CN114166461A - 一种风洞天平非复位体轴系校准装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风洞天平非复位体轴系校准装置，包括校准基座、测力天平和加载头，校准装置不包括位姿调整机构，所述测力天平的固定端与加载头连接，所述测力天平的测量端与校准基座连接，所述加载头悬空浮动，通过施力装置对所述加载头的六个方向施加载荷。本发明所述的校准装置没有复位调整结构，成本低天平校准效率高、精度好。本发明所述前、固定端过渡接头为可更换件，根据天平前后接口，选择相应尺寸的过渡接头。同时，该装置实现简单，操作容易。

Description

一种风洞天平非复位体轴系校准装置

技术领域

本发明涉及风洞试验技术领域，具体涉及到一种风洞天平非复位体轴系校准装置。

背景技术

风洞天平是风洞测力实验的关键设备之一,直接影响风洞实验数据的准确性。天平属于高精度测测量仪器,必须通过天平校准系统才能用于风洞测力试验。天平校准系统的性能对天平校准的效率、精准度具有重要影响，国内外风洞实验机构都非常重视高精度天平校准系统的研制。

风洞天平校准系统按加载坐标轴系的不同,可分为地轴系天平校准系统与体轴系天平校准系统。地轴系天平校准系统由于天平受载后的变形,使所施加载荷的方向与天平体轴系的方向不一致, 从而会影响天平对气动力测量的准度,目前在国内外先进风洞实验机构已经很少使用。

体轴系天平校准系统可分为补偿型和非补偿型两种。补偿型体轴系天平校准系统包括回零式和跟随式两种。回零式补偿型体轴系天平校准系统利用调整系统调整天平固定端的支撑装置，保证施加载荷方向与天平体轴系一致；跟随式补偿型体轴系天平校准系统利用调整系统调整与天平测量端相连的加载系统，保证施加载荷方向与天平体轴系一致。非补偿型体轴系天平校准系统没有调整系统，通过在天平测量端布置多个基准测力计（参考天平）来实现天平体轴系校准。

总的说来，地轴系天平校准设备结构简单、造价较低，校准精度高而准度低。补偿型体轴系天平校准设备结构复杂、造价高，校准精度与准度高。非补偿型体轴系天平校准设备的突出优点是不需要调整系统，从而使设备结构简化，而且校准结果也能真实反映天平的工作特性但对基准测力计（参考天平）要求极高。

当前,尽管回零式补偿型体轴系天平校准系统已成为校准系统的主流趋势,但其结构复杂、造价高以及维护繁琐，而且其加载头初始定位的误差及复位精度的误差,都给实现高精度天平校准增加了难度。因此,研制一套结构简单、造价低、效率高的体轴系天平校准系统是当前迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目是提供一种风洞天平非复位体轴系校准装置，该装置不需要位姿调整系统，即可实现回零式补偿型体轴系天平校准功能，具有装置结构简单、造价较低、操作容易，且能实现天平高精准度校准。

风洞天平非复位体轴系校准装置基于作用力与反作用力原理，天平的测量端与刚性校准基座连接，在调整好加载中心后，天平的固定端与加载头固连， 每次施加标准载荷后，与校准基座连接的天平的测量端体轴系不因对天平进行加载而发生变化，保证天了平的测量端在天平体轴系各个方向上传递的载荷与标准载荷相同。例如，对天平固定端通过加载头在竖直方向向下加载时，天平测量端的反作用力方向一定竖直向上，由于固接在刚性校准基座的测量端位姿基本不变（通过对校准基座进行刚度设计，确保在校准量程范围内，校准基座变形小到对天平校准结果影响可忽略程度），即便天平加载端发生弹性变形，天平的测量端传递的载荷仍然与天平体轴系向上方向上一致。而在传统体轴系天平校准系统中，在调整好加载中心后，天平的测量端与加载头固连，每次施加标准载荷后，与加载头连接的天平的测量端体轴系因天平弹性变形而发生改变，需要通过调整位姿调整系统复位，实现施加载荷方向与天平体轴系一致，即天平的测量端在各个方向上加载的载荷与标准载荷相同。例如，对天平固定端通过加载头在竖直方向向下加载时，如不进行复位，由于天平加载端发生弹性变形，导致天平测量端不仅在其他方向上有载荷分量，而且自身方向上载荷也不精准。

为了实现上述目的采用如下技术方案：

一种风洞天平非复位体轴系校准装置，包括校准基座、测力天平和加载头，校准装置不包括位姿调整机构，所述测力天平的固定端与加载头连接，所述测力天平的测量端与校准基座连接，所述测力天平的固定端与加载头悬空浮动，通过施力装置对所述加载头的六个方向施加载荷。

