多自由度天平校准装置以及天平校准方法

摘要

本发明提供一种多自由度天平校准装置以及天平校准方法，校准装置包括：底座、撑杆、连接件、校准力臂和力引导装置；第1力引导装置、第2力引导装置、第3力引导装置、第4力引导装置、第5力引导装置、第6力引导装置分别设置于第1螺栓、第2螺栓、第3螺栓、第4螺栓、第7螺栓和第8螺栓的外侧，并且，力引导装置中滑轮的上沿切线与对应螺栓的轴线重合，从螺栓通孔引出的细线绕过对应滑轮后，在细线的末端挂载砝码，用于实现对校准力臂施加水平方向的拉力。具有以下优点：本发明能够精确的进行适用于风洞实验的多自由度天平的校准工作，并且，还具有结构简单、易于操作以及适用性强的优点。

说明书

技术领域

本发明属于天平校准技术领域，具体涉及一种多自由度天平校准装置以及 天平校准方法。

背景技术

在航空飞行器的研制过程中，风洞实验是研究飞行器气动特性的常用方法 之一。飞行器设计要求的提高对风洞实验测量精度提出了更高的要求。天平作 为风洞实验中主要的测量部件，对其精度的要求越来越高。在风洞实验前对测 量天平进行校准是实验成功的必要步骤。

专利号CN203587316U，公开日2014年5月7日，实用新型专利名称为一种具 有六自由度调整的天平校准台，该申请公开了一种具有六自由度调整的天平校 准台，该校准台采用激光位移计测量线位移和角位移，通过调整六联杆机构中 的电动缸的不同伸缩量使加载头回到初始位置。该实用新型适合进行大载荷天 平的校准工作。然而，其不足之处是，装置结构复杂，制作成本高，不适合进 行小量程天平的校准。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种多自由度天平校准装置以及天 平校准方法，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种多自由度天平校准装置，包括：底座(1)、撑杆(2)、连 接件(3)、校准力臂(4)和力引导装置(5)；

其中，所述连接件(3)包括第1连接件(3A)和第2连接件(3B)；所述校 准力臂(4)包括X轴向校准力臂(4A)和Y轴向校准力臂(4B)；所述力引导装 置(5)包括8个力引导装置，分别为第1力引导装置(5A)、第2力引导装置(5B)、 第3力引导装置(5C)、第4力引导装置(5D)、第5力引导装置(5E)、第6力引 导装置(5F)、第7力引导装置(5G)和第8力引导装置(5H)；

所述X轴向校准力臂(4A)和所述Y轴向校准力臂(4B)通过槽定位实现“十” 字形对称连接；在所述X轴向校准力臂(4A)和所述Y轴向校准力臂(4B)的交 叉位置底端按自上而下顺序，依次同轴垂直固定安装所述第2连接件(3B)、被 校准天平、所述第1连接件(3A)和所述撑杆(2)，并且，所述撑杆(2)的底 端固定安装到所述底座(1)；

所述X轴向校准力臂(4A)的左右两端面中心位置分别开有沿X向水平设置 的第1螺纹孔和第2螺纹孔；所述X轴向校准力臂(4A)的前端面开有沿Y向水平 设置且左右对称的第3螺纹孔和第4螺纹孔；所述X轴向校准力臂(4A)的底端 面开有垂直向且左右对称的第5螺纹孔和第6螺纹孔；

所述Y轴向校准力臂(4B)的左右两端面中心位置分别开有沿Y向水平设置 的第7螺纹孔和第8螺纹孔；所述Y轴向校准力臂(4B)的底端面开有垂直向且左 右对称的第9螺纹孔和第10螺纹孔；所述Y轴向校准力臂(4B)的顶端面中心开 有垂直向的第11螺纹孔；

另外，所述第1螺纹孔、所述第2螺纹孔、所述第3螺纹孔、所述第4螺纹孔、 所述第5螺纹孔、所述第6螺纹孔、所述第7螺纹孔、所述第8螺纹孔、所述第9螺 纹孔、所述第10螺纹孔和所述第11螺纹孔中分别安装有带通孔的第1螺栓、第2 螺栓(4.2)、第3螺栓(4.3)、第4螺栓(4.4)、第5螺栓(4.5)、第6螺栓(4.6)、 第7螺栓(4.7)、第8螺栓、第9螺栓(4.9)、第10螺栓(4.10)和第11螺栓(4.11)； 各个螺栓的通孔分别穿过一条与螺栓栓接的细线；

