CN102620887A - 测试零部件质量特性的装置 - Google Patents

Abstract

测试零部件质量特性的装置，它涉及一种测试质量特性的装置。解决目前测试零部件质量特性时需要多个设备，测试过程复杂，测试结果精度低的问题。气浮旋转台设在质心测量台内，质心测量台设在框架内，质心测量台上均布设有多个称重传感器，静U形主支架设置在气浮旋转台的上方，静U形主支架的开口处与动U形主支架、内转动环和外转动环三者转动连接，动U形主支架的开口处与外转动环的外壁转动连接，内转动环与外转动环连接，静U形主支架的底部上设有多个传感器压动头，动U形主支架上装有尾部支撑装置，X轴驱动装置设在动U形主支架的外部且与尾部支撑装置传动连接，Y轴驱动装置装在动U型主支架的上面。本发明用于测试零部件质量特性。

Description

测试零部件质量特性的装置

技术领域

本发明涉及一种测试质量特性的装置。 

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、转动惯量和惯性积，测试上述参数时，需要多个设备，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卸的影响。 

发明内容

本发明的目的是提供一种测试零部件质量特性的装置，以解决目前测试零部件质量特性时需要多个设备，测试过程复杂，测试结果精度低的问题。 

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：所述装置包括底台、框架、气浮旋转台、静U形主支架、动U形主支架、内转动环、外转动环、尾部支撑装置，X轴驱动装置、质心测量台、两个Y轴驱动装置、多个功能限位导柱、多个螺旋升降装置和多个称重传感器，底台上固装有框架、气浮旋转台、多个功能限位导柱和多个螺旋升降装置，气浮旋转台设在质心测量台内，质心测量台设在框架内，质心测量台上均布设有多个称重传感器，静U形主支架设置在气浮旋转台的上方，质心测量台和静U形主支架通过多个螺旋升降装置上下移动，质心测量台通过多个功能限位导柱限位，静U形主支架的开口处与动U形主支架、内转动环和外转动环三者转动连接，动U形主支架的开口处与外转动环的外壁转动连接，外转动环设在动U形主支架内，内转动环由上半环和下半环连接构成，内转动环与外转动环连接，静U形主支架的底部上设有多个传感器压动头，动U形主支架内的底部上装有尾部支撑装置，X轴驱动装置设在动U形主支架的外部且与尾部支撑装置传动连接，Y轴驱动装置装在动U形主支架的上面。 

本发明具有以下有益效果：1、测量精度高，本发明采用气浮旋转台，实现无摩擦的自由扭摆；质量质心测量时采用动态测量方式，多组数据，优化模型，相关检测；2、本发明具有测量质量、质心、转动惯量、惯性积的多种功能；即可实现静态质心测量，又可实现动态质心测量；可以实现任意轴的转动惯量测量；旋转方式灵活，六种姿态任意选 取；3、整个测试过程只需对零部件进行一次装卡，使用安全限位装置和螺旋升降装置巧妙实现功能切换，在质量质心和转动惯量测量功能的转换上，不需要二次装卡；内转动环采用上下半环方式，以中心线分割的两体结构方式便于被测件的吊装；静U型支架的设计保证产品支撑安全可靠；4、本发明结构设计巧妙，便于组装、运输、存贮各个轴方向的转动均与质心为原点，不需要配平；内转动环中的各个滚动轴采用偏置结构形式，可消除内外环间间隙。 

附图说明

图1是本发明的整体结构主视图，图2是图1的侧视图，图3是图1的俯视图，图4是图1中A处的立体图，图5是静U形主支架7的立体图，图6是动U形主支架8、内转动环9和外转动环10三者整体结构的立体图。 

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图6说明，本实施方式的所述装置包括底台1、框架2、气浮旋转台3、静U形主支架7、动U形主支架8、内转动环9、外转动环10、尾部支撑装置11，X轴驱动装置12、质心测量台13、两个Y轴驱动装置14、多个功能限位导柱4、多个螺旋升降装置5和多个称重传感器6，底台1上固装有框架2、气浮旋转台3、多个功能限位导柱4和多个螺旋升降装置5，气浮旋转台3设在质心测量台13内，质心测量台13设在框架2内，质心测量台13上均布设有多个称重传感器6，静U形主支架7设置在气浮旋转台3的上方，质心测量台13和静U形主支架7通过多个螺旋升降装置5上下移动，质心测量台13通过多个功能限位导柱4限位，静U形主支架7的开口处与动U形主支架8、内转动环9和外转动环10三者转动连接，动U形主支架8的开口处与外转动环10的外壁转动连接，外转动环10设在动U形主支架8内，内转动环9由上半环和下半环连接构成，内转动环9与外转动环10连接，静U形主支架7的底部上设有多个传感器压动头7-1，动U形主支架8内的底部上装有尾部支撑装置11，X轴驱动装置12设在动U形主支架8的外部且与尾部支撑装置11传动连接，Y轴驱动装置14装在动U形主支架8的上面。 

