CN112504554B - 一种六分量高精度微量滚转力矩测量装置的校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种六分量高精度微量滚转力矩测量装置的校准方法，涉及航空航天测力试验技术领域，具体方案为：包括以下步骤：S1：安装主天平元件后，对主天平元件进行校准，获得主天平元件在此状态下各个分量的校准数据；S2：在主天平元件上安装滚转‑阻力元件、气浮轴承，通气使气浮轴承工作，对水平状态测量装置进行校准，获得除阻力分量以外各个分量的校准数据；S3：对测量装置通气竖直状态进行校准，获得阻力分量的校准数；S4：对上述校准数据进行处理，获得六分量校准公式和测量不确定度；本发明提供的六分量高精度微量滚转力矩测量装置的校准方法能够正确获取校准公式，降低微量滚转力矩受到的干扰。

Description

一种六分量高精度微量滚转力矩测量装置的校准方法

技术领域

本发明涉及航空航天测力试验技术领域，更具体地说，它涉及一种六分量高精度微量滚转力矩测量装置的校准方法。

背景技术

针对小型化再入飞行体试验模型微量滚转力矩的测量要求，通常采用基于气浮轴承的单分量气浮天平结合大量程六分量小滚转力矩试验技术开展高速风洞试验。

常规天平校准方法是将天平水平安装在校准架上，通过第一加载头上的加载点，按一定的阶梯值对天平各分量施加标准砝码载荷，采集天平输出信号，标定天平工作公式。在进行轴向力分量加载时，采用钢丝连接加载点和砝码码盘，由滑轮转换钢丝方向，将砝码产生的法向力转换为与天平轴线一致的轴向力施加在加载点。轴向力分量加载点通常有两个，沿天平轴线左右对称。采用该技术方法的主要缺点是：1、两个滑轮高度存在一定的误差，不能保证严格的轴向加载，使轴向力产生法向的分力；2、不能保证两个滑轮高度完全一致，如果两侧加载点处的法向分力不能抵消，将会产生滚转力矩干扰，影响滚转力矩分量的测量精准度；3、滑轮由于加工、安装造成转动部分质心与转轴不重合，在加载过程中，滑轮要转动一个角度，其转动部分会产生一个附加力矩，从而造成载荷误差；4、滑轮轴承存在一定的摩擦力，造成加载误差。

由于常规校准方法的上述缺点，采用常规校准方法校准一种六分量高精度微量滚转力矩测量装置时，由于轴向力加载对滚转力矩分量产生干扰，且该测量装置滚转力矩量程微小，轴向力对滚转力矩的干扰较大，影响其测量精准度。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种六分量高精度微量滚转力矩测量装置的校准方法，能够避免轴向力加载对滚转力矩分量产生干扰。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种六分量高精度微量滚转力矩测量装置的校准方法，包括以下步骤：

S1：测量装置在安装主天平元件后，对主天平元件进行校准，获得主天平元件在此状态下各个分量的校准数据，分量包括主天平元件的法向力、俯仰力矩、侧向力和偏航力矩；

S2：在主天平元件上安装滚转-阻力元件、气浮轴承，通气使气浮轴承工作，对水平状态下测量装置进行校准，获得除阻力分量以外各个分量的校准数据，分量包括测量装置的法向力、俯仰力矩、侧向力、偏航力矩和滚转力矩；

S3：将安装完全的测量装置竖直安装在校准支杆上；

S4：数据处理：将S2和S3得到的校准数据进行处理，获得六分量校准公式和测量不确定度。

在上述方案中，S1步骤中，通过测量各个分量的校准数据，用以判定该主天平元件是否处于工作状态正常，其测量精准度是否满足要求，在满足这些要求后，再继续进行后续步骤；校准支杆用于对竖直设置的测量装置进行支撑，以便于对测量装置轴向力分量进行加载，在不同的方案中，校准支杆和测量装置之间的连接关系可不同，可通过各种活动连接和固定连接等方式进行二者的连接；加载的过程为通过不同加载头对天平进行标准载荷（砝码）的施加和卸载，加载点即是加载头上实现该过程的位置。

作为一种优选方案，测量装置包括气浮轴承、进气管和排气管；

S1过程中，在安装主天平元件、进气管和排气管后，在不通气的状态下对主天平元件进行校准；

S2过程中，水平安装滚转-阻力元件和气浮轴承并通气，在气浮轴承压力与测试压力相同时，再对测量装置进行校准；

S3过程中，竖直安装滚转-阻力元件和气浮轴承并通气，在气浮轴承压力与测试压力相同时，对测量装置进行校准。

在上述优选方案中，现有的测量装置包括主天平元件、支杆、轴承等物品，在这个基础上，再通过气浮轴承和通气设置，对测量装置进行优化，本申请结合优化的测量装置再次进行校准方法的改进。

