多分量力組合加載校準裝置主機結(jié)構(gòu)的技術(shù)實現(xiàn)

秦海峰

（航空工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所，北京100095）

0 引言

對空間任一力矢量，在擇定的三維坐標系中最多可以被分解為六個分量，即三個力值分量和三個力矩分量［1］。近些年來，多分量力測量儀器的應(yīng)用越來越廣泛，對多分量力測量儀器進行全面和準確校準的需求也越來越迫切。在實際工程應(yīng)用中，常見到的多分量力測量儀器主要有二分量、三分量、四分量以及多分量力傳感器或測力儀。針對不同結(jié)構(gòu)和測量范圍的多分量力測量儀器，需要合適的校準裝置和校準方法來實現(xiàn)其校準。

目前，意大利國家計量院（INRiM）及德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）等計量機構(gòu)均開展了多分量力的校準技術(shù)研究，在多分量力校準裝置和傳感器方面取得了一些成果［2-3］。為了解決多分量力測量儀器的校準和溯源問題，航空工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所研制了多套校準裝置［4］，最新研制的一套大空間多分量力校準裝置，可進行多分量力測量儀器的單分量獨立校準和多分量組合校準［5］。

1 多分量力校準裝置的整體設(shè)計

多分量力校準裝置的系統(tǒng)組成如圖1所示，主要由裝置主機、液壓動力系統(tǒng)、輔助工裝系統(tǒng)和控制及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)組成。

圖1 多分量力校準裝置組成框圖

加載裝置主機主要由主機框架、工作臺及定位機構(gòu)、可升降加力框架機構(gòu)和多個力加載單元等組成。其作用是形成承力框架，并通過對多個力加載單元進行合理的組合來實現(xiàn)三個力值分量和三個力矩分量的選擇加載。

液壓動力系統(tǒng)由伺服油源、液壓閥組以及液壓管路等組成，用來實現(xiàn)各個力加載單元的載荷驅(qū)動。動力系統(tǒng)驅(qū)動各個力加載單元配置的液壓缸塞系統(tǒng)，通過增大和減小系統(tǒng)壓力來實現(xiàn)力的加載和卸載。液壓動力系統(tǒng)共配置了7套伺服油源，分別用來對一組豎直方向力加載單元、4組水平方向力加載單元和一組動橫梁鎖緊系統(tǒng)提供動力，可以獨立或同時工作。

輔助工裝系統(tǒng)是根據(jù)被校多分量力傳感器的結(jié)構(gòu)專門設(shè)計的，用于承受和傳遞主機各力加載單元施加的力，并耦合為所需實現(xiàn)的多分量力的機械部件。同時，輔助工裝起到連接、支承、耦合以及傳遞等多種作用。

控制及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)由伺服控制系統(tǒng)、標準力傳感器及信號放大系統(tǒng)、信號采集及反饋系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理軟件組成。其作用是通過計算機確定所需施加載荷的位置、大小及方向，合理控制主機的各個力加載單元進行自動加載，并對測量結(jié)果進行自動采集和處理分析?？刂萍皵?shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)需按多分量力傳感器校準方法規(guī)定的試驗程序自動對多分量力傳感器做試驗，其控制方式設(shè)計為全自動控制模式和手動控制模式。力值控制模式也設(shè)計有逐級加載和可以按規(guī)定的時間連續(xù)加載兩種模式。

多分量力組合加載的合理實現(xiàn)是該校準裝置的技術(shù)難點。對加載裝置主機進行合理設(shè)計是實現(xiàn)這一功能的關(guān)鍵問題。

2 多分量力組合加載的實現(xiàn)

2.1 主機結(jié)構(gòu)整體設(shè)計

按照多分量力的構(gòu)成原理，校準裝置的設(shè)計思路是在被測傳感器的受力工裝上沿多個方向同步施加多個力和力矩，工裝在承受多個力和力矩后將所有方向的力耦合后形成矢量力并剛性傳遞到被校傳感器上，矢量力的耦合原理如圖2所示。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)多分量力的同步組合加載功能，同時考慮到針對不同結(jié)構(gòu)形式和不同大小的多分量力傳感器校準的適用性，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計，在裝置內(nèi)部加載空間形成了一個加載面高度可調(diào)的力加載三維坐標系。為了保證力矩參數(shù)的準確度，對各個力矩分量采用在一定力臂長度位置施加力的方式來實現(xiàn)。裝置主機的整體機械結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

圖2 力矢量的耦合原理示意圖

圖3 多分量力校準裝置主機結(jié)構(gòu)圖

在裝置空間坐標系的X，Y和Z軸方向分別分布了5個力加載單元，并根據(jù)需要在每個力加載單元設(shè)計了一個或多個加載力源，各力源輸出頭通過解耦元件串接標準力傳感器，通過對各力源進行選擇控制加載，將不同位置和方向的力協(xié)調(diào)加載到固定在工作臺上的被校多分量力傳感器上，即可實現(xiàn)力矢量各個分量的獨立校準或多分量力的同步組合加載和校準。

