CN106153253A - 盘形零件质心测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种盘形零件质心测量装置及测量方法，包括测量平台、机械定位装置及质心测量装置，其中，测量平台上设有定位孔；所述测量平台用于安装所述质心测量装置的辅测力传感器、放置被测零件并提供工作水平面；所述机械定位装置用于确被测零件在测量平台上的位置，所述机械定位装置上设置有所述质心测量装置的主测力传感器；所述质心测量装置用于控制机械定位装置的运动以及完成质心测量及显示测量结果。本发明的测量系统采用静态测量的方式，相比于质量定心机的动态测量方式，测量过程更稳定、可靠，测量结果的准确度更高；本发明结构简单，布局合理，实现成本较低，易于推广。

Description

盘形零件质心测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及测控技术，具体地，涉及一种盘形零件质心测量装置及测量方法。

背景技术

在工程实践中，为了保证机械零件的加工质量以及在使用过程中满足规定的要求，有时需要测量零件的质心位置。例如对于各种车轮、齿轮等盘形机械零件，为了保证其在旋转过程中可靠地工作，并避免其在工作过程中产生有害的振动，要求它们的质心应尽可能地位于旋转轴线上。

测量机械零件的中心可采用诸如质量定心机等测量装置来完成。质量定心机是一种专门用来测量机械零件质量、质心位置的机器，其成本高、测量过程复杂、测量时间长。

也可采用测量重力来确定质心。图1所示为一种测量方法，如果测量被测零件在点a、b、c所受的重力分别为N₁、N₂、N₃，按照图1中标示的各点在坐标系中的位置，则可得到被测零件的质心坐标为

$\left\{\begin{array}{c}{x}_C=\frac{r_1{\mathrm{cos\α}}_1\×N_1+r_2{\mathrm{cos\α}}_2\×N_2+r_3{\mathrm{cos\α}}_3\×N_3}{N_1+N_2+N_3}\\ y_C=\frac{r_1{\mathrm{sin\α}}_1\×N_1+r_2{\mathrm{sin\α}}_2\×N_2+r_3{\mathrm{sin\α}}_3\×N_3}{N_1+N_2+N_3}\end{array}\right.---\left(1\right)$

上述测量方法存在一个严重的问题，即要求测力的分辨率非常高，从而使得测量成本也很高。可以通过一个例子加以说明：某盘形零件的零件的直径为400mm，质量为90kg，假定三个测力传感器的位置取α₁＝0°，α₂＝120°，α₃＝240°，r₁＝r₂＝r₃＝180mm。现要求质心位置的测量误差达到μm级别，亦即质心位置变动1μm时，测量装置应能予以识别。假设该零件的质心坐标为(0,0)时，可知N₁＝N₂＝N₃＝30kg×9.8m/s²＝294N；而当该零件的质心坐标为(1μm,0)时，则可算得N₁＝294.0033N，N₂＝N₃＝293.9984N。这意味着要分辨出1μm的质心变动时要求传感器能够分辨出约3mN的力值。而传感器的测力范围至少要达到294N以上，因此传感器以及后续的电路的分辨率必须达到17位。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种盘形零件质心的测量装置。

根据本发明提供的盘形零件质心测量装置，包括测量平台、机械定位装置及质心测量装置，

其中，测量平台上设有定位孔；所述测量平台用于安装所述质心测量装置的辅测力传感器、放置被测零件并提供工作水平面；

所述机械定位装置用于确被测零件在测量平台上的位置，所述机械定位装置上设置有所述质心测量装置的主测力传感器；

所述质心测量装置用于控制机械定位装置的运动以及完成质心测量及显示测量结果。

优选地，三个辅测力传感器的测力点在同一水平面上；

主测力传感器安装在机械定位装置上，能够随机械定位装置上下运动，当主测力传感器处于测力状态时，主测力传感器的测力点略高于三个辅测力传感器的测力点所在的水平面。

优选地，所述定位孔的中心点O与主测力传感器的测力点在同一重垂线上。

优选地，所述定位孔的中心与被测零件的中心孔的中心重合，所述定位孔允许机械定位装置的顶部穿过。

优选地，所述质心测量装置还包括信号调理电路、A/D转换器、计算机、显示器、键盘及机械定位装置控制单元；

其中，主测力传感器、三个辅测力传感器分别通过信号调理电路与A/D转换器相连接，A/D转换器与计算机相连接，显示器、键盘及机械定位装置控制单元均连接在计算机上；

所述机械定位装置控制单元连接所述机械定位装置。

优选地，还包括打印机；所述打印机连接所述计算机。

本发明提供的所述的盘形零件质心测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤S1：将盘形机械零件放置于测量平台上，使盘形机械零件的中心孔和测量平台的定位孔对齐；

