一種大型六分力測量及變角度支撐裝置制造方法
【專利摘要】一種大型六分力測量及變角度支撐裝置，包括底座、六分力測量及原位校準裝置、變角度裝置和鎖緊裝置；六分力測量及原位校準裝置安裝在底座上，變角度裝置安裝在六分力測量及原位校準裝置上，鎖緊裝置位于變角度裝置的兩側；試驗前，發(fā)動機安裝在變角度裝置上，由六分力測量及原位校準裝置進行初始校準，校準完成后，鎖緊裝置與變角度裝置的上平臺鎖緊固定，將試驗初期高空室流場建立時發(fā)動機承受的沖擊載荷傳遞出去，保護六分力測量及原位校準裝置不被損壞，流場穩(wěn)定后，鎖緊裝置與變角度裝置之間快速解鎖，變角度裝置根據試驗需求旋轉不同的角度，由六分力測量及原位校準裝置測試發(fā)動機不同角度下的力和力矩。
【專利說明】一種大型六分力測量及變角度支撐裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明應用于航天發(fā)動機在高空環(huán)境、大馬赫數條件下的地面試車試驗中。
【背景技術】
[0002]美國、俄羅斯、日本等國類似的火箭自由射流試驗設備已運行多年，所匹配的力測量裝置多為單分量或三分量測力設備，未找到同時測量六分量力和力矩的設備。最有代表性是美國NASA LANGLEY8ft高溫風洞，其匹配的測力設備也是縱向三分量的，即軸向力、法向力和俯仰力矩。國內有類似的預研階段使用的設備，匹配的測力設備尺寸小、載荷測量范圍小，測力使用整體式天平結構，校準要在專門研制的校正架上進行，也有僅測量推力的單分量測力設備，能實現現場校準，但能在現場進行原位校準的大載荷六分力測量設備在國內目前還沒有。
[0003]國內航天發(fā)動機的地面試車試驗中，試驗時間一般都很短，發(fā)動機大多處在水平角度，少量的帶角度試驗也是靠預偏裝置來實現角度變化的，一次試驗只能測得一個角度狀態(tài)下的數據；隨著發(fā)動機研制技術的發(fā)展，發(fā)動機試驗時的載荷也越來越大，帶偏航角狀態(tài)的試驗，更是帶來了較大的側向載荷，現在的試驗支撐裝置已不能滿足發(fā)動機的研制需求。為了推進發(fā)動機研制技術的發(fā)展，要求設計一種新的變角度支撐裝置，在承受大載荷的同時，在一次試驗中能夠快速準確連續(xù)地改變發(fā)動機試驗件的角度。
[0004]在沖壓發(fā)動機試車臺系統中，發(fā)動機、姿態(tài)控制機構和測力系統安裝在模擬高速流場的高空艙內。發(fā)動機進行地面試車時，首先啟動高速流場，然后再進行發(fā)動機變姿態(tài)和氣動力測量。高速流場啟動時會對發(fā)動機產生很大的沖擊力，這個沖擊力會通過固定發(fā)動機的姿態(tài)控制機構傳遞給下面的測力系統，過大的沖擊載荷會造成元件的損壞。保護裝置不但要求可靠鎖緊，還必須能夠在流場穩(wěn)定后快速釋放到指定位置，因為穩(wěn)定的高速流場維持的時間只有幾十秒甚至十幾秒的時間，在這段時間里需要完成發(fā)動機點火、發(fā)動機變姿態(tài)以及實時的氣動力測量。常用鎖緊裝置大致可以分為機械鎖緊和液壓鎖緊，機械鎖緊需要人工現場操作，在發(fā)動機試車過程中這是絕對禁止的，液壓鎖緊輸出力大，能夠可靠鎖緊并可以實現自動控制，但是響應速度比較慢不能做到快速釋放。
【發(fā)明內容】
[0005]本發(fā)明的技術解決問題是:克服現有技術的不足，提供一種應用于航天發(fā)動機地面試車的六分力測量及變角度支撐裝置。
[0006]本發(fā)明的技術解決方案是:一種大型六分力測量及變角度支撐裝置，包括底座、六分力測量及原位校準裝置、變角度裝置和鎖緊裝置；六分力測量及原位校準裝置安裝在底座上，變角度裝置安裝在六分力測量及原位校準裝置上，鎖緊裝置位于變角度裝置的兩側；試驗前，發(fā)動機安裝在變角度裝置上，由六分力測量及原位校準裝置進行初始校準，校準完成后，鎖緊裝置與變角度裝置的上平臺鎖緊固定，將試驗初期高空室流場建立時發(fā)動機承受的沖擊載荷傳遞出去，保護六分力測量及原位校準裝置不被損壞，流場穩(wěn)定后，鎖緊裝置與變角度裝置之間快速解鎖，變角度裝置根據試驗需求旋轉不同的角度，由六分力測量及原位校準裝置測試發(fā)動機不同角度下的力和力矩。
[0007]所述的六分力測量及原位校準裝置包括8個力發(fā)生器、固定框、浮動框和8個傳力組件；