作为一种优选方案，主天平元件与第一加载头之间通过主天平元件定位凸台定位。

在上述优选方案中，可通过4个M5×25螺钉将第一加载头和主天平元件进行拉紧。

作为一种优选方案，测量装置与第二加载头之间通过连接套定位。

在上述优选方案中，可通过6个M8×16螺钉将第二加载头和测量装置进行拉紧。

作为一种优选方案，第二加载头包括主体上圆周均布的4个横梁，4个横梁与第二加载头轴线相互平行，横梁上均匀布置有12个加载点；第二加载头连接套接口附近还均布4个轴向力加载点。

在上述优选方案中，加载点的设置可以保证每个方向的加载状态。

作为一种优选方案，S2过程中，先将测量装置与支杆进行装配，并将支杆安装在校准架上，在连接套上安装第二加载头。

作为一种优选方案，S3过程中，先将测量装置与校准接头、校准支杆进行装配，并将校准支杆安装在校准架上，使测量装置处于竖直状态，在连接套上安装第二加载头，使测量装置位于第二加载头内部。

作为一种优选方案，S4过程中，将S2得到的校准数据采用叠加法和均值法计算出法向力、俯仰力矩、侧向力、偏航力矩、滚转力矩五个分量的主项系数和各自对其他分量包括轴向力分量的干扰修正系数；将S3得到的校准数据，计算出轴向力的主项系数和对其他分量的干扰修正系数；再根据S2和S3得到的校准数据合成，得到测量装置六个分量的主项系数和各分量间的干扰修正系数，得到该测量装置的工作公式。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明提供的六分量高精度微量滚转力矩测量装置的校准方法能够正确获取校准公式，降低微量滚转力矩受到的干扰；

（2）本发明提供的六分量高精度微量滚转力矩测量装置的校准方法能保证各个加载点标准砝码载荷加载方向一致，减小轴向力对滚转力矩的干扰，并可获得其干扰修正系数；

（3）本发明提供的六分量高精度微量滚转力矩测量装置的校准方法消除了滑轮附加力矩和摩擦力的影响，保证轴向力加载值。

附图说明

图1是本发明实施例的步骤一各部件安装状态图；

图2是本发明实施例第一加载头结构图；

图3是本发明实施例步骤二各部件安装状态图；

图4是本发明实施例第二加载头结构图；

图5是本发明实施例的步骤三各部件安装状态图；

图6是本发明实施例改进后测量装置的结构示意图；

其中：

1、主天平元件；2、气浮轴承；3、模型连接套；4、支杆；5、进气管；6、排气管；7、滚转-阻力元件；8、波纹管；9a、第一加载头；9b、第二加载头；10、加载头主体；11、横梁；12、法向力/力矩加载点；13、滚转力矩加载点；14、轴向力加载点；15、校准接头；16、校准支杆；17、进/排气管；18、测量装置。

具体实施方式

本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包括”为一开放式用语，故应解释成“包括但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。

本说明书及权利要求的上下左右等方位名词，是结合附图以便于进一步说明，使得本申请更加方便理解，并不对本申请做出限定，在不同的场景中，上下、左右、里外均是相对而言。

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

所述的一种六分量高精度微量滚转力矩测量装置的校准方法，分为四个步骤：步骤一是在进排气管路安装后，采用常规校准方法对主天平元件进行校准，目的是确保主天平元件工作正常，获得主天平元件法向力、俯仰力矩、侧向力、偏航力矩四个分量在此状态下的测量校准数据；步骤二是在步骤一的基础上，水平安装滚转-阻力元件和气浮轴承并通气，在气浮轴承压力与试验压力相同情况下，采用常规校准方法对测量装置进行校准，获得整个测量装置法向力、俯仰力矩、侧向力、偏航力矩、滚转力矩五个分量在此状态下的校准数据；步骤三是将整个测量装置竖直安装在校准支杆上，通气并保证气浮轴承压力与试验压力相同，采用砝码吊杆的形式对测量装置轴向力分量进行加载，获得轴向力分量的校准数据；步骤四是数据处理，根据步骤二、三获得的校准数据，得到一种六分量高精度微量滚转力矩测量装置的工作公式。

