航天產(chǎn)品質(zhì)量特性參數(shù)一體化測量系統(tǒng)設(shè)計

楊 波 馮立杰 李 輝 胡圣鑫 曹紅星

裝配·檢測

航天產(chǎn)品質(zhì)量特性參數(shù)一體化測量系統(tǒng)設(shè)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(chǎn)品研制過程中質(zhì)量特性參數(shù)測量存在的工位分散布局、測量精度差、人工作業(yè)強度大等問題，結(jié)合科研生產(chǎn)實際需求，提出了集成質(zhì)量、質(zhì)心、質(zhì)偏、三軸轉(zhuǎn)動慣量測量功能的航天產(chǎn)品質(zhì)量特性參數(shù)一體化測量系統(tǒng)方案，研制了質(zhì)量特性參數(shù)一體化測量平臺，并開展了測量系統(tǒng)的校準和產(chǎn)品工藝試驗，大大提升了測量效率和測量質(zhì)量。

質(zhì)量特性；轉(zhuǎn)動慣量；一體化測量

1 引言

導(dǎo)彈裝備正朝高速、大機動、長航時方向發(fā)展，產(chǎn)品質(zhì)量越來越大，質(zhì)量分布呈現(xiàn)明顯的非對稱性，偏心質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量等質(zhì)量特性參數(shù)測量難度越來越大[1]。總裝階段產(chǎn)品質(zhì)量特性參數(shù)測量面臨較大的質(zhì)量和效率瓶頸，主要表現(xiàn)在：測量工位分散，測量效率低下；產(chǎn)品類型眾多，工藝裝備重復(fù)投入，成本較高；測量結(jié)果離散性大、一致性差；手工測量誤差、系統(tǒng)測量誤差大，導(dǎo)致測量結(jié)果可信度低；傳統(tǒng)手工測量精度較差，總體設(shè)計人員的控制參數(shù)整定難度較大。

國外在轉(zhuǎn)動慣量測量方面研究起步較早，理論研究和工程應(yīng)用成果豐碩[2，3]。國外空間電子公司研制的質(zhì)量特性參數(shù)測量設(shè)備可覆蓋4000kg以下的產(chǎn)品，測量精度高達0.2%。國內(nèi)方面，西北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、南京理工大學(xué)等單位在轉(zhuǎn)動慣量測量設(shè)備方面處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。其中，西北工業(yè)大學(xué)黃德東教授團隊針對大尺寸復(fù)雜形狀飛行器轉(zhuǎn)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(chǎn)品[4]，哈爾濱工業(yè)大學(xué)張趙鈞教授提出了基于氣浮軸承的通用型轉(zhuǎn)動慣量測量設(shè)備[5]。

本項目以提升測量精度、提高作業(yè)效率為目標，擬開展通用化平臺設(shè)計技術(shù)、高精度測量與處理技術(shù)、質(zhì)量特性一體化測量集成設(shè)計技術(shù)的研究，研制一套能夠?qū)①|(zhì)量測量、質(zhì)心與質(zhì)偏測量、三軸（軸、軸、軸）轉(zhuǎn)動慣量測量質(zhì)量特性參數(shù)一體化測量的通用平臺。

2 方案設(shè)計

2.1 測量原理分析

2.1.1 質(zhì)量質(zhì)心測量原理

解決方案中的質(zhì)量質(zhì)心、測量采用三點稱重傳感器測量方法實現(xiàn)。如圖1所示，傳感器在設(shè)備上的位置分布呈等腰三角形，、為設(shè)備的基準坐標橫軸和縱軸，為設(shè)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(jù)力和力矩平衡原理：

徑向質(zhì)心：

軸向質(zhì)心：

2.1.2 轉(zhuǎn)動慣量測量原理

擺動周期是轉(zhuǎn)動慣量計算的唯一影響變量。轉(zhuǎn)動慣量系統(tǒng)模型如圖2所示，考慮阻尼系數(shù)。

圖2 扭擺模型示意圖

轉(zhuǎn)動慣量數(shù)學(xué)模型為：

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

2.2 總體方案設(shè)計

圖3 質(zhì)量特性參數(shù)測量一體化平臺總體架構(gòu)

