基于PRO/E的飞行器质量特性测量转接装置设计

王志峰 刘海燕 黄振辉 毕煌圣 胡改娟 郝 丁 何凡锋 邓军雷

基于PRO/E的飞行器质量特性测量转接装置设计

王志峰 刘海燕 黄振辉 毕煌圣 胡改娟 郝 丁 何凡锋 邓军雷

（首都航天机械有限公司，北京 100076）

提出了基于PRO/E的自顶向下的一种飞行器质量特性测量转接装置的设计方法，详细论述了质量特性测量转接装置的设计原理、设计过程及优化配重方法。经实践证明所设计的质量特性测量转接装置结构合理、测试结果可靠，该设计方法适用于采用平台式质量特性设备的产品转接装置设计，适用于基于平台式质量特性设备的不同型号产品的质量特性分析。

质量特性测量；工艺装备；配重；PRO/E

1 引言

飞行器的质量、质心及转动惯量等质量特性参数（通常测量项目为：质量、质心、转动惯量）是飞行器飞行控制的基础参数，需要在平台式质量特性设备上测量，测量平台通常为一通用接口测量平台。由于被测产品具有不同的外形形状，因此测量过程需要相应的具有严格质量质心要求的飞行器质量特性转接装置辅助下测量。

飞行器质量特性测量转接装置是飞行器质量特性测试中必备的转接环节，是连接质量特性测试平台及待测飞行器的职能结构，图1所示为某飞行器质量特性转接装置的应用状态。飞行器通常为各类圆形及翼形结构，均有对外连接接口，测量转接装置承担着把飞行器按照规定要求定位安装在测量平台上的功能，并且要求转接装置的引入不影响飞行器的参数测量结果。

图1 飞行器质量特性测量转接装置使用状态

2 方案设计

2.1 质量特性测量工艺过程

a. 将测量转接装置按照定位要求通过定位销和螺栓安装到测试平台上面；

b. 将待测飞行器吊装于测试转接装置上面并连接；

c. 进行飞行其质量特性的测试及相关操作。

连接好的测量状态如图1所示。

2.2 转接装置设计原理

质量、质心测量原理是根据重力矩平衡原理进行的，为保证测量准确，质量、质心测量转接装置的质心位置应具有严格的要求，要求测量转接装置的引入不能影响飞行器质量参数测量结果，设计原理如图2所示。

图2 测量转接装置设计原理

a. 测平面质心

待测飞行器接入转接装置后，使二者的综合平面质心位置与待测飞行器在该位置的理论平面质心位置重合，进而与测试平台平面质心位置重合，实现待测产品平面质心测量。为了排除测量转接装置对综合质心的影响，要求测量转接装置自身的平面质心位置在接入待测飞行器前与测试平台平面质心位置重合，这是利用平台测试的最优方案。

b. 测量三维质心

在测完一个平面质心后，需通过转接装置将飞行器沿轴偏转一个角度，根据直角三角形原理即可测量待测产品向质心。也可将飞行器绕轴直接旋转90°，然后测量其平面质心，最终得出三维产品质心。

c. 测转动惯量

转动惯量通用表达式为：=∑²

连续刚体表达式为：=∫dv

其中：为待测产品单元体质量；为产品质量单元体到转轴的垂直距离；为产品密度。

从转动惯量表达公式可以看出，转动惯量是一个求和叠加过程，当转轴固定后，可以明确区分后增加质量相应转动惯量的叠加增量。因此，在测完质心后，将过质心的轴作为转轴，通过分次装卡测量结合简单的加减运算，即可测量出以过待测产品质心的三个坐标轴为转轴的产品转动惯量。

由此可以得出，误差引入主要来自两个方面：a.质量：转接装置质量不能太大，若转接装置质量远大于被测产品质量，会引入产品质量分辨误差；b.偏心：转接装置质心不能偏离测量台中心太大，否则引入偏心误差。

因此，为得到最优测量结果，质量特性测量转接装置设计需满足三个方面的原则：

a. 测量转接装置应具有普通转接装置的定位、夹紧、翻转、保护产品等功能结构；

b. 始终保证自身的平面投影质心位置与测量平台的平面投影质心位置重合；

c. 将相应待测产品的理论质心位置装配到转台及转接装置转盘的两个旋转中心线交点上。

当转接装置、测试平台二者满足以上要求后，按照对称原则在相应位置配合两两定位及紧固件，即可进行对待测产品的质量特性测量。

3 基于PRO/E的转接装置设计过程

在PRO/E环境中，质量特性测量转接装置的设计总体思路是：根据已经安装到位的产品，采用自顶向下的设计方法[1]，设计定位元件、夹紧元件及其它功能元件等，最后根据工艺要求，完成整体转接装置的质量质心要求。

