王志峰 劉海燕 黃振輝 畢煌圣 胡改娟 郝 丁 何凡鋒 鄧軍雷

基于PRO/E的飛行器質(zhì)量特性測量轉(zhuǎn)接裝置設(shè)計

王志峰 劉海燕 黃振輝 畢煌圣 胡改娟 郝 丁 何凡鋒 鄧軍雷

（首都航天機械有限公司，北京 100076）

提出了基于PRO/E的自頂向下的一種飛行器質(zhì)量特性測量轉(zhuǎn)接裝置的設(shè)計方法，詳細論述了質(zhì)量特性測量轉(zhuǎn)接裝置的設(shè)計原理、設(shè)計過程及優(yōu)化配重方法。經(jīng)實踐證明所設(shè)計的質(zhì)量特性測量轉(zhuǎn)接裝置結(jié)構(gòu)合理、測試結(jié)果可靠，該設(shè)計方法適用于采用平臺式質(zhì)量特性設(shè)備的產(chǎn)品轉(zhuǎn)接裝置設(shè)計，適用于基于平臺式質(zhì)量特性設(shè)備的不同型號產(chǎn)品的質(zhì)量特性分析。

質(zhì)量特性測量；工藝裝備；配重；PRO/E

1 引言

飛行器的質(zhì)量、質(zhì)心及轉(zhuǎn)動慣量等質(zhì)量特性參數(shù)（通常測量項目為：質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量）是飛行器飛行控制的基礎(chǔ)參數(shù)，需要在平臺式質(zhì)量特性設(shè)備上測量，測量平臺通常為一通用接口測量平臺。由于被測產(chǎn)品具有不同的外形形狀，因此測量過程需要相應(yīng)的具有嚴(yán)格質(zhì)量質(zhì)心要求的飛行器質(zhì)量特性轉(zhuǎn)接裝置輔助下測量。

飛行器質(zhì)量特性測量轉(zhuǎn)接裝置是飛行器質(zhì)量特性測試中必備的轉(zhuǎn)接環(huán)節(jié)，是連接質(zhì)量特性測試平臺及待測飛行器的職能結(jié)構(gòu)，圖1所示為某飛行器質(zhì)量特性轉(zhuǎn)接裝置的應(yīng)用狀態(tài)。飛行器通常為各類圓形及翼形結(jié)構(gòu)，均有對外連接接口，測量轉(zhuǎn)接裝置承擔(dān)著把飛行器按照規(guī)定要求定位安裝在測量平臺上的功能，并且要求轉(zhuǎn)接裝置的引入不影響飛行器的參數(shù)測量結(jié)果。

圖1 飛行器質(zhì)量特性測量轉(zhuǎn)接裝置使用狀態(tài)

2 方案設(shè)計

2.1 質(zhì)量特性測量工藝過程

a. 將測量轉(zhuǎn)接裝置按照定位要求通過定位銷和螺栓安裝到測試平臺上面；

b. 將待測飛行器吊裝于測試轉(zhuǎn)接裝置上面并連接；

c. 進行飛行其質(zhì)量特性的測試及相關(guān)操作。

連接好的測量狀態(tài)如圖1所示。

2.2 轉(zhuǎn)接裝置設(shè)計原理

質(zhì)量、質(zhì)心測量原理是根據(jù)重力矩平衡原理進行的，為保證測量準(zhǔn)確，質(zhì)量、質(zhì)心測量轉(zhuǎn)接裝置的質(zhì)心位置應(yīng)具有嚴(yán)格的要求，要求測量轉(zhuǎn)接裝置的引入不能影響飛行器質(zhì)量參數(shù)測量結(jié)果，設(shè)計原理如圖2所示。

