CN107152988A - 一种基于rcm柔性铰链的静平衡测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于RCM(远程运动中心机构，Remote Center of Mechanism)柔性铰链的静平衡测量仪，主要用来测量具有转轴的工件的质心偏差。静平衡测量仪包括转动支撑模块、传感器模块以及外围机械部件模块三部分。转动支撑模块为RCM柔性铰链(1)，它有一个虚拟转动中心(O)，具有两个自由度，为测量系统提供转动支撑。传感器模块为电磁力再平衡传感器，用来测量被测工件因质心偏差产生的偏心力的大小。外围机械部件模块对整个测量系统起到支撑、调节以及保护等作用。根据测量数据，采用力矩平衡原理可得到被测工件的质心偏差。本发明采用具有虚拟转动中心的柔性铰链作为转动支撑，通过结构参数设计，可实现高精度、高稳定性、高效率地测量工件的质心偏差。

Description

一种基于RCM柔性铰链的静平衡测量仪

技术领域：本发明属于精密测量与精密定位领域，涉及一种静平衡测量仪，具体来说，是一种基于RCM柔性铰链的静平衡测量仪，该柔性铰链具有虚拟转动中心。

技术背景：万向节装置在无人机等飞行器中有着广泛的应用。若机载万向节装置的质心不在其旋转支架的旋转中心，当飞行器飞行速度发生变化时，万向节装置的质心偏离会产生惯性力矩，从而对设备的姿态调整产生消极的影响。如果能准确测量装置质心偏差引起的惯性力矩，就可以通过配平消除质心偏差，从而实现设备的静平衡。

基于RCM柔性铰链的静平衡测量仪适用于具有转轴的设备，通过测量其因质心偏差产生的不平衡力矩，进而得到配平质心所需的参数。作为力矩平衡法的关键，转动支撑方式是设计的重点。相对于刀口支撑和轴承支撑，柔性铰链具有无摩擦、承载力高、可一体化加工等优点；同时，此2维柔性铰链可测量设备3个独立转轴的不平衡力矩，简化测量流程。常用的柔性铰链由4个单自由度的柔性模块串并联组成，柔性模块可采用车轮型铰链，蝶形铰链以及广义交叉簧片柔性虎克铰等。车轮型柔性铰链的两个簧片的交叉点是固定的，轴漂较小，而且便于整体化加工，但是转动刚度相对较大，不利于转角的精确控制。复合蝶形铰链的整体性能优良，但是加工工艺复杂。广义交叉簧片柔性铰链是力矩平衡法中常用的转动支撑，它具有较大的行程，且在一定条件下弯矩刚度近似为常值，以其作为转动中心的静平衡测量仪具有良好的灵敏度和承载能力，但是无法一体化加工。此外，这些柔性铰链的转动中心与被测工件的转轴存在一定距离，由于静平衡测量仪工作平台在测量过程中倾斜，设备的重力势能参与系统的能量转换和转移，导致系统的稳定性和测量效率欠佳。

发明内容：本发明提供了一种静平衡测量仪，具体包括转动支撑模块、传感器模块、外围机械部件模块这三大部分。该静平衡测量仪以RCM柔性铰链(1)作为转动支撑模块的核心部件，具有测量精度高、寿命长等优点；同时，与以其他柔性铰链作为转动支撑模块的静平衡测量仪相比，该静平衡测量仪具有稳定性高、测量响应时间短等优点。

