多分量力組合加載校準裝置主機結構的技術實現

秦海峰

（航空工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095）

0 引言

對空間任一力矢量，在擇定的三維坐標系中最多可以被分解為六個分量，即三個力值分量和三個力矩分量［1］。近些年來，多分量力測量儀器的應用越來越廣泛，對多分量力測量儀器進行全面和準確校準的需求也越來越迫切。在實際工程應用中，常見到的多分量力測量儀器主要有二分量、三分量、四分量以及多分量力傳感器或測力儀。針對不同結構和測量范圍的多分量力測量儀器，需要合適的校準裝置和校準方法來實現其校準。

目前，意大利國家計量院（INRiM）及德國聯邦物理技術研究院（PTB）等計量機構均開展了多分量力的校準技術研究，在多分量力校準裝置和傳感器方面取得了一些成果［2-3］。為了解決多分量力測量儀器的校準和溯源問題，航空工業北京長城計量測試技術研究所研制了多套校準裝置［4］，最新研制的一套大空間多分量力校準裝置，可進行多分量力測量儀器的單分量獨立校準和多分量組合校準［5］。

1 多分量力校準裝置的整體設計

多分量力校準裝置的系統組成如圖1所示，主要由裝置主機、液壓動力系統、輔助工裝系統和控制及數據采集處理系統組成。

圖1 多分量力校準裝置組成框圖

加載裝置主機主要由主機框架、工作臺及定位機構、可升降加力框架機構和多個力加載單元等組成。其作用是形成承力框架，并通過對多個力加載單元進行合理的組合來實現三個力值分量和三個力矩分量的選擇加載。

液壓動力系統由伺服油源、液壓閥組以及液壓管路等組成，用來實現各個力加載單元的載荷驅動。動力系統驅動各個力加載單元配置的液壓缸塞系統，通過增大和減小系統壓力來實現力的加載和卸載。液壓動力系統共配置了7套伺服油源，分別用來對一組豎直方向力加載單元、4組水平方向力加載單元和一組動橫梁鎖緊系統提供動力，可以獨立或同時工作。

輔助工裝系統是根據被校多分量力傳感器的結構專門設計的，用于承受和傳遞主機各力加載單元施加的力，并耦合為所需實現的多分量力的機械部件。同時，輔助工裝起到連接、支承、耦合以及傳遞等多種作用。

控制及數據采集處理系統由伺服控制系統、標準力傳感器及信號放大系統、信號采集及反饋系統和數據處理軟件組成。其作用是通過計算機確定所需施加載荷的位置、大小及方向，合理控制主機的各個力加載單元進行自動加載，并對測量結果進行自動采集和處理分析。控制及數據采集處理系統需按多分量力傳感器校準方法規定的試驗程序自動對多分量力傳感器做試驗，其控制方式設計為全自動控制模式和手動控制模式。力值控制模式也設計有逐級加載和可以按規定的時間連續加載兩種模式。

多分量力組合加載的合理實現是該校準裝置的技術難點。對加載裝置主機進行合理設計是實現這一功能的關鍵問題。

2 多分量力組合加載的實現

2.1 主機結構整體設計

按照多分量力的構成原理，校準裝置的設計思路是在被測傳感器的受力工裝上沿多個方向同步施加多個力和力矩，工裝在承受多個力和力矩后將所有方向的力耦合后形成矢量力并剛性傳遞到被校傳感器上，矢量力的耦合原理如圖2所示。

為了能夠實現多分量力的同步組合加載功能，同時考慮到針對不同結構形式和不同大小的多分量力傳感器校準的適用性，通過結構設計，在裝置內部加載空間形成了一個加載面高度可調的力加載三維坐標系。為了保證力矩參數的準確度，對各個力矩分量采用在一定力臂長度位置施加力的方式來實現。裝置主機的整體機械結構設計如圖3所示。

圖2 力矢量的耦合原理示意圖

圖3 多分量力校準裝置主機結構圖

在裝置空間坐標系的X，Y和Z軸方向分別分布了5個力加載單元，并根據需要在每個力加載單元設計了一個或多個加載力源，各力源輸出頭通過解耦元件串接標準力傳感器，通過對各力源進行選擇控制加載，將不同位置和方向的力協調加載到固定在工作臺上的被校多分量力傳感器上，即可實現力矢量各個分量的獨立校準或多分量力的同步組合加載和校準。

