基于PRO/E的飛行器質(zhì)量特性測(cè)量轉(zhuǎn)接裝置設(shè)計(jì)

王志峰 劉海燕 黃振輝 畢煌圣 胡改娟 郝 丁 何凡鋒 鄧軍雷

基于PRO/E的飛行器質(zhì)量特性測(cè)量轉(zhuǎn)接裝置設(shè)計(jì)

王志峰 劉海燕 黃振輝 畢煌圣 胡改娟 郝 丁 何凡鋒 鄧軍雷

（首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076）

提出了基于PRO/E的自頂向下的一種飛行器質(zhì)量特性測(cè)量轉(zhuǎn)接裝置的設(shè)計(jì)方法，詳細(xì)論述了質(zhì)量特性測(cè)量轉(zhuǎn)接裝置的設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)過(guò)程及優(yōu)化配重方法。經(jīng)實(shí)踐證明所設(shè)計(jì)的質(zhì)量特性測(cè)量轉(zhuǎn)接裝置結(jié)構(gòu)合理、測(cè)試結(jié)果可靠，該設(shè)計(jì)方法適用于采用平臺(tái)式質(zhì)量特性設(shè)備的產(chǎn)品轉(zhuǎn)接裝置設(shè)計(jì)，適用于基于平臺(tái)式質(zhì)量特性設(shè)備的不同型號(hào)產(chǎn)品的質(zhì)量特性分析。

質(zhì)量特性測(cè)量；工藝裝備；配重；PRO/E

1 引言

飛行器的質(zhì)量、質(zhì)心及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等質(zhì)量特性參數(shù)（通常測(cè)量項(xiàng)目為：質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）是飛行器飛行控制的基礎(chǔ)參數(shù)，需要在平臺(tái)式質(zhì)量特性設(shè)備上測(cè)量，測(cè)量平臺(tái)通常為一通用接口測(cè)量平臺(tái)。由于被測(cè)產(chǎn)品具有不同的外形形狀，因此測(cè)量過(guò)程需要相應(yīng)的具有嚴(yán)格質(zhì)量質(zhì)心要求的飛行器質(zhì)量特性轉(zhuǎn)接裝置輔助下測(cè)量。

飛行器質(zhì)量特性測(cè)量轉(zhuǎn)接裝置是飛行器質(zhì)量特性測(cè)試中必備的轉(zhuǎn)接環(huán)節(jié)，是連接質(zhì)量特性測(cè)試平臺(tái)及待測(cè)飛行器的職能結(jié)構(gòu)，圖1所示為某飛行器質(zhì)量特性轉(zhuǎn)接裝置的應(yīng)用狀態(tài)。飛行器通常為各類圓形及翼形結(jié)構(gòu)，均有對(duì)外連接接口，測(cè)量轉(zhuǎn)接裝置承擔(dān)著把飛行器按照規(guī)定要求定位安裝在測(cè)量平臺(tái)上的功能，并且要求轉(zhuǎn)接裝置的引入不影響飛行器的參數(shù)測(cè)量結(jié)果。

圖1 飛行器質(zhì)量特性測(cè)量轉(zhuǎn)接裝置使用狀態(tài)

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 質(zhì)量特性測(cè)量工藝過(guò)程

a. 將測(cè)量轉(zhuǎn)接裝置按照定位要求通過(guò)定位銷和螺栓安裝到測(cè)試平臺(tái)上面；

b. 將待測(cè)飛行器吊裝于測(cè)試轉(zhuǎn)接裝置上面并連接；

c. 進(jìn)行飛行其質(zhì)量特性的測(cè)試及相關(guān)操作。

連接好的測(cè)量狀態(tài)如圖1所示。

2.2 轉(zhuǎn)接裝置設(shè)計(jì)原理

質(zhì)量、質(zhì)心測(cè)量原理是根據(jù)重力矩平衡原理進(jìn)行的，為保證測(cè)量準(zhǔn)確，質(zhì)量、質(zhì)心測(cè)量轉(zhuǎn)接裝置的質(zhì)心位置應(yīng)具有嚴(yán)格的要求，要求測(cè)量轉(zhuǎn)接裝置的引入不能影響飛行器質(zhì)量參數(shù)測(cè)量結(jié)果，設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

