CN105953979A - 一种获取不平衡量砝码质心位置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种确定不平衡量砝码质心位置的方法，能找到砝码的质心相对于几何参考基准的位置。砝码为轴对称。在用于安装砝码的工装的平面上设置有用于安装砝码的配合件，砝码以其轴线方向与配合件的轴线平行的方式安装在配合件上；测量两者连接后的第一不平衡量；使砝码相对于工装围绕砝码的轴线旋转180度；测量两者的第二不平衡量；对测量得到的砝码的不平衡量进行调整，使其大小等于砝码的质量与其理论质心离工装的回转轴线距离的乘积，方向为从与工装的回转轴线垂直的平面与工装的回转轴线的交点，指向该平面与砝码的轴线的交点；通过矢量运算，得到砝码质心偏离砝码轴线不平衡量，除以砝码的质量，得到砝码的质心偏离其轴线的距离和角度。

Description

一种获取不平衡量砝码质心位置的方法

技术领域

本发明涉及一种获取不平衡量砝码质心位置的方法。

背景技术

标定和检查平衡机，需要不平衡量砝码。现有技术中制作的不平衡量砝码，是假定砝码的材料是均质的，其质心位于以砝码的几何外形为基准计算出的质心点(理论质心点或几何中心)上。但实际上，砝码的质量分布并不一定均匀，因此其质心并一定位于以其外形为基准而计算出的理论质心点上。如果砝码的质量分布不均匀，则砝码的质心位置未知，尽管砝码的质量是准确的，但其产生的不平衡量的大小、方向及所作用的平面，都是未知的。比如，对于圆柱形砝码来说，其质心可能会偏离砝码的对称轴线和垂直于该轴线的中心平面。

因此，需要发明一种方法，克服现有技术的问题，找到砝码的准确的质心位置，使其产生的不平衡量准确可知，以实现不平衡量的溯源。另外，需要发明一种方法以解决平衡机的准确标定。

发明内容

鉴于上述技术问题，本发明的目的是提供一种获取不平衡量砝码质心位置的方法，即使砝码的质量分布不均匀，也能找到砝码的质心相对于几何参考基准的位置，如质心偏离砝码中心轴线的距离和角度。另外，本发明的目的还在于，能获得砝码的质心偏离砝码轴向方向上中心平面的距离。得到了砝码质心的准确位置，砝码产生的不平衡量准确可知，并可以溯源。

本发明的技术方案1提供一种确定不平衡量砝码质心位置的方法，所述砝码为轴对称结构，在用于安装所述砝码的工装的端面上设置有用于安装所述砝码的配合件，其中，所述砝码以其轴线方向与所述工装回转轴线平行的方式安装在所述配合件上；测量带所述砝码的所述工装的第一不平衡量；使所述砝码相对于所述工装围绕所述砝码的轴线旋转180度；再次测量带所述砝码的所述工装的第二不平衡量；对测量得到的所述砝码的不平衡量进行调整，使其大小等于砝码的质量与砝码的理论质心离所述工装的回转轴线距离的乘积，方向为从与所述工装的回转轴线垂直的平面与所述工装的回转轴线的交点，指向该平面与所述砝码的轴线的交点；通过矢量运算，得到所述砝码的质心偏离砝码轴线的不平衡量，除以所述砝码的质量，得到所述砝码偏离其轴线的距离和角度。

