一种用于风洞天平校准系统的加载架初始定位装置及方法与流程

本发明涉及风洞天平校准，具体涉及一种用于风洞天平校准系统的加载架初始定位装置及方法，属于航空航天气动力风洞试验技术领域。

背景技术：

风洞测力试验是航空飞行器气动力精确预测的主要手段，直接参与航空飞行器的气动力设计过程，避免设计不足、防范设计风险。作为风洞测力试验的关键核心设备，风洞天平直接感测航空飞行器所受的体轴系六分量气动载荷；在风洞测力试验前，必须应用校准系统对风洞天平进行校准以获得精确的工作公式（33×6矩阵），保证风洞测力试验中测量数据的精确度。

风洞天平校准系统对风洞天平的校准即模拟飞行器在风洞中的受力状态，应用三维空间内多个方向力源经加载架对风洞天平施加多组六分量精确载荷，同时记录风洞天平对应的输出，最终采用最小二乘法拟合给出风洞天平的工作公式。三维空间内多个方向力源所在的力源坐标系是固定的，加载架坐标系是移动的。加载架初始定位的目的是应用六自由度运动机构支撑与调整加载架的位置与姿态角，使加载架坐标系与力源坐标系重合，保证施加六分量载荷大小、方向及作用点的准确性。

国内各风洞试验单位和研究机构都拥有各自的风洞天平校准系统，采用的加载架初始定位方法包括机械平台定位方法、经纬仪瞄准定位方法和光学定位方法。其中，经纬仪瞄准定位方法和光学定位方法都是采取对加载架各自由度逐一调整定位的方法，由于一个自由度的调整定位会对其它自由度数值存在影响，导致需反复调整定位，效率明显低于机械平台定位方法。另外，光学定位方法是三种方法中理论定位精度最高的，可达到角位移小于10″，线位移小于0.05mm。但是三种方法都无法完全复现力源坐标系和加载架坐标系，也无法给出加载架初始定位精度的准确数值。

因此，亟需提出一种新型的用于风洞天平校准系统的加载架高效高精初始定位装置及方法，以解决上述技术问题。

技术实现要素：

本发明研发目的是为了解决现有的加载架初始定位方法无法完全复现力源坐标系和加载架坐标系的问题，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。

本发明的技术方案：

一种用于风洞天平校准系统的加载架初始定位装置，包括设置在地基上的激光跟踪仪、外钢架、内钢架、力源变比杠杆和机电式加载力源，外钢架套装在内钢架外侧，力源变比杠杆和机电式加载力源建立连接，还包括加载架坐标系复现装置和六自由度运动机构，六自由度运动机构安装在内钢架上端，加载架坐标系复现装置安装在六自由度运动机构底部。

优选的：还包括十二个第一靶球靶座，外钢架的后方两个支柱、前方左侧一个支柱和内钢架的前方两个支柱、后方右侧支柱上均设置有2个第一靶球靶座。

优选的：所述六自由度运动机构包括静平台、直线电动推杆、动平台和电动直线滑轨，直线电动推杆一端与静平台球铰，直线电动推杆另一端与动平台球铰，电动直线滑轨设置在动平台底部，电动直线滑轨的滑块上安装有加载架坐标系复现装置。

优选的：所述加载架坐标系复现装置左右两侧四个端点和中部上均具有一个第二靶球靶座。

优选的：所述十二个第一靶球靶座均为1.5的英寸靶球靶座。

优选的：所述加载架坐标系复现装置上的第二靶球靶座均为0.5英寸的靶球靶座。

本发明为了解决无法给出加载架初始定位精度的准确数值的问题，提出本发明的技术方案为：

一种用于风洞天平校准系统的加载架初始定位方法：

步骤一：将外钢架和内钢架固定于地基上，并将六自由度运动机构固定于内钢架的上端内表面；

步骤二：将十二个1.5英寸的第一靶球靶座固定于外钢架和内钢架上；

步骤三：再将五个0.5英寸的第二靶球靶座固定于加载架上，构成加载架坐标系复现装置；

步骤四：将被校准天平和支杆安装于电动直线滑轨的滑块上，并连接加载架坐标系复现装置于被校准天平的测量端；

步骤五：激光跟踪仪固定在可以观察到十二个1.5英寸的第一靶球靶座和加载架坐标系复现装置的位置，通电预热；

步骤六：利用激光跟踪仪测头和十二个1.5英寸的第一靶球靶座，逐个测量获得十二个1.5英寸第一靶球靶座在激光跟踪仪坐标系下的坐标值；

步骤七：根据十二个1.5英寸第一靶球靶座在力源坐标系下的原始坐标值和步骤六测得的数据，复现建立力源坐标系；

步骤八：利用激光跟踪仪测头和加载架坐标系复现装置上五个0.5英寸的第二靶球靶座，逐个测量获得加载架坐标系复现装置的五个0.5英寸的第二靶球靶座在力源坐标系下的坐标值；

