本發(fā)明涉及一種用于天平校準(zhǔn)的加載頭，特別涉及一種超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭及加載方法，其中在風(fēng)洞測力試驗中，該超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭用于對天平模型施壓標(biāo)準(zhǔn)的六維力，并保證風(fēng)洞試驗的可靠性和準(zhǔn)確度。

背景技術(shù)：

風(fēng)洞天平是風(fēng)洞測力試驗的基礎(chǔ)測量設(shè)備，用于測量風(fēng)洞試驗中作用在試驗?zāi)Ｐ蜕系臍鈩恿Φ拇笮?、方向和作用點。天平校準(zhǔn)系統(tǒng)是天平計量設(shè)備，通過對天平按已知的坐標(biāo)軸系精確地施加靜態(tài)載荷，獲取天平公式，即輸出信號與載荷的關(guān)系矩陣，用來評估天平性能。

所研制的天平校準(zhǔn)系統(tǒng)是一套全自動的六自由度體軸系天平校準(zhǔn)系統(tǒng)，可實現(xiàn)天平體溫度從常溫到低溫的精確控制和不同溫度條件下的天平靜態(tài)校準(zhǔn)。

加載頭是天平校準(zhǔn)系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，必須具備足夠高的剛度，并且能準(zhǔn)確的確定加載點的位置，且隨著試驗條件范圍越來越廣，可能需要在超低溫條件下進行試驗，因此抵抗低溫變形的能力也是評估加載頭設(shè)計合理性的一大重要指標(biāo)。傳統(tǒng)的加載頭剛度低、低溫變形大，不能精確保證加載點的位置，因而所施加的“標(biāo)準(zhǔn)六維力”必定存在較大的誤差，不能滿足天平校準(zhǔn)的要求。因此，本發(fā)明提供一種超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭及加載方法，以解決上述問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、使用方便并且可靠的超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭，其中該超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭包括一個測量基準(zhǔn)架、一個加載頭外筒、一個定位鍵、一個錐套、一個裝配螺母、一個壓蓋及一個力系監(jiān)測頭；該加載頭外筒具有第一開口和一個第二開口，且中間為內(nèi)空式；該測量基準(zhǔn)架的測量部分位于低溫箱外部，連接部分位于低溫箱內(nèi)部，且設(shè)置于加載頭外筒的前端；該錐套設(shè)置于加載頭外筒內(nèi)部，并且該錐套具有一個容納腔，以供容納一個天平；該加載頭外筒與該錐套除了錐面配合外，還用鍵進行定位；該裝配螺母設(shè)置于該錐套的外部且設(shè)置于該加載頭外筒內(nèi)部，通過螺紋旋合使得錐套前后直線運動，以便產(chǎn)生合適的力使該錐套相對于該加載頭外筒壓緊；該壓蓋對該裝配螺母進行限位，方便裝配；該力系監(jiān)測頭設(shè)置于加載頭力臂兩端，且位于低溫箱外部，便于監(jiān)測。

作為對本發(fā)明的該超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭的進一步優(yōu)選的實施例，該加載頭外筒的該第一開口的內(nèi)徑小于該第二開口的內(nèi)徑，以使該加載頭外筒的內(nèi)壁的截面呈錐臺形，該錐套的外壁呈錐臺形，并且該加載頭外筒的內(nèi)壁和該錐套的外壁相互匹配。

為對本發(fā)明的該超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭的進一步優(yōu)選的實施例，該錐度采用莫氏錐度，方便錐套相對于加載頭外筒自鎖。

作為對本發(fā)明的該超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭的進一步優(yōu)選的實施例，該加載頭外筒具有一第一鍵槽，該第一鍵槽連通第一開口與加載頭外筒內(nèi)腔，該錐套具有一第二鍵槽，該第二鍵槽對應(yīng)于該第一鍵槽，該超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭包括一個定位鍵，該定位鍵同時定位于該第一鍵槽和該第二鍵槽。

作為對本發(fā)明的該超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭的進一步優(yōu)選的實施例，該第一鍵槽靠近該加載頭外筒的該第一開口。

作為對本發(fā)明的該超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭的進一步優(yōu)選的實施例，該定位鍵是一個滾轉(zhuǎn)定位平鍵。

