CN115781582B - 应用于风洞测力试验中的天平或模型装配平台及准备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于风洞测力试验中的天平或模型装配平台及准备方法，涉及风洞测力试验领域，包括装配主体以及相配合的配套单元，所述装配主体被配置为包括：与安装面相配合的基座，其上相对设置有立式轴承座；截面为U形的俯仰转接件，其两端分别设置有与立式轴承座相配合的旋转主轴Ⅰ；以可转动方式设置在俯仰转接件上的装配接头；与俯仰转接件传动连接的俯仰执行组件；与装配接头传动连接的滚转执行组件；所述装配接头通过相应的过渡接头与天平或模型进行连接。本发明提供一种应用于风洞测力试验中的天平或模型装配平台及准备方法，可实现α、γ运动、带载荷调整角度、运动控制，结构具备足够的强度和刚度，提高了天平检测的准确性。

Description

应用于风洞测力试验中的天平或模型装配平台及准备方法

技术领域

本发明涉及风洞测力试验领域。更具体地说，本发明涉及一种应用于风洞测力试验中的天平或模型装配平台及准备方法。

背景技术

在风洞测力试验中，需要提前准备天平、支杆及模型，确保各连接部件和装配体满足试验要求，以提高风洞试验的效率及质量。某些试验涉及参数多、可靠性要求高、数据精准度要求苛刻、试验成本巨大，试验过程中人员无法进入。因此，为提高模型天平测力系统的可靠性，在试验准备阶段应按一定的流程在地面装配平台上实现模型精确修配和测力机械系统预装，及早发现问题并完成处理，使参试设备处于良好的工作状态。

目前地面准备台一般采用简易的手动机械传动方式，机构手动调整时间隙大、效率低，不易调平模型、天平和支杆，存在试验准备所需的装配、加载检查功能不全、使用不便等问题。由于测力试验的模型、天平和支杆等接口是根据试验要求定制的，接口加工误差可能会导致螺纹、销钉或键在安装时有较大偏差，影响试验进度。另外，按照试验要求，天平也需要反复确认其工作性能，防止因准备不充分把故障问题带入风洞。因此，为了提高风洞试验的质量和效率，降低试验运行成本，必须发展地面准备平台和准备方法，及早发现被测力系统各装配环节中的问题和天平工作状态，提高试验的一次成功率。

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。

为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了一种应用于风洞测力试验中的天平或模型装配平台，包括装配主体以及与其相配合的配套单元，所述装配主体被配置为包括：

与安装面相配合的基座，其上相对设置有立式轴承座；

截面为U形的俯仰转接件，其两端分别设置有与立式轴承座相配合的旋转主轴Ⅰ；

以可转动方式设置在俯仰转接件上的装配接头；

与俯仰转接件传动连接的俯仰执行组件；

与装配接头传动连接的滚转执行组件；

其中，所述装配接头通过相应的过渡接头与天平或模型进行连接，所述基座内部设置有与俯仰执行组件、滚转执行组件相配合的电气部件。

优选的是，还包括设置在基座上以对各部件进行封装的外壳，所述外壳上设置有与俯仰执行组件、滚转执行组件通信连接的控制终端；

其中，所述外壳在与装配接头相配合的位置上设置有可供装配接头伸出的窗口，所述窗口上设置有防尘的风琴套。

优选的是，所述俯仰执行组件被配置为包括相配合的自动式执行部件Ⅰ和手动式执行部件Ⅰ，所述手动式执行部件Ⅰ被配置为包括：

通过支撑机构设置在基座上的手动式机构Ⅰ；

通过同步带Ⅰ、同步轮Ⅰ与手动式机构Ⅰ的动力输出端传动连接的传动轴Ⅰ；

与传动轴Ⅰ另一端传动连接的直角行星减速机Ⅰ；

所述自动式执行部件Ⅰ被配置为包括：

带刹车的伺服电机Ⅰ；

与伺服电机Ⅰ动力输出端传动连接的直角行星减速机Ⅱ；

其中，所述直角行星减速机Ⅱ、直角行星减速机Ⅰ均与回转减速机Ⅰ传动连接，所述回转减速机Ⅰ与旋转主轴Ⅰ传动连接，所述回转减速机Ⅰ通过相配合的安装机构与基座上的支撑座连接；