質(zhì)量特性參數(shù)測量一體化平臺具備寬量程質(zhì)量測量、高精度質(zhì)心測量、三軸轉(zhuǎn)動慣量測量功能，平臺由測試測量系統(tǒng)和機械結(jié)構(gòu)構(gòu)成，詳細構(gòu)成見圖3。

2.2.1 機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

a. 底座

底座主要是實現(xiàn)上部機構(gòu)的支撐，設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)的承載安全系數(shù)大于2，底座設(shè)置有調(diào)平機構(gòu)，通過水平測量儀器配合校準，實現(xiàn)測量平臺的調(diào)平。

底座上安裝有稱重傳感器、升降驅(qū)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(zhuǎn)向箱帶動前后兩側(cè)升降機升降，實現(xiàn)稱重傳感器的加載與空載，兩組傳動系統(tǒng)分別設(shè)計有行程開關(guān)裝置，實現(xiàn)自動限位控制。

b. 橫擺預(yù)扭機構(gòu)

橫擺扭擺機構(gòu)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(shè)備的抗側(cè)偏能力強，整個設(shè)備的重量支撐在推力軸承上，摩擦力小，擺動周期衰減慢，轉(zhuǎn)動慣量測量精度高。

c. 橫滾預(yù)扭機構(gòu)

橫擺扭擺機構(gòu)由預(yù)扭電機、凸輪機構(gòu)、橫滾拉簧、滾輪及滾輪座、橫滾轉(zhuǎn)環(huán)組成，見圖4。預(yù)扭電機帶動凸輪機構(gòu)轉(zhuǎn)動，將橫滾轉(zhuǎn)環(huán)拉升到一定角度，兩側(cè)的橫滾彈簧處于不對稱蓄能狀態(tài)，凸輪釋放后，橫滾轉(zhuǎn)環(huán)以近簡諧運動規(guī)律往復(fù)運動。

圖4 橫滾預(yù)扭機構(gòu)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(cè)安裝有直線導(dǎo)軌及滑塊，滾環(huán)托架組件和橫滾機構(gòu)分別安裝在直線導(dǎo)軌兩側(cè)，實現(xiàn)兩組裝夾滾環(huán)的左右移動，以適應(yīng)不同長度產(chǎn)品的裝夾測試。

e. 標尺組件

標尺組件包括支座、數(shù)顯標尺、直線導(dǎo)軌和靠尺等。支座安裝于工作臺面上，靠尺安裝于直線導(dǎo)軌上，并與數(shù)顯標尺相連，實現(xiàn)同時在導(dǎo)軌與標尺上的左右自由移動。靠尺為測量設(shè)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(xiàn)被測件軸向測量基準和測量設(shè)備的基準的坐標轉(zhuǎn)換，整個標尺組件可以在臺面上左右移動，適用不同長度產(chǎn)品的定位。

f. 柔性裝夾環(huán)

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

2.2.2 測試測量系統(tǒng)

質(zhì)量特性參數(shù)測試一體化平臺的測試測量系統(tǒng)分為應(yīng)用層、控制層、執(zhí)行感知層等三級架構(gòu)，如圖5。應(yīng)用層主要指綜合控制軟件，控制層主要指數(shù)據(jù)采集與控制模塊，執(zhí)行感知層主要由質(zhì)量質(zhì)心感知模塊、轉(zhuǎn)動慣量執(zhí)行模塊構(gòu)成。

圖5 測試測量系統(tǒng)架構(gòu)圖

a. 綜合控制軟件

測量系統(tǒng)上位機是基于WinCE操作系統(tǒng)下，采用LabView開發(fā)平臺開發(fā)，具有人機工程合理、軟件系統(tǒng)穩(wěn)定等優(yōu)點。上位機實現(xiàn)以下功能：系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自檢和標校功能；參數(shù)設(shè)置，具有自動凈重計算、報表參數(shù)預(yù)置、操作信息輸入等功能；具有質(zhì)量特性參數(shù)（質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量）一鍵標校功能；測量數(shù)據(jù)存儲格式多樣，具備PDF、電子表格等多種形式。

