上；其中，杆式天平的尾部等直段41与圆孔31配合，而杆式天平4的中部43直径大于圆孔31内径，因此可以通过螺母Ⅰ10拉紧固定；

加载套6，其内具有与杆式天平前端锥部42相配合的锥形孔61，其通过锥形孔61与杆式天平前端锥部42匹配连接，所述锥形孔的内壁上设置有键槽64；采用方键Ⅱ11插入键槽64对杆式天平进行周向定位，并通过螺母Ⅱ12将杆式天平4拉紧固定于加载套6内；所述加载套6的外部沿轴线设置有对称的键结构62；其中，螺母Ⅱ12连接在杆式天平前端锥部42一侧的螺杆段44上；螺杆段44的直径小于杆式天平前端锥部42末端直径，且螺母Ⅱ12的直径大于加载套6的锥形孔61的末端的内径，因此可以通过螺母Ⅱ12将杆式天平拉紧固定。

加载环5，其为两个成对使用的半环结构51，通过螺钉52固定，将两个半环连接成一个整环，并与加载套6上的键结构62配合，进行周向定位；通过连接两个半环的螺钉52的松紧，可实现加载环5在加载套6轴线方向的固定；

轴向力加载盘7，其可拆卸连接在加载套6上，在天平竖直状态下，可放置砝码，加载轴向力；

托盘8，其通过可拆卸铰链固定在加载环5上，可放置砝码，加载法向力/俯仰力矩，侧向力/偏航力矩和滚转力矩。

在上述技术方案中，如图3所示，校准装置采用3对加载环，在托盘81、82、83、84、85中，加砝码实现各载荷分量的加载。

在上述技术方案中，所述校准下支架2的顶端设置有半圆形槽21，半圆形槽21的槽壁上设置有定位孔Ⅰ22和位于定位孔上方对称的两个螺栓孔Ⅰ23；所述校准上支架3的末端设置有与半圆形槽21相匹配的圆形转盘，所述圆形转盘上设置有与定位孔Ⅰ22和两个螺栓孔Ⅰ23相匹配的定位孔Ⅱ33和螺栓孔Ⅱ34；所述定位孔Ⅰ22和定位孔Ⅱ33内设置有定位销35，其为圆销；相匹配的两个螺栓孔Ⅰ23中的一个和螺栓孔Ⅱ34内设置螺杆36进行连接，在螺杆36拆卸后，校准上支架可绕着圆销旋转90°，然后相匹配的两个螺栓孔Ⅰ23中的另一个和螺栓孔Ⅱ34内设置螺杆36进行连接，以实现校准方向的切换。

在上述技术方案中，所述校准上支架3与杆式天平4配合安装的圆孔31处有四个方键键槽37，在杆式天平4插入圆孔31后，在四个方键键槽37内插入方键Ⅰ9实现定位，所述杆式天平可在周向四个位置，即0°，90°，180°和270°定位；

在上述技术方案中，所述加载环5成对使用，可在加载套6轴向方向移动，校准时，所述加载环5可选择一对或多对同时使用并加载。

在上述技术方案中，所述校准支座1与光学平台的可拆卸连接方式为：在光学平台上设置有螺纹孔，通过螺杆与螺纹孔的相配合将校准支座连接在光学平台上，采用这种方式，可以方便拆卸。

在上述技术方案中，所述校准下支架2与校准支座1的可拆卸连接方式为螺钉连接。采用这种方式，可以方便拆卸。

在上述技术方案中，所述轴向力加载盘7与加载套6的可拆卸连接方式为螺钉连接，在加载套6的末端设置有相应的螺钉孔63；采用这种方式，可以方便拆卸。

本发明的一种采用上述的杆式天平校准装置进行校准的方法，包括以下步骤：

步骤一、依据杆式天平的设计载荷确定天平的校准载荷，依据天平除轴向力外的五分量载荷情况，选择合适的加载环尺寸和数量；

步骤二、如图1所示，将校准支座1，校准上支架3，校准下支架2，杆式天平4，加载套6，加载环5连接固定；同时通过可拆卸铰链将托盘8固定在加载环5上；

步骤三、加载法向力、俯仰力矩和滚转力矩，在托盘81，82，83中加入相应载荷实现法向力和俯仰力矩的单分量加载，在托盘84，85中加入相应载荷实现滚转力矩的单分量加载，在托盘81，82，83中加入相应的载荷实现法向力、俯仰力矩和滚准力矩的多元加载；然后卸下托盘；

步骤四、将杆式天平绕校准上支架安装孔旋转90°，安装托盘，在托盘81，82，83中加入相应载荷实现侧向力和偏航力矩的单分量加载，在托盘84，85中加入相应载荷实现滚转力矩的单分量加载，在托盘81，82，83中加入相应的载荷实现侧向力、偏航力矩和滚准力矩的多元加载；然后卸下托盘；

