CN109163845A - 基于刀口支撑的中心扭杆式物体质心与转动惯量测量机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于刀口支撑的中心扭杆式物体质心与转动惯量测量机构。本发明采用中心轴一轴赋予双功能的方法解决了这个难题，该轴即是测量质心旋转的基准轴系，又是转动惯量测量的摆动扭杆。本发明在三方面突破了传统的设计理念，第一，扭杆不易刚性过大，否则难以扭转一个具有一定量值的初始角度，认为摆动角度大一些，其摆动稳定、有利于周期测量；第二，刚度过大，摆动频率快不易测量摆动周期；第三，测量质心的转轴刚度要大，驱动摩擦力矩不会引起轴系转角，否则停转时不能马上停止，会往复摆动。

Description

基于刀口支撑的中心扭杆式物体质心与转动惯量测量机构

技术领域

本发明涉及一种基于刀口支撑的中心扭杆式物体质心与转动惯量高效率测量机构。

背景技术

物体的质量、质心、转动惯量的测量多用在空间飞行器上，比如各类弹头、卫星、飞船、空间站的质量特性参数测量等，这些参数的准确测量对于提高产品飞行稳定性和命中率是必不可少的。而质心位置和转动惯量高精度的一体化联合测量是目前尚未解决的问题。

国内在该领域近年来取得了长足的进步，也有若干项专利技术。

目前测量质心多数采用三个（或多个）称重传感器直接称量计算或采用天平刀口原理。转动惯量采用单独测量测量装置有中心扭杆型、扭簧型、单摆或复摆型、板簧型等结构，而联合测量由于结构布置相互干涉，目前仅见到沿圆周布置的拉伸弹簧型、复摆型和板簧型。

质心测量最简单的方法就是采用传感器直接测量计算，简便快捷，但此时传感器的绝对误差将不可避免的直接影响质心位置的测量准确性。质心位置一般偏离形心不远，质心偏移引起传感器数值的变化量与总质量的比值决定质心偏移量的大小，而这个变化量相对于物体总体质量而言是一个小值，传感器对于全部质量的测量误差都将叠加到这个小值上，所以传感器直接测量质心位置，精度将受到很大制约。

为提高质心位置测量灵敏度和精度，采用刀口结构，直接将整体质量由刀口承载，在刀口连线的垂直方向布置小量程传感器用来测量由质心偏离引起的偏心力。这样就提高了测量灵敏度与精度。这就是常用的一维天平式质心秤。在此结构上作进一步的改进，上下布置两组相互垂直的刀口结构，就可以形成二维天平式质心秤。但由于计算质心位置需要总质量，所以还需要辅助电子秤进行质量测量。

将上述刀口型质心秤进行创新，采用在一维刀口上放置旋转轴系进行二维质心测量（发明专利ZL 00 1 15925.9），便于动态测量和测量过程自动化。该方法具有结构紧凑、自动化程度高、精度高等优点，缺点是同样由于计算质心位置需要总质量，所以还需要辅助电子秤进行质量测量。

中国专利（ZL 200810049622.8）将上述结构的优点集于一身，将旋转轴系放置在传感器上，可以实行总体质量的称量；转轴由动力机构驱动缓慢转动，通过承物盘带动被测体同步旋转，可以实现偏离量的精确测量。若质心位置不在旋转轴线上，质心将绕旋转轴线作园周运动，此时传感器读数将产生周期性变化，测量一周后将得到最大值与最小值及对应的角度，据此可以计算出其质心位置。最大值与对小值之差是偏离量的两倍，二者之差是对同一传感器而言的，又正好把全量程的系统误差抵消，相当于是同一个传感器的比对测量，其精度明显提高。

而转动惯量测量最好的机构就是中心扭杆，刚性系数线性好使得测量范围大精度高，刚性系数调节量大使得测量适应性好，提供纯扭矩避免引起附加误差，扭动一个初始角度后杆件储能大使得有利于克服摩擦力、摆动周期稳定、测量精度高。