圖2 測量轉(zhuǎn)接裝置設(shè)計原理

a. 測平面質(zhì)心

待測飛行器接入轉(zhuǎn)接裝置后，使二者的綜合平面質(zhì)心位置與待測飛行器在該位置的理論平面質(zhì)心位置重合，進而與測試平臺平面質(zhì)心位置重合，實現(xiàn)待測產(chǎn)品平面質(zhì)心測量。為了排除測量轉(zhuǎn)接裝置對綜合質(zhì)心的影響，要求測量轉(zhuǎn)接裝置自身的平面質(zhì)心位置在接入待測飛行器前與測試平臺平面質(zhì)心位置重合，這是利用平臺測試的最優(yōu)方案。

b. 測量三維質(zhì)心

在測完一個平面質(zhì)心后，需通過轉(zhuǎn)接裝置將飛行器沿軸偏轉(zhuǎn)一個角度，根據(jù)直角三角形原理即可測量待測產(chǎn)品向質(zhì)心。也可將飛行器繞軸直接旋轉(zhuǎn)90°，然后測量其平面質(zhì)心，最終得出三維產(chǎn)品質(zhì)心。

c. 測轉(zhuǎn)動慣量

轉(zhuǎn)動慣量通用表達式為：=∑2

連續(xù)剛體表達式為：=∫dv

其中：為待測產(chǎn)品單元體質(zhì)量；為產(chǎn)品質(zhì)量單元體到轉(zhuǎn)軸的垂直距離；為產(chǎn)品密度。

從轉(zhuǎn)動慣量表達公式可以看出，轉(zhuǎn)動慣量是一個求和疊加過程，當(dāng)轉(zhuǎn)軸固定后，可以明確區(qū)分后增加質(zhì)量相應(yīng)轉(zhuǎn)動慣量的疊加增量。因此，在測完質(zhì)心后，將過質(zhì)心的軸作為轉(zhuǎn)軸，通過分次裝卡測量結(jié)合簡單的加減運算，即可測量出以過待測產(chǎn)品質(zhì)心的三個坐標(biāo)軸為轉(zhuǎn)軸的產(chǎn)品轉(zhuǎn)動慣量。

由此可以得出，誤差引入主要來自兩個方面：a.質(zhì)量：轉(zhuǎn)接裝置質(zhì)量不能太大，若轉(zhuǎn)接裝置質(zhì)量遠大于被測產(chǎn)品質(zhì)量，會引入產(chǎn)品質(zhì)量分辨誤差；b.偏心：轉(zhuǎn)接裝置質(zhì)心不能偏離測量臺中心太大，否則引入偏心誤差。

因此，為得到最優(yōu)測量結(jié)果，質(zhì)量特性測量轉(zhuǎn)接裝置設(shè)計需滿足三個方面的原則：

a. 測量轉(zhuǎn)接裝置應(yīng)具有普通轉(zhuǎn)接裝置的定位、夾緊、翻轉(zhuǎn)、保護產(chǎn)品等功能結(jié)構(gòu)；

b. 始終保證自身的平面投影質(zhì)心位置與測量平臺的平面投影質(zhì)心位置重合；

c. 將相應(yīng)待測產(chǎn)品的理論質(zhì)心位置裝配到轉(zhuǎn)臺及轉(zhuǎn)接裝置轉(zhuǎn)盤的兩個旋轉(zhuǎn)中心線交點上。

當(dāng)轉(zhuǎn)接裝置、測試平臺二者滿足以上要求后，按照對稱原則在相應(yīng)位置配合兩兩定位及緊固件，即可進行對待測產(chǎn)品的質(zhì)量特性測量。

3 基于PRO/E的轉(zhuǎn)接裝置設(shè)計過程

在PRO/E環(huán)境中，質(zhì)量特性測量轉(zhuǎn)接裝置的設(shè)計總體思路是：根據(jù)已經(jīng)安裝到位的產(chǎn)品，采用自頂向下的設(shè)計方法[1]，設(shè)計定位元件、夾緊元件及其它功能元件等，最后根據(jù)工藝要求，完成整體轉(zhuǎn)接裝置的質(zhì)量質(zhì)心要求。

