CN117091800A - 一种用于低温天平校准的全自动六自由度天平校准系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于低温风洞试验技术领域，公开了一种用于低温天平校准的全自动六自由度天平校准系统，包括支撑系统、测控系统、温度控制系统、力值加载系统、六自由度复位机构、加载头姿态检测系统和低温天平。支撑系统为全自动六自由度天平校准系统提供稳定支撑；测控系统进行各分系统和机构的协同控制；温度控制系统控制低温天平所处的环境温度；低温天平通过支撑系统固定；低温天平通过加载头承受力值加载系统加载的力和力矩；加载头姿态检测系统实时测量加载头的位移和姿态，六自由度复位机构进行加载头复位。全自动六自由度天平校准系统能够实现大型低温风洞低温天平的精确校准，为大型低温风洞准确获得飞行器低温气动特性提供了技术支持。

Description

一种用于低温天平校准的全自动六自由度天平校准系统

技术领域

本发明属于低温风洞试验技术领域，具体涉及一种用于低温天平校准的全自动六自由度天平校准系统。

背景技术

风洞天平（以下简称天平）是风洞测力试验的基础测量设备，用于测量风洞试验中作用在试验模型上的气动力（力和力矩）的大小、方向和作用点。天平校准系统是天平计量设备，通过对天平按已知的坐标轴系精确地施加静态载荷（力和力矩），获取天平公式（输出信号与载荷的关系矩阵），评估天平性能。

中国空气动力研究与发展中心的2.4米低温高雷诺数风洞已经建设完成，2.4米低温高雷诺数风洞试验雷诺数高、试验温度范围宽、试验温度低，要求配套的低温天平在深低温宽温域复杂工况条件下，具有高精度、高可靠性和长期稳定性等服役特征。受天平材料特性影响，在不同温度下，天平材料弹性模量和几何结构都将发生变化，影响天平测量精度。由于低温天平服役温度范围宽（323K～110K），影响尤为明显。为了保证低温天平测量的准确性，要求低温天平校准必须准确模拟风洞试验温度环境。

目前，低温天平校准设备仅有欧洲ETW低温天平校准设备和美国NTF低温天平校准设备。其中，ETW低温天平校准系统为非复位式体轴校准设备，基于刚性参考天平原理设计，采用高精度力传感器+力发生器实现精确力值加载控制，可实现从常温到低温全温度范围校准。ETW低温天平校准系统结构紧凑，温度模拟范围宽，但系统设计复杂，需配套砝码校准装置对力值传感器进行现场标定。NTF低温天平校准设备采用传统复位式体轴系校准设计，为提高天平校准精度采用了远程加载设计方案，但校准温度范围窄，仅能实现常温和93K温度条件下校准，其余温度点校准公式通过插值方式获得。

当前，亟需发展一种用于低温天平校准的全自动六自由度天平校准系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于低温天平校准的全自动六自由度天平校准系统，用以实现低温天平校准。

本发明的用于低温天平校准的全自动六自由度天平校准系统，其特点是，所述的全自动六自由度天平校准系统包括支撑系统、测控系统、温度控制系统、力值加载系统、六自由度复位机构、加载头姿态检测系统和低温天平；

支撑系统为全自动六自由度天平校准系统提供稳定支撑；测控系统进行各分系统和机构的协同控制；温度控制系统控制低温天平所处的环境温度；

低温天平通过支撑系统固定；低温天平通过加载头承受力值加载系统加载的三个分量的力和三个分量的力矩；加载头姿态检测系统实时测量加载头的位移和姿态，六自由度复位机构进行加载头复位。

进一步地，所述的支撑系统包括整体框式地基、一层龙门架和二层龙门架；

整体框式地基位于地坑内，整体框式地基的上表面与地面平齐；龙门架固定在整体框式地基的上表面，龙门架的外圈为通过立柱Ⅰ支撑的一层龙门架，龙门架的内圈为通过立柱Ⅱ支撑的二层龙门架，立柱Ⅰ的高度低于立柱Ⅱ的高度。