中国专利“一种用于转动惯量测量的双重合扭杆机构”（专利号201120066592.9）就是在这种思维下本申请人完成的发明，采用空心轴作为质心测量转轴的结构，将中心扭杆置于转轴心部。在实际使用上非常麻烦，在质心测量与转动惯量测量转换时，要将扭杆下端固定在轴系的机座上，下端轴系驱动部分要与轴系脱开，使得轴系本身没有附加阻尼，转轴中心端部锁紧难以操作，而且效率很低，该技术本身不具备与质心测量的集成特性。而外围布置的拉伸弹簧型、复摆型和板簧型容易实现和质心测量的集成化，但是外围布置的摆动单元精度明显低于中心扭杆型。

如何将上述具有明显有点的方法集成起来，成为高精度、高效率的新型测量手段一直以来成为业内专业技术人员关注的焦点。

发明内容

本发明的目的正是针对上述现有技术中所存在的不足之处而提供一种基于刀口支撑的中心扭杆式物体质心与转动惯量测量机构。

本发明采用中心轴一轴赋予双功能的方法解决了这个难题，该轴即是测量质心旋转的基准轴系，又是转动惯量测量的摆动扭杆。

本发明在三方面突破了传统的设计理念，第一，扭杆不易刚性过大，否则难以扭转一个具有一定量值的初始角度，认为摆动角度大一些，其摆动稳定、有利于周期测量；第二，刚度过大，摆动频率快不易测量摆动周期；第三，测量质心的转轴刚度要大，驱动摩擦力矩不会引起轴系转角，否则停转时不能马上停止，会往复摆动。

实现本发明目的的具体技术措施如下：

本发明的基于刀口支撑的中心扭杆式物体质心与转动惯量测量机构包括通过轴系机座竖直安装在测试台上的兼具扭杆功能的旋转轴系，安装在旋转轴系顶部的旋转托盘；用于支撑整个旋转系统的前后两个下刀口以共轴线方式分置在轴系机座的前后翼板下方，并通过连接块固定在测试台上；在轴系机座的前后翼板底面上固接有与下刀口的刃口相配合的上平板，上平板放置在下刀口上；在轴系机座的左右翼板的外延端通过板簧压板固定设置有纵置的板簧，所述板簧两端则通过张紧组件中的张紧块和张紧压板张紧，并由固定在测试台上的支座限位，由垫块和固定压板紧固在测试台上（形成以刀口为支点、板簧为储能的摆动振动单元），在轴系机座的左右翼板中的至少一个翼板的外延端下方设置有位移传感器；用于驱动旋转轴系转动的动力机构设置在测试台下方的机座腔体内；用于驱动旋转托盘摆动的机构采用由凸轮状拨杆和驱动挡块组成的拨动机构来实现，所述驱动挡块安装在旋转托盘底面上；所述凸轮状拨杆通过联轴器、电机减速机、电机机座Ⅱ安装在测试台上。

本发明中用于驱动旋转轴系转动的动力机构包括电机减速机、联轴器、被动齿轮、主动齿轮组成的齿轮副、电机机座Ⅰ。（当用于驱动旋转托盘摆动的凸轮状拨杆、驱动挡块处于脱开状态，下端由被动齿轮、主动齿轮组成的齿轮副在电机减速机、联轴器驱动下转动，从而带动旋转托盘同步转动。当所述兼具扭杆功能的旋转轴系在下端由被动齿轮、主动齿轮组成的齿轮副作用下处于不转动的静止状态时，兼具扭杆功能的旋转轴系在上端在凸轮状拨杆、驱动挡块的驱动下产生预设初始角度形成带有扭转变形的扭杆）。