所述回转减速机Ⅰ被配置为采用蜗轮Ⅰ与蜗杆相配合的结构。

优选的是，所述滚转执行组件被配置为包括相配合的自动式执行部件Ⅱ和手动式执行部件Ⅱ，所述手动式执行部件Ⅱ被配置为包括：

与手动式机构Ⅰ并排设置的手动式机构Ⅱ；

通过同步带Ⅱ、同步轮Ⅱ与手动式机构Ⅱ的动力输出端传动连接的传动轴Ⅱ；

与传动轴Ⅱ传动连接的行星减速机；

所述自动式执行部件Ⅱ被配置为包括：

带刹车的伺服电机Ⅱ；

与伺服电机Ⅱ动力输出端传动连接的直角行星减速机Ⅲ；

其中，所述行星减速机、直角行星减速机Ⅲ均与回转减速机Ⅱ传动连接，所述回转减速机Ⅱ与俯仰转接件内的旋转主轴Ⅱ传动连接，所述旋转主轴Ⅱ的外壳与装配接头连接。

优选的是，还包括分别与旋转主轴Ⅰ、旋转主轴Ⅱ相配合的编码器Ⅰ、编码器Ⅱ；

所述过渡接头上以可拆卸的方式设置有倾角传感器。

优选的是，所述回转减速机Ⅱ被配置为采用蜗轮Ⅱ与分体式蜗杆相配合的结构，所述分体式蜗杆被配置为包括：窄螺距蜗杆、宽螺距蜗杆；

其中，所述窄螺距蜗杆、宽螺距蜗杆分别与蜗轮Ⅱ一个侧面的蜗轮齿接触。

优选的是，所述外壳上设置有对旋转主轴Ⅰ的俯仰位置进行限定的上限位轴、下限位轴、上接近开关、下接近开关。

一种天平或模型装配平台的准备方法，所述准备方法被配置为包括对俯仰执行组件、滚转执行组件的零位确定、复位、复检；

所述零位确定通过倾角传感器对俯仰执行组件、滚转执行组件在两个方向进行自动校平，以确定俯仰及滚转的零位；

所述复位是通过触摸屏同时设置倾角传感器和各编码器的显示角度，并在确定零位后，将各编码器显示角度与倾角传感器调整至一致，当旋转至预定位置后，利用电气复位功能控制伺服电机转动自动复位；

所述复检是在复位后，通过触摸屏同时设置倾角传感器和各编码器的显示角度，当各处显示角度均为零位时，判定其位置准确。

优选的是，还包括：

通过控制终端控制伺服电机以对天平俯仰角度、滚转角度进行角度调整；

所述角度调整的策略被配置为包括：

S1，通过编码器进行第一次粗调，粗调时通过设置支杆的预偏角度，对天平所需要调整的角度进行补偿，以使前端被调整的测量平面在俯仰方向和滚转方向误差小于1度；

S2，通过倾角传感器实测值进行第二次粗调，在第一次粗调完成后，确定倾角传感器是否放置到位，当倾角传感器实测角度与编码器差异大于5度时，则需要对系统状态进行确认；

否则控制终端自动读取倾角传感器的俯仰角度和滚转角度，以作为PID调节的角度输入，以控制角度最终达到所需要的控制精度。

本发明至少包括以下有益效果：其一，本发明可实现α、γ运动、带载荷调整角度、运动控制与自锁功能，结构具备足够的强度和刚度，提高了天平检测的准确性。

其二，本发明实现了自动调整α、γ角度功能，人为干预少，姿态调整灵活快捷，模型装配及检测效率高。

其三，是姿态可按规定的程序自动控制并闭环检测，流程简洁，操作方便，还保留了手动调整姿态的功能，用户可根据使用习惯自由选择。

其四，本发明设置了软件及硬件安全限位，防止超载，安全性更高。

其五，通过本平台和方法，可有效检验模型支撑系统的装配准备情况，提高了试验准备的效率和质量，防止因试验准备不充分导致的返工和隐患，可为风洞测力试验节省运行成本。

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为本发明的一个实施例中天平或模型装配平台的结构示意图；

图2为本发明的一个实施例中俯仰转接件的结构示意图；

图3为本发明的一个实施例中天平或模型装配平台背面的部分结构示意图；

图4为本发明的一个实施例中俯仰执行组件的原理示意图；

图5为本发明的一个实施例中天平或模型装配平台前面的部分结构示意图；

图6为本发明的一个实施例中滚转执行组件的原理示意图；

图7为本发明的一个实施例中天平或模型装配平台正面去掉部分外壳的部分结构示意图；

图8为本发明的一个实施例中天平或模型装配平台右侧的部分结构示意图；

图9为本发明的一个实施例中天平或模型装配平台的俯视结构示意图；

图10为本发明的一个实施例中过渡接头Ⅰ的结构示意图；

图11为本发明的一个实施例中过渡接头Ⅱ的结构示意图；

图12为本发明PID控制算法原理图；

图13为本发明俯仰的PD控制流程图；

图14为本发明滚转的PD控制流程图；

图15为本发明的一个实施例中天平或模型装配平台的工作流程示意图；

其中，基座-1，立式轴承座-2，俯仰转接件-3，旋转主轴Ⅰ-4，装配接头-5，过渡接头Ⅰ-6，过渡接头Ⅱ-7，外壳-8，控制终端-9，窗口-10，风琴套-11，手动式机构Ⅰ-12，同步带Ⅰ-13，同步轮Ⅰ-14，传动轴Ⅰ-15，直角行星减速机Ⅰ-16，伺服电机Ⅰ-17，直角行星减速机Ⅱ-18，回转减速机Ⅰ-19，手动式机构Ⅱ-20，同步带Ⅱ-21，同步轮Ⅱ-22，传动轴Ⅱ-23，行星减速机-24，伺服电机Ⅱ-25，直角行星减速机Ⅲ-26，回转减速机Ⅱ-27，旋转主轴Ⅱ-28，倾角传感器-29，上限位轴-30，下限位轴-31，上接近开关-32，下接近开关-33，安装机构-34，编码器Ⅱ-35。

