（机械设计及理论专业论文）六分量风洞天平校准系统的设计.pdf

，砭钞卵；六分量风洞天平校准系统的设计机械设计及理论专业研究生李瑁指导教师姚进应变天平是风洞空气动力学实验中的专用测试装置，被广泛应用于航空、航天、建筑、高速机车以及武器研制等领域。在应变天平进入风洞进行实验测试之前，需要对其进行变形一一载荷的标定，提高了测量精度。本文完成了对应变天平的校准系统的设计工作，主要的工作和成果如下：本文提出了六分量风洞天平校准系统的总体方案，划分出系统的机械装置、检测系统、加载装置、数学修正等功能模块，选用并确定了系统的硬软件平台。在i n v e n t o r 、a n s y s 、d e l p h i 等集成开发环境中，设计并实现了各模块的功能。通过对校准系统工作过程和工作原理的分析，总结出了天平校准系统的主要误差来源。本着提高精度，降低成本，减少调节周期的原则，对天平校准系统中的承载基座、六自由度位姿测量系统、六分量载荷加载系统、地轴校方案选择和数学修正、数据处理软件的开发以及机构重要部件的有限元分析等做了设计和研究工作。在六自由度位姿测量系统的设计上，采用了激光发射器和p s d 光电位置探测器相结合的办法，进行无接触高精度测量。可以得到很高的精度，满足技术要求。同时，由于激光发射器和p s d 位置探测器都是成熟技术产品的应用，与其他测量方法相比可以具有较低的成本。在六分量载荷加载系统的设计上，采用了比较成熟可靠的砝码加载法。在分析加载误差来源后，设计了载荷方向转换机构，并对转换机构带来的误差进行了计算和分析，证明加载系统能够很好地满足精度需要和技术要求。在有限元分析上，通过准确建模，对机构的最重要部件支撑杆作了力学结构分析，得到了机构主要部件的变形数据。设计结果表面：设计能够满足技术要求。在软件系统的开发上，使用了数据库管理系统，和用软件开发平台d e l p h i 和桌面数据库a c c e s s 的结合运用，完成了数据的采集、存储、处理、查询、修改、打印、输出等功能。关键词：校准，风漏天平，位姿检测，六分量加载d e s i g no fc a l i b r a t i o ns y s t e mf o rw i n dt u n n e lb a l a n c ew i t hs i x - c o m p o n e n t sl o a dm a j o r ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r yp o s t g r a d u a t e ：l ij u ns u p e r v i s o r ：y a oj i nt h eb a l a n c e ，w h i c hi sw i d e l ya p p l i e di na v i a t i o n ，a s t r o n a u t i c s ，a r c h i t e c t u m ，h i g h - s p e e de n g i n e sa n dw e a p o n sm a n u f a c t u r e ，i st h ep r o f e s s i o n a lt e s t i n ge q m p m e mi na e r o d y n a m i ce x p e r i m e n t t h eb a l a n c em u s tb ec a l i b r a t e df o rd e n e c d o n c o m p o n e n tl o a df o ri m p r o v i n gt h em e a s u r ep r e c i s i o nb e f o r ei tw a sp u ti nu s e 豇l i st h e s i sh a sc o m p l e t e dt h ed e s i g nw o r ko fh a l a n c e sc a l i b r a t i o ns y s t e m t h em a j o rw 0 r ka n dr e s u l ta r e 硒岛l l o w s ：ac o l l e c t i v i t yp r o j c c ta b o u tt h ec a l i b r a t i o ns y s t e mo fw i n dt h a n e lb a l a n c ew i t hs i xc o m p o n e n t si sp m p o da n dc o n s i s t so fs e v e r a lf u n c t i o n a lm o d u l e ss u c ha sm e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，m e a s u r i n gs y s t e m ，w e i g h t i n ge q m p m e n ta n dm a t h e m a t i c sc o r r e c t i o n e a c hf u n c t i o nm o d u l ei sa c c o m p l i s h e di ni n v e n t o r , a n s y