步骤S2：通过计算机控制机械定位装置控制单元，驱动机械定位装置向上直线运动，当机械定位装置向上运动时，主测力传感器将被测零件顶起，并感应被测盘形机械零件的重力；

步骤S3：当盘形机械零件产生倾斜时，与至少两个辅测力传感器中接触而达到稳定；

步骤S4：通过主测力传感器和两个辅测力传感器所测到的力值确定被测盘形机械零件的质心。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明的测量系统采用静态测量的方式，相比于质量定心机的动态测量方式，测量过程更稳定、可靠，测量结果的准确度更高；

2、本发明结构简单，布局合理，实现成本较低，易于推广。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为现有技术中测量重力确定质心方法的示意图；

图2为本发明中盘形零件质心测量装置的结构示意图；

图3为本发明中测量平台的俯视图；

图4为本发明中盘形零件质心测量装置的测量方法的原理示意图。

图中：

1为第一辅测力传感器；

2为第二辅测力传感器；

3为第三辅测力传感器；

4为主测力传感器；

5为被测的盘形零件；

6为机械定位装置；

7为测量平台；

8为定位孔。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本实施例中，本发明提供的盘形零件质心测量装置，包括测量平台、机械定位装置及质心测量装置，

其中，测量平台上设有定位孔；所述测量平台用于安装所述质心测量装置的辅测力传感器、放置被测零件并提供工作水平面；

所述机械定位装置用于确被测零件在测量平台上的位置，所述机械定位装置上设置有所述质心测量装置的主测力传感器；

所述质心测量装置用于控制机械定位装置的运动以及完成质心测量及显示测量结果。

三个辅测力传感器的测力点在同一水平面上；

主测力传感器安装在机械定位装置上，能够随机械定位装置上下运动，当主测力传感器处于测力状态时，主测力传感器的测力点略高于三个辅测力传感器的测力点所在的水平面。

辅测力传感器在测量平台上的位置应保证被测盘形机械零件通过机械定位装置放置于测量平台上时，辅测力传感器能够敏感被测零件由于自身质量而产生的重力。OR为基准线，被测零件放置于测量平台时应保证零件上的基准线与OR重合。注意，辅测力传感器1、点O、点R不必在一条直线上。

所述定位孔的中心点O与主测力传感器的测力点在同一重垂线上。

所述定位孔的中心与被测零件的中心孔的中心重合，所述定位孔允许机械定位装置的顶部穿过。

所述质心测量装置还包括信号调理电路、A/D转换器、计算机、显示器、键盘及机械定位装置控制单元；

其中，主测力传感器、三个辅测力传感器分别通过信号调理电路与A/D转换器相连接，A/D转换器与计算机相连接，显示器、键盘及机械定位装置控制单元均连接在计算机上；

所述机械定位装置控制单元连接所述机械定位装置。机械定位装置采用气动单元、液压单元或者电动单元进行驱动。

优选地，还包括打印机；所述打印机连接所述计算机。

本发明提供的所述的盘形零件质心测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤S1：将盘形机械零件放置于测量平台上，使盘形机械零件的中心孔和测量平台的定位孔对齐；

步骤S2：通过计算机控制机械定位装置控制单元，驱动机械定位装置向上直线运动，当机械定位装置向上运动时，主测力传感器将被测零件顶起，并感应被测盘形机械零件的重力；

步骤S3：当盘形机械零件产生倾斜时，与至少两个辅测力传感器中接触而达到稳定；

步骤S4：通过主测力传感器和两个辅测力传感器所测到的力值确定被测盘形机械零件的质心。

本发明提供的所述的盘形零件质心测量装置的测量方法的原理，如图4所示，以测量平台定位孔中心点O为原点，OR为x轴建立直角坐标系xOy。三个辅测力传感器在直角坐标系xOy中位置可以用辅测力传感器到原点O的极径以及极径相对于x轴的夹角来表示，三个辅测力传感器到原点O的极径分别为r₁、r₂、r₃，极径与x轴的夹角分别为α₁、α₂、α₃。假设盘形零件放置于测量平面上，通过三个辅测力传感器测得的力分别为N₁、N₂、N₃(这三个力值中必有一个等于零)，主测力传感器测得的力为N，则盘形零件在直角坐标系xOy中质心位置坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_C=\frac{r_1{\mathrm{cos\α}}_1\×N_1+r_2{\mathrm{cos\α}}_2\×N_2+r_3{\mathrm{cos\α}}_3\×N_3}{N_1+N_2+N_3+N}\\ y_C=\frac{r_1{\mathrm{sin\α}}_1\×N_1+r_2{\mathrm{sin\α}}_2\×N_2+r_3{\mathrm{sin\α}}_3\×N_3}{N_1+N_2+N_3+N}\end{array}\right.---\left(2\right)$

