CN109540384A - 一种基于力矩平衡原理的二维质心测量装置及方法 - Google Patents

一种基于力矩平衡原理的二维质心测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于力矩平衡原理的二维质心测量装置及方法，包括二维主刀，二维主刀包括上下两个相互正交的刀子以及处于两个刀子之间的刀承，测量装置包含两个电磁力矩器1，用于测量时砝码粗配后的测量装置平衡，工装定位销与产品定位销分别用于产品工装与被测产品的定位；顶升机构将测量平台顶升，从而脱离二维主刀；二维副刀为配重砝码提供准确的力点位置，其中电磁力矩器、二维副刀、配重砝码均在水平面内的两个正交方向上各有一个。

Description

一种基于力矩平衡原理的二维质心测量装置及方法
技术领域
本发明属于质心测量领域，具体涉及一种基于力矩平衡原理的二维质心测量装置及方法。
背景技术
质心是飞行器的重要静态参数之一，将直接影响到飞行器的飞行姿态，及至影响到系统的命中概率，目前国内外质量质心测试主要采用多点支承称重法。多支点称重法的基本测试原理是用三个或更多的称重传感器共同支承被测物体，使得各传感器受力，再结合各传感器相对基准中心点的位置求矩计算得到。该测试方法较为为简单，并且可以同时测量出质量和质心参数，但采用这种方法由于受制于传感器的精度及安装误差，一般其准确度也难以达到较高的水平。
发明内容
本发明的目的在于：通过采用力矩平衡的原理实现被测产品二维质心的高准确度测量。
本发明的技术方案如下：一种基于力矩平衡原理的二维质心测量装置，包括二维主刀，二维主刀包括上下两个相互正交的刀子以及处于两个刀子之间的刀承，测量装置包含两个电磁力矩器1，用于测量时砝码粗配后的测量装置平衡，工装定位销与产品定位销分别用于产品工装与被测产品的定位；顶升机构将测量平台顶升，从而脱离二维主刀；二维副刀为配重砝码提供准确的力点位置，其中电磁力矩器、二维副刀、配重砝码均在水平面内的两个正交方向上各有一个。
一种基于力矩平衡原理的二维质心测量装置的测量方法，包括以下步骤：
S1：在顶升机构顶起的状态下安装产品工装，刀子坐标系定义为以二维主刀的中心点为原点，在水平方向内的其中一个刀线方向定义为Y向，另一个刀线方向为Z向；
S2：安装完成后降下顶升机构，对产品工装进行配平，假设此时在YZ两个方向上的配平载荷分别为dY1和dZ1；
S3：启动顶升机构再次顶起测量平台，安装被测产品；
S4：被测产品安装完成后降下顶升机构，假设两个二维副刀的刀点距二维主刀的刀点水平距离在Y向和Z向分别为LY和LZ，由三点称重法测量得到被测产品的质心位置为YG和ZG，被测产品的质量为M，那么测量时在YZ两个方向上的配平质量为如式(1)和式(2)中的的mY和mZ；
S5：采用配重砝码进行加载；
S6：启动电磁力矩器使测量平台处于平衡状态，设由两个电磁力矩器加载的载荷量折算至二维副刀的刀点位置的载荷量分别为mY'和mZ'，则实际总的配平载荷分别为及因其中包含了用于配平产品工装的配平载荷dY1和dZ1，所以实际用于平衡被测产品7的载荷为因此被测产品7的质心坐标如以下两式所示；
式中：
Y1—在刀子坐标系内，被测产品在竖直状态下横向质心的Y向坐标，mm；
Z1—在刀子坐标系内，被测产品在竖直状态下横向质心的Z向坐标，mm；
S7：将刀子坐标系内的坐标值转化至产品坐标系内的坐标，得以下两式；
式中：
Y1'—在被测产品坐标系内，被测产品在竖直状态下横向质心的Y向坐标；
Z1'—在被测产品坐标系内，被测产品在竖直状态下横向质心的Z向坐标；
Yr—被测产品坐标系原点在以刀子所确定的坐标系内的Y向坐标；
Zr—被测产品坐标系原点在以刀子所确定的坐标系内的Z向坐标；
S8：该次测量完成后，启动顶升机构再次顶起测量平台，将被测产品绕垂直轴线旋转180度后，再次定位并紧固；
S9：重复上述第S4至S7步骤，得到产品坐标系内的第组质心坐标值X2’和Y2’；
S10：由以上2组质心坐标值计算被测产品的质心位置坐标X＝(X1’+X2’)/2，Y＝(Y1’+Y2’)/2。
所述S1中，使用工装定位销定位。
所述S2中，使用配重砝码以及电磁力矩器对产品工装进行配平。
所述S3中，使用产品定位销与产品工装进行定位。
