CN109459121A - 一种飞机吊舱重量重心测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞机吊舱重量重心测量方法，包括以下步骤；1.将吊舱之外多装件重量清零，在吊舱上选取三个处于不同竖直面的吊挂点A、B和C，设定空间坐标系X、Y和Z；2.采用吊挂装置，使三个吊挂点悬挂至均处于X、0和Y平面坐标系，进行测重，并计算吊舱在当前坐标系内的重心坐标；3.将吊舱沿轴线进行翻转90°，重新选取三个均处于X、0和Z平面坐标系的吊挂点A'、B'和C'，进行测重，并计算吊舱在当前坐标系内的重心坐标；4.汇总两次计算数据，得到吊舱在当前坐标系下X、Y和Z三个方向的重心坐标值。以操作便捷，过程简单的方法，得到吊舱的重心坐标，人为和计算误差小、测试效率及测量准确度高。

Description

一种飞机吊舱重量重心测量方法

技术领域

本发明属于飞机称重技术领域，涉及一种飞机吊舱重量重心测量方法。

背景技术

飞机重量重心测量是飞机首飞前的一项重要试验，其测量的准确度直接影响飞机的飞行安全。对于悬挂在飞机上的铝合金硬壳式结构的不规则回转体吊舱，传统的测量设备无法对其进行重心测量，随着航空以及国防事业的发展，类似的被测产品尺寸越来越大，形状也越来越复杂，显然，采用目前飞机重量重心测量常用的两种测量方法：千斤顶法和机轮法，均不方便对其进行测量。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种飞机吊舱重量重心测量方法，以操作便捷，过程简单的方法，得到吊舱的重心坐标，人为和计算误差小、测试效率及测量准确度高。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种飞机吊舱重量重心测量方法，包括以下步骤；

步骤1，将吊舱之外多装件重量清零，在吊舱上选取三个处于不同竖直面的吊挂点A、B和C，设定空间坐标系X、Y和Z；

步骤2，采用吊挂装置，使三个吊挂点悬挂至均处于X、0和Y平面坐标系，进行测重，并计算吊舱在当前坐标系内的重心坐标；

步骤3，将吊舱沿轴线进行翻转90°，重新选取三个均处于X、0和Z平面坐标系的吊挂点A'、B'和C'，进行测重，并计算吊舱在当前坐标系内的重心坐标；

步骤4，汇总两次计算数据，得到吊舱在当前坐标系下X、Y和Z三个方向的重心坐标值。

优选的，步骤2中，吊舱的总重量为

W₁＝F₁₁+F₂₁+F₃₁

其中，F₁₁、F₂₁和F₃₁分别为X、0和Y平面坐标系内吊挂点A、B和C的受到的力。

进一步，X、0和Y坐标系原点处于三个吊挂点之间，且吊挂点A和B分别位于原点两侧的Y轴上，吊挂点C位于X轴上；

吊舱在X方向上重心坐标值为F₃₁×L₃＝W₁×X，得X＝F₃₁×L₃/W₁，其中，L₃为吊挂点C的力臂；

吊舱在Y方向上重心坐标值为F₂₁×L₂-F₁₁×L₁＝W₁×Y，得Y＝(F₂₁×L₂-F₁₁×L₁)/W₁，其中，L₁为吊挂点A的力臂，L₂为吊挂点B的力臂。

优选的，步骤3中，吊舱的总重量为

W₂＝F₁₂+F₂₂+F₃₂

其中，F₁₂、F₂₂和F₃₂分别为X、0和Z平面坐标系内吊挂点A'、B'和C'的受到的力。

进一步，吊舱在Z方向上重心坐标值为F₂₂×L₂-F₁₂×L₁＝W₂×Z，得Z＝(F₂₂×L₂-F₁₂×L₁)/W₂，其中，L₂为吊挂点B'的力臂。

优选的，通过公式

使计算得到的重心坐标值通过坐标转换，转换到需要的坐标系内，其中X₀、Y₀和Z₀为要求坐标系下被测件的重心坐标；X'、Y'和Z'为当前坐标系原点距要求坐标系原点的距离；X、Y和Z为当前坐标系下的被测件的重心坐标；λ为两坐标系的比例系数；R为旋转矩阵。

优选的，步骤3中，采用高精度倾角传感器对吊舱翻转角度进行控制。

优选的，步骤3中，吊舱翻转时，根据左手螺旋法则确定旋转方向。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过采用多装件清零的方法测量重心，先除去吊舱多装件的重量，再带被测件整体测量，根据力矩平衡原理，由三点吊挂传感器的测试结果，计算得到吊舱三个方向的重心，该方法操作便捷，过程简单，人为和计算误差小、测试效率及测量准确度高。

进一步，通过坐标转换，能够得到需求坐标系下吊舱的重心坐标值，灵活满足不同需求。

附图说明

图1为本发明的X、O和Y平面内三点吊挂示意图；

图2为本发明的X、O和Z平面内三点吊挂示意图；

图3为本发明的力矩平衡原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

飞机吊舱重量重心的测量方法的基本原理是依据静力学中的力和力矩平衡原理，组成力矩的两大要素是力臂(L)和力(F)，力矩平衡就是方程左边力臂与力的乘积等于方程右边力臂与力的乘积，若力臂不变，力为零，计算时，则该项的力矩为零，根据飞机重心计算公式：