所有转轴的驱动均采用伺服电机驱动，各转角重复精度可达到2″； 

具体实施方式二：本实施方式的称重传感器6的数量为3个或4个。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。 

工作原理：该设备用于完成某型号异形大尺寸飞行器质量特性的测量。测试项目主要包括：1、产品质量，2、产品X向、Y向、Z向质心坐标，3、产品X向、Y向、Z向转动 惯量，4、产品惯性积Jxy、Jyz、Jxz。 

待测工件的尾部与尾部支撑装置11连接，待测工件的前装在内转动环9内。 

质量测量：先将本发明空载，将3个称重传感器的读数P₁₁～P₃₁求和，得到其工装质量M_g，即：P₁＝P₁₁+P₂₁+P₃₁，然后加载待测产品，再次将3个称重传感器的读数P₁₂～P₃₂求和，得到其工装和产品的总质量M′，即：P₂＝P₁₂+P₂₂+P₃₂；所以，产品的质量Mc为：P＝P₂-P₁； 

质量质心测量：采用经典的三点法(或四点法)。多个螺旋升降装置5上升，带动质心测量台13和静U型主支架7一同升起，使静U型主支架7脱离气浮旋转台3，此时静U型主支架7并不与多个称重传感器6接触。随后，多个螺旋升降装置5下降，通过多个功能限位导柱4维持称重传感器6位置不变，这样就使得称重传感器6与静U型主支架7接触，而脱离了气浮旋转台3，完成了功能转换。整个过程不需要重复装卡。为提高测量精度，采用动态测量方法。 

横向质心坐标测量：将待测产品垂直放置在工装上，其中P₁～P₃₁为测量台下面的3个称重传感器，故质心y、z坐标可表示为： 

$y=\frac{{P_1}^{\′}{y}_1+{P_2}^{\′}{y}_2+{P_3}^{\′}{y}_3}{P}$

$z=\frac{{P_1}^{\′}{z}_1+{P_2}^{\′}{z}_2+{P_3}^{\′}{z}_3}{P}$

纵向质心坐标测量：测量纵向坐标时，需要将产品环绕轴旋转一定角度θ，质心沿y轴正方向产生一定的偏移，根据一些几何关系，推导出最后x的坐标为： 

$x=\cot \mathrm{\θ}(L-y)-\frac{L-y^{\′}}{\sin \mathrm{\θ}}-h$

P＝P₂-P₁

通过自由旋转环和X旋转轴实现待测产品绕X轴匀速旋转一周，旋转过程中，称重传感器6持续采样，经过数据处理得到产品质量和X、Y、Z三个方向的质心坐标。 

本方案为提高测试精度，采用动态测量，通过自由旋转环和X旋转轴实现待测产品绕X轴匀速旋转一周，旋转过程中，称重传感器持续采样，经过数据处理得到产品质量和X、Y、Z三个方向的质心坐标。 

测量转动惯量时，采用成熟的扭摆法原理，待测产品在高精度的气浮旋转台上实现无摩擦的自由扭摆。通过自由旋转环和X、Y向旋转轴完成待测产品的空间位置变换(共六 个姿态)，联立六个方程，求解出产品X向、Y向、Z向转动惯量和惯性积Jxy、Jyz、Jxz。 

测量转动惯量采用扭摆法。 

被测物体安放在由轴承支撑的扭摆台(即气浮旋转台)上，扭摆台由弹性扭杆与机壳连接。当有外接激励后，被测物体随扭摆台自由摆动，根据摆动曲线可以计算出转动惯量。 

扭摆台工作的理论模型为： 

设扭杆摆动角为θ，扭摆台与物体的转动惯量为J，扭杆刚度系数K，阻尼力矩系数为C，在摆角很小时认为是扭杆刚度系数为常数。假设空气阻尼产生的阻尼力矩与扭摆台的角速度成正比，则系统运动方程为 

$J\frac{d^2\mathrm{\θ}}{{\mathrm{dt}}^2}+C\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}+\mathrm{K\θ}=0---\left(1\right)$

为了计算方便，ω_n定义为无阻尼自振频率， 

ζ定义为系统阻尼比， 

$\mathrm{\ζ}=\frac{C}{2\sqrt{\mathrm{KJ}}};$ 则式(1)变形为 

$\frac{d^2\mathrm{\θ}}{{\mathrm{dt}}^2}+2{\mathrm{\ζ\ω}}_n\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ω}}_n^2\mathrm{\θ}=0---\left(2\right)$

当ζ＜1时，扭摆台做欠阻尼运动，(2)式的解如下。 

$\mathrm{\θ}\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\θ}}_0}{\sqrt{1-{\mathrm{\ζ}}^2}}\exp \left({-\mathrm{\ζ\ω}}_{n}t\right)\cos \left({\mathrm{\ω}}_{n}t\sqrt{1-{\mathrm{\ζ}}^2}\right)---\left(3\right)$