[0008]其中四個傳力組件垂直安裝在固定框與浮動框之間，且呈方形布置；另外四個傳力組件分別通過上下支撐架固定在浮動框和固定框上，且這四個傳力組件軸線相對于浮動框橫向安裝，安裝位置分別與上述方形的四個邊平行；四個力發(fā)生器垂直安裝在固定框與浮動框上，另外四個力發(fā)生器分別通過支撐架轉接橫向固定在浮動框和固定框之間，安裝位置分別與上述方形的四個邊平行；
[0009]所述的傳力組件包括工作力傳感器、傳力柔性梁、傳力法蘭；傳力柔性梁一端通過螺桿與工作力傳感器固定，工作力傳感器直接固定在固定框上或者通過下支撐架固定在固定框上；傳力柔性梁的另一端穿過傳力法蘭的通孔，傳力法蘭直接固定在浮動框上或者通過上支撐架固定在浮動框上；
[0010]校準時，力發(fā)生器產生的力通過浮動框傳遞給工作力傳感器，根據工作力傳感器測量的信息實現校準；測力時，力發(fā)生器不工作，被測力通過浮動框傳遞給工作力傳感器，根據工作力傳感器測量的信息得到需要測量的力和力矩。
[0011]所述的力發(fā)生器包括驅動部件、導向部件、監(jiān)測元件和傳力部件；所述監(jiān)測元件為測力傳感器；
[0012]所述驅動部件包括伺服馬達和螺旋升降機，其中伺服馬達輸出扭矩，螺旋升降機將伺服馬達的旋轉運動轉換為螺旋升降機絲杠的軸向直線運動，由絲杠帶動導向部件、檢測元件和傳力部件做直線運動；
[0013]所述導向部件包括托盤和導向柱，固定框套在螺旋升降機的絲杠上，位于螺旋升降機上方且與螺旋升降機固定連接，托盤位于固定框上方，螺旋升降機的絲杠前端有安裝用的螺紋，托盤通過中心螺紋孔旋緊在絲杠前端，導向柱的一端直接固定在固定框上或者通過支撐架轉接固定在固定框上，另一端穿過托盤上預留的導向孔對托盤進行導向；測力傳感器安裝在托盤上；
[0014]所述傳力部件包括傳立桿、傳力銷、法蘭以及對稱配置在法蘭兩端的柔性梁；
[0015]柔性梁為圓柱狀，沿軸向有通孔，兩個柔性梁對稱配置在法蘭兩側，柔性梁和法蘭通過定位銷固定連接，傳力桿穿過柔性梁的軸向通孔，傳力銷穿過柔性梁端部的圓孔和傳力桿對應位置上的長槽孔，將柔性梁的兩端與傳力桿活動連接，傳力桿的一端旋緊在測力傳感器上，另一端穿過浮動框，通過法蘭將力發(fā)生器直接固定在浮動框上或者通過支撐架轉接固定在浮動框上。
[0016]所述柔性梁包括固定端、自由端、第一片梁、第二片梁和基體；
[0017]固定端和自由端位于基體的兩端，固定端的一端與法蘭通過定位銷固定連接，另一端向外伸出一直U型的第一片梁，自由端的一端通過傳力銷與傳力桿活動連接，自由端的另一端向外伸出一倒直U型的第二片梁；第一片梁與第二片梁呈十字交叉，十字交叉的部分互不接觸；第一片梁的遠離固定端的一端連接在基體上，第二片梁的遠離自由端的一端也連接在基體上，基體上開有減重孔，以減輕整個柔性梁的重量；基體和自由端之間有縫隙，基體和固定端之間也有縫隙。[0018]所述的變角度裝置包括上平臺、下平臺、轉軸裝置、弧形導軌裝置和驅動裝置；所述的弧形導軌裝置包括弧形導軌、導軌安裝座、導軌限位一、導軌限位二、滑塊；
[0019]弧形導軌安裝在導軌安裝座上，弧形導軌的兩側通過導軌限位一和導軌限位二進行限位，導軌安裝座安裝在下平臺上，弧形導軌上的滑塊與上平臺連接；
[0020]上平臺上連接發(fā)動機試驗件，下平臺為整個裝置的支撐，上平臺的一側通過轉軸裝置安裝在下平臺上，驅動裝置連接下平臺以及上平臺的另一側，通過控制驅動裝置驅動上平臺沿著弧形導軌繞轉軸裝置旋轉預設的角度。
[0021]所述的鎖緊裝置包括驅動組件、導向組件、插座組件、檢測組件、鎖緊頭和鎖緊裝置基礎；
[0022]所述驅動組件包括伺服馬達、馬達安裝座、螺旋升降機、升降機安裝座、絲杠螺母和滑移座；所述的導向組件包括導軌擋塊、鎖緊螺釘、導軌座、直線導軌副；直線導軌副包括導軌和滑塊，直線導軌副安裝在導軌座上；
[0023]插座組件安裝在上平臺上；鎖緊頭安裝在滑移座上，伺服馬達通過馬達安裝座和螺旋升降機連接，螺旋升降機通過升降機安裝座固定在導軌座上，絲杠螺母套在螺旋升降機的絲杠上，絲杠螺母與滑移座連接，滑移座安裝在直線導軌副的滑塊上；置于導軌側面的導軌擋塊與導軌座連接，鎖緊螺釘旋入導軌擋塊上的螺紋孔并頂在導軌上，用于調整導軌的位置；導軌座安裝在鎖緊裝置基礎上；
[0024]伺服馬達輸出的扭矩通過螺旋升降機的絲杠和絲杠螺母為滑移座提供動力，由滑移座帶動鎖緊頭移動直至插入插座組件，檢測組件檢測滑移座的位置，將鎖緊到位信號反饋至外部控制系統；當需要解鎖時，伺服馬達反向運轉，通過螺旋升降機帶動滑移座向后運動，檢測組件檢測滑移座的位置，將解鎖到位信號反饋至外部控制系統。