进一步地，所述的低温天平为杆式六分量天平，后端通过校准支杆固定在六自由度复位机构上，前端固定加载头；低温天平外部密封包裹低温试验箱。

进一步地，所述的温度控制系统包括低温试验箱、纯化分系统、制冷分系统、制热分系统和温度控制分系统；

低温试验箱外接纯化分系统、制冷分系统和控制分系统；纯化分系统为低温试验箱清除空气中剩余的水分、CO₂、乙炔和气体杂质，保证提供的气体在后续的分系统中不发生冻结；制冷分系统采用透平逆布雷顿空气制冷机为低温试验箱提供冷量；

温度控制分系统属于测控系统的子系统，测控系统通过温度控制分系统控制低温试验箱的温度。

进一步地，所述的力值加载系统包括加载头、砝码自动加载装置和传力装置；传力装置包括换向滑轮、二力构件和十字柔性铰链；二力构件为吊杆和钢带；加载头具有14个加载点，在空间重力坐标系下进行机械解耦；每个加载点对应一套砝码自动加载装置和传力装置；

砝码自动加载装置施加的载荷依次通过传力装置施加在加载头的加载点上；加载点上固定十字柔性铰链，二力构件一端连接十字柔性铰链，另一端通过换向滑轮或者直接连接砝码自动加载装置；其中，+Y向和-Y向的二力构件为吊杆，-Y向直接连接砝码自动加载装置；

通过在加载头前端和后端分布的4个前后对称的X向加载点给低温天平施加阻力Fx；通过在加载头上表面和下表面上下对称分布的6个Y向加载点给低温天平施加升力Fy，俯仰力矩Mz和滚转力矩Mx；通过在加载头左侧和右侧左右对称分布的4个Z向加载点给低温天平施加侧力Fz和偏航力矩My；

二层龙门架的上表面固定+Y向的砝码自动加载装置和对应的换向滑轮；整体框式地基上表面固定X向的砝码自动加载装置和Z向的砝码自动加载装置对应的换向滑轮；整体框式地基的框架内固定X向的砝码自动加载装置、Z向的砝码自动加载装置和-Y向的砝码自动加载装置。

进一步地，所述的六自由度复位机构由基座、动平台和6条伸缩连杆组成；

六自由度复位机构倒置固定，基座固定在一层龙门架下表面，动平台与基座平行，动平台与基座之间通过球铰链连接固定6条伸缩连杆，伸缩连杆采用电动缸闭环驱动；

低温天平通过L型支杆与动平台的下表面固定连接；六自由度复位机构通过L型支杆实现对低温天平姿态的调整；六自由度复位机构的角位移复位精度优于0.001°，线位移复位精度优于0.02mm。

进一步地，所述的加载头姿态检测系统包括激光测距仪、支撑装置和位置测量架；

位置测量架固定在加载头下表面；位置测量架采用铝材2A12材料；位置测量架的安装位置通过数值仿真确定，避免位置测量架的附加载荷导致加载头发生形变，实现位置测量架代表加载头的位置和姿态的目的；

支撑装置安装在支撑系统的整体框式地基上表面，支撑装置包括两台台式电动升降台，每台台式电动升降台的移动范围为0~150mm，重复定位精度±0.0005mm；支撑装置的上表面设置有6个激光测距仪；6个激光测距仪分为三组，第一组1个激光测距仪，第二组2个激光测距仪，第三组3个激光测距仪，分别测量位置测量架上一个点、一条线和一个面的位置变化，并解算出加载头在力值加载系统的作用下发生的形变。

进一步地，所述的测控系统包括测量系统和控制系统；

测量系统采集低温天平的力信号和温度信号、加载头的位置信号；控制系统通过测量系统采集到的各信号向力值加载系统和六自由度复位机构发出控制指令，实现对全自动六自由度天平校准系统的复位控制及全自动加载，循环往复，最终获取天平校准公式。

进一步地，所述的全自动六自由度天平校准系统设置有与不同尺寸的低温天平相匹配的若干组校准支杆和过渡接头，实现对不同尺寸的低温天平的校准。

进一步地，所述的砝码自动加载装置具有独立的加载装置控制系统，测控系统通过各砝码自动加载装置的加载装置控制系统控制膜片气缸升降，实现砝码个数改变，施加所需的加载力值；