本发明的优点在于：

(1)基于RCM柔性铰链的静平衡测量仪的转动支撑模块——RCM柔性铰链(1)是由一整块材料切割而成，实现一体化加工，没有装配误差，可实现更高的测量精度；

(2)RCM柔性铰链(1)是柔性机构与RCM机构结合，具有虚拟转动中心(O)，结构简单，具有大行程，高精度的特点；

(3)RCM柔性铰链(1)为中空结构，利于减轻质量；

(4)RCM柔性铰链虚拟转动中心(O)与被测工件转轴重合，提高了测量系统的稳定性；优化了系统做功与势能的转换关系，缩短了系统的响应时间，提高了测量效率。

附图说明：

图1为本发明基于RCM柔性铰链的静平衡测量仪结构示意图

图2为本发明RCM柔性铰链结构示意图

图3为本发明B柔性模块正视图

图4为本发明D柔性模块正视图

图5为本发明工作平台和配平构件结构示意图

图6为本发明机械限位结构示意图

图7 RCM柔性铰链虚拟转动中心与被测工件转轴位置关系

图7a虚拟转动中心在被测工件转轴下方

图7b虚拟转动中心在被测工件转轴上方

图7c虚拟转动中心与被测工件转轴重合

图中：

1-RCM柔性铰链 2X-X力传感器 2Y-Y力传感器

31-工作平台 32X-X顶杆 33X-X配平构件

34X-X升降台 35X-X机械限位 32Y-Y顶杆

33Y-Y配平构件 34Y-Y升降台 35Y-Y机械限位

36-铰链底座 37-气浮台 11-A柔性模块

12-B柔性模块 13-C柔性模块 14-D柔性模块

15-动刚体 16-静刚体 111-A中间运动块

112-A静刚体 113-A动刚体 114-A1簧片

115-A2簧片 116-A3簧片 117-A4簧片

118-A中间局部运动块 121-B中间运动块 122-B静刚体

123-B动刚体 124-B1簧片 125-B2簧片

126-B3簧片 127-B4簧片 128-B中间局部运动块

131-C中间运动块 132-C静刚体 133-C动刚体

134-C1簧片 135-C2簧片 136-C3簧片

137-C4簧片 138-C中间局部运动块 141-D中间运动块

142-D静刚体 143-D动刚体 144-D1簧片

145-D2簧片 146-D3簧片 147-D4簧片

148-D中间局部运动块 3X1-X配平块 3X2-X配平杆

3X3-X支架 3Y1-Y配平块 3Y2-Y配平块

3Y3-Y支架 O-虚拟转动中心 O1-A虚拟转动中心

O2-B虚拟转动中心 O3-C虚拟转动中心 O4-D虚拟转动中心

L12-虚拟转轴O12 L34-虚拟转轴O34 5X1-X限位杆

5Y1-Y限位杆 10-螺栓 C-被测工件转轴

P-被测工件转轴所在平面 M₀-不平衡力矩 G-被测工件的重力

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明。

(1)整体结构介绍

定义静平衡测量仪上两个相互垂直的轴分别为X轴与Y轴，即构成直角坐标系XOY。

基于RCM柔性铰链的静平衡测量仪主要包括转动支撑模块、传感器模块与外围机械部件模块。转动支撑模块为RCM柔性铰链(1)，为系统提供转动支撑，位于测量系统的中心；传感器模块用来测量被测工件因质心偏差产生的偏心力的大小，包括X力传感器(2X)和Y力传感器(2Y)，分别置于RCM柔性铰链(1)的Y+轴方向的外侧与X-轴方向的外侧；外围机械部件模块对整个测量系统起到支撑、调节以及保护等作用，各部件以RCM柔性铰链(1)为中心对称分布。

所述的转动支撑RCM柔性铰链(1)为2-DOF(2Degrees of Freedom)柔性铰链，由动刚体(15)、中间运动块以及静刚体(16)组成，它具有虚拟转动中心(O)。RCM柔性铰链(1)由4个独立的1-DOF柔性模块组成：A柔性模块(11)、B柔性模块(12)、C柔性模块(13)和D柔性模块(14)，4个1-DOF柔性模块以虚拟转动中心O为中心对称分布，分别构成RCM柔性铰链(1)的四个侧面。其中，A柔性模块(11)与B柔性模块(12)相同，二者置于X方向，并联构成RCM柔性铰链(1)绕X轴转动的转动支撑；C柔性模块(13)与D柔性模块(14)相同，二者置于Y方向，并联构成RCM柔性铰链(1)绕Y轴转动的转动支撑。