sa n dd e l p h i ，a c c o r d i n gt oa i la n a l y s i so fe a l i b r a t i o ns y s t e m s6 p e r a t i o np r o c e s sa n dw o r kp r i n c i p l e t h em a i ns o u r c e so fe r r o ri nt h ec a l i b r a t i o ns y s t e ma r ea n a l y z e d i no r d e rt oi m p r o v et h es y s t e m sp r e c i s i o n ，r e d u c ei t sc o s ta n dd e c r e a s ei t sa d j u s tc y c l e ，t h es y s t e m sb e a r i n gb a s e , p r o j e c to fc a l i b r a t i o nw i t hn o n - r e p o s i t i o n i n ga n ds i xc o m p o n e n t sw e i g h t i n gs y s t e ma r ed e s i g n e d ，m a t h e m a t i cc o r r e c t i o na n dd a t ap r o c e s s i n gs o f t w a r ea r ed e v e l o p e d ，a n dt h em a c h i n e sm a i np a r t s ，s u p p o r tp o l e ，i sa n a l y z e di nt h ef i n i t ee l e m a n tm e t h o d i nt h ed e s i g no fm e a s u r e m e n ts y s t e mo f6d e g r e e so f 行e e d o mo fd i s p l a c e m e n ta n do r i e n t a t i o n , t h en o n - c o n t a c t e dh i 【g h - p r e c i s i o nm e a s u r e m e n ti sa d o p t e d t h i sm e t h o dc a ng e tah i g l lp r e c i s i o na n ds a t i s f yt h ed e m a n do ft e c h n o l o g y b o t hl a s e re m i t t e ra n dp s dp h o t o e l e c t r i cd i s p l a c e m e n ta n do r i e n t a t i o ns e n s o r & r em a t u r et e c h n i c a lp r o d u c t s ，a n dt h i sm e t h o dh a sai o w e rc o s tc o m p a r e dw i t h0 t h e rm e t h o d s i nt h ed e s i g no fw e i g h t i n gs y s t e mo fs i xc o m p o n e n t s , ar e l i a b l es y s t e mc a l l e dp o i s e sw e i g h t i n gs y s t e m ，i si n t r o d u c e d t r a n s f o r m i n gm e c h a n i s mo fc o m p o n e n tl o a dd i r e c t i o ni sd e s i g n e da f t e ra n a l y z i n gc o m p o n e n tl o a d se r r o r ss o u r c e s n l ea n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no fc o n c o m i t a n te n o rf i o mt r a n s f o r m i n gm e c h a n i s mh a v ea l s 0b e e nd o n et o l a k es i l l t h a tw e i g h t i n gs y s t e mc a ns a t i s f yr e q u i r e m e n tf o rp r e c i s i o n o nt h eb a s i co fa c c u r a t em o d e l i n g ，t h ed e f l e c t i o nd a t ao fm a c h i i l e sf o r e m o s tp a r t , s u p p o r tp o l e i so b t a i n e db yt h ef m i t ee l e m e n