多自由度天平静校控制技术研究
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摘要
天平校准装置主要用于模拟物体的受力情况，并对其进行分析计算，得出静校公式。目前，我们国家已经开发出了一些天平校准装置，但大部分产品采用砝码加载，科技含量较低，误差也较大。本着提高精度、降低成本、减少周期的原则，我们设计了六自由度天平静校系统。
本论文对六自由度天平静校系统的外形、结构进行了简单描述，详细介绍了电控系统的构成及工作原理，还简要介绍了数据采集系统及软件流程和数据处理部分，最后对该设备的误差进行了分析、计算。
设备的工作流程共分五个步骤：先将待测的天平支杆固定在X轴向送进机构上，通过送进机构将天平准确安装到加载套上，然后将加载套调整到与地轴系零坐标重合，通过数据采集系统记录下零坐标时加载套的具体位置、九套施力机构的初始载荷、天平六自由度载荷的初始值；其次，对天平进行多分量闭环加载，以达到各施力机构的预设载荷值；第三，待加载稳定后，数据采集系统采集九套施力机构的载荷值、六套亚微米光栅测长仪的位移量、天平的输出信号等进行存储；第四，根据采集的数据求出加载套的空间姿态变化量(位移，角度)及各施力机构对天平施加的力和力矩；按给定的有关公式进行数据处理，以获得天平的静校公式、静校精度与准度；第五，卸载，将加载套调整到与地轴系零坐标重合位置(零位)。
经过实际检测，该系统的各项技术指标都达到了用户的要求，并已开始实际应用。
Calibration system for balances is used to simulate object of received puissance. At present, some calibration systems for balances have been developed, but most of them, when added load with weight, have poor precision. In order to improve the system's precision, reduce cost and decrease adjust cycle, a calibration system for balance with six-component load have been designed.
In this paper, the outline and structure of the calibration system for balance with six-component load have been presents, and describes the principle and composition of control system in detail. Besides, it briefly presents the data-sampling system and data-processing part. At last, it will be presented that the error analysis and calculation of this device.
There are five steps in the workflow of the device. Firstly, balance rod which will be measured is fixed on the servo organ, and installed to load-adding sheath accurately, after that, the load-adding sheath is adjusted to the origin of ground axes, then the information of the load-adding sheath position and the initial value of nine load-adding component will be record with the data-sampling system.
Secondly, the balance is added load with multi-component method in a closed loop until every load-adding components reach the values set in advance.
Thirdly, when the system becomes stable, it is sampled by the data-sampling system which include nine load-adding components' value, the displacement values of six submicron-level-length-measuring instruments and output signal of balance. Then these data is stored in hardware.
Fourthly, load-adding sheath's displacement change, and then all the force and torque added to the balance by the load-adding components are worked out.Data-processing is implemented by using the corresponding mathematic formula in order to get the calibration formula, precision and accurateness.
Finally, the load-adding sheath is offload and adjusted to its original position.
All the specifications of the system meet the user's requirement after the detecting experiment. The system has been put into action.
本论文对六自由度天平静校系统的外形、结构进行了简单描述，详细介绍了电控系统的构成及工作原理，还简要介绍了数据采集系统及软件流程和数据处理部分，最后对该设备的误差进行了分析、计算。
设备的工作流程共分五个步骤：先将待测的天平支杆固定在X轴向送进机构上，通过送进机构将天平准确安装到加载套上，然后将加载套调整到与地轴系零坐标重合，通过数据采集系统记录下零坐标时加载套的具体位置、九套施力机构的初始载荷、天平六自由度载荷的初始值；其次，对天平进行多分量闭环加载，以达到各施力机构的预设载荷值；第三，待加载稳定后，数据采集系统采集九套施力机构的载荷值、六套亚微米光栅测长仪的位移量、天平的输出信号等进行存储；第四，根据采集的数据求出加载套的空间姿态变化量(位移，角度)及各施力机构对天平施加的力和力矩；按给定的有关公式进行数据处理，以获得天平的静校公式、静校精度与准度；第五，卸载，将加载套调整到与地轴系零坐标重合位置(零位)。
经过实际检测，该系统的各项技术指标都达到了用户的要求，并已开始实际应用。
Calibration system for balances is used to simulate object of received puissance. At present, some calibration systems for balances have been developed, but most of them, when added load with weight, have poor precision. In order to improve the system's precision, reduce cost and decrease adjust cycle, a calibration system for balance with six-component load have been designed.
In this paper, the outline and structure of the calibration system for balance with six-component load have been presents, and describes the principle and composition of control system in detail. Besides, it briefly presents the data-sampling system and data-processing part. At last, it will be presented that the error analysis and calculation of this device.
