CN109115405A - 一种质心测量方法 - Google Patents

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CN109115405A
CN109115405A CN201811116735.5A CN201811116735A CN109115405A CN 109115405 A CN109115405 A CN 109115405A CN 201811116735 A CN201811116735 A CN 201811116735A CN 109115405 A CN109115405 A CN 109115405A
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杨友钢
陈婷
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Abstract

本发明公开了一种质心测量方法，包括基于质心测量装置实现，所述质心测量装置包括装载台和三个称重传感器，所述装载台包括转动组件和夹具，所述转动组件能够带动夹具在竖直平面内转动；具体测量方法包括：所述质心测量装置的装载台上不装试件，测量并计算获得空载状态下装载台的质心坐标；所述夹具上装有试件，即所述质心测量装置处于加载状态，通过转动组件将试件在竖直平面内转动了0度、90度、180度和270度，获得试件在不同角度的质心坐标；通过对试件在不同角度的质心坐标取平均，获得试件的最终质心坐标。其够测试质心，测量精度高，实用便捷。

Description

一种质心测量方法
技术领域
本发明涉及质心测试领域，具体涉及一种质心测量方法。
背景技术
测试试件的质心位置，可以掌握其质心的分布情况，检验试件的加工精度，并为试件后续的装配提供参考依据。质心数据的准确性对其它各项试验项目的正常进行有着决定性的作用，特别是对关键试件的质心测试，甚至可以直接影响到后续整体样件的设计开发。因此，关键试件在正式投入使用时必须进行质心测试。在实际使用过程中，如果试件实际质心位置与设计质心位置相差甚远，那么对整体样件的使用将会造成严重后果；如果实际质心位置与设计质心位置基本一致，那么整体样件的性能将能得到保障。特别是在一些重要的高精密的整体样件系统中意义十分重大。
质心测试是在科研和工程实践中的一项十分重要的基础测量项目。在航空、航天、机械、电子、仪器仪表、通讯等领域应用非常广泛。在质心测试方法上，国内外学者们提出了诸多不同的方法。但是这些方法要么是从理论分析的角度来确定质心位置和分析误差来源，要么是测试设备复杂昂贵，实际测量时设备调校比较繁琐，且没有经济性。对于质心测试的空间和时间都有限，以及又需要保证测试精度的特殊场合，现有的方法几乎不能满足要求。因此必须要求开发一种精确、实用和便捷的测试方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种质心测量方法，其能够测试质心，测量精度高，实用便捷。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种质心测量方法，包括基于质心测量装置实现，所述质心测量装置包括装载台和三个称重传感器，所述装载台包括转动组件和夹具，所述转动组件能够带动夹具在竖直平面内转动；具体测量方法包括：
步骤一、所述质心测量装置的装载台上不装试件，测量并计算获得空载状态下装载台的质心坐标；
步骤二、所述夹具上装有试件，即所述质心测量装置处于加载状态，通过转动组件将试件在竖直平面内转动了0度、90度、180度和270度，获得试件在不同角度的质心坐标；
步骤三、通过对试件在不同角度的质心坐标取平均，获得试件的最终质心坐标。
作为优选的，在步骤一中，所述测量并计算获得空载状态下装载台的质心坐标，具体包括：
S11、所述质心测量装置不装试件，即所述质心测量装置为空载状态，获得空载状态下装载台的质心坐标xp1和yp 0，空载状态下装载台的质量为mp 0；其中，测量坐标系oxy为测试装置在水平方向的坐标系；
