一種單矢量風洞天平校準系統設計

湛華海，張 旭，呂治國，于 煒，王設希，褚衛華

(1. 中國空氣動力研究與發展中心 空氣動力學國家重點實驗室，四川 綿陽 621000； 2. 中國空氣動力研究與發展中心設備設計及測試技術研究所，四川綿陽 621000)

0 引 言

風洞模型試驗是飛行器研制過程中了解飛行器性能、降低飛行器研制風險和成本的重要手段之一，風洞天平則是直接感應和測量作用在飛行器模型上氣動力和力矩的高精度測量裝置。風洞天平技術涉及到天平材料、結構設計分析、加工制造、應變傳感器技術和天平校準技術等。天平校準是利用天平校準裝置，按照一定的校準方法，建立天平測量信號和所受氣動載荷關系的過程，即獲取天平公式和天平其它性能參數的過程。由于風洞天平校準關系到天平未來應用中模型氣動數據測量的不確定度，所以，風洞天平校準被認為是天平研制過程中的重要環節。近年來，美、歐等發達國家在不斷追求風洞試驗數據精細化的過程中，天平校準技術有了新的發展和進步。

激波風洞是進行高超聲速飛行器氣動力地面試驗的重要設備，其模型氣動載荷測量的裝置主要是壓電天平。它是利用壓電材料受力后在其表面產生電荷的壓電效應原理來測量作用在模型上的空氣動力載荷，主要用在脈沖型風洞中進行模型測力試驗。壓電天平具有頻率響應快，剛度大，靈敏度高，載荷范圍寬等特點，但是缺點是低頻特性差。

1 壓電天平校準原理

由于壓電天平低頻特性較差，其靜態校準與應變天平有很大的差異。一是壓電天平的靜態校準是一個動態的測量過程，加載( 或卸載) 后，天平輸出的是一個階躍信號；二是為了避免在加載過程中施加砝碼時的“過沖”，壓電天平的校準多采用卸載法，即首先對天平施加好載荷，在釋放掉電荷后，采用熔斷絲線的方法或人工快速托起砝碼的方法突然卸掉天平上的載荷，這時天平上產生與加載數值相等、符號相反的電荷量。圖1 是一種壓電天平校準的單點卸載多元校準設備示意圖。在天平的加載架上斜置一根鋼絲，鋼絲的延長線與天平坐標軸不相交，鋼絲的另一端通過滑輪掛上一定質量的砝碼，滑輪可以在某一平面內做兩自由度運動，用測量鋼絲上A、B 兩點的空間坐標，再通過空間矢量分解原理可計算出施加在天平上的六個分量的載荷。校準時，每變化一次滑輪位置，測量一次鋼絲上兩點的空間坐標，然后，卸載一次，如此反復進行，即可完成對壓電天平的校準。

圖1 壓電天平校準原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of piezoelectric balances calibration theory

2 單矢量天平校準系統總體設計

系統設計為卸載式六分量自動校準系統，采用單矢量多元校準方式實現壓電天平自動校準。具體為：通過加載頭給天平懸掛一靜重式砝碼，然后通過機構調整天平姿態及加載點位置，將砝碼的鉛垂載荷變換為相對于天平軸系而言的矢量載荷，通過力的分解與坐標的轉換，變換為所需要的六自由度載荷。根據壓電天平動態響應的特點，校準采用突然卸載的方法，實現載荷階躍。即先將砝碼加載于天平上，然后由機構帶動天平和砝碼做勻速直線下降運動，在砝碼碰撞到地面時，實現砝碼載荷的瞬間卸載。天平校準原理如圖2 所示。它是通過天平姿態調整機構改變天平與鋼帶之間位置，由角編碼器數據計算加載載荷空間矢量位置關系，從而進行單矢量載荷的分解實現六分量加載。單矢量六自由度天平校準系統的特點在于結構簡單，系統誤差源少，校準精度和效率高。

圖2 單矢量六自由度天平校準系統結構示意圖Fig.2 Structure schematic diagram of the single vector six-component balance calibration system