砝码自动加载装置的加载力值精度通过标准砝码精度、杠杆比滑轮精度以及传力位置精度综合控制；砝码采用不锈钢材料，M1级，质量偏差≤0.005%。

本发明的一种用于低温天平校准的全自动六自由度天平校准系统中的测控系统的总体技术路线遵循“集中操作管理、分布控制、子系统协同”的设计思路。集中操作管理是指参数设置、校准流程控制、校准状态监控等管理、操作一体化。分布控制是指加载、复位等控制单元可独立控制，并可满足加载、复位伺服系统的实时性、同步性、安全性等要求。子系统协同包括低温控制、加载、复位、天平数采、温度数采等子系统之间的协同。具体而言，采用高精度、高可靠的传感器、执行器和数采等前端设备。采用分布式结构，将各子系统的控制功能有机集成，实现测控系统的集中调度，子系统协调有序执行。

本发明的一种用于低温天平校准的全自动六自由度天平校准系统具有以下技术特点：

1.能够实现低温天平在深低温宽温域复杂工况下精确稳定校准，温度范围-160℃至50℃；

2.温度控制精度优于0.5℃，复位精度优于0.0005°，载荷精度优于0.01%；

3.能够实现低温天平全自动校准，相比于人工手动校准，校准效率显著提升；

4.获得的低温天平校准数据达到GJB224A-2011先进指标。

本发明的用于低温天平校准的全自动六自由度天平校准系统能够实现大型低温风洞低温天平的精确校准，为大型低温风洞准确获得飞行器低温气动特性提供了技术支持。

附图说明

图1为本发明的用于低温天平校准的全自动六自由度天平校准系统的结构示意图（主视图）；

图2为本发明的用于低温天平校准的全自动六自由度天平校准系统的结构示意图（俯视图）；

图3为本发明的用于低温天平校准的全自动六自由度天平校准系统中的低温箱与天平安装示意图；

图4为本发明的用于低温天平校准的全自动六自由度天平校准系统中的力值加载系统结构示意图；

图5为本发明的用于低温天平校准的全自动六自由度天平校准系统中的六自由度复位机构结构示意图；

图6为本发明的用于低温天平校准的全自动六自由度天平校准系统中的加载头姿态检测系统示意图。

图中，1.温度控制系统；2.力值加载系统；3.六自由度复位机构；4.加载头姿态检测系统；5.低温天平；6.低温试验箱；7.纯化分系统；8.制冷分系统；9.校准支杆；10.过渡接头；11.加载头；12.砝码自动加载装置；13.换向滑轮；14.吊杆；15.钢带；16.十字柔性铰链；17.基座；18.动平台；19.伸缩连杆；20.激光测距仪；21.支撑装置；22.位置测量架；23.整体框式地基；24.一层龙门架；25.二层龙门架；26.测量系统；27.控制系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明。

实施例1：

如图1、图2所示，本实施例的用于低温天平校准的全自动六自由度天平校准系统，包括支撑系统、测控系统、温度控制系统1、力值加载系统2、六自由度复位机构3、加载头姿态检测系统4和低温天平5；

支撑系统为全自动六自由度天平校准系统提供稳定支撑；测控系统进行各分系统和机构的协同控制；温度控制系统1控制低温天平5所处的环境温度；

低温天平5通过支撑系统固定；低温天平5通过加载头11承受力值加载系统2加载的三个分量的力和三个分量的力矩；加载头姿态检测系统4实时测量加载头11的位移和姿态，六自由度复位机构3进行加载头11复位。

进一步地，所述的支撑系统包括整体框式地基23、一层龙门架24和二层龙门架25；

整体框式地基23位于地坑内，整体框式地基23的上表面与地面平齐；龙门架固定在整体框式地基23的上表面，龙门架的外圈为通过立柱Ⅰ支撑的一层龙门架24，龙门架的内圈为通过立柱Ⅱ支撑的二层龙门架25，立柱Ⅰ的高度低于立柱Ⅱ的高度。