基于裝置需要實現的具體功能要求，主機結構的主要設計目標有：①各分量具有獨立性，并可實現協調加載；②各加載力源的力值控制均要達到較高的準確度；③對各力矩分量的力臂必須進行準確控制；④有較大的試驗空間，通過可升降移動加載機構調節加力高度位置，方便對不同的校準對象進行校準；⑤裝置主機有足夠的剛度，控制整體變形和扭轉，使各分量在最大載荷時的變形均不會明顯影響整體準確度。

所有技術設計均需基于以上目標的實現來進行，裝置最終實現的有效工作空間為1.2 m×1.2 m×0.8 m，各分量的范圍和測量不確定度水平見表1。

表1 多分量力校準裝置技術參數

2.2 多分量力加載原理設計

在校準裝置主機力加載空間坐標系中合適的方向和位置上共設計分布13個力源，如圖4所示，用來實現力和力矩，力矩分量的力源位于偏離坐標軸中心的固定位置上。

圖4 校準裝置力源的分布示意圖

每個力源均配置有獨立的動力系統，可實現各自獨立控制加載。每個力源還串接安裝了標準力傳感器，用于實現力值的準確測量和控制，對這些力源進行分別控制、協同工作，即可實現力矢量的多個分量的同步加載和校準。

在裝置加載機構的設計中，在力矢量坐標系垂直方向（Z向）的力加載單元共布置了5個力源，用于實現主分量FZ和繞兩個側向力分量FX，FY的彎矩（含正反矩）MX和MY，Z向加載器結構設計示意圖如圖5所示。

圖5 Z方向力加載單元結構示意圖

當Z向各力源工作時，最終實現的FZ，MX和MY量值大小分別由公式（1）至公式（3）計算得到。

式中：FZ-O為Z方向力加載單元中心位置力源加載的力值；FZ-X（＋），FZ-X（-）分別為Z方向力加載單元沿X軸方向上兩個力源加載的力值；FZ-Y（＋），FZ-Y（-）分別為Z方向力加載單元沿Y軸方向上兩個力源加載的力值；LZ-Y（＋），LZ-Y（-）分別為Z方向力加載單元沿Y軸方向上兩個力源加載力臂的長度；LZ-X（＋），LZ-X（-）分別為Z方向力加載單元沿X軸方向上兩個力源加載中軸線與Z方向力加載單元中心位置的垂直距離。

在裝置力坐標系的水平面（X-Y平面）上共布置了8個力源，用于實現側向力分量FX和FY以及繞主分量FZ的扭矩（含正反矩）MZ。其中X和Y方向分別有一對力加載單元面對面布置，X方向上的兩個力加載單元分別配置3個力源，而Y方向上的兩個力加載單元分別配置一個力源。水平方向上4個力加載單元的結構設計如圖6所示。

圖6 水平方向力加載單元結構示意圖

當X方向和Y方向各力源工作時，FX，FY和MZ量值的大小分別由公式（4）至公式（6）計算得到。

式中：FX-O（＋），FX-O（-）分別為X方向兩個相對的中心力源加載的力值；FX1，FX2分別為X正方向上兩個偏離中心位置的力源加載的力值；FX3，FX4分別為X負方向上兩個偏離中心位置的力源加載的力值；FY-O（＋），FY-O（-）分別為Y方向兩個相對的中心力源加載的力值；LX1，LX2，LX3，LX4分別為對應于X方向上4個偏離中心位置的力源加載中軸線與X方向力加載單元中心位置的垂直距離。

按照以上設計原理，該裝置在進行力矩分量的校準時，同時會產生相應方向力的加載，所以應根據實際需要，通過加載過程的合理設計來進行力值的抵消或者累加計算。

2.3 主機結構變形控制

由于力矩參數是基于力和力臂兩個方面，為了達到設計準確度要求，在裝置的設計、加工、裝配、調試和檢測過程中，需要采取相應的技術工藝手段來控制和保證力臂長度的準確度。

裝置主機各構件在受力之后不可避免地會產生變形，從而影響各方向力值加載點位置和力臂的有效長度，進而影響到實際力矩的準確性。對于裝置主機整體剛度和變形的控制是整個設計的難點，也是保證其它各項技術參數滿足設計要求的必要條件。

