基于PRO/E的飛行器質量特性測量轉接裝置設計

王志峰 劉海燕 黃振輝 畢煌圣 胡改娟 郝 丁 何凡鋒 鄧軍雷

基于PRO/E的飛行器質量特性測量轉接裝置設計

王志峰 劉海燕 黃振輝 畢煌圣 胡改娟 郝 丁 何凡鋒 鄧軍雷

（首都航天機械有限公司，北京 100076）

提出了基于PRO/E的自頂向下的一種飛行器質量特性測量轉接裝置的設計方法，詳細論述了質量特性測量轉接裝置的設計原理、設計過程及優化配重方法。經實踐證明所設計的質量特性測量轉接裝置結構合理、測試結果可靠，該設計方法適用于采用平臺式質量特性設備的產品轉接裝置設計，適用于基于平臺式質量特性設備的不同型號產品的質量特性分析。

質量特性測量；工藝裝備；配重；PRO/E

1 引言

飛行器的質量、質心及轉動慣量等質量特性參數（通常測量項目為：質量、質心、轉動慣量）是飛行器飛行控制的基礎參數，需要在平臺式質量特性設備上測量，測量平臺通常為一通用接口測量平臺。由于被測產品具有不同的外形形狀，因此測量過程需要相應的具有嚴格質量質心要求的飛行器質量特性轉接裝置輔助下測量。

飛行器質量特性測量轉接裝置是飛行器質量特性測試中必備的轉接環節，是連接質量特性測試平臺及待測飛行器的職能結構，圖1所示為某飛行器質量特性轉接裝置的應用狀態。飛行器通常為各類圓形及翼形結構，均有對外連接接口，測量轉接裝置承擔著把飛行器按照規定要求定位安裝在測量平臺上的功能，并且要求轉接裝置的引入不影響飛行器的參數測量結果。

圖1 飛行器質量特性測量轉接裝置使用狀態

2 方案設計

2.1 質量特性測量工藝過程

a. 將測量轉接裝置按照定位要求通過定位銷和螺栓安裝到測試平臺上面；

b. 將待測飛行器吊裝于測試轉接裝置上面并連接；

c. 進行飛行其質量特性的測試及相關操作。

連接好的測量狀態如圖1所示。

2.2 轉接裝置設計原理

質量、質心測量原理是根據重力矩平衡原理進行的，為保證測量準確，質量、質心測量轉接裝置的質心位置應具有嚴格的要求，要求測量轉接裝置的引入不能影響飛行器質量參數測量結果，設計原理如圖2所示。

圖2 測量轉接裝置設計原理

a. 測平面質心

待測飛行器接入轉接裝置后，使二者的綜合平面質心位置與待測飛行器在該位置的理論平面質心位置重合，進而與測試平臺平面質心位置重合，實現待測產品平面質心測量。為了排除測量轉接裝置對綜合質心的影響，要求測量轉接裝置自身的平面質心位置在接入待測飛行器前與測試平臺平面質心位置重合，這是利用平臺測試的最優方案。

b. 測量三維質心

在測完一個平面質心后，需通過轉接裝置將飛行器沿軸偏轉一個角度，根據直角三角形原理即可測量待測產品向質心。也可將飛行器繞軸直接旋轉90°，然后測量其平面質心，最終得出三維產品質心。

c. 測轉動慣量

轉動慣量通用表達式為：=∑2

連續剛體表達式為：=∫dv

其中：為待測產品單元體質量；為產品質量單元體到轉軸的垂直距離；為產品密度。

從轉動慣量表達公式可以看出，轉動慣量是一個求和疊加過程，當轉軸固定后，可以明確區分后增加質量相應轉動慣量的疊加增量。因此，在測完質心后，將過質心的軸作為轉軸，通過分次裝卡測量結合簡單的加減運算，即可測量出以過待測產品質心的三個坐標軸為轉軸的產品轉動慣量。

由此可以得出，誤差引入主要來自兩個方面：a.質量：轉接裝置質量不能太大，若轉接裝置質量遠大于被測產品質量，會引入產品質量分辨誤差；b.偏心：轉接裝置質心不能偏離測量臺中心太大，否則引入偏心誤差。

因此，為得到最優測量結果，質量特性測量轉接裝置設計需滿足三個方面的原則：

a. 測量轉接裝置應具有普通轉接裝置的定位、夾緊、翻轉、保護產品等功能結構；

b. 始終保證自身的平面投影質心位置與測量平臺的平面投影質心位置重合；

c. 將相應待測產品的理論質心位置裝配到轉臺及轉接裝置轉盤的兩個旋轉中心線交點上。

當轉接裝置、測試平臺二者滿足以上要求后，按照對稱原則在相應位置配合兩兩定位及緊固件，即可進行對待測產品的質量特性測量。

3 基于PRO/E的轉接裝置設計過程

在PRO/E環境中，質量特性測量轉接裝置的設計總體思路是：根據已經安裝到位的產品，采用自頂向下的設計方法[1]，設計定位元件、夾緊元件及其它功能元件等，最后根據工藝要求，完成整體轉接裝置的質量質心要求。