进一步地，如图3所示，所述的低温天平5为杆式六分量天平，后端通过校准支杆9固定在六自由度复位机构3上，前端固定加载头11；低温天平5外部密封包裹低温试验箱6。

进一步地，所述的温度控制系统1包括低温试验箱6、纯化分系统7、制冷分系统8、制热分系统和温度控制分系统；

低温试验箱6外接纯化分系统7、制冷分系统8和控制分系统；纯化分系统7为低温试验箱6清除空气中剩余的水分、CO2、乙炔和气体杂质，保证提供的气体在后续的分系统中不发生冻结；制冷分系统8采用透平逆布雷顿空气制冷机为低温试验箱6提供冷量；

温度控制分系统属于测控系统的子系统，测控系统通过温度控制分系统控制低温试验箱6的温度。

进一步地，如图4所示，所述的力值加载系统2包括加载头11、砝码自动加载装置12和传力装置；传力装置包括换向滑轮13、二力构件和十字柔性铰链16；二力构件为吊杆14和钢带15；加载头11具有14个加载点，在空间重力坐标系下进行机械解耦；每个加载点对应一套砝码自动加载装置12和传力装置；

砝码自动加载装置12施加的载荷依次通过传力装置施加在加载头11的加载点上；加载点上固定十字柔性铰链16，二力构件一端连接十字柔性铰链16，另一端通过换向滑轮13或者直接连接砝码自动加载装置12；其中，+Y向和-Y向的二力构件为吊杆14，-Y向直接连接砝码自动加载装置12；

通过在加载头11前端和后端分布的4个前后对称的X向加载点给低温天平5施加阻力Fx；通过在加载头11上表面和下表面上下对称分布的6个Y向加载点给低温天平5施加升力Fy，俯仰力矩Mz和滚转力矩Mx；通过在加载头11左侧和右侧左右对称分布的4个Z向加载点给低温天平5施加侧力Fz和偏航力矩My；

二层龙门架25的上表面固定+Y向的砝码自动加载装置12和对应的换向滑轮13；整体框式地基23上表面固定X向的砝码自动加载装置12和Z向的砝码自动加载装置12对应的换向滑轮13；整体框式地基23的框架内固定X向的砝码自动加载装置12、Z向的砝码自动加载装置12和-Y向的砝码自动加载装置12。

进一步地，如图5所示，所述的六自由度复位机构3由基座17、动平台18和6条伸缩连杆19组成；

六自由度复位机构3倒置固定，基座17固定在一层龙门架24下表面，动平台18与基座17平行，动平台18与基座17之间通过球铰链连接固定6条伸缩连杆19，伸缩连杆19采用电动缸闭环驱动；

低温天平5通过L型支杆与动平台18的下表面固定连接；六自由度复位机构3通过L型支杆实现对低温天平5姿态的调整；六自由度复位机构3的角位移复位精度优于0.001°，线位移复位精度优于0.02mm。

进一步地，如图6所示，所述的加载头姿态检测系统4包括激光测距仪20、支撑装置21和位置测量架22；

位置测量架22固定在加载头11下表面；位置测量架22采用铝材2A12材料；位置测量架22的安装位置通过数值仿真确定，避免位置测量架22的附加载荷导致加载头11发生形变，实现位置测量架22代表加载头11的位置和姿态的目的；

支撑装置21安装在在支撑系统的整体框式地基23上表面，支撑装置21包括两台台式电动升降台，每台台式电动升降台的移动范围为0~150mm，重复定位精度±0.0005mm；支撑装置21的上表面设置有6个激光测距仪20；6个激光测距仪20分为三组，第一组1个激光测距仪20，第二组2个激光测距仪20，第三组3个激光测距仪20，分别测量位置测量架22上一个点、一条线和一个面的位置变化，并解算出加载头11在力值加载系统2的作用下发生的形变。

进一步地，所述的测控系统包括测量系统26和控制系统27；

测量系统26采集低温天平5的力信号和温度信号、加载头11的位置信号；控制系统27通过测量系统26采集到的各信号向力值加载系统2和六自由度复位机构3发出控制指令，实现对全自动六自由度天平校准系统的复位控制及全自动加载，循环往复，最终获取天平校准公式。

