CN108007643A - 多点布站式质心测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多点布站式质心测量装置，包括三点测力式质心台、多台移动式称重单元以及托架，试件的两端支撑在托架的圆弧形铝托上，托架与三点测力式质心台进行紧固连接，多台移动式称重单元分别放置于托架底部的支撑位置，移动式称重单元与托架之间设置钢球，形成线接触，保证移动式称重单元相对于试件机械坐标系的位置精度。本发明减小了托架的变形，大幅降低工装重量，增大有效载荷，充分利用传感器的高精度工作范围，同时，提高了测试工装的通用性，降低测试工装生产研制成本和周期。
Description
技术领域
本发明属于航天器总装测试技术领域，具体而言，本发明涉及一种针对大型航天器沿长度方向质心(纵向质心)测试，提高测试能力的测量装置，以及使用该装置进行测量的方法，本发明适用于轨道车辆、火箭箭体等领域中，完成相关产品的质心测试。
背景技术
目前，大型试件质心测试时，主要采用三点测力式质心台。在测量大型试件纵向质心时，需要使用质量、体积很大的纵向测试工装，即托架。试件圆柱两端停放在托架的圆弧形铝托上。
目前，大型试件纵向质心测试方法存在以下问题：
1)三点测力式质心台的承载能力限制：为保证试件质心测试精度，特别是横向质心精度，在三点测力式质心台设计时，优先选择满足横向质心测量精度的较小量程高精度的秤重传感器作为敏感元器件，三点测力式质心台承载能力受到一定限制。
2)托架自身质量较大：为保证测试精度，必须减小托架两端变形。因此，托架自重很大，(大约是试件自重的25％～30％)，减小了三点测力式质心台的有效测试能力，产生测试能力不足的困难。
采用其他测试技术方案，解决这个问题，也存在一些困难和不足。
1)研制更大量程的质心台。选择大量程高精度的秤重传感器作为敏感元器件，降低了试件横向质心测试精度。设备研制投资大，占用大量的总装场地。
2)柔性测试方案。主要的不足表现为：一是，量程扩展有限，可扩展量程25％；二是，测试现场需要借助精度测量手段，测量可移动的秤重传感器相对于试件坐标系的位置以及作用力方向等物理参数，效率低；三是，托架通用性差，不能用于试件惯量测试。
发明内容
本发明解决的技术问题是：利用现有三点测力式质心台，测试托架，适当增加高精度移动式称重单元的数量，提高质心测试装置的能力130％以上。
本发明采用了以下的技术方案：
本发明的多点布站式质心测量装置，包括：三点测力式质心台、多台移动式称重单元以及托架，大型试件的两端支撑在托架的圆弧形铝托上，托架与三点测力式质心台进行紧固连接，保证了试件的机械坐标系与质心台的位置关系，其特征在于，多台移动式称重单元分别放置于托架底部的支撑位置，移动式称重单元与托架之间设置钢球，形成线接触，保证移动式称重单元相对于试件机械坐标系的位置精度。
其中，移动式称重单元由钢球、转接板、丝杆升降机和秤重模块组成，钢球位于丝杆升降机顶部的转接板上部的球窝里，球心位于丝杆升降机的丝杆轴线上，丝杆升降机底部支撑在秤重模块的上接口板上，秤重模块由上接口板、3个摇柱、3个秤重传感器、3个垫块、下接口板和保护螺栓组成，上接口板底部设置三个摇柱，且摇柱底部分别对应设置在3个秤重传感器上，称重传感器底部通过垫块支撑在下接口板上且三个称重传感器的受力点位于同一个圆周上，并且成120°分布，丝杆升降机的丝杆轴线通过圆心，保证从钢球传下来的力，通过圆心。
进一步地，上下接口板的侧面通过保护螺栓进行固定连接以对称重单元结构进行支撑和保护。
进一步地，3个秤重传感器采用平行排列形式，即秤重传感器安装摇柱的位置分别位于秤重传感器固定螺栓的左、右、左侧。
其中，所述紧固连接是通过定位销和连接螺栓进行紧固的。
其中，多台移动式称重单元分别放置于托架底部四个角处的支撑位置。
使用上述装置进行卫星纵向质心测试的方法如下：
(1)在托架研制阶段，使用非接触式精度测量技术测量托架(2)与质心台对接接口，并建立测试坐标系；
(2)在托架研制阶段，测量托架(2)四个角与移动式称重单元(4)接触点在测量坐标系下的坐标值，分别记为(yi，zi，i＝1，2，3，4)；
(3)现场测量阶段，托架(2)与三点测力式质心台(3)对接，记录质心台的三个传感器的读数，记为(G01、G02、G03)。注：三点测力式质心台(3)的三个传感器在测试坐标系下的坐标为(Yi，Zi，i＝1，2，3)。
(4)现场测量阶段，试件(1)与托架(2)对接，将4个移动式称重单元(4)放置在托架(2)的四个角。调节丝杆升降机(6)，同时观察质心台的三个传感器的读数，记为(G1i，i＝1，2，3)，使质心台的三个传感器的读数大致相等，保证试件(1)被测量轴处于水平状态。此时，记录质心台的三个传感器的读数(G1i，i＝1，2，3)和4个移动式称重单元(4)的读数，记为(Pi，i＝1，2，3，4)。