基于裝置需要實現(xiàn)的具體功能要求，主機結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計目標有：①各分量具有獨立性，并可實現(xiàn)協(xié)調(diào)加載；②各加載力源的力值控制均要達到較高的準確度；③對各力矩分量的力臂必須進行準確控制；④有較大的試驗空間，通過可升降移動加載機構(gòu)調(diào)節(jié)加力高度位置，方便對不同的校準對象進行校準；⑤裝置主機有足夠的剛度，控制整體變形和扭轉(zhuǎn)，使各分量在最大載荷時的變形均不會明顯影響整體準確度。

所有技術(shù)設(shè)計均需基于以上目標的實現(xiàn)來進行，裝置最終實現(xiàn)的有效工作空間為1.2 m×1.2 m×0.8 m，各分量的范圍和測量不確定度水平見表1。

表1 多分量力校準裝置技術(shù)參數(shù)

2.2 多分量力加載原理設(shè)計

在校準裝置主機力加載空間坐標系中合適的方向和位置上共設(shè)計分布13個力源，如圖4所示，用來實現(xiàn)力和力矩，力矩分量的力源位于偏離坐標軸中心的固定位置上。

圖4 校準裝置力源的分布示意圖

每個力源均配置有獨立的動力系統(tǒng)，可實現(xiàn)各自獨立控制加載。每個力源還串接安裝了標準力傳感器，用于實現(xiàn)力值的準確測量和控制，對這些力源進行分別控制、協(xié)同工作，即可實現(xiàn)力矢量的多個分量的同步加載和校準。

在裝置加載機構(gòu)的設(shè)計中，在力矢量坐標系垂直方向（Z向）的力加載單元共布置了5個力源，用于實現(xiàn)主分量FZ和繞兩個側(cè)向力分量FX，F(xiàn)Y的彎矩（含正反矩）MX和MY，Z向加載器結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖如圖5所示。

圖5 Z方向力加載單元結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)Z向各力源工作時，最終實現(xiàn)的FZ，MX和MY量值大小分別由公式（1）至公式（3）計算得到。

式中：FZ-O為Z方向力加載單元中心位置力源加載的力值；FZ-X（＋），F(xiàn)Z-X（-）分別為Z方向力加載單元沿X軸方向上兩個力源加載的力值；FZ-Y（＋），F(xiàn)Z-Y（-）分別為Z方向力加載單元沿Y軸方向上兩個力源加載的力值；LZ-Y（＋），LZ-Y（-）分別為Z方向力加載單元沿Y軸方向上兩個力源加載力臂的長度；LZ-X（＋），LZ-X（-）分別為Z方向力加載單元沿X軸方向上兩個力源加載中軸線與Z方向力加載單元中心位置的垂直距離。

在裝置力坐標系的水平面（X-Y平面）上共布置了8個力源，用于實現(xiàn)側(cè)向力分量FX和FY以及繞主分量FZ的扭矩（含正反矩）MZ。其中X和Y方向分別有一對力加載單元面對面布置，X方向上的兩個力加載單元分別配置3個力源，而Y方向上的兩個力加載單元分別配置一個力源。水平方向上4個力加載單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖6所示。

圖6 水平方向力加載單元結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)X方向和Y方向各力源工作時，F(xiàn)X，F(xiàn)Y和MZ量值的大小分別由公式（4）至公式（6）計算得到。

式中：FX-O（＋），F(xiàn)X-O（-）分別為X方向兩個相對的中心力源加載的力值；FX1，F(xiàn)X2分別為X正方向上兩個偏離中心位置的力源加載的力值；FX3，F(xiàn)X4分別為X負方向上兩個偏離中心位置的力源加載的力值；FY-O（＋），F(xiàn)Y-O（-）分別為Y方向兩個相對的中心力源加載的力值；LX1，LX2，LX3，LX4分別為對應(yīng)于X方向上4個偏離中心位置的力源加載中軸線與X方向力加載單元中心位置的垂直距離。

按照以上設(shè)計原理，該裝置在進行力矩分量的校準時，同時會產(chǎn)生相應(yīng)方向力的加載，所以應(yīng)根據(jù)實際需要，通過加載過程的合理設(shè)計來進行力值的抵消或者累加計算。

2.3 主機結(jié)構(gòu)變形控制

由于力矩參數(shù)是基于力和力臂兩個方面，為了達到設(shè)計準確度要求，在裝置的設(shè)計、加工、裝配、調(diào)試和檢測過程中，需要采取相應(yīng)的技術(shù)工藝手段來控制和保證力臂長度的準確度。

裝置主機各構(gòu)件在受力之后不可避免地會產(chǎn)生變形，從而影響各方向力值加載點位置和力臂的有效長度，進而影響到實際力矩的準確性。對于裝置主機整體剛度和變形的控制是整個設(shè)計的難點，也是保證其它各項技術(shù)參數(shù)滿足設(shè)計要求的必要條件。