进一步地，所述的全自动六自由度天平校准系统设置有与不同尺寸的低温天平5相匹配的若干组校准支杆9和过渡接头10，实现对不同尺寸的低温天平5的校准。

进一步地，所述的砝码自动加载装置12具有独立的加载装置控制系统，测控系统通过各砝码自动加载装置12的加载装置控制系统控制膜片气缸升降，实现砝码个数改变，施加所需的加载力值；

砝码自动加载装置12的加载力值精度通过标准砝码精度、杠杆比滑轮精度以及传力位置精度综合控制；砝码采用不锈钢材料，M1级，质量偏差≤0.005%。

本实施例的低温天平5数据采集采用HBM公司的MGCplus数采仪，可在电磁干扰环境下对毫伏级信号精确测量。支撑装置为型号ZMT-400H-150D的台式电动升降台。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，对于熟悉本领域的人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，本发明公开的所有特征，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，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种用于低温天平校准的全自动六自由度天平校准系统，其特征在于，所述的全自动六自由度天平校准系统包括支撑系统、测控系统、温度控制系统（1）、力值加载系统（2）、六自由度复位机构（3）、加载头姿态检测系统（4）和低温天平（5）；

支撑系统为全自动六自由度天平校准系统提供稳定支撑；测控系统进行各分系统和机构的协同控制；温度控制系统（1）控制低温天平（5）所处的环境温度；

低温天平（5）通过支撑系统固定；低温天平（5）通过加载头（11）承受力值加载系统（2）加载的三个分量的力和三个分量的力矩；加载头姿态检测系统（4）实时测量加载头（11）的位移和姿态，六自由度复位机构（3）进行加载头（11）复位。

2.根据权利要求1所述的一种用于低温天平校准的全自动六自由度天平校准系统，其特征在于，所述的支撑系统包括整体框式地基（23）、一层龙门架（24）和二层龙门架（25）；

整体框式地基（23）位于地坑内，整体框式地基（23）的上表面与地面平齐；龙门架固定在整体框式地基（23）的上表面，龙门架的外圈为通过立柱Ⅰ支撑的一层龙门架（24），龙门架的内圈为通过立柱Ⅱ支撑的二层龙门架（25），立柱Ⅰ的高度低于立柱Ⅱ的高度。

3.根据权利要求2所述的一种用于低温天平校准的全自动六自由度天平校准系统，其特征在于，所述的低温天平（5）为杆式六分量天平，后端通过校准支杆（9）固定在六自由度复位机构（3）上，前端固定加载头（11）；低温天平（5）外部密封包裹于低温试验箱内（6）。

4.根据权利要求3所述的一种用于低温天平校准的全自动六自由度天平校准系统，其特征在于，所述的温度控制系统（1）包括低温试验箱（6）、纯化分系统（7）、制冷分系统（8）、制热分系统和温度控制分系统；

低温试验箱（6）外接纯化分系统（7）、制冷分系统（8）和控制分系统；纯化分系统（7）为低温试验箱（6）清除空气中剩余的水分、CO2、乙炔和气体杂质；制冷分系统（8）采用透平逆布雷顿空气制冷机为低温试验箱（6）提供冷量；

温度控制分系统属于测控系统的子系统，测控系统通过温度控制分系统控制低温试验箱（6）的温度。

5.根据权利要求4所述的一种用于低温天平校准的全自动六自由度天平校准系统，其特征在于，所述的力值加载系统（2）包括加载头（11）、砝码自动加载装置（12）和传力装置；传力装置包括换向滑轮（13）、二力构件和十字柔性铰链（16）；二力构件为吊杆（14）和钢带（15）；加载头（11）具有14个加载点，在空间重力坐标系下进行机械解耦；每个加载点对应一套砝码自动加载装置（12）和传力装置；

砝码自动加载装置（12）施加的载荷依次通过传力装置施加在加载头（11）的加载点上；加载点上固定十字柔性铰链（16），二力构件一端连接十字柔性铰链（16），另一端通过换向滑轮（13）或者直接连接砝码自动加载装置（12）；其中，+Y向和-Y向的二力构件为吊杆（14），-Y向直接连接砝码自动加载装置（12）；

