航天產品質量特性參數一體化測量系統設計

楊 波 馮立杰 李 輝 胡圣鑫 曹紅星

裝配·檢測

航天產品質量特性參數一體化測量系統設計

楊 波 馮立杰 李 輝 胡圣鑫 曹紅星

（上海航天精密機械研究所，上海 201600）

針對航天產品研制過程中質量特性參數測量存在的工位分散布局、測量精度差、人工作業強度大等問題，結合科研生產實際需求，提出了集成質量、質心、質偏、三軸轉動慣量測量功能的航天產品質量特性參數一體化測量系統方案，研制了質量特性參數一體化測量平臺，并開展了測量系統的校準和產品工藝試驗，大大提升了測量效率和測量質量。

質量特性；轉動慣量；一體化測量

1 引言

導彈裝備正朝高速、大機動、長航時方向發展，產品質量越來越大，質量分布呈現明顯的非對稱性，偏心質心、轉動慣量等質量特性參數測量難度越來越大[1]。總裝階段產品質量特性參數測量面臨較大的質量和效率瓶頸，主要表現在：測量工位分散，測量效率低下；產品類型眾多，工藝裝備重復投入，成本較高；測量結果離散性大、一致性差；手工測量誤差、系統測量誤差大，導致測量結果可信度低；傳統手工測量精度較差，總體設計人員的控制參數整定難度較大。

國外在轉動慣量測量方面研究起步較早，理論研究和工程應用成果豐碩[2，3]。國外空間電子公司研制的質量特性參數測量設備可覆蓋4000kg以下的產品，測量精度高達0.2%。國內方面，西北工業大學、哈爾濱工業大學、南京理工大學等單位在轉動慣量測量設備方面處于國內領先地位。其中，西北工業大學黃德東教授團隊針對大尺寸復雜形狀飛行器轉動慣量高精度測量方法開展了深入研究，形成了系列化的產品[4]，哈爾濱工業大學張趙鈞教授提出了基于氣浮軸承的通用型轉動慣量測量設備[5]。

本項目以提升測量精度、提高作業效率為目標，擬開展通用化平臺設計技術、高精度測量與處理技術、質量特性一體化測量集成設計技術的研究，研制一套能夠將質量測量、質心與質偏測量、三軸（軸、軸、軸）轉動慣量測量質量特性參數一體化測量的通用平臺。

2 方案設計

2.1 測量原理分析

2.1.1 質量質心測量原理

解決方案中的質量質心、測量采用三點稱重傳感器測量方法實現。如圖1所示，傳感器在設備上的位置分布呈等腰三角形，、為設備的基準坐標橫軸和縱軸，為設備的坐標原點，1、2、1、2、3分別為傳感器到縱軸、橫軸的垂直投影距離。

圖1 傳感器安裝位置示意圖

根據力和力矩平衡原理：

徑向質心：

軸向質心：

2.1.2 轉動慣量測量原理

擺動周期是轉動慣量計算的唯一影響變量。轉動慣量系統模型如圖2所示，考慮阻尼系數。

圖2 扭擺模型示意圖

轉動慣量數學模型為：

式中：——試件對軸的轉動慣量，kg·m2；——扭桿剛度系數，kg·m/rad；——系統粘性阻尼系數；——系統自由擺動周期，s。

2.2 總體方案設計

圖3 質量特性參數測量一體化平臺總體架構

質量特性參數測量一體化平臺具備寬量程質量測量、高精度質心測量、三軸轉動慣量測量功能，平臺由測試測量系統和機械結構構成，詳細構成見圖3。

2.2.1 機械結構系統

a. 底座

底座主要是實現上部機構的支撐，設備支撐結構的承載安全系數大于2，底座設置有調平機構，通過水平測量儀器配合校準，實現測量平臺的調平。

底座上安裝有稱重傳感器、升降驅動電機和升降機等。三安裝于底座的左右兩邊電機各通過轉向箱帶動前后兩側升降機升降，實現稱重傳感器的加載與空載，兩組傳動系統分別設計有行程開關裝置，實現自動限位控制。