[0025]所述的檢測組件包括兩個限位開關、兩個支架和一個感應片；感應片安裝在滑移座上隨其運動，一個限位開關安裝在一個支架上，兩個支架按前后位置分別安裝在升降及安裝座上，兩個限位開關之間的距離根據滑移座在鎖緊過程中的行程確定；當滑移座帶動鎖緊頭移動直至插入插座組件鎖緊到位時，前面的限位開關恰好感應到感應片，限位開關發(fā)出鎖緊到位信號反饋至外部控制系統；解除鎖緊時，后面的限位開關感應到感應片，該限位開關將解鎖到位信號反饋至外部控制系統。
[0026]所述的插座組件包括插座、調節(jié)螺釘、內襯套和銅套；插座組件通過插座緊固在上平臺上；銅套鑲嵌在內襯套內并將兩者固定，防止銅套軸向躥動；銅套和內襯套組成的整體安裝在插座的內腔，插座的外圓柱面上均布有η個安裝平面，每個平面上有兩個螺紋孔，內襯套的外圓柱面上同樣均布η個頂緊平面；安裝時插座上的安裝平面和內襯套上的頂緊平面兩兩相對；調節(jié)螺釘從插座上的螺紋孔旋入，頂緊在內襯套上，通過調節(jié)調節(jié)螺釘的旋入長度調節(jié)內襯套在插座中的位置。
[0027]本發(fā)明與現有技術相比有益效果為:
[0028](I)本發(fā)明是一種航天發(fā)動機地面試車試驗的大型六分力測量及變角度支撐裝置，能適應不同尺寸發(fā)動機試驗件的安裝、能夠進行原位校準，并有鎖緊保護。
[0029](2)本發(fā)明在六分力測量裝置中采用了高精度測力傳感器、柔性梁及高精度力發(fā)生器等部件，在保持測量高精度的同時，還能夠測量大載荷。在變角度支撐裝置中采用了弧形導軌，承受側向大載荷的同時，還可以承受軸向載荷，大功率伺服電機帶動電動缸可以實現快速準確連續(xù)地改變發(fā)動機試驗件角度的功能。在鎖緊裝置中采用機電結合的方式，利用機械裝置的可靠性和電氣設備的快速響應特性成功解決了發(fā)動機試車臺測力系統的可靠鎖緊與快速釋放。
[0030](3)本發(fā)明鎖緊裝置采用機械裝置和電氣系統結合的方式，響應速度快、控制方法靈活。能夠在沖擊和振動的環(huán)境中實現可靠鎖緊。能夠在試驗過程中完成快速釋放；裝置具有自適應特性，可以實現在不同變形條件下對測力系統的鎖緊。
[0031](4)本發(fā)明測力裝置為組裝式結構，采用標準的大載荷、高精度力傳感器作為測量元件，測量范圍可改變；并且能同時測量六個分量的力和力矩。
[0032](5)本發(fā)明校準與測力裝置集成在一起，使空間利用率高；校準設備體積小，重量輕，方便加工，節(jié)省成本；現場校準能綜合現場干擾因素，大大提高測量精度。
[0033](6)本發(fā)明力發(fā)生器結構緊湊，通過不同的組合方式，可以精確產生天平校準的力和力矩，在保證天平性能不改變的前提下可以直接安裝在天平的固定端和自由端之間，以此實現天平的原位校準。且力發(fā)生器采用機電式力加載裝置，可雙向加載，抗干擾能力強，加載精度高。
[0034](7)本發(fā)明采用模塊化結構，統一安裝位置零部件之間的互換性好，通過更換伺服馬達、高精度傳感器和精密傳力部件可以實現不同載荷范圍的加載，大大縮短了生產周期，節(jié)約了成本。
[0035](8)本發(fā)明可以實現雙向加載，由于單個柔性梁只能承受拉力，在連接法蘭兩邊對稱配置柔性梁就可以實現拉力和壓力雙方向的加載。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0036]圖1為本發(fā)明裝置示意圖；
[0037]圖2為本發(fā)明測力裝置與校準裝置的結構示意圖；
[0038]圖3為本發(fā)明測力裝置的示意圖；
[0039]圖4為本發(fā)明傳力組件示意圖；
[0040]圖5、6為圖4不同方向立體圖；
[0041]圖7為本發(fā)明力發(fā)生器結構示意圖；
[0042]圖8為傳力部件結構示意圖；
[0043]圖9為柔性梁和法蘭的安裝示意圖；
[0044]圖10為柔性梁結構示意圖；
[0045]圖11為柔性梁結構的全剖視圖；
[0046]圖12為柔性梁結構A-A剖視圖；
[0047]圖13為柔性梁結構的三維圖；
[0048]圖14為傳立桿結構示意圖；
[0049]圖15為導向部件安裝示意圖；
[0050]圖16為托盤結構示意圖；
[0051]圖17為托盤結構的全剖視圖；
[0052]圖18為變角度裝置結構示意圖；
