CN103091041B - 一种基于位置恢复原理的静平衡测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于位置恢复原理的静平衡测量系统及测量方法，该系统主要包含位置测量单元、力输出装置、枢轴及伺服控制单元，由位置测量单元测量到的安装台与基座间的位置变化量信号送至伺服控制单元，其输出的控制信号控制力输出装置输出恢复力矩；该测量方法是：固定试件于安装台上，利用枢轴支承试件的重量，当试件的质心位置变化产生的倾覆力矩，通过位置测量单元实时检测到安装台的倾斜，由力输出装置输出与倾覆力矩大小、方向相反恢复力矩，使安装台重新恢复到初始位置；将试件绕其回转轴旋转到多个位置，反复测量恢复力矩，计算出试件静平衡误差并对其修正。本发明克服国防工业亟需解决的静平衡测量精度差问题，具有很高的实际应用价值。

Description

一种基于位置恢复原理的静平衡测量系统及测量方法

技术领域

本发明属于精密测量技术，具体是一种基于位置恢复原理的静平衡测量系统及测量方法。

背景技术

精密静平衡技术是精确制导、飞机发动机等领域的核心计量校准技术，是制约我国多个国防技术领域发展的瓶颈技术之一。目前的静平衡方法主要有位置恢复法、多点测量法和机械移位法等。国内一般采用的静平衡方法有两种：手工平衡法和多点测量法。手工平衡精度有限，难以定量测量，而且其他因素影响，产品精度一致性差；由于受被测对象质心位置变化等因素影响，多点测量法难以保证前后两次测量状态的一致性，而且测量精度随对象质量增加变差。美国等发达国家采用位置恢复原理配重仪对稳定平台进行精确配重，能够克服以上两种配重方法的缺点。但目前公开的测量系统依然难以避免其系统存在固有的摩擦，导致摩擦带来的非线性因素影响系统测量精度，目前急需解决消除测量系统摩擦的问题，提高配重精度，以提高稳定平台、涡轮发动机等系统的运动平稳性，同时降低系统能耗。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于位置恢复原理的静平衡测量系统及测量方法，能提高系统静平衡精度，从而降低系统能耗、提高系统运动平稳性和工作寿命。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于位置恢复原理的静平衡测系统，其特征在于它主要包含位置测量单元、力输出装置、枢轴、伺服控制单元、安装台以及基座，所说位置测量单元与力输出装置分别安装于安装台与基座之间内，该位置测量单元测量到的安装台与基座间的位置变化量信号送至伺服控制单元的输入端，该信号经伺服控制单元处理后输出的驱动力矩信号接至力输出装置信号输入端，该力输出装置输出反向倾覆力矩驱动安装台恢复初始位置，所说枢轴枢轴采用柔性铰链连接安装台和基座，保证安装台与基座间的无摩擦转动。

所说力输出装置采用线性电磁铁。

位置测量单元采用LVDT包括铁芯和感应线圈，该LVDT检测的位置变化量信号接至伺服控制单元的输入端，可进行无接触测量。

一种基于位置恢复原理的静平衡测量系统的测量方法，其特征在于测量试件包括步骤如下：

步骤A：被测试件固定到安装台上，使其回转轴与台面垂直，先保持试件位置不动，调整安装台面至水平位置；采用测量试件重量竖直方向施加在枢轴上，而静平衡测量方向为枢轴旋转方向，保证测量精度不随试件重量变化而变化；

步骤B：将试件的回转部分绕其回转轴转动一定角度，利用枢轴支承试件的重量，通过位置测量单元检测到安装台倾斜的位移量，由伺服控制单元根据安装台位置变化量，通过控制算法得到驱动信号来控制力输出装置产生与倾覆力矩大小相同、方向相反的恢复力矩，驱动安装台重新恢复到初始位置，所说的恢复力矩大小等同于试件在枢轴垂直方向的质量矩；

步骤C：将试件绕其回转轴旋转到多个位置，反复测量该试件对应不同回转位置的质量矩，通过矢量公式计算，得到试件绕其回转轴的静平衡误差，用于静平衡修正。

伺服控制单元驱动安装台重新恢复到初始位置的实现过程：

实时采集位置测量单元输出信息；

判断安装台位置是否为原始位置，如果不为原始位置，则通过控制算法处理，将该台面位置变化量转化为相应的驱动力矩信号，提供给力输出装置，由力输出装置输出反向倾覆力矩，然后接续位置检测判断程序步骤。

如果为原始位置，则检测并输出当前力矩大小值。

上述步骤A、步骤B和步骤C通过矢量公式计算得到试件绕其回转轴的静平衡误差的具体步骤如下：

首先，将被测试件的回转部分坐标系O₁X₁Y₁Z₁固联在被测回转部分上，Z₁轴与回转部分回转轴重合，且与安装台面M垂直，测量系统坐标系O₀X₀Y₀Z₀固联在安装台平面M上，Y₀轴与测量系统枢轴平行，令初始状态下两坐标系重合；

