本發(fā)明涉及一種屬于風(fēng)洞試驗領(lǐng)域，尤其是涉及一種超低溫六分量天平校準(zhǔn)復(fù)位過程中的位姿檢測方法。

背景技術(shù)：

風(fēng)洞天平是風(fēng)洞測力試驗基礎(chǔ)測量設(shè)備，用于測量風(fēng)洞試驗中作用在試驗?zāi)Ｐ蜕系臍鈩恿?力和力矩)的大小、方向和作用點。天平校準(zhǔn)系統(tǒng)是天平計量設(shè)備，通過對天平按已知的坐標(biāo)軸系精確地施加靜態(tài)載荷(力和力矩)，獲取天平公式(輸出信號與載荷的關(guān)系矩陣)，評估天平性能。由于風(fēng)洞試驗的特殊性和復(fù)雜性，以及不同種類試驗測量要求差異大，導(dǎo)致風(fēng)洞天平成為一種特殊的、非標(biāo)準(zhǔn)力/力矩測量設(shè)備。天平的校準(zhǔn)是非常重要的部分，它直接關(guān)系到天平在以后的風(fēng)洞試驗使用中的測量精準(zhǔn)度。超低溫六分量天平校準(zhǔn)系統(tǒng)是體軸系校準(zhǔn)系統(tǒng)，可實現(xiàn)天平體溫度從常溫到超低溫的精確控制和不同溫度條件下的天平靜態(tài)校準(zhǔn)。

在風(fēng)洞天平校準(zhǔn)系統(tǒng)中，加載頭安裝在天平的模型端，加載系統(tǒng)通過加載頭對被校天平施加標(biāo)準(zhǔn)載荷。在校準(zhǔn)載荷作用下，加載頭的空間位置發(fā)生變化。通過天平變形測量裝置將加載頭的空間位置采集到控制系統(tǒng)中。復(fù)位機構(gòu)根據(jù)采集到的加載頭空間位置變化做出相應(yīng)的調(diào)整，使加載頭恢復(fù)到加載前的初始位置。目前，在常溫實驗環(huán)境下，不考慮溫度變化的影響，天平變形測量裝置主要是由安裝在加載頭正前方的變形測量板和變形測量架組成。但是對于特殊用途的天平，如超低溫天平，在溫度變化的過程中，加載頭發(fā)生低溫變形，導(dǎo)致加載系統(tǒng)施加的標(biāo)準(zhǔn)載荷不是作用在加載頭幾何中心。給天平校準(zhǔn)帶來很大誤差。而且，在校準(zhǔn)不同天平的過程中，變形測量裝置的測量基準(zhǔn)可能會發(fā)生改變，沒有數(shù)據(jù)或指標(biāo)顯示測量基準(zhǔn)是否發(fā)生改變，從而也會給天平校準(zhǔn)帶來誤差。

在超低溫實驗條件下，通過儀器設(shè)備來測量加載頭的空間位置變化，溫度會對儀器設(shè)備產(chǎn)生影響，需要更加方便可靠的測量方法；隨著航天和航空技術(shù)的發(fā)展，對風(fēng)洞實驗的測量精度提出了更高的要求。因此，本發(fā)明提供一種超低溫六分量天平校準(zhǔn)復(fù)位過程中的位姿檢測方法，以解決上述問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是的目的在于提供一種超低溫六分量天平校準(zhǔn)復(fù)位過程中的位姿檢測方法。

為了達到上述目的，本發(fā)明的該超低溫六分量天平校準(zhǔn)復(fù)位過程中的位姿檢測方法包括一個主變形測量裝置和一個輔助變形測量裝置。

該主變形測量裝置包括一個主變形測量板和一個主變形測量架，該主變形測量板是固定在校準(zhǔn)加載頭正前方的位置檢測板，該主變形測量架裝配有六個高精度激光位移傳感器，通過檢測該主變形測量板來測量該校準(zhǔn)加載頭的姿態(tài)，其為非接觸式測量，其中六個高精度激光位移傳感器分別為X1(左上)、X2(右上)、X3(下)、Y1(左上)、Y2(右上)、Z1(右上)。