本发明在轴系机座前后翼板的两侧通过支架安装有滚轮组，所述滚轮组与轴系机座翼板之间留置有约束间隙。

本发明中所述上平板放置在下刀口上，工作时处于接触状态，在闲置不工作时处于脱开状态，下刀口与轴系机座的上平板位置关系采用锥销副定位；顶起螺栓、垫块与压紧螺钉、连接快配合使用，实现轴系机座位置上下变化，用于接触或脱开下刀口与上平板。

本发明中用于测量轴系机座由于质心位置变化引起板簧上下浮动而产生的位移变化的位移传感器安装位于板簧压板下方的支座上。

用于驱动旋转托盘摆动的机构采用以旋转轴系轴线为中心的由齿轮与扇形齿轮或单齿齿轮组成的齿轮副构成。

本发明通过在一台设备上完成物体质心和转动惯量测量的这一技术方案的实施，从根本上解决了转动惯量高精度集成测量的难题，并使得测量周期明显缩短。

本发明的有益效果如下：

本发明在这三方面进行了反常规创新设计，共用一根刚度适中的轴系作为转轴和扭杆，采用更小的初始转角、更大的摆动频率测量转动惯量，由于目前周期测量技术手段的进步，在这种情况下测量摆动周期，由于稳定性好，其精度更高；采用具有小转角的轴系测量质心，停转时确实无法马上停止转动，并且在小角度摆动，但是这个摆动并没有带来什么不利影响，而是被用来直接测量摆动周期，计算转动惯量。

高效体现在两方面，一是省去了转轴与扭杆来回替换的操作步骤，节约了时间与人工；二是该发明的另一突破，即利用看似结构的缺陷的低刚度转轴引起的不能及时停转现象，即利用结构在停转时的惯性余摆直接测量转动惯量。

附图说明

图1为本发明的主视图，投影方位为图2的C-C剖视图。

图2是图1的俯视图（除去上面旋转托盘）。

图3是图2的A-A剖视图。

图4是图2的A向视图。

图5是图2的B-B剖视图。

具体实施方式

本发明以下将结合实施例（附图）作以详细的描述：

如图1、2所示，本发明的基于刀口支撑的中心扭杆式物体质心与转动惯量测量机构包括通过轴系机座7竖直安装在测试台上的兼具扭杆功能的旋转轴系1，安装在旋转轴系顶部的旋转托盘12；用于支撑整个旋转系统的前后两个下刀口9以共轴线方式分置在轴系机座7的前后翼板下方，并通过连接块11固定在测试台13上；在轴系机座7的前后翼板底面上固接有与下刀口的刃口相配合的上平板10，上平板10放置在下刀口9上；在轴系机座7 的左右翼板的外延端通过板簧压板8固定设置有纵置的板簧34，所述板簧34两端则通过张紧组件中的张紧块30和张紧压板31张紧，并由固定在测试台13上的支座35限位，由垫块33和固定压板32紧固在测试台13上（形成以刀口为支点、板簧为储能的摆动振动单元），在轴系机座7的左右翼板中的至少一个翼板的外延端下方设置有位移传感器28（参见图5）；用于驱动旋转轴系1转动的动力机构设置在测试台13下方的机座腔体内；用于驱动旋转托盘12摆动的机构采用由凸轮状拨杆4和驱动挡块2组成的拨动机构来实现，所述驱动挡块安装在旋转托盘12底面上；所述凸轮状拨杆4通过联轴器3、电机减速机5、电机机座Ⅱ6安装在测试台13上。

本发明中用于驱动旋转轴系1转动的动力机构包括电机减速机17、联轴器18、被动齿轮、主动齿轮15、16组成的齿轮副、电机机座Ⅰ14。当用于驱动旋转托盘12摆动的凸轮状拨杆4、驱动挡块2处于脱开状态，下端由被动齿轮、主动齿轮15、16组成的齿轮副在电机减速机17、联轴器18驱动下转动，从而带动旋转托盘12同步转动。当所述兼具扭杆功能的旋转轴系1在下端由被动齿轮、主动齿轮15、16组成的齿轮副作用下处于不转动的静止状态时，兼具扭杆功能的旋转轴系1在上端在凸轮状拨杆4、驱动挡块2的驱动下产生预设初始角度形成带有扭转变形的扭杆。