3.1 PRO/E環(huán)境下的轉(zhuǎn)接裝置（后簡稱為轉(zhuǎn)接裝置）結(jié)構(gòu)設(shè)計過程

a. 獲得三維PRO/E產(chǎn)品模型，分析產(chǎn)品模型，找到產(chǎn)品對外定位工藝孔及連接部位。

b. 確定轉(zhuǎn)接裝置功能（本類別轉(zhuǎn)接裝置用于待測飛行器的質(zhì)量特性測量，其他類別可以用于某種機械加工，或者某種裝配），設(shè)計總體結(jié)構(gòu)方案，考慮產(chǎn)品及轉(zhuǎn)接裝置在相應(yīng)平臺上的安裝，設(shè)計合理的連接元件，確定產(chǎn)品及轉(zhuǎn)接裝置的定位方法及緊固連接方法。

c. 建立PRO/E組件模型，將產(chǎn)品三維模型裝配到組件中，選擇一種放置方式（坐標(biāo)系、點、線等）。

d. 在組件模型中建立若干新的組件或者元件作為轉(zhuǎn)接裝置的功能元件或組件。建立新組件和元件時，應(yīng)綜合考慮總體方案的協(xié)調(diào)，設(shè)計合理具體的零組件單元體，明確設(shè)計思路和名稱。

e. 根據(jù)總體方案及轉(zhuǎn)接裝置工藝特征，逐步建立新建零組件之間的裝配和約束關(guān)系，完成總體方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

f. 測量和檢查：尺寸測量及干涉檢查。

g. PRO/E高級應(yīng)用。對于有特殊要求的轉(zhuǎn)接裝置（本轉(zhuǎn)接裝置需要固定質(zhì)心位置），還需要進一步的操作（配重、參數(shù)化等）[2]。

h. 強度校核：轉(zhuǎn)接裝置類輔助產(chǎn)品一般安全系數(shù)較高，不需要強度校核，但對于關(guān)鍵零部件則必須進行強度校核，以保證轉(zhuǎn)接裝置使用過程中的安全可靠，滿足用戶要求。

圖3所示為某飛行器質(zhì)量特性轉(zhuǎn)接裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果。本例中為測量飛行器的三維質(zhì)心，將待測飛行器沿軸翻轉(zhuǎn)90°分兩次測量，如圖3a和圖3b所示。為測量待測產(chǎn)品對過質(zhì)心的三個坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動慣量，對、軸轉(zhuǎn)動慣量在測完質(zhì)心之后，直接轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺帶動轉(zhuǎn)接裝置和產(chǎn)品進行測量；在測量軸轉(zhuǎn)動慣量時，為測量準(zhǔn)確，采用單獨一塊連接板與產(chǎn)品及轉(zhuǎn)接板連接，如圖3c所示。測量軸轉(zhuǎn)動慣量時，將飛行器平面理論質(zhì)心與單獨的連接板及測量平臺的平面質(zhì)心重合，進行測量。圖3a和圖3b為測量飛行器三維質(zhì)心及、軸轉(zhuǎn)動慣量狀態(tài)，圖3c為測量飛行器軸轉(zhuǎn)動慣量狀態(tài)。

圖3 某飛行器質(zhì)量特性轉(zhuǎn)接裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.2 基于PRO/E的轉(zhuǎn)接裝置配重

圖4 創(chuàng)建配重體、坐標(biāo)系

為滿足2.2所述轉(zhuǎn)接裝置的質(zhì)量質(zhì)心要求，測量轉(zhuǎn)接裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，必須對所設(shè)計的轉(zhuǎn)接裝置進行配重，按設(shè)計目標(biāo)優(yōu)化機構(gòu)[3]。以下對圖4轉(zhuǎn)接裝置進行基于PRO/E的轉(zhuǎn)接裝置配重。

根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)要求及轉(zhuǎn)接裝置、待測飛行器、測試平臺裝配定位基準(zhǔn)要求，測量轉(zhuǎn)接裝置應(yīng)具有如表1所示的質(zhì)心位置。