該輔助變形測量裝置包括一個輔助變形測量板和一個輔助變形測量架，該輔助變形測量板包括位于該校準(zhǔn)加載頭的X正向和Y負向的變形測量板，該輔助變形測量架由一個測量Y正向部分和一個測量Y負向部分組成，該測量Y正向部分和該測量Y負向部分安裝在同一個基座上，分別裝配有三個高精度激光位移傳感器，其中三個高精度激光位移傳感器分別為PX(Y正向)、PY(Y正向)、PZ(Y正向)、NX(Y負向)、NY(Y負向)、NZ(Y負向)。

該主變形測量裝置將該校準(zhǔn)加載頭的空間位置采集到一個控制系統(tǒng)中，一個復(fù)位機構(gòu)根據(jù)該校準(zhǔn)加載頭的空間位置的變化調(diào)整該校準(zhǔn)加載頭恢復(fù)到加載前的初始位置，其中X1、X2和X3的高精度激光位移傳感器分別用于測量該校準(zhǔn)加載頭的水平X方向位移變化，Y1和Y2的高精度激光位移傳感器分別用于測量該校準(zhǔn)加載頭鉛垂Y方向位移變化，Z1的高精度激光位移傳感器用于測量該校準(zhǔn)加載頭側(cè)向位移變化。

該輔助變形測量裝置將該校準(zhǔn)加載頭的空間位置采集到該控制系統(tǒng)中，低溫試驗箱控制溫度到超低溫的過程中，該校準(zhǔn)加載頭發(fā)生低溫變形，該校準(zhǔn)加載頭的Y向和Z向關(guān)于該校準(zhǔn)加載頭的軸向(即X向)對稱，其中該校準(zhǔn)加載頭的低溫變形量不會引起該校準(zhǔn)加載頭的坐標(biāo)系的變化。該復(fù)位機構(gòu)根據(jù)該校準(zhǔn)加載頭的X向的低溫變形調(diào)整該校準(zhǔn)加載頭在X方向上回復(fù)低溫變形前的位置。

該輔助變形測量裝置將該校準(zhǔn)加載頭的空間位置采集到該控制系統(tǒng)中，當(dāng)該主變形測量架的坐標(biāo)基準(zhǔn)改變，該輔助變形測量架測得的該校準(zhǔn)加載頭的空間位置在未加載的情況下發(fā)生變化。

本發(fā)明進一步提供一種超低溫六分量天平校準(zhǔn)復(fù)位過程中的位姿檢測方法，其包括：

步驟1，控制一個低溫箱溫度從常溫到低溫再到超低溫的過程中，通過一組高精度激光位移傳感器采集位于該低溫箱內(nèi)的一個校準(zhǔn)加載頭在X方向上的低溫變形量，并通過一個復(fù)位機構(gòu)補償該校準(zhǔn)加載頭在X方向上的低溫變形量；

步驟2，通過一個施力機構(gòu)對該校準(zhǔn)加載頭施加標(biāo)準(zhǔn)載荷；

步驟3，通過一組高精度激光位移傳感器在該低溫箱外采集該校準(zhǔn)加載頭的位移量；

步驟4，將該校準(zhǔn)加載頭的位移量傳輸至一個控制系統(tǒng)中，以使該控制系統(tǒng)根據(jù)該校準(zhǔn)加載頭的位移量獲得該校準(zhǔn)加載頭在該低溫箱內(nèi)的線位移和角位移，以在后續(xù)根據(jù)該校準(zhǔn)加載頭的線位移和角位移，通過該復(fù)位機構(gòu)進行補償。

