卫星质心测量方法.pdf

收稿日期:2007201217作者简介:吴斌(1965-),男,硕士生导师,副教授,研究方向:飞行器结构设计。2007年12月宇航计测技术Dec.,2007第27卷 第6期Journal ofAstronauticMetrology andMeasurementVol.27,No.6文章编号:1000-7202(2007)06-0028-03 中图分类号:V412文献标识码:A大质量飞行器质心测量方法吴 斌 王海峰 马贵贤(西北工业大学航天学院,西安710072)摘 要 详细介绍了大质量飞行器质心测量的多支点称重法,针对某大质量飞行器,提出了径向测量的改进方法,算例表明,改进方法极大地提高了系统的测量准确度,可以满足大质量飞行器高准确度质心的测量要求。关键词 质心 多支点称重 大质量飞行器MeasurementMethod of Centroid for the Vehicle with LargeMassWU BinWANG Hai2fengMA Gui2xian(College ofAstronautics,Northwestern PolytechnicalUniversity,Xian 710072)AbstractThe measuring method of multi2pivot weight for centre of mass of flight vehicles withLarge masswere in detail introduced.Especially ai m at some given flight vehicle with Large mass,a im2proved measuring method for center of mass of the axial and radial was acquired.Conclusion indicatedthat the higher precision is achievable when the improved measuring method was adopted.Key wordsCenter ofmassMulti2pivotweightFlight vehicleswith Large mass1 引 言高准确度质量特性测量在航空航天工程中有着重要的意义。由于飞行器结构复杂,元器件繁多,一般理论计算很难准确地确定其质心的几何位置,因此必须进行实际的质量质心位置测量。目前,大型试件质心的测量主要采用多点支承质量测量法。多点支承质量测量法用3个或者更多的质量测量传感器共同支承测量台,质心是通过各传感器相对基准中心的位置求矩计算。多支点质量测量法结构简单,并可同时测量出试件的质量。选择高准确度质量测量传感器,采用一定的处理方法,测量误差仅为0.1 mm。测量飞行器(如卫星等)y,z方向的质心,可以将飞行器通过花盆安装在测量台上,在oyz平面上直接测量。测量飞行器x向质心时,由于卫星等飞行器不能水平放置,只能倾斜一定的角度进行测量,通过坐标变换求出飞行器的质心xc。2飞行器质心测量方法2.1y向和z向质心测量质心测量是通过三个质量测量传感器共同完成的。飞行器安装示意如图1所示。图中飞行器通过花盆安装在滑台上,滑台安装在测量台上,滑台可以绕ox轴转动0,90,180,270,测量台下面用三个称重传感器支撑。称重传感器在上平台上的垂直投影如图2所示。其中点1,2,3为三个称重传感器和测量 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.台的接触点,oy,oz为测量台参考轴,原点o为测量台的中心,三个称重传感器呈120 分布。设oxyz为飞行器坐标轴,点C为飞行器在平面的质心位置,根据传感器分布关系,可知各传感器位置的y,z坐标分别为y1=0,z1=R;y2=Rcos30,z2=0.5R;y3=Rcos30,z3=0.5R;(1)测量时,若三个传感器的实测值分别为:m1,m2,m3,则试件总质量m为m=m1+m2+m3(2)图1飞行器安装示意图 图2传感器安装位置示意图根据力矩平衡原理,在平面oyz内对oz取矩,可得试件的质心yc为yc=1m g(m2gy2-m3gy3)(3)对oy取矩,可得试件质心zc为zc=1m g(m1gz1-m2gz2-m3gz3)(4)为了尽量消除系统误差,可取飞行器在相差180 的两次测量的平均值。设飞行器在0 时质心测量值为y0c,180 时质心测量值为y180c,则有y0c=1m g(m02gy2-m03gy3)(5)y180c=1m g(m1802gy2-m1803gy3)(6)式中:m02,m03,m1802,m1803 分别为飞行器在0 和180 位置测得的传感器2,3的质量,则飞行器的质心yc为yc=0.5(y0c-y180c)=12m g(m2gy2-m3gy3)(7)同理zc=0.5(z0c-z180c)=12m g(m1gz1-m2gz2-m3gz3)(8)式中:m1=m01-m1801,m2=m02-m1802,m3=m03-m1803。2.2x向质心测量x向质心测量原理如图3所示。图3x向质心测量示意图在oyz平面内对oz轴的取矩求得xc=1m g(m2gy2-m3gy3)(9)以飞行器底部为测量基准面,则飞行器底部到质心的距离为L2=L3-L4(10)式中:L3 滑台或者花盆底部到测试台中心的垂直距离,m。此距离可以用标校的方法精确得出;L1=xccos,为倾角。3误差分析由质心计算公式可以看出,质心误差主要由质量测量误差和传感器定位误差引起。其中定位误差包括传感器安装位置误差,传感器球头顶点的不确定性、试件轴线和理论基准线不一致、测试平台不完全水平引起的误差等。3.1y,z向质心测量误差3.1.1传感器定位误差引起的系统误差由式(7),(8)可知传感器定位误差引起的最大质心测量误差yc,zc分别为yc=0.5(m2gy2+m3gy3)/m g(11)92 第6期 大质量飞行器质心测量方法 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.zc=0.5(m2gz1+m2gz2+m3gz3)/m g(12)式中:y1,y2,y3,z1,z2,z3 分别为三个传感器在y和z轴的安装误差。