通过采用上述方法，能确定砝码质心偏离砝码中心轴线的距离和角度。获取不平衡量砝码质心位置。

本发明技术方案2中，优选所述配合件为光孔，所述砝码插入所述光孔中。

光孔易于加工，工艺简单。

本发明技术方案3还提供一种确定不平衡量砝码质心位置的方法，所述砝码为轴对称结构，具有垂直于所述砝码的轴线的两个平面，且在所述平面上沿所述轴线设置有固定件；在工装的外圆周上设置有与所述固定件连接的固定部，其中，使所述固定件与所述固定部连接，测量带所述砝码的所述工装的名义不平衡量；将所述砝码从所述工装上取下，在保持上述位置角度的情况下，180度调换所述砝码的轴线方向后再加装到所述工装上，再次测量带所述砝码的所述工装的不平衡量；对测量得到的所述砝码的不平衡量进行调整，使调整后不平衡量，大小等于砝码的质量与砝码的理论质心离所述工装的回转轴线距离的乘积，其方向为从垂直所述工装的回转轴线且通过砝码质心的平面与所述工装的回转轴线的交点，沿与所述砝码的轴线方向平行的方向指向所述砝码；通过矢量运算，得到所述砝码的质心因偏离中间平面所产生的不平衡量，除以所述砝码的质量，得到所述砝码偏离所述砝码的中间平面的距离。

通过采用上述方法，能确定砝码质心在砝码轴向方向上偏离中间平面的距离，获取不平衡量砝码质心位置。

本发明技术方案4中，优选所述固定件为螺柱，所述固定部为螺纹孔。

螺纹连接便于将砝码固定在工装外圆上。

本发明技术方案5还提供一种平衡机标定方法，其用通过上述方法制作的砝码对平衡机进行标定。

通过上述平衡机标定方法，能获得标定准确的平衡机。

另外，本发明技术方案6提供另一种确定不平衡量砝码质心位置的方法,其中，用技术方案5的方法对平衡机进行标定；砝码在其一端沿其轴线设置有固定件，在工装的外圆周上设置有与所述固定件连接的固定部，使所述固定件与所述固定部连接；测量所述砝码的不平衡量；所述砝码的质心因偏离所述砝码的理论质心点而产生的不平衡量为，测量得到的所述砝码的不平衡量减去所述砝码的质心在理论质心点上时所述砝码不平衡量的差值；用上述差值除以所述砝码的质量，得到所述砝码的质心偏离所述砝码的理论质心点的距离。

本方案用平衡机直接测量砝码的不平衡量，即可以通过计算得到砝码的质心位置；用本方案获取的砝码的质心位置，其精度低于方案1至方案4所获取的砝码的质心位置，但方法简单适用。

本发明技术方案7提供另一种确定不平衡量砝码质心位置的方法,其中，用技术方案5的方法对平衡机进行标定；所述砝码连接在工装的端面上设置的配合件上，使砝码的对称轴线与工装的回转轴线平行；测量所述砝码的不平衡量；所述砝码的质心因偏离所述砝码的理论质心点而产生的不平衡量为，测量得到的所述砝码的不平衡量减去所述砝码的质心在理论质心点上时所述砝码产生的不平衡量的差值；用上述差值除以所述砝码的质量，得到所述砝码的质心偏离所述砝码的理论质心点的距离和角度。

本方案用平衡机直接测量砝码的不平衡量，即可以通过计算得到砝码的质心位置；用本方案获取的砝码的质心位置，其精度低于方案1至方案4所获取的砝码的质心位置，但方法简单适用。

本发明技术方案8提供一种平衡机标定方法，其中,用根据技术方案6或7的方法制作的砝码对平衡机进行标定。

通过上述平衡机标定方法，能获得标定准确的平衡机。

本发明技术方案9提供一种砝码，其通过使用技术方案1-4、6-7中任意一项的方法进行制作。

这样，能获得一种具有准确的质心偏离所述砝码的理论质心点的距离和角度的砝码。

附图说明

图1所示为砝码，其中(a)为砝码的主视图，(b)为砝码的俯视图。

图2为砝码加装在工装上的示意图，其中(a)为表示砝码加装在工装的外圆上的示意图，(b)为表示砝码加装在工装的端面上的示意图。

图3为砝码加装在工装上的示意图，砝码质心偏离砝码的中心对称轴线，其中(a)为主视图，(b)为侧视图。

图4为不平衡量矢量解算图，其中(a)表示调整前的砝码的不平衡量，(b)表示调整后的砝码的不平衡量。

图5为表示砝码质心偏离中心轴线的距离和角度示意图。

图6为砝码加装在工装外圆上的示意图，其中(a)为主视图，(b)为侧视图。

图7为不平衡量矢量解算图，其中(a)表示调整前的砝码的不平衡量，(b)表示调整后的砝码的不平衡量。

图8为测量砝码不平衡量的示意图，其中(a)为主视图，(b)为侧视图。

图9为不平衡量矢量解算图。

具体实施方式

下面，参照附图举例说明本发明的实施方式。为了便于说明，下述步骤基本上是按实施顺序排列的，如下步骤的顺序并不是唯一的。而且下述步骤只为举例说明，并不都是必须的，只要能够实施本实施方式即可。下面实施方案中给出的砝码的形状也只是一种例子。本实施方式并不用于限定本发明的保护范围。