優(yōu)選地，在該步驟3中，該校準(zhǔn)加載頭的位移量包括X方向、Y方向和Z方向的位移量，以在該步驟4中，該控制系統(tǒng)能夠獲得該校準(zhǔn)加載頭在該低溫箱內(nèi)的X方向、Y方向和Z方向的線位移和繞X方向、Y方向和Z方向的角位移。

優(yōu)選地，分別通過一個該高精度激光位移傳感器測量該校準(zhǔn)加載頭在X方向的位移變化、分別通過一個該高精度激光位移傳感器測量該校準(zhǔn)加載頭在鉛垂Y方向的位移變化，通過一個該高精度激光位移傳感器測量該校準(zhǔn)加載頭的側(cè)向位移變化，以獲得該校準(zhǔn)加載頭的位移量。

優(yōu)選地，在該步驟1之前包括步驟：標(biāo)定該校準(zhǔn)加載頭的坐標(biāo)系和調(diào)整天平校心和加載力坐標(biāo)系。

優(yōu)選地，在常溫環(huán)境下標(biāo)定該校準(zhǔn)加載頭的坐標(biāo)系和調(diào)整天平校心和加載力坐標(biāo)系。

本發(fā)明的該超低溫六分量天平校準(zhǔn)復(fù)位過程中的位姿檢測方法的有益效果是：

1、天平和該校準(zhǔn)加載頭置于低溫試驗箱內(nèi)，該校準(zhǔn)加載頭的加載點和復(fù)位過程中的位姿監(jiān)測部分布置在該低溫試驗箱外，不僅有利于標(biāo)準(zhǔn)載荷的加載，也有利于復(fù)位過程中的位姿測量。高精度激光位移傳感器不需要在超低溫的環(huán)境中工作，不僅方便測量，也提高了測量的精度和可靠性。

2、選用高精度激光位移傳感器測量該校準(zhǔn)加載頭的空間位姿，并且測量方式采用非接觸式測量，避免了接觸式測量微小的拖力產(chǎn)生的誤差。

3、該主變形測量板使用六個高精度激光位移傳感器測量該主變形測量板上的測量點的線位移，直接測量出該校準(zhǔn)加載頭的X、Y和Z方向上的線位移，再計算出繞X、Y和Z的角位移，測量方便，節(jié)約成本。

4、在試驗過程中的溫度變化大，該校準(zhǔn)加載頭在X方向上的低溫變形使標(biāo)準(zhǔn)載荷不是作用在該校準(zhǔn)加載頭的幾何中心，該輔助變形測量裝置測量出X向的低溫變化并通過復(fù)位機構(gòu)補償。該輔助測量百年星裝置利用傳感器冗余，很好地解決了低溫變形問題，從而避免了低溫變形打來的較大影響。

5、該輔助變形測量裝置同時監(jiān)測該主變形測量架的坐標(biāo)系基準(zhǔn)是否發(fā)生改變，當(dāng)該輔助變形測量裝置的高精度激光位移傳感器測量出該校準(zhǔn)加載頭的空間位姿在未施加標(biāo)準(zhǔn)載荷的情況下發(fā)生變化，則該主變形測量架的坐標(biāo)系基準(zhǔn)發(fā)生了改變，這樣，有利于校準(zhǔn)試驗的成功率，避免了人力和物力的浪費。

6、本發(fā)明的該超低溫六分量天平校準(zhǔn)復(fù)位過程中的位姿檢測方法測量精度高、測量可靠性強，并且節(jié)約了成本，提高了資源的利用率。

附圖說明

為了獲得本發(fā)明的上述和其他優(yōu)點和特點，以下將參照附圖中所示的本發(fā)明的具體實施例對以上概述的本發(fā)明進行更具體的說明。應(yīng)理解的是，這些附圖僅示出了本發(fā)明的典型實施例，因此不應(yīng)被視為對本發(fā)明的范圍的限制，通過使用附圖，將對本發(fā)明進行更具體和更詳細的說明和闡述。在附圖中：