圖2 測(cè)量轉(zhuǎn)接裝置設(shè)計(jì)原理

a. 測(cè)平面質(zhì)心

待測(cè)飛行器接入轉(zhuǎn)接裝置后，使二者的綜合平面質(zhì)心位置與待測(cè)飛行器在該位置的理論平面質(zhì)心位置重合，進(jìn)而與測(cè)試平臺(tái)平面質(zhì)心位置重合，實(shí)現(xiàn)待測(cè)產(chǎn)品平面質(zhì)心測(cè)量。為了排除測(cè)量轉(zhuǎn)接裝置對(duì)綜合質(zhì)心的影響，要求測(cè)量轉(zhuǎn)接裝置自身的平面質(zhì)心位置在接入待測(cè)飛行器前與測(cè)試平臺(tái)平面質(zhì)心位置重合，這是利用平臺(tái)測(cè)試的最優(yōu)方案。

b. 測(cè)量三維質(zhì)心

在測(cè)完一個(gè)平面質(zhì)心后，需通過(guò)轉(zhuǎn)接裝置將飛行器沿軸偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度，根據(jù)直角三角形原理即可測(cè)量待測(cè)產(chǎn)品向質(zhì)心。也可將飛行器繞軸直接旋轉(zhuǎn)90°，然后測(cè)量其平面質(zhì)心，最終得出三維產(chǎn)品質(zhì)心。

c. 測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量通用表達(dá)式為：=∑2

連續(xù)剛體表達(dá)式為：=∫dv

其中：為待測(cè)產(chǎn)品單元體質(zhì)量；為產(chǎn)品質(zhì)量單元體到轉(zhuǎn)軸的垂直距離；為產(chǎn)品密度。

從轉(zhuǎn)動(dòng)慣量表達(dá)公式可以看出，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是一個(gè)求和疊加過(guò)程，當(dāng)轉(zhuǎn)軸固定后，可以明確區(qū)分后增加質(zhì)量相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的疊加增量。因此，在測(cè)完質(zhì)心后，將過(guò)質(zhì)心的軸作為轉(zhuǎn)軸，通過(guò)分次裝卡測(cè)量結(jié)合簡(jiǎn)單的加減運(yùn)算，即可測(cè)量出以過(guò)待測(cè)產(chǎn)品質(zhì)心的三個(gè)坐標(biāo)軸為轉(zhuǎn)軸的產(chǎn)品轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

由此可以得出，誤差引入主要來(lái)自兩個(gè)方面：a.質(zhì)量：轉(zhuǎn)接裝置質(zhì)量不能太大，若轉(zhuǎn)接裝置質(zhì)量遠(yuǎn)大于被測(cè)產(chǎn)品質(zhì)量，會(huì)引入產(chǎn)品質(zhì)量分辨誤差；b.偏心：轉(zhuǎn)接裝置質(zhì)心不能偏離測(cè)量臺(tái)中心太大，否則引入偏心誤差。

因此，為得到最優(yōu)測(cè)量結(jié)果，質(zhì)量特性測(cè)量轉(zhuǎn)接裝置設(shè)計(jì)需滿足三個(gè)方面的原則：

a. 測(cè)量轉(zhuǎn)接裝置應(yīng)具有普通轉(zhuǎn)接裝置的定位、夾緊、翻轉(zhuǎn)、保護(hù)產(chǎn)品等功能結(jié)構(gòu)；

b. 始終保證自身的平面投影質(zhì)心位置與測(cè)量平臺(tái)的平面投影質(zhì)心位置重合；

c. 將相應(yīng)待測(cè)產(chǎn)品的理論質(zhì)心位置裝配到轉(zhuǎn)臺(tái)及轉(zhuǎn)接裝置轉(zhuǎn)盤的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)中心線交點(diǎn)上。

當(dāng)轉(zhuǎn)接裝置、測(cè)試平臺(tái)二者滿足以上要求后，按照對(duì)稱原則在相應(yīng)位置配合兩兩定位及緊固件，即可進(jìn)行對(duì)待測(cè)產(chǎn)品的質(zhì)量特性測(cè)量。

3 基于PRO/E的轉(zhuǎn)接裝置設(shè)計(jì)過(guò)程

在PRO/E環(huán)境中，質(zhì)量特性測(cè)量轉(zhuǎn)接裝置的設(shè)計(jì)總體思路是：根據(jù)已經(jīng)安裝到位的產(chǎn)品，采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法[1]，設(shè)計(jì)定位元件、夾緊元件及其它功能元件等，最后根據(jù)工藝要求，完成整體轉(zhuǎn)接裝置的質(zhì)量質(zhì)心要求。

