基于微小形變測量的旋翼天平高精度測力校準系統

張策，湯斌，王建強

（航空工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095）

0 引言

旋翼天平是完成直升機旋翼氣動試驗過程中多維氣動力準確測量的專測設備，其測量特性直接影響旋翼氣動實驗數據的準確性［1-2］。因此，旋翼天平作為武器裝備實驗的專測設備，其校準工作顯得尤為重要。由于旋翼天平結構復雜，不易拆卸，多采用原位校準方式，利用旋翼天平原位校準裝置進行現場校準［3-4］。旋翼天平原位校準裝置的核心是加載結構協同加載，即在旋翼天平受力端準確加載校準載荷。加載結構受力后，承載橫梁微小形變，加載點產生空間位移，使得施加的校準力存在誤差。結構變形導致的校準力誤差直接影響旋翼天平原位校準精度，因此，加載點位移測量是影響旋翼天平原位校準精度的關鍵因素。

目前，針對微小位移測量，三坐標機等接觸式測量方法技術成熟，但隨著測量場景復雜化，非接觸式測量方法以其無磨損、快速、精確的優勢受到測量領域青睞［5］。典型的非接觸式測量方法包括激光三角法、機器視覺、電磁測量等。高精度測力校準系統為滿足結構及測量精度要求，采用激光三角法實現形變測量，該方法結構簡單，測試速度快，測量精度高，可以快速得到加載點位移變化［6-8］。設計立方靶塊固定于加載端，激光位移傳感器測得立方靶塊空間變化，建立數學模型并計算校準力。進行旋翼天平校準力測量實驗，驗證系統可行性。

1 校準裝置形變分析

旋翼氣動實驗，需將旋翼安裝在旋翼試驗塔軸座上進行多維氣動力測試。旋翼天平原位校準裝置原理即設計機械加載架與標準力加載裝置安裝于試驗塔軸座，對旋翼天平施加標準力進行校準［9-10］。通過對旋翼試驗塔現場測繪，設計搭建旋翼天平原位校準實驗裝置，如圖1所示。標準力加載裝置安裝有高精度力值傳感器，保證校準力準確傳遞，實現升力、阻力、側向力等校準力以及俯仰力矩、滾轉力矩、扭轉力矩等校準力矩加載［11］。承載橫梁連接加載裝置與模擬軸座，加載裝置向承載橫梁兩端施加載荷，將校準力傳遞至軸座。理想狀態下，高精度力值傳感器測得的標準力值即為旋翼天平受到的校準力，但標準力加載引起承載橫梁形變，加載點及力的方向變化，為旋翼天平校準力測量造成誤差。若要提高校準精度，需分析承載橫梁形變對校準力測量帶來的影響。

圖1 旋翼天平升力原位校準

旋翼天平原位校準實驗，承載橫梁單側最大承受20000 N標準力，方向豎直向上，作用在承載橫梁端側。運用ANSYS對承載橫梁進行靜力學仿真，橫梁形變量如圖2所示。承載橫梁受加載力，橫梁中間形變量極小，兩端型變量較大，達到8.9 mm。加載點隨橫梁兩端形變方向產生位移，其空間位移主要在圖2的Oxy平面，z軸方向位移極小。承載橫梁需要將校準力精確傳遞給試驗塔軸座，其在加工及安裝過程中具有一定技術要求，但端面的形變會導致校準力加載的大小及方向變化。測量Oxy平面上加載點位移變化才能得到準確的校準力。

2 高精度測力校準系統設計

準確測量校準力，需要找出承載橫梁形變給校準力加載造成的影響。加載點因承載橫梁形變而發生空間位移，導致校準力大小及方向變化。首先要進行加載點空間位移測量，且該測量不能干擾天平校準。對加載點空間位移采用非接觸式測量方式。由以上仿真，承載橫梁的空間形變位移在毫米量級，為保證測量精度，采用小量程激光位移傳感器。

2.1 空間位移測量裝置結構設計

空間位移測量裝置主要用來測量加載點空間位移，采用一組激光位移傳感器測量加載點微小位移，測量裝置安裝在承載橫梁兩端，主要包括激光位移傳感器、盒型基座、立方靶塊等，如圖3。立方靶塊為精密機加工成型帶安裝孔的立方體金屬塊，通過定位法蘭與承載橫梁連接，由于加載點空間位移不能直接測量，利用立方靶塊間接測量，立方靶塊的空間變化可以準確反映出力加載點的空間變化。

圖3 空間位移測量裝置

立方靶塊置于盒型基座內，4個激光位移傳感器安裝于盒型基座外部，測量立方靶塊空間距離。磁性表座將盒型基座固定，形成由4個傳感器組成的基準坐標系。盒型基座雖然罩在靶塊外部，但并不與其接觸，當加載點發生空間位移時，靶塊的空間坐標系相對于基準坐標系變化。傳感器測量立方靶塊空間位置，計算加載點位移變化。

2.2 軟件設計

測力校準系統軟件部分主要完成傳感器數據采集，數據分析計算，結果顯示、存儲等功能。軟件設計基于LabVIEW平臺開發，模塊化軟件設計主要包括串口采集模塊，數據分析及顯示模塊。承載橫梁兩端安裝有8臺激光位移傳感器，LabVIEW平臺通過VISA函數庫完成8臺傳感器的數據實時采集。串口采集模塊采集傳感器數據，傳感器與上位機采用485總線方式實現串口通信。