tm e t h o d t h ea n a l y s i sr e s u l ts h o w s 也a tt h es y s t e md e s i g n e dc a ns a t i s f yt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t a n dw o r kc r e d i b l ya n dp r e c i s e l y i nt h ep a r to fe x p l o i t a t i o no fs o f t w a r es y s t e m ，d a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m( d b m s ) i sd e v e l o p e db yu s i n gb o t hs o i t w a r ee x p l o i t a f i o np l a t f o r md e l p h ia n dd e s k t o pd a t ab a s ea c c e s st oc o l l e c t ，s a v e ，p r o c e s s ，i n q u i r e ，c o r r e c t ，p r i n ta n de x p o r td a t a k e y w o r d ：c a l i b r a t i o n ；w i n dt u n n e lb a l a n c e ；m e a s u r eo fd i s p l a c e m e n ta n do r i e n t a t i o n ；s i xc o m p o n e n t sw e i g h t i n g 四川大学硕士学位论文l 绪论1 1 课题的意义和目的1 ，1 1 应变天平校准背景及意义在航天、航空和武器研制领域，常需要对高速飞行物体如飞机、火箭、航天器和炮弹等做空气动力学试验，以获得飞行器在空气中所受的力和力矩，在高速状态下的变形、材料的热效益等参数，用以对飞行器的飞行角度、流线型外形设计、气流对飞行控制的影响、耐热材料的选择等等诸多方面的研究工作提供参考数据资料。对飞行器的空气动力学试验通常就在风洞中进行，将飞行器模型静止安装好以后，根据实际需要以高速，超音速甚至是数十倍音速的速度让气流从风洞中流过，以模拟飞行器的告诉飞行状态。在试验过程中以特殊的测试装置测得飞行物体所受的载荷和变形及其他一些重要数据，在风洞空气动力实验中运用的特殊测试装置就称为应变天平。在应变天平放入风洞使用之前，一般需要根据试验中被测模型的类别和由此选用的应变天平的不同规格型号进行载荷变形标定工作，为应变天平在风洞中工作时进行变形载荷测量做先期准备，对作用在飞行器模型上的气动载荷测量的精确度不仅取决于天平本身具有的性能，而且取决于对天平校准的精确度，而风洞天平校准设备的性能是能否对风洞天平进行精确校准的关键。因此，国内外都十分重视风洞天平校准设备的研制工作i l j 。1 1 2 本课题的目的高超声速风洞是中国空气动力研究与发展中心经常使用的试验环境。对于应变天平的运用特点是使用频繁，精度要求高。其原有的六分量天平校准系统存在着测量校准时间较长、精度达不到要求、测量校准程序繁琐容易出错等问题。为了确保高超声速风洞六分量天平校准系统能够满足试验实际要求，达到较高的校准精度，进行了应变天平校准系统的设计和研究工作。凹川大学碘士学位论文1 2 天平校准系统研制技术现状及发展趋势各国的天平校准设各尽管五花八门，但总起来看，不外乎地轴系和体轴系校准装置并存删。在体轴系校准装置中，分为补偿型和非补偿型两种。地轴校是以i 重i 定坐标系作为参照系，载荷加载需后期修正；体轴校是以天平加载体上的坐标系作为参照系，载荷加载需复位调节。地轴校的载荷修正数学方法的研究已经有了较大的发展，对地轴校的载荷修正已经能达到很高的精度，在实际应用中取得了很好的效果，目前国内外许多成熟的校准设备都在使用地轴校准p j 。体轴校由于存在一个复位调节的步骤需要精度极高的复位调节装置无。过去受加工手段和精度的影响，这个复位机构的精度会给整个校准过程带来比较大的误差【4 j 。随着加工方法的发展，复位机构的加工精度影响降到次要位置。国外先进的校准设备已经逐步向体轴校准的方向发展。国内目前也已经从过去的地轴校和体轴校并行发展的状况逐渐倾向于对体轴校准的研究。但是，国内的加工手段和加工精度一直落后于国外先进发达国家一段距离，在复位机构的加工精度尚未得到足够的保证情况下，地轴校准仍然有着较大的发展应用前景。在载荷加载上，存在一个多元校和单元校选择的问题。单元校是指单元素加载进行校准，多元校是指多个方向上的力和力矩同时加载进行校准。在静校设备一定的条件下，研究改进静校方法能提高天平工作公式的精准度。目前大家正从不同的角度研究多元静校法的加载方案和计算方法，其中对加载方案的研究更活跃些川。我国天平多元校研究工作已经进行了十几年，目前此项研究仍在继续，怎样提高多元校公式的准度、稳定性和可信度仍是多元校研究的目标。传统载荷源多有采用砝码加载的，这样可以靠砝码精度保证加载精度，尽可能地减少误差源。但是随着加工手段和加工设备的发展，目前国际上已经在很多校准平台的研制中不采用传统的砝码，而是改用了各类力发生器和测力传感器。