作為對本發(fā)明的該超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭的進一步優(yōu)選的實施例，該錐套的一個端部具有外螺紋結(jié)構(gòu)，該超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭包括一個裝配螺母和壓蓋，該裝配螺母具有內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)，其中該裝配螺母的該內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)和該錐套的該外螺紋結(jié)構(gòu)相互配合，該壓蓋用于對裝配螺母一端進行限位，使得裝配螺母一端面靠緊加載頭外筒內(nèi)腔的一臺階面，而另一端靠緊壓蓋，因而只能沿著軸線進行旋轉(zhuǎn)，從而使得該錐套能夠沿著軸線方向與加載頭外筒進行裝配，該裝配螺母容納與該第二開口處，該壓蓋法蘭面上開有螺紋孔，通過螺釘與加載頭外筒的第二開口進行連接。

作為對本發(fā)明的該超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭的進一步優(yōu)選的實施例，該超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭包括多個測量架連接螺釘，各個該測量架連接螺釘同時連接于該測量基準(zhǔn)架和該加載頭外筒。

作為對本發(fā)明的該超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭的進一步優(yōu)選的實施例，該測量基準(zhǔn)架和該加載頭外筒通過局部點焊的方式固定。

作為對本發(fā)明的該超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭的進一步優(yōu)選的實施例，該超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭包括多個天平連接螺釘，各個該天平連接螺釘用于連接該天平和該錐套。

作為對本發(fā)明的該超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭的進一步優(yōu)選的實施例，該天平與該超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭的接口為圓柱法蘭式接口。

本發(fā)明的該超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭優(yōu)勢在于：

該發(fā)明提供一種超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭，其中該超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭包括一個測量基準(zhǔn)架、一個加載頭外筒、一個定位鍵、一個錐套、一個裝配螺母、一個壓蓋及一個力系監(jiān)測頭；該加載頭外筒具有第一開口和一個第二開口，且中間為內(nèi)空式；測量基準(zhǔn)架的測量部分位于低溫箱外部，連接部分位于低溫箱內(nèi)部，且設(shè)置與加載頭外筒的前端；該錐套設(shè)置與加載頭外筒內(nèi)部，并且該錐套具有一個容納腔，以供容納一個天平；該加載頭外筒與該錐套除了錐面配合外，還用鍵進行定位；該裝配螺母設(shè)置與該錐套的外部且設(shè)置與該加載頭外筒內(nèi)部，通過螺紋旋合使得錐套前后直線運動，以便產(chǎn)生合適的力壓緊與該加載頭外筒；壓蓋對螺母進行限位，方便裝配；力系監(jiān)測頭設(shè)置于加載頭力臂兩端，且位于低溫箱外部，便于監(jiān)測。并且在該外筒和該測量基準(zhǔn)架分別在制作后組裝在一起，能夠降低該超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭的制造難度和節(jié)約制造成本。

該超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭包括多個測量架連接螺釘，各個該測量架連接螺釘同時連接于該測量基準(zhǔn)架和該外筒，該測量基準(zhǔn)架和該外筒通過局部點焊的方式固定，這樣在該測量基準(zhǔn)架和該外筒在組裝后就不需要再分離，可以避免每次拆卸而造成的基準(zhǔn)變化以至于為測量引入誤差，從而能夠降低該超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭的誤差，以提高所施加載荷的精準(zhǔn)度。

該天平與該超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭的接口為圓柱法蘭式接口，因此采用止口配合定位，精加工螺紋孔進行連接，擰緊螺釘時采用扭力扳手保證每個螺釘?shù)呐ちσ恢虑掖笥谀骋粩?shù)值，具體的數(shù)值應(yīng)根據(jù)該天平承受最大扭矩進行計算，如此這樣可以使得連接更為緊固。

該外筒的該第一開口的內(nèi)徑小于該第二開口的內(nèi)徑，以使該外筒內(nèi)壁的截面呈錐臺形，該錐套的外壁呈錐臺形，并且該外筒的內(nèi)壁和該錐套的外壁相互匹配，從而使該錐套和該外筒之間采用錐面配合和裝配螺母壓緊的方式，并且該錐套的錐度按照莫氏錐度進行設(shè)計，使該外筒和該錐套具有自鎖功能。

該外筒具有一第一鍵槽，該第一鍵槽連通于該加載通道，該錐套具有一第二鍵槽，該第二鍵槽對應(yīng)于該第一鍵槽，該超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭包括一個定位鍵，該定位鍵同時定位于該第一鍵槽和該第二鍵槽，以固定該外筒和該錐套，并且在使用該裝配螺母將該錐套裝配于該外筒的加載通道之后，通過該壓蓋和該外筒限制該裝配螺母的軸向運動，因而使該裝配螺母只有一個旋轉(zhuǎn)自由度，從而使該錐套和該外筒鎖緊。