系統由校準架主體結構、砝碼加載分系統、控制分系統、天平數據采集分系統和數據處理分系統等組成。系統構成如圖3 所示。可以實現對壓電天平進行六自由度校準。通過碰撞的方式能在30ms 的時間內實現載荷的快速卸載。校準系統具有以下功能：(1) 有不同的天平支桿接口滿足不同形式天平的需要；(2) 加載頭能夠實現0°，90°和180°方向的自鎖；(3) 在設計載荷范圍內，天平支桿能夠進行滾轉和俯仰范圍內的角度改變；(4) 數據采集系統可以完成天平及角位移傳感器數據的實時采集、顯示及存儲；(5) 控制系統和數據處理軟件能夠滿足天平校準和數據處理的要求，給出天平校準數據。

圖3 單矢量六自由度天平校準系統組成圖Fig.3 Composing diagram of the single vector sixcomponent balance calibration system

3 系統結構設計

結構設計遵循“穩定可靠、操作便利、性價比高、使用效率高”的原則開展。系統結構主要包括校準架主體結構( 即天平姿態調整及運動機構) 、砝碼加載裝置、碰撞裝置以及相關附件等部分。

3.1 校準架主體結構設計

3.1.1 機構設計

校準架主體結構是具有3 個自由度的運動裝置。其功能主要是實現天平滾轉姿態調整、天平俯仰姿態調整、天平及砝碼升降運動。由兩組旋轉運動機構和一組直線機構組成，為串聯式組合結構，如圖4 所示。

圖4 校準架主體結構Fig.4 Main structure of the calibration system

天平滾轉姿態調整機構由伺服電機帶動大減速比的高精度減速機直接驅動。軸體前端通過支桿轉換接頭，實現與天平支桿連接。支桿轉換接頭可滿足不同天平支桿形式壓電天平的校準需求。

天平俯仰姿態調整機構采用的是專業三排圓柱滾子組合轉盤軸承，與小齒輪配合，實現俯仰運動。三排圓柱滾子組合轉盤軸承各種載荷由不同滾道和滾子組承受，在同等受力條件下，軸承的直徑可大大縮小，使主機更為緊湊；在同等尺寸下，承載能力大幅提高。此種結構形式承載能力強，可實現大俯仰力矩、高精度運動。傳動機構經減速機、齒輪副兩級減速。齒輪副采用小模數齒輪，高精度齒面加工，可實現高精度控制。

天平及砝碼升降運動機構采用高精度直線滾動導軌副作運動機構，由高精度滾珠絲桿螺母副進行驅動和控制，實現平穩的直線運動。直線導軌長度要滿足機構啟動、加速、平穩直線運動、碰撞、減速、停車系列動作在內的操作。直線滾動導軌副的滑塊與導軌之間的滑動摩擦變為滾動摩擦，大大降低二者之間的運動摩擦力，從而獲得動、靜摩擦力之差很小，隨動性好；驅動信號與機械動作滯后的時間間隔極短，有益于提高系統控制的響應速度和靈敏度，系統運行穩定可靠。同時能實現無間隙運動，提高了機械系統的剛度。

3.1.2 剛度計算與分析

由于天平校準的特殊性，要求天平校準架剛度應盡可能高。天平校準系統升降臺體及基座應具有良好的強度和剛度。設計中對結構受力變形進行了有限元分析計算，結果如圖5 所示。在最大設計載荷下，由升降臺體及基座的變形引起的位移變化在0.06mm左右。

圖5 校準架主體結構變形有限元分析Fig.5 Finite element analysis of main structure of the calibration system

3.2 砝碼加載機構設計

砝碼加載機構主要是實現天平校準時載荷的加/卸載。包括天平加載頭、鋼帶/鋼絲掛載裝置、砝碼、叉車、碰撞鋼板等。考慮到本系統中有大質量砝碼，砝碼加載采用電動叉車加載方式，提高工作效率，降低勞動強度。

根據不同校準量程，系統配備多套天平加載頭，以實現優化設計。低量程使用鋁制加載頭、大量程使用鋼制加載頭。加載頭設計為套筒式結構，內部有可沿軸向滑動的套筒，同時兼做天平轉換接頭。實現不同接頭尺寸、不同軸徑、不同長度天平的校準。加載頭在垂直天平軸線端面和平行天平軸線的另外一面上均布置多個加載點。