所述S5中，将mY和mZ值取整至整千克数并采用配重砝码进行加载。
所述S8中，使用产品定位销定位并紧固。
所述S5中，单位为kg。
所述S5中，若加载后系统的偏载超出了电磁力矩器的调节能力，则根据偏载方向改变加载载荷，直至系统处于电磁力矩器可控范围内，设此时实际加载的砝码分别设为和即mY和mZ的取整。
所述S7中，Y1'、Z1'Yr、Zr的单位为mm。
本发明的显著效果在于：
(1)采用该二维质心测量装置可以在一次装卡条件下测量产品二个坐标方向的质心位置，测量精度不超过0.1mm，相比传统的三点称重法质心测量装置测量准确度有较大提升；
(2)通过产品工装的设计，使产品在不同方位下安装于测量平台上，即可得到产品的三维质心。
(3)目前已应用该二维质心测量对航天型号产品进行了实际使用，达到了预期的技术指标要求。
附图说明
图1为本发明所述的基于力矩平衡原理的二维质心测量装置示意图
图2为本发明所述的基于力矩平衡原理的二维质心测量装置俯视图图中：1—电磁力矩器，2—测量平台，3—工装定位销，4—产品定位销，5—产品工装，6—二维主刀，7—被测产品，8—顶升机构，9—二维副刀，10—标准砝码
具体实施方式
一种基于力矩平衡原理的二维质心测量装置，包括二维主刀6，二维主刀6包括上下两个相互正交的刀子以及处于两个刀子之间的刀承，测量装置包含两个电磁力矩器1，用于测量时砝码粗配后的测量装置平衡，工装定位销3与产品定位销4分别用于产品工装5与被测产品7的定位；顶升机构8将测量平台2顶升，从而脱离二维主刀6；二维副刀9为配重砝码10提供准确的力点位置，其中电磁力矩器1、二维副刀9、配重砝码10均在水平面内的两个正交方向上各有一个；
一种基于力矩平衡原理的二维质心测量方法，包括以下步骤：
S1：在顶升机构8顶起的状态下安装产品工装5，并使用工装定位销3定位，刀子坐标系定义为以二维主刀6的中心点为原点，在水平方向内的其中一个刀线方向定义为Y向，另一个刀线方向为Z向；
S2：安装完成后降下顶升机构8，使用配重砝码10以及电磁力矩器1对产品工装5进行配平，假设此时在YZ两个方向上的配平载荷分别为dY1和dZ1。
S3：启动顶升机构8再次顶起测量平台2，安装被测产品7，并使用产品定位销4与产品工装5进行定位。
S4：被测产品7安装完成后降下顶升机构8，假设两个二维副刀9的刀点距二维主刀6的刀点水平距离在Y向和Z向分别为LY和LZ，由三点称重法测量得到被测产品7的质心位置为YG和ZG，被测产品7的质量为M，那么测量时理论上在YZ两个方向上的配平质量应为如式(1)和式(2)中的的mY和mZ。
S5：将mY和mZ值取整至整千克数并采用配重砝码10进行加载，若加载后系统的偏载超出了电磁力矩器1的调节能力，则根据偏载方向改变加载载荷，直至系统处于电磁力矩器1可控范围内，设此时实际加载的砝码分别设为和即mY和mZ的取整，单位为kg；
S6：启动电磁力矩器1使测量平台2处于平衡状态，设由两个电磁力矩器1加载的载荷量折算至二维副刀9的刀点位置的载荷量分别为mY'和mZ'，则实际总的配平载荷分别为及因其中包含了用于配平产品工装5的配平载荷dY1和dZ1，所以实际用于平衡被测产品7的载荷为因此被测产品7的质心坐标如以下两式所示。
式中：
Y1—在刀子坐标系内，被测产品在竖直状态下横向质心的Y向坐标，mm；
Z1—在刀子坐标系内，被测产品在竖直状态下横向质心的Z向坐标，mm；
S7：将刀子坐标系内的坐标值转化至产品坐标系内的坐标，可得以下两式。
式中：
Y1'—在被测产品坐标系内，被测产品在竖直状态下横向质心的Y向坐标，mm；
Z1'—在被测产品坐标系内，被测产品在竖直状态下横向质心的Z向坐标，mm；
Yr—被测产品坐标系原点在以刀子所确定的坐标系内的Y向坐标，mm；
Zr—被测产品坐标系原点在以刀子所确定的坐标系内的Z向坐标，mm。
S8：该次测量完成后，启动顶升机构8再次顶起测量平台2，将被测产品7绕垂直轴线旋转180度后，再次使用产品定位销4定位并紧固。
S9：重复上述第S4至S7步骤，得到产品坐标系内的第2组质心坐标值X2’和Y2’。
S10：由以上2组质心坐标值计算被测产品的质心位置坐标X＝(X1’+X2’)/2，Y＝(Y1’+Y2’)/2。

Claims (10)