被测试件回转部分相对坐标系O₁X₁Y₁Z₁的质量矩定义为向量R(mx，my，mz)，其中m为被测试件回转部分质量，x、y、z分别为被测回转部分的质心在坐标系O₁X₁Y₁Z₁中的坐标；

再将被测试件回转部分转至α_i角位置，R在坐标系O₀X₀Y₀Z₀中的质量矩向量R_i(mx_i，my_i，mz_i)为：

$R_i=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{mx}}_i\\ {\mathrm{my}}_i\\ {\mathrm{mz}}_i\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{c}_i& -s_i& 0\\ s_i& c_i& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{mx}\\ \mathrm{my}\\ \mathrm{mz}\end{array}\right]$

其中c_i＝cosα_i、s_i＝sinα_i；

然后，将被测试件回转部分转至3个不同角位置，可以得到如下方程组：

$\mathrm{mx}=\frac{m(x_1-x_2)(s_1-s_3)-m(x_1-x_3)(s_1-s_2)}{(c_1-c_2)(s_1-s_3)-(c_1-c_3)(s_1-s_2)}$

$\mathrm{my}=\frac{m(x_1-x_2)(c_1-c_3)-m(x_1-x_3)(c_1-c_2)}{(c_1-c_2)(s_1-s_3)-(c_1-c_3)(s_1-s_2)}$

上式方程右端参数均为已知量，其中，mx_i为测量系统第i次实际测量所得到的质量矩，而方程左端的mx、my为质量矩向量在O₁X₁Y₁Z₁上的投影分量，即为试件绕其回转轴的静平衡误差。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1.由于测量系统采用无摩擦的线性变压器进行无接触测量和力输出装置采用无摩擦线性电磁铁及枢轴采用柔性铰链连接安装台面和基座，保证了安装台面与基座间的无摩擦转动，能够保证不同次测量过程中测量条件的一致性，其中包括测量台面的位置一致性、力输出单元的出力位置一致性、测量单元的测量位置一致性、枢轴的位置一致性等，因此能够降低测量过程中机械变形等非线性因素影响，测量精度高于其他方法1个数量级以上，并且测量精度不因负载重量变化而降低，大大减少系统摩擦对测量精度的影响。

2.测量系统的测量方法，采用测量试件重量竖直方向施加在枢轴上，而静平衡测量方向为枢轴旋转方向，保证测量精度不随试件重量变化而变化，因此提高了系统的测量精度。该发明用于提高稳像平台、涡轮发动机等系统的运动平稳性，同时降低系统能耗。能够切实解决国防工业众多领域亟需解决的静平衡精度差问题。

附图说明

图1为位置恢复原理静平衡测量系统组成结构图；

图2为位置恢复原理静平衡测量系统工作原理方框图；

图3为图1中伺服控制单元工作流程图；

图4为位置恢复原理坐标系图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明方案作进一步说明。

如附图1所示，为位置恢复原理静平衡测量系统组成结构图。一种基于位置恢复原理的静平衡测系统，它主要包含位置测量单元7、力输出装置3、枢轴8、伺服控制单元9、安装台2以及基座4，所说位置测量单元7与力输出装置3分别安装于安装台2与基座4之间，该位置测量单元7测量到的安装台2与基座4间的位置变化量信号送至伺服控制单元9的输入端，该信号经伺服控制单元9处理后输出的驱动力矩信号接至力输出装置3信号输入端，该力输出装置3输出反向倾覆力矩驱动安装台2恢复初始位置，所说枢轴8枢轴采用柔性铰链连接安装台和基座，保证安装台2与基座4间的无摩擦转动。

本实施例中，力输出装置3采用线性电磁铁，该电磁铁的线圈与基座4固定连接，永磁体与安装台2相接。

位置测量单元7采用LVDT包括铁芯和感应线圈，该LVDT检测的位置变化量信号接至伺服控制单元9的输入端，可进行无接触测量。

LVDT为(Linear Variable Differential Transformer，线性可变差动变压器)，LVDT的铁芯与安装台2固定连接，感应线圈与基座4连接，可完成无接触测量。

如附图2所示，为位置恢复原理静平衡测量系统工作原理方框图。静平衡测量系统的工作原理及过程：

当回转部分5转至某一角度时，位置测量单元7利用LVDT采集由线性电磁铁驱动力矩和不平衡力矩共同作用下的安装台2位置变化量，并将输出的电信号提供给伺服控制单元9，该伺服控制单元9根据安装台2原位置与LVDT检测的实际位置的误差，运用控制算法，进而得出驱动信号驱动电磁铁输出反向倾覆力矩。当安装台2位置复原时，则输出当前力矩大小值用于矢量公式计算。