b. 數(shù)據(jù)采集與控制模塊

數(shù)據(jù)采集與控制模塊由工業(yè)控制計算機、PCI2361計數(shù)板卡、PCI8002 I/O板卡、串行通信板卡等組成。工業(yè)控制計算機提供軟件運行需要的基礎(chǔ)環(huán)境，PCI2361測量光電開關(guān)的響應(yīng)頻率用以計算轉(zhuǎn)動慣量，PCI8002 I/O板卡采集限位開關(guān)的到位狀態(tài)，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(zhì)量信息用以計算質(zhì)量、質(zhì)心、質(zhì)偏。

c. 質(zhì)量質(zhì)心感知模塊

質(zhì)量質(zhì)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(guān)。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(guān)檢測到機構(gòu)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(tài)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(shù)據(jù)傳遞到工控機進行采集、處理。

d. 轉(zhuǎn)動慣量執(zhí)行模塊

轉(zhuǎn)動慣量執(zhí)行模塊包含扭轉(zhuǎn)電機、光電傳感器、行程開關(guān)。預(yù)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(guān)自動預(yù)扭釋放信號。預(yù)扭機構(gòu)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(shù)板卡計數(shù)，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(yù)處理后計算出轉(zhuǎn)動慣量。

3 系統(tǒng)校準與工藝試驗

3.1 校準試驗

質(zhì)量特性參數(shù)測量一體化平臺研制完成后，使用經(jīng)過國家相關(guān)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(jié)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(zhì)量質(zhì)心、/向轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動慣量精度稍低，大約在千分之二以內(nèi)。經(jīng)綜合分析，向轉(zhuǎn)動慣量精度稍低的原因在于被測產(chǎn)品長徑比較大，橫滾機構(gòu)的滾輪與滾環(huán)之間的阻尼系數(shù)與摩擦力相關(guān)，多種因素合計影響較大。為保證后續(xù)向轉(zhuǎn)動慣量的精度，建議每次使用前采取相應(yīng)的潤滑措施。

3.2 應(yīng)用驗證

為進一步驗證一體化平臺的可行性，本項目以產(chǎn)品的理論計算為參考，通過與傳統(tǒng)的電子稱重、懸吊測量轉(zhuǎn)動慣量的結(jié)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(dǎo)彈產(chǎn)品放置在兩個滾環(huán)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(tǒng)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(jié)果更接近產(chǎn)品理論要求值，測量偏差均在1%以內(nèi)，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(tǒng)的可應(yīng)用性。

4 結(jié)束語

通過調(diào)研國內(nèi)外航天產(chǎn)品質(zhì)量特性參數(shù)測量設(shè)備研究現(xiàn)狀，識別產(chǎn)品研制過程質(zhì)量特性參數(shù)測量存在的生產(chǎn)瓶頸和技術(shù)難點，結(jié)合科研生產(chǎn)實際需求，研制了集成質(zhì)量、質(zhì)心、質(zhì)偏、三軸轉(zhuǎn)動慣量的測量功能的航天產(chǎn)品質(zhì)量特性參數(shù)一體化測量系統(tǒng)，并開展了測量系統(tǒng)的校準和產(chǎn)品工藝試驗，取得了良好的工藝效果，為優(yōu)化作業(yè)工位布局、提升質(zhì)量特性參數(shù)精度提供了重要技術(shù)和設(shè)備支撐。

1 宋斌. 一種多功能彈靜態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)設(shè)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(zhuǎn)動慣量精度的影響[J]. 南京理工大學(xué)學(xué)報，2018(5)：2～3

3 張立明. 質(zhì)量質(zhì)心及轉(zhuǎn)動慣量一體化測試系統(tǒng)設(shè)計[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013

4 張宗媛. 轉(zhuǎn)動慣量測量系統(tǒng)研制[D]. 沈陽：沈陽理工大學(xué)，2013

5 唐文彥. 扭擺法測飛行體轉(zhuǎn)動慣量[J]. 南京理工大學(xué)學(xué)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(yè)；研究方向：導(dǎo)彈數(shù)字化裝配研究。

2020-10-13