CN104458125A

CN104458125A - 一种质心测量设备

Info

Publication number: CN104458125A
Application number: CN201410755406.0A
Authority: CN
Inventors: 李宝仁; 傅晓云; 杨钢; 杜经民; 李璇; 高磊; 高隆隆; 李罡
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2014-12-10
Filing date: 2014-12-10
Publication date: 2015-03-25

Abstract

本发明公开了一种质心测量设备，包括支撑座，支撑座包括下支座和上支座，所述下支座的顶端安装有多个称重传感器模块，上支座的顶端安装有径向调节机构，径向调节机构包括固定连接在上支座上的双向丝杆，双向丝杆上连接有用于驱动其旋转的驱动装置，双向丝杆上安装有左旋滚珠螺母和右旋滚珠螺母，左旋滚珠螺母和右旋滚珠螺母上分别固定连接有滑动板，每个滑动板上均安装有一个以上用于承接被测物体的支撑滚轮，所述支撑座上还安装有倾角仪、通信模块、定位座和角度测量装置。本发明结构简单、拆卸方便，大大降低了拆卸和重新组装的难度，测量也比较方便。

Description

一种质心测量设备

技术领域

本发明属于测控装置领域，更具体地，涉及一种质心测量设备。

背景技术

水下滑翔机是一种固定翼形、通过浮力引擎驱动的AUV。它能够在不装配传统动力推进装置的前提下，实现滑翔运动。该类型水下航行器具有造价低、能耗小、噪声低、投放回收方便和续航能力强等优点。因此，可以作为可长期部署的水下运载工具或者海洋监测平台，用于水下无线传感网络的布放和信息收集、海洋生物信息监测和特种战斗群的输送等场合。

水下滑翔机在水下航行时的姿态变化是通过调节其质心位置来实现的。下潜时，水下滑翔机的质心调节装置进行轴向调节，使质心前移，水下滑翔机的航行姿态呈“低头”状；上浮时，质心调节装置进行轴向调节，使质心后移，水下滑翔机的航行姿态呈“抬头”状；当水下滑翔机需要转向时，质心调节装置进行周向调节，使质心侧偏，水下滑翔机的航行姿态呈向一侧偏转状。

由此可见，质量特性参数，包括质量、质心等，是水下滑翔机自动控制及测试的重要参数，也是水下装备领域所关心的重要参数。对质量特性参数的精确测量，对水下滑翔机以及此类型的水下航行设备，在缩短其试验与调试周期、降低试验成本、提高控制精度等方面具有重要意义。

目前水下滑翔机质心测量技术方法有悬吊法、扭摆与平行移轴法、静力学平衡法，其中悬吊法结构简单、成本较低，但是操作麻烦、效率低、误差大，仅在对精度要求不高的情况下使用；扭摆与平行移轴法测量精度高、可测量的参数多且被测对象的外形无特殊要求，但其采用的机械结构复杂、对测量环境要求较高，一般在实验室环境中用于精度要求较高的测量，基于此种测量方法的设备一般结构复杂、体积较大，拆卸与重新安装花费时间较长，不便于携带；静力学平衡法测量精度高、结构较为简单，即可适用于实验室也可用于工业生产的某一环节，与扭摆与平行移轴法相比，可测得的质量特性参数较少且被测对象需为回转体外形，结合水下滑翔机自身特点以及其质心测量的需求，本发明基于静力学平衡法提供了一种质心测量装置。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种结构简单、拆卸方便、功耗低的质心测量设备，由此解决解决现有质心测量设备体积大、质量大、携带不方便、安装和调试过程复杂的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种质心测量设备，包括支撑座，所述支撑座包括下支座和上支座，所述下支座的顶端安装有多个称重传感器模块，该多个称重传感器模块共同承接上支座，所述上支座的顶端安装有径向调节机构，径向调节机构包括固定连接在上支座上的双向丝杆，双向丝杆上连接有用于驱动其旋转的驱动装置，所述双向丝杆上安装有左旋滚珠螺母和右旋滚珠螺母，左旋滚珠螺母和右旋滚珠螺母上分别固定连接有能在上支座上滑动的滑动板，每个滑动板上均安装有一个以上用于承接被测物体的支撑滚轮，所述支撑座上还安装有倾角仪、用于接收倾角仪信号的通信模块、用于限制被测物体沿垂直于双向丝杆轴向方向移动的定位座和用于测量被测物体转动角度的角度测量装置。