該超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭的優(yōu)勢還包括：

1、全對稱式圓柱面或圓錐面的結(jié)構(gòu)設(shè)計，最大程度減小低溫變形；

2、該外筒采用對通式結(jié)構(gòu)，增加氣體流的流動性，方便快速降溫及保證溫度的均勻性；

3、錐套為可更換式，對于不同尺寸的天平設(shè)計相應(yīng)接口及尺寸的錐套；

4、該超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭采用14點布置形式，分散加載力，防止某方向變形過大，且降低了低溫變形的影響；

5、使用短距離的力臂，避免變形對力值精度造成的影響；

6、在兩臂加載點處也有輔助位置檢測基面，雙重檢測，檢測精度更高。

7、采用裝配螺母的方式壓緊錐套，使用扭力扳手控制預(yù)緊力，防止加載力過大使得錐套產(chǎn)生變形。

附圖說明

為了獲得本發(fā)明的上述和其他優(yōu)點和特點，以下將參照附圖中所示的本發(fā)明的具體實施例對以上概述的本發(fā)明進行更具體的說明。應(yīng)理解的是，這些附圖僅示出了本發(fā)明的典型實施例，因此不應(yīng)被視為對本發(fā)明的范圍的限制，通過使用附圖，將對本發(fā)明進行更具體和更詳細(xì)的說明和闡述。在附圖中：

圖1是該超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭的示意圖。

圖2是該超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭的力系加載點布局示意圖。

具體實施方式

以下描述用于揭露本發(fā)明以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明。以下描述中的優(yōu)選實施例只作為舉例，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到其他顯而易見的變型。在以下描述中界定的本發(fā)明的基本原理可以應(yīng)用于其他實施方案、變形方案、改進方案、等同方案以及沒有背離本發(fā)明的精神和范圍的其他技術(shù)方案。

如圖1和圖2，依據(jù)本發(fā)明的發(fā)明精神提供一種超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭，其中該超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭包括一個力系監(jiān)測頭10、一個加載頭外筒20、一個錐套30、一個測量基準(zhǔn)架40以及一個壓蓋50，該力系監(jiān)測頭10設(shè)置于該加載頭外筒20，該加載頭外筒20為中空式，且該加載頭外筒20一個第一開口22和一個第二開口23，也就是說，該加載頭外筒20可以具有一個空間21，該空間21使得該加載頭外筒20形成中空式結(jié)構(gòu)。該錐套30設(shè)置于該加載通道21，并且該錐套30具有一個容納腔31，以供容納一個天平60，該測量基準(zhǔn)架40設(shè)置于該加載頭外筒20，該壓蓋50設(shè)置于該加載頭外筒20，以用于使該錐套30保持在該加載頭外筒20的內(nèi)部。

優(yōu)選地，該加載頭外筒20的該第一開口22的內(nèi)徑小于該第二開口23的內(nèi)徑，以使該加載頭外筒20的用于形成該加載通道21的內(nèi)壁的截面呈錐臺形，該錐套30的外壁呈錐臺形，并且該加載頭外筒20的內(nèi)壁和該錐套30的外壁相互匹配，從而使該加載頭外筒20和該錐套30之間具有自鎖功能。

該錐套30的一個端部具有外螺紋結(jié)構(gòu)，該超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭包括一個裝配螺母70，該裝配螺母70具有內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)，其中該裝配螺母70的該內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)和該錐套30的該外螺紋結(jié)構(gòu)相互配合，以使該錐套30安裝于該加載頭外筒20的內(nèi)部，并且該裝配螺母70在該加載頭外筒的該第二開口23處容納于該加載頭外筒20的內(nèi)部，以通過該裝配螺母70壓緊該錐套30的方式，使該錐套30的外表面和該加載頭外筒20的內(nèi)表面緊密地貼合在一起，從而使該錐套30和該加載頭外筒20緊密地裝配在一起。

該加載頭外筒20具有一第一鍵槽24，該第一鍵槽24連通于該第一開口22和該加載頭外筒20的內(nèi)部，該錐套30具有一第二鍵槽32，該第二鍵槽32對應(yīng)于該第一鍵槽24，該超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭包括一個定位鍵80，該定位鍵80同時定位于該第一鍵槽24和該第二鍵槽32，以防止該錐套30相對于該加載頭外筒20的轉(zhuǎn)動。優(yōu)選地，該第一鍵槽24靠近該加載頭外筒的該第一開口22。更優(yōu)選地，該定位鍵80是一個滾轉(zhuǎn)定位平鍵。