圖1是一個位姿檢測裝置的示意圖。

圖2是該位姿檢測裝置檢測一個校準(zhǔn)加載頭的空間位姿的示意圖。

圖3是該校準(zhǔn)加載頭的示意圖。

圖4是該位姿檢測裝置的一個輔助變形測量裝置的局部示意圖。

圖5是該位姿檢測裝置一個天平安裝示意圖。

圖6是該位姿檢測裝置的主變形測量板測量點的分布示意圖。

具體實施方式

以下描述用于揭露本發(fā)明以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明。以下描述中的優(yōu)選實施例只作為舉例，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到其他顯而易見的變型。在以下描述中界定的本發(fā)明的基本原理可以應(yīng)用于其他實施方案、變形方案、改進方案、等同方案以及沒有背離本發(fā)明的精神和范圍的其他技術(shù)方案。

如圖1至圖6所示，一個位姿檢測裝置用于在低溫試驗中檢測一個校準(zhǔn)加載頭5的空間位姿，以保證試驗的精確度和可靠性。該位姿檢測裝置包括一個主變形測量裝置和一個輔助變形測量裝置，該主變形測量裝置和該輔助變形測量裝置能夠相互配合，以實現(xiàn)對該校準(zhǔn)加載頭5的空間位姿的檢測，并且能夠在后續(xù)根據(jù)該位姿檢測裝置對該校準(zhǔn)加載頭5的檢測結(jié)果對該校準(zhǔn)加載頭5進行補償，以保證試驗的精確度和可靠性。

該主變形測量裝置包括一個主變形測量架1和一個主變形測量板2。該輔助變形測量裝置包括一個輔助變形測量基座3、一個輔助變形測量架6以及一個輔助變形測量板7，該輔助變形測量架6和該輔助變形測量板7均設(shè)置在該輔助變形測量基座3上。優(yōu)選地，該輔助變形測量板7包括Y正向的輔助變形測量板和Y負向的輔助變形測量板，該輔助變形測量架6包括Y正向的輔助變形測量架和Y負向的輔助變形測量架。

進行標(biāo)準(zhǔn)載荷加載之前，在常溫環(huán)境下，需要先標(biāo)定好該校準(zhǔn)加載頭5的坐標(biāo)系，調(diào)整天平校心以及加載力坐標(biāo)系。使用激光跟蹤儀調(diào)整該校準(zhǔn)加載頭5位置水平，以該校準(zhǔn)加載頭5的軸向正前方為X軸正向，鉛錘向上為Y軸正向，根據(jù)右手定則確定Z方向，建立加載頭坐標(biāo)系；調(diào)整天平8校心，即調(diào)整該天平8校心與該校準(zhǔn)加載頭5幾何中心重合。該天平8校心在X、Z方向上通過加工精度來保證與該校準(zhǔn)加載頭5幾何中心X、Z方向上重合。Y方向上通過施加已知載荷，如果該天平8有扭矩信號輸出，則該天平8校心與該校準(zhǔn)加載頭5幾何中心在Y方向上不重合。由于所施加的載荷是已知的，根據(jù)該天平8輸出的扭矩信號大小計算出該天平8需要調(diào)整的距離至天平扭矩輸出信號為零；標(biāo)定加載力系，使加載力系該校準(zhǔn)與加載頭5坐標(biāo)系重合。

標(biāo)定好該校準(zhǔn)加載頭5的坐標(biāo)系，調(diào)整該天平8校心以及加載力坐標(biāo)系后，該主變形測量架1上的高精度激光位移傳感器示數(shù)采集到一個控制系統(tǒng)中；控制低溫實驗箱4溫度至目標(biāo)溫度，在目標(biāo)溫度下，該校準(zhǔn)加載頭5發(fā)生低溫變形，該Y向的輔助變形測量架6上的高精度激光位移傳感器測量出該校準(zhǔn)加載頭5中心在X方向上的低溫變形量，通過一個復(fù)位機構(gòu)調(diào)整該校準(zhǔn)加載頭5至溫度改變之前該校準(zhǔn)加載頭5在X方向的位置，從而補償?shù)蜏刈冃?；此時，該主變形測量架1上的高精度激光位移傳感器的示數(shù)作為在超低溫環(huán)境下天平校準(zhǔn)復(fù)位過程中該校準(zhǔn)加載頭5的校準(zhǔn)基準(zhǔn)。