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。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1-图3、图10-图11示出了根据本发明的一种应用于风洞测力试验中的天平或模型装配平台，包括装配主体以及与其相配合的配套单元，本发明的装配主体整体结构外形尺寸约为2.06m×1.1m×1.8m，手摇机构中心距离地面约1.1m，显示屏中心距离地面约1.31m。在实际的应用时，还需要辅助的配套单元相配合，所述配套单元包括：移动工具车、滚转机构装配车、辅助安装运输升降车，其中，辅助安装运输升降车承载≮1吨，可升降高度1.1m，1.1m±50mm范围定位精度0.15mm；

其中，滚转机构装配车实现辅助安装定位滚转机构功能，辅助安装运输升降车实现辅助安装天平、支撑装置（如基座、轴承座等）和加载头（装配接头和过渡接头）等功能；

所述装配主体被配置为包括：

与安装面相配合的基座1，其上相对设置有立式轴承座2，基座为整个系统提供平台基准面，具备较强的结构刚度和强度，能够保证在使用条件下满足系统的刚性和稳定性需求，其上相对设置有立式轴承座，进一步的基座的设计载荷满足承载能力要求，运动机构承载能力满足加载能力要求：

截面为U形的俯仰转接件3，其两端分别设置有与立式轴承座相配合的旋转主轴Ⅰ4；

以可转动方式设置在俯仰转接件上的装配接头5；

与俯仰转接件传动连接的俯仰执行组件（也称为俯仰运动机构）；

与装配接头传动连接的滚转执行组件（也称为滚转运动机构）；

本方案中，装配主体上的滚转运动机构及俯仰运动机构用于实现需要在不同的位置实现对天平精确力矩加载，实现滚转方向（γ）上、俯仰方向（α）上运动、带载荷调整角度、运动控制，绕X轴滚转旋转范围：γ=±360°，角速度范围为0.05度/秒~2度/秒；俯仰旋转范围：α=-10°～+30°，角速度范围为0.05度/秒~2度/秒；α、γ运动机构控制精度：±0.3′；

其中，所述装配接头通过相应的过渡接头Ⅰ6或过渡接头Ⅱ7与天平或模型进行连接而装配接头通用，通过不同过渡接头实现不同安装对象的正确安装，这种分体式结构设计，通过更换天平连接的过渡接头后可适用于不同规格风洞天平的校准需求，同时可快速布置，具备外形美观、系统集成及自动化程度高、操作便捷可靠等特点，过渡接头Ⅰ、过渡接头Ⅱ均采用42CrMo材料，但过渡接头Ⅱ调质并进行消磁处理，具体来说，过渡接头Ⅰ与天平配合，过渡接头Ⅱ与支杆配合；

所述基座内部设置有与俯仰执行组件、滚转执行组件相配合的电气部件（未示出），其用于为各部件提供电力来源。

如图1，在另一种实例中，还包括设置在基座上以对各部件进行封装的外壳8，所述外壳上设置有与俯仰执行组件、滚转执行组件通信连接的控制终端9，在本方案中，控制终端采用PLC+HMI触摸屏组成人机交互控制系统，运动单元（即俯仰运动机构、滚转运动机构）选用伺服电机和伺服驱动器，配合相应传感器等部件，构成了一整套完整的伺服控制解决方案。 根据不同天平检测工艺要求，使设备能平稳快速运动到指定角度后进行测试。为了满足要求选择伺服电机作为主要运动执行机构，伺服电机控制行星减速器及回转式减速器实现滚转和俯仰运动；

其中，所述外壳在与装配接头相配合的位置上设置有可供装配接头伸出的窗口10，所述窗口上设置有防尘的风琴套11，在装配接头与外壳的连接处安装柔性的风琴套，外壳内的各运动机构及电器设备均处于防尘措施的保护范围内，整机具有良好的防尘效果，进一步，还可以配备全平台的防尘帆布罩，当设备不使用时可遮挡防尘。

如图3-图4、图7，在另一种实例中，所述俯仰执行组件被配置为包括相配合的自动式执行部件Ⅰ和手动式执行部件Ⅰ，通过这种方式使得俯仰角度调整具备手动和自动调整两个功能，以俯仰执行组件为例，因其可分别选用手动和电控的方式驱动，而在选用手动驱动时，手摇轮毂通过俯仰换向器接入蜗轮蜗杆减速器的手动输入接口端，从而实现手动控制俯仰旋转运动。而在选用电控驱动时，由俯仰电机带动俯仰行星减速机，行星减速器接入蜗轮蜗杆减速机电控输入接口端，再由驱动控制器发送运行指令实现俯仰旋转运动；

所述手动式执行部件Ⅰ被配置为包括：

通过支撑机构设置在基座上的手动式机构Ⅰ12，在本结构中，手动式机构Ⅰ具有俯仰旋转-10°～+30°的范围，故选用同步带传动，经行星减速机减速后带动蜗轮蜗杆式回转减速机Ⅰ；

通过同步带Ⅰ13、同步轮Ⅰ14与手动式机构Ⅰ的动力输出端传动连接的传动轴Ⅰ15；

与传动轴Ⅰ另一端传动连接的直角行星减速机Ⅰ16；

所述自动式执行部件Ⅰ被配置为包括：

带刹车的伺服电机Ⅰ17；

与伺服电机Ⅰ动力输出端传动连接的直角行星减速机Ⅱ18；

其中，所述直角行星减速机Ⅱ、直角行星减速机Ⅰ均与回转减速机Ⅰ19传动连接，所述回转减速机Ⅰ与旋转主轴Ⅰ传动连接，所述回转减速机Ⅰ通过相配合的安装机构34与基座上的支撑座连接；