所述第1力引导装置(5A)、所述第2力引导装置(5B)、所述第3力引导装置 (5C)、所述第4力引导装置(5D)、所述第5力引导装置(5E)、所述第6力引导 装置(5F)、所述第7力引导装置(5G)和所述第8力引导装置(5H)均包括固 定安装于底座(1)的滑轮支架(7)以及竖直设置于所述滑轮支架(7)的滑轮 (8)；并且，所述第1力引导装置(5A)、所述第2力引导装置(5B)、所述第3 力引导装置(5C)、所述第4力引导装置(5D)、所述第5力引导装置(5E)、所 述第6力引导装置(5F)分别设置于所述第1螺栓、所述第2螺栓(4.2)、所述第3 螺栓(4.3)、所述第4螺栓(4.4)、所述第7螺栓(4.7)和所述第8螺栓的外侧， 并且，力引导装置中滑轮的上沿切线与对应螺栓的轴线重合，从螺栓通孔引出 的细线绕过对应滑轮后，在细线的末端挂载砝码，用于实现对校准力臂施加水 平方向的拉力；

所述第7力引导装置(5G)的滑轮设置于所述第11螺栓(4.11)的上方，所 述第7力引导装置(5G)的滑轮的竖直方向切线与第11螺栓(4.11)中心孔的轴 线重合；所述第8力引导装置(5H)固定于所述底座(1)，并且，所述第8力引 导装置(5H)的滑轮与所述第7力引导装置(5G)的滑轮的上沿切线共线；从 第11螺栓(4.11)通孔引出的细线绕过第7力引导装置(5G)的滑轮后，再继续 绕过第8力引导装置(5H)的滑轮，最后，在细线的末端挂载砝码，用于实现对 校准力臂施加垂直方向的拉力。

优选的，所述被校准天平的上端面开设有呈正三角形分布的三个螺纹孔， 在该三个螺纹孔中，标注出X轴向的指定螺纹孔；所述被校准天平的下端面开设 有呈正三角形分布的三个螺纹孔；

根据被校准天平的螺纹孔设计所述第2连接件(3B)、所述第1连接件(3A) 和所述X轴向校准力臂(4A)的螺纹孔布置方式，进而保证所述X轴向校准力臂 (4A)与被校准天平的X轴向重合。

优选的，所述第1连接件(3A)为圆柱形构件，并且沿轴线开有四个相互平 行的通孔，其中一个通过位于圆心，用于与所述撑杆(2)的顶端通过螺栓连接； 另外三个通孔呈正三角形分布，与被校准天平下端面设置的三个螺纹孔的布置 方式相同，用于与被校准天平下端面通过螺栓连接；

所述第2连接件(3B)为圆柱形构件，并且沿轴线开有六个相互平行的通孔， 且沿周向均匀分布，其中三个相互间隔的通孔与被校准天平上端面设置的三个 螺纹孔的布置方式相同，用于与被校准天平上端面通过螺栓连接；其它三个相 互间隔的通孔用于与X轴向校准力臂(4A)通过螺栓连接。

优选的，所述X轴向校准力臂(4A)和所述Y轴向校准力臂(4B)均在中间 部位开槽，并且，所述X轴向校准力臂(4A)开设有上凹槽，所述Y轴向校准力 臂(4B)开设有下凹槽；所述Y轴向校准力臂(4B)的下凹槽扣合到所述X轴向 校准力臂(4A)的上凹槽中。