[0053]圖19為上平臺結構示意圖；[0054]圖20為下平臺結構示意圖；
[0055]圖21為轉軸裝置結構示意圖；
[0056]圖22為弧形導軌裝置結構示意圖；
[0057]圖23為驅動裝置結構示意圖。
[0058]圖24為本發(fā)明鎖緊裝置的結構示意圖；
[0059]圖25為本發(fā)明鎖緊頭示意圖；
[0060]圖26為本發(fā)明插座組件結構示意圖；
[0061]圖27為本發(fā)明插座示意圖；
[0062]圖28為圖27俯視圖的全剖視圖；
[0063]圖29為本發(fā)明內襯套示意圖；
[0064]圖30為本發(fā)明內襯套俯視圖的全剖視圖；
[0065]圖31為本發(fā)明銅套主視圖的全剖視圖。
【具體實施方式】
[0066]下面結合附圖對本發(fā)明做詳細說明，具體如下:
[0067]如圖1所示，一種大型六分力測量及變角度支撐裝置，包括底座100、六分力測量及原位校準裝置200、變角度裝置300和鎖緊裝置400 ;六分力測量及原位校準裝置200安裝在底座100上，變角度裝置300安裝在六分力測量及原位校準裝置200上，鎖緊裝置400位于變角度裝置300的兩側；試驗前，發(fā)動機安裝在變角度裝置300上，由六分力測量及原位校準裝置200進行初始校準，校準完成后，鎖緊裝置400與變角度裝置300的上平臺鎖緊固定，將試驗初期高空室流場建立時發(fā)動機承受的沖擊載荷傳遞出去，保護六分力測量及原位校準裝置200不被損壞，流場穩(wěn)定后，鎖緊裝置400與變角度裝置300之間快速解鎖，變角度裝置300根據試驗需求旋轉不同的角度，由六分力測量及原位校準裝置200測試發(fā)動機不同角度下的力和力矩。
[0068]下面分別對上述各部件進行詳細說明。
[0069](一 )六分力測量及原位校準裝置200
[0070]如圖2所示，六分力測量及原位校準裝置200包括八個力發(fā)生器1-8、固定框9、浮動框10和八個傳力組件12-19 ;當本裝置用于測力時，力發(fā)生器不工作，圖3給出無力發(fā)生器安裝時的結構，下稱測力裝置。固定框9安裝在底座100上。
[0071]其中四個傳力組件12、13、14、15垂直安裝在固定框9與浮動框10之間，且呈方形布置；另外四個傳力組件16-19分別通過上下支撐架固定在浮動框10和固定框9上，且這四個傳力組件軸線16-19相對于浮動框10橫向安裝，安裝位置分別與上述方形的四個邊平行；四個力發(fā)生器1、2、3、4垂直安裝在固定框9與浮動框10上，另外四個力發(fā)生器5-8分別通過支撐架轉接橫向固定在浮動框10和固定框9之間，安裝位置分別與上述方形的四個邊平行；
[0072]如圖4所示，每個傳力組件包括工作力傳感器123、傳力柔性梁124、傳力法蘭125 ；如圖5、6所示，傳力柔性梁124是雙向正交的四棱柱體，即在四棱柱體相對的兩面的相同位置分別向四棱柱體內部加工凹槽，凹槽截面形狀在凹槽底部位置為圓形，圓形上為矩形槽，圓形槽與矩形槽連通；四棱柱體另外兩個相對的兩面同樣加工上述凹槽；上述兩組凹槽正交；在四棱柱體的兩端分別加工上述兩組凹槽得到傳力柔性梁124。傳力柔性梁124的主要作用為傳遞沿其軸向的載荷，抑制其它方向的干擾。傳力柔性梁124—端通過螺桿與工作力傳感器123固定，當傳力組件垂直安裝時，工作力傳感器123直接固定在固定框9上，當橫向安裝時，工作力傳感器123通過下支撐架轉接固定在固定框9上；傳力柔性梁124的另一端穿過傳力法蘭125的通孔，垂直安裝時，傳力法蘭125直接固定在浮動框10上，橫向安裝時，通過上支撐架轉接固定在浮動框10上。
[0073]如圖7所示，本發(fā)明力發(fā)生器包括驅動部件、導向部件、監(jiān)測元件、傳力部件；所述監(jiān)測元件為測力傳感器25 ;所述驅動部件包括伺服馬達28和螺旋升降機27，其中伺服馬達28輸出扭矩，螺旋升降機27通過其內部的渦輪蝸桿將伺服馬達的旋轉運動轉換為螺旋升降機絲杠的軸向直線運動，由絲杠帶動導向部件、檢測元件和傳力部件做直線運動。伺服馬達28與螺旋升降機27通過中間的轉接座連接，用螺釘固定，伺服馬達28的輸出軸與螺旋升降機27的輸入軸通過聯軸器相連，以傳遞馬達輸出的扭矩。垂直安裝時，螺旋升降機27通過螺釘直接固定在固定框9上，橫向安裝時，螺旋升降機27通過支撐架轉接固定在固定框9上。伺服馬達28的轉速和輸出扭矩等參數通過上位機控制，測力傳感器25的輸出信號實時反饋給上位機，由此形成一個閉環(huán)控制系統，由上位機通過傳感器的輸出值來判斷是否達到了所需要的校準力，然后控制馬達的運轉。