在附图中，在涉及矢量说明时，为了说明上的方便，人为设定了坐标系，并标注了0、90、180、270等角度。

A.制作如图1所示的质量砝码(下面简称砝码)W，其质量为m。图1中，砝码W的中部为圆柱形，其具有中心对称轴线N-N，砝码W的轴向两端均加工有螺柱，螺柱的中心对称轴线也为N-N。砝码W中间的圆柱部分的两端各有垂直于中心对称轴线N-N的一个平面，分别为第一平面P1(平面)和第二平面P2(平面)。与第一平面P1和第二平面P2平行且位置位于该两个平面中间位置的平面为P3。P3距离第一平面P1和第二平面P2的距离均为r2。P3面与砝码对称轴线N-N的交点为C，C点也是砝码几何中心点(理论质心点)。砝码W的质心M离中间平面P3的距离为r3。在砝码W的第一平面P1和第二平面P2上，刻有角度标识。

测量砝码W的不平衡量时，将不平衡量砝码加装在工装(例如转子)上有两种方式。一种是加装在工装的外圆上，如图2中(a)所示；另一种是加装在工装的端面上，如图2中(b)所示。

在图2的(a)中，在工装的外圆上设置有用于与砝码W的螺柱螺纹配合的螺纹孔H1，在图2的(b)中，在工装的端面上设置有用于与砝码W的螺柱螺纹配合的螺纹孔H2。将砝码W的螺柱旋入螺纹孔中，用平衡机支承工装的轴颈S1和S2，测量带砝码的工装的不平衡量。

B.图3中(a)和(b)所示工装与图2中(b)所示工装类似，用此工装测量砝码W的不平衡量，不同之处是安装孔是光孔而不是螺纹孔。光孔H3的中心线与工装的轴线平行，内径与砝码两端螺柱的外圆直径相同，该光孔H3的中心线与工装的轴线的距离为r5。光孔H3可在任何角度加工，为了方便说明，本实施案例中将光孔H3设置在工装的0度位置。砝码W在轴向方向其质心M偏离了砝码W的中间平面P3的距离r3未知，但因测量不平衡量时只是单面测量静不平衡量，因此距离r3未知不影响下面所述获取砝码质心M偏离其中心对称轴线N-N的距离和角度。

平衡机的工装本身会有不平衡量，在测量砝码W的不平衡量之前，采用平衡机的测量系统的补偿功能，将工装的不平衡量置零。

将砝码W以0度标识向上12点(竖直向上)的姿态，插入图3所示工装上的光孔H3中，并使砝码的中间圆柱的一个端面与工装接触，测量带砝码W的工装的不平衡量U11；转动砝码将砝码围绕其轴线将其相对于第一次安装姿态回转180度，然后进行第二次测量，第二次得到带砝码W的工装的不平衡量U12。将不平衡量U11和U12标注到直角坐标中，如图4中(a)所示。

在进行不平衡量测量时，为了提高测量准确性，可以在每一步进行多次测量，以多次测量的平均值记为不平衡量测量值。

U11和U12的矢量和为以U11和U12为两邻边的平行四边形的对角线，U11和U12的矢量和的一半即为所述平行四边形对角线的一半，记为U1m,如图4中(a)所示。由于测量U11和U12时，砝码相对于对称中心线的对称关系，U11和U12矢量和的一半U1m应该等于m×r5，即砝码的质量与砝码的理论质心离工装回转轴线距离的乘积，方向为从与工装的回转轴线垂直的平面与工装回转轴线的交点，指向该平面与砝码的对称中心线的交点。

