CN2385330Y - 全自动无砝码自补偿天平校准装置 - Google Patents
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Abstract
一种全自动无砝码自补偿天平校准装置,包括加载机构与复位检测机构,其特征是该机构由:底座、承力座,由加载头、滑套和定位销构成的加载头部分,由弹性支承座、调节螺母、平衡力值传感器、弹性铰链吊杆和悬挂横梁构成的平衡部分,6～14个加载部分,以及加载头复位检测部分组成。用于风洞试验测力天平的地面静态校准,可以实现对六分量内或应变天平和半模天平的全自动校准作业。
Description
本实用新型涉及风洞试验测力天平的地面静态校准设备的部件，特别涉及一种全自动砝码自补偿天平校准装置。
众所周知，风洞试验、计算机模拟的飞行试验是空气动力学研究和设计的三大手段，实践证明，风洞试验在现在或未来都将是航空航天器气动力研究不可缺少的重要手段。风洞测力试验主要用来测量各类飞行器模型所受的气动力和力矩，是空气动力地面模拟实验中最基本的试验项目。其测力试验的不确定度主要同试验模型及其安装不确定度，测力天平和测量仪器不确定度，流场品质，控制系统和风洞的动态特性有关。尤其是在当前风洞试验设备发展比较成熟的今天，测力天平的不确定度已经成为风洞测力试验不确定度的重要因素。而风洞天平对作用的飞行器模型上气动载荷测量的不确定度不仅取决于天平设计加工完后本身具有的性能，更为重要的是取决于天平地面静态校准的精确度，而制约天平静态校准精确度的关键是天平校准设备的性能及与之相联系的加载和数据处理方法。因此，国内外气动工作者都十分重视风洞天平校准设备的研制工作。在校准系统的研制中，尽可能采用当时最新的科技成果，建立尽可能高精度等级，尽可能自动化的校准系统，从而提高天平计量的精确度，提高风洞测力试验的精确度。
风洞测力试验要求测力天平具有把作用在飞行器模型上的空气动力按给定的坐标轴系进行精确分解并精确测量六个气动力载荷分量(升力Y，俯仰力矩Mz，阻力X，滚转力矩Mx，侧向力Z，偏航力矩My)的能力。风洞应变天平校准的目的，就是通过相应的校准设备和校准方法，对被校天平施加校准载荷，求得被校天平各分量的输出信号随所加载荷的变化关系，进而获得天平的校准公式和工作公式。现有技术中，国内的天平校准设备大体可以分为三类：一类是基于砝码加载的地轴系天平校准设备，这类设备对天平实施校准时，不对校准加载后天平和支杆的弹性变形所引起的加载头位置的变化进行复位补偿，这样就使校准加在后力值的方向和作用点均偏离了初始坐标轴系，而仅靠测量加载头在六个自由度方向的位置变化量来进行数据修正，由于位置测量的不准确往往给校准结果带来比较大的误差；第二类是基于砝码加载的准体轴系天平校准设备，这类设备虽然可以实现加载头的复位补偿，但由于设备本身的限制，无法实现所有二元组合加载(如：YMy、ZMz等)，加之采用滑轮和钢带传动，考虑到摩擦阻力及力的方向、作用点等，系统误差偏大，也给校准结果带来比较大的误差；这两类设备的共同缺点是校准装置的自动化程度低，特别是对于大载荷天平的校准将带来不可容忍的繁重的、耗时费力的人力浪费，劳动强度大，校准效率低；第三类是以沈阳626所为代表的基于砝码加载的自动天平校准设备，该设备由加载机构、复位检测机构、六自由度自补偿复位机构和测控处子系统组成，该设备虽然从原理上具有前两类无可比拟的优越性，但是，由于从根本上没有摆脱砝码加载的方式，不可避免的存在着滑轮和钢带传动带来的摩擦阻力的影响、力的方向和作用点误差难以严格控制的缺点。更重要的是，对联5000N以上的天平校准设备来说，用传统的砝码加载是无法实现的，必须研制力发生器系统，实现无砝码加载。实践证明，高精度的校准设备是对被校天平实施精确校准，进面获得高精度测力试验结果的关键。上述传统的天平校准设备，采用的是单元校准体轴系或地轴系砝码加载，难以真正模拟天平在风洞吹风试验中的受力状态，不能做到高精度，高效率地对天平实施校准。