3.1 PRO/E環境下的轉接裝置（后簡稱為轉接裝置）結構設計過程

a. 獲得三維PRO/E產品模型，分析產品模型，找到產品對外定位工藝孔及連接部位。

b. 確定轉接裝置功能（本類別轉接裝置用于待測飛行器的質量特性測量，其他類別可以用于某種機械加工，或者某種裝配），設計總體結構方案，考慮產品及轉接裝置在相應平臺上的安裝，設計合理的連接元件，確定產品及轉接裝置的定位方法及緊固連接方法。

c. 建立PRO/E組件模型，將產品三維模型裝配到組件中，選擇一種放置方式（坐標系、點、線等）。

d. 在組件模型中建立若干新的組件或者元件作為轉接裝置的功能元件或組件。建立新組件和元件時，應綜合考慮總體方案的協調，設計合理具體的零組件單元體，明確設計思路和名稱。

e. 根據總體方案及轉接裝置工藝特征，逐步建立新建零組件之間的裝配和約束關系，完成總體方案的結構設計。

f. 測量和檢查：尺寸測量及干涉檢查。

g. PRO/E高級應用。對于有特殊要求的轉接裝置（本轉接裝置需要固定質心位置），還需要進一步的操作（配重、參數化等）[2]。

h. 強度校核：轉接裝置類輔助產品一般安全系數較高，不需要強度校核，但對于關鍵零部件則必須進行強度校核，以保證轉接裝置使用過程中的安全可靠，滿足用戶要求。

圖3所示為某飛行器質量特性轉接裝置結構設計結果。本例中為測量飛行器的三維質心，將待測飛行器沿軸翻轉90°分兩次測量，如圖3a和圖3b所示。為測量待測產品對過質心的三個坐標軸的轉動慣量，對、軸轉動慣量在測完質心之后，直接轉動轉臺帶動轉接裝置和產品進行測量；在測量軸轉動慣量時，為測量準確，采用單獨一塊連接板與產品及轉接板連接，如圖3c所示。測量軸轉動慣量時，將飛行器平面理論質心與單獨的連接板及測量平臺的平面質心重合，進行測量。圖3a和圖3b為測量飛行器三維質心及、軸轉動慣量狀態，圖3c為測量飛行器軸轉動慣量狀態。

圖3 某飛行器質量特性轉接裝置結構設計

3.2 基于PRO/E的轉接裝置配重

圖4 創建配重體、坐標系

為滿足2.2所述轉接裝置的質量質心要求，測量轉接裝置結構設計完成后，必須對所設計的轉接裝置進行配重，按設計目標優化機構[3]。以下對圖4轉接裝置進行基于PRO/E的轉接裝置配重。

根據產品技術要求及轉接裝置、待測飛行器、測試平臺裝配定位基準要求，測量轉接裝置應具有如表1所示的質心位置。

表1 轉接裝置質心要求

a. 設計配重位置和配重體結構，并在模型中創建一個坐標系和一個分析特征來執行模型分析以確定質量屬性、計算質量，如圖4所示。

b. 執行敏感度分析以確定轉接裝置質心位置隨配重體高度變化規律，分析結果如圖5所示。因為轉接裝置為軸對稱布置，故向質心位置可以滿足要求。以向質心為目標函數，從圖中可以看出當值為-1099（本例新創建的坐標系在轉接裝置端面軸指向轉接裝置外面，故1099為負值。也可以創建到理論質心處，其值為0，0，0，）時，配重體厚度約為84mm。

圖5 x向敏感度分析結果

c. 執行可行性及優化分析。如圖6所示，目標函數設定為要求XCOG=-1099，設計變量為配重體的高度尺寸，根據敏感度分析結果，變量尺寸變化范圍為50～100mm，計算結果如圖7可以看出，XCOG在-1099處收斂，可以滿足設計要求。

圖6 可行性及優化分析

圖7 可行性及優化分析結果

根據分析結果，配重體厚度理論值為84.983mm，為滿足加工工藝要求，厚度值圓整為85mm，最后再校驗質量特性，質量及質心位置參數如圖8所示。圖9所示為配平后的最終轉接裝置產品。

圖8 優化后的質量特性分析

圖9 優化后配重的最終轉接裝置產品

由圖8可以看出，轉接裝置總質量為815kg，、向質心坐標分別為（-1099.5，0），滿足理論值設計要求。在測量質心時，需將待測產品垂直翻轉90°，此時，若出現轉接裝置質心改變，應再進行配平操作，方法同上。

4 結束語

提出了基于PRO/E的飛行器質量特性測試轉接裝置的設計原理及設計方法，通過實例闡述了滿足質量特性測量轉接裝置質心要求的配重方法及配重流程，通過三維PRO/E的配重仿真，大大簡化了實際工程轉接裝置配重過程，對同類別產品具有廣泛的推廣價值。

1 曹茹. 基于自上而下法的內燃機運動件CAD/CAE設計[J]. 內燃機車，2010(12)：30～33

2 徐厚昌，朱銀鋒. 基于Pro/E優化設計及仿真的綜合運用[J]. 裝備制造技術，2009 (2)：65～66

3 二代龍震工作室. PRO/ENGINEER Wildfire4.0高級設計[M]. 北京：電子工業出版社，2008

Design of Mass Property Measurement Device of Flight Vehicle Based on PRO/E

Wang Zhifeng Liu Haiyan Huang Zhenhui Bi Huangsheng Hu Gaijuan Hao Ding He Fanfeng Deng Junlei

(Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076)

A mass property measurement device of flight vehicle was designed based on PROE. And then the design principle, design process and weight method were particularly introduced. Further analysis show that the mass property measurement device of flight vehicle is structurally reasonable and has high reliability, which could be used for mass and centroid measuring of thin-wall components.

mass and centroid measuring；process equipment；balancer；PRO/E

王志峰（1981），工程師，流體機械及工程專業；研究方向：航天特種裝備和航天工藝裝備設計研發。

2018-01-03