所述的X力传感器(2X)用来测量Y+轴方向上因被测工件的质心偏差所产生的偏心力。

所述的Y力传感器(2Y)用来测量X-轴方向上因被测工件的质心偏差所产生的偏心力。

外围机械部件模块主要包括工作平台(31)、X顶杆(32X)、X配平构件(33X)、X升降台(34X)、X机械限位(35X)、Y顶杆(32Y)、Y配平构件(33Y)、Y升降台(34Y)、Y机械限位(35Y)、铰链底座(36)、气浮台(37)。

所述的工作平台(31)下表面与RCM柔性铰链(1)固连，在工作平台X-轴方向、Y+轴方向上分别连接有Y顶杆(32Y)和X顶杆(32X)。

所述的X顶杆(32X)为工作平台(31)与X力传感器(2X)之间传递力的结构。测量系统不工作时，X顶杆(32X)的轴线与X力传感器(2X)中心在同一条垂直线上。

所述的X配平构件(33X)置于Y+轴方向，包括X配平块(3X1)、X配平杆(3X2)与X支架(3X3)。通过调节X配平块(3X1)在X配平杆(3X2)上的位置，实现对工作平面(31)绕X轴转动的初始配平。

所述的X升降台(34X)置于Y+轴方向，用来调节X力传感器(2X)在垂直方向上的位置。

所述的X机械限位(35X)置于Y-轴方向，由X限位杆(5X1)与螺栓(10)构成，其作用是防止RCM柔性铰链(1)绕X轴转动角度过大而对柔性簧片造成损坏。

所述的Y顶杆(32Y)为工作平台(31)与Y力传感器(2Y)之间传递力的结构。测量系统不工作时，Y顶杆(32Y)的轴线与Y力传感器(2Y)中心在同一条垂直线上。

所述的Y配平构件(33Y)置于Y-轴方向，包括Y配平块(3Y1)、Y配平杆(3Y2)与Y支架(3Y3)。通过调节Y配平块(3Y1)在Y配平杆(3Y2)上的位置，实现对工作平面(31)绕Y轴转动的初始配平。

所述的Y升降台(34Y)置于X-轴方向，用来调节Y力传感器(2Y)在垂直方向上的位置。

所述的Y机械限位(35Y)置于X+轴方向，由Y限位杆(5Y1)与螺栓(10)构成，其作用是防止RCM柔性铰链(1)绕Y轴转动角度过大而对柔性簧片造成损坏。

所述的铰链底座(36)置于气浮台(37)上，用于支撑RCM柔性铰链(1)以及其他外部零件。

所述的气浮台(37)置于地面上，避免外界的振动对质心测量系统的影响，同时对整个测量系统起到固定与支撑的作用。

(2)基于RCM柔性铰链的静平衡测量仪的测量方法

下面以测量稳像平台的不平衡力矩为例进行说明。

稳像平台有3个相互正交的转轴，理论上它的转动部分的质心应位于三个转轴上。沿稳像平台三个正交转轴建立直角坐标系，将稳像平台置于工作平台(31)上表面，使其坐标系与静平衡测量仪坐标系重合；调节X力传感器(2X)和Y力传感器(2Y)的高度，使其分别与X顶杆(32X)、Y顶杆(32Y)接触，从而有一个预紧力；然后分别调节X配平构件(33X)和Y配平构件(33Y)，使工作平台(31)分别绕X轴和Y轴静平衡。

测量时，固定Y轴和Z轴，使稳像平台绕其自身X轴分别旋转2个任意角度，此时稳像平台的质心会在重力的作用下产生绕转动中心的偏心力矩，即此时X力传感器(2X)会得到两个不同的值。结合稳像平台质心的运动规律以及力矩平衡原理即可得到稳像平台质心到自身X轴的距离。固定X轴和Z轴，使稳像平台绕其自身Y轴分别旋转2个任意角度，根据测量数据即可得到稳像平台质心到自身Y轴的距离。测量质心到Z轴的距离与X轴、Y轴的测量原理相同，所不同的是，当稳像平台绕自身Z轴旋转时，会在X力传感器(2X)、Y力传感器(2Y)上均产生不平衡力。