本实用新型之目的的旨在克服上述现有技术中的不足，通过对加载机构与复位检测机构的改进，提供一和大载荷、体轴系、高精度的全自动无砝码自补偿天平校准装置，以满足1.2×1.2m跨超声速风洞风洞各类型号试验所需天平的校准需要，同时兼顾2.4×2.4m跨声速风洞中、小载荷天平的校准需要。
本实用新型的内容是：一种全自动无砝码自补偿天平校准装置，包括：加载机构与复位检测机构，其特征是：所述加载机构与复位检测机构由：
底座(1)、一端与底座(1)连接的承力座(11)；
由安装在承力座(11)上的有标准锥孔的加载头(10)、套接于加载头(10)标准锥孔内的滑套(9)、加载头定位销(16)构成的加载头部分；
与加载头(10)一端面连接的涡流探头(18)(例如：BENTLY涡流探头等)构成的加载头复位检测部分；
由与承力座(11)连接的弹性支承座(13)，支撑于弹性支承座(13)上顺次串接的调节螺母(12)、平衡力值传感器(14)、弹性铰链吊杆(15)和悬挂横梁(17)构成的平衡部分；
以及6～14个加载部分组成；
各单元加载部分均由施力框架(2)，安装在施力框架(2)上的力发生器(6)，顺次串接的后轴承座(4)、施力杆(5)、标准力值传感器(7)和另一端与加载头(10)相连的弹性铰链施力座(8)，一端与底座(1)连接、一端与力发生器(6)活动铰链连接、一端与施力杆(5)活动连接的比例杠杆(3)，以及一端与承力座(11)固定连接、另一端与施力杆(5)活动套接的支承座(19)构成。
本实用新型内容中：所述力发生器(6)由安装在施力框架(2)上的带蜗轮减速器(21)的步进电机(20)，与蜗轮减速器(21)输出轴连接的滚珠丝杆(22)，一端与滚珠丝杆(22)连接、另一端连接有出力头(30)的压缩弹簧(26)，与压缩弹簧(26)一端连接的主动滑块(24)和滑块(25)，与压缩弹簧(26)另一端连接的滑块(29)，两端分别与主动滑块(24)和滑块(29)固定连接、并与滑块(25)活动套接的2根对称的拉杆(27)，两端分别与滑块(25)和压缩弹簧(26)一端固定连接、并与滑块(29)活动套接的2根对称的拉杆(28)，以及两端分别与施力框架(2)固定连接、并与主动滑块(24)和滑块(29)活动套接的2根对称的拉杆(23)组成。
与现有技术相比，本实用新型具有下列特点：
(1)机构设计合理、原理先进，独特的力发生器6方案，配备标准力值传感器7作为天平标准的力值基准是真正实现天平校准无砝码加载技术的关键；
(2)应用范围宽。可用于直径为Φ20-Φ80mm，载荷范围在30000N以下的内式应变天平或半模天平的校准，只需更换过渡锥套和不同量程组的标准力值传感器组，即可满足不同几何尺寸和量程范围天平的校准需要；
(3)完善的自动控制硬件和软件，实现了天平校准过程的全自动作业；
(4)全新的多元校准方案和数据处理方法是国内外天平校准的一大突破；
(5)天平的安装和定位方便，可靠；
(6)可实现六自由度加载机构的高精度测量和复位控制；
(7)在校准天平的同时，可实现对弹性角系数的自动校测；
(8)可操作性强，可维护性好，工作效率高；
(9)附表1是本实用新型主要技术指标，附表2是国内外n个风洞天平校准设备的主要性能比较表，从表中数据可以看出，本实用新型各项性能均已处于国内先进水平。
图1是本实用新型原理框图；
图2是本实用新型实施例结构示意图；
图3是图2中力发生器(6)结构示意图。
图中：1-底座、2-施力框架、3-比例杠杆、4-后轴承座、5-施力杆、6-力发生器、7-标准力值传感器(标准力值计)、8-弹性铰链施力座、9-滑套、10-加载头、11-承力座、12-调节螺母、13-弹性支承座、14-平衡力值传感器、15-弹性铰链吊杆、16-加载头定位销、17-悬挂横梁、18-BENTLY涡流探头、19-支承座、20-步进电机、21-蜗轮减速器、22-滚珠丝杆、23-拉杆、24-主动滑块、25-滑块、26-压缩弹簧、27-拉杆、28-拉杆、29-滑块、30-出力头、31-六自由度的补偿复位机构。
下面是本实用新型的一个实施例：