S12、使用转动组件将夹具在竖直平面转动90度，通过计算称重传感器的示数，获得转动90度的装载台在测量坐标系oxy内的质心坐标xp2和zp 90，质量为mp90；
S13、使用转动组件将夹具在竖直平面内继续转动90度，转动方向与上一步相同，通过计算称重传感器的示数，获得转动180度的装载台在测量坐标系oxy内的质心坐标xp3和yp 180,质量为mp 180；
S14、使用转动组件将夹具在竖直平面内继续转动90度，试件转动方向与上一步相同，通过计算称重传感器的示数，获得转动270度的装载台在测量坐标系oxy内的质心坐标xp4和zp 270,质量为mp 270。
作为优选的，在步骤二中，所述通过转动组件将试件在竖直平面内转动了0度、90度、180度和270度，获得试件在不同角度的质心坐标，具体包括：
S21、在所述装载台上装载试件，通过计算称重传感器的示数，获得试件在测量坐标系oxy内的质心坐标xc1和yc 0；
S22、使用转动组件将夹有试件的夹具在竖直平面内转动90度，通过计算称重传感器的示数，获得试件转动90度后在测量坐标系oxy内的质心坐标xc2和zc 90；
S23、使用转动组件将夹有试件的夹具在竖直平面内继续转动90度，试件转动方向与上一步相同，通过计算称重传感器的示数，获得试件转动180度后在测量坐标系oxy内的质心坐标xc3和yc 180；
S24、使用转动组件将夹有试件的夹具在竖直平面内继续转动90度，试件转动方向与上一步相同，通过计算称重传感器的示数，获得试件转动270度后在测量坐标系oxy内的质心坐标xc4和zc 270。
作为优选的，在步骤三中，所述通过对试件在不同角度的质心坐标取平均，获得试件的最终质心坐标，具体包括：
计算获得所述试件的质心的坐标其中，
作为优选的，三个所述称重传感器包括第一称重传感器、第二称重传感器和第三称重传感器，其中，第一传感器在测量坐标系oxy内的坐标为(L3，0)，第二传感器在测量坐标系oxy内的坐标为(-L1,H1),第三传感器在测量坐标系oxy内的坐标为(-L2,H2),所述转动组件带动试件绕x轴旋转。
作为优选的，所述通过计算称重传感器的示数，获得试件在测量坐标系oxy内的质心坐标xc1和yc 0，具体包括:
所述三个称重传感器在加载状态下，装载台的总质量为m0＝m1 0+m2 0+m3 0，其中，所述第一称重传感器的示数为W1 0，第二称重传感器的示数为W2 0，第三称重传感器的示数为W3 0，其中，m1 0＝W1 0/g，m2 0＝W2 0/g，m3 0＝W3 0/g，g为重力系数；
根据力矩平衡原理和质心运动定理可知，试件在测量坐标系oxy的y向的质心坐标为
试件在测量坐标系oxy内试件在x向的质心坐标为
作为优选的，所述通过计算称重传感器的示数，获得试件转动90度后在测量坐标系oxy内的质心坐标xc2和zc 90，具体包括：
所述三个称重传感器在加载状态下，装载台的总质量为m90＝m1 90+m2 90+m3 90，其中，试件转动90度后，所述第一称重传感器的示数为W1 90，第二称重传感器的示数为W2 90，第三称重传感器的示数为W3 90，其中，m1 90＝W1 90/g，m2 90＝W2 90/g，m3 90＝W3 90/g，g为重力系数；
根据力矩平衡原理和质心运动定理可知，试件转动90度后在测量坐标系oxy的y向的质心坐标为
试件转动90度后在测量坐标系oxy内x向的质心坐标为
作为优选的，所述通过计算称重传感器的示数，获得试件转动180度后在测量坐标系oxy内的质心坐标xc3和yc 180，具体包括：
所述三个称重传感器在加载状态下，装载台的总质量为m180＝m1 180+m2 180+m3 180，其中，试件转动180度后，所述第一称重传感器的示数为W1 180，第二称重传感器的示数为W2 180，第三称重传感器的示数为W3 180，其中，m1 180＝W1 180/g，m2 180＝W2 180/g，m3 180＝W3 180/g，g为重力系数；
