CN103900643A - 基于上下镜像安装称重传感器的在线全冗余质量质心测量装置 - Google Patents

基于上下镜像安装称重传感器的在线全冗余质量质心测量装置 Download PDF

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乔永强
孙志杨
卢志辉
薄悦
陈超
张磊乐
游广飞
武艺泳
杨洪涛
郑国良
刘珉
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Abstract

一种基于上下镜像安装称重传感器的在线全冗余质量质心测量装置，包括秤盘、环绕秤盘结构相同的称量单元、两套相互独立的称重传感器信号采集电路及数据处理显示系统；所述称量单元包括适用于上下镜像定位和安装的一对称重传感器、支座、固定支座的底座和支座高度调节块；所述一对称重传感器中的上称重传感器安装在秤盘上，所述一对称重传感器中的下称重传感器安装在支座上，所述秤盘和支座上均设有用于安装上、下称重传感器的基准销和定位销孔，所述称重传感器之间通过承力耦合部件以线或面密切接触的方式耦合在一起，所述承力耦合部件被称重传感器的测力部位或测力部位过渡连接部件约束在较稳定的位置和状态。

Description

基于上下镜像安装称重传感器的在线全冗余质量质心测量装置
技术领域
本发明涉及一种基于上下镜像安装称重传感器的在线全冗余质量质心测量装置。
背景技术
质量质心测量装置多应用于各种兵器类飞行器、空间飞行器、火箭以及火箭部段等的质量和质心参数的测量，其中某些应用因其重要性和过程的复杂性，对质量质心测量装置提出了保证高可靠性的在线全冗余要求。比如，卫星和火箭装配过程中的质量和质心参数测试，此类测试按照装配工序分为多个阶段进行，不但测量间隔周期较长而且难以对以往过程进行还原检查，故对质量质心测量装置的可靠性有着极高的要求。
通常一台质量质心测量装置的组成结构主要包括一套秤盘、若干个由称重传感器和支撑机构组成的称量单元、一套信号采集和数据处理显示系统，秤盘及其下方的称量单元按一定尺寸的结构分布，通过其中的称重传感器可检测出秤盘上的被测对象在秤盘上产生的重力分布信号，将该信号进行采集、转换和数据处理便可获得被测对象的质量和质心参数。若要实现质量质心测量装置的在线全冗余，就需要在一台质量质心测量装置上实现两套完整且独立的称量单元和测量系统，对于上述结构的质量质心测量装置，由于信号采集和数据处理显示系统与称量机构之间的关系相对独立，故冗余较容易实现且结构也较为简单，而称量单元由于称重传感器和秤盘及支撑机构之间联系密切，且有一定精度的分布尺寸和结构要求，故其冗余模式则因称重传感器安装方式的不同可以有多种选择，不同的冗余模式在装置结构的复杂性、对测量精度的影响、系统的整体可靠性、使用操作的方便性以及测量数据处理软件的复杂性等方面有着较大的差异。
发明内容
本发明提出一种基于上下镜像安装称重传感器的在线全冗余质量质心测量装置。
本发明主要设计思路是：实现质量质心测量装置在线全冗余的核心在于称量单元的冗余，其关键是解决称重传感器器的冗余问题，通过采用适用于上下镜像定位和安装的称重传感器可解决称重传感器的冗余，即在不改变称量单元数量的前提下，在每个称量单元上安装一对按上、下方位布置的称重传感器，下方称重传感器按照通常模式来安装，其测力作用端向上；上方称重传感器倒置安装在秤盘上，其测力作用端向下，采用承力耦合部件使上、下称重传感器的测力作用端通过一个作用点同时承力，根据牛顿第三定律，若不考虑承力耦合部件本身的重量，则从上下称重传感器上可同时获得同样大小的力值信号，从而实现了称量单元的冗余。
本发明的目的可采用下述技术措施来实现：
本发明包括秤盘、环绕秤盘周边设置的若干个组成结构相同的称量单元、基座（或地基）、两套相互独立的称重传感器信号采集电路及数据处理显示系统；所述称量单元包括适用于上下镜像定位和安装的一对称重传感器、支座、固定支座的底座和支座高度调节块；所述一对称重传感器中的上称重传感器安装在秤盘上，所述一对称重传感器中的下称重传感器安装在支座上，所述秤盘和支座上均设有用于安装上、下称重传感器的基准销和定位销孔，所述称重传感器之间通过承力耦合部件以线或面密切接触的方式耦合在一起，所述承力耦合部件被称重传感器的测力部位或测力部位过渡连接部件约束在较稳定的位置和状态，所述高度调节块位于底座和基座之间，并在需要时可通过二者之间的固定螺栓将其约束和固定。
本发明中所述支座与底座为一体式结构件；所述承力耦合部件与上、下称重传感器测力部位呈对称、均匀和稳定的线或面接触状态；所述上称重传感器与信号采集电路Ⅰ和数据处理显示系统Ⅰ构成一套独立的测量系统，所述下称重传感器与信号采集电路Ⅱ和数据处理显示系统Ⅱ构成另一套独立的测量系统，所述两套测量系统可同时对某一对象进行质量和质心参数测量，并互为冗余且无需区分主、备部分。