(5)根据下列公式可以计算出试件纵向质心Zc。
本发明与传统技术相比的优点在于：
(1)提高了现场纵向质心测试的测试能力。通过在托架特定位置安装移动式称重单元的方式，直接提高质心的测试能力。
(2)提高了现场纵向质心测试的效率。1)试件纵向质心测试前，已经测量和记录了移动式称重单元的安装位置坐标。测试时，将位置坐标和对应移动式称重单元测试值带入到计算公式，即可得到试件的质心坐标。2)由于三点测力式质心台对接台面具有很高的水平度，移动式称重单元测试值，可以直接带入方程计算。测试现场不需要借助精度测量的方法，测量在试件坐标系下测力传感器作用点坐标和力传感器作用方向的过程。减少了测量步骤，提高了测试效率。
(3)实现了托架设计的轻量化，间接提高了三点测力式质心台的测试能力。在托架变形最大的位置，安装精度称重测量单元。有效减小了托架的变形，托架设计的轻量化设计成为可能。
(4)实现了三点测力式质心台测试能力扩展的通用化。该项技术发明不需要经过任何改变，可以直接与其它三点测力质心台或托架配合使用，达到扩展系统测试能力的目的。
附图说明
图1为本发明的多点布站式纵向质心测量装置的结构示意图；
其中，1为纵长试件；2为三点测力式质心台；3为托架；4为移动式称重单元；
图2为本发明的多点布站式纵向质心测量装置中移动式称重单元的结构示意图；
其中，5为钢球；6为丝杆升降机；7为上接口板；8为摇柱；9为秤重传感器；10为垫块；11为下接口板；12为保护螺栓；13为秤重模块；14为转接板。
图3为本发明的多点布站式纵向质心测量装置中秤重传感器排列示意图；
其中，8为摇柱；9为秤重传感器；11为下接口板；12为保护螺栓。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的多点布站式纵向质心测量装置的结构进行详细说明，这些说明仅仅是示例性的，并不旨在对本发明的保护范围进行任何限制。
参见图1，图1显示了本发明的多点布站式纵向质心测量装置的结构示意图。本发明的多点布站式纵向质心测量装置，包括：1台三点测力式质心台、多台移动式称重单元，以及1套托架，三点测力式质心台和托架是现有的测试设备和测试工装，不是本发明的内容，为了更好地了解本发明的主要内容，这里仅作简要介绍。三点测力式质心台2主要由上台面、下台面以及3只质心台传感器组成。上台面提供与托架3的连接接口，并且在其上定义了质心台坐标系；3只质心台传感器是质心台的传感元件，其受力位置在质心台坐标系下在设计时已经确定。托架3主要由2个铝托和床身组成。铝托用于安装试件；床身提供与质心测试台的接口，并确定大型试件机械坐标系与质心台坐标系的转换关系。
大型试件1外形近似于两端是圆锥台，中间是圆柱体的结构形式，试件1的圆柱体两端停放在托架3的圆弧形铝托上。托架与三点测力式质心台2通过定位销和连接螺栓进行紧固连接，保证了试件的机械坐标系与质心台的位置关系。多台移动式称重单元4分别放置于托架3的特定位置(比如托架床身底部的4个角)。移动式称重单元4与托架3之间通过钢球，形成线接触，可以保证移动式称重单元相对于试件机械坐标系的位置精度。
参见图2，图2显示了本发明的多点布站式纵向质心测量装置中移动式称重单元的结构示意图，其中，移动式称重单元4由钢球5、转接板14、丝杆升降机6和秤重模块三部分组成。钢球5位于丝杆升降机6顶部的转接板14上部的球窝里，球心位于丝杆升降机6的丝杆轴线上。秤重模块13由上接口板7、三个摇柱8、三个秤重传感器9、三个垫块10、下接口板11和保护螺栓12组成。称重传感器9为截面为正方形的长方体结构，一端设计有盲孔，用于安装摇柱，另一端设计有2个通孔，用于安装固定螺栓，将称重传感器9固定连接到下接口板上。垫块10为扁平长方体结构，上方设计有2个通孔。通孔尺寸与称重传感器9的通孔尺寸相配合，保证称重传感器9正确安装到下接口板上，并保证称重传感器9的摇柱8的安装端受力变形时，不与下接口板接触，保证测试数据的正确性。摇柱8主体为圆柱体结构，两个端面为球面结构，球面的球心位于圆柱轴线上。摇柱8的两端球面结构分别与传感器和上接口板接触。传感器9的受力点就是摇柱8的球面与传感器的接触点。三只秤重传感器9受力点位于同一个圆周上，并且成120°分布。丝杆升降机6的丝杆轴线通过圆心，保证从钢球5传下来的力，通过圆心。三只秤重传感器9的受力均匀，变形一致，移动式称重单元整体没有水平侧移，不会影响秤重传感器的测试精度。