优选地，所述下支座包括下支撑板及安装在下支撑板底端的多个可调底脚。

优选地，所述上支座包括上支撑板及放置在上支撑板上的一根以上的导轨，所述滑动板通过导轨滑块连接在上支座的导轨。

优选地，所述称重传感器模块的数量为四个，该四个称重传感器呈长方形布置，所形成的长方形的一条边与支撑滚轮的轴线平行。

优选地，所述称重传感器模块的数量为三个，该三个称重传感器呈三角形布置，所形成的三角形的一条边与支撑滚轮的轴线平行。

优选地，所述角度测量装置包括安装在支撑座上的激光位移传感器及安装在其中一个滑动板上用于检测两个滑动板上支撑滚轮之间距离的拉绳位移传感器。

优选地，每块滑动板上安装的支撑滚轮的数量为两个，安装的四个支撑滚轮呈长方形布置，所述的拉绳位移传感器的轴线与其中一个支撑滚轮的轴线组成的平面为竖直平面。

优选地，所述定位座包括安装在支撑座上的连接杆及安装在连接杆上的基准竖板，所述基准竖板与双向丝杆的轴线平行。

优选地，所述称重传感器模块包括传感器安装架及安装在传感器安装架上的称重传感器，所述称重传感器为波纹管式称重传感器。

优选地，所述驱动装置为手轮或电机。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)结构简单、拆卸方便：整个装置的结构比较简单，大大降低了拆卸和重新组装的难度；

2)可测量不同直径的物体：径向调节机构的两个滑动板之间的距离可以调节，则支撑滚轮之间的距离也可以跟着被调节，以适应不同直径的被测物体；

3)简化了测量装置的调试过程，相对于传统的测量装置，本发明在重新组装后，不需要重新调整至水平状态，仅需调制可调底脚的高度使测量装置稳定即可；

4)本发明采用无线通讯，可远距离操控，操控起来非常方便。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中称重传感器模块的结构示意图；

图3是称重传感器模块中钢珠接触部分的结构示意图；

图4是角度测量装置测量被测物体旋转角度的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1～图3所示，一种质心测量设备，包括支撑座11，所述支撑座11包括下支座111和上支座112，所述下支座111的顶端安装有多个称重传感器模块6，该多个称重传感器模块6共同承接上支座112。称重传感器模块6为目前比较常用的称重装置，其包括传感器安装架60及安装在传感器安装架60上的称重传感器61，所述称重传感器61为波纹管式称重传感器。所述的传感器安装架60包括导向柱62、底板63、连接板64、弧形盖65、弧形支座66和钢珠67；称重传感器61与导向柱62均固定在底板63上，底板63与下支撑板2固定连接，连接板64通过其上的导向孔与导向柱62活动连接，弧形盖65通过连接板64上的定位孔安置在连接板64上，弧形支座66通过称重传感器61的定位孔安置于称重传感器61的受力端，钢珠67安置于弧形盖65与弧形支座66之间的空间内。

所述下支座111包括下支撑板2及安装在下支撑板2底端的多个可调底脚5。所述上支座112包括上支撑板1及放置在上支撑板1上的一根以上的导轨41。

所述上支座112的顶端安装有径向调节机构4，所述径向调节机构4包括固定连接在上支座112上的双向丝杆45，双向丝杆45上连接有用于驱动其旋转的驱动装置47，所述驱动装置47为手轮或电机，本发明优选手轮，这样可以节约设备成本。

所述双向丝杆45上安装有左旋滚珠螺母461和右旋滚珠螺母462。本发明中，所述的双向丝杆45的一部分为左旋螺纹，另有一部分为右旋螺纹，且螺距相等，左滚珠螺母461和右滚珠螺母462分别安装在双向丝杆45的两端，当双向丝杆45转动时，左滚珠螺母461和右滚珠螺母462可以对称运动，二者靠近或远离。

左旋滚珠螺母461和右旋滚珠螺母462上分别固定连接有能在上支座112上滑动的滑动板43，所述滑动板43通过导轨滑块42连接在上支座112的导轨41，滑动板43可以通过导轨滑块42在导轨41上滑动。

每个滑动板43上均安装有一个以上用于承接被测物体的支撑滚轮48，作为优选，支撑滚轮48的轴线与双向丝杆45的轴线垂直。所述支撑座11上还安装有倾角仪8、用于接收倾角仪8信号的通信模块、用于限制被测物体沿垂直于双向丝杆45轴向方向移动的定位座3和用于测量被测物体在支撑滚轮48上的转动角度的角度测量装置。优选地，所述定位座3包括安装在支撑座11上的连接杆30及安装在连接杆30上的基准竖板31，所述基准竖板31与双向丝杆45的轴线平行。被测物体放置在支撑滚轮48上以后，其一端抵住基准竖板31，以确定定位基准。