在上述技术方案中，所述测力天平的固定端和测量端各自通过一个过渡接头连接到加载头与校准基座上。

在上述技术方案中，所述过渡接头上沿着周向设置有若干定位销和连接螺栓，定位销能够连接到校准基座上的不同位置。

在上述技术方案中，测力天平轴向随着定位销连接到校准基座上的不同位置进行X轴旋转。

在上述技术方案中，所述施力装置包括换向滑轮和牵引绳，所述牵引绳一端通过换向滑轮连接到测力天平中心水平平面所在的加载头上。

在上述技术方案中，包括有六个施力装置，每一个施力装置对加载头的一个方向施加载荷。

在上述技术方案中，加载头加载中心和校准基座之间的距离、加载头加载中心和加载头与测力天平固定端的过渡接头连接部位之间的距离，两个值恒定不变。

在上述技术方案中，与测力天平测量端连接的过渡接头的长度由天平测量端长度决定，

与测力天平固定端连接的过渡接头长度由天平固定端长度确定。

在本发明中，采用上述的校准装置进行校准时，采用以下步骤：

步骤一、将测量端过渡接头、固定端过渡接头与测力天平正确安装，然后把测量端过渡接头固定安装到校准基座上，将加载头与测力天平固定端过渡接头正确安装，并将-X向、+X向、-Y向、+Y向、-Z向、+Z向施力装置与加载头正确连接.

步骤二、依据风洞天平的设计载荷确定天平的校准载荷；

步骤三、在正Y向施加合适载荷平衡加载头重量，

步骤四、实施单元加载，依次加载法向力、俯仰力矩、轴向力、滚转力矩、侧向力和偏航力矩；实施多元加载。

步骤五，将步骤三加载结果利用最小二乘法拟合处理，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。

通过采用上述技术方案，在进行天平校准时，测力天平测量端通过天平测量端接头固定到校准基座上，测力天平固定端通过天平固定端接头固定到加载头上。天平固定端接头能够确保加载头施力中心与天平校准中心一致。根据力与反作用力原理，对加载头施加+Y、-Y、载荷，天平校准载荷为-FY载荷，天平数据处理方法与常规处理一致。

本发明涉及的一种用于风洞天平校准的非复位体轴系校准装置及校准方法。如果在没有+Y方向施力装置、+Z方向施力装置、-Z方向施力装置和+X向施力装置情况下，即仅有-Y方向施力装置和-X向施力装置情况下仍然可以通过绕X轴旋转方向的方式实施校准,其中换方向通过定位销A和B实现周向定位。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明所述的校准装置没有复位调整结构，成本低天平校准效率高、精度好。 本发明所述前、固定端过渡接头为可更换件，根据天平前后接口，选择相应尺寸的过渡接头。同时，该装置实现简单，操作容易。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的结构示意图；

图2是施力装置示的结构示意图；

图3是测力天平的连接结构示意图；

其中：1是校准基座，2是连接螺栓，3是加载头，4是测力天平，5是过渡接头，6是铰链，7载荷，8是换向滑轮，9是定位销。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1、图3所示，在本实施例中，校准结构包括有校准基座1、加载头3、测力天平4和过渡接头5。其中：

测力天平4的两端分别连接有一个过渡接头5，过渡接头5上沿着周向设置有若干的定位销9和连接螺栓2。测力天平4的一端为测量端，另一端为固定端，其中测量端通过一个过渡接头5由定位销2和连接螺栓9连接到校准基座1上；固定端通过另一个过渡接头5由定位销2和连接螺栓9连接到加载头3上。

如图1所示，在完成连接后的校准装置，其中测力天平4的固定端和加载头3连接为一体后是处于悬空状态的，而测力天平4的测量端和校准基座1连接后为固定静止状态。

如图2所示，施力装置采用常规的换向滑轮8和钢绳通过铰链6连接到加载头3上，通过六个方向对加载头施加载荷7，值得注意的是在加载的同时，需要确保测力天平4的固定端的过渡接头5能够确保加载头施力中心与天平校准中心一致。，确保施加的载荷能精准的作用到测力天平4的测量端上。