本发明在轴系机座7前后翼板的两侧通过支架20安装有滚轮组19，所述滚轮组19与轴系机座7翼板之间留置有约束间隙（参见图2、3、4）。

本发明中所述上平板10放置在下刀口9上，工作时处于接触状态，在闲置不工作时处于脱开状态，下刀口9与轴系机座7 的上平板10位置关系采用锥销副21、22定位；顶起螺栓23、垫块24与压紧螺钉27、连接快26配合使用，实现轴系机座7位置上下变化，用于接触或脱开下刀口9与上平板10（参见图3、4）。

本发明中用于测量轴系机座7由于质心位置变化引起板簧34上下浮动而产生的位移变化的位移传感器28安装位于板簧压板8下方的支座29上（参见图5）。

用于驱动旋转托盘12摆动的机构也可采用以旋转轴系1轴线为中心的由齿轮与扇形齿轮或单齿齿轮组成的齿轮副构成。

更具体说，在旋转轴系1转动时，为了不让摩擦力带动机座7产生随动，采用滚轮组19限位，滚轮19安装在支架20上。为了传感器位置度得以保证，采用锥销副21、22定位。而顶起螺栓、垫块23、24与压紧螺钉、连接快26、27配合使用，可以使得轴系机座7位置上下变化、连接快26、27相配合，以便下刀口9脱上平板10。位移传感器28用于测量轴系机座7由于质心位置变化而产生的位移变化。

利用本发明的装置进行质心测量时，采用锥销副21、22定位，将被测物体固定在旋转托盘12上，再将锥销副21、22脱开，整个被测物及轴系放置在下刀口9上，此时，旋转托盘12的摆动由凸轮状拨杆4驱动挡块2，处于脱开状态，下端在由被动齿轮、主动齿轮15、16组成的齿轮副的驱动下转动，从而带动旋转托盘12同步转动，质心位置也就绕轴线转动，从而在刀口两侧变化，板簧34将随着质心位置变化而起伏，位移传感器28将测量轴系机座7由于板簧34上下浮动而产生的位移变化。

根据预先标定的位移与力的对应关系，可以得到质心位于两侧最大值时的差值，即可计算物体（含皮重）质心位置，如果需要测量物体本身质心位置，需要在放置物体前测取皮重的质心。通常采用配平法，即利用旋转一周得到的差值在反向加上配重，再次转动测量直到配平为止（残余不平衡量满足精度要求），此时旋转时综合质心位于旋转轴上。根据配重的方位依据静力平衡计算被测物体质心，此时皮重可以用在放置被测物提前进行平衡的方法进行排除。由于刀口灵敏度很高，该方法质心测量精度大幅度提高。

用本发明装置进行转动惯量测量时，由轴系电机减速机17，通过被动齿轮、主动齿轮15、16组成的齿轮副约束旋转轴系1的下端，拨动电机减速机5通过凸轮状拨杆4、挡块2带动旋转托盘12转动一个预设的初始角度，然后凸轮状拨杆4、挡块2脱开，旋转托盘12由扭摆的轴系带动做圆周摆动，通过测量摆动周期进行转动惯量测量。