所述回转减速机Ⅰ被配置为采用蜗轮Ⅰ与蜗杆相配合的结构，在这种方案中，俯仰运动机构采用伺服电机Ⅰ驱动行星减速机Ⅱ，行星减速机Ⅱ驱动蜗轮蜗杆式回转式减速器Ⅰ，而回转式减速器Ⅰ作为执行机构，通过安装机构（固定螺钉）设置在支撑座上，进一步固定在设备的基座上，通过回转式减速器Ⅰ驱动旋转主轴Ⅰ进行回转运动，从而带动俯仰转接件进行俯仰运动，而进一步利用蜗轮蜗杆式本身自带的自锁属性，实现整个机构平稳运行和位置保持，本方案在设计时，因为需要实现俯仰要求，且该方向上的加载能力较大，考虑采用输出力矩较大的且有自锁能力的蜗轮蜗杆减速机作为输出机构，要求角速度较小，整个机构的传动比较大，中间考虑增加行星减速机，运动机构控制精度高，电动输入端则考虑可控精度好、带刹车的伺服电机；

采用二级减速模式，由伺服电机驱动行星减速机为一级减速，行星减速机驱动蜗轮蜗杆回转式减速器为二级减速的驱动方式作为执行机构，俯仰装置通过立式轴承座固定在设备的基座上，由回转式减速器驱动滚转安装座进行回转运动，从而实现设备俯仰运动，利用蜗轮蜗杆本身属性自锁，实现整个机构平稳运行和位置保持；

俯仰执行组件的角速度范围为0.05度/秒～2度/秒，具备升力方向30000N的承载能力；

俯仰电控驱动力矩计算，各相关参数如下：

摩擦力矩：；

俯仰角速度：；

俯仰角加速度：；

最大负载： m=3000Kg，回转式减速器输出力矩（偏心载荷） M _Z =30000N·m；

偏心距离： l为力加载点到回转中心距离为1m；

转动惯量：；

转动惯量载荷：；

设备总效率：，为电机效率，为行星减速机的效率，为蜗轮蜗杆式回转式减速器的效率；

转动所需最大力矩为： 。

传动比选择：速比为1:2080，由两级减速构成，一级为与电机直接连接行星减速箱速，比为1:20，行星减速箱再通过1:104的蜗轮蜗杆回转式减速机减速后，带动负载转动。

回转减速机输出力矩34000N·m，按效率0.4算，输入力矩为34000/0.4/104=817N·m。

行星减速机按效率0.9计算，行星减速机所需输出力矩：817/0.9=907N·m。

行星减速机所需输入力矩为907/20=45.35N·m，则根据计算，选定电机的输出力矩，电机型号为高创伺服电机PH2-M18D415，其额定功率为7.5KW，其额定输出转矩为48N·m。在已知电机额定转速为：1500rpm，经过2级减速后速度 S=1500/20/104=0.72rpm，0.72rpm＞2°/s（0.333rpm），故速度满足设备要求。

在进行俯仰手动驱动时，参照滚转机构装配运输车负载2000Kg与杆式天平几何尺寸计算，滚转运动输入力计算：

回转式减速器减速比选择104:1，换向器减速比选择20:1；

则俯仰机构输入力：

回转式减速器输出力矩： M _Z =30000N·m；

换向器机输入力矩： M ₂ = M _Z / i ₁ =30000/104=288.5N·m， i ₁ 为回转式减速器减速比；

换向器机输入力矩： M ₃ = M ₂ /i ₂ =288.5/20=14.43N·m， i ₂ 为换向器减速比；

手轮输入力： F ₂ = M ₃ /r ₁ =14.43/0.14=103N， r ₁ 为手摇轮半径。

为了结构件的安全可靠，在承力结构计算时 M _Z 的承载能力提高到50000N·m，主要受力件俯仰机构连接轴需承受大的扭曲应力，所选材料的屈服强度要高。考虑运动精度高，轴径的设计应按扭转刚度计算：

材料为42CrMo，切变模量G为79.4GPa，取每米轴长允许的扭转角φ_p=0.5°/m；

按扭转刚度计算轴的直径：

，T为轴所传递的转矩；

故俯仰机构连接轴 d≥165mm。

下面对俯仰机构的强度进行校核：

平台中，其余部件受力较小，所以只做关键受力俯仰机构连接轴的强度校核。

对于轴径的校核，按上分析计算，俯仰机构连接轴最小轴径选170mm；

对于扭转应力校核，抗扭截面系数为：

W _n =2W=2×0.0982×d mm³=2×0.0982×170 mm³=964913 mm³；

最大扭曲应力为：

τ=M _Z /W _n =50000000N·mm/964913 mm³=51.8N/ mm³=51.8MPa；

材料选择42CrMo锻件调质处理，按GB/T17107查材料力学性能表可知直径160-250mm时，屈服强度 σ _s 为500MPa，载荷形式为平稳载荷，安全系数 K一般取1.4-3，按 K=3计算。

许用正应力为：σ₀=σ_s/K=500/3=167MPa；

许用剪切应力 [τ]=σ0×0.5～0.7按0.6取：

[τ]=σ0×0.6=167×0.6=100N/mm2=100MPa，故：

τ=51.8MPa＜100MPa满足要求；

对于轴的刚度校核，轴的扭转角为：

φ=7350×T/d⁴=7350×50000/1704=0.44°/m；

按精密传动轴许用扭转角 φ _p 取0.25-0.5°/m，扭转角在许用范围内。

如图5-图7，进一步地，所述滚转执行组件被配置为包括相配合的自动式执行部件Ⅱ和手动式执行部件Ⅱ，通过这种方式使得滚转角度调整具备手动和自动调整两个功能，所述手动式执行部件Ⅱ被配置为包括：

与手动式机构Ⅰ并排设置的手动式机构Ⅱ20；

通过同步带Ⅱ21、同步轮Ⅱ22与手动式机构Ⅱ的动力输出端传动连接的传动轴Ⅱ23；

与传动轴Ⅱ传动连接的行星减速机24；

所述自动式执行部件Ⅱ被配置为包括：

带刹车的伺服电机Ⅱ25；

与伺服电机Ⅱ动力输出端传动连接的直角行星减速机Ⅲ26；

其中，所述行星减速机、直角行星减速机Ⅲ均与回转减速机Ⅱ27传动连接，所述回转减速机Ⅱ与俯仰转接件内的旋转主轴Ⅱ28传动连接，所述旋转主轴Ⅱ外壳与装配接头连接，所述旋转主轴Ⅱ与装配接头连接。在这种方案中，滚转运动机构采用伺服电机Ⅱ驱动行星减速机Ⅲ为一级减速，行星减速机Ⅲ驱动蜗轮蜗杆式回转式减速器Ⅱ为二级减速，回转式减速器Ⅱ作为执行机构，通过回转式减速器Ⅱ与天平过渡接头连接后，运用直驱方式实现滚转运动，同时利用蜗轮蜗杆本身属性自锁，实现整个机构平稳运行和位置保持。

俯仰加载能力为30000N·m，滚转加载能力为1500N·m。俯仰机构要求承载力大，并能灵活的转动，俯仰机构主要承受大的扭矩，俯仰装置减速机要求额定输出力矩要大于30000N·m，主要受力件为连接俯仰减速机的连接转轴，所以连接转轴的强度必须足够，滚转装置回转减速机主要承受径向载荷大，扭矩不大，全模装配平台主体机构主要由行星减速机，回转式蜗轮蜗杆减速器，软件差补计算，实现设备在俯仰和滚转的角度调节，手摇轮通过万向节联轴器连接回转式减速器输入轴传动带动机构运转。

而滚转电控驱动力矩计算，各相关参数如下：

滚转电控驱动力矩计算，各相关参数如下：

摩擦力矩：；

滚转角速度：；

滚转角加速度：；

最大负载： m=3000Kg，偏心载荷 M _Z =30000N·m；

偏心距离： l为力加载点到回转中心距离为0.5m；

转动惯量：；

转动惯量载荷：；

设备总效率：，为电机效率，为行星减速机的效率，为蜗轮蜗杆式回转式减速器的效率；

转动所需最大力矩为： 。

回转减速机输出力矩12960N·m，按效率0.4算，输入力矩为12960/0.4/104=311N·m，

行星减速机按效率0.9计算，行星减速机所需输出力矩：311/0.9=345N·m。

行星减速机所需输入力矩为345/20=17.25N·m，则根据计算，选定电机的输出力矩，电机型号为高创伺服电机PH2-M18A415，其额定功率为2.9KW，其额定输出转矩为18.6N·m。在已知电机额定转速为：1500rpm，经过2级减速后速度 S=1500/20/104=0.72rpm，0.72rpm＞2°/s（0.333rpm），故速度满足设备要求。

回转式减速器减速比选择104:1，行星减速机减速比选择20:1，装配接头中心点偏移心距离约为 s ₁ =0.5m，质量若为2000Kg，则滚转机构输入力：

过渡接头质心负载力： F ₁ =2000×9.8m/ s²=19600N；

回转式减速器输力矩： M ₁ = F ₁ × s ₁ =19600×0.5=9800N·m；

行星减速机输出力矩： M ₂ = M ₁ /i ₃ =9800/104=94.2N·m， i ₃ 为回转式减速器减速比；

行星减速机输入力矩： M ₃ = M ₂ /i ₄ =94.2/20=4.71N·m， i ₄ 为行星减速机减速比；

手摇轮输入力： F ₂ = M ₃ /r ₂ =4.71/0.14=33.6N， r ₂ 为手摇轮半径。

如图8，在另一种实例中，还包括分别与旋转主轴Ⅰ、旋转主轴Ⅱ相配合的编码器Ⅰ（未示出）、编码器Ⅱ35；

所述过渡接头上以可拆卸的方式设置有倾角传感器29，在本方案中，因回转减速机因蜗轮蜗杆本身存在间隙且无法消除，远无法达到要求的运动精度±0.3′。只能靠电气控制来达到要求的位置精度。所以电气上选用高精度的编码器和角度传感器，利用高精度的编码器和角度传感器的位置信号来控制伺服电机工作。在实际的应用中，倾角传感器可以从过渡接头上取下，使得其位置可以移动，倾角传感器的导线是可以伸长和收缩，长度约3米左右，可根据需要放置在天平或模型的测量基准平面上，以实现角度调整时的实时闭环控制。

在实际的应用中，控制选择上选用的20位光电编码器其精度为0.083′，伺服电机由编码器反馈的信号来控制。编码器是固定在滚转和俯仰机构的转轴上的，作用就是检测滚转和俯仰机构的转动角度。同时高精度角度传感器固定在天平过渡接头上的，具有自动调平功能，高精度角度传感器反映的位置就是滚转和俯仰机构的实际位置，再将编码器的位置校正与高精度角度传感器反映的位置一致。

机构要向一个方向旋转到一定位置时，假设位置为15°30.3′时，就需在触摸屏上输入所要到达的位置，然后开始启动伺服电机，在旋转过程中机构上的编码器时刻在检测机构的实时位置，不断给伺服电机自带编码器反馈信号并给出指令，当机构旋转到15°30.3′时，转轴上的编码器给伺服电机编码器停止指令。伺服电机停止，机构到达指定位置，因20位编码器精度最高为0.083′，所以精度能控制在±0.3′以内。

机构反向旋转时，因蜗轮蜗杆存在间隙，伺服电机刚开始旋转时电机会空转一定角度，这个角度在调试时可以通过采集空转角度脉冲与机构编码器和高精度角度传感器的开始脉冲比较计算出空转角度。假定计算后伺服电机的空转角度为104°，因总传动比是1:2080，机构旋转角度应为3′，在程序上就给予3′的补偿，令伺服电机多旋转104°，补偿后再多次进行校正，直至到达想要的理想位置，这样旋转时机构的位置精度也可以达到±0.3′。

手动时，同样可以根据触摸屏显示的实时位置来手动摇到所需位置，如果摇过了较多的位置，直接反向摇至需要位置，如不慎摇过了较小的位置，就需要反方向多摇0.2°左右以消除蜗轮蜗杆间隙，再按开始方向摇到所需位置。

在另一种实例中，所述回转减速机Ⅱ被配置为采用蜗轮Ⅱ与分体式蜗杆相配合的结构，所述分体式蜗杆被配置为包括：窄螺距蜗杆、宽螺距蜗杆；

其中，所述窄螺距蜗杆、宽螺距蜗杆分别与蜗轮Ⅱ一个侧面的蜗轮齿接触。本方案中，因回转减速机精度等级为≤0.1°，蜗轮蜗杆之间的间隙是永远存在且无法消除的。但减速机向一个方向旋转时，蜗轮蜗杆工作面之间是无间隙的。

因俯仰执行机构因结构形式原因具有较大的重力扭矩存在，在扭矩作用下蜗轮蜗杆始终会靠向一面，其重力方向无间隙。可以通过测试调试得到间隙值，通过控制算法来调节其精度，能够达到±0.3′要求。

而滚转执行机构中通过采用分体蜗杆传动调整蜗杆轴向位置，蜗杆由2部分组成并套装起来，通过2段蜗杆之间的相对转动或相对轴向移动调整间隙。调隙方式的实质是2段蜗杆相对靠近或者远离。左端蜗杆的一个侧面接触蜗轮齿的一个侧面，右端蜗杆的一个侧面接触蜗轮齿的另一个侧面。当蜗杆正向旋转时作用于蜗轮齿的一个侧面，蜗轮反向旋转时作用于蜗轮齿的另一侧面，从而达到消除反向间隙的目的。

如图9，在另一种实例中，所述外壳上设置有对旋转主轴Ⅰ的俯仰位置进行限定的上限位轴30、下限位轴31、上接近开关32、下接近开关33，本方案中，通过接近开关来控制实现电气限位，在系统参数设置里设置了俯仰角度的最大值，俯仰运转机构从软件控制上不会大于此角度，否则俯仰运转机构会保护，防止运转失控。而限位轴为机械限位，保证限位效果满足使用要求。

如图15所示，本方法针对风洞试验前安装模型、天平、支杆组成的测力系统地面准备阶段提供一种自动天平及模型装配平台及准备方法，可快速实现测力试验系统各机械组件的安装、修配和检查测试。

本发明平台的准备方法包括：零位确定、复位和复检方法；

其中，零位确定方法：本机构采用高精度双轴倾角传感器，该传感器具有自动调平功能，利用该功能对本机构进行零位确定。

复位方法：通过触摸屏同时设置编码器显示角度和倾角传感器显示角度。确定零位后，将20位编码器显示角度与倾角传感器调整至一致。当旋转至一定位置后，利用电气复位功能控制伺服电机转动自动复位。

复检方法：触摸屏同时设置编码器显示角度和倾角传感器显示角度。当两处显示角度均为零位时，说明位置正确。

具体来说，本发明编码器、倾角传感器调平过程包括：

由于倾角传感器是可移动检测设备接头，天平支杆、天平或加载头基准平面角度的。一般来说，编码器和倾角传感器测值只有较小的偏差。但不同天平支杆可能存在某个方向的预偏角（角度范围为2.5度，5度或10度等），这时编码器和倾角传感器测量值存在较大偏差。而且较大角度调整时存在另一个问题，那就是倾角传感器的量程不够，比如滚转角需要旋转180度时，需要PID控制的角度输入值在合适的时候进行切换，还需要有角度调节的策略以实现角度的自动控制。

在设备调试时需要通过倾角传感器对编码器绝对零位和角度范围进行校准。校准方法是：倾角传感器放置在设备接头上方的基准平面上，通过手动调整俯仰角和滚转角，使倾角传感器水平角度为零，这时编码器的位置确定为绝对零位。然后在俯仰角-10度到+30度范围，滚转角0度到±360度范围内，以倾角传感器测值为准，每间隔5度进行一次标定，分别确定俯仰编码器和滚转编码器脉冲数量与角度变化的对应关系。最后，在俯仰角-10度、-5度、0度、+10度、+20度、+30度检查俯仰编码器校准精度，在滚转角0度、±1度、±2度、±5度、±45度、±90度、+180度的位置检查滚转编码器校准精度。

角度调节的策略：所有角度范围内的调平分为两步：

第一步，利用编码器进行粗调。粗调时通过设置的支杆预偏角度，对天平所需要调整的角度进行补偿、使前端被调整的测量平面在俯仰方向和滚转方向小于1度误差即可。这时，倾角传感器测值显示在用户界面上仅供参考和监视，不作为PID调节的输入参数。

第二步，利用倾角传感器实测值进行粗调。粗调完成后，首先确定倾角传感器是否放置到位，当所测角度与编码器差异大于5度时，提醒用户对系统状态进行确认。当倾角传感器与编码器反映的角度偏差小于5度时，则自动读取倾角传感器的俯仰角和滚转角作为PID调节的角度输入，通过闭环的方式控制角度以最终达到所需要的控制精度。

在实际的应用中，本方案的控制终端的运动控制精度要求：±0.3′；运动机构采用高精度回转式减速器同时安装20bit光电式绝对值编码器作为控制位置反馈，编码器精度可达0.083′。控制系统采用闭环控制，其控制精度取决于传感器采集精度与执行机构的定位精度，主要误差项为：传感器本身误差，轴系引起的误差，传感器安装引起的误差。

对于轴系误差计算：

俯仰和滚装回转式减速器水平面不垂直和平行引起的测角误差，假定轴系误差为0.2′，按照滚转机构360°运转，俯仰机构在-10°~+30°范围内运转，经过计算得到回转式减速器与水平面不垂直和平行引起的最大测角误差为 ΔA=0.12′；

对于传感器测角误差计算：

根据所选型号的传感器测角精度为0.001°（放大后），则有传感器测角误差ΔA_MP=0.06′；

对于传感器安装误差：

传感器安装引起的误差可以通过精密的装配减小，在设计中暂定方位、俯仰测角传感器安装引起的误差为：ΔA_AZ=0.1′；

对于俯仰运动和滚转运动控制误差计算：

各误差项不会同时达到最大，按各误差项平方和的均方根来计算误差。根据前面分析的误差项，可以得到系统的方位测角误差为：

，满足指标要求；

，满足指标要求，为俯仰运动运动引起的传感器测量误差， 为滚转运动引起的传感器测量误差。

系统输入 r为给定值，输出 c为被控对象实际值，输入与输出的差值为误差 e，PID控制就是对误差进行比例、微分和积分运算，计算的结果乘以系数并相加输出给被控对象，实现对被控对象的控制，PID控制算法原理如图12所示。

误差的表达式为：

e= c- r

则PID算法的表达式为：

其传递函数为：

式中， K _p ， T _i ， T _d 分别为比例系数、微分系数和积分系数。

PID控制器中不同的运算方法起到不同的作用。比例控制将误差信号乘以比例系数进行了放大，使误差减小，而系统仅有比例作用控制效果不好。微分控制是对误差信号进行求导运算，可以反映误差的变化率，通过误差变化率可以提前预测误差的变化趋势，能够提前对系统进行修正，增加系统的阻尼，改善系统性能，避免超调。积分控制将误差信号进行积分，当系统存在静差时，可以有效的对静差进行消除。

实际调平控制中，采用计算机控制，是采样控制系统，只能根据采样时刻偏差值计算控制量，用外接矩形法进行数值积分，一阶向后差分法进行数值积分，当采样周期为T时，控制量表达式为：

式中， T为采样周期， i代表第 i次采样。

俯仰、滚转伺服电机PID算法不考虑积分环节，仅采用PD控制，因转动过程中是不允许有出现超调，俯仰、滚转PD控制流程如图13-图14所示。

因采用的闭环控制系统，而编码器的精度远高于要求的0.3′，故该系统的控制精度完全满足要求。

初始化调平所用控制方式同样用PID控制调节，只是误差采用双轴倾角传感器的两个角度作为反馈单元。双轴倾角传感器采用北微传感的BWS2700系列高精度Modbus双轴倾角传感器，分辨率达到0.0005度，精度达到0.005度。

以上方案只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

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 (8)