b. 橫擺預扭機構

橫擺扭擺機構由扭桿、套筒、兩個徑向軸承和一個推力軸承組成。扭桿和擺動架連接，兩個徑向軸承固定套筒，一個推力軸承支撐套筒。采用兩個徑向軸承限位，設備的抗側偏能力強，整個設備的重量支撐在推力軸承上，摩擦力小，擺動周期衰減慢，轉動慣量測量精度高。

c. 橫滾預扭機構

橫擺扭擺機構由預扭電機、凸輪機構、橫滾拉簧、滾輪及滾輪座、橫滾轉環組成，見圖4。預扭電機帶動凸輪機構轉動，將橫滾轉環拉升到一定角度，兩側的橫滾彈簧處于不對稱蓄能狀態，凸輪釋放后，橫滾轉環以近簡諧運動規律往復運動。

圖4 橫滾預扭機構示意圖

d. 工作平臺

工作平臺采用型材焊接，目的是使測量臺面盡量輕，傳感器量程盡量小，提高測量的精度。兩側安裝有直線導軌及滑塊，滾環托架組件和橫滾機構分別安裝在直線導軌兩側，實現兩組裝夾滾環的左右移動，以適應不同長度產品的裝夾測試。

e. 標尺組件

標尺組件包括支座、數顯標尺、直線導軌和靠尺等。支座安裝于工作臺面上，靠尺安裝于直線導軌上，并與數顯標尺相連，實現同時在導軌與標尺上的左右自由移動。靠尺為測量設備的軸向基準，通過移動靠尺靠緊被測件的端面（為被測件軸向基準）實現被測件軸向測量基準和測量設備的基準的坐標轉換，整個標尺組件可以在臺面上左右移動，適用不同長度產品的定位。

f. 柔性裝夾環

回轉滾環托架組件和橫滾滾環托架組件均安裝于工作臺面導軌上，可左右滑動，適應不同產品支撐跨距的裝夾測試，柔性裝夾環在支撐滾輪組件上，通過更換不同的適配塊可適應不同直徑的航天產品的測試測量需求。柔性裝夾環在手動驅動下，可繞其中心回轉，可實現在0°、90°、180°、270°的銷孔定位。

2.2.2 測試測量系統

質量特性參數測試一體化平臺的測試測量系統分為應用層、控制層、執行感知層等三級架構，如圖5。應用層主要指綜合控制軟件，控制層主要指數據采集與控制模塊，執行感知層主要由質量質心感知模塊、轉動慣量執行模塊構成。

圖5 測試測量系統架構圖

a. 綜合控制軟件

測量系統上位機是基于WinCE操作系統下，采用LabView開發平臺開發，具有人機工程合理、軟件系統穩定等優點。上位機實現以下功能：系統能夠實現自檢和標校功能；參數設置，具有自動凈重計算、報表參數預置、操作信息輸入等功能；具有質量特性參數（質量、質心、轉動慣量）一鍵標校功能；測量數據存儲格式多樣，具備PDF、電子表格等多種形式。

b. 數據采集與控制模塊

數據采集與控制模塊由工業控制計算機、PCI2361計數板卡、PCI8002 I/O板卡、串行通信板卡等組成。工業控制計算機提供軟件運行需要的基礎環境，PCI2361測量光電開關的響應頻率用以計算轉動慣量，PCI8002 I/O板卡采集限位開關的到位狀態，并控制電機的啟停，串行通信板卡與三個稱重傳感器通信，獲取質量信息用以計算質量、質心、質偏。

c. 質量質心感知模塊

質量質心感知模塊包括稱重傳感器、稱重變換器、升降電機、限位行程開關。控制模塊控制升降電機對稱重傳感器進行加載和卸載，限位行程開關檢測到機構到位后將信息傳遞給板卡控制器控制升降電機停止。加載狀態下，三個稱重傳感器通過稱重變換器進行稱重測量，然后通過RS232口將測量數據傳遞到工控機進行采集、處理。

d. 轉動慣量執行模塊

轉動慣量執行模塊包含扭轉電機、光電傳感器、行程開關。預扭電機提供橫擺裝置、橫滾裝置運動的初始擺動角度，行程開關自動預扭釋放信號。預扭機構釋放后，對光電傳感器形成周期性輸入，光電傳感器測量的周期信號通過分頻處理后輸入PCI2361計數板卡計數，進而得到每個擺動的擺動周期，通過工控機的綜合控制軟件算法預處理后計算出轉動慣量。