為使砝碼在規定時間內卸載，除了對校準架主體結構升降運動的速度有要求，同時，還要求碰撞盡量是剛性接觸。因此，砝碼卸載時，地面與砝碼接觸部分設計為鋼板，并凸出地面。為使碰撞產生的振動對其它設備影響盡可能小，碰撞鋼板地基與周邊基礎之間設計有隔震帶。經驗證試驗，采用鋼板碰撞方式，卸載時間可控制在20ms 內。

4 測控系統設計

測控系統主要實現校準裝置的運行控制以及天平信號采集、處理。包括控制分系統、數據采集/處理分系統。設計中根據功能的獨立性將兩系統分離，以實現高可靠性和抗干擾。框圖如圖6 所示。

4.1 控制分系統設計

控制分系統用于控制校準系統的運行，以及調整天平在安裝平臺上的姿態位置。所有的操作能實現計算機程控操作，同時也能實現手動操作。控制系統主要由計算機，控制機柜和伺服驅動系統等組成。

圖6 測控系統總體框圖Fig.6 Collective frame diagram of the measurement and control system

4.1.1 控制分系統工作過程

本校準系統的控制過程為：用戶通過上位工業控制計算機或者HMI 人機界面向運動控制器發送姿態調整命令。運動控制器接收到命令后，其內置的運動控制單元按照一定的控制算法控制伺服電機運轉。在調整的過程中，通過監測編碼器判斷是否調整完成。然后，用戶通過使用砝碼加載作業叉車給砝碼加載。在加載完成后，控制平臺升降的電機使天平和加載頭平行勻速向下移動，當砝碼盤接觸到地面前的瞬間，運動控制器產生觸發信號啟動數據采集，當數據采集完成后，通過控制系統發出命令，天平及砝碼直線運動停止。通過PXIe 嵌入式計算機讀取數據，這樣就完成了一個點的校準。然后天平及砝碼通過直線運動回復到初始位置，進行下一個校準運動，如此循環。最終經過數據處理完成對一臺天平的校準。

4.1.2 控制分系統設計

天平校準系統要求高的精度，而且要求姿態調整機構能夠將天平的位置調整到所需的狀態。在滿足精度要求后，要求測量系統盡快完成數據采集和處理功能。為了減少控制對測量系統的干擾性，充分利用工控機很強的數據處理能力和方便的用戶控制界面編制能力，測控系統總體構成遵從“操作管理集中、單元控制獨立、測控系統隔離、系統信息共享”的設計思路，在本項目設計中，將測量和控制系統分離。

控制系統主要包括兩個部分：上位工業控制計算機，運動控制系統。上位工業控制計算機的主要作用是：(1) 上位控制計算機是姿態調整系統、數據采集系統的控制界面，負責將有關姿態調整控制操作命令通過工業以太網傳輸給PLC 控制系統，實現電機動作的啟停；可觸發測量系統數據采集； 負責與測量系統通信。(2) 負責天平校準過程中姿態調整過程的實時監測，一方面能在線顯示用于控制天平姿態調整電機的運動狀態，另一方面要對電機運動和數據采集過程的故障和異常狀態進行報警和處理。運動控制系統的主要作用是：(1) 天平姿態調整。通過控制兩組獨立的伺服電機，驅動姿態調整機構使得天平在俯仰和滾轉方向進行轉動，使得天平的姿態滿足校準要求。(2) 實現砝碼的快速卸載。控制平臺升降的電機可以快速啟動，并迅速達到勻速運動的狀態，保持加載頭平穩快速下降。( 3) 安全聯鎖。設計中采用兩級安全連鎖裝置。第一級限位開關通知控制系統軟件停機，第二級限位開關實現斷電處理。

4.2 天平信號采集分系統設計

天平數據采集及數據處理分系統主要是對校準過程中天平信號進行采集和數據處理，得到天平校準公式和天平校準不確定度。

4.2.1 數采系統硬件設計

天平數據采集及處理系統包括多通道電荷放大器、多通道高速數據采集設備、工控機、數據采集軟件、數據處理軟件等部分。結構如圖7 所示。

圖7 天平信號數采系統框圖Fig.7 Frame diagram of the balance signal data acquisition system

電荷放大器選用的是DAQP-CHARGE-B/單通道靜態、動態電荷放大器模塊。它的作用是將壓電天平產生的電荷信號進行調理放大，使之轉換為±5V 的電壓信號，供高速數據采集卡采集。為了滿足16 通道同步測量的要求，我們將16 個放大器模塊安裝在DEWE-30-16 機箱中，構成16 通道電荷放大器。