所述的一种六分量高精度微量滚转力矩测量装置的校准方法步骤一各部件安装状态如图1所示，主要包括第一加载头、主天平元件、支杆，主天平元件与第一加载头间由主天平元件模型端定位凸台定位，由4个M5×25螺钉拉紧。第一加载头结构如图2所示，第一加载头加载点处装有顶尖，与砝码吊杆上的顶窝配合，保证砝码载荷竖直加载。法向力/力矩加载点平行于天平轴线，以天平校心为对称中心；滚转力矩加载点垂直于天平轴线，以天平校心为对称中心；第一加载头主体上呈90度圆周均布的4个横梁上对称均匀布置了12个加载点，保证每一方向的加载状态。步骤一校准时，先将主天平元件、进排气管路和支杆进行装配，并将支杆安装在校准架上，在天平元件模型端安装第一加载头。调整天平俯仰角和滚转角，使天平处于水平状态，按照常规天平校准方法，采用砝码吊杆的形式施加标准砝码载荷，采集天平输出信号，标定主天平元件的工作公式并计算测量校准数据。步骤一的主要目的是确保主天平元件工作正常，获得主天平元件法向力、俯仰力矩、侧向力、偏航力矩四个分量在此状态下的测量校准数据。

所述的一种六分量高精度微量滚转力矩测量装置的校准方法步骤二各部件安装状态如图3所示，主要包括测量装置、支杆、测量装置第二加载头，测量装置与第二加载头间由连接套定位，由6个M8×16螺钉拉紧。第二加载头结构如图4所示，第二加载头加载点处装有顶尖，与砝码吊杆上的顶窝配合，保证砝码载荷竖直加载。法向力/力矩加载点平行于天平轴线，以天平校心为对称中心；滚转力矩加载点垂直于天平轴线，以天平校心为对称中心；轴向力加载点共4个对称均布置在连接套接口附近；第二加载头主体上呈90度圆周均布的4个横梁上对称均匀布置了12个加载点，保证每一方向的加载状态。步骤二校准时，先将测量装置与支杆进行装配，并将支杆安装在校准架上，在连接套上安装第二加载头。通气使气浮轴承压力与试验压力相同，调整天平俯仰角和滚转角，使天平处于水平状态，按照常规天平校准方法，采用砝码吊杆的形式施加标准砝码载荷，采集天平输出信号，获得测量装置法向力、俯仰力矩、侧向力、偏航力矩、滚转力矩五个分量在此状态下的校准数据。

所述的一种六分量高精度微量滚转力矩测量装置的校准方法步骤三各部件安装状态如图5所示，主要包括测量装置、校准接头、校准支杆、第二加载头，测量装置与校准接头由2个φ5×10的销钉定位，由4个M5×25螺钉拉紧，校准支杆，安装在校准架上。步骤三校准时，先将测量装置与校准接头、校准支杆进行装配，并将校准支杆安装在校准架上，在连接套上安装第二加载头。通气使气浮轴承压力与试验压力相同，调整校准支杆俯仰角和滚转角，使天平轴线处于竖直状态，按照预设阶梯值，采用砝码吊杆的形式向加载点施加标准砝码载荷，采集天平输出信号，获得测量装置轴向力在此状态下的校准数据。

所述的一种六分量高精度微量滚转力矩测量装置的校准方法步骤四是对步骤二和步骤三采集的校准数据进行处理。根据步骤二获得的校准数据，采用叠加法、均值法可以计算出法向力、俯仰力矩、侧向力、偏航力矩、滚转力矩五个分量的主项系数和各自对其他分量包括轴向力分量的干扰修正系数；根据步骤三获得的校准数据，可以计算出轴向力的主项系数和对其他分量的干扰修正系数。数据处理以步骤二获得的校准数据为基础，结合步骤三的校准数据，合成得到测量装置六个分量的主项系数和各分量间的干扰修正系数，得到该测量装置的工作公式。由于步骤三中，轴向力严格的沿天平轴线加载，轴向力对滚转力矩各分量的干扰较小，因此，该校准方法适用于滚转力矩量程微小的天平。

改进后测量装置的结构为：

所述的六分量高精度微量滚转力矩测量结构如图1所示，主要包括主天平元件、气浮轴承、滚转-阻力元件、模型连接套、支杆、进气管和排气管路。所述的主天平元件支杆端与支杆通过法兰连接、销钉定位，模型端与气浮轴承定子通过法兰连接；所述的滚转-阻力元件是一种柔弱的浮框结构，将主天平元件包容在内部，其固定端与所述的主天平元件模型端相连，模型端与模型连接套连接；所述的气浮轴承是一种导轨式气浮轴承，通过进气管高压气体实现周向及轴向自由状态，其转子通过法兰与模型连接套相连，定子与主天平元件模型端相连；所述的主天平元件内部设计进气通道，左右两侧设计了2根排气管通过对称布置的2只波纹管连通，通过所述的支杆内部引出风洞；所述的模型连接套外面套有试验模型。所述的六分量高精度微量滚转力矩测量结构其特征是所述的气浮轴承、主天平元件和滚转-阻力元件全部位于模型内部；所述的进气管穿过主天平内部，排气管通过布置在主天平元件两侧的波纹管引出；所述的主天平元件与气浮轴承、模型连接套串连，所述的滚转-阻力元件与气浮轴通过模型连接套并连。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (7)