尽管三个辅测力传感器在测量平台上的位置是任意的，但在实施本专利时可采特殊的位置。如可取α₁＝0°，α₂＝120°，α₃＝240°，r₁＝r₂＝r₃＝r。此时盘形零件在直角坐标系xOy中质心位置坐标为

$\left\{\begin{array}{c}{x}_C=\frac{2N_1-N_2-N_3}{2(N_1+N_2+N_3+N)}r\\ y_C=\frac{\sqrt{3}(N_2-N_3)}{2(N_1+N_2+N_3+N)}r\end{array}\right.---\left(3\right)$

对本发明提供的所述的盘形零件质心测量装置的测量方法，通过举例对测量精度分析加以说明。某盘形零件的直径为400mm，质量为90kg，假定三个测力传感器的位置取α₁＝0°，α₂＝120°，α₃＝240°，r₁＝r₂＝r₃＝180mm。现要求质心位置的测量误差达到μm级别。假设该零件的质心坐标为(0,0)时，可知N₁＝N₂＝N₃＝0，N＝30kg×9.8m/s²＝882N；而当该零件的质心坐标为(-1μm,0)时，则可求得N＝882.0098N，N₂＝N₃＝4.9mN。尽管要分辨出1μm的质心变动时要求辅测力传感器能够分辨出4.9mN的力值，但由于N承受了零件绝大部分的重力，而N₁、N₂、N₃承受的重力及其有限，因此辅测力传感器的测力范围可以大大降低。假设该零件的质心变化范围高达1mm，则可推算出辅测力传感器的测力范围约为4.9N，此时辅测力传感器的力测量分辨率只有10位。而主测力传感器的力测量分辨率取10位就可达到要求。因此本发明的测量方法大大降低了对传感器和后续电路的性能指标要求。

更为具体地，本发明可采用图2所示的形式加以实施，在具体实施时，为保证测量结果的准确度，传感器的性能指标应满足规定的要求，可选用的辅测力传感器和主测力传感器包括电容式、电感式、压电式、压阻式、电阻应变式等测力传感器。信号调理电路可采用与测力传感器匹配的通用模拟电路。A/D转换器采用高分辨率的AD集成芯片，分辨率一般可取12位。计算机可采用嵌入式微处理器或工业控制计算机。机械定位装置可以采用气动、液压或者电动的单元进行驱动。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种盘形零件质心测量装置，其特征在于，包括测量平台、机械定位装置及质心测量装置，

其中，测量平台上设有定位孔；所述测量平台用于安装所述质心测量装置的辅测力传感器、放置被测零件并提供工作水平面；

所述机械定位装置用于确被测零件在测量平台上的位置，所述机械定位装置上设置有所述质心测量装置的主测力传感器；

所述质心测量装置用于控制机械定位装置的运动以及完成质心测量及显示测量结果。

2.根据权利要求1所述的盘形零件质心测量装置，其特征在于，三个辅测力传感器的测力点在同一水平面上；

主测力传感器安装在机械定位装置上，能够随机械定位装置上下运动，当主测力传感器处于测力状态时，主测力传感器的测力点略高于三个辅测力传感器的测力点所在的水平面。

3.根据权利要求1所述的盘形零件质心测量装置，其特征在于，所述定位孔的中心点O与主测力传感器的测力点在同一重垂线上。

4.根据权利要求1所述的盘形零件质心测量装置，其特征在于，所述定位孔的中心与被测零件的中心孔的中心重合，所述定位孔允许机械定位装置的顶部穿过。

5.根据权利要求2所述的盘形零件质心测量装置，其特征在于，所述质心测量装置还包括信号调理电路、A/D转换器、计算机、显示器、键盘及机械定位装置控制单元；

其中，主测力传感器、三个辅测力传感器分别通过信号调理电路与A/D转换器相连接，A/D转换器与计算机相连接，显示器、键盘及机械定位装置控制单元均连接在计算机上；

所述机械定位装置控制单元连接所述机械定位装置。

6.根据权利要求5所述的盘形零件质心测量装置，其特征在于，还包括打印机；

所述打印机连接所述计算机。

7.一种采用权利要求1至6任一项所述的盘形零件质心测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：将盘形机械零件放置于测量平台上，使盘形机械零件的中心孔和测量平台的定位孔对齐；

步骤S2：通过计算机控制机械定位装置控制单元，驱动机械定位装置向上直线运动，当机械定位装置向上运动时，主测力传感器将被测零件顶起，并感应被测盘形机械零件的重力；

步骤S3：当盘形机械零件产生倾斜时，与至少两个辅测力传感器中接触而达到稳定；

步骤S4：通过主测力传感器和两个辅测力传感器所测到的力值确定被测盘形机械零件的质心。