[0074]導向部件包括托盤29 (如圖16和圖17所示)、導向柱26和固定框9 (如圖15所示)，固定框9套在螺旋升降機27的絲杠上，位于螺旋升降機27上方且與螺旋升降機27固定連接，托盤29位于固定框9上方，螺旋升降機27的絲杠前端有安裝用的螺紋，托盤29通過中心螺紋孔293旋緊在絲杠前端，導向柱26的一端固定在固定框9上，另一端穿過托盤3上預留的導向孔292對托盤29進行導向；測力傳感器25用八個螺釘通過托盤29的安裝螺紋孔291安裝在托盤29上；
[0075]所述傳力部件包括傳立桿23 (如圖14所示)、傳力銷21、法蘭22以及對稱配置在法蘭兩端的柔性梁24 (如圖8所示)。對稱配置在法蘭22兩端的柔性梁24通過定位銷固定在法蘭上(如圖9所示)和法蘭作為一個整體。法蘭的安裝圓柱面起到定位的作用，保證柔性梁內孔中心線和螺旋升降機絲杠中心線的位置偏差在誤差允許的范圍內。傳力銷21從柔性梁24的圓孔和傳立桿23上的長槽孔內穿過。法蘭22和浮動框10通過螺釘連接；
[0076]如圖10、圖11、如圖12、圖13所示，柔性梁24是在圓柱狀材料的基礎上經過電加工和切削加工而成，外表面有通槽、銷孔和平面，內部沿軸向有通孔，兩個柔性梁24對稱配置在法蘭22兩側，柔性梁24和法蘭22通過定位銷固定連接，傳力桿23穿過柔性梁24的軸向通孔，傳力銷21穿過柔性梁24端部的圓孔和傳力桿23對應位置上的長槽孔，將柔性梁24的兩端與傳力桿23活動連接，傳立桿23的一端旋緊在測力傳感器25上，垂直安裝時，另一端穿過浮動框10，通過法蘭22將力發(fā)生器直接固定在浮動框10上；橫向安裝時，通過支撐架轉接固定在浮動框10上。
[0077]柔性梁24包括固定端241、自由端242、第一片梁243、第二片梁244和基體245 ；固定端241和自由端242位于基體245的兩端，固定端241的一端與法蘭22通過定位銷固定連接，另一端向外伸出一直U型的第一片梁243,自由端242的一端通過傳力銷21與傳力桿23活動連接，自由端242的另一端向外伸出一倒直U型的第二片梁244 ;第一片梁243與第二片梁244呈十字交叉，十字交叉的部分互不接觸；第一片梁243的遠離固定端241的一端連接在基體245上，第二片梁244的遠離自由端242的一端也連接在基體245上，基體245上開有減重孔246，以減輕整個柔性梁24的重量；基體245和自由端242之間有縫隙，基體245和固定端241之間也有縫隙。
[0078]第一片梁243直U型和第二片梁244倒直U型的厚度都很薄，第一片梁243和第二片梁244均僅能承受自由端242施加的拉力。，根據材料力學知識可知，片梁在壓力作用下會失穩(wěn)、變形(原理同細長桿受壓失穩(wěn)變形一致)，不能正常傳遞力。所以這種柔性梁只能對自由端242施加拉力。
[0079]力發(fā)生器的工作原理:在伺服馬達28驅動下，螺旋升降機27的絲杠向上(圖7中所示方向)運動時，導向部件、檢測元件連同傳力桿23同時向上運動，當上面?zhèn)髁︿N21和傳力桿23上部長槽孔的下緣接觸時，加載力通過傳立桿23、傳力銷21傳遞給法蘭22上端的柔性梁24，此時傳力桿23下部的長槽孔和下面的傳力銷21之間存在間隙，加載力不能通過下面的傳力銷21傳遞給法蘭22下端的柔性梁24，加載力最終通過法蘭22傳遞給浮動框10，對受試產品形成壓力。伺服馬達28帶動螺旋升降機27的絲杠向下(圖7中所示方向)運動時，導向部件、檢測元件連同傳力桿23同時向下運動，當下面?zhèn)髁︿N21和傳力桿23下部長槽孔的下緣接觸時，加載力通過傳立桿23、傳力銷21傳遞給法蘭22下端的柔性梁24，此時傳力桿23上部的長槽孔和上面的傳力銷21之間存在間隙，加載力不能通過上面的傳力銷21傳遞給法蘭22上端的柔性梁24，加載力最終通過法蘭22傳遞給浮動框10對受試產品形成拉力。
[0080]整個力源裝置中，螺旋升降機27安裝在固定框9上作為固定端，法蘭22和浮動框10連接作為自由端，該力發(fā)生器產生的力通過浮動框10施加給需要校準的產品。