1.一种六分量高精度微量滚转力矩测量装置的校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：六分量高精度微量滚转力矩测量装置(18)在安装主天平元件(1)后，对主天平元件(1)进行校准，获得主天平元件(1)在此状态下各个分量的校准数据，分量包括主天平元件(1)的法向力、俯仰力矩、侧向力和偏航力矩；在安装主天平元件(1)、进气管(5)和排气管(6)后，在不通气的状态下对主天平元件(1)进行校准；

S2：在主天平元件(1)上安装滚转-阻力元件(7)、气浮轴承(2)，通气使气浮轴承(2)工作，对水平状态下六分量高精度微量滚转力矩测量装置(18)进行校准，获得除阻力分量以外各个分量的校准数据，分量包括六分量高精度微量滚转力矩测量装置(18)的法向力、俯仰力矩、侧向力、偏航力矩和滚转力矩；水平安装滚转-阻力元件(7)和气浮轴承(2)并通气，在气浮轴承(2)压力与测试压力相同时，再对六分量高精度微量滚转力矩测量装置(18)进行校准；

S3：将六分量高精度微量滚转力矩测量装置(18)通气竖直状态下进行校准，使得气浮轴承(2)压力与测试压力相同，获得阻力分量的校准数据；竖直安装滚转-阻力元件(7)和气浮轴承(2)并通气，在气浮轴承(2)压力与测试压力相同时，对六分量高精度微量滚转力矩测量装置(18)进行校准；

S4：数据处理：将S2和S3得到的校准数据进行处理，获得六分量校准公式和测量不确定度；

所述六分量高精度微量滚转力矩测量装置包括主天平元件、气浮轴承、滚转-阻力元件、模型连接套、支杆、进气管和排气管路；所述主天平元件支杆端与支杆通过法兰连接、销钉定位，主天平元件模型端与气浮轴承定子通过法兰连接；所述滚转-阻力元件是一种柔弱的浮框结构，将主天平元件包容在内部，其固定端与所述主天平元件模型端相连，主天平元件模型端与模型连接套连接；所述气浮轴承是一种导轨式气浮轴承，通过进气管高压气体实现周向及轴向自由状态，其转子通过法兰与模型连接套相连，定子与主天平元件模型端相连；所述主天平元件内部设计进气通道，左右两侧设计了两根排气管通过对称布置的两只波纹管连通，通过所述支杆内部引出风洞；所述模型连接套外面套有试验模型；所述六分量高精度微量滚转力矩测量装置的所述气浮轴承、主天平元件和滚转-阻力元件全部位于试验模型内部；所述进气管穿过主天平内部，排气管通过布置在主天平元件两侧的波纹管引出；所述主天平元件与气浮轴承、模型连接套串连，所述滚转-阻力元件与气浮轴承通过模型连接套并连。

2.根据权利要求1所述六分量高精度微量滚转力矩测量装置的校准方法，其特征在于，所述主天平元件(1)与第一加载头(9a)之间通过主天平元件(1)定位凸台定位。

3.根据权利要求2所述六分量高精度微量滚转力矩测量装置的校准方法，其特征在于，六分量高精度微量滚转力矩测量装置(18)与第二加载头(9b)之间通过连接套定位。

4.根据权利要求3所述六分量高精度微量滚转力矩测量装置的校准方法，其特征在于，所述第二加载头(9b)包括加载头主体(10)上圆周均布的4个横梁(11)，4个横梁(11)相互平行且与加载头主体(10)垂直，横梁(11)上均匀布置有12个加载点。

5.根据权利要求4所述六分量高精度微量滚转力矩测量装置的校准方法，其特征在于，所述步骤S2过程中，先将六分量高精度微量滚转力矩测量装置(18)与支杆(4)进行装配，并将支杆(4)安装在校准架上，在连接套上安装第二加载头(9b)。

6.根据权利要求5所述六分量高精度微量滚转力矩测量装置的校准方法，其特征在于，所述步骤S3过程中，先将六分量高精度微量滚转力矩测量装置(18)与校准接头(15)、校准支杆(16)进行装配，并将校准支杆(16)安装在校准架上，在连接套上安装第二加载头(9b)。

7.根据权利要求6所述六分量高精度微量滚转力矩测量装置的校准方法，其特征在于，所述步骤S4过程中，将S2得到的校准数据采用叠加法和均值法计算出法向力、俯仰力矩、侧向力、偏航力矩、滚转力矩五个分量的主项系数和各自对其他分量包括轴向力分量的干扰修正系数；将S3得到的校准数据，计算出轴向力的主项系数和对其他分量的干扰修正系数；再根据S2和S3得到的校准数据合成，得到六分量高精度微量滚转力矩测量装置(18)六个分量的主项系数和各分量间的干扰修正系数，得到该六分量高精度微量滚转力矩测量装置(18)的工作公式。

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