步骤九：根据加载架坐标系复现装置上五个0.5英寸的第二靶球靶座在加载架坐标系下的原始坐标值和步骤八测得的数据，复现建立加载架坐标系；

步骤十：将步骤九复现建立的加载架坐标系向步骤七复现建立的力源坐标系转动和平移拟合，获得所需的三个转动角度值和三个平移数值；

步骤十一：比较判断步骤十获得的三个转动角度值是否都小于5″和三个平移数值是否都小于0.03mm；

步骤十二：当不满足步骤十一的要求，将步骤十获得的数值直接导入六自由度运动控制软件，控制驱动六自由度运动机构带动被校准天平和加载架转动和平移，重复步骤八至步骤十一，直到步骤十获得的三个转动角度值和三个平移数值满足步骤十一的要求。

优选的：所述激光跟踪仪测量并保存十二个1.5英寸第一靶球靶座在力源坐标系下的原始坐标值；

所述步骤三中的加载架坐标系复现装置是指在加载架加工完成后，固定布置于加载架上的五个0.5英寸的第二靶球靶座，利用三坐标机测量并保存五个0.5英寸的第二靶球靶座在加载架坐标系下的原始坐标值。

优选的：所述步骤七复现建立力源坐标系和步骤九复现建立加载架坐标系以及步骤十的将步骤九复现建立的加载架坐标系向步骤七复现建立的力源坐标系转动和平移拟合，均采用计算所需的三个转动角度值和三个平移数值：

其中，dgama、dbeta和dalpha分别是绕原始坐标系x、y和z轴转动的角度值，x1、y1和z1分别是在原始坐标系下的坐标值，dx、dy和dz分别是沿原始坐标系x、y和z轴平移数值，x、y和z分别是在目标坐标系下的坐标值。

优选的：所述步骤十二中六自由度运动控制软件驱动六自由度运动机构运动的运动顺序是先绕坐标系x、y、z轴的先后顺序转动，之后沿原始坐标系x、y和z轴进行平动。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明的一种用于风洞天平校准系统的加载架初始定位方法，提高了加载架初始定位的精度；

2.本发明的一种用于风洞天平校准系统的加载架初始定位装置，可实现加载架的六自由度同步调整定位，提高了加载架初始定位的效率；

3.本发明的一种用于风洞天平校准系统的加载架初始定位方法，可完全复现力源坐标系和加载架坐标系，定量给出了加载架初始定位精度的准确数值，规避人为操作随机误差产生的风险；

4.本发明的一种用于风洞天平校准系统的加载架初始定位装置，结构简单、设计巧妙、拆装方便、成本低廉，适于推广应用。

附图说明

图1是一种用于风洞天平校准系统的加载架初始定位装置的立体图；

图2是一种用于风洞天平校准系统的加载架初始定位装置的结构示意图；

图3是一种用于风洞天平校准系统的加载架初始定位装置的加载架坐标系复现装置结构示意图；

图4是一种用于风洞天平校准系统的加载架初始定位装置的六自由度运动机构结构示意图；

图5是本发明六自由度运动机构的运动控制流程图；

图6是本发明六自由度运动机构的控制电气原理示意图；

图7是本发明六自由度运动机构的电路图；

图中2-激光跟踪仪，3-加载架坐标系复现装置，4-六自由度运动机构，5-外钢架，6-内钢架，7-力源变比杠杆，8-机电式加载力源，9-地基，41-静平台，42-直线电动推杆，43-动平台，44-电动直线滑轨。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明所提到的连接分为固定连接和可拆卸连接，所述固定连接（即为不可拆卸连接）包括但不限于折边连接、铆钉连接、粘结连接和焊接连接等常规固定连接方式，所述可拆卸连接包括但不限于螺纹连接、卡扣连接、销钉连接和铰链连接等常规拆卸方式，未明确限定具体连接方式时，默认为总能在现有连接方式中找到至少一种连接方式能够实现该功能，本领域技术人员可根据需要自行选择。例如：固定连接选择焊接连接，可拆卸连接选择铰链连接。