式(1)、(2)、(3)中，W飞机，表示飞机的重量；X_飞机、Y_飞机、Z_飞机，表示飞机在当前计算坐标系下X，Y，Z的重心坐标；G_i(i＝1，2，3，4，5……)，表示飞机上多装件的重量；X_i、Y_i、Z_i(i＝1，2，3，4，5……)，表示飞机上的多装件在当前计算坐标系下X，Y，Z的重心坐标。

由式(1)、(2)、(3)可知，X_i、Y_i、Z_i(i＝1，2，3，4，5……)保持不变，当G_i(i＝1，2，3，4，5……)等于零时，第i项对应的力矩为零，因式(1)、(2)、(3)的等式右边最少可保留一个力矩，设i＞1时的G_i全部为零，则：

W_飞机×X_飞机＝G₁×X₁ (4)

W_飞机×Y_飞机＝G₁×Y₁ (5)

W_飞机×Z_飞机＝G₁×Z₁ (6)

根据式(4)、(5)、(6)可知，重心测量时，可先将除被测件(飞机)之外的所有多装件重量清零，利用力矩平衡原理，直接得到被测件在当前坐标系下的重心坐标。

根据以上结论，采用吊挂式对吊舱的重量重心进行测量时，先将悬挂附件清零，将吊舱安装至工装内部，工装为长方体，中间设置有用于放置吊舱的通孔，安装后吊舱与工装同轴，建立空间坐标系X、Y和Z，吊舱其中一个短轴为Y轴，Y轴的0坐标为短轴的中心点，吊舱长轴为X轴，X轴的0坐标为长轴的中心点，吊舱另一个短轴为Z轴，并且垂直于Y轴，Z轴的0坐标为短轴的中心点，任意两个轴所组成的平面与工装表面平行，吊舱在图1和图2所示坐标系中的重心坐标为X，Y，Z；

在工装的一个面上选取三个吊挂点A、B和C，再悬吊起吊舱，将吊舱水平设置，使X、0和Y平面坐标系处于水平面上，吊挂点A和B分别位于Y轴的正负坐标上，且位于X轴0坐标，吊挂点C位于X轴正坐标，如图1所示。

设三点吊挂时，吊挂点A、B、C处的受力分别为F₁₁、F₂₁、F₃₁，，吊舱的总重为W₁＝F₁₁+F₂₁+F₃₁，如图3所示，则依据静力学中的力和力矩平衡原理，得X、0和Y平面坐标系内：

X方向力矩平衡：F₃₁×L₃＝W₁×X； (7)

得：X＝F₃₁×L₃/W₁ (8)

Y方向力矩平衡：F₂₁×L₂-F₁₁×L₁＝W₁×Y； (9)

得：Y＝(F₂₁×L₂-F₁₁×L₁)/W₁ (10)

由以上两式可得吊舱在图1所示X、0和Y平面坐标系中的X和Y向重心坐标。

用左手大拇指指向X向，根据左手螺旋法则，绕X轴工装吊舱90°，使X、0和Z平面坐标系处于水平面上，吊挂点C不变，在工装此时上表面上重新选取三个吊挂点A'、B'和C'，A'、B'和C'的相对位置关系与吊挂点A、B和C相对位置关系相同，吊挂点A'和B'分别位于Z轴的正负坐标上，且位于X轴0坐标，吊挂点C'位于X轴正坐标，如图2所示。

设此时的三点吊挂时，吊挂点A'、B'和C'处的受力分别为F₁₂、F₂₂、F₃₂，吊舱的总重为W₂＝F₁₂+F₂₂+F₃₂，吊舱在图2坐标系X、0和Z平面坐标系内的重心坐标为X，Y，Z，则依据静力学中的力矩平衡原理，如图3所示，得：

Z方向力矩平衡：F₂₂×L₂-F₁₂×L₁＝W₂×Z； (11)

得：Z＝(F₂₂×L₂-F₁₂×L₁)/W₂ (12)

由以上两式可得，吊舱在图2所示坐标系中的Z向重心坐标。

两次测量后，得到飞机吊舱在当前坐标系下X、Y和Z三个方向的重心坐标值。

将计算得到的重心通过坐标转换，转换到需要的坐标系内，坐标转换公式如式(13)所示，最终得到飞机吊舱在要求坐标系下三个方向的重心坐标值X₀，Y₀，Z₀。

式中：

X₀、Y₀和Z₀为要求坐标系下被测件的重心坐标；

X'、Y'和Z'为当前坐标系原点距要求坐标系原点的距离；

X、Y和Z为当前坐标系下的被测件的重心坐标；

λ为两坐标系的比例系数；

R为旋转矩阵。

吊舱的吊挂工作由控制柜控制，控制柜主要由开关电源、工控机(含软件)、PLC控制器，伺服电机驱动器，电连接器等组成。由工控机所含控制软件发送控制指令给PLC控制器，PLC控制器通过伺服电机驱动器驱动X方向和Z方向的伺服电机进行动作，并带动相应的丝杠、滑动组件进行位移变化，伺服电机所含的编码器将实际动作的结果反馈给工控机并由软件进行监控。称重数据由三个称重传感器采集并由对应的称重数据采集处理模块进行处理，然后通过数据总线传送给工控机。

