航天产品质量特性参数一体化测量系统设计

杨 波 冯立杰 李 辉 胡圣鑫 曹红星

装配·检测

航天产品质量特性参数一体化测量系统设计

杨 波 冯立杰 李 辉 胡圣鑫 曹红星

（上海航天精密机械研究所，上海 201600）

针对航天产品研制过程中质量特性参数测量存在的工位分散布局、测量精度差、人工作业强度大等问题，结合科研生产实际需求，提出了集成质量、质心、质偏、三轴转动惯量测量功能的航天产品质量特性参数一体化测量系统方案，研制了质量特性参数一体化测量平台，并开展了测量系统的校准和产品工艺试验，大大提升了测量效率和测量质量。

质量特性；转动惯量；一体化测量

1 引言

导弹装备正朝高速、大机动、长航时方向发展，产品质量越来越大，质量分布呈现明显的非对称性，偏心质心、转动惯量等质量特性参数测量难度越来越大[1]。总装阶段产品质量特性参数测量面临较大的质量和效率瓶颈，主要表现在：测量工位分散，测量效率低下；产品类型众多，工艺装备重复投入，成本较高；测量结果离散性大、一致性差；手工测量误差、系统测量误差大，导致测量结果可信度低；传统手工测量精度较差，总体设计人员的控制参数整定难度较大。

国外在转动惯量测量方面研究起步较早，理论研究和工程应用成果丰硕[2，3]。国外空间电子公司研制的质量特性参数测量设备可覆盖4000kg以下的产品，测量精度高达0.2%。国内方面，西北工业大学、哈尔滨工业大学、南京理工大学等单位在转动惯量测量设备方面处于国内领先地位。其中，西北工业大学黄德东教授团队针对大尺寸复杂形状飞行器转动惯量高精度测量方法开展了深入研究，形成了系列化的产品[4]，哈尔滨工业大学张赵钧教授提出了基于气浮轴承的通用型转动惯量测量设备[5]。

本项目以提升测量精度、提高作业效率为目标，拟开展通用化平台设计技术、高精度测量与处理技术、质量特性一体化测量集成设计技术的研究，研制一套能够将质量测量、质心与质偏测量、三轴（轴、轴、轴）转动惯量测量质量特性参数一体化测量的通用平台。

2 方案设计

2.1 测量原理分析

2.1.1 质量质心测量原理

解决方案中的质量质心、测量采用三点称重传感器测量方法实现。如图1所示，传感器在设备上的位置分布呈等腰三角形，、为设备的基准坐标横轴和纵轴，为设备的坐标原点，1、2、1、2、3分别为传感器到纵轴、横轴的垂直投影距离。

图1 传感器安装位置示意图

根据力和力矩平衡原理：

径向质心：

轴向质心：

2.1.2 转动惯量测量原理

摆动周期是转动惯量计算的唯一影响变量。转动惯量系统模型如图2所示，考虑阻尼系数。

图2 扭摆模型示意图

转动惯量数学模型为：

式中：——试件对轴的转动惯量，kg·m2；——扭杆刚度系数，kg·m/rad；——系统粘性阻尼系数；——系统自由摆动周期，s。

2.2 总体方案设计

图3 质量特性参数测量一体化平台总体架构

质量特性参数测量一体化平台具备宽量程质量测量、高精度质心测量、三轴转动惯量测量功能，平台由测试测量系统和机械结构构成，详细构成见图3。

2.2.1 机械结构系统

a. 底座

底座主要是实现上部机构的支撑，设备支撑结构的承载安全系数大于2，底座设置有调平机构，通过水平测量仪器配合校准，实现测量平台的调平。

底座上安装有称重传感器、升降驱动电机和升降机等。三安装于底座的左右两边电机各通过转向箱带动前后两侧升降机升降，实现称重传感器的加载与空载，两组传动系统分别设计有行程开关装置，实现自动限位控制。

b. 横摆预扭机构

横摆扭摆机构由扭杆、套筒、两个径向轴承和一个推力轴承组成。扭杆和摆动架连接，两个径向轴承固定套筒，一个推力轴承支撑套筒。采用两个径向轴承限位，设备的抗侧偏能力强，整个设备的重量支撑在推力轴承上，摩擦力小，摆动周期衰减慢，转动惯量测量精度高。

c. 横滚预扭机构

横摆扭摆机构由预扭电机、凸轮机构、横滚拉簧、滚轮及滚轮座、横滚转环组成，见图4。预扭电机带动凸轮机构转动，将横滚转环拉升到一定角度，两侧的横滚弹簧处于不对称蓄能状态，凸轮释放后，横滚转环以近简谐运动规律往复运动。

图4 横滚预扭机构示意图

d. 工作平台

工作平台采用型材焊接，目的是使测量台面尽量轻，传感器量程尽量小，提高测量的精度。两侧安装有直线导轨及滑块，滚环托架组件和横滚机构分别安装在直线导轨两侧，实现两组装夹滚环的左右移动，以适应不同长度产品的装夹测试。

e. 标尺组件

标尺组件包括支座、数显标尺、直线导轨和靠尺等。支座安装于工作台面上，靠尺安装于直线导轨上，并与数显标尺相连，实现同时在导轨与标尺上的左右自由移动。靠尺为测量设备的轴向基准，通过移动靠尺靠紧被测件的端面（为被测件轴向基准）实现被测件轴向测量基准和测量设备的基准的坐标转换，整个标尺组件可以在台面上左右移动，适用不同长度产品的定位。

f. 柔性装夹环

回转滚环托架组件和横滚滚环托架组件均安装于工作台面导轨上，可左右滑动，适应不同产品支撑跨距的装夹测试，柔性装夹环在支撑滚轮组件上，通过更换不同的适配块可适应不同直径的航天产品的测试测量需求。柔性装夹环在手动驱动下，可绕其中心回转，可实现在0°、90°、180°、270°的销孔定位。