目前国内对载荷源的选择和如何保证载荷源施加载荷的精确度方面还在做着积极的研究工作。为了尽量使校准规范化，针对各国间，甚至一国的不同单位间，在天平校准和数据处理方面都有不同的情况，造成了技术交流上和结果评审标准上的困难，在美国宇航学会( a i a a ) 地面试验技术委员会( o r r c ) 的支持下，于1 9 9 4 年6 月成立了内式天平技术工作组目前就天平型式( 分为力型、力矩型和直接读四川大学硕士学位论文出型) 、力和力矩等术语，天平轴系和力矩参考中心等作出了规定，对技准报告应包含的信息作了规定【6 。i 3 本课题研究的主要内容1 利用i n v e n t o r 5 0 完成对具有x 轴向位置调整功能的机械台体的设计研究工作。完成了台体各部件的结构设计；完成了整体的结构和装配设计：完成了整体结构的三维模拟仿真：提出了台体各个部件的技术指标。2 对六分量高精度天平静校载荷自动加载系统进行设计和研究。采用了比较成熟可靠的砝码加载法；在分析加载误差来源后，设计了载荷方向转换机构，使得加载系统能够很好地满足精度需要和技术要求。3 对六自由度、无接触式天平空间位置姿态检测装置和计算方法进行研究。完成了位姿测量系统的原理设计；完成了位姿测量的数学建模工作，对天平受载体的空间位姿确定做做出了计算；完成了位姿测量装置各个部件的结构设计；提出了装置的性能技术指标。4 对位置姿态的检测和载荷加载系统的精度和误差进行分析研究，对数学方法进行修正。完成了施力误差、测量误差、滑轮和万向球铰安装误差等重大误差的分析和计算；完成了地轴校数学方法的修正工作，对载荷进行了后期修正。5 对机构的重要部件进行有限元分析，利用a n s y s 完成对机构受力的分析工作：通过准确建模，对机构的最重要部件作了力学结构分析，取得了机构主要部件的变形数据，使系统准确可靠地实现预期设计思想。6 根据测量得到的数据进行数据处理，对天平进行载荷位移标定工作，利用d e l p h i 完成对数据处理标定软件的研制开发工作，利用软件开发平台和桌面数据库的结合运用，完成了数据的采集、存储、处理、查询、修改、打印、输出等功能。四川大学硕士学位论文2 系统方案与设计2 1 系统功能要求天平校准系统基本功能要求如下：a 机械台体可以进行轴向位置调整，满足不同长度支杆时天平校准的需要；具有现场运动控制装置，便于现场调整机构轴向位置并可人工手动调节；b 在设计载荷范围内，可实现天平校准载荷的快速、准确地自动加载和载荷值的精确检测；载荷系统应能够进行六分量多量程地加载；c 天平空间位置检测系统应能精确地检测出天平加载变形前后的位置姿态情况，可自动、实时检测和记录载荷变化后天平支杆的弹性变形角；d 系统控制和数据处理软件能够满足天平静校和数据处理的要求；e 系统运行过程中( 包括运动和静止) ，应平稳、无明显振动和噪声；f 系统的天平安装台体固有频率高于l o k h z ，并采取必要的隔振措旌；g 伺服驱动系统采用交流伺服电机；h 数据采集模块采用仪表级产品，分辨率不低于61 2 位；i 系统应具备同其他系统进行数据交互和协调动作能力：i 检测系统、加载系统应具有掉电自锁和自动保护功能；k 系统应具有独立的控制台和供电电源；1 系统控制软件以w i n g x 或w i n 2 0 0 0 作为软件平台，应具有良好的冗错性，可以避免误操作而造成系统损坏。2 2 系统技术要求该六分量天平校准系统的技术要求为：( 1 ) 主要用途对中l 米高超声速风洞所用六分量( 含六分量) 应变天平实施静态校准，获得天平静校准公式、静校精度和准度。( 2 ) 系统基本组成a 具有轴向x 位置调整功能的机械台体( 如图2 1 所示) ；b 六分量天平静校载荷自动加载系统；四川大学硕士学位论文c 六自由度、无接触天平空间位置检测装置；d 控制系统( 含伺服驱动系统和控制计算机) ；e 天平校准数据采集系统；f 与天平静校控能相适应的系统运行控制软件g 其他相关外设。图2 一l 系统机构简图( 3 ) 系统校准载荷范围轴向载荷：x = o 8 0 0 0 n ；法向载荷：y = o 8 0 0 0 n ；授4 向载荷：z = 0 3 0 0 0 n ；俯仰力矩：m z = 1 2 0 0 n m ；偏航力矩：m y = 4 5 0 n m ；滚转力矩：m x = 1 0 0 n m各分量的校准范围分为3 4 档( 4 ) 测位系统精度范围及分辨率角位移：测量范围3 。，分辨率应高于2 ”；线位移：+ 5 r a m ，分辨率应高于0 0 0 5 m m 。四川大学硕士学位论文( 5 ) 系统精度要求a 天平角位移测量误差：小于5 ”b 天平线位移测量误差：小于o 0 1 r a mc 施力值检测误差：小于0 0 1 5 施力系统综合误差( 由施力误差、位置检测和加载装置加工误差等综合因素造成的天平校准载荷不确定度) ：小于0 0 3 。2 3 技术分析与方案选择2 3 1 单元校和多元校的分析和选择应变天平校准中的载荷加载称为六分量加载，是指坐标系中三个坐标轴方向的力的载荷f x 、f y 、f z 和绕三个坐标轴的加载的力矩m x m y 、m z 。所谓单元校准是指在校准过程对天平的加载是单一元素逐进行加载校准的过程。丽多元校准是指在校准过程中，多元载荷的同时组合加载进行校准的过程。