3.1 PRO/E環(huán)境下的轉(zhuǎn)接裝置（后簡(jiǎn)稱為轉(zhuǎn)接裝置）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程

a. 獲得三維PRO/E產(chǎn)品模型，分析產(chǎn)品模型，找到產(chǎn)品對(duì)外定位工藝孔及連接部位。

b. 確定轉(zhuǎn)接裝置功能（本類別轉(zhuǎn)接裝置用于待測(cè)飛行器的質(zhì)量特性測(cè)量，其他類別可以用于某種機(jī)械加工，或者某種裝配），設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)方案，考慮產(chǎn)品及轉(zhuǎn)接裝置在相應(yīng)平臺(tái)上的安裝，設(shè)計(jì)合理的連接元件，確定產(chǎn)品及轉(zhuǎn)接裝置的定位方法及緊固連接方法。

c. 建立PRO/E組件模型，將產(chǎn)品三維模型裝配到組件中，選擇一種放置方式（坐標(biāo)系、點(diǎn)、線等）。

d. 在組件模型中建立若干新的組件或者元件作為轉(zhuǎn)接裝置的功能元件或組件。建立新組件和元件時(shí)，應(yīng)綜合考慮總體方案的協(xié)調(diào)，設(shè)計(jì)合理具體的零組件單元體，明確設(shè)計(jì)思路和名稱。

e. 根據(jù)總體方案及轉(zhuǎn)接裝置工藝特征，逐步建立新建零組件之間的裝配和約束關(guān)系，完成總體方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

f. 測(cè)量和檢查：尺寸測(cè)量及干涉檢查。

g. PRO/E高級(jí)應(yīng)用。對(duì)于有特殊要求的轉(zhuǎn)接裝置（本轉(zhuǎn)接裝置需要固定質(zhì)心位置），還需要進(jìn)一步的操作（配重、參數(shù)化等）[2]。

h. 強(qiáng)度校核：轉(zhuǎn)接裝置類輔助產(chǎn)品一般安全系數(shù)較高，不需要強(qiáng)度校核，但對(duì)于關(guān)鍵零部件則必須進(jìn)行強(qiáng)度校核，以保證轉(zhuǎn)接裝置使用過(guò)程中的安全可靠，滿足用戶要求。

圖3所示為某飛行器質(zhì)量特性轉(zhuǎn)接裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果。本例中為測(cè)量飛行器的三維質(zhì)心，將待測(cè)飛行器沿軸翻轉(zhuǎn)90°分兩次測(cè)量，如圖3a和圖3b所示。為測(cè)量待測(cè)產(chǎn)品對(duì)過(guò)質(zhì)心的三個(gè)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，對(duì)、軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在測(cè)完質(zhì)心之后，直接轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)轉(zhuǎn)接裝置和產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)量；在測(cè)量軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)，為測(cè)量準(zhǔn)確，采用單獨(dú)一塊連接板與產(chǎn)品及轉(zhuǎn)接板連接，如圖3c所示。測(cè)量軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)，將飛行器平面理論質(zhì)心與單獨(dú)的連接板及測(cè)量平臺(tái)的平面質(zhì)心重合，進(jìn)行測(cè)量。圖3a和圖3b為測(cè)量飛行器三維質(zhì)心及、軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量狀態(tài)，圖3c為測(cè)量飛行器軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量狀態(tài)。

圖3 某飛行器質(zhì)量特性轉(zhuǎn)接裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2 基于PRO/E的轉(zhuǎn)接裝置配重

圖4 創(chuàng)建配重體、坐標(biāo)系

為滿足2.2所述轉(zhuǎn)接裝置的質(zhì)量質(zhì)心要求，測(cè)量轉(zhuǎn)接裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，必須對(duì)所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)接裝置進(jìn)行配重，按設(shè)計(jì)目標(biāo)優(yōu)化機(jī)構(gòu)[3]。以下對(duì)圖4轉(zhuǎn)接裝置進(jìn)行基于PRO/E的轉(zhuǎn)接裝置配重。

根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)要求及轉(zhuǎn)接裝置、待測(cè)飛行器、測(cè)試平臺(tái)裝配定位基準(zhǔn)要求，測(cè)量轉(zhuǎn)接裝置應(yīng)具有如表1所示的質(zhì)心位置。