优选的，所述X轴向校准力臂(4A)和所述Y轴向校准力臂(4B)均为等尺 寸的直四棱柱形；所述上凹槽和所述下凹槽的深度为校准力臂高度的二分之一。

本发明还提供一种多自由度天平的校准方法，包括以下步骤：

被校准天平为六分量天平，通过以下方法实现对天平X轴向力的校准：

从第2螺栓(4.2)的螺栓通孔引出的细线绕过第2力引导装置(5B)的滑轮 后，在细线的末端挂载不同数量的砝码，进而实现对天平X轴向施加不同大小的 X正方向力，此时，每次所挂载砝码的重量为已知真实值，而每次挂载砝码后天 平均输出对应的测量值，记录一系列已知真实值和测量值的对应关系，并对数 据进行处理，得到已知真实值和测量值的函数关系；后续过程中，当采用天平 进行X正方向力的测量时，每次得到的测量值采用函数关系进行修正，得到真实 值；

从第1螺栓的螺栓通孔引出的细线绕过第1力引导装置(5A)的滑轮后，在 细线的末端挂载不同数量的砝码，进而实现对天平X轴向施加不同大小的X负方 向力，最终实现对天平X轴向负方向力的校准；

同理，从第4螺栓(4.4)的螺栓通孔引出的细线绕过第4力引导装置(5D) 的滑轮后，在细线的末端挂载不同数量的砝码，进而实现对天平绕Z轴负向力矩 的校准；

从第3螺栓(4.3)的螺栓通孔引出的细线绕过第3力引导装置(5C)的滑轮 后，在细线的末端挂载不同数量的砝码，进而实现对天平绕Z轴正向力矩的校准；

同理，从第5螺栓(4.5)的螺栓通孔引出的细线末端挂载不同数量的砝码， 进而实现对天平绕Y轴负向力矩的校准；

从第6螺栓(4.6)的螺栓通孔引出的细线末端挂载不同数量的砝码，进而实 现对天平绕Y轴正向力矩的校准；

同理，从第7螺栓(4.7)的螺栓通孔引出的细线绕过第5力引导装置(5E) 的滑轮后，在细线的末端挂载不同数量的砝码，进而实现对天平Y轴负向力的校 准；

从第8螺栓的螺栓通孔引出的细线绕过第6力引导装置(5F)的滑轮后，在 细线的末端挂载不同数量的砝码，进而实现对天平Y轴正向力的校准；

同理，从第9螺栓(4.9)的螺栓通孔引出的细线末端挂载不同数量的砝码， 进而实现对天平绕X轴正向力矩的校准；

从第10螺栓(4.10)的螺栓通孔引出的细线末端挂载不同数量的砝码，进而 实现对天平绕X轴负向力矩的校准；

同理，同时从第9螺栓(4.9)和第10螺栓(4.10)的螺栓通孔引出两条细线， 并且，两条细线的末端同时施加相等重量的砝码，进而同时施加相等的向下拉 力，实现对天平Z轴负向力的校准；

同理，从第11螺栓(4.11)的螺栓通孔引出的细线绕过第7力引导装置(5G) 的滑轮后，再继续绕过第8力引导装置(5H)的滑轮，最后，在细线的末端挂载 不同数量的砝码，完成对天平Z轴正向力的校准。

本发明提供的多自由度天平校准装置以及天平校准方法具有以下优点：

本发明能够精确的进行适用于风洞实验的多自由度天平的校准工作，并且， 还具有结构简单、易于操作以及适用性强的优点。

附图说明

图1为本发明提供的多自由度天平校准装置的整体结构示意图；

图2为本发明提供的多自由度天平校准装置的装配爆炸图A；

图3为本发明提供的多自由度天平校准装置的装配爆炸图B。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以 下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述 的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供一种多自由度天平校准装置，包括：底座1、撑杆2、 连接件3、校准力臂4和力引导装置5；本发明可以完成对六自由度天平的校准。

其中，连接件3包括第1连接件3A和第2连接件3B；校准力臂4包括X轴向校 准力臂4A和Y轴向校准力臂4B；力引导装置5包括8个力引导装置，分别为第1力 引导装置5A、第2力引导装置5B、第3力引导装置5C、第4力引导装置5D、第5 力引导装置5E、第6力引导装置5F、第7力引导装置5G和第8力引导装置5H；