天平静校就是求取加载值和电桥输出信号值的对应关系，即求取一组工作系数，要求用该组系数计算出的载荷值与实际的加载值符合最好，也就是希望天平工作公式有高的精准度。天平工作公式的精准度主要取决于静校设备和静校方法。在静校设备一定的条件下，研究改进静校方法能提高天平工作公式的精准度。目前大家正从不同的角度研究多元静校法的加载方案和计算方法，其中对加载方案的研究更活跃些。多元校准所得公式的精度较高，准度和公式稳定性差，单元校准的精准度高、公式稳定性好、可信度高，但加载工作量要大此【7 i 。我国天平多元校研究工作已经进行了十几年，目前此项研究仍在继续，怎样提高多元校公式的准度、稳定性和可信度仍是多元校研究的目标。用“正交设计法”安排载菏、用“逐步回归法”求取天平工作系数都是较好的方法。但是由于加载组数有限，矛盾方程组无精确解，高维方程组容易出现病态等问题，又有些主元加载要经过滑轮，存在轴承摩擦力矩的影响，因此得到准度高稳定性好的解有一定困难。单元校的解是单因素函数的解，所有主项系数用直接重力加载得到，避免滑轮轴承摩擦力矩的影响，这样能进一步提高公式的精准度和稳定性。因此公式的准度，稳定性和可信度高，只是加载工作量很大例。校准天平，既希望得到精准度高、稳定性好，可信度高的天平工作公式又四川大学硕士学位论文希望加载的工作量小，单元校和多元校恰好在上述两点上各具其一。法国宇航研究院莫当实验中心追求天平工作公式的高精准度，用单元校准、不施加检验组载荷。而瑞典航空研究院( f f a ) 为了节省天平的加载工作量，采用的是多元校准。用加载处理的载荷值( 法码) 代替各分量的真实受力，并作为天平加载的真值来计算误差。真值本身的误差有多大? 由静校设备引入的对载荷而言是非线性的寄生分量，在单分量和两两组台加载时，尚可通过测量和计算作适当修正而予咀补偿( 实际上也未进行) ，综合加载时连这一点也难以作到。因此用综合加载法来检验单元校的静校系数，必然会引入设备所带来的误差。多元校时，就显得对设备的问题不很敏感，其原因是多元校具有将误差向各系数分摊或误差平均的效应( 类似即使不正确的数据也得到精密度不错的结果一样) 。因此，纵观国内外的情况，这两种静校方法都有足够的精度，都在不同的研究部门获得实际应用。h由于在实际的技术磋商中，使用方提出目前现有的校准系统调节周期很长，程序繁琐，希望能够减小工作量，所以经研究后，决定在满足精度前提下使用加载工作量较小，效率较高的的多元校法。2 3 2 体轴校和地轴校的分析和选择地轴校是指位姿确定和载荷施加的参照坐标系坐标轴是以地球固定坐标系为基准进行的天平校准方法。体轴校则是指参照坐标系坐标轴是建立在被校准的应变天平自身上的校准方法，该坐标系坐标轴会因为天平本身的位姿变化而发生偏移。传统的天平地轴校准台采用地轴系加载，所得到的是天平地轴静校公式该公式是天平和支撑系统弹性位移的函数。因此，用某一支杆静校的天平公式，必须在该支杆上使用才能保证获得该公式的边界条件和公式的准度。固定在地轴校准台上的天平，在静校加载时，天平及支撑系统产生弹性变形。因此，天平的校准中心随所施加的载荷不同，便有不同方向和量值的线位移。然而，加载系统中的滑轮支座是固定不动的，所以，以天平校准中心为坐标原点，以施力方向为坐标轴的所谓地轴坐标系，在受载后由于原点偏移，就失去了原地轴坐标系的基本特性，原来三个相互垂直的沿坐标轴的施力不再垂直，这就是所四川大学硕士学位论文谓的准地轴坐标系。若用高刚度支杆静校天平则能消除太部分准地轴系统误差，提高静校公式的准度。天平进行不回零校准( 地轴校准) 时，加载后天平和支杆变形，使载荷与天平轴系几何关系发生变化，所得天平校准公式不同于体轴校正结果，在无体轴校正台的情况下应对不回零校正载荷进行修正。载荷修正的关键是正确地测量天平受载后的变形【】。从原理上讲，体轴校正是正确的。因为天平每加一组载荷，始终通过改变基座的角度与位置使所施加载荷与天平的受载体轴线相垂直，所以，用体轴校正所得天平公式来处理吹风数据，无疑是标准的。地轴校正时，由于天平受载变形，未加任何调整措施，则所加载荷与天平加载体的轴线不垂直，因此带来较大的误差。为了提高风洞天平的测量精确度，在天平校正比最根本的办法是采用体轴校。对于没有体轴系天平校正台的风洞，用地轴校结果处理吹风数据，若对天平地轴校的载荷，进行修正后，与输出信号组合算出天平公式，再对吹风记录进行数据处理，则可得到修正后的结果。有实验表明，可以用修正的方法，使地轴校的天平公式得到接近于体轴校的吹风结果【1 l 】。在实际需求中，使用方提出，原有的体轴校复位系统操作繁琐，且复位后的精度无法确定，希望能够简化操作程序，缩短调校周期，并能得到可靠、更高的精度。在研究后认为，可以使用地轴校方法，再进行载荷修正，达到预期的更高精度要求。当然这就为正确测量天平受载后的变形提出了更高的难度，需要测量系统达到更高的检测精度。经过分析，研制开发了一套新的位姿检测系统可以满足使用要求。如果使用体轴校的办法，将为系统增加设计一个六分量的天平复位调整机构，由于校准精度达到微米级，所以这个复位机构的精度要求非常高，将大大地增加设计制造的费用；如果使用地轴校的办法，可以省去这个复位机构的加工，可以减少成本、也缩短了调校周期、减少了复位系统的后期维护工作。当然，由于采用的六自由度位姿检测系统的特殊性，即可以快捷精确地测量出天平任何时候任何变形的位置和姿态，所以，本系统的设计方案也可以根据使用方的要求不同，快速地增加天平六分量复位调校系统，使整个校准方式转变为体轴校为主的校准，而不需要改变其它系统的设计。