平衡机是用不平衡量砝码标定的。从计量溯源的角度，在砝码的质心未确定前，平衡机的标定并不能认定是准确的。因此，如果没有形成上述关系，说明平衡机的标定不准确，测量所得到的U11和U12不是准确量，需要对所测量的不平衡量U11和U12进行调整，调整到上述关系。将调整后的U11和U12分别记作U11r和U12r,U11r和U12r矢量和的一半记为U1mr，其等于m×r5,如图4中(b)所示。

砝码W的质心M相对于中心对称轴线N-N所产生的不平衡量Umr为，不平衡量U11r与不平衡量U1mr的矢量差(U12r与不平衡量U1mr的矢量差的大小等于矢量Umr的大小,但方向与矢量Umr相差180度)。

将不平衡量Umr除以砝码W的质量m，得到砝码的质心M偏离中心轴线的距离r4；质心M偏离中心对称轴线N-N的角度为不平衡量Umr的方向，记为角度β，如图5所示。

C.按如下步骤，能够进一步获取砝码W的质心M偏离中间平面P3的距离r3。

C1.图6所示的工装外圆上加装有砝码W，砝码W及安装方式与图2的(a)相同，在此省略说明。工装的外圆半径为r1。工装的外圆上的螺纹孔可在任何角度加工，为了方便说明，本实施例中的螺纹孔H1设置在工装的0度位置上。

平衡机的工装本身会有不平衡量，同样，在测量砝码的不平衡量之前，采用平衡机的测量系统的补偿功能，将工装的不平衡量置零。

将砝码W通过设置在其端部的螺柱拧装到工装外圆上的螺纹孔H1中，以第一平面P1与工装的外圆接触，且使砝码W的质心M偏离中心对称轴线N-N距离r4的方向为与工装的回转轴线平行的方向，即，工装的回转轴线、砝码W的中心对称轴线N-N、砝码W的质心M位于同一个平面上。如图6中(a)和(b)所示。如果不能同时满足这两个要求，则优先保证砝码W的质心M偏离中心对称轴线N-N距离r4的方向与工装的回转轴线平行这一要求，此时距离r1应取第一平面P1与工装回转轴线的距离(稍大于工装的半径)。

将带有砝码W的工装放到平衡机上，测量不平衡量，记为U21；将砝码W从工装上取下，以第二平面P2与工装的外圆接触的方式拧装到工装外圆上，并且保持砝码W的端面上的角度标识与上述测量不平衡量U21时位置一致。同理，在不能同时满足这两个要求的情况下，优先保证砝码W的质心M偏离中心对称轴线N-N距离r4的方向与工装的回转轴线平行这一要求，此时距离r1应取第二平面P2与工装回转轴线的距离(稍大于工装的半径)。且第二平面P2离工装回转轴线的距离与测量不平衡量U21时第一平面P1与回转轴线的距离一致，为了达到此要求，砝码两端的螺柱应制作成完全对称的结构。再次测量带有砝码W的工装的不平衡量U22，记作U22。

将不平衡量U21和U22标注到直角坐标中，如图7中(a)所示。

由于测量不平衡量U21和U22矢量时，砝码相对于其中间平面P3的对称关系，U21和U22的矢量和的一半U2m，其大小应等于m×(r1+r2)，即砝码的质量与砝码的理论质心离工装回转轴线距离的乘积，其方向为垂直工装的回转轴线且通过砝码质心的平面与工装的回转轴线的交点，指向砝码的质心，即图7中(b)中的0度方向。如果上述关系不成立，说明平衡机的标定不准确，测量所得的不平衡量U21和U22也不准确。需要对所测量的不平衡量U21和U22进行调整，调整到上述关系。

不平衡量U21、U22调整后的矢量分别记作U21r、U22r，如图7中(b)所示，U2mr为U21r和U22r矢量和的一半，即等于m×(r1+r2)。

U21r与U2mr的矢量差为砝码的质心偏离中间对称平面P3所产生的不平衡量，记为Ums(U22r与U2mr的矢量差的大小也等于矢量Ums的大小,但方向与Ums相差180度)；则砝码的质心偏离中间对称平面P3的距离r3则为Ums/m。