該超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭包括多個測量架連接螺釘90，各個該測量架連接螺釘90同時連接于該測量基準(zhǔn)架40和該加載頭外筒20，以使該測量基準(zhǔn)架40和該加載頭外筒20安裝在一起。另外，該測量基準(zhǔn)架40和該加載頭外筒20通過局部點焊或定位銷的方式固定，也就是說，一旦該測量基準(zhǔn)架40和該加載頭外筒20安裝在一起之后就不能夠再分離，這樣，能夠避免引多次拆卸和裝配該測量基準(zhǔn)架40和該加載頭外筒20而產(chǎn)生的誤差，以提高該超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭的可靠性和精確度。

該超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭包括多個天平連接螺釘100，各個該天平連接螺釘100用于連接該天平60和該錐套30。優(yōu)選地，該天平60與該超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭的接口為圓柱法蘭式接口。

該超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭的裝配順序是，先用該天平連接螺釘100連接該天平60和該錐套30，然后將該定位鍵80安裝至該錐套30的該第二鍵槽32內(nèi)，通過使該裝配螺母70的內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)和該錐套30的外螺紋結(jié)構(gòu)相互配合的方式，將該裝配螺母70和該錐套30旋合，然后將該錐套30向該加載頭外筒20的該加載通道21內(nèi)推送至合適的距離后，上緊該壓蓋50，通過扳手進一步旋轉(zhuǎn)該裝配螺母70，以使該錐套30和該加載頭外筒20的該第一開口22的內(nèi)壁壓緊。

該測量基準(zhǔn)架40上設(shè)有開孔，以保證氣流的流通，以便于更快地對核心區(qū)域降溫和保證熱均勻性。該超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭的中心區(qū)域處于低溫箱內(nèi)部，加載部位處于低溫箱外部，這樣可以減少開孔個數(shù)，降低低溫箱的設(shè)計難度。

在超低溫條件下進行天平校準(zhǔn)試驗，受力變形并不是該超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭的變形的唯一來源了，如果結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，低溫引起的變形可能比力變形更大。本發(fā)明中為了盡量大的減小低溫變形，采用了全對稱式結(jié)構(gòu)，且所有處于低溫箱部分都是圓形截面，這樣可以盡可能大的抵消低溫變形。

為了給該超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭施加三個力和三個力矩，本發(fā)明中加載頭采用的是使用施力機構(gòu)通過鋼帶將力傳遞至加載頭上，本發(fā)明創(chuàng)新性的提出一種獨特的十四點加載方式，其加載原理圖如圖2所示。

該超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭上14個加載點及該超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭的自重構(gòu)成了系統(tǒng)的載荷集。載荷集在加載力系中組合成正交六分量載荷，其組合關(guān)系是：

x正向力由f1與f2共同產(chǎn)生，且f1＝f2，所以x負(fù)向力由f3與f4共同產(chǎn)生，同理，

y正向力由f5、f6產(chǎn)生，y負(fù)向力由f7、f8產(chǎn)生，由于f5、f6還要產(chǎn)生x向力矩，還要f7、f8產(chǎn)生z向力矩，因此可以列出(1)-(3)等式關(guān)系，且由此可以求出y向各力的表達(dá)式，如下(4)-(6)。

f5+f6-f7-f8＝fy(1)

若方程中令f8＝0，可得：

計算中，需保證f5、f6、f7、f8為非負(fù)數(shù)，否則設(shè)定f5或f6＝0，由(1)-(3)推導(dǎo)f7、f8計算公式。

z正向力由f9、f10共同產(chǎn)生，為了得到力的數(shù)值，還需要對該力施加約束關(guān)系，z負(fù)向力由f11、f12、f13、f14其同組成，根據(jù)力與力矩的關(guān)系可以得到如下(7)-(13)表達(dá)式。

f11＝f13(7)

f12＝f14(8)

f9＝f10(9)

2(f11+f12)-2f9＝fz(10)

由此可以解得：

選擇合適的f9，便可以將各個力求解出來。

該加載方法通過各力的組合產(chǎn)生力與力矩，有效的減小了施加在該超低溫六分量天平校準(zhǔn)加載頭上總力的大?。?/p>

增加了施力點的個數(shù)，使得所加力分散，避免某一處或者某一方向變形過大超出要求而導(dǎo)致設(shè)計不合要求；

用于產(chǎn)生mx，my，mz的力臂之間的距離較小，加載點受載后的位置變化相對較小，由此有效的增加了所施加力與力矩的精度。

以上對本發(fā)明的一個實施例進行了詳細(xì)說明，但該內(nèi)容僅為本發(fā)明的較佳實施例，不能被認(rèn)為用于限定本發(fā)明的實施范圍。凡依本發(fā)明申請范圍所作的均等變化與改進等，均應(yīng)仍歸屬于本發(fā)明的專利涵蓋范圍之內(nèi)。