2 3 3 六自由度位置姿态测量方法的分析在普通的多自由度检测系统中，可以使用有接触测量和无接触测量。有接四川大学硕士学位论文触测量如电阻法，压电材料方式等成本一般较为低廉，且技术成熟，维护简单，但是常需细小线路连接以传导信号和变形参数，由于在本系统中天平上的加载精度和位姿变化的测量精度都要求非常高，如果有有线路连接，由线路的微小施力和阻碍，可能导致天平所受载荷和变形发生偏差，不利于精确测量，所以选择使用无接触测量法。在无接触测量方法中，也有多种方式和设备可供选择。目前用于测量运动物体空间方位的技术包括机电法、电磁法、声学法、光电法和惯性法。视觉坐标测量( 如c c d 探测器) 是近年来测量领域中的新测量技术。所谓视觉坐标测量，就是利用光学成像，通过分析成像变化，达到对被测点坐标测量的目的。因此，在被测点与成像图像之间建立正确的求解关系，即系统的建模是实现视觉坐标测量的关键问题。系统模型的建立是与系统的组成密切相关的。目前已有的视觉坐标测量系统，如固定点视觉坐标测量系统，三维扫描视觉坐标测量系统，多视点视觉坐标测量系统等，都是通过直接从被测表面获得图像建立系统模型。出于各被测表面差异很大，因此在其上寻找求解计算用的特征点比较困难，而由此建立的系统模型也比较复杂，且多数隋况下需要求解非线性方程组，求解过程相对复杂“。磁阻传感器测量法也是应用较广的方法之一。当沿着一条长而且薄的铁磁合令带的长度方向施加一个电流，在垂直于电流的方向旌加一个磁场，合金带自身的阻值会发生变化，这就是磁阻现象。磁阻传感器是7 0 年代中期才出现的新型磁性传感器，由于磁阻传感器具有灵敏度高、体积小、温度特性好、工作频率高以及易于与数字电路匹配等优点，以致于虽然它远比霍尔器件、半导体磁敏电阻等出现晚，但它的发展迅速，使其在磁性传感器中占有的比重越来越大、应用领域也进一步扩大。但是磁阻法计算公式是理想状态下的测量计算方法，即认为地磁场在很大的范围内是均匀的，没有受到干扰。但地磁场不可避免地会受到环境因素的干扰，如铁磁性物质将引起地磁场的扭曲，而电磁场也会与地磁场形成磁场叠加，这都引起磁阻传感器的测量误差，导致指示方向产生误差，因此，必须考虑这些因素对测量的干扰【l 引。在实际应用中，系统必须采取抗干扰措施和特殊的数字信号处理技术，这就增加了使用的难度和局限条件，在本项目中，由于精度的高要求，必须对磁场条件进行另外的监控，必将增加成本和不可靠性，同时，该种方法的精度就目前的实际应用情况来看，还四川大学硕士学位论文很难达到微米级的测量范围。近年来，超声波测量技术在制造成本、测量精度、测量范围和环境适应性等方面均具有较大的发展。超声波测量六自由度需要在三点固定三个不同频率的超声波发射器，在另外九个点固定相应的超声波接收器( 每三个接收器接受一个发射器的信号) ，根据发射信号和接收信号之间的相位关系分别测量九个接收器到三个发射器之间的距离，然后将数据代入矩阵方程求出运动物体的位置和姿态。超声波空间方位确定法的测量精度和分辨率不仅与测距单元的测量精度及分辨率有关。而且与3 组接收器和3 个发射器的分布边长密切相关，其中3 组接收器的分布边长主要影响三个发射器空间坐标的测量精度和分辨率，而3个发射器的分布边长将直接影响物体空间姿态角的测量精度和分辨率【1 4 1 。也就是说该方法对于1 2 个超声波发射器和接收器的安装位置要求很高，必须符合一定的几何条件才能得到比较满意的结果。由于被校准的天平多种多样，这就为安装固定带来了较高的难度，对于每个传感器的位置安装都需要精确得到，造成了测量程序上的繁琐和较高的成本费用。另外，目前国外比较先进的还有有激光干涉法，套现成的满足精度要求的激光干涉仪售价大概在3 0 万美元左右，价格极其高昂，也不是理想的选择。在综合考虑了多方面的因素后，决定采用国内技术比较成熟，价格比较低廉，安装简单，精度也比较高的激光测量法。在使用激光测量的基本前提下，也有许多种不同的应用激光的方法。目前，在国内外相继研制的多自由度测量系统中，大都采用多激光束进行，在光路中加多个分光元件，将单一激光束分为多束作为测量基准，利用每一束光所带的位移信息采用和一般准直仪相同的测试原理，来测量出各自由度的偏差【1 5 1 。这种简单的分光方法所分出的光束独立性不好，作为测量基准时，其相对位置精度难以保证，而且多元件的采用佼得测试系统的可动部分不易小型化。基于以上原因，本设计方案采用了激光发射器和p s d 光电位置探测器相结合的办法。激光发射器小巧，易于安装，可自带电池供电，便于无接触测量；p s d 光电位置探测器位置分辨率高、响应速度快、处理电路简单以及位置信号与落在探测器上的光斑形状无关。通过巧妙构思和严密分析研究，利用独特的数学建模准确地描述了天平上加载体的位置和姿态变化，可以得到很高的精度，满足技术要求。同时，由于激光发射器和p s i ) 位置探测器都是成熟技术产品的四川大学硕士学位论文应用，所以价格比较低廉，与其他测量方法相比可以具有较低的成本，全套测量系统大概只需要十万元左右。2 3 4 六分量加载系统方案选择六分量加载包括力的三分量f x 、f y 、f z 和力矩三分量m x 、m y 、m z ，为了方便六分量综合加载，每一分量采用与天平测力中心对称旋加两个力的方式。两力相等为力加载，不等为力矩加载t “。