1.一种基于力矩平衡原理的二维质心测量装置，其特征在于：包括二维主刀(6)，二维主刀(6)包括上下两个相互正交的刀子以及处于两个刀子之间的刀承，测量装置包含两个电磁力矩器(1)，用于测量时砝码粗配后的测量装置平衡，工装定位销(3)与产品定位销(4)分别用于产品工装(5)与被测产品(7)的定位；顶升机构(8)将测量平台(2)顶升，从而脱离二维主刀(6)；二维副刀(9)为配重砝码(10)提供准确的力点位置，其中电磁力矩器(1)、二维副刀(9)、配重砝码(10)均在水平面内的两个正交方向上各有一个。
2.一种应用如权利要求1所述的基于力矩平衡原理的二维质心测量装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：在顶升机构(8)顶起的状态下安装产品工装(5)，刀子坐标系定义为以二维主刀(6)的中心点为原点，在水平方向内的其中一个刀线方向定义为Y向，另一个刀线方向为Z向；
S2：安装完成后降下顶升机构(8)，对产品工装(5)进行配平，假设此时在YZ两个方向上的配平载荷分别为dY1和dZ1；
S3：启动顶升机构(8)再次顶起测量平台(2)，安装被测产品(7)；
S4：被测产品(7)安装完成后降下顶升机构(8)，假设两个二维副刀(9)的刀点距二维主刀(6)的刀点水平距离在Y向和Z向分别为LY和LZ，由三点称重法测量得到被测产品(7)的质心位置为YG和ZG，被测产品(7)的质量为M，那么测量时在YZ两个方向上的配平质量为如式(1)和式(2)中的的mY和mZ；
S5：采用配重砝码(10)进行加载；
S6：启动电磁力矩器(1)使测量平台(2)处于平衡状态，设由两个电磁力矩器(1)加载的载荷量折算至二维副刀(9)的刀点位置的载荷量分别为mY'和mZ'，则实际总的配平载荷分别为及因其中包含了用于配平产品工装(5)的配平载荷dY1和dZ1，所以实际用于平衡被测产品(7)的载荷为 因此被测产品(7)的质心坐标如以下两式所示；
式中：
Y1—在刀子坐标系内，被测产品在竖直状态下横向质心的Y向坐标，mm；
Z1—在刀子坐标系内，被测产品在竖直状态下横向质心的Z向坐标，mm；
S7：将刀子坐标系内的坐标值转化至产品坐标系内的坐标，得以下两式；
式中：
Y1'—在被测产品坐标系内，被测产品在竖直状态下横向质心的Y向坐标；
Z1'—在被测产品坐标系内，被测产品在竖直状态下横向质心的Z向坐标；
Yr—被测产品坐标系原点在以刀子所确定的坐标系内的Y向坐标；
Zr—被测产品坐标系原点在以刀子所确定的坐标系内的Z向坐标；
S8：该次测量完成后，启动顶升机构(8)再次顶起测量平台(2)，将被测产品(7)绕垂直轴线旋转180度后，再次定位并紧固；
S9：重复上述第S4至S7步骤，得到产品坐标系内的第2组质心坐标值X2’和Y2’；
S10：由以上2组质心坐标值计算被测产品的质心位置坐标X＝(X1’+X2’)/2，Y＝(Y1’+Y2’)/2。
3.根据权利要求2所述的一种基于力矩平衡原理的二维质心测量方法，其特征在于：所述S1中，使用工装定位销(3)定位。
4.根据权利要求2所述的一种基于力矩平衡原理的二维质心测量方法，其特征在于：所述S2中，使用配重砝码(10)以及电磁力矩器(1)对产品工装(5)进行配平。
5.根据权利要求2所述的一种基于力矩平衡原理的二维质心测量方法，其特征在于：所述S3中，使用产品定位销(4)与产品工装(5)进行定位。
6.根据权利要求2所述的一种基于力矩平衡原理的二维质心测量方法，其特征在于：所述S5中，将mY和mZ值取整至整千克数并采用配重砝码(10)进行加载。
7.根据权利要求2所述的一种基于力矩平衡原理的二维质心测量方法，其特征在于：所述S8中，使用产品定位销(4)定位并紧固。
8.根据权利要求2所述的一种基于力矩平衡原理的二维质心测量方法，其特征在于：所述S5中，单位为kg。
9.根据权利要求2所述的一种基于力矩平衡原理的二维质心测量方法，其特征在于：所述S5中，若加载后系统的偏载超出了电磁力矩器(1)的调节能力，则根据偏载方向改变加载载荷，直至系统处于电磁力矩器(1)可控范围内，设此时实际加载的砝码分别设为和即mY和mZ的取整。
10.根据权利要求2所述的一种基于力矩平衡原理的二维质心测量方法，其特征在于：所述S7中，Y1'、Z1'Yr、Zr的单位为mm。
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