CN109163846B - 中心扭杆式物体质量、质心与转动惯量测量机构 - Google Patents

Abstract

一种中心扭杆式物体质量、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），依次安装在旋转轴系顶部的上端齿轮（2）、旋转托盘（12），以均布方式设置在测试台上的三个用于测量质量、质心的称重传感器（9），在轴系机座（7）上以均布的方式设置有三个由中心形周边延伸、并分别与相应位置处设置的称重传感器（9）相配合的翼板；用于驱动旋转轴系（1）转动的动力机构设置在测试台下方的机座（13）腔体内；与上端齿轮（2）相啮合的用于驱动旋转托盘（12）做圆周摆动的单齿齿轮（4）通过联轴器（3）、电机减速机（5）、电机机座Ⅱ（6）安装在测试台上。

Description

中心扭杆式物体质量、质心与转动惯量测量机构

技术领域

本发明涉及一种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。

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。

发明专利（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系线上，质心将绕旋转轴系线作园周运动，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。

实用新型专利“一种用于转动惯量测量的双重合扭杆机构”（专利号201120066592.9）就是在这种思维下完成的，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

本发明的目的就在于克服上述现有技术的不足之处，解决高精度质心测量与中心扭杆转动惯量测量集成化难题。

本发明直接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。

本发明的具体技术措施如下：

本发明的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，依次安装在旋转轴系顶部的上端齿轮、旋转托盘，以均布方式设置在测试台上的三个用于测量质量、质心的称重传感器，在轴系机座上以均布的方式设置有三个由中心形周边延伸、并分别与相应位置处设置的称重传感器相配合的翼板；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；与上端齿轮相啮合的用于驱动旋转托盘做圆周摆动（即扭转一个具有一定量值的初始角度）的单齿齿轮通过联轴器、电机减速机、电机机座Ⅱ安装在测试台上。

本发明中用于驱动兼具扭杆功能的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。（在兼具扭杆功能的旋转轴系的上端齿轮与单齿齿轮处于脱开状态时，在下端由被动齿轮、主动齿轮组成的齿轮副的驱动下转动，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单齿齿轮驱动下产生扭转运动，从而带动旋转托盘产生预设初始角度。）

本发明在轴系机座三个翼板中的至少一个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。具体说，所述滚轮组的设置根据被测产品质量大小可以设置1-3组滚轮组，分别与轴系机座的1-3个翼板相配合。

本发明中所述称重传感器通过连接块固定在机座上，防护垫块位于称重传感器承力端下方；所述称重传感器与轴系机座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，使得轴系机座位置上下变化，承力销用于接触或脱离设置在轴系机座翼板上的垫块。

本发明在轴系机座三个翼板中的一个翼板下方设置有用于测量轴系机座因称重传感器受力而产生的位移变化的位移测量传感器，所述位移测量传感器安装在支座上。

本发明中用于驱动旋转托盘做圆周摆动的机构也可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。

本发明的工作原理如下及有益效果如下：

本发明中的称重传感器通过称重柱销支撑在测试台上，兼具扭杆功能的旋转轴系通过轴承装配于轴系基座中，和旋转轴系固结在一起的旋转托盘承载被测物体同步转动；当旋转轴系的电机减速机通过齿轮副驱动旋转轴系转动时，此时拨动兼具扭杆功能的旋转轴系做圆周摆动的单齿齿轮处于脱开状态；当用于驱动单齿齿轮的电机减速机通过单齿齿轮拨动旋转轴系转动一个预定的初始角度时，此时旋转轴系的电机减速机通过无间隙齿轮副固定旋转轴系下端不能转动，这个初始角度一般取0.5度到3度，初始角的大小对于圆周摆动周期并没有影响，给定一个范围主要是便于与齿轮模数及齿数进行协调。

本发明通过在一台设备上完成物体质量、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。

本发明相比现有技术具有以下优点：

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，目前的测量手段测量摆动周期，其精度、稳定性更好；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，即利用结构余摆直接测量转动惯量。

附图说明

图1为本发明的主视图。

图2是图1的俯视图（除去旋转托盘）。

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1的B向视图。

具体实施方式

本发明以下将结合实施例（附图）作进一步描述：

如图1、2所示，本发明的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，依次安装在旋转轴系顶部的上端齿轮2、旋转托盘12，以均布方式设置在测试台上的三个用于测量质量、质心的称重传感器9，在轴系机座7上以均布的方式设置有三个由中心形周边延伸、并分别与相应位置处设置的称重传感器9相配合的翼板；用于驱动旋转轴系1转动的动力机构设置在测试台下方的机座13腔体内；与上端齿轮2相啮合的用于驱动旋转托盘12做圆周摆动（即扭转一个具有一定量值的初始角度）的单齿齿轮4通过联轴器3、电机减速机5、电机机座Ⅱ6安装在测试台上。

本发明中用于驱动兼具扭杆功能的旋转轴系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。在兼具扭杆功能的旋转轴系1的上端齿轮2与单齿齿轮4处于脱开状态时，在下端由被动齿轮、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；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在上端在单齿齿轮4驱动下产生扭转运动，从而带动旋转托盘12产生预设初始角度。

本发明本发明在轴系机座7三个翼板中的至少一个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。具体说，所述滚轮组的设置根据被测产品质量大小可以设置1-3组滚轮组，分别与轴系机座7的1-3个翼板相配合。