本申请人同时申请了基于传感器支撑的中心扭杆式物体质量、质心与转动惯量高效率测量机构发明专利，仅从表面看，刀口支撑的中心扭杆式物体质心与转动惯量高效率测量机构和本发明有一定雷同，而且基于传感器的发明还可以测量质量，集成度更高，但从实际应用来看，两个方法各有优缺，适用的范围不同。刀口支撑处是刚性的，支撑稳定性好，传感器由于是靠变形来测量受力大小的，所以支撑是弹性的，刀口支撑下轴线的摆动是沿刀口垂直方向一维摆动，传感器支撑下轴线的摆动是个倒圆锥型。这样在小量程时，传感器支撑型的被测物体晃动不明显，测量过程稳定，量程较大时稳定性变差，测量精度降低，同时物体尺寸大了，带来了失稳风险，从实际经验看小于100kg时用传感器支撑型，大于100kg后采用刀口支撑型更好。所以本发明相对于基于传感器支撑的中心扭杆式物体质量、质心与转动惯量高效率测量机构发明，同样具有创新性和实用价值。

Claims (6)

1.一种基于刀口支撑的中心扭杆式物体质心与转动惯量测量机构，其特征在于：它包括通过轴系机座（7）竖直安装在测试台上的兼具扭杆功能的旋转轴系（1），安装在旋转轴系顶部的旋转托盘（12）；用于支撑整个旋转系统的前后两个下刀口（9）以共轴线方式分置在轴系机座（7）的前后翼板下方，并通过连接块（11）固定在测试台（13）上；在轴系机座(7) 的前后翼板底面上固接有与下刀口的刃口相配合的上平板（10），上平板（10）放置在下刀口（9）上；在轴系机座(7) 的左右翼板的外延端通过板簧压板（8）固定设置有纵置的板簧（34），所述板簧（34）两端则通过张紧组件张紧，并由固定在测试台（13）上的支座（35）限位，由垫块（33）和固定压板（32）紧固在测试台（13）上，在轴系机座(7) 的左右翼板中的至少一个翼板的外延端下方设置有位移传感器（28）；用于驱动旋转轴系（1）转动的动力机构设置在测试台（13）下方的机座腔体内；用于驱动旋转托盘（12）摆动的机构采用由凸轮状拨杆（4）和驱动挡块（2）组成的拨动机构来实现，所述驱动挡块安装在旋转托盘（12）底面上；所述凸轮状拨杆（4）通过联轴器（3）、电机减速机（5）、电机机座Ⅱ（6）安装在测试台（13）上。

2.根据权利要求1所述的基于刀口支撑的中心扭杆式物体质心与转动惯量测量机构，其特征在于：用于驱动旋转轴系（1）转动的动力机构包括电机减速机（17）、联轴器（18）、被动齿轮、主动齿轮（15、16）组成的齿轮副、电机机座Ⅰ（14）。

3.根据权利要求1所述的基于刀口支撑的中心扭杆式物体质心与转动惯量测量机构，其特征在于：在轴系机座（7）前后翼板的两侧通过支架（20）安装有滚轮组（19），所述滚轮组（19）与轴系机座（7）翼板之间留置有约束间隙。

4.根据权利要求1所述的基于刀口支撑的中心扭杆式物体质心与转动惯量测量机构，其特征在于：所述上平板（10）放置在下刀口（9）上，工作时处于接触状态，在闲置不工作时处于脱开状态，下刀口（9）与轴系机座(7) 的上平板（10）位置关系采用锥销副（21、22）定位；顶起螺栓（23）、垫块（24）与压紧螺钉（27）、连接快（26）配合使用，实现轴系机座(7)位置上下变化，用于接触或脱开下刀口（9）与上平板（10）。

5.根据权利要求1所述的基于刀口支撑的中心扭杆式物体质心与转动惯量测量机构，其特征在于：用于测量轴系机座(7)由于质心位置变化引起板簧（34）上下浮动而产生的位移变化的位移传感器（28）安装位于板簧压板（8）下方的支座（29）上。

6.根据权利要求1所述的基于刀口支撑的中心扭杆式物体质心与转动惯量测量机构，其特征在于：用于驱动旋转托盘（12）摆动的机构采用以旋转轴系（1）轴线为中心的由齿轮与扇形齿轮或单齿齿轮组成的齿轮副构成。