表1 轉(zhuǎn)接裝置質(zhì)心要求

a. 設(shè)計配重位置和配重體結(jié)構(gòu)，并在模型中創(chuàng)建一個坐標(biāo)系和一個分析特征來執(zhí)行模型分析以確定質(zhì)量屬性、計算質(zhì)量，如圖4所示。

b. 執(zhí)行敏感度分析以確定轉(zhuǎn)接裝置質(zhì)心位置隨配重體高度變化規(guī)律，分析結(jié)果如圖5所示。因為轉(zhuǎn)接裝置為軸對稱布置，故向質(zhì)心位置可以滿足要求。以向質(zhì)心為目標(biāo)函數(shù)，從圖中可以看出當(dāng)值為-1099（本例新創(chuàng)建的坐標(biāo)系在轉(zhuǎn)接裝置端面軸指向轉(zhuǎn)接裝置外面，故1099為負(fù)值。也可以創(chuàng)建到理論質(zhì)心處，其值為0，0，0，）時，配重體厚度約為84mm。

圖5 x向敏感度分析結(jié)果

c. 執(zhí)行可行性及優(yōu)化分析。如圖6所示，目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為要求XCOG=-1099，設(shè)計變量為配重體的高度尺寸，根據(jù)敏感度分析結(jié)果，變量尺寸變化范圍為50～100mm，計算結(jié)果如圖7可以看出，XCOG在-1099處收斂，可以滿足設(shè)計要求。

圖6 可行性及優(yōu)化分析

圖7 可行性及優(yōu)化分析結(jié)果

根據(jù)分析結(jié)果，配重體厚度理論值為84.983mm，為滿足加工工藝要求，厚度值圓整為85mm，最后再校驗質(zhì)量特性，質(zhì)量及質(zhì)心位置參數(shù)如圖8所示。圖9所示為配平后的最終轉(zhuǎn)接裝置產(chǎn)品。

圖8 優(yōu)化后的質(zhì)量特性分析

圖9 優(yōu)化后配重的最終轉(zhuǎn)接裝置產(chǎn)品

由圖8可以看出，轉(zhuǎn)接裝置總質(zhì)量為815kg，、向質(zhì)心坐標(biāo)分別為（-1099.5，0），滿足理論值設(shè)計要求。在測量質(zhì)心時，需將待測產(chǎn)品垂直翻轉(zhuǎn)90°，此時，若出現(xiàn)轉(zhuǎn)接裝置質(zhì)心改變，應(yīng)再進行配平操作，方法同上。

4 結(jié)束語

提出了基于PRO/E的飛行器質(zhì)量特性測試轉(zhuǎn)接裝置的設(shè)計原理及設(shè)計方法，通過實例闡述了滿足質(zhì)量特性測量轉(zhuǎn)接裝置質(zhì)心要求的配重方法及配重流程，通過三維PRO/E的配重仿真，大大簡化了實際工程轉(zhuǎn)接裝置配重過程，對同類別產(chǎn)品具有廣泛的推廣價值。

1 曹茹. 基于自上而下法的內(nèi)燃機運動件CAD/CAE設(shè)計[J]. 內(nèi)燃機車，2010(12)：30～33

2 徐厚昌，朱銀鋒. 基于Pro/E優(yōu)化設(shè)計及仿真的綜合運用[J]. 裝備制造技術(shù)，2009 (2)：65～66

3 二代龍震工作室. PRO/ENGINEER Wildfire4.0高級設(shè)計[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2008

Design of Mass Property Measurement Device of Flight Vehicle Based on PRO/E

Wang Zhifeng Liu Haiyan Huang Zhenhui Bi Huangsheng Hu Gaijuan Hao Ding He Fanfeng Deng Junlei

(Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076)

A mass property measurement device of flight vehicle was designed based on PROE. And then the design principle, design process and weight method were particularly introduced. Further analysis show that the mass property measurement device of flight vehicle is structurally reasonable and has high reliability, which could be used for mass and centroid measuring of thin-wall components.

mass and centroid measuring；process equipment；balancer；PRO/E

王志峰（1981），工程師，流體機械及工程專業(yè)；研究方向：航天特種裝備和航天工藝裝備設(shè)計研發(fā)。

2018-01-03