一种基于位置恢复原理的静平衡测量系统的测量方法，其特征在于包括步骤如下：

步骤A：被测试件6固定到安装台2上，使其回转轴与台面垂直，先保持试件位置不动，调整安装台面至水平位置；采用测量试件重量竖直方向施加在枢轴上，而静平衡测量方向为枢轴旋转方向，保证测量精度不随试件重量变化而变化；

步骤B：先将试件的框架5绕其回转轴转动一定角度，利用枢轴8支承试件的重量，当试件的质心1位置变化时将产生倾覆力矩，固定试件的安装台2将在倾覆力矩的作用下绕枢轴8倾斜，通过位置测量单元7检测到安装台2倾斜的位移量，由伺服控制单元9根据安装台2倾斜前后的位置变化量，通过控制算法得到驱动信号来控制力输出装置3产生与倾覆力矩大小相同、方向相反的恢复力矩，驱动安装台2重新恢复到初始位置，所说的恢复力矩大小等同于试件在枢轴垂直方向的质量矩；

步骤C：将试件绕其回转轴旋转到多个位置，反复测量该试件对应不同回转位置的质量矩，通过矢量公式计算，得到试件绕其回转轴的静平衡误差，用于静平衡修正。

如附图3所示，伺服控制单元工作流程图。伺服控制单元9驱动安装台2重新恢复到初始位置的实现过程：

实时采集位置测量单元7信号输出信息；

判断安装台2位置是否为原始位置，如果不为原始位置，则通过控制算法处理，将台面位置变化量转化为相应的驱动力矩信号，提供给力输出装置3，然后接续位置检测判断程序步骤。

如果为原始位置，则检测并输出当前力矩大小值用于矢量公式计算，然后结束位置检测判断程序。

如附图4所示，为位置恢复原理坐标系图。

上述步骤A、步骤B和步骤C，通过矢量公式计算得到试件绕其回转轴的静平衡误差的具体步骤如下：

首先，将试件回转部分5坐标系O₁X₁Y₁Z₁固联在被测回转部分上，Z₁轴与回转部分5回转轴重合，且与安装台面M垂直，测量系统坐标系O₀X₀Y₀Z₀固联在安装平面M上，Y₀轴与测量系统枢轴8平行，令初始状态下两坐标系重合；

被测试件回转部分5相对坐标系O₁X₁Y₁Z₁的质量矩定义为向量R(mx，my，mz)，其中m为被测试件回转部分5质量，x、y、z分别为被测回转部分5的质心1在坐标系O₁X₁Y₁Z₁中的坐标；

再将被测试件回转部分5转至α_i角位置时，R在坐标系O₀X₀Y₀Z₀中的质量矩向量R_i(mx_i，my_i，mz_i)为：

$R_i=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{mx}}_i\\ {\mathrm{my}}_i\\ {\mathrm{mz}}_i\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{c}_i& -s_i& 0\\ s_i& c_i& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{mx}\\ \mathrm{my}\\ \mathrm{mz}\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，c_i＝cosα_i、s_i＝sinα_i；

从上式得到：

mx_i＝mxc_i-mys_i    (2)

将被测试件回转部分转至3个不同角位置，可以得到如下方程组：

mx₁-mx₂＝mx(c₁-c₂)-my(s₁-s₂)

mx₁-mx₃＝mx(c₁-c₃)-my(s₁-s₃)    (3)

由上式可得：

$\mathrm{mx}=\frac{m(x_1-x_2)(s_1-s_3)-m(x_1-x_3)(s_1-s_2)}{(c_1-c_2)(s_1-s_3)-(c_1-c_3)(s_1-s_2)}$

$\mathrm{my}=\frac{m(x_1-x_2)(c_1-c_3)-m(x_1-x_3)(c_1-c_2)}{(c_1-c_2)(s_1-s_3)-(c_1-c_3)(s_1-s_2)}---\left(4\right)$

上式方程右端参数均为已知量，其中，mx_i为测量系统第i次实际测量所得到的质量矩，而方程左端的mx、my为质量矩向量在O₁X₁Y₁Z₁上的投影分量，即为试件绕其回转轴的静平衡误差。

根据上式，在被测回转部分5上增加大小与mx、my相同，方向相反的质量矩，就能够使被测回转部分质心1回到回转轴上，达到静平衡的目的。

Claims (5)

