基于微小形變測(cè)量的旋翼天平高精度測(cè)力校準(zhǔn)系統(tǒng)

張策，湯斌，王建強(qiáng)

（航空工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095）

0 引言

旋翼天平是完成直升機(jī)旋翼氣動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中多維氣動(dòng)力準(zhǔn)確測(cè)量的專測(cè)設(shè)備，其測(cè)量特性直接影響旋翼氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性［1-2］。因此，旋翼天平作為武器裝備實(shí)驗(yàn)的專測(cè)設(shè)備，其校準(zhǔn)工作顯得尤為重要。由于旋翼天平結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易拆卸，多采用原位校準(zhǔn)方式，利用旋翼天平原位校準(zhǔn)裝置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)［3-4］。旋翼天平原位校準(zhǔn)裝置的核心是加載結(jié)構(gòu)協(xié)同加載，即在旋翼天平受力端準(zhǔn)確加載校準(zhǔn)載荷。加載結(jié)構(gòu)受力后，承載橫梁微小形變，加載點(diǎn)產(chǎn)生空間位移，使得施加的校準(zhǔn)力存在誤差。結(jié)構(gòu)變形導(dǎo)致的校準(zhǔn)力誤差直接影響旋翼天平原位校準(zhǔn)精度，因此，加載點(diǎn)位移測(cè)量是影響旋翼天平原位校準(zhǔn)精度的關(guān)鍵因素。

目前，針對(duì)微小位移測(cè)量，三坐標(biāo)機(jī)等接觸式測(cè)量方法技術(shù)成熟，但隨著測(cè)量場(chǎng)景復(fù)雜化，非接觸式測(cè)量方法以其無(wú)磨損、快速、精確的優(yōu)勢(shì)受到測(cè)量領(lǐng)域青睞［5］。典型的非接觸式測(cè)量方法包括激光三角法、機(jī)器視覺(jué)、電磁測(cè)量等。高精度測(cè)力校準(zhǔn)系統(tǒng)為滿足結(jié)構(gòu)及測(cè)量精度要求，采用激光三角法實(shí)現(xiàn)形變測(cè)量，該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)試速度快，測(cè)量精度高，可以快速得到加載點(diǎn)位移變化［6-8］。設(shè)計(jì)立方靶塊固定于加載端，激光位移傳感器測(cè)得立方靶塊空間變化，建立數(shù)學(xué)模型并計(jì)算校準(zhǔn)力。進(jìn)行旋翼天平校準(zhǔn)力測(cè)量實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證系統(tǒng)可行性。

1 校準(zhǔn)裝置形變分析

旋翼氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)，需將旋翼安裝在旋翼試驗(yàn)塔軸座上進(jìn)行多維氣動(dòng)力測(cè)試。旋翼天平原位校準(zhǔn)裝置原理即設(shè)計(jì)機(jī)械加載架與標(biāo)準(zhǔn)力加載裝置安裝于試驗(yàn)塔軸座，對(duì)旋翼天平施加標(biāo)準(zhǔn)力進(jìn)行校準(zhǔn)［9-10］。通過(guò)對(duì)旋翼試驗(yàn)塔現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪，設(shè)計(jì)搭建旋翼天平原位校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1所示。標(biāo)準(zhǔn)力加載裝置安裝有高精度力值傳感器，保證校準(zhǔn)力準(zhǔn)確傳遞，實(shí)現(xiàn)升力、阻力、側(cè)向力等校準(zhǔn)力以及俯仰力矩、滾轉(zhuǎn)力矩、扭轉(zhuǎn)力矩等校準(zhǔn)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(zhǔn)力傳遞至軸座。理想狀態(tài)下，高精度力值傳感器測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)力值即為旋翼天平受到的校準(zhǔn)力，但標(biāo)準(zhǔn)力加載引起承載橫梁形變，加載點(diǎn)及力的方向變化，為旋翼天平校準(zhǔn)力測(cè)量造成誤差。若要提高校準(zhǔn)精度，需分析承載橫梁形變對(duì)校準(zhǔn)力測(cè)量帶來(lái)的影響。

圖1 旋翼天平升力原位校準(zhǔn)

旋翼天平原位校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，承載橫梁?jiǎn)蝹?cè)最大承受20000 N標(biāo)準(zhǔn)力，方向豎直向上，作用在承載橫梁端側(cè)。運(yùn)用ANSYS對(duì)承載橫梁進(jìn)行靜力學(xué)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(dá)到8.9 mm。加載點(diǎn)隨橫梁兩端形變方向產(chǎn)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(zhǔn)力精確傳遞給試驗(yàn)塔軸座，其在加工及安裝過(guò)程中具有一定技術(shù)要求，但端面的形變會(huì)導(dǎo)致校準(zhǔn)力加載的大小及方向變化。測(cè)量Oxy平面上加載點(diǎn)位移變化才能得到準(zhǔn)確的校準(zhǔn)力。

