用于旋翼试验台的双通道六分量天平设计.pdf

机械制造赵子甲等用于旋翼试验台的双通道六分量天平设计第一作者简介:赵子甲()男河北邢台人硕士研究生研究方向为传感器与天平技术.:./.用于旋翼试验台的双通道六分量天平设计赵子甲王卫英(南京航空航天大学 机电学院江苏 南京)摘 要:为满足旋翼试验台主轴上六分量力/力矩的高精度测量需求设计一种可输出两组载荷的双通道六分量天平该天平具有 个测力分支共 个拉压力传感器可同时测量 个力/力矩分量且各载荷分量具有 个测量通道 在 软件中利用有限元仿真技术分析了对天平进行单分量满量程加载时传感器弹性体的应变情况天平具有较高的测量灵敏度 基于最小二乘法原理对天平标定数据进行线性解耦解耦后天平的 类误差小于.类误差小于.满足旋翼试验台所用六分量天平的使用需求关键词:旋翼试验台双通道六分量天平天平标定最小二乘法解耦中图分类号:.文献标志码:文章编号:()():/./.:引言旋翼试验台是验证直升机旋翼系统综合性能的专用试验装置利用旋翼试验台可在地面模拟旋翼系统的运行状态测试旋翼系统综合力学性能、旋翼动特性与耐久性等 在进行旋翼系统综合力学性能试验时需要利用多维力/力矩测量装置获取旋翼系统承受的气动载荷 六分量天平是针对多维力/力矩进行测量的装置在旋翼系统综合力学性能试验中应用广泛利用六分量天平可以测量旋翼系统的推力、升力、侧向力、偏航力矩、俯仰力矩和翻滚力矩其性能直接关系到试验数据的准确性国内外众多科研机构及高校针对不同类型的六分量天平进行了深入研究 通过综合分析发现目前已投入使用的天平通常只能输出单通道的六分量载荷没有考虑天平的失效保护措施测量过程中难以发现天平的异常测量值且天平长时间使用的可靠性与稳定性较低为提高天平的测量精度与可靠性设计一种可实现双通道载荷输出的六分量天平两组六分量载荷相互对照便于发现异常测量值提高天平载荷测量精度 当部分测量组件失效时天平仍能够正常使用可保证其工作的稳定性与可靠性 天平结构设计旋翼试验台主轴上的载荷根据载荷类型可分为集中力与力矩六分量天平能够将试验台主轴上的集中力分解为 个相互正交的分力记为、将力矩分解为 个相互正交的分力矩记为、力与力矩的方向符合右手法则 根据小型旋翼试验台的功能需求确定天平各 载 荷 分 量 的 量 程 为:、双通道六分量天平结构如图 所示天平外形尺寸为长 宽 高 主要部件包括固定框、浮动框、型支座与 个测力分支 天平在竖直方向和水平方向各布置 个测力分支其中竖直方向的 个测力分支上端与浮动框相连下端与固定框相连水平方向的测量分支通过其两端的 型支座与浮动框、固定框相连 各测力分支通过弹性连杆传递载荷弹性连杆两端的十字铰链结构可提供径向自由度保证其主要传递沿轴向的拉压力载荷 浮动框与固定框中心开孔旋翼试验台主轴从中心孔穿过主轴上的载荷经浮动框传递机械制造赵子甲等用于旋翼试验台的双通道六分量天平设计到各测力分支上浮动框弹性连杆拉压力传感器固定框 型支座图 双通道六分量天平结构天平的测力分支由拉压力传感器和弹性连杆组成其结构如图 所示 为防止拉压力传感器应变片粘贴不牢、数据采集系统线路故障等因素导致整个天平失效天平采用双通道式结构亦即天平设置有两组传感器分别记为 组传感器和 组传感器 每个测力分支的两端各布置一个拉压力传感器其中一个传感器编入 组另一个编入 组天平内部共布置了 个拉压力传感器 同一测力分支上的两个拉压力传感器结构相同弹性体布置方向相互垂直 正常情况下天平可输出两组六分量载荷测量过程中两组传感器的数据可以相互对照便于发现异常的测量数据提高天平的测量精度当测力分支上的一个拉压力传感器失效另一个传感器可以正常进行测量保证天平长期使用的可靠性与稳定性BCED图 测力分支组成与结构双通道六分量天平采用的拉压力传感器的弹性体材料为马氏体时效钢 其弹性模量 泊松比.