16 通道高速采集系統使用NI 的PXIe 嵌入式系統。PXIe 嵌入式系統的作用是： 驅動高速數據采集卡工作，通過PXI Express 總線將數據保存在內存，進而保存在硬盤中。PXIe 嵌入式系統由以下幾部分組成：帶有4 個插槽的機箱，Core 2 Duo 2.53GHz 的中央處理器，X 系列的多功能數據采集卡。采集卡自帶16 個同步模擬輸入，48 個數字IO 端口。每個模擬輸入通道的采樣率達到1.25Mb/s，分辨率達到16bit，輸入信號為±5V 時絕對誤差為0.1%，且因為PXIe嵌入式系統使用了PXIe 總線技術，可以將采集到的數據快速保存到硬盤上，滿足了試驗對精度和速度的需求。

4.2.2 天平信號數據處理軟件設計

單矢量六自由度天平校準系統對天平的校準過程采用的是多分量綜合加載方法，即多元校準方法。多元校準方法是用多元組合加載的方法來確定天平的校準公式。它是在天平校準時，對天平各分量以不同的組合方式同時施加載荷，并求得天平校準公式的方法。與單元校準方法相比較，多元校準方法更能真實地模擬天平的工作狀態。

校準數據處理根據最小二乘原理，采用逐步回歸分析方法求解。天平的校準公式為：

式中：Fi 為天平第i 個分量的載荷測值； ΔV i 為第i個分量電壓輸出值。

通過數據處理和變化，就可得到矩陣形式的天平工作公式：

式中：

軟件平臺選擇： 上位工業控制計算機和PXIe 嵌入式系統使用NI 的labview 開發平臺，而PLC 控制則使用西門子Step7 開發平臺。

5 結 論

(1) 采用伺服電機帶減速裝置進行天平姿態調整，可以實現天平與加載鋼帶之間的空間位置關系準確變換，并結合加載架上掛點的合理設計，滿足校準所需矢量載荷的加載需求；

(2) 通過精密直線滾動導軌，采用勻速運動碰撞鋼板的方式，可實現載荷的瞬間卸載，滿足壓電天平信號采集需求；

(3) 單矢量六自由度天平自動校準系統結構簡單、誤差源少，結合多元校準方法，可實現風洞天平高效率、高精度校準。

［1］ Dennis Booth. Automatic balance calibration system (ABCS)upgrades［R］. AIAA-2013-0419.

［2］ Jones Shirley M，R hew Ray D. Recent developments and status of the langley single vector balance calibration system［R］. NASA report，2004.

［3］ Lux James，Boas Amy，Li Samuel. System for automated calibration of vector modulators［R］. NASA report，2009.

［4］ Parker P A，Ferris A T. Single vector calibration system for multi-axis load cells and method for calibrating a multiaxis load cell［R］. NASA report，2003.

［5］ DeLoach R. A comparison of two balance calibration model building methods［R］. AIAA-2007-147.

［6］ 賀德馨. 風洞天平［M］. 北京： 國防工業出版社，2001.

［7］ GJB2244-2011 風洞應變天平規范［S］. 北京： 國防科工委軍標出版發行部，1995.

［8］ 馮世軍. 渦輪發動機動力模擬器校準箱天平校準技術研究［J］. 實驗流體力學，2006，(2) ： 90-93.

［9］ 王朝安. 一個全自動的風洞天平校準系統［J］. 流體力學實驗與測量，1998，(1) ： 92-96.

［10］王愛玲. 風洞應變天平自動校準設備研制［R］. CARDC報告，2010.

［11］江桂清. 天平校準的數據處理與誤差分析［G］//風洞天平技術論文集，1998.

［12］江桂清. 氣動天平多元校準方法［G］//風洞天平技術論文集，1998.