[0081]本發(fā)明裝置在校準時，當伺服電機驅動升降機的絲杠上下移動時，托盤、力傳感器及傳力桿同步移動。當傳力桿向上移動，傳力桿上面的長槽的底部頂到上方的傳力銷，從而通過傳力銷、柔性桿、承力法蘭向浮動框施加向上的力。當升降機的絲杠向下移動時，則對浮動框施加向下的力，通過浮動框將力傳遞給工作力傳感器123，根據測力傳感器25和工作力傳感器123測量的信息實現校準；例如按照圖2、3所示的安裝關系，力發(fā)生器1、力發(fā)生器2、力發(fā)生器3、力發(fā)生器4組合作用可以施加土Y、土Mx及土Mz ;力發(fā)生器5和力發(fā)生器6組合作用施加±X ;力發(fā)生器7和力發(fā)生器8組合作用可以施加土Z及土My。8個力發(fā)生器共同作用可以在試驗現場實現對測力裝置的多元校準。
[0082]例如各力發(fā)生器的測力傳感器的輸出信號按力發(fā)生器所示編號分別記為U1~U8,單位:mV，Ic1~k8分別為測力傳感器的系數，單位:N/mV，L12為力發(fā)生器I和力發(fā)生器2之間的距離，L13為力發(fā)生器I和力發(fā)生器3之間的距離，L78為力發(fā)生器7和力發(fā)生器8之間的距離。則由力發(fā)生器所施加載荷分別為X= (K5.Δ U5+K6.Δ U6), Y =(K1.Δ U^K2.Δ U2+K3.Δ U3+K4.Λ U4)，Z = (K7.Δ U7+K8.Λ U8)，Mx = [ (K1.Δ U^K3.AU3)-(K2.Δυ2+Κ4.Δυ4)].L12/2,My= (K7.Λ U7-K8.Λ U8) *L78/2,MZ = [(K1.AU^K2.ΔU2) - (K3.Λ U3+K4.Λ U4) ].L13/2，需要施加力X時，由上位機給一個設定值X。，指示力發(fā)生器5和力發(fā)生器6的馬達同時運轉，馬達驅動升降機的絲杠向左或向右同方向移動，力發(fā)生器5和力發(fā)生器6的測力傳感器25產生讀數變化Λ U5和Λ U6,將該讀數變化代入上式I計算出力值X，上位機計算力值X與 設定值Xtl之差，判定如果在誤差范圍內，則上位機指示馬達停止運轉，將力值X通過上支撐架傳給浮動框10，浮動框將力值傳給工作力傳感器123，工作力傳感器123讀數發(fā)生變化，將該讀數錄入上位機，得到一組載荷和信號輸出的加載數據。如果需要六個分量同時加載，則8個力發(fā)生器的馬達全部動作。
[0083]測力時，力發(fā)生器不工作，被測力通過浮動框10傳遞給工作力傳感器123，例如按照圖1、2所示的安裝關系，各傳力組件的工作力傳感器的輸出根據傳力組件編號分別記為U12 ~U190 則 Ufx = U16+U17，UFy = U12+U13+U14+U15，Ufz = U18+U19，Ufflx = (U12+U14) - (U13+U15)，Uffly=U18-U19, Umz = (U12+U13) - (U14+U15)，式中 Ufx ~Umz 分別對應公式中的Λ Ui,單位為 mV。
[0084]利用校準裝置的力發(fā)生器對測力裝置可以實行六分量多元加載，由加載數據，根據最小二乘法原理，采用多元線性回歸分析方法，計算各分量的系數，得到測力裝置的校準
公式，形如:
【權利要求】
1.一種大型六分力測量及變角度支撐裝置，其特征在于:包括底座(100)、六分力測量及原位校準裝置(200)、變角度裝置(300)和鎖緊裝置(400)； 六分力測量及原位校準裝置(200)安裝在底座(100)上，變角度裝置(300)安裝在六分力測量及原位校準裝置(200)上，鎖緊裝置(400)位于變角度裝置(300)的兩側；試驗前，發(fā)動機安裝在變角度裝置(300)上，由六分力測量及原位校準裝置(200)進行初始校準，校準完成后，鎖緊裝置(400)與變角度裝置(300)的上平臺鎖緊固定，將試驗初期高空室流場建立時發(fā)動機承受的沖擊載荷傳遞出去，保護六分力測量及原位校準裝置(200)不被損壞，流場穩(wěn)定后，鎖緊裝置(400)與變角度裝置(300)之間解鎖，變角度裝置(300)根據試驗需求旋轉不同的角度，由六分力測量及原位校準裝置(200)測試發(fā)動機不同角度下的力和力矩。