X轴向校准力臂4A和Y轴向校准力臂4B通过槽定位实现“十”字形对称连接； 具体的，参考图2和图3可以看出，X轴向校准力臂4A和Y轴向校准力臂4B均在中 间部位开槽，并且，X轴向校准力臂4A开设有上凹槽，Y轴向校准力臂4B开设有 下凹槽；Y轴向校准力臂4B的下凹槽扣合到X轴向校准力臂4A的上凹槽中，从而 实现X轴向校准力臂4A和Y轴向校准力臂4B实现“十”字形对称连接。更进一步 的，X轴向校准力臂4A和Y轴向校准力臂4B均为等尺寸的直四棱柱形；上凹槽和 下凹槽的深度为校准力臂高度的二分之一。

在X轴向校准力臂4A和Y轴向校准力臂4B的交叉位置底端按自上而下顺序， 依次同轴垂直固定安装第2连接件3B、被校准天平6、第1连接件3A和撑杆2，并 且，撑杆2的底端固定安装到底座1；实际应用中，被校准天平6的上端面开设有 呈正三角形分布的三个螺纹孔，在该三个螺纹孔中，标注出X轴向的指定螺纹孔； 被校准天平的下端面开设有呈正三角形分布的三个螺纹孔；根据被校准天平的 螺纹孔设计第2连接件3B、第1连接件3A和X轴向校准力臂4A的螺纹孔布置方式， 进而保证X轴向校准力臂4A与被校准天平的X轴向重合。参考图2和图3，坐标系 的设置方式为：X正方向为天平圆心与X轴向定位孔连线的方向，Y轴正方向与X 轴方向位于同一水平面且相互垂直，Z轴方向为竖直向上，整个坐标系符合右手 定则。

具体的，第1连接件3A为圆柱形构件，并且沿轴线开有四个相互平行的通孔， 其中一个通过位于圆心，用于与撑杆2的顶端通过螺栓连接；另外三个通孔呈正 三角形分布，与被校准天平下端面设置的三个螺纹孔的布置方式相同，用于与 被校准天平下端面通过螺栓连接；第2连接件3B为圆柱形构件，并且沿轴线开有 六个相互平行的通孔，且沿周向均匀分布，其中三个相互间隔的通孔与被校准 天平上端面设置的三个螺纹孔的布置方式相同，用于与被校准天平上端面通过 螺栓连接；其它三个相互间隔的通孔用于与X轴向校准力臂4A通过螺栓连接。 通过螺纹孔的上述布置方式，可保证X轴向校准力臂4A与被校准天平的X轴向重 合。

X轴向校准力臂4A的左右两端面中心位置分别开有沿X向水平设置的第1螺 纹孔和第2螺纹孔；X轴向校准力臂4A的前端面开有沿Y向水平设置且左右对称 的第3螺纹孔和第4螺纹孔；X轴向校准力臂4A的底端面开有垂直向且左右对称 的第5螺纹孔和第6螺纹孔；

Y轴向校准力臂4B的左右两端面中心位置分别开有沿Y向水平设置的第7螺 纹孔和第8螺纹孔；Y轴向校准力臂4B的底端面开有垂直向且左右对称的第9螺纹 孔和第10螺纹孔；Y轴向校准力臂4B的顶端面中心开有垂直向的第11螺纹孔；

另外，第1螺纹孔、第2螺纹孔、第3螺纹孔、第4螺纹孔、第5螺纹孔、第6 螺纹孔、第7螺纹孔、第8螺纹孔、第9螺纹孔、第10螺纹孔和第11螺纹孔中分别 安装有带通孔的第1螺栓、第2螺栓4.2、第3螺栓4.3、第4螺栓4.4、第5螺栓4.5、 第6螺栓4.6、第7螺栓4.7、第8螺栓、第9螺栓4.9、第10螺栓4.10和第11螺栓4.11； 各个螺栓的通孔分别穿过一条与螺栓栓接的细线；

第1力引导装置5A、第2力引导装置5B、第3力引导装置5C、第4力引导装置 5D、第5力引导装置5E、第6力引导装置5F、第7力引导装置5G和第8力引导装置 5H均包括固定安装于底座1的滑轮支架7以及竖直设置于滑轮支架7的滑轮8；并 且，第1力引导装置5A、第2力引导装置5B、第3力引导装置5C、第4力引导装置 5D、第5力引导装置5E、第6力引导装置5F分别设置于第1螺栓、第2螺栓4.2、第 3螺栓4.3、第4螺栓4.4、第7螺栓4.7和第8螺栓的外侧，并且，力引导装置中滑轮 的上沿切线与对应螺栓的轴线重合，从螺栓通孔引出的细线绕过对应滑轮后， 在细线的末端挂载砝码，用于实现对校准力臂施加水平方向的拉力；

