高精度机电式自动加载技术的研究和应用*

纪 涛,李小刚,赵长辉,徐 明,周 航

(中国航空工业空气动力研究院,沈阳 110034)

0 引言

至今,国内各单位的天平校准系统主要采用砝码对被校天平施加校准载荷[1-2]。虽然从最初的手加砝码改进成自动加砝码,但随着载荷范围的增大,砝码的数量和重量也随之增加,致使加工、计量、使用和维护的工作量及难度加大、费用增加、加载时间加长;而且对于不同量程天平的校准,更换砝码串也很繁琐,同时砝码与吊环之间容易刮碰,严重地影响了天平校准的自动化程度、效率和精准度;另外由于砝码的质量是固定的,无法复现风洞试验中天平受力状态,确保风洞试验数据的精准度。因此,在BACS5000天平校准系统研制之初,急需开展新的加载技术研究。根据调研和查阅相关资料[3-4],在国外的天平校准系统中,除采用砝码加载外,还有采用气动、液压和机电等加载方法;其中气压和液压加载需要有高压气源或液压源,控制系统也比较复杂,使用和维护都有难度;近年来,随着机电式直线传动部件研制技术的发展,无论是承载能力还是控制精度等性能都得到了提高,而且都不低于气压和液压传动系统。在此基础上,项目组开展了高精度机电式自动加载技术的研究,制定了详细的技术方案,在已有BACS1500天平校准系统上进行了技术方案可行性验证试验,证明了技术的成熟度,最终在BACS5000天平校准系统中得以应用。

1 技术方案

在开展高精度机电式自动加载技术研究的过程中,首先制定了机电式自动加载的技术方案。

1.1 机械的技术方案

机械的技术方案:通过伺服电机、伺服电动缸、加载缓冲器(圆柱形拉伸弹簧结构)和加载滑轮,实现对天平施加加载;同时通过高精度负载传感器获得真正施加在天平上的载荷,反馈给控制系统,指导伺服电机运动,如图1。

1.2 测控的技术方案

测控的技术方案:通过CAN总线对伺服系统发出数字控制信号和传感器返回信号实现闭环,最终实现自动加载的目的,如图2。

图1 机电式自动加载的技术方案

图2 加载控制系统控制流程图

2 技术方案可行性验证试验

在已有BACS1500天平校准系统上采用砝码和机电式自动加载装置两种方式,对11-N6- 45A进行加载对比试验(图3)。伺服电机每转一周需要发10 000个脉冲,电动缸减速机的减速比为25∶1,电动缸的导程为5 mm,则电动缸的控制分辨率为0.000 02 mm。

图3 机械和控制设备

验证试验结论:在复位和加载同时达到精度要求的情况下,砝码和机电式自动加载装置的升力元主系数相差0.04%,高精度机电式自动加载技术是可行的(图4)。

3 高精度机电式自动加载技术的应用

BACS5000天平校准系统的研制应用了高精度机电式自动加载技术,共有十七套机电式自动加载装置。

整套BACS5000天平校准系统实现了全自动化天平校准,对11-N6-45A天平的校准[5-6]用时3 h(高效率,一般现有校准系统用时12 h以上)。11-N6-45A天平的校准精准度均达到了国军标要求的先进指标。

图4 砝码和机电式自动加载两种加载方式比较

图5 BACS5000天平校准系统和高精度机电式自动加载装置

项目单元YMzMxXZMy准度/%0.130.050.150.10.170.13精度/%0.0030.0060.010.0240.010.016

4 结论

1)高精度机电式自动加载技术在复位和加载相互干扰的作用下满足施加预定准度要求的体轴系校准载荷。

2)高精度机电式自动加载技术可以在一定载荷范围内对被校天平施加任意需要的校准载荷,复现风洞试验中天平受力状态。

3)只需更换高精度传感器即可改变加载范围,以适应不同量程天平校准的需要。

4)将高精度传感器安装于加载架和加载滑轮之间,则高精度传感器的输出反映了真实加载于天平上的载荷,消除了加载滑轮和钢带之间摩擦力的系统误差和伺服电动缸等的安装误差影响,从而提高了天平校准精准度。