通过上述步骤B和步骤C1，获取了砝码W的准确质心位置。

砝码的质量的单位为千克(kg)，将砝码加装到工装外径上时，其质心离工装回转轴线的距离为米(m)，角度单位为度(可转换为Rad)，砝码W所产生的不平衡量的大小和角度，与国际单位制基本单位(质量kg和长度m)及国际单位制辅助单位(平面角弧度rad)关联起来，砝码所产生的不平衡量实现了溯源。

上述测量得到的不平衡量的大小和方向在调整前，只是一个相对量，因此测量上述不平衡量时，也可以不用平衡机，而用其它的测振仪器，只要能测量得到信号的大小和方向，并且测量仪器有一定的重复精度及线性度即可。

C2.在实际应用中,对于加装在转子外圆上的砝码,其质心偏离回转轴线的距离可以忽略,只是考虑砝码的质心M偏离平面P3距离。对于这种情况，不必进行上述B步骤的操作，直接进行C1步骤即可，且不必要求砝码W的质心M偏离中心对称轴线N-N距离r4的方向为与工装的回转轴线平行的方向。

这样，就获得了砝码的质心M偏离中间平面的位置。

D.另外，可以按上述B中的方式测量和计算得到的不平衡量Umr,对砝码的质心偏心进行校正，直到砝码的不平衡量Umr的值或者质心偏离砝码中心轴线的距离r4的值小于设定值，或接近于零。

E.另外，可以按上述C1和C2中的方法测量和计算得到的不平衡量Ums,对砝码的质心偏离中间平面P3的距离r3进行校正，直到砝码的不平衡量Ums的值或者质心偏离砝码中间平面的距离r3的值小于设定值，或接近于零。

F.可以用上述方法得到的质心准确的砝码，对平衡机进行标定，从而使平衡机测量准确，不平衡量测量值可以溯源。

G.平衡机标定准确后，可以用平衡机直接测量砝码得到的不平衡量，计算获取砝码的质心。图8为测量加装在转子外圆上的砝码的质心位置的示意图。图中砝码的质量为m,砝码的结构为轴对称，但中间部位有两段直径不同的圆柱体，砝码的质心为M。C点是砝码的理论质心点或是几何质心点，即假设砝码是完全均质的情况下，砝码的质心位置，C点是唯一并可以计算得到的。

为了方便说明，在测量砝码的不平衡量之前，采用平衡机的测量系统的补偿功能，将工装的不平衡量置零。将砝码按如图8所示的姿态加装到工装上，测量得到砝码产生的不平衡量为U3；砝码的质心在理论质心点C时，砝码产生的不平衡量为U3m,U3m＝m×(r1+r2)。砝码质心M偏离砝码理论质心点C而产生的不平衡量为U3ms＝U3-U3m，如图9所示。则砝码质心M偏离砝码几何质心点C的距离r3＝U3ms/m。

用上述的方法，将砝码加装到图2中(b)所示的工装上，即工装的端面上，可以测量和计算出砝码的质心偏离砝码回转轴线的距离及角度。

实际应用中，在将平衡机进行了步骤F所述的标定后，对任意形状的砝码，可将其加装在如图2中(a)或(b)所示的工装(转子)上，测出砝码质心相对其理论质心点的不平衡量，用此不平衡量除以砝码的质量，得到砝码的质心偏离理论质心点的距离和角度，从而获取砝码的质心位置。

用上述简单方法，可以获得质心位置准确的砝码，虽然精度低于步骤B和步骤C所获取的砝码的质心位置(包含了平衡机的标定误差)，但在实际的平衡工艺中，精度足够，且可以适应任意形状的砝码的质心位置的获取，方法简单实用。

H.采用步骤G得到的质心位置准确的砝码对平衡机进行标定。或者，对得到的质心位置准确的砝码进行修正，使其质心位置与其理论质心位置(几何质心位置)重合后，再对平衡机进行标定。