屈服极限 弹性体为平行梁式结构 个金属箔式应变片粘贴在弹性体上下横梁上用于检测横梁在应变片粘贴处的平均应变 个应变片组成惠斯通电桥全桥电路通过对电桥施加激励电压 将传感器的输出应变转换为电桥的输出电压 拉压力传感器测力原理如图 所示3333ABCUPVUU3333DB1B4CE*C图 拉压力传感器测力原理双通道六分量天平传感器及测力分支编号如图 所示 各测力分支两端的传感器用于测量其承受的拉压力载荷记为()其中沿 向的 个测力分支受到的拉压力载荷为、沿 向 个测力分支受到的拉压力载荷为、沿 向 个测力分支受到的拉压力载荷为、由载荷所在方向的拉压力传感器的测量值叠加得到 当载荷分量 为正时、为拉力、为压力当 分量为负时、为压力、为拉力 当载荷分量 为正时、为压力、为拉力当 为负时、为拉力、为压力载荷分量与 测量原理相同 力矩大小根据其对应的测力分支形成的力偶及力偶臂确定 测力分支 与、与、与 的距离相等均为 测力分支 与、与、与 的距离相等均为 根据天平六分量载荷与各测力分支所受载荷的关系确定天平六分量载荷输出矩阵如式()所示444#444#4#44#444#4#44#4#LxLyf1f8f7f3f6f5f2xyzOf4EB4C4图 天平传感器及测力分支编号()天平弹性体应变分析为提高双通道六分量天平载荷测量的灵敏度在满足结构强度要求的前提下需保证拉压力传感器应变片粘贴处具有较大的应变 根据天平的六分量载荷输出矩阵可计算出给定载荷下各拉压力传感器承受的载荷大小通过解析计算可得到各传感器应变片粘贴处的平均应变 、各拉压力传感器的输出应变 与(机械制造赵子甲等用于旋翼试验台的双通道六分量天平设计为 组传感器输出应变为 组传感器输出应变)的计算方法如式()所示 对双通道六分量天平施加载荷时依据天平六分量载荷输出矩阵与各传感器的输出应变可以计算出天平在载荷(为广义力包括、)作用下各分量的输出应变如式()所示其中 为 与 的平均值()()为分析天平整体应变分布情况及拉压力传感器的输出应变利用有限元仿真技术对天平单分量满量程加载状态进行仿真 建立双通道六分量天平的装配模型并将其导入 软件中进行有限元分析 为模拟天平的实际工作状态约束天平固定框底面的 个自由度在天平测量中心点()建立参考点 参考点 与浮动框中心孔面建立耦合约束根据天平量程在 上依次施加单分量满量程载荷 天平浮动框与固定框材料为 钢 型支座与弹性连杆材料为 采用四面体线性单元 对天平进行网格划分浮动框与固定框网格尺寸为 型支座网格尺寸为 弹性连杆网格尺寸为 拉压力传感器网格尺寸为.天平模型节点数为 单元数为 网格划分结果如图()所示 在载荷分量、作用下天平及弹性体的应变情况如图()图()所示利用式()与式()计算天平在单分量满量程加载时的输出应变 在集中力、满量程作用下天平的输出应变依次为.、.在力矩、满量程作用下天平的输出应变依次为.、.、.根据有限元仿真结果可知双通道六分量天平在单分量满量程载荷作用下天平有较大的输出应变测量灵敏度符合使用要求B43CFx/FFFFFFFFFFFFF&U44#4#xyz4FFFFFFFFFFFFF&UFFFFFFFFFFFFF&U4444444#4#DFz/EMz/cNxyzxyz图 天平及弹性体应变分布 天平标定与解耦双通道六分量天平各零部件分别加工最终装配在一起使用天平实物如图 所示 利用天平进行旋翼试验台主轴载荷测量前需要对天平进行标定 双通道六分量天平的标定实验采用地轴系标定装置载荷施加方法为单元加载法利用砝码作为力源对天平依次施加单分量载荷记录各载荷分量的标定数据 双通道六分量天平共输出 路电压信号天平配备的数据采集系统利用 芯片对多路电压进行信号放大滤波后采用 