根据力矩平衡原理和质心运动定理可知，试件转动180度后在测量坐标系oxy的y向的质心坐标为
试件转动180度后在测量坐标系oxy内试件在x向的质心坐标为
作为优选的，通过计算称重传感器的示数，获得试件转动270度后在测量坐标系oxy内的质心坐标xc4和zc 180，具体包括：
所述三个称重传感器在加载状态下，装载台的总质量为m270＝m1 270+m2 270+m3 270，其中，试件转动270度后，所述第一称重传感器的示数为W1 270，第二称重传感器的示数为W2 270，第三称重传感器的示数为W3 270，其中，m1 270＝W1 270/g，m2 270＝W2 270/g，m3 270＝W3 270/g，g为重力系数；
根据力矩平衡原理和质心运动定理可知，试件转动270度后在测量坐标系oxy的y向的质心坐标为
试件转动270度后在测量坐标系oxy内试件在x向的质心坐标为
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明通过分别将试件在竖直平面内转动不同角度，计算试件在不同角度的质心坐标的平均值，减少测试误差。
2、本发明测试方法，其测量方法精度高，定位准确，实用便捷。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例技术中的技术方案，下面将对实施例技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还能够根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的测量坐标系oxy。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
参照图1所示，本发明公开了一种质心测量方法，基于质心测量装置实现，所述质心测量装置包括装载台和三个称重传感器，所述装载台包括转动组件和夹具，所述转动组件能够带动夹具在竖直平面内转动，即夹具的转轴为水平方向。转动组件可选用电机，电机驱动夹具转动。
一、理论基础：
如图1所示，为本发明的测量坐标系oxy，其中1，2，3三点是测试装置平板下的三个称重传感器，O点为测试装置的基准中心，H1，H2，L1，L2，L3分别为三个称重传感器和坐标系oxy的OX轴、OY轴的垂直距离。如果试件的坐标系oxy与测试装置的坐标系oxy定义为重合，那么测试装置测得试件在oxy平面的质心位置为C点。
测试装置空载时，测试装置的三个称重传感器测得试件质量为：
mp＝mp1+mp2+mp3；mp-装置空载时总质量
mp1,mp2,mp3-装置空载时1，2，3三点处称重传感器的实测质量
根据力和力矩平衡原理可知，在平面oxy内对OX轴取矩可得空载装置在oxy平面内的质心yp为：
对OY轴取矩可得空载装置质心xp为：
将转动组件绕x轴转动90度，使转动组件oz轴和测试装置OY轴平行，根据力和力矩平衡原理可得试件在oxz平面内的质心zp为：
式中：mp2',mp3'-装置空载时转动组件在90度时2，3两点处称重传感器的实测质量。
试件装载时，测试装置的三个称重传感器测得试件质量为：
m＝m1+m2+m3
式中：m-装置加载时总质量
m1,m2,m3-装置加载时1，2，3三点处称重传感器的实测质量
根据力和力矩平衡原理可知，在平面oxy内对OX轴取矩可得加载装置在oxy平面内的质心y为：
对OY轴取矩可得加载装置质心x为：
将转动组件绕x轴转动90度，使转动组件oz轴和测试装置OY轴平行，根据力和力矩平衡原理可得加载装置在oxz平面内的质心z为：
式中：m2',m3'-装置加载时转动组件在90度时2，3两点处称重传感器的实测质量。
根据质心运动定理可知：
本发明的加载装置包括空载装置和试件，所以：
式中：mc-试件质量；xc,yc,zc-试件质心。
二、本发明的具体测试方法如下：
步骤一、所述质心测量装置的装载台上不装试件，测量并计算获得空载状态下装载台的质心坐标。