经过研究分析，采用了顶举式砝码自动加载系统。实现砝码自动加载是提高系统自动化程度的重要环节，采用顶举式硅码加载，克服了采用传统砝码加载需人工搬送所带来的不便，实现了天平校准载荷自动加载，确保了施力精度【1 7 】；同时，又避免了采用液压箍力或电机拖动等加载方式所带来的系统控制复杂、测量和传感器标定等问题，在满足系统精度和自动化程度等要求的前提下，简化了系统机构，提高了可靠性和可维护性，并节约了研铷经费。掇裁系统准备采用六种规格3 6 串砝码( 分别为o 2 k g 、o 5 k g 、l k g 、2 k 、5 k g 、l o k g ，并可按一定的方法加以组合使用，大大提高了校准量程与天平设计载荷的匹配程度，可以满足校准多分量不同量程天平的需要。2 3 5 有限元方法对机构主要部件的受力分析有限元法( f i n i t e e l e m e n t m e t h o d ，f e m ) ，也称为有限元单元法或有限元素法，基本思想是将求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互连接在一起的单元的组合体。它是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。佳统的产品生产过程；萏先由专家依据个入经验初步设计出产品，然后根据此作出模型，再做出产品。成品完成后，再进行试验，对设计上的问题进行修改。进行重新设计、制造、试验分析。这不但耗费大量的时间，也耗费了大量的人力物力。计算机的发展和广泛应用改变了这种情况，大大提高了产品开发、设计、分析和铡造的效率和产品性能。用计算机软件直接绘制产品缩构，称为计算机辅助设计( c o m p u t e r - a i d e dd e s i g n ，c a d ) ；用计算机对设计产品实时或者进行随后的分析成为计算机辅助工程( c o m p u t e r - a i d e de n g i n e e r i n g ，c a e ) 。有限元法就是计算机辅助工程c a e 中的种，能预先对许多工程问题四川文学礤士学位论文得出解析解i 1 9 1 。在本系统最终设备制造出来之间，对于所设计枫构能否满足设计要求，系统能否可靠、准确地实现预期的设计思想，还只是停留于书砸计算和经验公式的基础上。所以，在机构设计完成后，对机构的最主要部件傲有限元分析，可以预先估计机构的受力情况，可以得到机构主要部件的变形数据，再反向验算机构的变形误差是否会影响设计日的实现，以及对精度豹影跪是否在允许范围内。2 3 6 载荷修正方案选择在风洞天平的静校中，目蔚普遍使用回零校正与不回零校正两种方法。所谓回零校正，是指在天平静校过程中当天平受载变形后，采恩机械或其它方法使天平体回复原有位置。使所施加的载荷始终垂直于天平体( 或称体轴校b 不四零校正是指在天平受载变形后不采用任何补偿措施，所施加的载荷与天平不严格垂直( 或称地轴校) 。这两种校正方法都分别为各风洞所采用。为了对不回零校正结果进行修正，推导了三种修正方法( 直接几何法、坐标交换法、直接投影法) 进行修正计算。计算结果表明此三种方法豹修正均有一定效果1 2 。】。直接几何法中，分别考虑了法向力n 、侧向力c 作用时变形的几何关系及力的投影关系，然后考虑它们所形成的力矩及各分量之闯舶榴互影响。由于是各分量分别考虑的所考虑的相互影响可能不够全面，甚至丢失某些硬，但抓住了主要因素。坐标变换法中，首先找出所施加力与未变形前的坐标辅之间的几何关系，将这些力投影到该轴系，然后用坐标变换分别将这些投影转换到天乎变形后的体轴系上，并求出天平体轴系上的力和力矩分量。直接投影法中，直接找出各力分量在天平体轴系上的投影，然后根据这些投影分别求出各力矩分量。在直接投影时角度韵空间关系有近似之处，但作为经验公式工程应用，这是允许的。由于独特位姿测量装置将准确得出新体轴坐标系，本系统设计将采用直接投影法。四川犬学硕士学位论文2 3 7 数据采集和处理软件和数据库的研制方案应变天平校准就是要对天平的所受载荷和偏移量做标定工作，所以就需要对所采集的数据建立数据库，编制数据处理软件。该数据库软件能够完成数据的采集、记录、分析、处理、查询、搜索、编辑、打印等功能。2 4 系统总体方案根据系统的功能要求和性能要求，设计了系统的总体方案，见图2 1 。图2 1 天平校准系统构成与控制框图四川大学碗士学位论文如图2 1 所示，被校天平及加载头通过刚性支杆牢固地安装在校准系统台体上，加载头模拟风洞试验时飞行器模型安装在被校天平的模型端，主控计算机向加载驱动系统发出命令。加载驱动系统驱动旌力装置对被校天平施加校准载荷。在校准载荷作用下，被校天平和支杆的变形使加载头产生空间位置和姿态的改变，被位于加载头前面的六自由度位姿检测系统监测，并将新的加载头的位姿信号传回主控计算机。计算机内的数据处理软件和载荷修正系统将所得数据信号记录下来，将数据处理分析，进行载荷修正，这就完成了一个载荷改变的地轴系加载校准过程。2 5 开发工具2 5 ，1选用i n v e n t o r 5 3 作为系统机构的设计开发工具i n v e n t o r 是a u t o d e s k 公司开发的一套专门为机械设计使用的三维设计软件，目的是使三维设计软件真正成为业界在设计生产上的辅助工具，真正解决所有设计生产可能出现的问题。