步骤五，如图2所示，将校准上支架绕校准下支架的连接圆销旋转90°，天平处于竖直状态，在轴向力加载盘7上加入相应载荷实现轴向力的加载；

步骤六，将步骤三、步骤四和步骤五中的加载结果整合，得到六分量天平的单分量加载结果和多元加载结果，从而可计算出天平校准公式和校准精准度。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (6)

1.一种杆式天平校准装置，其特征在于，包括：

校准支座，其可拆卸连接在光学平台上；

校准下支架，其与校准支座垂直且可拆卸连接；

校准上支架，其通过定位销与校准下支架定位，且与校准下支架可拆卸连接；

杆式天平，其尾部等直段与校准上支架的圆孔配合，同时采用方键Ⅰ进行周向定位，并通过螺母Ⅰ拉紧固定于校准上支架上；

加载套，其内具有与杆式天平前端锥部相配合的锥形孔，其通过锥形孔与杆式天平前端锥部匹配连接，采用方键Ⅱ对杆式天平进行周向定位，并通过螺母Ⅱ将杆式天平拉紧固定于加载套内；所述加载套的外部沿轴线设置有对称的键结构；

加载环，其为两个成对使用的半环结构，通过螺钉固定，将两个半环连接成一个整环，并与加载套上的键结构配合，进行周向定位；通过连接两个半环的螺钉的松紧，实现加载环在加载套轴线方向的固定；

轴向力加载盘，其可拆卸连接在加载套上，在天平竖直状态下，放置砝码，加载轴向力；

托盘，其通过可拆卸铰链固定在加载环上，用于放置砝码，加载法向力、俯仰力矩、侧向力、偏航力矩和滚转力矩中的一个或多个分量；

所述校准下支架的顶端设置有半圆形槽，半圆形槽的槽壁上设置有定位孔Ⅰ和位于定位孔上方对称的两个螺栓孔Ⅰ；所述校准上支架的末端设置有与半圆形槽相匹配的圆形转盘，所述圆形转盘上设置有与定位孔Ⅰ和两个螺栓孔Ⅰ相匹配的定位孔Ⅱ和螺栓孔Ⅱ；所述定位孔Ⅰ和定位孔Ⅱ内设置有定位销，其为圆销；相匹配的两个螺栓孔Ⅰ中的一个螺栓孔和螺栓孔Ⅱ内设置螺杆进行连接，在螺杆拆卸后，校准上支架能够绕着圆销旋转90°，以实现校准方向的切换；

所述校准上支架与杆式天平配合安装的圆孔处有四个方键键槽，所述杆式天平能够在周向四个位置，即0°，90°，180°和270°定位。

2.如权利要求1所述的杆式天平校准装置，其特征在于，所述加载环成对使用，能够在加载套轴向方向移动，校准时，所述加载环选择一对或多对同时使用并加载。

3.如权利要求1所述的杆式天平校准装置，其特征在于，所述校准支座与光学平台的可拆卸连接方式为：在光学平台上设置有螺纹孔，通过螺杆与螺纹孔的相配合将校准支座连接在光学平台上。

4.如权利要求1所述的杆式天平校准装置，其特征在于，所述校准下支架与校准支座的可拆卸连接方式为螺钉连接。

5.如权利要求1所述的杆式天平校准装置，其特征在于，所述轴向力加载盘与加载套的可拆卸连接方式为螺钉连接。

6.一种采用如权利要求1~5任一项所述的杆式天平校准装置进行校准的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、依据杆式天平的设计载荷确定天平的校准载荷，依据天平除轴向力外的五分量载荷情况，选择合适的加载环尺寸和数量；

步骤二、将校准支座，校准上支架，校准下支架，杆式天平，加载套，加载环连接固定；同时通过可拆卸铰链将托盘固定在加载环上；

步骤三、加载法向力、俯仰力矩和滚转力矩，在托盘中加入相应载荷实现法向力和俯仰力矩的单分量加载，在托盘中加入相应载荷实现滚转力矩的单分量加载，在托盘中加入相应的载荷实现法向力、俯仰力矩和滚转力矩的多元加载；然后卸下托盘；

步骤四、将杆式天平绕校准上支架安装孔旋转90°，安装托盘，在托盘中加入相应载荷实现侧向力和偏航力矩的单分量加载，在托盘中加入相应载荷实现滚转力矩的单分量加载，在托盘中加入相应的载荷实现侧向力、偏航力矩和滚转力矩的多元加载；然后卸下托盘；

步骤五，将校准上支架绕校准下支架的连接圆销旋转90°，天平处于竖直状态，在轴向力加载盘上加入相应载荷实现轴向力的加载；

步骤六，将步骤三、步骤四和步骤五中的加载结果整合，得到六分量天平的单分量加载结果和多元加载结果，从而能够计算出天平校准公式和校准精准度。