(3)转动支撑模块——RCM柔性铰链(1)的结构和功能设计

1)结构设计：

RCM柔性铰链(1)由4个独立的1-DOF柔性模块组成：A柔性模块(11)、B柔性模块(12)、C柔性模块(13)和D柔性模块(14)，每个1-DOF柔性模块由两个等腰梯形柔性铰链串联而成， 且具有虚拟转动中心。

A柔性模块(11)包含A中间运动块(111)、A静刚体(112)和A动刚体(113)，A静刚体(112)通过A中间运动块(111)与A动刚体(113)相连。A柔性模块(11)包含四个柔性簧片：A1簧片(114)、A2簧片(115)、A3簧片(116)与A4簧片(117)，四个簧片的长度相等；A1簧片(114)、A2簧片(115)、A3簧片(116)、A4簧片(117)的延长线的交点O1为A柔性模块(11)的A虚拟转动中心。A1簧片(114)、A4簧片(117)与A局部中间运动块(118)构成一个等腰梯形柔性铰链；A2簧片(115)、A3簧片(116)与A局部中间运动块(118)构成一个等腰梯形柔性铰链。

B柔性模块(12)包含B中间运动块(121)、B静刚体(122)和B动刚体(123)，B静刚体(122)通过B中间运动块(121)与B动刚体(123)相连。B柔性模块(12)包含四个柔性簧片：B1簧片(124)、B2簧片(125)、B3簧片(126)与B4簧片(127)，四个簧片的长度相等；B1簧片(124)、B2簧片(125)、B3簧片(126)、B4簧片(127)的延长线的交点O2为B柔性模块(12)的B虚拟转动中心；B1簧片(124)、B4簧片(127)与B局部中间运动块(128)构成一个等腰梯形柔性铰链；B2簧片(125)、B3簧片(126)与B局部中间运动块(128)构成一个等腰梯形柔性铰链。

C柔性模块(13)包含C中间运动块(131)、C静刚体(132)和C动刚体(133)，C静刚体(132)通过C中间运动块(131)与C动刚体(133)相连。C柔性模块(13)包含四个柔性簧片：C1簧片(134)、C2簧片(135)、C3簧片(136)与C4簧片(137)，四个簧片的长度相等；C1簧片(134)、C2簧片(135)、C3簧片(136)、C4簧片(137)的延长线的交点O3为C柔性模块(13)的C虚拟转动中心；C1簧片(134)、C4簧片(137)与C局部中间运动块(138)构成一个等腰梯形柔性铰链；C2簧片(135)、C3簧片(136)与C局部中间运动块(138)构成一个等腰梯形柔性铰链。

D柔性模块(14)包含D中间运动块(141)、D静刚体(142)和D动刚体(143)，D静刚体(142)通过D中间运动块(141)与D动刚体(143)相连。D柔性模块(14)包含四个柔性簧片：D1簧片(144)、D2簧片(145)、D3簧片(146)与D4簧片(147)，四个簧片的长度相等；D1簧片(144)、D2簧片(145)、D3簧片(146)、D4簧片(147)的延长线的交点O4为D柔性模块(14)的D虚拟转动中心；D1簧片(144)、D4簧片(147)与D局部中间运动块(148)构成一个等腰梯形柔性铰链；D2簧片(145)、D3簧片(146)与D局部中间运动块(148)构成一个等腰梯形柔性铰链。

A柔性模块(11)的A虚拟转动中心(O1)与B柔性模块(12)的B虚拟转动中心(O2)的连线(L12)为RCM柔性铰链(1)的绕X轴转动的虚拟转轴O12；C柔性模块(13)的C虚拟转动中心(O3)与D柔性模块(14)的D虚拟转动中心(O4)的连线(L34)为RCM柔性铰链(1)绕Y轴转动的虚拟转轴O34。虚拟转轴O12与虚拟转轴O34的交点为RCM柔性铰链(1)的虚拟转动中心(O)。