其中，所述测量并计算获得空载状态下装载台的质心坐标，具体包括：
S11、所述质心测量装置不装试件，即所述质心测量装置为空载状态，获得空载状态下装载台的质心坐标xp1和yp 0，空载状态下装载台的质量为mp 0；其中，测量坐标系oxy为测试装置在水平方向的坐标系；
S12、使用转动组件将夹具在竖直平面转动90度，即所述质心测量装置处于加载状态，通过计算称重传感器的示数，获得转动90度的装载台在测量坐标系oxy内的质心坐标xp2和zp90，质量为mp90；
S13、使用转动组件将夹具在竖直平面内继续转动90度，转动方向与上一步相同，通过计算称重传感器的示数，获得转动180度的装载台在测量坐标系oxy内的质心坐标xp3和yp 180,质量为mp 180；
S14、使用转动组件将夹具在竖直平面内继续转动90度，试件转动方向与上一步相同，通过计算称重传感器的示数，获得转动270度的装载台在测量坐标系oxy内的质心坐标xp4和zp 270,质量为mp 270。
步骤二、所述质心测量装置的装载台上装有试件，通过转动组件将试件在竖直平面内转动了0度、90度、180度和270度，获得试件在不同角度的质心坐标。
三个所述称重传感器包括第一称重传感器、第二称重传感器和第三称重传感器，其中，第一传感器在测量坐标系oxy内的坐标为(L3，0)，第二传感器在测量坐标系oxy内的坐标为(-L1,H1),第三传感器在测量坐标系oxy内的坐标为(-L2,H2),所述转动组件带动试件绕x轴旋转。
其中，所述通过转动组件将试件在竖直平面内转动了0度、90度、180度和270度，获得试件在不同角度的质心坐标，具体包括：
(a)在所述装载台上装载试件，通过计算称重传感器的示数，获得试件在测量坐标系oxy内的质心坐标xc1和yc 0；
即在初始状态下，试件不转动时，所述三个称重传感器在加载状态下，装载台的总质量为m0＝m1 0+m2 0+m3 0，其中，所述第一称重传感器的示数为W1 0，第二称重传感器的示数为W2 0，第三称重传感器的示数为W3 0，其中，m1 0＝W1 0/g，m2 0＝W2 0/g，m3 0＝W3 0/g，g为重力系数；
根据力矩平衡原理和质心运动定理可知，试件在测量坐标系oxy的y向的质心坐标为
试件在测量坐标系oxy内试件在x向的质心坐标为
(b)使用转动组件将夹有试件的夹具在竖直平面内转动90度，通过计算称重传感器的示数，获得试件转动90度后在测量坐标系oxy内的质心坐标xc2和zc 90；
其中，所述通过计算称重传感器的示数，获得试件转动90度后在测量坐标系oxy内的质心坐标xc2和zc 90，具体包括：
试件转动90度后，三个称重传感器在加载状态下的总质量为m90＝m1 90+m2 90+m3 90，其中，试件转动90度后，所述第一称重传感器的示数为W1 90，第二称重传感器的示数为W2 90，第三称重传感器的示数为W3 90，其中，m1 90＝W1 90/g，m2 90＝W2 90/g，m3 90＝W3 90/g，g为重力系数；
根据力矩平衡原理和质心运动定理可知，试件转动90度后在测量坐标系oxy的y向的质心坐标为
试件转动90度后在测量坐标系oxy内x向的质心坐标为
(c)使用转动组件将夹有试件的夹具在竖直平面内继续转动90度，试件转动方向与上一步相同，通过计算称重传感器的示数，获得试件转动180度后在测量坐标系oxy内的质心坐标xc3和yc 180；
其中，所述通过计算称重传感器的示数，获得试件转动180度后在测量坐标系oxy内的质心坐标xc3和yc 180，具体包括：
试件转动180度后，所述三个称重传感器在加载状态下，装载台的总质量为m180＝m1 180+m2 180+m3 180，其中，试件转动180度后，所述第一称重传感器的示数为W1 180，第二称重传感器的示数为W2 180，第三称重传感器的示数为W3 180，其中，m1 180＝W1 180/g，m2 180＝W2 180/g，m3 180＝W3 180/g，g为重力系数；