T_d、T_n分别为有阻尼振动周期、无阻尼振动周期， 

ω_d为有阻尼振动频率， 

由此可得到转动惯量的计算公式 

$J=\frac{K}{{\mathrm{\ω}}_n^2}=\frac{K}{{\left(2\mathrm{\π}\right)}^2}{T}_n^2=\frac{K}{{\left(2\mathrm{\π}\right)}^2}(1-{\mathrm{\ζ}}^2){T_d}^2---\left(4\right)$

K的值可以通过测量标定砝码获得，T_d可以实际测出；此外，还需要知道阻尼比ζ的值。在测量精确度要求不高的场合，可以忽略阻尼，认为ζ＝0，只需要测量扭摆周期，就可以计算出转动惯量。对于本设备，在阻尼不能忽略的情况下，需要测量出扭摆台摆角随时间变化的曲线，根据曲线振幅的衰减规律计算出阻尼比和周期，经过空气阻尼补偿后再由式(4)计算出转动惯量。 

首先阐述一下转动惯量的转轴公式： 

设物体对于直角坐标系坐标轴x，y，z的转动惯量和惯性积为Jx，Jy，Jz和Jxy，Jyz，Jxz；则物体对于通过坐标轴原点并与x，y，z轴成α，β，γ角的轴A的转动惯量为： 

J_A＝J_X cos²α+J_Y cos²β+J_Z cos²γ-2J_YZcosβcosγ 

-2J_XZ cosαcosγ-2J_XYcosαcosβ 

如果上式中J_A和轴A与三个坐标轴的夹角α，β，γ是已知的，通过六个方程联立，可求出所有的六个未知量Jx，Jy，Jz，Jxy，Jyz，Jxz。 

J_Xcos²α₁+J_Ycos²β₁+J_Zcos²γ₁-2J_XYcosα₁cosβ₁-2J_YZcosβ₁cosγ₁-2J_XZcosα₁cosγ₁＝J₁J_Xcos²α₂+J_Ycos²β₂+J_Zcos²γ₂-2J_XYcosα₂cosβ₂-2J_YZcosβ₂cosγ₂-2J_XZcosα₂cosγ₂＝J₂J_Xcos²α₃+J_Ycos²β₃+J_Zcos²γ₃-2J_XYcosα₃cosβ₃-2J_YZcosβ₃cosγ₃-2J_XZcosα₃cosγ₃＝J₃J_Xcos²α₄+J_Ycos²β₄+J_Zcos²γ₄-2J_XYcosα₄cosβ₄-2J_YZcosβ₄cosγ₄-2J_XZcosα₄cosγ₄＝J₄J_Xcos²α₅+J_Ycos²β₅+J_Zcos²γ₅-2J_XYcosα₅cosβ₅-2J_YZcosβ₅cosγ₅-2J_XZcosα₅cosγ₅＝J₅J_Xcos²α₆+J_Ycos²β₆+J_Zcos²γ₆-2J_XYcosα₆cosβ₆-2J_YZcosβ₆cosγ₆-2J_XZcosα₆cosγ₆＝J₆

因此，改变物体状态，分别测出物体绕六个轴的摆动周期，进而通过方程组联立，便可求出对于定义坐标系的三个轴的转动惯量和惯性积数值。 

Claims (2)

1.一种测试零部件质量特性的装置，其特征在于所述装置包括底台(1)、框架(2)、气浮旋转台(3)、静U形主支架(7)、动U形主支架(8)、内转动环(9)、外转动环(10)、尾部支撑装置(11)，X轴驱动装置(12)、质心测量台(13)、两个Y轴驱动装置(14)、多个功能限位导柱(4)、多个螺旋升降装置(5)和多个称重传感器(6)，底台(1)上固装有框架(2)、气浮旋转台(3)、多个功能限位导柱(4)和多个螺旋升降装置(5)，气浮旋转台(3)设在质心测量台(13)内，质心测量台(13)设在框架(2)内，质心测量台(13)上均布设有多个称重传感器(6)，静U形主支架(7)设置在气浮旋转台(3)的上方，质心测量台(13)和静U形主支架(7)通过多个螺旋升降装置(5)上下移动，质心测量台(13)通过多个功能限位导柱(4)限位，静U形主支架(7)的开口处与动U形主支架(8)、内转动环(9)和外转动环(10)三者转动连接，动U形主支架(8)的开口处与外转动环(10)的外壁转动连接，外转动环(10)设在动U形主支架(8)内，内转动环(9)由上半环和下半环连接构成，内转动环(9)与外转动环(10)连接，静U形主支架(7)的底部上设有多个传感器压动头(7-1)，动U形主支架(8)内的底部上装有尾部支撑装置(11)，X轴驱动装置(12)设在动U形主支架(8)的外部且与尾部支撑装置(11)传动连接，Y轴驱动装置(14)装在动U形主支架(8)的上面。

2.根据权利要求1所述测试零部件质量特性的装置，其特征在于称重传感器(6)的数量为3个或4个。

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