如圖2所示，在施力機構(gòu)對該校準(zhǔn)加載頭5施加標(biāo)準(zhǔn)載荷過程中，該校準(zhǔn)加載頭5發(fā)生空間位置變化。因為該主變形測量板1不受力，所以該主變形測量板1在三個方向上的位移變化量可用于表示該校準(zhǔn)加載頭5的幾何中心的在三個方向上的位移變化量。高精度激光位移傳感器將位移變化量采集到該控制系統(tǒng)中，從而計算出該校準(zhǔn)加載頭5在三個方向上的產(chǎn)生的線位移和繞三個軸的角位移，其計算如下：

線位移：

Δz＝Δz1

角位移：

式中，Δx1、Δx2、Δx3、Δy1、Δy2、Δz1為該控制系統(tǒng)根據(jù)每個高精度激光位移傳感器測量的數(shù)據(jù)計算出的測量點位移變化量，L1為X3到X1、X2安裝位置水平連線的距離，到L2為X1、X2安裝位置水平方向上的距離，L3為Y1、Y2安裝位置水平方向上的距離。

該復(fù)位機構(gòu)根據(jù)計算出該校準(zhǔn)加載頭5的線位移變化量和角位移變化量來調(diào)整該校準(zhǔn)加載頭5的空間位置。在調(diào)整過程中，高精度激光位移傳感器實時地采集該校準(zhǔn)加載頭5的空間位置參數(shù)到該控制系統(tǒng)中，計算出當(dāng)前該校準(zhǔn)加載頭5的線位移變化量和角位移變化量變形量，在誤差范圍內(nèi)，恢復(fù)到校準(zhǔn)復(fù)位過程中該校準(zhǔn)加載頭5的校準(zhǔn)基準(zhǔn)。

本發(fā)明進一步提供一種超低溫六分量天平校準(zhǔn)復(fù)位過程中的位姿檢測方法，以保證試驗精度和可靠性，其中該超低溫六分量天平校準(zhǔn)復(fù)位過程中的位姿檢測方法包括步驟：

步驟1，控制一個低溫箱溫度從常溫到低溫再到超低溫的過程中，通過一組高精度激光位移傳感器采集位于該低溫箱內(nèi)的一個校準(zhǔn)加載頭在X方向上的低溫變形量，并通過一個復(fù)位機構(gòu)補償該校準(zhǔn)加載頭在X方向上的低溫變形量；

步驟2，通過一個施力機構(gòu)對該校準(zhǔn)加載頭施加標(biāo)準(zhǔn)載荷；

步驟3，通過一組高精度激光位移傳感器在該低溫箱外采集該校準(zhǔn)加載頭的位移量；

步驟4，將該校準(zhǔn)加載頭的位移量傳輸至一個控制系統(tǒng)中，以使該控制系統(tǒng)根據(jù)該校準(zhǔn)加載頭的位移量獲得該校準(zhǔn)加載頭在該低溫箱內(nèi)的線位移和角位移，以在后續(xù)根據(jù)該校準(zhǔn)加載頭的線位移和角位移，通過該復(fù)位機構(gòu)進行補償。

以上對本發(fā)明的一個實施例進行了詳細說明，但該內(nèi)容僅為本發(fā)明的較佳實施例，不能被認為用于限定本發(fā)明的實施范圍。凡依本發(fā)明申請范圍所作的均等變化與改進等，均應(yīng)仍歸屬于本發(fā)明的專利涵蓋范圍之內(nèi)。