为了减小秤重模块的体积，三只秤重传感器9采用平行排列形式，即秤重传感器9主体互相平行。中间的1只传感器的中线与下接口板的中线重合，此传感器安装摇柱8的位置与保护螺栓12相邻。另外2只传感器位于中间传感器的两侧，并且安装摇柱8的位置远离保护螺栓12。3只传感器安装摇柱8的位置依次位于对应秤重传感器9固定螺栓的左、右、左侧。其排列形式如图3所示。
使用三点测力质心台量程扩展技术进行卫星的纵向质心测试的实施步骤如下：
(1)在托架研制阶段，使用非接触式精度测量技术测量托架(2)与质心台对接接口，并建立测试坐标系；
(2)在托架研制阶段，测量托架(2)四个角与移动式称重单元(4)接触点在测量坐标系下的坐标值，分别记为(yi，zi，i＝1，2，3，4)；
(3)现场测量阶段，托架(2)与三点测力式质心台(3)对接，记录质心台的三个传感器的读数，记为(G01、G02、G03)。注：三点测力式质心台(3)的三个传感器在测试坐标系下的坐标为(Yi，Zi，i＝1，2，3)。
(4)现场测量阶段，试件(1)与托架(2)对接，将4个移动式称重单元(4)放置在托架(2)的四个角。调节丝杆升降机(6)，同时观察质心台的三个传感器的读数，记为(G1i，i＝1，2，3)，使质心台的三个传感器的读数大致相等，保证试件(1)被测量轴处于水平状态。此时，记录质心台的三个传感器的读数(G1i，i＝1，2，3)和4个移动式称重单元(4)的读数，记为(Pi，i＝1，2，3，4)。
(5)根据下列公式可以计算出试件纵向质心Zc。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，相关技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (7)
1.多点布站式质心测量装置，包括：三点测力式质心台、多台移动式称重单元以及托架，大型试件的两端支撑在托架的圆弧形铝托上，托架与三点测力式质心台进行紧固连接，保证了试件的机械坐标系与质心台的位置关系，其特征在于，多台移动式称重单元分别放置于托架底部的支撑位置，移动式称重单元与托架之间设置钢球，形成线接触，保证移动式称重单元相对于试件机械坐标系的位置精度。
2.如权利要求1所述的测量装置，其中，移动式称重单元由钢球、转接板、丝杆升降机和秤重模块组成，钢球位于丝杆升降机顶部的转接板上部的球窝里，球心位于丝杆升降机的丝杆轴线上，丝杆升降机底部支撑在秤重模块的上接口板上，秤重模块由上接口板、3个摇柱、3个秤重传感器、3个垫块、下接口板和保护螺栓组成，上接口板底部设置三个摇柱，且摇柱底部分别对应设置在3个秤重传感器上，称重传感器底部通过垫块支撑在下接口板上且三个称重传感器的受力点位于同一个圆周上，并且成120°分布，丝杆升降机的丝杆轴线通过圆心，保证从钢球传下来的力，通过圆心。
3.如权利要求1所述的测量装置，其中，上下接口板的侧面通过保护螺栓进行固定连接以对称重单元结构进行支撑和保护。
4.如权利要求1所述的测量装置，其中，3个秤重传感器采用平行排列形式，即秤重传感器安装摇柱的位置分别位于秤重传感器固定螺栓的左、右、左侧。
5.如权利要求1所述的测量装置，其中，所述紧固连接是通过定位销和连接螺栓进行紧固的。
6.如权利要求1所述的测量装置，其中，多台移动式称重单元分别放置于托架底部四个角处的支撑位置。
7.使用权利要求1-6任一项所述测量装置进行卫星纵向质心测试的方法，包括以下步骤：
(1)使用非接触式精度测量方式测量托架与质心台对接接口，并建立测试坐标系；
(2)测量托架四个角与移动式称重单元接触点在测量坐标系下的坐标值，分别记为(yi，zi，i＝1，2，3，4)；
(3)现场测量阶段，将托架与三点测力式质心台对接，记录质心台的三个传感器的读数，记为(G01、G02、G03)，三点测力式质心台的三个传感器在测试坐标系下的坐标为(Yi，Zi，i＝1，2，3)；
(4)现场测量阶段，将大型航天器试件与托架对接，将4个移动式称重单元放置在托架的四个角，调节丝杆升降机，同时观察质心台的三个传感器的读数，记为G1i，i＝1，2，3，使质心台的三个传感器的读数大致相等，保证试件被测量轴处于水平状态；此时，记录质心台的三个传感器的读数G1i，i＝1，2，3和4个移动式称重单元的读数，记为Pi，i＝1，2，3，4；
(5)根据下列公式计算出试件纵向质心Zc
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| 陈爱梅: "某型号尾罩质量质心测量设备的研制", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》 * |
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