3.1 PRO/E环境下的转接装置（后简称为转接装置）结构设计过程

a. 获得三维PRO/E产品模型，分析产品模型，找到产品对外定位工艺孔及连接部位。

b. 确定转接装置功能（本类别转接装置用于待测飞行器的质量特性测量，其他类别可以用于某种机械加工，或者某种装配），设计总体结构方案，考虑产品及转接装置在相应平台上的安装，设计合理的连接元件，确定产品及转接装置的定位方法及紧固连接方法。

c. 建立PRO/E组件模型，将产品三维模型装配到组件中，选择一种放置方式（坐标系、点、线等）。

d. 在组件模型中建立若干新的组件或者元件作为转接装置的功能元件或组件。建立新组件和元件时，应综合考虑总体方案的协调，设计合理具体的零组件单元体，明确设计思路和名称。

e. 根据总体方案及转接装置工艺特征，逐步建立新建零组件之间的装配和约束关系，完成总体方案的结构设计。

f. 测量和检查：尺寸测量及干涉检查。

g. PRO/E高级应用。对于有特殊要求的转接装置（本转接装置需要固定质心位置），还需要进一步的操作（配重、参数化等）[2]。

h. 强度校核：转接装置类辅助产品一般安全系数较高，不需要强度校核，但对于关键零部件则必须进行强度校核，以保证转接装置使用过程中的安全可靠，满足用户要求。

图3所示为某飞行器质量特性转接装置结构设计结果。本例中为测量飞行器的三维质心，将待测飞行器沿轴翻转90°分两次测量，如图3a和图3b所示。为测量待测产品对过质心的三个坐标轴的转动惯量，对、轴转动惯量在测完质心之后，直接转动转台带动转接装置和产品进行测量；在测量轴转动惯量时，为测量准确，采用单独一块连接板与产品及转接板连接，如图3c所示。测量轴转动惯量时，将飞行器平面理论质心与单独的连接板及测量平台的平面质心重合，进行测量。图3a和图3b为测量飞行器三维质心及、轴转动惯量状态，图3c为测量飞行器轴转动惯量状态。

图3 某飞行器质量特性转接装置结构设计

3.2 基于PRO/E的转接装置配重

图4 创建配重体、坐标系

为满足2.2所述转接装置的质量质心要求，测量转接装置结构设计完成后，必须对所设计的转接装置进行配重，按设计目标优化机构[3]。以下对图4转接装置进行基于PRO/E的转接装置配重。

根据产品技术要求及转接装置、待测飞行器、测试平台装配定位基准要求，测量转接装置应具有如表1所示的质心位置。

表1 转接装置质心要求

a. 设计配重位置和配重体结构，并在模型中创建一个坐标系和一个分析特征来执行模型分析以确定质量属性、计算质量，如图4所示。

b. 执行敏感度分析以确定转接装置质心位置随配重体高度变化规律，分析结果如图5所示。因为转接装置为轴对称布置，故向质心位置可以满足要求。以向质心为目标函数，从图中可以看出当值为-1099（本例新创建的坐标系在转接装置端面轴指向转接装置外面，故1099为负值。也可以创建到理论质心处，其值为0，0，0，）时，配重体厚度约为84mm。

图5 x向敏感度分析结果

c. 执行可行性及优化分析。如图6所示，目标函数设定为要求XCOG=-1099，设计变量为配重体的高度尺寸，根据敏感度分析结果，变量尺寸变化范围为50～100mm，计算结果如图7可以看出，XCOG在-1099处收敛，可以满足设计要求。

图6 可行性及优化分析

图7 可行性及优化分析结果

根据分析结果，配重体厚度理论值为84.983mm，为满足加工工艺要求，厚度值圆整为85mm，最后再校验质量特性，质量及质心位置参数如图8所示。图9所示为配平后的最终转接装置产品。

图8 优化后的质量特性分析

图9 优化后配重的最终转接装置产品

由图8可以看出，转接装置总质量为815kg，、向质心坐标分别为（-1099.5，0），满足理论值设计要求。在测量质心时，需将待测产品垂直翻转90°，此时，若出现转接装置质心改变，应再进行配平操作，方法同上。

4 结束语

提出了基于PRO/E的飞行器质量特性测试转接装置的设计原理及设计方法，通过实例阐述了满足质量特性测量转接装置质心要求的配重方法及配重流程，通过三维PRO/E的配重仿真，大大简化了实际工程转接装置配重过程，对同类别产品具有广泛的推广价值。

1 曹茹. 基于自上而下法的内燃机运动件CAD/CAE设计[J]. 内燃机车，2010(12)：30～33

2 徐厚昌，朱银锋. 基于Pro/E优化设计及仿真的综合运用[J]. 装备制造技术，2009 (2)：65～66

3 二代龙震工作室. PRO/ENGINEER Wildfire4.0高级设计[M]. 北京：电子工业出版社，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），工程师，流体机械及工程专业；研究方向：航天特种装备和航天工艺装备设计研发。

2018-01-03