以上说明了本发明的特定的实施方式，本发明并不局限于上述实施方式。在本发明的技术思想上可以对本发明的实施方式进行任意的变形。

Claims (9)

1.一种确定不平衡量砝码质心位置的方法，所述砝码为轴对称结构，在用于安装所述砝码的工装的端面上设置有用于安装所述砝码的配合件，其特征在于,

所述砝码以其轴线方向与所述工装回转轴线平行的方式安装在所述配合件上；

测量带所述砝码的所述工装的第一不平衡量；

使所述砝码相对于所述工装围绕所述砝码的轴线旋转180度；

再次测量带所述砝码的所述工装的第二不平衡量；

对测量得到的所述砝码的不平衡量进行调整，使其大小等于砝码的质量与砝码的理论质心离所述工装的回转轴线距离的乘积，方向为从与所述工装的回转轴线垂直的平面与所述工装的回转轴线的交点，指向该平面与所述砝码的轴线的交点；

通过矢量运算，得到所述砝码的质心偏离砝码轴线的不平衡量，除以所述砝码的质量，得到所述砝码质心偏离其轴线的距离和角度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于,

所述配合件为光孔，所述砝码插入所述光孔中。

3.一种确定不平衡量砝码质心位置的方法，所述砝码为轴对称结构，具有垂直于所述砝码的轴线的两个平面，且在所述平面上沿所述轴线设置有固定件；在工装的外圆周上设置有与所述固定件连接的固定部，其特征在于,

使所述固定件与所述固定部连接，测量带所述砝码的所述工装的名义不平衡量；

将所述砝码从所述工装上取下，在保持上述位置角度的情况下，180度调换所述砝码的轴线方向后再加装到所述工装上；

再次测量带所述砝码的所述工装的调换后不平衡量；

对测量得到的所述砝码的不平衡量进行调整，使调整后不平衡量，大小等于砝码的质量与砝码的理论质心离所述工装的回转轴线距离的乘积，其方向为从垂直所述工装的回转轴线且通过砝码质心的平面与所述工装的回转轴线的交点，沿与所述砝码的轴线方向平行的方向指向所述砝码；

通过矢量运算，得到所述砝码的质心偏离砝码中间对称平面的产生的不平衡量，除以所述砝码的质量，得到所述砝码偏离所述砝码的中间平面的距离。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于,

所述固定件为螺柱，所述固定部为螺纹孔。

5.一种平衡机标定方法，其特征在于,用权利要求1-4中任意一项的方法制作的砝码对平衡机进行标定。

6.一种确定不平衡量砝码质心位置的方法,其特征在于,

用权利要求5的方法对平衡机进行标定；

砝码在其一端沿其轴线设置有固定件，在工装的外圆周上设置有与所述固定件连接的固定部，使所述固定件与所述固定部连接；

测量所述砝码的不平衡量；

所述砝码的质心因偏离所述砝码的理论质心点而产生的不平衡量为，测量得到的所述砝码的不平衡量减去所述砝码的质心在理论质心点上时所述砝码不平衡量的差值；

用上述差值除以所述砝码的质量，得到所述砝码的质心偏离所述砝码的理论质心点的距离。

7.一种确定不平衡量砝码质心位置的方法,其特征在于,

用权利要求5的方法对平衡机进行标定；

所述砝码连接在工装的端面上设置的配合件上，使砝码的对称轴线与工装的回转轴线平行；

测量所述砝码的不平衡量；

所述砝码的质心因偏离所述砝码的理论质心点而产生的不平衡量为，测量得到的所述砝码的不平衡量减去所述砝码的质心在理论质心点上时所述砝码产生的不平衡量的差值；

用上述差值除以所述砝码的质量，得到所述砝码的质心偏离所述砝码的理论质心点的距离和角度。

8.一种平衡机标定方法，其特征在于,用根据权利要求6或7的方法制作的砝码对平衡机进行标定。

9.一种砝码，其特征在于,其通过使用权利要求1-4、6-7中任意一项的方法进行制作。