為了增加裝置剛度，減小整體體積重量，裝置四周設計了剛性支撐機構，同時通過控制變形區、增加撓性連接件［6］等手段來保證各分量標準力傳感器輸出軸線與被校多分量力傳感器受力軸線的一致性，使其局限在一定的范圍內，并盡量保持平行，從而減少寄生分量的產生。

為了驗證裝置剛度設計的合理性，對整機結構進行了受力模型仿真分析，同時加載FX，FY和FZ三方向最大力和水平方向最大力矩MZ，各部分變形情況見圖7所示。在此工況下，最大變形將產生在Z方向的頂板上，約為0.2 mm，由于軸向變形可由油缸活塞加力跟蹤，因此對各分量量值準確度的影響甚微。設備整體結構受到最大力矩引入的水平方向的扭轉變形為0.06 mm，與力臂長度200 mm相比，相對影響量為0.03%，其影響也符合設計要求。

3 多分量力校準裝置的試驗驗證

為了確認校準裝置各力源之間的位置關系，采用V-STARS攝影測量系統進行各力源之間空間位置關系的測試試驗，確定各加載軸線之間的距離和角度。測試點布置和處理結果如圖8所示。對測量結果進行數據分析，各個加載軸線之間的夾角與標稱值的偏差最大為0.036°，各個力矩分量有效力臂的偏差不超過0.05 mm，符合設計要求。

圖7 主機框架受最大力和力矩后的變形情況

圖8 各力源空間位置測試結果示意圖

根據需要對力加載試驗項目進行選擇、排序，設計校準程序，按照先單分量再多分量的順序逐次開展驗證試驗。采用高準確度標準測力儀對裝置的13個力源分別進行獨立的力值示值誤差校準，各項參數均優于0.03級疊加式力標準機的相應要求［7］。

對裝置開展一系列多分量力組合加載試驗，從而驗證其多分量力組合加載的控制能力，分量組合情況如表2所示［6］，表2中，“＋”表示可實現的組合，“-”表示不能實現的組合。針對一個剛性受力體，依次開展二分量、三分量直至六分量的組合加載試驗，各分量均進行了測量下限點和測量上限點力值的加載，各力源的控制準確度均符合設計要求。

當前，由于多分量力傳感器自身耦合誤差較大（很少能達到1%），市場上尚沒有能夠直接驗證裝置整體最佳指標的高準確度多分量力傳感器。對現有準確度較高的多分量力傳感器進行了應用試驗，測量結果均可達到其聲稱的技術特性。其中一個試驗的傳感器外形如圖9所示，該二分量力傳感器可在兩個軸線方向受力，兩個分量的測量上限都是2 kN。由于該傳感器本身是由4個S形傳感器共同組成，其結構特點決定了自身耦合誤差很小，但是變形比較大（最大時已超過1 mm），非常適合考察標準裝置自身的分量耦合情況。

表2 分量組合情況

圖9 試驗用二分量力傳感器結構外形圖

試驗時，分別在傳感器兩個軸線方向同步加載直至均達到2 kN，傳感器在本裝置測得的靈敏度數據與靜重式力標準機上的數據相比，兩個靈敏度的結果一致性均優于0.1%。這一結果，一方面驗證了校準裝置本身力值協調控制的準確度水平很高，另一方面也驗證了當內部有變形產生時，裝置自身各分量的耦合效應也非常小。

4 結束語

大量的驗證和應用試驗顯示：所研制的多分量力校準裝置達到了預期的水平，整體工作狀態良好，單獨或同時施加單分量力時，力值準確、穩定。試驗結果也表明了該裝置各項性能指標完全達到設計要求。

耦合誤差是多分量力傳感器設計和制造的難點，目前還沒有合適的多分量力傳感器來驗證裝置的最優指標。我們也在利用該裝置來開發具有更優良性能的多分量力傳感器，這樣，后續將得到更多更好的數據。另外，加載工裝的結構和準確度也是測量結果的重要影響因素，需要重點關注。

本文對多分量力的組合加載技術進行了深入研究，形成了較為全面的設計思路，同時各項加工、裝調工藝也得以驗證，為今后在該領域繼續開展相關技術研究積累了經驗。