由上式可以看出,由于试件的质心基本上在质心位置,因此m1,m2,m3均很小,此测量方法有效地消除了传感器定位误差引起的系统误差,在误差计算时可以忽略不计。3.1.2传感器测量误差引起的随机误差由式(3),(4)可知由质量测量误差引起的质心计算误差yc,zc分别为 yc=5xc5m2g22+5xc5m3g32=1m g2m1gy2+m3g(y2+y3)222+m1gy3+m2g(y2+y3)223(13)zc=5zc5m1g12+5zc5m2g22+5zc5m3g32=1m g2m2g(z1+z2)+m3g(z1+z3)221+m1g(z1+z3)+m3g(z2-z3)222+m1g(z1+z3)+m2g(z3-z2)223(14)考虑到y2=y3=32R,z2=z3=0.5z1=0.5R,每个传感器量程相同,1=22=3=,为了简化计算,假设飞行器质心在测试台中心位置,则有m1m2m3,式(13),(14)可以简化为yc=6R2m g(15)zc=6R2m g(16)可以看出,y,z方向的误差相同。由于y,z质心由相差180 的两次测量值取平均值求得,因此有zc=yc=3R2m g(17)3.2x向质心测量误差3.2.1传感器定位误差引起的系统误差由式(9)可知,由传感器定位误差引起的最大质心测量误差xc为xc=(m2gy2+m3gy3)/m g(18)3.2.2传感器测量误差引起的随机误差式(9)和计算质心yc的式(3)相同,不再详述。3.3算例分析(a)设传感器布置如图1所示,其中R=600mm;(b)每个传感器的量程为3 000 kg,单个传感器测量随机误差为 0.01%,=0.3 kg;(c)每个传感器综合定位误差y1=y2=y3=z1=z2=z3=1 mm;(d)试件质心基本在测量台质心位置,m1m2m3,且0 和180 状态测试的最大质量误差 m1m2m3均小于50 kg。对于1 000 kg飞行器,根据误差计算公式可得表1所示计算结果。表1误差计算结果序号测量项目计算误差mm1x向质心2z向质心定位误差0.66随机误差0.227定位误差0.015随机误差0.164结束语由表1误差计算结果可见,采用 0.01%的传感器测量误差,由传感器测量引起的质心测量随机误差很小。对于x质心测量,由于传感器定位误差直接代入计算公式中,误差不能消除,因此定位误差较大;而y、z测量时,采用两次对称的测量,基本上消除了传感器的定位(包括传感器顶点的不准确、试件中心和测试台中心误差、测试台和试件不垂直等)误差,因此有较高的测量准确度。(下转第33页)03宇航计测技术 2007年 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.过大,如轴与孔配合松动,轴向间隙与径向间隙过大,以及齿牙磨损,配合松动等原因都可能造成示值变动量超差。当传动零件的轴向间隙过大,或齿轮啮合间隙过大,游丝力矩过小,甚至指针轴套松铆等都会造成示值跳动变化不定的动荡位移;而齿轮啮合间隙过小,拉杆与扇形齿轮尾部的示值调节螺钉固定太紧(间隙也太小),游丝力矩过大,扇形齿轮与中心齿轮安装轴则会出现示值跳动后不再变化的磨擦位移。调整时,首先要确定造成示值变动量的原因,针对情况进行调整。调整后,应使各间隙适中,游丝力矩适中,或重新铆紧指针与轴套。b)弹簧管内积污也是仪表示值变动量超差的原因之一。处理方法是用医用注射针管向弹簧管内注射四氯化碳,并振荡清洗,直至积污清洗干净。c)弹簧管产生变形是仪表产生示值变动量超差的主要原因之一。若仪表示值变动量较大,并与不回零同时出现,则可认为弹簧管已变形。弹簧管变形是无法修理的,应予报废。5 结束语调整好压力表的示值误差,首先,要对压力表的结构了解很清楚,即掌握压力表中各个关键零件的特点和作用;其次,要掌握一定的修理技术;最后,还要能够正确分析出产生误差的原因和性质。不要一出现误差就动手去调,应该从头到尾检定一遍,一是可掌握误差的规律,二是可暴露全部误差,进行综合调整。只有这样,才能达到消除压力表示值误差的目的。参考文献1 蒋思敬,姚士春.压力计量.中国计量出版社.2 辽宁省计量科学研究院组.压力表使用与维修.中国计量出版社.3 甘大方.压力表200问.中国计量出版社.(上接第6页)4 结束语本文分析了一种基于光学测头的视觉跟踪坐标测量系统的组成和跟踪原理,建立了系统的跟踪数学模型,给出了求解算法,验证了模型和求解算法的正确性,并对转动角度误差和系统测量准确度之间的关系进行了定量的分析。目前,该实验系统由于转台转动角度的误差比较大,测量准确度还只能满足准确度要求不太高的大尺寸现场测量,进一步研究的重点将是对于转台转角的高准确度控制。参考文献1 马骊群.工业大尺寸测量仪器的溯源与发展趋势.计测技术,2006,26(6):15.2 喻彩丽,郑友取.光学经纬仪大尺寸三维测量系统的分析研究.现代制造工程.2003,(8):6163.3 张博,彭军.激光跟踪测量系统.计测技术.2006,26(4):56.4 刘长英,叶东,车仁生.视觉测量中光学测头姿态估计方法研究.哈尔滨工业大学学报.2006,38(10):16411643.(上接第30页)以上对于测量方法的改进与误差的分析以及在实际中的应用都表明,此方法完全能满足对飞行器质心测量准确度的要求。参考文献1 于冶会.棒形轴对称构件轴向质心位置的测定J.计量与测试技术,1999,(5):1516.2 费业泰.误差理论与数据处理M.北京:机械工业出版社,2001:5879.3Shwstakov A L.Dxnamic Error Correction Method.IEEETran.On Insdtrument andMeasurement.1996,45(1).4 B IPM2IEC2IFCC2ISO2I UPAP2O I ML.Guide to ExpressionofUncertainy inMeasurement(GUM).ISO,1995.33 第6期 弹簧管式压力表的示值误差及调整方法 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.