為了增加裝置剛度，減小整體體積重量，裝置四周設(shè)計了剛性支撐機構(gòu)，同時通過控制變形區(qū)、增加撓性連接件［6］等手段來保證各分量標準力傳感器輸出軸線與被校多分量力傳感器受力軸線的一致性，使其局限在一定的范圍內(nèi)，并盡量保持平行，從而減少寄生分量的產(chǎn)生。

為了驗證裝置剛度設(shè)計的合理性，對整機結(jié)構(gòu)進行了受力模型仿真分析，同時加載FX，F(xiàn)Y和FZ三方向最大力和水平方向最大力矩MZ，各部分變形情況見圖7所示。在此工況下，最大變形將產(chǎn)生在Z方向的頂板上，約為0.2 mm，由于軸向變形可由油缸活塞加力跟蹤，因此對各分量量值準確度的影響甚微。設(shè)備整體結(jié)構(gòu)受到最大力矩引入的水平方向的扭轉(zhuǎn)變形為0.06 mm，與力臂長度200 mm相比，相對影響量為0.03%，其影響也符合設(shè)計要求。

3 多分量力校準裝置的試驗驗證

為了確認校準裝置各力源之間的位置關(guān)系，采用V-STARS攝影測量系統(tǒng)進行各力源之間空間位置關(guān)系的測試試驗，確定各加載軸線之間的距離和角度。測試點布置和處理結(jié)果如圖8所示。對測量結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析，各個加載軸線之間的夾角與標稱值的偏差最大為0.036°，各個力矩分量有效力臂的偏差不超過0.05 mm，符合設(shè)計要求。

圖7 主機框架受最大力和力矩后的變形情況

圖8 各力源空間位置測試結(jié)果示意圖

根據(jù)需要對力加載試驗項目進行選擇、排序，設(shè)計校準程序，按照先單分量再多分量的順序逐次開展驗證試驗。采用高準確度標準測力儀對裝置的13個力源分別進行獨立的力值示值誤差校準，各項參數(shù)均優(yōu)于0.03級疊加式力標準機的相應(yīng)要求［7］。

對裝置開展一系列多分量力組合加載試驗，從而驗證其多分量力組合加載的控制能力，分量組合情況如表2所示［6］，表2中，“＋”表示可實現(xiàn)的組合，“-”表示不能實現(xiàn)的組合。針對一個剛性受力體，依次開展二分量、三分量直至六分量的組合加載試驗，各分量均進行了測量下限點和測量上限點力值的加載，各力源的控制準確度均符合設(shè)計要求。

當(dāng)前，由于多分量力傳感器自身耦合誤差較大（很少能達到1%），市場上尚沒有能夠直接驗證裝置整體最佳指標的高準確度多分量力傳感器。對現(xiàn)有準確度較高的多分量力傳感器進行了應(yīng)用試驗，測量結(jié)果均可達到其聲稱的技術(shù)特性。其中一個試驗的傳感器外形如圖9所示，該二分量力傳感器可在兩個軸線方向受力，兩個分量的測量上限都是2 kN。由于該傳感器本身是由4個S形傳感器共同組成，其結(jié)構(gòu)特點決定了自身耦合誤差很小，但是變形比較大（最大時已超過1 mm），非常適合考察標準裝置自身的分量耦合情況。

表2 分量組合情況

圖9 試驗用二分量力傳感器結(jié)構(gòu)外形圖

試驗時，分別在傳感器兩個軸線方向同步加載直至均達到2 kN，傳感器在本裝置測得的靈敏度數(shù)據(jù)與靜重式力標準機上的數(shù)據(jù)相比，兩個靈敏度的結(jié)果一致性均優(yōu)于0.1%。這一結(jié)果，一方面驗證了校準裝置本身力值協(xié)調(diào)控制的準確度水平很高，另一方面也驗證了當(dāng)內(nèi)部有變形產(chǎn)生時，裝置自身各分量的耦合效應(yīng)也非常小。

4 結(jié)束語

大量的驗證和應(yīng)用試驗顯示：所研制的多分量力校準裝置達到了預(yù)期的水平，整體工作狀態(tài)良好，單獨或同時施加單分量力時，力值準確、穩(wěn)定。試驗結(jié)果也表明了該裝置各項性能指標完全達到設(shè)計要求。

耦合誤差是多分量力傳感器設(shè)計和制造的難點，目前還沒有合適的多分量力傳感器來驗證裝置的最優(yōu)指標。我們也在利用該裝置來開發(fā)具有更優(yōu)良性能的多分量力傳感器，這樣，后續(xù)將得到更多更好的數(shù)據(jù)。另外，加載工裝的結(jié)構(gòu)和準確度也是測量結(jié)果的重要影響因素，需要重點關(guān)注。

本文對多分量力的組合加載技術(shù)進行了深入研究，形成了較為全面的設(shè)計思路，同時各項加工、裝調(diào)工藝也得以驗證，為今后在該領(lǐng)域繼續(xù)開展相關(guān)技術(shù)研究積累了經(jīng)驗。