具体实施方式一：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式的一种用于风洞天平校准系统的加载架初始定位装置，包括设置在地基9上的激光跟踪仪2、外钢架5、内钢架6、力源变比杠杆7和机电式加载力源8，外钢架5套装在内钢架6外侧，力源变比杠杆7和机电式加载力源8建立连接，还包括加载架坐标系复现装置3和六自由度运动机构4，六自由度运动机构4安装在内钢架6上端，加载架坐标系复现装置3安装在六自由度运动机构4底部，利用激光跟踪仪2、加载架坐标系复现装置3实现力源坐标系和加载架坐标系的复现，同时可给出使加载架坐标系与力源坐标系重合所需的三个转动角度值和三个平移数值，其后利用六自由度运动控制软件和六自由度运动机构4实现加载架的六自由度同步调整定位，直至达到加载架的角位移小于5″和线位移小于0.03mm初始定位精度。

具体实施方式二：结合图1-图4说明本实施方式，基于具体实施方式一，本实施方式的一种用于风洞天平校准系统的加载架初始定位装置，还包括十二个第一靶球靶座，外钢架5的后方两个支柱、前方左侧一个支柱和内钢架6的前方两个支柱、后方右侧支柱上均设置有2个第一靶球靶座。

具体实施方式三：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式的一种用于风洞天平校准系统的加载架初始定位装置，所述六自由度运动机构4包括静平台41、直线电动推杆42、动平台43和电动直线滑轨44，直线电动推杆42一端与静平台41球铰，直线电动推杆42另一端与动平台43球铰，电动直线滑轨44设置在动平台43底部，电动直线滑轨44的滑块上安装有加载架坐标系复现装置3，电动直线滑轨44为电动丝杆直线导轨和滑块组。

具体实施方式四：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式的一种用于风洞天平校准系统的加载架初始定位装置，所述加载架坐标系复现装置3左右两侧四个端点和中部上均具有一个第二靶球靶座。

具体实施方式五：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式的一种用于风洞天平校准系统的加载架初始定位装置，所述十二个第一靶球靶座均为1.5英寸的靶球靶座。

具体实施方式六：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式的一种用于风洞天平校准系统的加载架初始定位装置，所述加载架坐标系复现装置3上的第二靶球靶座均为0.5英寸的第二靶球靶座。

具体实施方式七：结合图1-图7说明本实施方式，本实施方式的一种用于风洞天平校准系统的加载架初始定位方法：

步骤一：将外钢架5和内钢架6固定于地基9上，并将六自由度运动机构4固定于内钢架6的上端内表面；

步骤二：将十二个1.5英寸第一靶球靶座固定于外钢架5和内钢架6上，如图2所示；在安装图1中的力源（力源变比杠杆7和机电式加载力源8）后，应用激光跟踪仪测量获得十二个第一靶球靶座在力源坐标系下的原始坐标值（h1（-2177.68，-357.36，2685.11），h2（-2567.63，-1254.73，1684.27），h3（-2567.97，356.16，1674.99），h4（-2178.62，-355.62，-2651.47），h5（-2568.18，-1236.97，-1665.48），h6（-2570.07，296.63，-1658.70），h7（2209.20，-363.01，-2644.00），h8（2580.64，-1244.68，-1649.07），h9（2583.86，336.81，-1654.53），h10（2189.97，-347.36，2660.47），h11（2575.80，-1249.78，1706.42），h12（2571.36，293.23，1693.26）），并保存于激光跟踪仪的笔记本电脑内，用于力源坐标系0xyz的复现，其中h1至h12的具体位置如图2所示；

步骤三：将五个0.5英寸第二靶球靶座固定于加载架上，如图3所示，构成加载架坐标系复现装置3；在加载架加工完成后，应用三坐标机测量获得五个第二靶球靶座在加载架坐标系下的原始坐标值p1（197.56，-75.02，67.93），p2（-165.38，-90.98，18.97），p3（-165.61，91.99，18.88），p4（0.31，-41.87，251.27），p5（-1.34，-42.67，-248.13），并保存于激光跟踪仪的笔记本电脑内，用于加载架坐标系0’x’y’z’的复现；