2.2.2 测试测量系统

质量特性参数测试一体化平台的测试测量系统分为应用层、控制层、执行感知层等三级架构，如图5。应用层主要指综合控制软件，控制层主要指数据采集与控制模块，执行感知层主要由质量质心感知模块、转动惯量执行模块构成。

图5 测试测量系统架构图

a. 综合控制软件

测量系统上位机是基于WinCE操作系统下，采用LabView开发平台开发，具有人机工程合理、软件系统稳定等优点。上位机实现以下功能：系统能够实现自检和标校功能；参数设置，具有自动净重计算、报表参数预置、操作信息输入等功能；具有质量特性参数（质量、质心、转动惯量）一键标校功能；测量数据存储格式多样，具备PDF、电子表格等多种形式。

b. 数据采集与控制模块

数据采集与控制模块由工业控制计算机、PCI2361计数板卡、PCI8002 I/O板卡、串行通信板卡等组成。工业控制计算机提供软件运行需要的基础环境，PCI2361测量光电开关的响应频率用以计算转动惯量，PCI8002 I/O板卡采集限位开关的到位状态，并控制电机的启停，串行通信板卡与三个称重传感器通信，获取质量信息用以计算质量、质心、质偏。

c. 质量质心感知模块

质量质心感知模块包括称重传感器、称重变换器、升降电机、限位行程开关。控制模块控制升降电机对称重传感器进行加载和卸载，限位行程开关检测到机构到位后将信息传递给板卡控制器控制升降电机停止。加载状态下，三个称重传感器通过称重变换器进行称重测量，然后通过RS232口将测量数据传递到工控机进行采集、处理。

d. 转动惯量执行模块

转动惯量执行模块包含扭转电机、光电传感器、行程开关。预扭电机提供横摆装置、横滚装置运动的初始摆动角度，行程开关自动预扭释放信号。预扭机构释放后，对光电传感器形成周期性输入，光电传感器测量的周期信号通过分频处理后输入PCI2361计数板卡计数，进而得到每个摆动的摆动周期，通过工控机的综合控制软件算法预处理后计算出转动惯量。

3 系统校准与工艺试验

3.1 校准试验

质量特性参数测量一体化平台研制完成后，使用经过国家相关计量研究院计量通过的标准样棒进行了平台的精度校准。计测量结果见表1。

表1 校准试验记录表

从表1可以看出，该平台的质量质心、/向转动惯量的测量精度相对较高，达到了千分之一以上的精度。向转动惯量精度稍低，大约在千分之二以内。经综合分析，向转动惯量精度稍低的原因在于被测产品长径比较大，横滚机构的滚轮与滚环之间的阻尼系数与摩擦力相关，多种因素合计影响较大。为保证后续向转动惯量的精度，建议每次使用前采取相应的润滑措施。

3.2 应用验证

为进一步验证一体化平台的可行性，本项目以产品的理论计算为参考，通过与传统的电子称重、悬吊测量转动惯量的结果比较，验证一体化平台的测量准确性。一体化平台实物如图6所示，将导弹产品放置在两个滚环上并紧固。

图6 一体化平台

表2 工艺试验记录表

通过表2可以看出，传统的测量方法测量值与理论值的偏离度更大，而一体化平台测量结果更接近产品理论要求值，测量偏差均在1%以内，同时测量效率提升5倍，进一步验证了一体化平台测量方法的可行性、测量系统的可应用性。

4 结束语

通过调研国内外航天产品质量特性参数测量设备研究现状，识别产品研制过程质量特性参数测量存在的生产瓶颈和技术难点，结合科研生产实际需求，研制了集成质量、质心、质偏、三轴转动惯量的测量功能的航天产品质量特性参数一体化测量系统，并开展了测量系统的校准和产品工艺试验，取得了良好的工艺效果，为优化作业工位布局、提升质量特性参数精度提供了重要技术和设备支撑。

1 宋斌. 一种多功能弹静态参数测试系统设计[J]. 科技视界，2020(5)：1～2

2 汤海亮. 摩擦阻力矩对卧式扭摆法测量弹箭极转动惯量精度的影响[J]. 南京理工大学学报，2018(5)：2～3

3 张立明. 质量质心及转动惯量一体化测试系统设计[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013

4 张宗媛. 转动惯量测量系统研制[D]. 沈阳：沈阳理工大学，2013

5 唐文彦. 扭摆法测飞行体转动惯量[J]. 南京理工大学学报，2008(2)：69～72

Design and Application of Integrated Measurement System for Quality Characteristic Parameters of Aerospace Products

Yang Bo Feng Lijie Li Hui Hu Shengxin Cao Hongxing

(Shanghai Institute of Aerospace Precision Machinery, Shanghai 201600)

In view of the problems in the measurement of quality characteristic parameters in the process of aerospace product development, such as the scattered layout of work stations, poor measurement accuracy and high manual work intensity, and combined with the actual needs of scientific research and production, an integrated measurement system scheme of aerospace product quality characteristic parameters integrating the measurement functions of quality, mass center, mass deviation and three-axis moment of inertia is proposed. The integration measurement platform of quality characteristic parameters is developed, and the calibration of the measurement system and product process test are carried out, thus improved the measurement efficiency and measurement quality.

mass characteristics；rotational inertia；integrated measurement

杨波（1988），工程师，电气工程自动化专业；研究方向：导弹数字化装配研究。

2020-10-13