本发明中所述称重传感器9通过连接块11固定在机座13上，防护垫块25位于称重传感器承力端下方；所述称重传感器9与轴系机座7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，使得轴系机座7位置上下变化，承力销8用于接触或脱离设置在轴系机座7翼板上的垫块10（参见图3、4）。

本发明在轴系机座7三个翼板中的一个翼板下方设置有用于测量轴系机座(7)因称重传感器受力而产生的位移变化的位移测量传感器28，所述位移测量传感器28安装在支座29上（参见图5）。

本发明中用于驱动旋转托盘12做圆周摆动的机构也可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12底面上。

进一步说，本发明测量机构的被测体安装在测试台上的旋转托盘12，旋转托盘12固定在旋转轴系1上，旋转轴系1以悬浮的方式通过其轴系机座7放置在以均布方式安装在机座13上的三个用于测量质量、质心的称重传感器9，称重传感器9通过连接块11固定在机座13上，防护垫块25位于传感器承力端下方。

旋转轴系1由轴系电机减速机17通过联轴器18、齿轮副15、16驱动，轴系电机减速机17以装配的方式通过电机机座Ⅰ14固定在轴系机座7上，由被动齿轮、主动齿轮15、16组成的齿轮副采用无间隙装配方式；旋转托盘12的摆动由单齿齿轮4驱动上端齿轮2来实现，动力由电机减速机5通过联轴器3提供动力，拨动电机减速机5安装在电机机座Ⅱ6上，电机机座Ⅱ6固定在机座13上。

在旋转轴系1转动时，为了不让摩擦力带动轴系机座7产生随动，采用滚轮组19限位，滚轮19安装在支架20上。为了三个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与连接快、压紧螺钉26、27配合使用，可以实现轴系机座7位置上下变化，以便承力销8脱开垫块10，使得称重传感器9不再受力。位移测量传感器28安装在支座29上，用于测量轴系机座(7)由于传感器受力而产生的位移变化。

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，三个称重传感器9分别读取各自受力值，根据静力平衡方程即可计算物体（含皮重）质心位置。如果需要测量物体本身质心位置，需要在放置物体前读取传感器初始读数，计算式将放置物体后读数减去初始读数即可。这样计算每个传感器的绝对误差全部参与计算，质心精度较低。为了提高精度，采用锥销副21、22定位，分别转动致90 º、180 º、270 º，再将锥销副21、22脱开，读取转动0º、180 º前后两组数计算一个质心分量，90º、270º两组数计算另一个垂直分量，可以明显提高测量精度。

图2中，称重传感器9距中心距离为R1，在横轴的投影为R2，质心C点的横轴投影为Xc，重量为P，对应三个传感器读数分别为Pa、Pb、Pc：

0º时对竖轴取矩：Pa1R1-PXc=(Pb1+Pc1）R2 (1)

180º时对竖轴取矩：Pa2R1 =(Pb2+Pc2）R2 -PXc (2)

由式(1)可得：Xc=[ +PXc-(Pb1+Pc1)R2]/P (3)

由式(2)-(1)整理：Xc={[(Pb2-Pb1)+(Pc2-Pc1)]R2-(Pa2-Pa1)R1}/2P (4)

通过比较式(3)与式(4)，一个是采用的全部传感器的读数直接计算，其绝对误差均计入计算结果，另一个则是三个传感器两组读数的差值参与计算，相当于每个传感器的自比对测量，其系统误差被消除了，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通过由被动齿轮、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通过单齿齿轮4驱动上端齿轮2，带动旋转托盘12转动一个预设的初始角度，然后单齿齿轮4和齿轮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。

本申请人同时还申请了基于刀口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量、质心与转动惯量高效率测量机构和本发明有很大雷同，本发明可以测量质量，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。

Claims (6)

1.一种中心扭杆式物体质量、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），依次安装在旋转轴系顶部的上端齿轮（2）、旋转托盘（12），以均布方式设置在测试台上的三个用于测量质量、质心的称重传感器（9），在轴系机座（7）上以均布的方式设置有三个由中心形周边延伸、并分别与相应位置处设置的称重传感器（9）相配合的翼板；用于驱动旋转轴系（1）转动的动力机构设置在测试台下方的机座（13）腔体内；与上端齿轮（2）相啮合的用于驱动旋转托盘（12）做圆周摆动的单齿齿轮（4）通过联轴器（3）、电机减速机（5）、电机机座Ⅱ（6）安装在测试台上。

2.根据权利要求1所述的中心扭杆式物体质量、质心与转动惯量测量机构，其特征在于：用于驱动兼具扭杆功能的旋转轴系（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所述的中心扭杆式物体质量、质心与转动惯量测量机构，其特征在于：在轴系机座（7）三个翼板中的至少一个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所述的中心扭杆式物体质量、质心与转动惯量测量机构，其特征在于：所述称重传感器（9）通过连接块（11）固定在机座（13）上，防护垫块（25）位于称重传感器承力端下方；称重传感器（9）与轴系机座(7)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，承力销（8）用于接触或脱离设置在轴系机座（7）翼板上的垫块（10）。

5.根据权利要求1所述的中心扭杆式物体质量、质心与转动惯量测量机构，其特征在于：在轴系机座（7）三个翼板中的一个翼板下方设置有用于测量轴系机座(7)因称重传感器受力而产生的位移变化的位移测量传感器（28），所述位移测量传感器（28）安装在支座（29）上。

6.根据权利要求1所述的中心扭杆式物体质量、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）做圆周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（12）底面上。