表1 轉(zhuǎn)接裝置質(zhì)心要求

a. 設(shè)計(jì)配重位置和配重體結(jié)構(gòu)，并在模型中創(chuàng)建一個(gè)坐標(biāo)系和一個(gè)分析特征來(lái)執(zhí)行模型分析以確定質(zhì)量屬性、計(jì)算質(zhì)量，如圖4所示。

b. 執(zhí)行敏感度分析以確定轉(zhuǎn)接裝置質(zhì)心位置隨配重體高度變化規(guī)律，分析結(jié)果如圖5所示。因?yàn)檗D(zhuǎn)接裝置為軸對(duì)稱布置，故向質(zhì)心位置可以滿足要求。以向質(zhì)心為目標(biāo)函數(shù)，從圖中可以看出當(dāng)值為-1099（本例新創(chuàng)建的坐標(biāo)系在轉(zhuǎn)接裝置端面軸指向轉(zhuǎn)接裝置外面，故1099為負(fù)值。也可以創(chuàng)建到理論質(zhì)心處，其值為0，0，0，）時(shí)，配重體厚度約為84mm。

圖5 x向敏感度分析結(jié)果

c. 執(zhí)行可行性及優(yōu)化分析。如圖6所示，目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為要求XCOG=-1099，設(shè)計(jì)變量為配重體的高度尺寸，根據(jù)敏感度分析結(jié)果，變量尺寸變化范圍為50～100mm，計(jì)算結(jié)果如圖7可以看出，XCOG在-1099處收斂，可以滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 可行性及優(yōu)化分析

圖7 可行性及優(yōu)化分析結(jié)果

根據(jù)分析結(jié)果，配重體厚度理論值為84.983mm，為滿足加工工藝要求，厚度值圓整為85mm，最后再校驗(yàn)質(zhì)量特性，質(zhì)量及質(zhì)心位置參數(shù)如圖8所示。圖9所示為配平后的最終轉(zhuǎn)接裝置產(chǎn)品。

圖8 優(yōu)化后的質(zhì)量特性分析

圖9 優(yōu)化后配重的最終轉(zhuǎn)接裝置產(chǎn)品

由圖8可以看出，轉(zhuǎn)接裝置總質(zhì)量為815kg，、向質(zhì)心坐標(biāo)分別為（-1099.5，0），滿足理論值設(shè)計(jì)要求。在測(cè)量質(zhì)心時(shí)，需將待測(cè)產(chǎn)品垂直翻轉(zhuǎn)90°，此時(shí)，若出現(xiàn)轉(zhuǎn)接裝置質(zhì)心改變，應(yīng)再進(jìn)行配平操作，方法同上。

4 結(jié)束語(yǔ)

提出了基于PRO/E的飛行器質(zhì)量特性測(cè)試轉(zhuǎn)接裝置的設(shè)計(jì)原理及設(shè)計(jì)方法，通過(guò)實(shí)例闡述了滿足質(zhì)量特性測(cè)量轉(zhuǎn)接裝置質(zhì)心要求的配重方法及配重流程，通過(guò)三維PRO/E的配重仿真，大大簡(jiǎn)化了實(shí)際工程轉(zhuǎn)接裝置配重過(guò)程，對(duì)同類別產(chǎn)品具有廣泛的推廣價(jià)值。

1 曹茹. 基于自上而下法的內(nèi)燃機(jī)運(yùn)動(dòng)件CAD/CAE設(shè)計(jì)[J]. 內(nèi)燃機(jī)車，2010(12)：30～33

2 徐厚昌，朱銀鋒. 基于Pro/E優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真的綜合運(yùn)用[J]. 裝備制造技術(shù)，2009 (2)：65～66

3 二代龍震工作室. PRO/ENGINEER Wildfire4.0高級(jí)設(shè)計(jì)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2008

Design of Mass Property Measurement Device of Flight Vehicle Based on PRO/E

Wang Zhifeng Liu Haiyan Huang Zhenhui Bi Huangsheng Hu Gaijuan Hao Ding He Fanfeng Deng Junlei

(Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076)

A mass property measurement device of flight vehicle was designed based on PROE. And then the design principle, design process and weight method were particularly introduced. Further analysis show that the mass property measurement device of flight vehicle is structurally reasonable and has high reliability, which could be used for mass and centroid measuring of thin-wall components.

mass and centroid measuring；process equipment；balancer；PRO/E

王志峰（1981），工程師，流體機(jī)械及工程專業(yè)；研究方向：航天特種裝備和航天工藝裝備設(shè)計(jì)研發(fā)。

2018-01-03