更具体讲：本发明中的称重传感器的外形为圆柱形，其测力端加工有用于放置球形承力耦合部件的圆柱孔或球窝，另一端设置有与测力部位圆柱孔或球窝同轴的定位孔；秤盘框架的底部按称量单元分布尺寸要求加工有若干用于称重传感器倒置安装的凹槽，所有凹槽的底面在同一基准线上，凹槽底部有用于称重传感器精确定位的基准销孔，凹槽外侧有对称于基准销孔的两个定位销孔，每个支座上端面也加工有和秤盘上尺寸对应的凹槽、基准销孔和定位销孔，支座上的定位销孔的上半部为直孔段、下半部为锥孔段；支座底部用于和底座连接的螺钉孔径具有一定的裕度，便于支座固定位置的小范围调整，底座根据秤体结构和尺寸设计为一体结构或若干个对应于支座的分体结构；底座下方的高度调节块用于秤盘水平度的调节，高度调节块根据底座结构可以是固定垫块也可以是高度任意调节的地脚；所有安装在秤盘上的称重传感器的输出信号通过一套多通道数据采集电路或仪表转换为数字信号传送到计算机系统；安装在支座上的所有称重传感器的输出信号通过另一套多通道数据采集电路或仪表转换为数字信号传送到另一套计算机系统。
本发明的秤盘具有一定的刚度要求，使固结在其下方的若干个称重传感器之间具有相对稳定的位置关系，秤盘和支座上的称重传感器定位基准销孔和定位销孔，保证了装置在整体安装时上、下称重传感器的精确镜像对应关系；称重传感器测力部位的圆柱孔或球窝形面和表面光滑的球形承力耦合部件，保证了承力耦合部件与上下传感器之间的密切贴合、对秤盘支撑的稳定性及支撑点侧向力的消除；两套测量电路分别通过秤盘和支座上的称重传感器同时获取被测对象在秤盘上产生的重力分布信号，经数据处理计算获得两套独立的质量和质心参数，实现了系统的在线全冗余功能。
本发明的有益效果如下：
在不改变称量单元数量的前提下实现了称重传感器的冗余，使得整体装置机械结构较为简单；无主、备称重传感器的机构切换问题，避免了因冗余切换带来的系统误差和烦冗的操作过程；可实现主、备系统的同时、同步、同温度环境标校和校验，试验操作及维护简单方便；两套测量系统的软、硬件完全相同，设计简单、无任何电气关联、互为冗余且无需区分主、备部分；两套系统测量数据可同步相互验证，大大提高了系统的可靠性和试验结果的可信度。
附图说明
图1为本发明整体结构原理示意图。
图2为本发明称量单元（B1）结构示意图。
图3为三组称量单元（B1，B2，B3）的一种布置结构示例俯视图。
图4为三组称量单元（B1，B2，B3）的第二种布置结构示例俯视图。
图5为四组称量单元（B1，B2，B3 、B4）的布置结构示例俯视图。
具体实施方式
本发明以下将结合实施例（附图）作进一步描述：
如图1、图2所示，本发明的基于上下镜像安装称重传感器的在线全冗余质量质心测量装置包括秤盘A、环绕秤盘周边设置的三个组成结构相同的称量单元B1、B2、B3、基座C、两套相互独立的称重传感器信号采集电路及数据处理显示系统。
以下以称量单元B1为例再进一步描述：所述称量单元包括适用于上下镜像定位和安装的一对称重传感器B1.1、B1.2、支座B1.3、固定支座的底座B1.4和支座高度调节块B1.5；所述一对称重传感器中的上称重传感器B1.1安装在秤盘A上，所述一对称重传感器中的下称重传感器B1.2安装在支座B1.3上，所述秤盘A和支座B1.3上均设有用于安装上、下称重传感器B1.1、B1.2的基准销B1.6、B1.7和定位销孔B1.9、B1.10、B1.11、B1.12，所述称重传感器B1.1、B1.2之间通过承力耦合部件B1.8以线或面密切接触的方式耦合在一起，所述承力耦合部件B1.8被称重传感器B1.1、B1.2的测力部位或测力部位过渡连接部件约束在较稳定的位置和状态，所述高度调节块B1.5位于底座B1.4和基座C之间，并在需要时可通过二者之间的固定螺栓将其约束和固定。
本发明中所述承力耦合部件B1.8与上、下称重传感器B1.1、B1.2测力部位呈对称、均匀和稳定的线或面接触状态。具体说：上、下称重传感器B1.1、B1.2的外形为圆柱形，其测力端加工有用于放置球形承力耦合部件的圆柱孔或球窝，另一端设置有与测力部位圆柱孔或球窝同轴的定位孔。
本发明中所述上称重传感器B1.1、B2.1、B3.1与信号采集电路ⅠD和数据处理显示系统ⅠE构成一套独立的测量系统，所述下称重传感器B1.2、B2.2、B3.2与信号采集电路ⅡF和数据处理显示系统ⅡG构成另一套独立的测量系统，所述两套测量系统可同时对某一对象进行质量和质心参数测量，并互为冗余且无需区分主、备部分（参见图1）。
更具体描述如下：在所述秤盘框架的底部按称量单元分布尺寸要求加工有三个（参见图3或图4）或四个（参见图5）用于称重传感器倒置安装的凹槽，所有凹槽的底面在同一基准线上，凹槽底部有用于称重传感器（B1.1）精确定位的基准销（B1.6），凹槽外侧有对称于基准销（B1.6）的两个定位销孔（B1.9，B1.10），每个支座（B1.3）上端面也加工有和秤盘（A）上尺寸对应的凹槽、基准销（B1.7）和定位销孔（B1.11，B1.12），支座（B1.3）上的定位销孔（B1.11，B1.12）的上半部为直孔段、下半部为锥孔段；支座（B1.3）底部用于和底座（B1.4）连接的螺钉孔径具有一定的裕度，便于支座（B1.3）固定位置的小范围调整，底座（B1.4）根据秤体结构和尺寸设计为一体结构或若干个对应于支座（B1.3）的分体结构；底座（B1.4）下方的高度调节块（B1.5）用于秤盘水平度的调节，高度调节块（B1.5）根据底座（C）结构可以是固定垫块也可以是高度任意调节的地脚。