數據分析模塊處理采集的位移數據，得到立方靶塊的空間變化。通過所建立的數學模型，計算加載點空間位移變化，計算校準力，將測量結果實時顯示。顯示界面如圖4所示。

圖4 測量系統界面

3 數學模型分析

3.1 位移測量模型分析

旋翼天平原位校準過程中，立方靶塊隨校準力加載產生空間位移，其空間變化如圖5所示。立方靶塊固定在承載橫梁末端，隨加載點一同發生空間變化。加載過程中，立方靶塊中心點變化可等效為加載點變化。傳感器空間位置不變，靶塊空間變化，測量立方靶塊的空間位置變化，計算加載過程中靶塊中心點位移。

由仿真可知，承載橫梁兩端在豎直方向發生較大形變，建立坐標系Oxyz，加載點在Oxy面上發生位移，在z軸方向無位移。平行于Oxy面安裝3個傳感器，測量立方靶塊中心點在該面的位移；1個傳感器垂直于Oxy面安裝，測量靶塊z軸方向位移。

圖5 立方靶塊位移變化

為計算立方靶塊中心點在Oxy面的位移量，建立數學模型如圖6所示，固定3個激光位移傳感器，對立方靶塊進行測量。

圖6 立方靶塊位移分析

立方靶塊在加載過程中相對位置發生變化，其在Oxy面上投影由虛線方塊變為實線方塊，原中心點坐標為 P0（x0，y0），變化后中心點坐標為 P1（x1，y1），投影方塊與x軸夾角變化前后分別為α0，α1。立方靶塊空間位移可用M（Δx，Δy，Δα）表示，則有

加載前傳感器測量距離分別為a0，b0，c0；加載后距離為a1，b1，c1。原中心點P0到傳感器激光打在立方靶塊對應面的距離分別a，b，c。立方靶塊邊長為l，立方靶塊變化后的一個頂點坐標A0（m，n），根據圖6中幾何關系，有

立方靶塊中心點空間變化即為加載點位移變化，可用 M（Δx，Δy，Δα）表示。

3.2 校準力分析

旋翼天平原位校準裝置加載點發生空間位移變化，根據位移變化M（Δx，Δy，Δα），計算校準力。校準力加載方向垂直于承載橫梁底面，橫梁端側向上線性彎曲，如圖7。

圖7 承載橫梁受力模型

力加載裝置對承載橫梁施加豎直向上升力F1，力加載點到中心距離為L。加載裝置上力傳感器測得力值為承載橫梁無變形時的理想力值。此時，校準力為Fc，力矩Mc，則有

加載過程中，承載橫梁發生形變，其對模擬軸座作用的力及力矩變化。本文研究的旋翼天平高精度測力校準系統基于加載點空間位移變化 M（Δx，Δy，Δα）。由受力模型，等效力為Fe，力矩Me，則有

4 校準力測量實驗

搭建旋翼天平原位校準實驗裝置，如圖8所示，進行校準力測量。空間位移測量裝置安裝在承載橫梁兩端，一端有4個激光位移傳感器，3個用來測量立方靶塊在Oxy面的變化，1個用在驗證z軸方向是否有變化，傳感器誤差為0.1%F.S.。該實驗可以測量校準力，校準扭矩可以由校準力計算得到。

圖8 升力加載模擬實驗

以升力校準為例，承載橫梁兩端力加載裝置協同加載，升力從0 N逐漸加到40000 N，均勻選取10組測量數據記錄如表1。z軸位移變化在0.02～0.06 mm之間，該軸的形變可忽略。

表1 升力測量實驗

表1中記載了升力測量實驗中加載點的位移數據、傳感器力值及升力測量值。旋翼天平原位校準過程中，如不進行校準力測量，將傳感器力值直接作為標準值會引入誤差。

誤差主要由承載橫梁形變導致，為研究測力校準系統對校準力加載準確度的影響，將傳感器力值與系統測量值的差值作為絕對誤差，計算相對誤差，則有

力傳感器力值F1，測力校準系統測得升力Fe，相對誤差δ隨升力加載變化如圖9。隨著升力不斷加載，承載橫梁形變加大，相對誤差增大。當升力達到40 kN時，相對誤差為0.033%，測力校準系統為本次實驗加載最高提升0.033%的準確度。該準確度針對本次實驗，而旋翼天平原位校準現場升力滿量程加載會導致更大的形變，絕對誤差擴大，測量校準系統對準確度提升更明顯。

圖9 升力加載相對誤差變化圖

在力矩校準中，承載橫梁一端承受壓力，另一端承受反向壓力，由于力距不變，力矩的準確度提升與升力一致。

5 結論

旋翼天平原位校準過程中，承載橫梁結構形變為校準力加載引入誤差。設計高精度測力校準系統，該系統通測量加載點微小位移變化，計算校準力值。通過實驗，得到以下結論：

1）承載橫梁兩端形變符合理論分析，其形變為校準力加載引入誤差，加載力值越大，相對誤差越大。

2）該系統可以測量力加載點位移，實驗中校準力加載準確度提升0.033%，如果滿量程加載準確度提升更高。

3）旋翼天平校準裝置設計合理，結構穩定，校準力因結構形變造成的誤差可以修正。

4）文中微小位移測量方法可行，空間位移測量裝置可應用于測量領域。