2.根據權利要求1所述的一種大型六分力測量及變角度支撐裝置，其特征在于:所述的六分力測量及原位校準裝置(200)包括8個力發(fā)生器、固定框(9)、浮動框(10)和8個傳力組件； 其中四個傳力組件垂直安裝在固定框(9)與浮動框(10)之間，且呈方形布置；另外四個傳力組件分別通過上下支撐架固定在浮動框(10)和固定框(9)上，且這四個傳力組件軸線相對于浮動框(10)橫向安裝，安裝位置分別與上述方形的四個邊平行；四個力發(fā)生器垂直安裝在固定框(9)與浮動框(10)上，另外四個力發(fā)生器分別通過支撐架轉接橫向固定在浮動框(10)和固定框(9)之間，安裝位置分別與上述方形的四個邊平行； 所述的傳力組件包括工作力傳感器(123)、傳力柔性梁(124)、傳力法蘭(125);傳力柔性梁(124) —端通過螺桿與工作力傳感器(123)固定，工作力傳感器(123)直接固定在固定框(9)上或者通過下支撐架固定在固定框(9)上；傳力柔性梁(124)的另一端穿過傳力法蘭(125)的通孔，傳力法蘭(125)直接固定在浮動框(10)上或者通過上支撐架固定在浮動框(10)上； 校準時，力發(fā)生器產生的力通過浮動框(10)傳遞給工作力傳感器(123)，根據工作力傳感器(123)測量的信息實現校準；測力時，力發(fā)生器不工作，被測力通過浮動框(10)傳遞給工作力傳感器(123)，根據工作力傳感器(123)測量的信息得到需要測量的力和力矩。
3.根據權利要求2所述的一種大型六分力測量及變角度支撐裝置，其特征在于:所述的力發(fā)生器包括驅動部件、導向部件、監(jiān)測元件和傳力部件；所述監(jiān)測元件為測力傳感器(25)； 所述驅動部件包括伺服馬達(28)和螺旋升降機(27)，其中伺服馬達(28)輸出扭矩，螺旋升降機(27)將伺服馬達的旋轉運動轉換為螺旋升降機絲杠的軸向直線運動，由絲杠帶動導向部件、檢測元件和傳力部件做直線運動； 所述導向部件包括托盤(29)和導向柱(26)，固定框(9)套在螺旋升降機(27)的絲杠上，位于螺旋升降機(27)上方且與螺旋升降機(27)固定連接，托盤(29)位于固定框(9)上方，螺旋升降機(27)的絲杠前端有安裝用的螺紋，托盤(29)通過中心螺紋孔旋緊在絲杠前端，導向柱(26)的一端直接固定在固定框(9)上或者通過支撐架轉接固定在固定框(9)上，另一端穿過托盤(29)上預留的導向孔對托盤(29)進行導向；測力傳感器(25)安裝在托盤(29)上； 所述傳力部件包括傳立桿(23)、傳力銷(21)、法蘭(22)以及對稱配置在法蘭兩端的柔性梁(24)； 柔性梁(24)為圓柱狀，沿軸向有通孔，兩個柔性梁(24)對稱配置在法蘭(22)兩側，柔性梁(24)和法蘭(22)通過定位銷固定連接，傳力桿(23)穿過柔性梁(24)的軸向通孔，傳力銷(21)穿過柔性梁(24)端部的圓孔和傳力桿(23)對應位置上的長槽孔，將柔性梁(24)的兩端與傳力桿(23)活動連接，傳力桿(23)的一端旋緊在測力傳感器(25)上，另一端穿過浮動框(10)，通過法蘭(22)將力發(fā)生器直接固定在浮動框(10)上或者通過支撐架轉接固定在浮動框(10)上。
4.根據權利要求2所述的一種大型六分力測量及變角度支撐裝置，其特征在于:所述柔性梁(24)包括固定端(241)、自由端(242)、第一片梁(243)、第二片梁(244)和基體(245)； 固定端(241)和自由端(242)位于基體(245)的兩端，固定端(241)的一端與法蘭(22)通過定位銷固定連接，另一端向外伸出一直U型的第一片梁(243)，自由端(242)的一端通過傳力銷(21)與傳力桿(23)活動連接，自由端(242)的另一端向外伸出一倒直U型的第二片梁(244);第一片梁(243)與第二片梁(244)呈十字交叉，十字交叉的部分互不接觸；第一片梁(243)的遠離固定端(241)的一端連接在基體(245)上，第二片梁(244)的遠離自由端(242)的一端也連接在基體(245)上，基體(245)上開有減重孔(246)，以減輕整個柔性梁(24)的重量；基體(245)和自由端(242)之間有縫隙，基體(245)和固定端(241)之間也有縫隙。
5.根據權利要求1所述的一種大型六分力測量及變角度支撐裝置，其特征在于:所述的變角度裝置(300)包括上平臺(3001)、下平臺(3002)、轉軸裝置(3003)、弧形導軌裝置(3004)和驅動裝置(3005);所述的弧形導軌裝置(3004)包括弧形導軌(3021)、導軌安裝座(3022)、導軌限位一(3023)、導軌限位二(3024)、滑塊(3025)； 弧形導軌(3021)安裝在導軌安裝座(3022)上，弧形導軌(3021)的兩側通過導軌限位一 (3023)和導軌限位二(3024)進行限位，導軌安裝座(3022)安裝在下平臺(3002)上，弧形導軌(3021)上的滑塊(3025)與上平臺(3001)連接； 上平臺(3001)上連接發(fā)動機試驗件，下平臺(3002)為整個裝置的支撐，上平臺(3001)的一側通過轉軸裝置(3003)安裝在下平臺(3002)上，驅動裝置(3005)連接下平臺(3002)以及上平臺(3001)的另一側，通過控制驅動裝置(3005)驅動上平臺(3001)沿著弧形導軌(3021)繞轉軸裝置(3003)旋轉預設的角度。