2)功能设计：

RCM柔性铰链(1)的虚拟转动中心(O)与被测工件转轴(C)之间的相对位置关系对测量系统的稳定性有着重要的影响。当虚拟转动中心(O)处于被测工件转轴(C)之下时(图7a所示)， 由于在测量过程中，静平衡测量仪的工作平台(31)会倾斜，此时重力会绕着虚拟转动中心(O)产生一个偏转力矩，系统是不稳定的；当虚拟转动中心(O)处于被测工件转轴(C)之上时(图7b所示)，系统的灵敏度较差；当虚拟转动中心(O)与被测工件转轴(C)重合时(图7c所示)，此时重力不会产生偏转力矩，系统是稳定的而且具有较高的灵敏度。因此，通过参数设计，使虚拟转动中心(O)与被测工件转轴(C)重合，使系统具有更高的稳定性同时兼具较好的灵敏度。

静平衡测量仪在测量过程中发生着复杂的能量转换与转移。传统的柔性铰链在测试的过程中会涉及重力势能、柔性铰链的弹性势能、天平内部柔性结构的弹性势能、不平衡力矩做功以及天平内部的驱动力矩做功这五种做功/势能转换，从而使测试过程中的响应时间比较长。RCM柔性铰链(1)的虚拟转动中心(O)与被测工件转轴(C)重合，被测工件的重力势能基本上为常值，不参与系统的转换与转移；而且被测工件的重力势能在这五部分能量之中所占的比重相对较大，从而大大优化了做功与势能之间的转换关系，使测试过程的响应时间减少，测量效率提高。

Claims (9)

1.基于RCM柔性铰链的静平衡测量仪，其特征在于，包括转动支撑模块、传感器模块和外围机械部件模块。其中，转动支撑模块为RCM柔性铰链(1)，传感器模块为电磁力再平衡传感器，外围机械部件模块主要包括工作平台(31)、X顶杆(32X)、X配平构件(33X)、X升降台(34X)、X机械限位(35X)、Y顶杆(32Y)、Y配平构件(33Y)、Y升降台(34Y)、Y机械限位(35Y)、铰链底座(36)、气浮台(37)。

2.所述的基于RCM柔性铰链的静平衡测量仪，其特征在于，所述静平衡测量仪外围机械部件模块整体上为轴对称结构，对称轴为X-轴与Y+轴(如附图1所示)夹角的角平分线。

3.所述的基于RCM柔性铰链的静平衡测量仪，其特征在于，所述的RCM柔性铰链(1)为两自由度柔性铰链，具有虚拟转动中心(O)，它由4个单自由度RCM柔性模块串并联构成，每个单自由度RCM柔性模块的虚拟转动中心为该铰链上四个簧片延长线的交点。

4.所述的基于RCM柔性铰链的静平衡测量仪，其特征在于，所述的RCM柔性铰链(1)的虚拟转动中心(O)与被测工件转轴重合，可使被测工件在测量过程中重力势能基本上保持为常值，不参与做功与势能的转换，优化了系统的能量转换关系。

5.所述的基于RCM柔性铰链的静平衡测量仪，其特征在于，所述的RCM柔性铰链(1)可实现一体化加工，没有装配过程，不会引入装配误差。

6.所述的基于RCM柔性铰链的静平衡测量仪，其特征在于，所述的传感器模块为电磁力再平衡传感器，分别用于测量X-轴和Y+轴方向所产生的力。

7.所述的基于RCM柔性铰链的静平衡测量仪，其特征在于，所述的工作平台(31)在X-轴方向和Y+轴方向分别固连Y顶杆(32Y)和X顶杆(32X)。RCM柔性铰链(1)的虚拟转动中心(O)到X顶杆(32X)轴线的水平距离为X轴测量力臂；RCM柔性铰链(1)的虚拟转动中心(O)到Y顶杆(32Y)轴线的水平距离为Y轴测量力臂。

8.所述的基于RCM柔性铰链的静平衡测量仪，其特征在于，所述的X顶杆(32X)、Y顶杆(32Y)在工作时通过与力传感器接触传递力，使力传感器示数发生变化。

9.所述的基于RCM柔性铰链的静平衡测量仪，其特征在于，所述的X升降台(34X)、Y升降台(34Y)分别用来支撑X力传感器(2X)和Y力传感器(2Y)，同时通过调节升降台的升降高度还可以实现对力传感器高度的调节，便于调节力传感器的初始值与显示范围。