所述的连接杆30包括垂直连杆32和水平连杆33；基准竖板31固定安装在垂直连杆32上，垂直连杆32的下端面与水平连杆33固定连接，水平连杆33固定安装在下支撑板2的中间位置。

作为一种选择，所述称重传感器模块6的数量为四个，该四个称重传感器61呈长方形布置，所形成的长方形的一条边与支撑滚轮48的轴线平行。图1示出的称重传感器模块6的数量为四个。

作为另一种选择，所述称重传感器模块6的数量为三个，该三个称重传感器61呈三角形布置，所形成的三角形的一条边与支撑滚轮48的轴线平行。

布置四个或三个称重传感器模块6来称重，是目前比较常用的两种称重方法。

参照图4，作为一种选择，所述角度测量装置包括安装在支撑座11上的激光位移传感器9及安装在其中一个滑动板43上用于检测两个滑动板43上支撑滚轮48之间距离的拉绳位移传感器10。优选地，每块滑动板43上安装的支撑滚轮48的数量为两个，安装的四个支撑滚轮48呈长方形布置，所述的拉绳位移传感器10的轴线与其中一个支撑滚轮48的轴线组成的平面为竖直平面。被测物体的计算过程如下：

H = \sqrt{{(R + r)}^{2} - \frac{S^{2}}{4}}

θ = \arctan (\frac{L_{2} - H}{L}) - arc \tan (\frac{L_{1} - H}{L})

其中，H为滚轮中心线与被测物体(譬如水下滑翔机)中心线在竖直方向的距离，R为被测物体的半径，r为滚轮半径，S为两块滑板上的滚轮的中心线之间的距离，L₁为被测物体转动前激光位移传感器10测得的其到机翼的距离，L₂为被测物体转动后激光位移传感器10测得的其到机翼的距离，通过以上这些数据，则可以得到被测物体转动的角度θ。另外，S的值还可以用另外的方法得到，如通过在手轮上设置刻度，读取刻度的值来得出。

作为另一种选择，所述角度测量装置也可以选用倾角传感器；测量时，将倾角传感器固定在被测物体上，则可以得出被测物体转过的角度。

可调底脚5与下支撑板2固定连接，其位于下支撑板2的四角，对称分布呈长方形布置；4个称重传感器模块6位于上支撑板1与下支撑板2之间且分别位于上支撑板1与下支撑板2的四角，对称分布呈长方形布置。

所述的径向调节机构4包括导轨41、导轨滑块42、连接杆43、丝杠支架44、双向丝杆45、左滚珠螺母461、右滚珠螺母462、手轮、支撑滚轮48和滚轮支架49，导轨41的数量优选为三个；三个导轨41相互平行且固定安装在上支撑板1上，丝杠支架44固定安装在中间的导轨41的两端，双向丝杆45通过丝杠支架44上的安装孔安装于丝杠支架44上，手轮安装在双向丝杆45伸出丝杠支架44的一端，左滚珠螺母461和右滚珠螺母462分别与中间的导轨41上的导轨滑块42固定连接，滚轮支架49固定安装在左右两侧的导轨滑块42上，支撑滚轮48与滚轮支架49通过定位销连接；滑动板43包括四个连接板，该四个连接板分别将左右两侧的导轨滑块42与中间的导轨滑块42两两对应连接。

所述的通信模块包括无线通讯器72和信号变送器71，本发明优选称重传感器模块6的数量为四个，因此，信号变送器的数量也是四个。四个信号变送器71分别与四个称重传感器61电气连接，固定安装在下支撑板2上，4个信号变送器71通过RS485总线与无线通讯器72电气连接，无线通讯器72固定安装在下支撑板2上。

所述的激光位移传感器9通过T型螺钉安装在上支撑板1的侧面，拧松T型螺钉后，可通过T型槽滑动；所述的拉绳位移传感器10固定安装在滚轮支架49的侧面，将拉线的伸出端与另一滚轮支架49固定连接；所述的倾角仪8固定在装在下支撑板2上。

本发明中，所述的上支撑板1与下支撑板2均为铝合金型材，重量轻、强度高，具有等距安装沟槽，便于加装各种部件；与上支撑板1或下支撑板2相连接的装置都配装了T型螺母，便于安装和拆卸。

本发明中的倾角仪8用于测量整个装置相对于水平面的倾角；所述的激光位移传感器9用于间接测量被测量物体的旋转角度；所述的拉绳位移传感器10用于测量两个支撑滚轮48之间的距离；所述的可调底脚5螺纹连接在下支撑板2上，可手动调整支撑高度，在地面凹凸不平的情况下调节高度使测量设备稳定。

本发明的工作原理如下:

初始阶段，调节各可调底脚5的高度，使整个装置处于稳定状态。本发明并不需要将上支撑板2和下支撑板1调整到水平。

转动手轮，带动双向丝杆45旋转，由于双向丝杆45的两端均有螺纹，左旋滚珠螺母461和右旋滚珠螺母462根据双向丝杆45的旋向同时分开或靠近，带动中间的导轨滑块42运动，并通过连接杆43带动左右两侧的导轨滑块42运动，使支撑滚轮48的间距与被测物体(例如水下滑翔机)的外壳直径相匹配，以便于将被测物体放置在支撑滚轮48上，让多个支撑滚轮48来支撑被测物体，以便于被测物体在支撑滚轮48上的旋转。

系统开机且初始化，此时计算机通过无线通讯器72读取倾角仪8的数据，用于补偿由于地面不平而造成的测量偏差。

初始化完成后，将被测物体放置在支撑滚轮48上，其一端抵靠在基准竖板31上，调整激光位移传感器9的位置，使之位于被测物体的下方，计算机通过无线通讯器72读取四个称重传感器61、激光位移传感器9和拉绳位移传感器10的数据；被测物体在支撑滚轮48上转动一定角度后，计算机再次通过无线通讯器72读取四个称重传感器61和激光位移传感器9的数据，根据计算机内置的算法程序，计算出被测物体的质心位置。转动被测物体，可以用手转动，也可以在其中一个支撑滚轮48上连接电机，用电机带动支撑滚轮48转动，则被测物体也能跟着转动。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种质心测量设备，其特征在于：包括支撑座(11)，所述支撑座(11)包括下支座(111)和上支座(112)，所述下支座(111)的顶端安装有多个称重传感器模块(6)，该多个称重传感器模块(6)共同承接上支座(112)，所述上支座(112)的顶端安装有径向调节机构(4)，径向调节机构(4)包括固定连接在上支座(112)上的双向丝杆(45)，双向丝杆(45)上连接有用于驱动其旋转的驱动装置(47)，所述双向丝杆(45)上安装有左旋滚珠螺母(461)和右旋滚珠螺母(462)，左旋滚珠螺母(461)和右旋滚珠螺母(462)上分别固定连接有能在上支座(112)上滑动的滑动板(43)，每个滑动板(43)上均安装有一个以上用于承接被测物体的支撑滚轮(48)，所述支撑座(11)上还安装有倾角仪(8)、用于接收倾角仪(8)信号的通信模块、用于限制被测物体沿垂直于双向丝杆(45)轴向方向移动的定位座(3)和用于测量被测物体转动角度的角度测量装置。

2.根据权利要求1所述的一种质心测量设备，其特征在于：所述下支座(111)包括下支撑板(2)及安装在下支撑板(2)底端的多个可调底脚(5)。

3.根据权利要求1所述的一种质心测量设备，其特征在于：所述上支座(112)包括上支撑板(1)及放置在上支撑板(1)上的一根以上的导轨(41)，所述滑动板(43)通过导轨滑块(42)连接在上支座(112)的导轨(41)。

4.根据权利要求1所述的一种质心测量设备，其特征在于：所述称重传感器模块(6)的数量为四个，该四个称重传感器(61)呈长方形布置，所形成的长方形的一条边与支撑滚轮(48)的轴线平行。

5.根据权利要求1所述的一种质心测量设备，其特征在于：所述称重传感器模块(6)的数量为三个，该三个称重传感器(61)呈三角形布置，所形成的三角形的一条边与支撑滚轮(48)的轴线平行。

6.根据权利要求1所述的一种质心测量设备，其特征在于：所述角度测量装置包括安装在支撑座(11)上的激光位移传感器(9)及安装在其中一个滑动板(43)上用于检测两个滑动板(43)上支撑滚轮(48)之间距离的拉绳位移传感器(10)。

7.根据权利要求6所述的一种质心测量设备，其特征在于：每块滑动板(43)上安装的支撑滚轮(48)的数量为两个，安装的四个支撑滚轮(48)呈长方形布置，所述的拉绳位移传感器(10)的轴线与其中一个支撑滚轮(48)的轴线组成的平面为竖直平面。

8.根据权利要求1所述的一种质心测量设备，其特征在于：所述定位座(3)包括安装在支撑座(11)上的连接杆(30)及安装在连接杆上的基准竖板(31)，所述基准竖板(31)与双向丝杆(45)的轴线平行。

9.根据权利要求1所述的一种质心测量设备，其特征在于：所述称重传感器模块(6)包括传感器安装架(60)及安装在传感器安装架(60)上的称重传感器(61)，所述称重传感器(61)为波纹管式称重传感器。

10.根据权利要求1所述的一种质心测量设备，其特征在于：所述驱动装置(47)为手轮或电机。