第7力引导装置5G的滑轮设置于第11螺栓4.11的上方，第7力引导装置 5G的滑轮的竖直方向切线与第11螺栓4.11中心孔的轴线重合；第8力引导装 置5H固定于底座1，并且，第8力引导装置5H的滑轮与第7力引导装置5G 的滑轮的上沿切线共线；从第11螺栓4.11通孔引出的细线绕过第7力引导装置 5G的滑轮后，再继续绕过第8力引导装置5H的滑轮，最后，在细线的末端挂 载砝码，用于实现对校准力臂施加垂直方向的拉力。

上述多自由度天平校准装置的工作原理为：

被校准天平为六分量天平，通过以下方法实现对天平X轴向力的校准：

从第2螺栓4.2的螺栓通孔引出的细线绕过第2力引导装置5B的滑轮后，在细 线的末端挂载不同数量的砝码，进而实现对天平X轴向施加不同大小的X正方向 力，此时，每次所挂载砝码的重量为已知真实值，而每次挂载砝码后天平均输 出对应的测量值，记录一系列已知真实值和测量值的对应关系，并对数据进行 处理，得到已知真实值和测量值的函数关系；后续过程中，当采用天平进行X正 方向力的测量时，每次得到的测量值采用函数关系进行修正，得到真实值；

从第1螺栓的螺栓通孔引出的细线绕过第1力引导装置5A的滑轮后，在细线 的末端挂载不同数量的砝码，进而实现对天平X轴向施加不同大小的X负方向 力，最终实现对天平X轴向负方向力的校准；

同理，从第4螺栓4.4的螺栓通孔引出的细线绕过第4力引导装置5D的滑轮 后，在细线的末端挂载不同数量的砝码，进而实现对天平绕Z轴负向力矩的校准；

从第3螺栓4.3的螺栓通孔引出的细线绕过第3力引导装置5C的滑轮后，在细 线的末端挂载不同数量的砝码，进而实现对天平绕Z轴正向力矩的校准；

同理，从第5螺栓4.5的螺栓通孔引出的细线末端挂载不同数量的砝码，进而 实现对天平绕Y轴负向力矩的校准；

从第6螺栓4.6的螺栓通孔引出的细线末端挂载不同数量的砝码，进而实现对 天平绕Y轴正向力矩的校准；

同理，从第7螺栓4.7的螺栓通孔引出的细线绕过第5力引导装置5E的滑轮后， 在细线的末端挂载不同数量的砝码，进而实现对天平Y轴负向力的校准；

从第8螺栓的螺栓通孔引出的细线绕过第6力引导装置5F的滑轮后，在细线 的末端挂载不同数量的砝码，进而实现对天平Y轴正向力的校准；

同理，从第9螺栓4.9的螺栓通孔引出的细线末端挂载不同数量的砝码，进而 实现对天平绕X轴正向力矩的校准；

从第10螺栓4.10的螺栓通孔引出的细线末端挂载不同数量的砝码，进而实现 对天平绕X轴负向力矩的校准；

同理，同时从第9螺栓4.9和第10螺栓4.10的螺栓通孔引出两条细线，并且， 两条细线的末端同时施加相等重量的砝码，进而同时施加相等的向下拉力，实 现对天平Z轴负向力的校准；

同理，从第11螺栓4.11的螺栓通孔引出的细线绕过第7力引导装置5G的滑轮 后，再继续绕过第8力引导装置5H的滑轮，最后，在细线的末端挂载不同数量的 砝码，完成对天平Z轴正向力的校准。

本发明提供的多自由度天平校准装置以及天平校准方法具有以下优点：

本发明能够精确的进行适用于风洞实验的多自由度天平的校准工作，并且， 还具有结构简单、成本低易于制作、天平安装拆卸方便以及适用性强的优点， 可在平校准工作中极大地节约人力，提高天平校准效率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通 技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰， 这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。