6.根據權利要求1所述的一種大型六分力測量及變角度支撐裝置，其特征在于:所述的鎖緊裝置(400)包括驅動組件、導向組件、插座組件、檢測組件、鎖緊頭(4219)和鎖緊裝置基礎(4003)； 所述驅動組件包括伺服馬達(4217)、馬達安裝座(4216)、螺旋升降機(4215)、升降機安裝座(4214)、絲杠螺母(4026)和滑移座(4025);所述的導向組件包括導軌擋塊(4210)、鎖緊螺釘(4211)、導軌座(4212)、直線導軌副(4213);直線導軌副(4213)包括導軌和滑塊，直線導軌副(4213)安裝在導軌座(4212)上； 插座組件安裝在上平臺(3001)上；鎖緊頭(4219)安裝在滑移座(4025)上，伺服馬達(4217)通過馬達安裝座(4216)和螺旋升降機(4215)連接，螺旋升降機(4215)通過升降機安裝座(4214)固定在導軌座(4212)上，絲杠螺母(4026)套在螺旋升降機(4215)的絲杠上，絲杠螺母(4026)與滑移座(4025)連接，滑移座(4025)安裝在直線導軌副(4213)的滑塊上；置于導軌側面的導軌擋塊(4210)與導軌座(4212)連接，鎖緊螺釘(4211)旋入導軌擋塊(4210)上的螺紋孔并頂在導軌上，用于調整導軌的位置；導軌座(4212)安裝在鎖緊裝置基礎(4003)上； 伺服馬達(4217)輸出的扭矩通過螺旋升降機(4215)的絲杠和絲杠螺母(4026)為滑移座(4025)提供動力，由滑移座(4025)帶動鎖緊頭(4219)移動直至插入插座組件，檢測組件檢測滑移座(4025)的位置，將鎖緊到位信號反饋至外部控制系統；當需要解鎖時，伺服馬達(4217)反向運轉，通過螺旋升降機(4215)帶動滑移座(4025)向后運動，檢測組件檢測滑移座(4025)的位置，將解鎖到位信號反饋至外部控制系統。
7.根據權利 要求6所述的一種大型六分力測量及變角度支撐裝置，其特征在于:所述的檢測組件包括兩個限位開關(4028)、兩個支架(4027)和一個感應片(4029);感應片(4029)安裝在滑移座(4025)上隨其運動，一個限位開關(4028)安裝在一個支架(4027)上，兩個支架(4027)按前后位置分別安裝在升降及安裝座(4214)上，兩個限位開關(4028)之間的距離根據滑移座(4025)在鎖緊過程中的行程確定；當滑移座(4025)帶動鎖緊頭(4219)移動直至插入插座組件鎖緊到位時，前面的限位開關恰好感應到感應片(4029)，限位開關發(fā)出鎖緊到位信號反饋至外部控制系統；解除鎖緊時，后面的限位開關感應到感應片(4029)，該限位開關將解鎖到位信號反饋至外部控制系統。
8.根據權利要求6所述的一種大型六分力測量及變角度支撐裝置，其特征在于:所述的插座組件包括插座(4021)、調節(jié)螺釘(4022)、內襯套(4023)和銅套(4024)； 插座組件通過插座(4021)緊固在上平臺(3001)上；銅套(4024)鑲嵌在內襯套(4023)內并將兩者固定，防止銅套(4024)軸向躥動；銅套(4024)和內襯套(4023)組成的整體安裝在插座(4021)的內腔，插座(4021)的外圓柱面上均布有η個安裝平面(4212)，每個平面上有兩個螺紋孔，內襯套(4023)的外圓柱面上同樣均布η個頂緊平面(4231);安裝時插座(4021)上的安裝平面(4212)和內襯套(4023)上的頂緊平面(4231)兩兩相對；調節(jié)螺釘(4022)從插座(4021)上的螺紋孔旋入，頂緊在內襯套(4023)上，通過調節(jié)調節(jié)螺釘(4022)的旋入長度調節(jié)內襯套(4023)在插座(4021)中的位置。
【文檔編號】G01L5/16GK103983393SQ201410216086
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月21日 優(yōu)先權日:2014年5月21日
【發(fā)明者】孫侃, 郎衛(wèi)東, 鄭芳, 劉丹, 趙金海, 皮組成, 曾令民, 楊中艷, 武家陶 申請人:中國航天空氣動力技術研究院