There are five steps in the workflow of the device. Firstly, balance rod which will be measured is fixed on the servo organ, and installed to load-adding sheath accurately, after that, the load-adding sheath is adjusted to the origin of ground axes, then the information of the load-adding sheath position and the initial value of nine load-adding component will be record with the data-sampling system.
Secondly, the balance is added load with multi-component method in a closed loop until every load-adding components reach the values set in advance.
Thirdly, when the system becomes stable, it is sampled by the data-sampling system which include nine load-adding components' value, the displacement values of six submicron-level-length-measuring instruments and output signal of balance. Then these data is stored in hardware.
Fourthly, load-adding sheath's displacement change, and then all the force and torque added to the balance by the load-adding components are worked out.Data-processing is implemented by using the corresponding mathematic formula in order to get the calibration formula, precision and accurateness.
Finally, the load-adding sheath is offload and adjusted to its original position.
All the specifications of the system meet the user's requirement after the detecting experiment. The system has been put into action.
引文
[1] 唐志共．低密度高超声速风洞微量天平校准系统研制，1986．10；
[2] 忻贤钧，何泰来．地轴校正转换成体轴天平公式的处理方法．中国航空学会第四届全国风洞天平技术交流会．1986．10；
[3] 刘永昌．浅谈应变天平校准方法的比较．中国航空学会第四届全国风洞天平技术交流会．1986．10；
[4] 李声，冯常．微量天平校准装置及精度分析．流体力学实验与测量．1999；
[5] 李声，冯常．风洞微量天平校准装置．光电工程增刊．1998年12；
[6] 李声．冯常．何晓军．适用于微量天平校准的水平加载力“转换”机构．测试技术学报．1998；
[7] 顾兴若．从“首届应变天平国际会议”看天平技术的发展动向．流体力学实验与测量．1997；
[8] 刘永昌，刘凤英，徐思敏等．浅谈风洞天平静校准设备的现状和发展．中国航空学会第四届全国风洞天平技术交流会．1986．10；
[9] 沈鸿桥．8米×6米低速风洞．六自由度应变天平设计与校准．中国航空学会第四届全国风洞天平技术交流会．1986．10；
[10] 王宗栋，薛永立，李建英等．台式六自由度机械天平数据的实时采集和处理．中国航空学会第四届全国风洞天平技术交流会．1986．10；
[11] 刘永昌，刘凤英，徐思敏．风洞天平校准设备研制的回顾与建议．流体力学实验与测量．1987；
[12] 马护生，于昆龙等．BCL-30000全自动无砝码自补偿天平校准系统及不确定度分析．2000；
[13] 王朝安．一个全自动的风洞天平校准系统．流体力学实验与测量．1998：
[14] 彭超．陆文祥．H-6部件与外挂天平的研制．流体力学实验与测量．2001年；
[15] 刘玉福，孙正荣．8m × 6m风洞新型高精度外式天平研制．流体力学实验与测量．1997；
[16] 杨恩霞．用地轴多元校提高低速风洞天平校准精度的方法．哈尔滨工程 大学学报．2002；
[17] 武家驹．应变天平多元校中几种数据处理方法的比较．气动实验与测量控制．1991；；
[18] 李裙．六分量风洞天平校准系统的设计．四川大学硕士论文．2003．
[19] 王金印．应变天平地轴校、体轴校对比的一些问题．全国低跨声速空气动力学会议．2003；
[20] 许晓斌，唐志共等．FD-20A天平校准系统研制．2000；
[21] 孙侃．用地轴校设备实现天平的体轴校．北京空气动力研究所学位论文．1999：
[22] 蒋进荣．大型体轴系校准设备设计和研制．中国航空学会第四届全国风洞天平技术交流会．1986．10；
[23] 武传江．进行天平体轴校准的几种方法．中国航空学会第四届全国风洞天平技术交流会．1986．10；
[24] 韩步璋，程朴人．风洞天平地轴校正的修正方法．航空学报．1995；
[25] 陈根华，陈广玉．用测量变型和计算机程序计算来实现天体的体轴校准．电脑开发与应用．1988；
[26] 童诗白．模拟电子技术基础．清华大学电子学教研组．1988；
[27] 楼然苗，李光飞．51系列单片机设计实例．2002．12；
[28] 王建校，杨建国，宁改娣，危建国等．51系列单片机及C51程序设计．2002．1；
[29] 马忠梅，籍顺心，张凯，马岩等．单片机的C语言应用程序设计．1999．1；
[30] 曹巧媛．单片机原理及应用．1997．7；
[31] 富士AC伺服系统FALDIC-β系列用户手册；
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[34] 邹振书等．非接触测量光学探头．光学．紧密工程．1997．6；
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[41] 欧阳万．应变天平静校系统技术指标的讨论．航空学报．1990．08；
[42] 韩步璋，程朴人，杨爱苏，柱和，陈乐仁．提高风洞天平阻力测量精确度的研究．气动实验与测量控制．1995．6；
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