i n v e n t o r 具有许多杰出的特点和功能。i n v e n t o r 能更好地支持工程师的设计思维，它提出的设计流程强调的是先符合产品的功能需求。先满足设计需求，再从装配零件之间的关联特性进行各相关零件的设计，这种由上而下的设计流程与现实生活中的设计观念是一致的。一件产品应该是由需求功能做导向，进而设计出符合需求的零件，而不是先生产单独的零件，再去满足整体的功能需求。i n v e n t o r 最大的特点在于它是先满足功能的需求，再进行零件的设计，并且在进行零件设计时，这些零件已被一些客观的约束条件所约束，因此这样生成的零件符合我们的设计要求。i n v e n t o r是以产品的需求功能作为设计的导向，根据装配的约束关系创建零件，二维草图即可作机构的仿真分析，基于装配的关联设计。i n v e n t o r 还具有友好的操作界面，a u t o c a d 所以有这么大的市场占有率，其中一个重要原因就是友好的操作界面。作为a u t o c a d 同公司的产品，i n v e n t o r不但带有下拉菜单和对话框，而且提供了两项当前三维软件都具备的界面：命令区及浏览器窗口。命令区的使用可以简化以往多层次下拉菜单的使用，无需记忆命令可能位于哪一层菜单里，浏览器窗口记录了命令的操作过程，以便更新及修改。所以综合i n v e n t o r 的操作界面，大概可以有以下四个方向：专业的四川大学硕士学位论文中文操作环境，简单易懂的图形化操作窗口，便捷的命令浏览器窗口，体贴的设计辅助系统。i n v e n t o r 具有完全的解决方案。对于机械工业而言，i n v e n t o r 是一套几乎完全的解决工具。从一开始的项目管理，工作分配及设计资源共事，都可以通过i n v e n t o r 的项目功能，在局域网或i n t e m e t 上实现，甚至通过n e t m e e t i n g 开在线设计会议l “j 。2 5 2 选用a n s y s 5 7 作为有限元分析的工具美国a n s y s 公司开发的a n s y s 软件是一个功能强大的有限元通用软件，具有强大的前处理、求解和后处理功能，目前广泛应用于航空、航天、汽车、船舶、铁路、交通、电子、机械制造、地质矿产、水利水电、石油化工、煤炭核能、生物医学、土木工程、家用产品以及科学研究等领域。a n s y s 作为广泛应用的优秀有限元软件，把有限元数值分析技术和c a d 、c a e 、c a m 等图象处理有机地结合起来。a n s y s 除了发展多种与c a d 直接转换的接口以外，同时使自己的输出文件格式通用化和标准化，a n s y s 自带的编程语言a p d l可供用户以a n s y s 为平台，进行二次开发，是强有力的计算工具。用户既可以在c a d 中建模，然后通过a n s y s 和c a d 的接口传入模型进行计算，也可以在a n s y s 中以用户界面方式利用菜单建模，输入初始数据，进行计算和查看计算结果。a n s y s 的如下特点使得其在有限元分析软件中具有领先地位：唯一能实现多场及多场耦合分析功能的软件。用户不但可用其进行诸如结构、热、流体流动、电磁等的单独研究，还可以进行这些类型的相互影响研究。例如：热机构耦合，磁结构耦合等。唯一实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的大型f e a 软件。唯一具有多物理场优化功能的f e b 软件。强大的非线性分析功能。多种求解器分别使用于不同问题及不同的硬件配置。支持从微机、工作站到巨型机的所有硬件平台，以及所有平台之间的并行计算。支持异种、异构平台的网络浮动，在异种平台上用户界面统一、数据文件四川大学硕士学位论文全部兼容。多种自动网络划分技术。可与大多数的c a d 软件集成并有接口。利用a n s y s 提供的数据接口，可精确地将在c a d 系统下生成的几何数据传入a n s y s 中，并对其分网求解。这样就不必因为在分析系统中重新建模而浪费时间多层次多框架的产品系列。产品系列由一整套可扩展、灵活集成的各模块组成，因而能满足各行各业的工程需要。良好的用户开发环境，a n s y s 综合应用菜单、对话框、工具条、命令行输入、图形化输出等多种方式，从而使应用更加方便。方便的二次开发功能：应用宏、参数设计语言、用户可编程特性、用户自定义界面语言、外部命令等功能，可以开发出适合你自己特点的应用程序瞄j 。2 5 3 选用d e l p h i 5 5 作为数据处理软件的开发工具d e l p h i 使用面向对象p a s c a l ( o b j e c tp a s c a l ) 语言。o b j e c tp a s c a l 的语法严谨、自然充分体现了面向对象的程序设计思想。d e l 口i l i 提供了许多功能强大的组件，加上可视化的程序设计环境，使开发者能比用其他的开发工具更快地编写出复杂的w i n d o w s 应用程序，d e l p h i 内建有优化的代码编译器，编译速度快，而且编译出的应用程序运行速度也比解释方式的程序( 如用v i s u a lb a s i c 开发的程序) 快1 0 20 倍。d e l p h i 最突出的特点是集成了b o d a n d 数