1.一种应用于风洞测力试验中的天平或模型装配平台，包括装配主体以及与其相配合的配套单元，其特征在于，所述装配主体被配置为包括：

与安装面相配合的基座，其上相对设置有立式轴承座；

截面为U形的俯仰转接件，其两端分别设置有与立式轴承座相配合的旋转主轴Ⅰ；

以可转动方式设置在俯仰转接件上的装配接头；

与俯仰转接件传动连接的俯仰执行组件；

与装配接头传动连接的滚转执行组件；

其中，所述装配接头通过相应的过渡接头与天平或模型进行连接，所述基座内部设置有与俯仰执行组件、滚转执行组件相配合的电气部件；

所述俯仰执行组件被配置为包括相配合的自动式执行部件Ⅰ和手动式执行部件Ⅰ，所述手动式执行部件Ⅰ被配置为包括：

通过支撑机构设置在基座上的手动式机构Ⅰ；

通过同步带Ⅰ、同步轮Ⅰ与手动式机构Ⅰ的动力输出端传动连接的传动轴Ⅰ；

与传动轴Ⅰ另一端传动连接的直角行星减速机Ⅰ；

所述自动式执行部件Ⅰ被配置为包括：

带刹车的伺服电机Ⅰ；

与伺服电机Ⅰ动力输出端传动连接的直角行星减速机Ⅱ；

其中，所述直角行星减速机Ⅱ、直角行星减速机Ⅰ均与回转减速机Ⅰ传动连接，所述回转减速机Ⅰ与旋转主轴Ⅰ传动连接，所述回转减速机Ⅰ通过相配合的安装机构与基座上的支撑座连接；

所述回转减速机Ⅰ被配置为采用蜗轮Ⅰ与蜗杆相配合的结构。

2.如权利要求1所述应用于风洞测力试验中的天平或模型装配平台，其特征在于，还包括设置在基座上以对各部件进行封装的外壳，所述外壳上设置有与俯仰执行组件、滚转执行组件通信连接的控制终端；

其中，所述外壳在与装配接头相配合的位置上设置有可供装配接头伸出的窗口，所述窗口上设置有防尘的风琴套。

3.如权利要求1所述应用于风洞测力试验中的天平或模型装配平台，其特征在于，所述滚转执行组件被配置为包括相配合的自动式执行部件Ⅱ和手动式执行部件Ⅱ，所述手动式执行部件Ⅱ被配置为包括：

与手动式机构Ⅰ并排设置的手动式机构Ⅱ；

通过同步带Ⅱ、同步轮Ⅱ与手动式机构Ⅱ的动力输出端传动连接的传动轴Ⅱ；

与传动轴Ⅱ传动连接的行星减速机；

所述自动式执行部件Ⅱ被配置为包括：

带刹车的伺服电机Ⅱ；

与伺服电机Ⅱ动力输出端传动连接的直角行星减速机Ⅲ；

其中，所述行星减速机、直角行星减速机Ⅲ均与回转减速机Ⅱ传动连接，所述回转减速机Ⅱ与俯仰转接件内的旋转主轴Ⅱ传动连接，所述旋转主轴Ⅱ的外壳与装配接头传动连接。

4.如权利要求3所述应用于风洞测力试验中的天平或模型装配平台，其特征在于，还包括分别与旋转主轴Ⅰ、旋转主轴Ⅱ相配合的编码器Ⅰ、编码器Ⅱ；

所述过渡接头上以可拆卸的方式设置有倾角传感器。

5.如权利要求3所述应用于风洞测力试验中的天平或模型装配平台，其特征在于，所述回转减速机Ⅱ被配置为采用蜗轮Ⅱ与分体式蜗杆相配合的结构，所述分体式蜗杆被配置为包括：窄螺距蜗杆、宽螺距蜗杆；

其中，所述窄螺距蜗杆、宽螺距蜗杆分别与蜗轮Ⅱ一个侧面的蜗轮齿接触。

6.如权利要求2所述应用于风洞测力试验中的天平或模型装配平台，其特征在于，所述外壳上设置有对旋转主轴Ⅰ的俯仰位置进行限定的上限位轴、下限位轴、上接近开关、下接近开关。

7.一种如权利要求1-6任一项所述天平或模型装配平台的准备方法，其特征在于，所述准备方法被配置为包括对俯仰执行组件、滚转执行组件的零位确定、复位、复检；

所述零位确定通过倾角传感器对俯仰执行组件、滚转执行组件在两个方向进行自动校平，以确定俯仰及滚转的零位；

所述复位是通过触摸屏同时设置倾角传感器和各编码器的显示角度，并在确定零位后，将各编码器显示角度与倾角传感器调整至一致，当旋转至预定位置后，利用电气复位功能控制伺服电机转动自动复位；

所述复检是在复位后，通过触摸屏同时设置倾角传感器和各编码器的显示角度，当各处显示角度均为零位时，判定其位置准确。

8.权利要求7所述天平或模型装配平台的准备方法，其特征在于，还包括：

通过控制终端控制伺服电机以对天平俯仰角度、滚转角度进行角度调整；

所述角度调整的策略被配置为包括：

S1，通过编码器进行第一次粗调，粗调时通过设置支杆的预偏角度，对天平所需要调整的角度进行补偿，以使前端被调整的测量平面在俯仰方向和滚转方向误差小于1度；

S2，通过倾角传感器实测值进行第二次粗调，在第一次粗调完成后，确定倾角传感器是否放置到位，当倾角传感器实测角度与编码器差异大于5度时，则需要对系统状态进行确认；

否则控制终端自动读取倾角传感器的俯仰角度和滚转角度，以作为PID调节的角度输入，以控制角度最终达到所需要的控制精度。

Images