1.一种基于位置恢复原理的静平衡测系统，其特征在于它主要包含位置测量单元(7)、力输出装置(3)、枢轴(8)、伺服控制单元(9)、安装台(2)以及基座(4)，所说位置测量单元(7)与力输出装置分别安装于安装台(2)与基座(4)之间内，该位置测量单元(7)测量到的安装台(2)与基座(4)间的位置变化量信号送至伺服控制单元(9)的输入端，该信号经伺服控制单元(9)处理后输出的驱动力矩信号接至力输出装置(3)信号输入端，该力输出装置(3)输出反向倾覆力矩驱动安装台(2)恢复初始位置，所说枢轴(8)采用柔性铰链连接安装台和基座，保证安装台(2)与基座(4)间的无摩擦转动；

所述位置测量单元(7)采用LVDT，LVDT包括铁芯和感应线圈，该LVDT检测的位置变化量信号接至伺服控制单元(9)的输入端，可进行无接触测量，其中，LVDT为线性可变差动变压器。

2.按权利要求1所述的一种基于位置恢复原理的静平衡测系统，其特征在于所说力输出装置(3)采用线性电磁铁。

3.利用权利要求1所述的一种基于位置恢复原理的静平衡测量系统的测量方法，其特征在于测量试件包括步骤如下：

步骤A：被测试件(6)固定到安装台(2)上，使其回转轴与台面垂直，先保持试件位置不动，调整安装台面至水平位置；采用测量试件重量竖直方向施加在枢轴上，而静平衡测量方向为枢轴旋转方向，保证测量精度不随试件重量变化而变化；

步骤B：将试件的回转部分(5)绕其回转轴转动一定角度，利用枢轴(8)支承试件的重量，通过位置测量单元(7)检测到安装台(2)倾斜的位移量，由伺服控制单元(9)根据安装台(2)位置变化量，通过控制算法得到驱动信号来控制力输出装置(3)产生与倾覆力矩大小相同、方向相反的恢复力矩，驱动安装台(2)重新恢复到初始位置，所说的恢复力矩大小等同于试件在枢轴垂直方向的质量矩；

步骤C：将试件绕其回转轴旋转到多个位置，反复测量该试件对应不同回转位置的质量矩，通过矢量公式计算，得到试件绕其回转轴的静平衡误差，用于静平衡修正；

所述步骤C通过矢量公式计算得到试件绕其回转轴的静平衡误差的具体步骤如下：

首先，将被测试件的回转部分(5)坐标系O₁X₁Y₁Z₁固联在被测回转部分上，Z₁轴与回转部分回转轴重合，且与安装台平面M垂直，测量系统坐标系O₀X₀Y₀Z₀固联在安装台平面M上，Y₀轴与测量系统枢轴(8)平行，令初始状态下两坐标系重合；

被测试件回转部分(5)相对坐标系O₁X₁Y₁Z₁的质量矩定义为向量R(mx,my,mz)，其中m为被测试件回转部分(5)质量，x、y、z分别为被测回转部分(5)的质心(1)在坐标系O₁X₁Y₁Z₁中的坐标；

再将被测试件回转部分(5)转至α_i角位置，R在坐标系O₀X₀Y₀Z₀中的质量矩向量R_i(mx_i,my_i,mz_i)为：

$R_i=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{mx}}_i\\ {\mathrm{my}}_i\\ {\mathrm{mz}}_i\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{c}_i& -s_i& 0\\ s_i& c_i& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{mx}\\ \mathrm{my}\\ \mathrm{mz}\end{array}\right]$

其中，c_i＝cosα_i、s_i＝sinα_i；

然后，将被测试件回转部分(5)转至3个不同角位置，可以得到如下方程组：

$\mathrm{mx}=\frac{m(x_1-x_2)(s_1-s_3)-m(x_1-x_3)(s_1-s_2)}{(c_1-c_2)(s_1-s_3)-(c_1-c_3)(s_1-s_2)}$

$\mathrm{my}=\frac{m(x_1-x_2)(s_1-s_3)-m(x_1-x_3)(s_1-s_2)}{(c_1-c_2)(s_1-s_3)-(c_1-c_3)(s_1-s_2)}$

上式方程右端参数均为已知量，其中，mx_i为测量系统第i次实际测量所得到的质量矩，而方程左端的mx、my为质量矩向量在O₁X₁Y₁Z₁上的投影分量，即为试件绕其回转轴的静平衡误差。

4.按权利要求3所述的一种基于位置恢复原理的静平衡测量系统的测量方法，其特征在于伺服控制单元(9)驱动安装台(2)重新恢复到初始位置的过程：

实时采集位置测量单元(7)输出信息；

判断安装台(2)位置是否为原始位置，如果不为原始位置，则通过控制算法处理，将该台面位置变化量转化为相应的驱动力矩信号，提供给力输出装置(3)，由力输出装置(3)输出反向倾覆力矩，然后接续位置检测判断程序步骤。

5.按权利要求4所述的一种基于位置恢复原理的静平衡测量系统的测量方法，其特征在于如果为原始位置，则检测并输出当前力矩大小值。