2 高精度測(cè)力校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

準(zhǔn)確測(cè)量校準(zhǔn)力，需要找出承載橫梁形變給校準(zhǔn)力加載造成的影響。加載點(diǎn)因承載橫梁形變而發(fā)生空間位移，導(dǎo)致校準(zhǔn)力大小及方向變化。首先要進(jìn)行加載點(diǎn)空間位移測(cè)量，且該測(cè)量不能干擾天平校準(zhǔn)。對(duì)加載點(diǎn)空間位移采用非接觸式測(cè)量方式。由以上仿真，承載橫梁的空間形變位移在毫米量級(jí)，為保證測(cè)量精度，采用小量程激光位移傳感器。

2.1 空間位移測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

空間位移測(cè)量裝置主要用來(lái)測(cè)量加載點(diǎn)空間位移，采用一組激光位移傳感器測(cè)量加載點(diǎn)微小位移，測(cè)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(jī)加工成型帶安裝孔的立方體金屬塊，通過(guò)定位法蘭與承載橫梁連接，由于加載點(diǎn)空間位移不能直接測(cè)量，利用立方靶塊間接測(cè)量，立方靶塊的空間變化可以準(zhǔn)確反映出力加載點(diǎn)的空間變化。

圖3 空間位移測(cè)量裝置

立方靶塊置于盒型基座內(nèi)，4個(gè)激光位移傳感器安裝于盒型基座外部，測(cè)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(gè)傳感器組成的基準(zhǔn)坐標(biāo)系。盒型基座雖然罩在靶塊外部，但并不與其接觸，當(dāng)加載點(diǎn)發(fā)生空間位移時(shí)，靶塊的空間坐標(biāo)系相對(duì)于基準(zhǔn)坐標(biāo)系變化。傳感器測(cè)量立方靶塊空間位置，計(jì)算加載點(diǎn)位移變化。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

測(cè)力校準(zhǔn)系統(tǒng)軟件部分主要完成傳感器數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)分析計(jì)算，結(jié)果顯示、存儲(chǔ)等功能。軟件設(shè)計(jì)基于LabVIEW平臺(tái)開(kāi)發(fā)，模塊化軟件設(shè)計(jì)主要包括串口采集模塊，數(shù)據(jù)分析及顯示模塊。承載橫梁兩端安裝有8臺(tái)激光位移傳感器，LabVIEW平臺(tái)通過(guò)VISA函數(shù)庫(kù)完成8臺(tái)傳感器的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集。串口采集模塊采集傳感器數(shù)據(jù)，傳感器與上位機(jī)采用485總線方式實(shí)現(xiàn)串口通信。

數(shù)據(jù)分析模塊處理采集的位移數(shù)據(jù)，得到立方靶塊的空間變化。通過(guò)所建立的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算加載點(diǎn)空間位移變化，計(jì)算校準(zhǔn)力，將測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)顯示。顯示界面如圖4所示。

圖4 測(cè)量系統(tǒng)界面

3 數(shù)學(xué)模型分析

3.1 位移測(cè)量模型分析

旋翼天平原位校準(zhǔn)過(guò)程中，立方靶塊隨校準(zhǔn)力加載產(chǎn)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(diǎn)一同發(fā)生空間變化。加載過(guò)程中，立方靶塊中心點(diǎn)變化可等效為加載點(diǎn)變化。傳感器空間位置不變，靶塊空間變化，測(cè)量立方靶塊的空間位置變化，計(jì)算加載過(guò)程中靶塊中心點(diǎn)位移。

由仿真可知，承載橫梁兩端在豎直方向發(fā)生較大形變，建立坐標(biāo)系Oxyz，加載點(diǎn)在Oxy面上發(fā)生位移，在z軸方向無(wú)位移。平行于Oxy面安裝3個(gè)傳感器，測(cè)量立方靶塊中心點(diǎn)在該面的位移；1個(gè)傳感器垂直于Oxy面安裝，測(cè)量靶塊z軸方向位移。

圖5 立方靶塊位移變化

為計(jì)算立方靶塊中心點(diǎn)在Oxy面的位移量，建立數(shù)學(xué)模型如圖6所示，固定3個(gè)激光位移傳感器，對(duì)立方靶塊進(jìn)行測(cè)量。