在本发明中，除了考虑测量设备的刚度等因素外，为保证飞机吊舱重量重心的测量精度，还需要注意以下几点。

多装件的清零：多装件在机加、装配环节很难做到与实际测试状态保持一致的理想状态，因此多装件的重量挂载清零时，应该采用倾角传感器保证其两次挂载时称重状态的一致性，即各多装件的挂载状态应与实际测试状态保持一致，确保飞机吊舱重量重心的测量精度。

翻转角度：在测试第三个方向重心坐标的过程中，考虑到被测件翻转前后的角度对测量准确度的影响，采用高精度倾角传感器对其翻转角度进行控制，确保飞机吊舱重量重心的测量精度。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种飞机吊舱重量重心测量方法，其特征在于，包括以下步骤；

步骤1，将吊舱之外多装件重量清零，将吊舱安装至工装内部，工装为长方体，中间设置有用于放置吊舱的通孔，安装后吊舱与工装同轴，建立空间坐标系X、Y和Z，吊舱其中一个短轴为Y轴，Y轴的0坐标为短轴的中心点，吊舱长轴为X轴，X轴的0坐标为长轴的中心点，吊舱另一个短轴为Z轴，并且垂直于Y轴，Z轴的0坐标为短轴的中心点，任意两个轴所组成的平面与工装表面平行；

步骤2，在工装的一个面上选取三个吊挂点A、B和C，将吊舱悬吊，使X、0和Y平面坐标系水平设置，吊挂点A和B分别位于Y轴的正负坐标上，且位于X轴0坐标，吊挂点C位于X轴正坐标，进行测重，并计算吊舱在X轴上的重心坐标值和Y轴上的重心坐标值；

步骤3，将工装绕X轴进行翻转90°，使X、0和Z平面坐标系处于水平面上，在工装此时上表面上重新选取三个吊挂点A'、B'和C'，A'、B'和C'的相对位置关系与吊挂点A、B和C相对位置关系相同，吊挂点A'和B'分别位于Z轴的正负坐标上，且位于X轴负0坐标，吊挂点C'位于X轴正坐标，进行测重，并计算吊舱在Z轴上的重心坐标值；

步骤4，汇总X轴、Y轴和Z轴的重心坐标值，得到吊舱在当前坐标系下X、Y和Z三个方向的重心坐标值。

2.根据权利要求1所述的一种飞机吊舱重量重心测量方法，其特征在于，步骤2中，吊舱的总重量为

W₁＝F₁₁+F₂₁+F₃₁

其中，F₁₁、F₂₁和F₃₁分别为X、0和Y平面坐标系内吊挂点A、B和C的受到的力。

3.根据权利要求2所述的一种飞机吊舱重量重心测量方法，其特征在于，X、0和Y坐标系原点处于三个吊挂点之间，且吊挂点A和B分别位于原点两侧的Y轴上，吊挂点C位于X轴上；

吊舱在X轴上重心坐标值为F₃₁×L₃＝W₁×X，得X＝F₃₁×L₃/W₁，其中，L₃为吊挂点C的力臂；

吊舱在Y轴上重心坐标值为F₂₁×L₂-F₁₁×L₁＝W₁×Y，得Y＝(F₂₁×L₂-F₁₁×L₁)/W₁，其中，L₁为吊挂点A的力臂，L₂为吊挂点B的力臂。

4.根据权利要求1所述的一种飞机吊舱重量重心测量方法，其特征在于，步骤3中，吊舱的总重量为

W₂＝F₁₂+F₂₂+F₃₂

其中，F₁₂、F₂₂和F₃₂分别为X、0和Z平面坐标系内吊挂点A'、B'和C'的受到的力。

5.根据权利要求4所述的一种飞机吊舱重量重心测量方法，其特征在于，吊舱在Z轴上重心坐标值为F₂₂×L₂-F₁₂×L₁＝W₂×Z，得Z＝(F₂₂×L₂-F₁₂×L₁)/W₂，其中，L₂为吊挂点B'的力臂。

6.根据权利要求1所述的一种飞机吊舱重量重心测量方法，其特征在于，通过公式

使计算得到的重心坐标值通过坐标转换，转换到需要的坐标系内，其中X₀、Y₀和Z₀为要求坐标系下被测件的重心坐标；X'、Y'和Z'为当前坐标系原点距要求坐标系原点的距离；X、Y和Z为当前坐标系下的被测件的重心坐标；λ为两坐标系的比例系数；R为旋转矩阵。

7.根据权利要求1所述的一种飞机吊舱重量重心测量方法，其特征在于，步骤3中，采用高精度倾角传感器对吊舱翻转角度进行控制。

8.根据权利要求1所述的一种飞机吊舱重量重心测量方法，其特征在于，步骤3中，吊舱翻转时，根据左手螺旋法则确定旋转方向。