基于VB加載控制系統(tǒng)校準(zhǔn)技術(shù)的研究

杜文輝，趙寬教

（中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西?西安?710065）

結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度試驗(yàn)[1-2]是飛機(jī)設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、試飛四大研制環(huán)節(jié)之一，是對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造情況最全面、最接近真實(shí)的驗(yàn)證。隨著現(xiàn)代民用飛機(jī)的發(fā)展，安全性已成為民機(jī)研制的重中之重。飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度試驗(yàn)是通過(guò)在地面施加外部載荷的方式，模擬飛機(jī)在滑跑、起飛、巡航、機(jī)動(dòng)以及降落過(guò)程中結(jié)構(gòu)的受載情況，測(cè)量分析結(jié)構(gòu)響應(yīng)，驗(yàn)證飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足要求。從部件到整機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)證試驗(yàn)是新型號(hào)飛機(jī)研制過(guò)程中必不可少的一環(huán)，如新舟系列和ARJ、C919大型客機(jī)等飛機(jī)型號(hào)都進(jìn)行了大量的地面強(qiáng)度驗(yàn)證試驗(yàn)。其中，采用的協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)是核心加載設(shè)備，其準(zhǔn)確程度是保證驗(yàn)證試驗(yàn)準(zhǔn)確可靠、成功有效的重要因素，因此結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中所用協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)的計(jì)量校準(zhǔn)顯得非常重要。

1??加載控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)自20世紀(jì)50年代經(jīng)歷了近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，從最初的繼電器簡(jiǎn)單控制到模擬儀表控制，再到數(shù)字控制系統(tǒng)、直至全數(shù)字化多通道自動(dòng)力加載系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)運(yùn)于飛機(jī)、橋梁、汽車等行業(yè)。典型的協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)如：美國(guó)MTS公司的 Aero-90力加載系統(tǒng)、Aero ST力加載系統(tǒng)、Flex Test 200力加載系統(tǒng)，荷蘭MOOG公司的MOOG Smart Test力加載系統(tǒng)，如圖1所示。這些系統(tǒng)具有數(shù)字閉環(huán)控制和協(xié)調(diào)控制功能，其特點(diǎn)是具有多點(diǎn)自動(dòng)協(xié)調(diào)加載并保持結(jié)構(gòu)受載平衡穩(wěn)定的控制能力，同時(shí)還具有載荷信息設(shè)定及防止超限超載等各種保護(hù)功能，功能完善、性能穩(wěn)定、可實(shí)現(xiàn)數(shù)百通道的力加載，可在復(fù)雜環(huán)境下計(jì)算控制。空客和波音等航空公司的強(qiáng)度試驗(yàn)均使用MTS、MOOG等公司的力加載系統(tǒng)。

協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)一般采用電液伺服加載方式，加載通道由液壓缸、伺服閥、力傳感器、卸載保護(hù)裝置等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)

圖2 協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)力加載執(zhí)行機(jī)構(gòu)示意圖

隨著協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展和廣泛使用，協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)的校準(zhǔn)技術(shù)有了相應(yīng)的發(fā)展。上世紀(jì)50年代，協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)的校準(zhǔn)采用直接懸掛標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量的重物來(lái)判斷系統(tǒng)的準(zhǔn)確度等級(jí)。

2??在線校準(zhǔn)系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)力傳感器、力加載框架、液壓缸、伺服閥、標(biāo)準(zhǔn)儀表、便攜式計(jì)算機(jī)、自動(dòng)校準(zhǔn)軟件組成。

在結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度試驗(yàn)過(guò)程中，協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確度受控制系統(tǒng)、信號(hào)線纜長(zhǎng)度、反饋傳感器準(zhǔn)確度、加載執(zhí)行機(jī)構(gòu)等多個(gè)環(huán)節(jié)共同影響。協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)原理：協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)采用口字形的校準(zhǔn)安裝夾具，將標(biāo)準(zhǔn)力傳感器等標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備與控制反饋傳感器背靠背串行連接在協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)加載機(jī)構(gòu)中，控制反饋傳感器協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)控制反饋，標(biāo)準(zhǔn)力傳感器輸出連接高精度的數(shù)據(jù)采集儀表，用于提供計(jì)量校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，從而搭建形成獨(dú)立的校準(zhǔn)系統(tǒng)，如圖3所示。此方法能夠準(zhǔn)確地模擬結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)過(guò)程的實(shí)際控制加載狀態(tài)，是將現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境變化、信號(hào)線纜長(zhǎng)短、作動(dòng)筒安裝誤差等因素考慮在內(nèi)的計(jì)量校準(zhǔn)。

圖3 協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)原理

3??在線校準(zhǔn)參數(shù)及計(jì)算方法

根據(jù)《飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度試驗(yàn)通用要求》和《飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)通用要求》等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)所用協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)的技術(shù)要求，結(jié)合系統(tǒng)的反饋信號(hào)與控制信號(hào)以及對(duì)力值信號(hào)整體控制準(zhǔn)確度的技術(shù)要求，協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)項(xiàng)目：示值誤差（δF）、重復(fù)性（R）、線性度（L）和零點(diǎn)漂移（Z）。