步骤四：将被校准天平和支杆安装于电动直线滑轨44的滑块上，并连接加载架坐标系复现装置3于被校准天平的测量端；

步骤五：激光跟踪仪2固定在可以观察到十二个1.5英寸的第一靶球靶座和加载架坐标系复现装置3的位置，通电预热30min；

步骤六：在激光跟踪仪坐标系下，利用激光跟踪仪测头和十二个1.5英寸的第一靶球靶座，逐个测量获得十二个1.5英寸的第一靶球靶座在激光跟踪仪坐标系下的坐标值；

步骤七：根据十二个1.5英寸的第一靶球靶座在力源坐标系下的原始坐标值和步骤六测得的数据，复现建立力源坐标系；利用十二个第一靶球靶座在力源坐标系下的原始坐标值和所测得在激光跟踪仪坐标系下的坐标值进行拟合处理，复现建立图2中的力源坐标系0xyz；

步骤八：在力源坐标系0xyz下，利用激光跟踪仪2测头和五个0.5英寸的第二靶球靶座逐个测量获得加载架坐标系复现装置3的五个0.5英寸的第二靶球靶座在力源坐标系下的坐标值p1（191.95，-81.88，67.66），p2（-171.19，-93.48，18.77），p3（-169.22，89.48，18.43，），p4（-4.89，-46.01，251.01），p5（-6.53，-47.58，-248.44），p1至p5具体位置如图3所示；

步骤九：根据加载架坐标系复现装置3的五个第二靶球靶座在加载架坐标系下的原始坐标值和步骤八测得的数据，复现建立加载架坐标系；利用五个第二靶球靶座在加载架坐标系下的原始坐标值和所测得在力源坐标系0xyz下的坐标值进行拟合处理，复现建立图3中的加载架坐标系0’x’y’z’；

步骤十：将步骤九复现建立的加载架坐标系0’x’y’z’向步骤七复现建立的力源坐标系0xyz转动和平移拟合，获得所需的三个转动角度值（0.0766°，0.0183°，0.6415°）和三个平移数值（4.7362，4.4179，0.6575）；

步骤十一：比较判断步骤十获得的三个转动角度值是否都小于5″和三个平移数值是否都小于0.03mm；

步骤十二：当不满足步骤十一的要求，将步骤十获得的数值直接导入六自由度运动控制软件，由图6和图7中umac控制器和sf驱动器控制驱动图4中六自由度运动机构4的六个直线电动推杆42，同时直线电动推杆42的长度变化量，反馈给图6和图7中的umac控制器，实现闭环控制，由六自由度运动机构4和电动直线滑轨44带动图1中的加载架坐标系复现装置3实现所需的三个自由度转动和三个线位移运动，控制驱动六自由度运动机构4带动被校准天平和加载架转动和平移，图6和图7中umac是控制器、sf3.1和sf3.2是驱动器，m3.1和m3.2是伺服电机；

重复步骤八至步骤十一，重复测量和复现建立加载架坐标系0’x’y’z’；并将复现建立的加载架坐标系0’x’y’z’向复现建立的力源坐标系0xyz转动和平移拟合，获得所需的三个转动角度值和三个平移数值；并由六自由度运动控制软件控制驱动六自由度运动机构运动，直至加载初始定位精度达到角位移小于5″和线位移小于0.03mm。

具体实施方式八：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式的一种用于风洞天平校准系统的加载架初始定位方法，所述激光跟踪仪2测量并保存十二个1.5英寸第一靶球靶座在力源坐标系下的原始坐标值；

所述步骤三中的加载架坐标系复现装置3是指在加载架加工完成后，固定布置于加载架上的五个0.5英寸第二靶球靶座，利用三坐标机测量并保存五个0.5英寸的第二靶球靶座在加载架坐标系下的原始坐标值。

具体实施方式九：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式的一种用于风洞天平校准系统的加载架初始定位方法，所述步骤七复现建立力源坐标系和步骤九复现建立加载架坐标系以及步骤十的将步骤九复现建立的加载架坐标系向步骤七复现建立的力源坐标系转动和平移拟合，均采用公式1计算所需的三个转动角度值和三个平移数值：

其中，dgama、dbeta和dalpha分别是绕原始坐标系x、y和z轴转动的角度值，x1、y1和z1分别是在原始坐标系下的坐标值，dx、dy和dz分别是沿原始坐标系x、y和z轴平移数值，x、y和z分别是在目标坐标系下的坐标值。

具体实施方式十：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式的一种用于风洞天平校准系统的加载架初始定位方法，所述步骤十二中六自由度运动控制软件驱动六自由度运动机构4运动的运动顺序是先绕坐标系x、y、z轴的先后顺序转动，之后沿原始坐标系x、y和z轴进行平动。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。