3 系統校準與工藝試驗

3.1 校準試驗

質量特性參數測量一體化平臺研制完成后，使用經過國家相關計量研究院計量通過的標準樣棒進行了平臺的精度校準。計測量結果見表1。

表1 校準試驗記錄表

從表1可以看出，該平臺的質量質心、/向轉動慣量的測量精度相對較高，達到了千分之一以上的精度。向轉動慣量精度稍低，大約在千分之二以內。經綜合分析，向轉動慣量精度稍低的原因在于被測產品長徑比較大，橫滾機構的滾輪與滾環之間的阻尼系數與摩擦力相關，多種因素合計影響較大。為保證后續向轉動慣量的精度，建議每次使用前采取相應的潤滑措施。

3.2 應用驗證

為進一步驗證一體化平臺的可行性，本項目以產品的理論計算為參考，通過與傳統的電子稱重、懸吊測量轉動慣量的結果比較，驗證一體化平臺的測量準確性。一體化平臺實物如圖6所示，將導彈產品放置在兩個滾環上并緊固。

圖6 一體化平臺

表2 工藝試驗記錄表

通過表2可以看出，傳統的測量方法測量值與理論值的偏離度更大，而一體化平臺測量結果更接近產品理論要求值，測量偏差均在1%以內，同時測量效率提升5倍，進一步驗證了一體化平臺測量方法的可行性、測量系統的可應用性。

4 結束語

通過調研國內外航天產品質量特性參數測量設備研究現狀，識別產品研制過程質量特性參數測量存在的生產瓶頸和技術難點，結合科研生產實際需求，研制了集成質量、質心、質偏、三軸轉動慣量的測量功能的航天產品質量特性參數一體化測量系統，并開展了測量系統的校準和產品工藝試驗，取得了良好的工藝效果，為優化作業工位布局、提升質量特性參數精度提供了重要技術和設備支撐。

1 宋斌. 一種多功能彈靜態參數測試系統設計[J]. 科技視界，2020(5)：1～2

2 湯海亮. 摩擦阻力矩對臥式扭擺法測量彈箭極轉動慣量精度的影響[J]. 南京理工大學學報，2018(5)：2～3

3 張立明. 質量質心及轉動慣量一體化測試系統設計[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學，2013

4 張宗媛. 轉動慣量測量系統研制[D]. 沈陽：沈陽理工大學，2013

5 唐文彥. 扭擺法測飛行體轉動慣量[J]. 南京理工大學學報，2008(2)：69～72

Design and Application of Integrated Measurement System for Quality Characteristic Parameters of Aerospace Products

Yang Bo Feng Lijie Li Hui Hu Shengxin Cao Hongxing

(Shanghai Institute of Aerospace Precision Machinery, Shanghai 201600)

In view of the problems in the measurement of quality characteristic parameters in the process of aerospace product development, such as the scattered layout of work stations, poor measurement accuracy and high manual work intensity, and combined with the actual needs of scientific research and production, an integrated measurement system scheme of aerospace product quality characteristic parameters integrating the measurement functions of quality, mass center, mass deviation and three-axis moment of inertia is proposed. The integration measurement platform of quality characteristic parameters is developed, and the calibration of the measurement system and product process test are carried out, thus improved the measurement efficiency and measurement quality.

mass characteristics；rotational inertia；integrated measurement

楊波（1988），工程師，電氣工程自動化專業；研究方向：導彈數字化裝配研究。

2020-10-13