3.1??示值誤差計(jì)算

按照公式（1）可分別求出各通道各點(diǎn)的示值誤差，以其中絕對(duì)值最大值作為通道的示值誤差，各通道示值誤差絕對(duì)值最大者為系統(tǒng)的示值誤差。

3.2??線性度計(jì)算

式（2）中：El為控制系統(tǒng)同一載荷下利用端點(diǎn)直線法的計(jì)算值（也可使用最小二乘法擬合），按公式（2）分別求出各點(diǎn)的線性度，以其中最大值作為通道的線性度，各通道線性度最大者為系統(tǒng)的線性度。

3.3??重復(fù)性計(jì)算

式（3）中：Xmax、Xmin分別為同一載荷下的最大值和最小值，按公式（3）分別求出各點(diǎn)的重復(fù)性，以其中最大值作為通道的重復(fù)性，各通道線性度最大者為系統(tǒng)的重復(fù)性。

3.4??零點(diǎn)漂移計(jì)算

觀察并記錄結(jié)構(gòu)強(qiáng)度協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)在30min內(nèi)的零點(diǎn)變化值，按公式（4）進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)的零點(diǎn)漂移Z的計(jì)算

式（4）中：X0max、X0min分別為控制系統(tǒng)在30min內(nèi)的零點(diǎn)輸出的最大值和最小值，按公式（4）分別求出各通道的零漂誤差，以其中最大值作為系統(tǒng)零點(diǎn)漂移誤差。

4??校準(zhǔn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1??軟件模塊化設(shè)計(jì)

軟件采用VB平臺(tái)設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、錄入信息模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、信息通信模塊、報(bào)表輸出模塊及主界面設(shè)計(jì)等，如圖4所示。

圖4 軟件模塊化設(shè)計(jì)

4.2??軟件細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

4.2.1??主界面設(shè)計(jì)

軟件界面設(shè)計(jì)直觀、簡(jiǎn)潔，主界面右邊顯示設(shè)備工作狀態(tài)，中間為數(shù)據(jù)欄，可實(shí)時(shí)顯示狀態(tài)信息、項(xiàng)目信息、儀表指示信息等，右邊下部為程序的手動(dòng)與自動(dòng)切換選擇按鈕，如圖5所示。

圖5 主界面設(shè)計(jì)

4.2.2??信息錄入模塊設(shè)計(jì)

信息錄入模塊主要用于將加載系統(tǒng)基本信息及控制參數(shù)進(jìn)行錄入，其中基本信息包括廠家、型號(hào)、量程等，控制參數(shù)主要包括檢定方式、循環(huán)次數(shù)、讀數(shù)時(shí)間、加載后停留時(shí)間設(shè)定及數(shù)據(jù)采集儀表信息等，并存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。

4.2.3??數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的處理功能，測(cè)試完成后選擇“數(shù)據(jù)處理”菜單進(jìn)入數(shù)據(jù)處理面板。數(shù)據(jù)處理根據(jù)計(jì)算原理，給出傳感器準(zhǔn)確度等級(jí)、直線性、滯后、零點(diǎn)輸出、重復(fù)性，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，數(shù)據(jù)保存支持Excel及數(shù)據(jù)庫(kù)保存方式。

4.2.4??數(shù)據(jù)查詢模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)查詢模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)已校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，查詢方式支持傳感器號(hào)、證書編號(hào)、有效期等多條件查詢。在“查詢數(shù)據(jù)”框中，選擇查詢條件并填寫后，點(diǎn)擊“查詢”按鈕。如有按條件查詢的記錄則顯示，否則提示“無(wú)此記錄”。顯示記錄后，點(diǎn)擊讀取數(shù)據(jù)可以將此記錄的試驗(yàn)信息和數(shù)據(jù)記錄全部讀取顯示。

4.2.5??通信模塊

軟件設(shè)計(jì)通信模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)串口儀表的通信、并實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的通信，可接受控制下發(fā)的加載到位指令，并開(kāi)始延時(shí)計(jì)時(shí)。

4.2.6??報(bào)表輸出模塊設(shè)計(jì)

報(bào)表輸出模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)檢定證書、原始數(shù)據(jù)、分路校準(zhǔn)數(shù)據(jù)等打印功能，進(jìn)入“打印數(shù)據(jù)”菜單：將當(dāng)前數(shù)據(jù)區(qū)中的數(shù)據(jù)以Excel表格的形式打開(kāi)，可進(jìn)行打印等操作。

5??系統(tǒng)測(cè)試

利用校準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)Flex Test 200協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)功能和技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，校準(zhǔn)測(cè)試數(shù)據(jù)及誤差處理結(jié)果見(jiàn)表1～3，滿足自動(dòng)校準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求。

表1 控制系統(tǒng)正向（拉向）校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

表2 控制系統(tǒng)負(fù)向（壓向）校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

表3 控制系統(tǒng)正向（拉向）零漂校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

6??結(jié)論

將該校準(zhǔn)方法應(yīng)用于Aero ST、Flex Test 200、MOOG Smart Test等協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，證明了該校準(zhǔn)方法的適應(yīng)性和正確性，很好地滿足此類系統(tǒng)的校準(zhǔn)需求，為協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)的校準(zhǔn)及校準(zhǔn)數(shù)據(jù)分析提供指導(dǎo)。