参见附图1～3。一种BCL-30000全自动无砝码自补偿天平校准装置，由加载机构与复位检测机构、六自由度自补偿复位机构和测控处子系统组成。
所述加载机构与复位检测机构由：
底座1、一端与底座1连接的承力座11；
由安装在承力座11上的有标准锥孔的加载头10、套接于加载头10标准锥孔内的滑套9、加载头定位销16构成的加载头部分；
与加载头10一端面连接的BENTLY涡流探头18构成的加载头复位检测部分；
由与承力座11连接的弹性支承座13，支撑于弹性支承座13上顺次串接的调节螺母12、平衡力值传感器14、弹性铰链吊杆15和悬挂横梁17构成的平衡部分；弹性铰链吊杆15通过悬挂横梁17对加载头10的重量进行平衡；
以及6个加载部分组成；
所述各加载部分均由施力框架2，安装在施力框架2上的力发生器6，顺次串接的后轴承座4、施力杆5、标准力值传感器7和另一端与加载头10相连的弹性铰链施力座8，一端与底座1连接、一端与力发生器6的出力头30活动铰链连接、一端与施力杆5活动连接的比例杠杆3，以及一端与承力座11固定连接、另一端与施力杆5活动套接的支承座19构成。
所述力发生器6由安装在施力框架2上的带蜗轮减速器21的步进电机20，与蜗轮减速器21输出轴连接的滚珠丝杆22，一端与滚珠丝杆22连接、另一端连接有出力头30的压缩弹簧26，与压缩弹簧26一端连接的主动滑块24和滑块25，与压缩弹簧26另一端连接的滑块29，两端分别与主动滑块24和滑块29固定连接、并与滑块25活动套接的2根对称的拉杆27，两端分别与滑块25和压缩弹簧26一端固定连接、并与滑块29活动套接的2根对称的拉杆28，以及两端分别与施力框架2固定连接、并与主动滑块24和滑块29活动套接的2根对称的拉杆23组成。
该校准装置工作原理如下：被校天平的支杆尾端通过锥面(1∶10)配合与六自由度自补偿复位机构31牢固联接，天平前锥与加载头通过过渡锥套(1∶5)和滑套9配合，滑套9与加载头10通过锥面配合联接。天平校准时，首先提起加载头定位销16，调节加载平衡部分调节螺母12，使平衡力值传感器14测量值显示为4000N左右，运行自补偿复位程序，驱动六自由度自补偿复位机构31进行复位动作，使加载头10处于原始基准位置，然后，力发生器6接受测控处系统加载控制工控机发来的指令，驱动比例杠杆3，通过施力杆5，弹性铰链施力座8对被校天平施加预定的各阶梯校准载荷。标准力值传感器7串接于施力杆5和弹性铰链施力座8之间，用来精确测量施加的校准载荷。在校准载荷作用下，由于被校天平和支杆的变形必然使加载头10产生空间方向和位置状态的改变。这样复位检测系统的BENTLY涡流探头18可以监测这一变化，并输出相应的控制信号送往测控处系统自补偿工控机，驱动六自由度自补偿复位机构31进行补偿复位，使加载头10恢复到加载前的初始位置和状态。被校天平各分量的信号输出由数据采集和处理系统记录，这样就可完成一个阶梯载荷改变的天平回零体轴校加载过程。等到所有阶梯载荷依次加载完毕，中心控制机就可根据数据采集和处理系统获得的各阶梯天平信号输出值，经相关数据处理，求得被校天平的校准公式，同时，获得被校支杆弹性角公式。
力发生器采用步进电机驱动滚珠丝杆方式。其工作原理图见图3所示，压力传动时，步进电机20正转，通过蜗轮减速器21带动滚珠丝杠22旋转，主动滑块24向下移动，通过滑块25、压缩弹簧26、弹簧压缩产生变形面施力于下滑块29，通过出力头30出力；拉力传动时，步进电机20反转，经涡轮减速器21带动滚珠丝杠22旋转，主动滑块24向上移动，通过拉杆28将下滑块29向上拉动，压缩弹簧变形面施力于滑块25，通过拉杆28将力传给出力头30，出力头30是滑块上下移动的导向杆，以保证施力方向垂直于施力轴线，这样可通过驱动步进电机20正反转实现正负向施力传动。
附表1
附表2
| 型号及所属单位 | 最大载荷范围 | 加载方式 | 载荷精度 | 复位自由 度 | 复位范围和复位精度 | 复位自动化程 度 | |||||
| X(mm) | Y(mm) | Z(mm) | α | β | γ | ||||||