Claims (7)

1.一种基于上下镜像安装称重传感器的在线全冗余质量质心测量装置，其特征在于：它包括秤盘、环绕秤盘周边设置的若干个组成结构相同的称量单元、基座、两套相互独立的称重传感器信号采集电路；所述称量单元包括适用于上下镜像定位和安装的一对称重传感器、支座、固定支座的底座和支座高度调节块；所述一对称重传感器中的上称重传感器安装在秤盘上，所述一对称重传感器中的下称重传感器安装在支座上，所述秤盘和支座上均设有用于安装上、下称重传感器的基准销和定位销孔，所述称重传感器之间通过承力耦合部件以线或面密切接触的方式耦合在一起，所述承力耦合部件被称重传感器的测力部位或测力部位过渡连接部件约束在较稳定的位置和状态，所述高度调节块位于底座和基座之间，并在需要时可通过二者之间的固定螺栓将其约束和固定。
2.根据权利要求1所述的基于上下镜像安装称重传感器的在线全冗余质量质心测量装置，其特征在于：所述支座与底座为一体式结构件。
3.根据权利要求1所述的基于上下镜像安装称重传感器的在线全冗余质量质心测量装置，其特征在于：所述承力耦合部件与上、下称重传感器测力部位呈对称、均匀和稳定的线或面接触状态。
4.根据权利要求1所述的基于上下镜像安装称重传感器的在线全冗余质量质心测量装置，其特征在于：所述上称重传感器与信号采集电路Ⅰ构成一套独立的测量系统，所述下称重传感器与信号采集电路Ⅱ构成另一套独立的测量系统，所述两套测量系统可同时对某一对象进行质量和质心参数测量，并互为冗余且无需区分主、备部分。
5.根据权利要求1所述的基于上下镜像安装称重传感器的在线全冗余质量质心测量装置，其特征在于：称重传感器的外形为圆柱形，其测力端加工有用于放置球形承力耦合部件的圆柱孔或球窝，另一端设置有与测力部位圆柱孔或球窝同轴的定位孔。
6.根据权利要求1所述的基于上下镜像安装称重传感器的在线全冗余质量质心测量装置，其特征在于：在所述秤盘框架的底部按称量单元分布尺寸要求加工有若干用于称重传感器倒置安装的凹槽，所有凹槽的底面在同一基准线上，凹槽底部有用于称重传感器精确定位的基准销孔，凹槽外侧有对称于基准销孔的两个定位销孔；在每个支座上端面加工有和秤盘上尺寸对应的凹槽、基准销孔和定位销孔，支座上的定位销孔的上半部为直孔段、下半部为锥孔段；支座底部用于和底座连接的螺钉孔径具有一定的裕度，便于支座固定位置的小范围调整。
7.根据权利要求1所述的基于上下镜像安装称重传感器的在线全冗余质量质心测量装置，其特征在于：所述底座下方的高度调节块用于秤盘水平度的调节，高度调节块根据底座结构可以是固定垫块也可以是高度任意调节的地脚。
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