根据力矩平衡原理和质心运动定理可知，试件转动180度后在测量坐标系oxy的y向的质心坐标为
试件转动180度后在测量坐标系oxy内试件在x向的质心坐标为
(d)使用转动组件将夹有试件的夹具在竖直平面内继续转动90度，试件转动方向与上一步相同，通过计算称重传感器的示数，获得试件转动270度后在测量坐标系oxy内的质心坐标xc4和zc 270；
其中，通过计算称重传感器的示数，获得试件转动270度后在测量坐标系oxy内的质心坐标xc4和zc180，具体包括：
所述三个称重传感器在加载状态下，装载台的总质量为m270＝m1270+m2270+m3270，其中，试件转动270度后，所述第一称重传感器的示数为W1270，第二称重传感器的示数为W2270，第三称重传感器的示数为W3270，其中，m1 270＝W1 270/g，m2 270＝W2 270/g，m3 270＝W3 270/g，g为重力系数；
根据力矩平衡原理和质心运动定理可知，试件转动270度后在测量坐标系oxy的y向的质心坐标为
试件转动270度后在测量坐标系oxy内试件在x向的质心坐标为
步骤三、通过对试件在不同角度的质心坐标取平均，获得试件的最终质心坐标。其中，计算获得所述试件的质心的坐标其中， 取平均的目的是消除传感器定位不准。H1和H2的实际加工至和设计值有差异，取平均能够很好的减小这个差异。而中减号是因为试件坐标系转了180度，最终确认质心坐标是试件坐标系回到与测试坐标系重合的位置。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理能够在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种质心测量方法，其特征在于，基于质心测量装置实现，所述质心测量装置包括装载台和三个称重传感器，所述装载台包括转动组件和夹具，所述转动组件能够带动夹具在竖直平面内转动；具体测量方法包括：
步骤一、所述质心测量装置的装载台上不装试件，测量并计算获得空载状态下装载台的质心坐标；
步骤二、所述夹具上装有试件，即所述质心测量装置处于加载状态，通过转动组件将试件在竖直平面内转动了0度、90度、180度和270度，获得试件在不同角度的质心坐标；
步骤三、通过对试件在不同角度的质心坐标取平均，获得试件的最终质心坐标。
2.如权利要求1所述的质心测量方法，其特征在于，在步骤一中，所述测量并计算获得空载状态下装载台的质心坐标，具体包括：
S11、所述质心测量装置不装试件，即所述质心测量装置为空载状态，获得空载状态下装载台的质心坐标xp1和yp 0，空载状态下装载台的质量为mp 0；其中，测量坐标系oxy为测试装置在水平方向的坐标系；
S12、使用转动组件将夹具在竖直平面转动90度，通过计算称重传感器的示数，获得转动90度的装载台在测量坐标系oxy内的质心坐标xp2和zp 90，质量为mp 90；
S13、使用转动组件将夹具在竖直平面内继续转动90度，转动方向与上一步相同，通过计算称重传感器的示数，获得转动180度的装载台在测量坐标系oxy内的质心坐标xp3和yp 180,质量为mp 180；
S14、使用转动组件将夹具在竖直平面内继续转动90度，转动方向与上一步相同，通过计算称重传感器的示数，获得转动270度的装载台在测量坐标系oxy内的质心坐标xp4和zp 270,质量为mp 270。
3.如权利要求2所述的质心测量方法，其特征在于，在步骤二中，所述通过转动组件将试件在竖直平面内转动了0度、90度、180度和270度，获得试件在不同角度的质心坐标，具体包括：
S21、在所述装载台上装载试件，通过计算称重传感器的示数，获得试件在测量坐标系oxy内的质心坐标xc1和yc 0；
S22、使用转动组件将夹有试件的夹具在竖直平面内转动90度，通过计算称重传感器的示数，获得试件转动90度后在测量坐标系oxy内的质心坐标xc2和zc 90；
S23、使用转动组件将夹有试件的夹具在竖直平面内继续转动90度，试件转动方向与上一步相同，通过计算称重传感器的示数，获得试件转动180度后在测量坐标系oxy内的质心坐标xc3和yc 180；