| BCL-30000CARDC-2(本实用新型) | 30000N | 电机+滚珠丝杠驱动、标准力值计测量 | 标准力值计校准精度0.02％F·S | 六自由度 | 1500 | ±150 | ±150 | ±10° | ±10° | ±10° | 自动加载六自由度自动跟踪补偿复位 |
| ±0.002 | ±0.002 | ±0.002 | ±1″ | ±1″ | ±1″ | ||||||
| BACS-1500626所AE/SARI | 15000N | 自动加砝码 | 1×10-5 | 六自由度 | 800 | ±150 | ±100 | ±10° | ±10° | 360° | 自动加载六自由度同时复位 |
| ±0.03 | ±0.03 | ±0.03 | ±3″ | ±3″ | ±3″ | ||||||
| 627所CAE/HARI | 2000N | 自动加砝码 | 1×10-5 | 五自由度 | 500 | ±70 | ±70 | ±5° | ±5° | 360° | 加载后五自由度依次分别复位 |
| ±0.03 | ±0.03 | ±20″ | ±20″ | ±20″ | |||||||
| MK6瑞典FFA | 6000N | 人工加砝码 | 1×10-5 | 六自由度 | ±3.6″ | ±3.6″ | ±3.6″ | 半自动 | |||
| MK15瑞典FFA | 50000N | 气动加载力传感器测量 | 传感器校准精 度0.05％F·S | 不复位 | 台体结构在最大载荷作用下的变形量在0.5mm和0.02°(72″) | ||||||
| 法国ONERA | 10000N | 人工加砝码 | 1×10-5 | 五自由度 | ±50 | ±50 | ±7° | ±7° | ±7° | ||
| ABCS以色列IAI | 15000N | 自动液压加载 | 载荷传感器测量 | 不复位 | 加载方向准确度0.005°(18″) | ||||||
Claims (2)
1、一种全自动无砝码自补偿天平校准装置，包括：加载机构与复位检测机构，其特征是：所述加载机构与复位检测机构由：
底座(1)、一端与底座(1)连接的承力座(11)；
由安装在承力座(11)上的有标准锥孔的加载头(10)、套接于加载头(10)标准锥孔内的滑套(9)、加载头定位销(16)构成的加载头部分；
与加载头(10)一端面连接的涡流探头(18)构成的加载头复位检测部分；
由与承力座(11)连接的弹性支承座(13)，支撑于弹性支承座(13)上顺次串接的调节螺母(12)、平衡力值传感器(14)、弹性铰链吊杆(15)和悬挂横梁(17)构成的平衡部分；
以及6～14个加载部分组成；
各单元加载部分均由施力框架(2)，安装在施力框架(2)上的力发生器(6)，顺次串接的后轴承座(4)、施力杆(5)、标准力值传感器(7)和另一端与加载头(10)相连的弹性铰链施力座(8)，一端与底座(1)连接、一端与力发生器(6)活动铰链连接、一端与施力杆(5)活动连接的比例杠杆(3)，以及一端与承力座(11)固定连接、另一端与施力杆(5)活动套接的支承座(19)构成。
2、接权利要求1所述的全自动无砝码自补偿天平校准装置，其特征是：所述力发生器(6)由安装在施力框架(2)上的带蜗轮减速器(21)的步进电机(20)，与蜗轮减速器(21)输出轴连接的滚珠丝杆(22)，一端与滚珠丝杆(22)连接、另一端连接有出力头(30)的压缩弹簧(26)，与压缩弹簧(26)一端连接的主动滑块(24)和滑块(25)，与压缩弹簧(26)另一端连接的滑块(29)，两端分别与主动滑块(24)和滑块(29)固定连接、并与滑块(25)活动套接的2根对称的拉杆(27)，两端分别与滑块(25)和压缩弹簧(26)一端固定连接、并与滑块(29)活动套接的2根对称的拉杆(28)，以及两端分别与施力框架(2)固定连接、并与主动滑块(24)和滑块(29)活动套接的2根对称的拉杆(23)组成。
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