通过在加载头（11）前端和后端分布的4个前后对称的X向加载点给低温天平（5）施加阻力Fx；通过在加载头（11）上表面和下表面上下对称分布的6个Y向加载点给低温天平（5）施加升力Fy，俯仰力矩Mz和滚转力矩Mx；通过在加载头（11）左侧和右侧左右对称分布的4个Z向加载点给低温天平（5）施加侧力Fz和偏航力矩My；

二层龙门架（25）的上表面固定+Y向的砝码自动加载装置（12）和对应的换向滑轮（13）；整体框式地基（23）上表面固定X向的砝码自动加载装置（12）和Z向的砝码自动加载装置（12）对应的换向滑轮（13）；整体框式地基（23）的框架内固定X向的砝码自动加载装置（12）、Z向的砝码自动加载装置（12）和-Y向的砝码自动加载装置（12）。

6.根据权利要求5所述的一种用于低温天平校准的全自动六自由度天平校准系统，其特征在于，所述的六自由度复位机构（3）由基座（17）、动平台（18）和6条伸缩连杆（19）组成；

六自由度复位机构（3）倒置固定，基座（17）固定在一层龙门架（24）下表面，动平台（18）与基座（17）平行，动平台（18）与基座（17）之间通过球铰链连接固定6条伸缩连杆（19），伸缩连杆（19）采用电动缸闭环驱动；

低温天平（5）通过L型支杆与动平台（18）的下表面固定连接；六自由度复位机构（3）通过L型支杆实现对低温天平（5）姿态的调整；六自由度复位机构（3）的角位移复位精度优于0.001°，线位移复位精度优于0.02mm。

7.根据权利要求6所述的一种用于低温天平校准的全自动六自由度天平校准系统，其特征在于，所述的加载头姿态检测系统（4）包括激光测距仪（20）、支撑装置（21）和位置测量架（22）；

位置测量架（22）固定在加载头（11）下表面；位置测量架（22）采用铝材2A12材料；位置测量架（22）的安装位置通过数值仿真确定，避免位置测量架（22）的附加载荷导致加载头（11）发生形变，实现位置测量架（22）代表加载头（11）的位置和姿态的目的；

支撑装置（21）安装在支撑系统的整体框式地基（23）上表面，支撑装置（21）包括两台台式电动升降台，每台台式电动升降台的移动范围为0~150mm，重复定位精度±0.0005mm；支撑装置（21）的上表面设置有6个激光测距仪（20）；6个激光测距仪（20）分为三组，第一组1个激光测距仪（20），第二组2个激光测距仪（20），第三组3个激光测距仪（20），分别测量位置测量架（22）上一个点、一条线和一个面的位置变化，并解算出加载头（11）在力值加载系统（2）的作用下发生的形变。

8.根据权利要求7所述的一种用于低温天平校准的全自动六自由度天平校准系统，其特征在于，所述的测控系统包括测量系统（26）和控制系统（27）；

测量系统（26）采集低温天平（5）的力信号和温度信号、加载头（11）的位置信号；控制系统（27）通过测量系统（26）采集到的各信号向力值加载系统（2）和六自由度复位机构（3）发出控制指令，实现对全自动六自由度天平校准系统的复位控制及全自动加载，循环往复，最终获取天平校准公式。

9.根据权利要求3所述的一种用于低温天平校准的全自动六自由度天平校准系统，其特征在于，所述的全自动六自由度天平校准系统设置有与不同尺寸的低温天平（5）相匹配的若干组校准支杆（9）和过渡接头（10），实现对不同尺寸的低温天平（5）的校准。

10.根据权利要求5所述的一种用于低温天平校准的全自动六自由度天平校准系统，其特征在于，所述的砝码自动加载装置（12）具有独立的加载装置控制系统，测控系统通过各砝码自动加载装置（12）的加载装置控制系统控制膜片气缸升降，实现砝码个数改变，施加所需的加载力值；

砝码自动加载装置（12）的加载力值精度通过标准砝码精度、杠杆比滑轮精度以及传力位置精度综合控制；砝码采用不锈钢材料，M1级，质量偏差≤0.005%。