圖6 立方靶塊位移分析

立方靶塊在加載過(guò)程中相對(duì)位置發(fā)生變化，其在Oxy面上投影由虛線方塊變?yōu)閷?shí)線方塊，原中心點(diǎn)坐標(biāo)為 P0（x0，y0），變化后中心點(diǎn)坐標(biāo)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(cè)量距離分別為a0，b0，c0；加載后距離為a1，b1，c1。原中心點(diǎn)P0到傳感器激光打在立方靶塊對(duì)應(yīng)面的距離分別a，b，c。立方靶塊邊長(zhǎng)為l，立方靶塊變化后的一個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)A0（m，n），根據(jù)圖6中幾何關(guān)系，有

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

3.2 校準(zhǔn)力分析

旋翼天平原位校準(zhǔn)裝置加載點(diǎn)發(fā)生空間位移變化，根據(jù)位移變化M（Δx，Δy，Δα），計(jì)算校準(zhǔn)力。校準(zhǔn)力加載方向垂直于承載橫梁底面，橫梁端側(cè)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(duì)承載橫梁施加豎直向上升力F1，力加載點(diǎn)到中心距離為L(zhǎng)。加載裝置上力傳感器測(cè)得力值為承載橫梁無(wú)變形時(shí)的理想力值。此時(shí)，校準(zhǔn)力為Fc，力矩Mc，則有

加載過(guò)程中，承載橫梁發(fā)生形變，其對(duì)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(cè)力校準(zhǔn)系統(tǒng)基于加載點(diǎn)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(zhǔn)力測(cè)量實(shí)驗(yàn)

搭建旋翼天平原位校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)裝置，如圖8所示，進(jìn)行校準(zhǔn)力測(cè)量。空間位移測(cè)量裝置安裝在承載橫梁兩端，一端有4個(gè)激光位移傳感器，3個(gè)用來(lái)測(cè)量立方靶塊在Oxy面的變化，1個(gè)用在驗(yàn)證z軸方向是否有變化，傳感器誤差為0.1%F.S.。該實(shí)驗(yàn)可以測(cè)量校準(zhǔn)力，校準(zhǔn)扭矩可以由校準(zhǔn)力計(jì)算得到。

圖8 升力加載模擬實(shí)驗(yàn)

以升力校準(zhǔn)為例，承載橫梁兩端力加載裝置協(xié)同加載，升力從0 N逐漸加到40000 N，均勻選取10組測(cè)量數(shù)據(jù)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(cè)量實(shí)驗(yàn)

表1中記載了升力測(cè)量實(shí)驗(yàn)中加載點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)、傳感器力值及升力測(cè)量值。旋翼天平原位校準(zhǔn)過(guò)程中，如不進(jìn)行校準(zhǔn)力測(cè)量，將傳感器力值直接作為標(biāo)準(zhǔn)值會(huì)引入誤差。

誤差主要由承載橫梁形變導(dǎo)致，為研究測(cè)力校準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)校準(zhǔn)力加載準(zhǔn)確度的影響，將傳感器力值與系統(tǒng)測(cè)量值的差值作為絕對(duì)誤差，計(jì)算相對(duì)誤差，則有

力傳感器力值F1，測(cè)力校準(zhǔn)系統(tǒng)測(cè)得升力Fe，相對(duì)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(duì)誤差增大。當(dāng)升力達(dá)到40 kN時(shí)，相對(duì)誤差為0.033%，測(cè)力校準(zhǔn)系統(tǒng)為本次實(shí)驗(yàn)加載最高提升0.033%的準(zhǔn)確度。該準(zhǔn)確度針對(duì)本次實(shí)驗(yàn)，而旋翼天平原位校準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)升力滿量程加載會(huì)導(dǎo)致更大的形變，絕對(duì)誤差擴(kuò)大，測(cè)量校準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)確度提升更明顯。

圖9 升力加載相對(duì)誤差變化圖

在力矩校準(zhǔn)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(zhǔn)確度提升與升力一致。

5 結(jié)論

旋翼天平原位校準(zhǔn)過(guò)程中，承載橫梁結(jié)構(gòu)形變?yōu)樾?zhǔn)力加載引入誤差。設(shè)計(jì)高精度測(cè)力校準(zhǔn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通測(cè)量加載點(diǎn)微小位移變化，計(jì)算校準(zhǔn)力值。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1）承載橫梁兩端形變符合理論分析，其形變?yōu)樾?zhǔn)力加載引入誤差，加載力值越大，相對(duì)誤差越大。

2）該系統(tǒng)可以測(cè)量力加載點(diǎn)位移，實(shí)驗(yàn)中校準(zhǔn)力加載準(zhǔn)確度提升0.033%，如果滿量程加載準(zhǔn)確度提升更高。

3）旋翼天平校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，校準(zhǔn)力因結(jié)構(gòu)形變?cè)斐傻恼`差可以修正。

4）文中微小位移測(cè)量方法可行，空間位移測(cè)量裝置可應(yīng)用于測(cè)量領(lǐng)域。