芯片进行 转换将电压模拟信号转变为数字信号并发送至计算机计算机端采用 软件实现电压信号采集、电压力/力矩转换、双通道六分量载荷显示与记录等功能图 双通道六分量天平实物双通道六分量天平标定实验采用类误差与类误差对天平性能进行量化 类误差反映实测载荷与标定载荷的偏离程度也可称为主方向的非线性误差 天平载荷分量()的(类误差)可以表示为()式中:为载荷分量 实测值为载荷分量 标定值为载荷分量 的量程类误差反映天平在受到单分量载荷作用时其余分量的干扰程度也称为耦合误差 对天平载荷分量 施加载荷时载荷分量 的(类误差)可以表示为机械制造赵子甲等用于旋翼试验台的双通道六分量天平设计()式中()为天平受到载荷分量 作用时载荷分量 输出力/力矩最大值根据标定数据计算天平各载荷分量的测量误差结果如表 所示 计算天平测量误差时各载荷分量实测值为、两组传感器所测六分量载荷的平均值 由表 可知双通道六分量天平的类误差小于.类误差小于.天平标定实验的误差来源主要包括天平加工装配误差、应变片粘贴误差、数据采集系统误差、标定载荷加载误差等 在进行天平标定实验时上述误差难以完全消除需要对标定数据进一步处理来降低天平的测量误差表 双通道六分量天平测量误差 单位:(力/力矩)/(/)测量误差.理想的六分量天平各载荷分量的测量值仅取决于该载荷分量上施加的力/力矩然而由于耦合误差的存在天平在受到单分量载荷作用时会对其他载荷分量的输出信号产生影响 为提高天平的测量精度可根据天平的标定数据进行解耦计算从而降低耦合误差 天平标定数据解耦是一个非线性问题但通过变换可按线性问题来处理对双通道六分量天平标定数据进行线性解耦时可根据最小二乘法原理求解天平的解耦矩阵进而对各载荷分量的测量值进行修正在进行双通道六分量天平标定实验时基于 的数据采集软件能够实现电压力/力矩转换并记录各载荷分量的标定载荷值与实测载荷值标定完成后可得到天平的标定载荷矩阵与实测载荷矩阵 天平标定载荷矩阵与实测载荷矩阵的关系为(为 标定载荷矩阵 为 实测载荷矩阵 为 解耦矩阵 为标定实验次数)为列满秩矩阵其广义逆矩阵 ()因 此 可 知 天 平 的 解 耦 矩 阵()为减少标定实验中随机误差和非线性的影响天平标定实验次数要远大于天平维数 根据多次标定实验记录的数据在 软件中导入矩阵 与矩阵 计算得到双通道六分量天平的解耦矩阵 为.()根据、计算各载荷分量解耦后的输出值 解耦后天平各载荷分量的类误差与类误差如表 所示 采用最小二乘法解耦后天平的类误差小于.类误差小于.根据最小二乘法原理对标定数据进行解耦可有效降低天平的测量误差解耦矩阵 可用于双通道六分量天平实际测量过程表 最小二乘法解耦后天平测量误差单位:(力/力矩)/(/)测量误差.在求解解耦矩阵 时实测载荷矩阵 中各载荷分量为 组与 组传感器实测载荷的平均值 为进一步提高双通道六分量天平的测量精准度可根据 组传感器与 组传感器的标定数据分别计算解耦矩阵 与 根据解耦后 组传感器与 组传感器六分量载荷测量精度对两组传感器各载荷分量输出值加权处理得到六分量载荷 结语双通道六分量天平可同时输出两组六分量载荷在进行旋翼试验台主轴载荷测量时两组载荷值相互对照便于发现异常测量数据提高天平载荷测量精度与可靠性利用有限元仿真技术对天平性能进行评估在单分量满量程载荷作用下天平具有较大的输出应变天平测量灵敏度性能符合旋翼试验台使用要求 根据最小二乘法原理对天平标定数据进行解耦计算可有效降低天平的类误差与类误差提高天平的测量精度参考文献:./().:././():.于常安王罗何显中等.航空矢量喷管测试平台用六分量盒式天平结构设计.航空动力学报():.任宗金张亚娟张军等.大长径比模型多维气动力测量天平设计.传感器与微系统():.().:.收稿日期: