CN101398339A - 零部件质量特性一体化测试设备及测试方法 - Google Patents

Abstract

零部件质量特性一体化测试设备，扭摆下盘固定于底座，扭摆上盘通过扭簧组件与扭摆下盘连接，扭摆下盘和扭摆上盘通过螺栓固定连接，松开螺栓时，在扭摆下盘的进气孔注入压缩空气，使扭摆下盘和扭摆上盘之间形成气垫，扭摆上盘处于气浮状态，在扭摆驱动机构和扭簧组件共同作用下往复扭摆，转动惯量测量仪根据扭摆上盘的扭摆周期测量被测物的转动惯量。支撑框固定于扭摆上盘的外圆周，质心盘经转换机构固定于支撑框，质心盘上安装被测物，称重传感器组件布置于扭摆上盘表面，通过转换机构可改变质心盘与支撑框的相对位置，当两者分离时，质心盘及被测物的重量由称重传感器组件承担，质量、质心测量仪根据传感器组件的值测量被测物的质量和质心。

Description

零部件质量特性一体化测试设备及测试方法

技术领域

本发明涉及一种测量设备，特别是一种用于汽车零部件及整车、卫星与飞船等航天器零部件与整机特性测试、航空武器类产品的质量特性测试的测试设备及其测试方法。

背景技术

质量特性是航天、航空及汽车零部件、整机等生产制造、测试及在轨运行过程中的重要参数，随着航空航天及汽车工业的迅速发展，质量特性的测试过程要求既要提高测试精度又能够减少装卡过程，以提高测试效率和安全性。

质量特性包括质量、质心和转动惯量，目前国、内外质量特性测试设备从功能上分为四类：(1)质量测试设备；(2)质量、质心测试设备，如湖北孝感测试仪器厂生产的三点称重法的质量、质心测量台，美国空间电子(spaceelectronics)生产的质量、质心测量台等；(3)转动惯量测试设备，如西北工业大学、南京理工大学利用机械轴承生产的测量转动惯量的扭摆台，航空一集团304所研制的使用气浮轴承的转动惯量测量扭摆台，德国申克公司、美国空间电子生产的气浮轴承转动惯量测量扭摆台等；(4)质心、转动惯量测试设备，如美国空间电子生产的气浮球轴承质心、转动惯量测试设备。

目前测试质量特性的三个参数，最少需要上述4种设备中的两种。以(2)、(3)两类设备组合测量来说，首先以设备(2)测试质量和Y、Z轴坐标平面质心，然后通过吊装将被测件置于设备(3)上，测量X轴转动惯量，在此过程中需要将被测件在两种设备间进行转移；测量X轴坐标质心及Y轴和Z轴转动惯量时，需要多次将被测件在两台设备之间转移，并更换被测件与设备之间的安装工装。因此测量过程中，需要对被测件进行多次装拆和转换设备，测试过程复杂，周期长，效率低，测试过程中精度一致性容易受到多次装拆的影响。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种结构简单、测量精度高的集测试质量、质心、转动惯量于一身的质量特性一体化测试设备及相应的测试方法。

本发明的技术解决方案是：零部件质量特性一体化测试设备，包括底座、扭摆台、质心台及测量仪；扭摆台包括扭摆下盘、扭摆上盘、扭簧组件及扭摆驱动机构，质心台包括支撑框、质心盘、球头支撑、称重传感器组件及转换机构，测量仪包括质量、质心测量仪和转动惯量测量仪；扭摆下盘通过螺栓固定于底座上，扭摆上盘通过扭簧组件与扭摆下盘连接，扭簧组件位于扭摆下盘和扭摆上盘的中心位置，扭摆下盘和扭摆上盘的边缘通过螺栓固定连接，当松开扭摆下盘和扭摆上盘之间的螺栓时，在扭摆下盘的进气孔注入压缩空气，使扭摆下盘和扭摆上盘之间形成气垫，扭摆上盘处于气浮状态，在扭摆驱动机构和扭簧组件的共同作用下，扭摆上盘往复扭摆，转动惯量测量仪根据扭摆上盘的扭摆周期测量被测物的转动惯量；支撑框固定于扭摆上盘的外圆周上，质心盘通过转换机构固定于支撑框上，质心盘用于安装被测物，称重传感器组件布置于扭摆上盘的表面，通过转换机构改变质心盘与支撑框的相对位置，当质心盘与转换机构分离时，质心盘及被测物的重量将由称重传感器组件承担，质量、质心测量仪根据称重传感器组件的值测量被测物的质量和质心。

所述的扭簧组件包括弧形板、簧片和扇形板，弧形板与扭摆上盘固定连接，扇形板与扭摆下盘固定连接，两个簧片以十字交叉形分别与扇形板和弧形板固定连接。

所述的转换机构包括法兰座、顶升螺栓、止推轴承、顶升块和压紧螺栓；法兰座固定于支承框，顶升螺栓与法兰座通过螺纹旋合，止推轴承置于顶升螺栓的止口与法兰座的内孔之间，顶升块置于止推轴承上圈表面，并在四周有导向凸台与法兰座内孔导向凹槽配合，压紧螺栓通过顶升螺栓与质心盘螺纹旋合。

所述的扭摆驱动机构包括驱动气缸、上盘推动块和霍尔传感器，上盘推动块与扭摆上盘固定连接，驱动气缸驱动上盘推动块，由上盘推动块带动扭摆上盘往复摆动，霍尔传感器用于测量扭摆上盘往复摆动的周期。

所述的称重传感器组件有三个，且均匀分布在与质心盘同心的扭摆上盘的圆周上，三个称重传感器组件相互之间夹角为120度。

所述的扭摆下盘的侧面留有注入压缩空气的进气口，扭转下盘与扭摆上盘接触的表面上安装有节流器，压缩空气通过进气口进入气路密封盘的气道中，并均匀通过节流器进入扭摆上盘与扭摆下盘之间形成气垫。

零部件质量特性一体化测试设备的测试方法，步骤如下：

(1)将被测件及其工装与质心盘安装面固定连接，安装过程中应使得被测件工装与质心盘安装面中心孔同轴；

(2)松开压紧螺栓，降下顶升螺栓，质心盘承载的被测件重量通过三个球头支撑全部落在三个称重传感器组件上，质量、质心测量仪读出三组传感器读数，计算出被测件的质量和质心；

(3)升起顶升螺栓，使质心盘承载的被测件重量由转换机构的顶升块承担，将压紧螺栓与质心盘固定连接，使质心盘、支撑框与扭摆上盘固定为一体；

(4)拆下扭摆上盘与扭摆下盘之间的连接螺栓，在扭摆下盘中进气口通入压缩空气，使扭摆上盘浮起，以驱动气缸驱动与扭摆上盘固连的上盘推动块，扭摆上盘在扭簧组件作用下往复摆动；

(5)霍尔传感器磁感应上盘推动块，测量到扭摆上盘的摆动周期，通过转动惯量测量仪计算出扭摆上盘及被测件的转动惯量；

(6)停止通入压缩空气，用连接螺栓固定扭摆上盘及扭摆下盘，测量完成。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)将质量、质心测量与转动惯量测量结构通过转换机构组合在一起，能够在同一台设备上实现对三个质量特性参数的测量，克服了现有测量方法将被测件在两种测试设备转移及两台设备之间定位不同引起的测试精度误差，测试过程简单，提高了测量精度，减少了测量过程中因装拆可能产生的不安全因素；

(2)扭摆上盘与扭摆下盘之间通过扭簧组件连接，扭簧组件采用空间十字交叉型结构，扭簧组件的弧形板与扭摆上盘连接，扇形板与扭摆下盘连接，安装时扭簧组件的中心与扭摆上盘及扭摆下盘中心孔同轴，测量转动惯量时，以小角度扭摆，扭簧组件中心孔的位移非常小，可以看作是围绕中心孔扭摆，因此，扭簧组件既起到扭簧作用，又起到中心定位作用，克服了现有技术还需增加径向球轴承或径向气浮轴承进行中心定位的结构，使结构简化，易于实现，且减少了摩擦阻尼环节，提高了转动惯量测量精度；

(3)质量、质心测量与转动惯量测量转换机构，采用螺旋升降，止推轴承支承，顶升块导向仅做上下移动的结构，转换过程力矩小，操作方便快捷，仅需对顶升螺栓进行小于90度旋转，即可使转换机构支承与质心盘接触或分离，实现质量、质心测量与转动惯量测量的转换；

(4)在顶升螺栓顶起顶升块时，以顶升块支承质心盘及被测件的大部分重量，称重传感器仍然支承质心盘的剩余重量，克服了称重传感器与质心盘完全脱离会引起零位重复性误差，提高了质量、质心测量的重复精度。

附图说明

图1为本发明一体化设备的结构组成原理图；

图2为本发明一体化设备中转换机构的组成原理图；

图3为本发明一体化设备中扭摆驱动机构的组成原理图；

图4为本发明一体化设备中扭簧组件的组成原理图。

具体实施方式

如图1、图2、图3和图4所示，本发明包括一个底座1，扭摆下盘2与底座1的上表面通过螺栓固定连接，底座1底部通过地脚螺栓与地基固定，地基固定前，以水平仪测量底座水平度，保证底座上表面水平度在0.01/1m范围内，然后固定底座与地脚螺栓。扭摆下盘2侧面有进气孔，在拆掉螺栓3后，将压缩空气引入气路密封盘14的气道中，通过气道将压缩空气分别送入扭摆上盘9的24个气孔，扭摆下盘气孔中装有孔径为0.25mm节流器13，将压缩空气通入扭摆上盘9与扭摆下盘2之间的气浮面，即可在扭摆上盘9与扭摆下盘2之间形成摩擦阻尼极小的气垫，将扭摆上盘9浮起，其承载能力与压缩空气压力、气浮面面积、节流器孔径等相关。

扭摆上盘9与扭摆下盘2之间以扭簧组件12相连，扭簧组件12的弧形板23与扭摆上盘9固定连接，扇形板25与扭摆下盘2固定连接，两个簧片24以十字交叉形分别与扇形板25和弧形板23固定连接，在装配过程中以工艺轴保证扭簧组件12中心孔与扭摆上盘9及扭摆下盘2中心孔同轴。扭摆上盘9浮起后，以小的角度摆动，扭簧组件12中心位置的变形非常小，可以认为其中心不变，即扭摆上盘9绕中心轴线摆动。

扭摆驱动机构驱动气缸20固定安装在扭摆下盘2圆周的侧壁上，上盘推动块21安装固定在扭摆上盘9的圆周侧壁上，霍尔传感器22与驱动气缸19同向安装在扭摆下盘2圆周侧壁上。当扭摆上盘9在压缩空气作用下浮起后，驱动气缸20推动上盘推动块21离开平衡位置一个小的角度，然后驱动气缸20迅速释放，扭摆上盘9在扭簧组件12作用下，围绕平衡位置往复扭摆，安装在上盘推动块21另一侧的霍尔传感器22能够感应到上盘推动块21的靠近与离开，通过转动惯量测量仪10便能够得到扭摆上盘9的往复扭摆周期，结合扭簧组件12确定的扭摆刚度常数计算出被测件的转动惯量。

质心盘5在装配时以同轴导向柱组件6保证其与扭摆上盘9的同轴度，使测量质量、质心和测量转动惯量具有同样的轴线基准。

三个称重传感器组件8按120度均布于扭摆上盘9圆周上，三个支撑框4按120度均布于扭摆上盘9外圆周上，支撑框4与称重传感器8夹角为60度，三组转换机构11分别通过法兰座15固定在支撑框4上。在非测量和转动惯量测量状态，顶升螺栓15旋紧，顶升螺栓15推动止推轴承17和顶升块18支撑质心盘5及被测件的大部分重量，既保护称重传感器组件8，又使称重传感器8不恢复零位，提高传感器的重复精度，同时将压紧螺栓19与质心盘5拧紧，使质心盘5、支撑框4与扭摆上盘9固定为一体。在测量质量、质心状态时，顶升螺栓15松开，止推轴承17和顶升块18下降，质心盘5和被测件的全部重量由三组称重传感器组件8承担，测得被测件的质量和质心。在测量质量、质心与转动惯量之间转换时，均需将顶升螺栓15松开或旋紧，止推轴承17与顶升块18随着顶升螺栓15下降或上升，在导向槽作用下，顶升块18仅做直线下降或上升，避免了顶升块18与质心盘5之间的相对转动，止推轴承17上、下圈相对转动，避免了顶升螺栓15与顶升块18之间相对转动摩擦，减小了顶升螺栓15旋转所需的转动力矩。

本发明的测量过程如下：

(1)将被测件及其工装与质心盘5安装面固定连接，安装过程中要保证被测件工装与质心盘5安装面中心孔同轴；

(2)松开三组压紧螺栓19，降下顶升螺栓15，质心盘5承载的被测件重量全部落在三组传感器8上，读出三组传感器读数P1、P2、P3，计算出被测件的质量(m)、质心(Yc、Zc)，方法见下文；

(3)升起顶升螺栓15使质心盘5承载的被测件重量大部分由转换机构11承担，将压紧螺栓19与质心盘5固定连接，使质心盘5、支撑框4与扭摆上盘9固定为一体；

(4)拆下扭摆上盘9与扭摆下盘2的连接螺栓3，在扭摆下盘2中通入压缩气体，使扭摆上盘9浮起；

(5)以驱动气缸20驱动与扭摆上盘9固连的上盘推动块21，驱动气缸20迅速释放，扭摆上盘9在扭簧组件12作用下往复摆动；

(6)霍尔传感器22磁感应上盘推动块21，测量到扭摆上盘9的摆动周期，以公式计算出扭摆上盘9及被测件的转动惯量，计算方法见下文；

(7)压缩空气停止，用连接螺栓3固定扭摆上盘8及扭摆下盘2，测量完成。

本发明的质量、质心及转动惯量测量方法如下：质量、质心测量原理为三点称重法，三组称重传感器均布于与质心盘同心，半径为R的圆周上，互相之间夹角为120°，测量时可以读出三组传感器的读数P₁、P₂、P₃，则被测件的质量m、测量平面质心坐标Yc、Zc分别为。

m＝P₁+P₂+P₃                (1)

$\mathrm{Yc}=\frac{\sqrt{3}R(P_2-P_3)}{2m}---\left(2\right)$

转动惯量测量方法为扭摆法测周期，通过周期值与扭摆刚度为固定值，转动惯量与周期之间存在关系：

$T=2\mathrm{\π}\sqrt{\frac{I}{K}}$

根据物体转动惯量的相加特性，则总的转动惯量为扭摆台自身转动惯量I₀与被测件转动惯量I₁之和，

I＝I₀+I₁                                     (5)

I₁＝λ(T²-T₀ ²)                            (6)

其中：T、T₀分别为扭摆台安装被测件后的扭摆周期和空载时的扭摆周期，单位为s；I₀、I₁分别为扭摆台空载时的转动惯量和被测件的转动惯量，单kg·m²；K为扭摆台扭簧角刚度，单位为N·m/rad；λ为扭摆刚度常数， $\mathrm{\λ}=\frac{K}{4{\mathrm{\π}}^2}(1-{\mathrm{\ξ}}^2),$ ξ为阻尼比，本发明使用的气浮轴承阻尼比非常小，可忽略，因此， $\mathrm{\λ}=\frac{K}{4{\mathrm{\π}}^2},$ 单位为N·m。

使用本发明对被测件进行质量、质心测量和转动惯量测量前，先以质量、质心标准砝码进行标定，得到三个称重传感器的测量校准系数和系统误差。以转动惯量标准转子进行标定，利用已知的标准转子转动惯量值反求出扭摆台的扭摆刚度常数λ，即可进行其它被测件转动惯量测量。

本发明说明书中未详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (7)

1、零部件质量特性一体化测试设备，其特征在于包括：底座(1)、扭摆台、质心台及测量仪；扭摆台包括扭摆下盘(2)、扭摆上盘(9)、扭簧组件(12)及扭摆驱动机构，质心台包括支撑框(4)、质心盘(5)、球头支撑(7)、称重传感器组件(8)及转换机构(11)，测量仪包括质量、质心测量仪和转动惯量测量仪；扭摆下盘(2)通过螺栓固定于底座(1)上，扭摆上盘(9)通过扭簧组件(12)与扭摆下盘(2)连接，扭簧组件(12)位于扭摆下盘(2)和扭摆上盘(9)的中心位置，扭摆下盘(2)和扭摆上盘(9)的边缘通过螺栓固定连接，当松开扭摆下盘(2)和扭摆上盘(9)之间的螺栓时，在扭摆下盘(2)的进气孔注入压缩空气，使扭摆下盘(2)和扭摆上盘(9)之间形成气垫，扭摆上盘(9)处于气浮状态，在扭摆驱动机构和扭簧组件(12)的共同作用下，扭摆上盘(9)往复扭摆，转动惯量测量仪根据扭摆上盘(9)的扭摆周期测量被测物的转动惯量；支撑框(4)固定于扭摆上盘(9)的外圆周上，质心盘(5)通过转换机构(11)固定于支撑框(4)上，质心盘(5)用于安装被测物，称重传感器组件(8)布置于扭摆上盘(9)的表面，通过转换机构(11)改变质心盘(5)与支撑框(4)的相对位置，当质心盘(5)与转换机构(11)分离时，质心盘(5)及被测物的重量将由称重传感器组件(8)承担，质量、质心测量仪根据称重传感器组件(8)的值测量被测物的质量和质心。

2、根据权利要求1所述的零部件质量特性一体化测试设备，其特征在于：所述的扭簧组件(12)包括弧形板(23)、簧片(24)和扇形板(25)，弧形板(23)与扭摆上盘(9)固定连接，扇形板(25)与扭摆下盘(2)固定连接，两个簧片(24)以十字交叉形分别与扇形板(25)和弧形板(23)固定连接。

3、根据权利要求1所述的零部件质量特性一体化测试设备，其特征在于：所述的转换机构(11)包括法兰座(16)、顶升螺栓(15)、止推轴承(17)、顶升块(18)和压紧螺栓(19)；法兰座(16)固定于支承框(4)，顶升螺栓(15)与法兰座(16)通过螺纹旋合，止推轴承(17)置于顶升螺栓(15)的止口与法兰座(16)的内孔之间，顶升块(18)置于止推轴承(17)上圈表面，并在四周有导向凸台与法兰座(16)内孔导向凹槽配合，压紧螺栓(19)通过顶升螺栓(15)与质心盘(5)螺纹旋合。

4、根据权利要求1所述的零部件质量特性一体化测试设备，其特征在于：所述的扭摆驱动机构包括驱动气缸(20)、上盘推动块(21)和霍尔传感器(22)，上盘推动块(21)与扭摆上盘(9)固定连接，驱动气缸(20)驱动上盘推动块(21)，由上盘推动块(21)带动扭摆上盘(9)往复摆动，霍尔传感器(22)用于测量扭摆上盘(9)往复摆动的周期。

5、根据权利要求1所述的零部件质量特性一体化测试设备，其特征在于：所述的称重传感器组件(8)有三个，且均匀分布在与质心盘(5)同心的扭摆上盘(9)的圆周上，三个称重传感器组件(8)相互之间夹角为120度。

6、根据权利要求1所述的零部件质量特性一体化测试设备，其特征在于：所述的扭摆下盘(2)的侧面留有注入压缩空气的进气口，扭转下盘(2)与扭摆上盘(9)接触的表面上安装有节流器(13)，压缩空气通过进气口进入气路密封盘(14)的气道中，并均匀通过节流器(13)进入扭摆上盘(9)与扭摆下盘(2)之间形成气垫。

7、零部件质量特性一体化测试设备的测试方法，其特征在于步骤如下：

(1)将被测件及其工装与质心盘(5)安装面固定连接，安装过程中应使得被测件工装与质心盘(5)安装面中心孔同轴；

(2)松开压紧螺栓(19)，降下顶升螺栓(15)，质心盘(5)承载的被测件重量通过三个球头支撑(7)全部落在三个称重传感器组件(8)上，质量、质心测量仪读出三组传感器读数，计算出被测件的质量和质心；

(3)升起顶升螺栓(15)，使质心盘(5)承载的被测件重量由转换机构(11)的顶升块(18)承担，将压紧螺栓(19)与质心盘(5)固定连接，使质心盘(5)、支撑框(4)与扭摆上盘(9)固定为一体；

(4)拆下扭摆上盘(9)与扭摆下盘(2)之间的连接螺栓，在扭摆下盘(2)中进气口通入压缩空气，使扭摆上盘(9)浮起，以驱动气缸(20)驱动与扭摆上盘(9)固连的上盘推动块(21)，扭摆上盘(9)在扭簧组件(12)作用下往复摆动；

(5)霍尔传感器(22)磁感应上盘推动块(21)，测量到扭摆上盘(9)的摆动周期，通过转动惯量测量仪计算出扭摆上盘(9)及被测件的转动惯量；

(6)停止通入压缩空气，用连接螺栓固定扭摆上盘(9)及扭摆下盘(2)，测量完成。

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