S24、使用转动组件将夹有试件的夹具在竖直平面内继续转动90度，试件转动方向与上一步相同，通过计算称重传感器的示数，获得试件转动270度后在测量坐标系oxy内的质心坐标xc4和zc 270。
4.如权利要求3所述的质心测量方法，其特征在于，在步骤三中，所述通过对试件在不同角度的质心坐标取平均，获得试件的最终质心坐标，具体包括：
计算获得所述试件的质心的坐标其中，
5.如权利要求4所述的质心测量方法，其特征在于，三个所述称重传感器包括第一称重传感器、第二称重传感器和第三称重传感器，其中，第一传感器在测量坐标系oxy内的坐标为(L3，0)，第二传感器在测量坐标系oxy内的坐标为(-L1,H1),第三传感器在测量坐标系oxy内的坐标为(-L2,H2),所述转动组件带动试件绕x轴旋转。
6.如权利要求5所述的质心测量方法，其特征在于，所述通过计算称重传感器的示数，获得试件在测量坐标系oxy内的质心坐标xc1和yc 0，具体包括:
所述三个称重传感器在加载状态下，装载台的总质量为m0＝m1 0+m2 0+m3 0，其中，所述第一称重传感器的示数为W1 0，第二称重传感器的示数为W2 0，第三称重传感器的示数为W3 0，其中，m1 0＝W1 0/g，m2 0＝W2 0/g，m3 0＝W3 0/g，g为重力系数；
根据力矩平衡原理和质心运动定理可知，试件在测量坐标系oxy的y向的质心坐标为
试件在测量坐标系oxy内试件在x向的质心坐标为
7.如权利要求5所述的质心测量方法，其特征在于，所述通过计算称重传感器的示数，获得试件转动90度后在测量坐标系oxy内的质心坐标xc2和zc 90，具体包括：
所述三个称重传感器在加载状态下，装载台的总质量为m90＝m1 90+m2 90+m3 90，其中，试件转动90度后，所述第一称重传感器的示数为W1 90，第二称重传感器的示数为W2 90，第三称重传感器的示数为W3 90，其中，m1 90＝W1 90/g，m2 90＝W2 90/g，m3 90＝W3 90/g，g为重力系数；
根据力矩平衡原理和质心运动定理可知，试件转动90度后在测量坐标系oxy的y向的质心坐标为
试件转动90度后在测量坐标系oxy内x向的质心坐标为
8.如权利要求5所述的质心测量方法，其特征在于，所述通过计算称重传感器的示数，获得试件转动180度后在测量坐标系oxy内的质心坐标xc3和yc 180，具体包括：
所述三个称重传感器在加载状态下，装载台的总质量为m180＝m1 180+m2 180+m3 180，其中，试件转动180度后，所述第一称重传感器的示数为W1 180，第二称重传感器的示数为W2 180，第三称重传感器的示数为W3 180，其中，m1 180＝W1 180/g，m2 180＝W2 180/g，m3 180＝W3 180/g，g为重力系数；
根据力矩平衡原理和质心运动定理可知，试件转动180度后在测量坐标系oxy的y向的质心坐标为
试件转动180度后在测量坐标系oxy内试件在x向的质心坐标为
9.如权利要求5所述的质心测量方法，其特征在于，通过计算称重传感器的示数，获得试件转动270度后在测量坐标系oxy内的质心坐标xc4和zc 180，具体包括：
所述三个称重传感器在加载状态下，装载台的总质量为m270＝m1 270+m2 270+m3 270，其中，试件转动270度后，所述第一称重传感器的示数为W1 270，第二称重传感器的示数为W2 270，第三称重传感器的示数为W3 270，其中，m1 270＝W1 270/g，m2 270＝W2 270/g，m3 270＝W3 270/g，g为重力系数；
根据力矩平衡原理和质心运动定理可知，试件转动270度后在测量坐标系oxy的y向的质心坐标为
试件转动270度后在测量坐标系oxy内试件在x向的质心坐标为
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