值得注意的是，在本实施例中与常规的天平校准装置相比采用了与常规校准系统相反的校正设置，本实施例中对于固定端和测量端采用了与常规方法相反的设置，使得天平的固定端为悬空的加载端。因此，在保证测量精度的要求下需要对整个校准装置的材料结构做限定；在满足强度的前提下，校准基座需要采用弹性模量高的碳钢或合金钢材料，在结构上采用基于刚度设计方法，校准基座变形减小到对天平校准结果影响可忽略程度，确保与校准基座连接的天平的测量端体轴系不因对天平进行加载而发生变化。比如要确保在校准过程中，校准基座1的刚度要求在测力最大校准载荷综合工况作用下变形极小，其俯仰、滚转和偏航姿态角度推荐值不大于0.005°，连接在加载头上同一方向的相邻两个换向滑轮8的距离推荐值不小于5米。天平校准时，天平的测量端与刚性校准基座连接，在调整好加载中心后，天平的固定端与加载头固连， 每次施加标准载荷后，校准基座连接的天平的测量端体轴系不因对天平进行加载而发生变化，保证在天平体轴系各个方向上传递的载荷与标准载荷相同。在测力天平固定端施加载荷，利用作用力与反作用力原理获取天平测量端天平校准载荷和天平信号输出关系获取天平校准公式。

本实施例在正常情况下，对于加载头3施加载荷是从+Y方向、-Y方向、+Z方向、-Z方向、+X方向和-X方向同时施加载荷。以测力天平4位校准中心，校准基座1的方向定义为-X方向，测力天平4的整下方定义为-Y方向，因此，当在+Y方向、+Z方向、-Z方向和+X方向都不施加载荷的情况下，校准装置也能进行校准，只需要将过渡接头5沿着测力天平4的轴向进行等角度的旋转，旋转后再通过定位销9与连接螺栓2与校准基座1和加载头3连接即可实现只有-Y方向和-X方向的情况下实施校准。

在本实施例中，测量天平可以进行更换，采用不同的测量天平进行校准，因此在校准过程中进行设定，设定与测力天平测量端连接的过渡接头的长度为L1，设定与测力天平固定端连接的过渡接头尺寸L4，设定天平测量端长度（测力天平力矩参考中心到与天平测量端连接的过渡接头之间的距离）为L2，设定天平固定端长度测力天平力矩参考中心到与天平测量端连接的过渡接头之间的距离）为L3，因此：

加载头加载中心和校准基座之间的距离L=L1+ L2

加载头加载中心和加载头与测力天平固定端的过渡接头连接部位之间的距离L’=L3+ L4

在整个校准过程中，要求L和L’恒定不变，根据不同测力天平的L2和L3确定L1和L4，从而使得本实施例可以针对不同的测量天平校准。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (9)

1.一种风洞天平非复位体轴系校准装置，包括校准基座、测力天平和加载头，其特征在于：校准装置不包括位姿调整机构，所述测力天平的固定端与加载头连接，所述测力天平的测量端与校准基座连接，所述测力天平的固定端与加载头悬空浮动，通过施力装置对所述加载头的六个方向施加载荷。

2.根据权利要求1所述的一种风洞天平非复位体轴系校准装置，其特征在于：所述测力天平的固定端和测量端各自通过一个过渡接头连接到加载头与校准基座上。

3.根据权利要求2所述的一种风洞天平非复位体轴系校准装置，其特征在于：所述过渡接头上沿着周向设置有若干定位销和连接螺栓，定位销能够连接到校准基座上的不同位置。

4.根据权利要求2所述的一种风洞天平非复位体轴系校准装置，其特征在于：测力天平轴向随着定位销连接到校准基座上的不同位置进行X轴旋转。

5.根据权利要求1所述的一种风洞天平非复位体轴系校准装置，其特征在于：所述施力装置包括换向滑轮和牵引绳，所述牵引绳一端通过换向滑轮连接到测力天平中心水平平面所在的加载头上。

6.根据权利要求1或5所述的一种风洞天平非复位体轴系校准装置，其特征在于：包括有六个施力装置，每一个施力装置对加载头的一个方向施加载荷。

7.根据权利要求6所述的一种风洞天平非复位体轴系校准装置，其特征在于：天平测量端作用载荷与加载头施加标准载荷大小相等、方向相反。

8.根据权利要求7所述的一种风洞天平非复位体轴系校准装置，其特征在于

加载头加载中心和校准基座之间的距离、加载头加载中心和加载头与测力天平固定端的过渡接头连接部位之间的距离，两个值恒定不变。

9.根据权利要求8所述的一种风洞天平非复位体轴系校准装置，其特征在于：

与测力天平测量端连接的过渡接头的长度由天平测量端长度决定，

与测力天平固定端连接的过渡接头长度由天平固定端长度确定。

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