CN109540387B - 一种基于力矩平衡原理的轴向质心测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于力矩平衡原理的轴向质心测量装置及方法，包括一级平台，一级平台直接作用在主刀上方，主刀用以支撑一级平台及其上方的部件并保持平衡；电磁力矩器，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；二级平台布置在一级平台上方，并绕平台转轴在一级平台上倾斜，垫块用于支撑二级平台使其和一级平台形成固定的倾斜夹角，顶升机构将一级平台及其上方的部件顶起，从而脱离主刀；二维副刀为配重砝码提供力点位置。
Description
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轴向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轴向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轴向质心测量装置，包括一级平台，一级平台直接作用在主刀上方，主刀用以支撑一级平台及其上方的部件并保持平衡；电磁力矩器，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；二级平台布置在一级平台上方，并绕平台转轴在一级平台上倾斜，垫块用于支撑二级平台使其和一级平台形成固定的倾斜夹角，顶升机构将一级平台及其上方的部件顶起，从而脱离主刀；二维副刀为配重砝码提供力点位置。
一种基于力矩平衡原理的轴向质心测量装置的测量方法，包括以下步骤：
第1步：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主刀的中心点为原点，在水平方向内垂直于二级平台旋转轴线的刀线方向定义为Y向；
第2步：安装完成后降下顶升机构，对产品工装在Y向进行配平，假设此时Y向配平载荷为dy1；
第3步：启动顶升机构顶起一级平台，然后倾斜二级平台使其绕平台转轴旋转到位，放置垫块，使二级平台支撑在垫块上，保持固定的角度；
第4步：降下顶升机构，对倾斜后的产品工装进行配平，设此时的Y向配平载荷为dy2；
第5步：启动顶升机构再次顶起一级平台，将二级平台置于水平状态，安装被测产品；
第6步：被测产品安装完成后降下顶升机构，假设Y向的二维副刀的刀点距主刀的刀线水平距离为LY，由三点称重法测量得到被测产品的质心位置为YG，那么测量时理论上在Y向上的配平质量应为如下的mY；
式中：
M——被测产品的质量，kg；
第7步：采用配重砝码进行加载，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为
第8步：启动电磁力矩器使一级平台在Y向处于平衡状态，设由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为mY'，则总的配平载荷为
因其中包含了用于配平产品工装的配平载荷dy1，所以实际用于平衡被测产品的载荷为
因此被测产品在二级平台水平状态下的Y向质心坐标如下式Y1所示；
式中：
第9步：启动顶升机构再次顶起一级平台，然后倾斜二级平台使其绕平台转轴旋转到位，移动垫块至特定位置，使二级平台支撑在垫块上；
第10步：假设由三点称重法测量得到二级平台倾斜状态下被测产品的质心位置为YG2，那么测量时理论上在Y向上的配平质量应为如下的mY2。
采用配重砝码进行加载，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为
第11步：启动电磁力矩器配平后，设由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为mY2'，则实际配平载荷为
因其中包含了用于配平倾斜状态下产品工装5的配平载荷，所以用于平衡被测产品的载荷为
因此倾斜状态下被测产品的质心坐标在Y向上如下式中的Y2所示；
式中：
第12步：轴向质心的位置解算按下式进行，其中a为被测产品的质心位置距底平面的垂直距离，即轴向质心位置。
式中：
L—被测产品的总长，即顶点距底平面之间的垂直距离；
S—二级平台的旋转轴到主刀的刀点在水平面内的距离；
α—二级平台的倾斜角度；
t—产品工装上平面到平台转轴在竖直方向上的距离。
所述第1步中，使用工装定位销定位。
所述第2步中，使用配重砝码以及电磁力矩器对产品工装在Y向进行配平,。
所述第4步中，使用配重砝码1及电磁力矩器对倾斜后的产品工装进行配平。
所述第5步中，使用产品定位销与产品工装进行定位。
所述第7步中，将mY取整至整千克数并采用配重砝码进行加载。
所述第10步中，将mY2取整至整千克数并采用配重砝码进行加载。
所述第11步中，mY2的单位为kg。
所述二级平台布置在一级平台上方，并绕平台转轴在一级平台上倾斜7°～8°。
本发明的显著效果在于：
(1)实现了被测产品在竖直吊装条件下竖直放置的状态测量产品的轴向质心，避免了产品的水平放置状态，巧妙避开了复杂的水平工装设计和制造。
(2)配合二维主刀可实现在一次装卡条件下测量产品三个坐标方向的质心位置，横向质心测量精度不超过0.1mm，轴向质心测量精度不超过1mm；
(3)整个过程的测量效率大幅提高，由于避免了被测对象水平固定工装的制造加工、调试和安装步骤，整个测量过程可缩短至1h以内。
附图说明
图1为本发明所述的基于力矩平衡原理的轴向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轴向质心测量装置俯视图
图中：1—电磁力矩器，2—一级平台，3—工装定位销，4—产品定位销，5—产品工装，6—主刀，7—被测产品，8—顶升机构，9—二维副刀，10—配重砝码，11—平台转轴，12—二级平台，13—垫块
具体实施方式
一种基于力矩平衡原理的轴向质心测量装置，包括一级平台2，一级平台2直接作用在主刀6上方，主刀6用以支撑一级平台2及其上方的部件并保持平衡；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；二级平台12布置在一级平台2上方，并可绕平台转轴11在一级平台2上倾斜7°～8°，垫块13用于支撑二级平台12使其和一级平台2形成固定的倾斜夹角，顶升机构8将一级平台2及其上方的部件顶起，从而脱离主刀6；二维副刀9为配重砝码10提供准确的力点位置。
一种基于力矩平衡原理的轴向质心测量方法，包括以下步骤：
第1步：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主刀6的中心点为原点，在水平方向内垂直于二级平台12旋转轴线的刀线方向定义为Y向；
第2步：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在Y向进行配平，假设此时Y向配平载荷为dy1；
第3步：启动顶升机构8顶起一级平台2，然后倾斜二级平台12使其绕平台转轴11旋转到位，放置垫块13，使二级平台12支撑在垫块13上，保持固定的角度；
第4步：降下顶升机构8，使用配重砝码10以及电磁力矩器1对倾斜后的产品工装5进行配平，设此时的Y向配平载荷为dy2；
第5步：启动顶升机构8再次顶起一级平台2，将二级平台12置于水平状态，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；
第6步：被测产品7安装完成后降下顶升机构8，假设Y向的二维副刀9的刀点距主刀6的刀线水平距离为LY，由三点称重法测量得到被测产品7的质心位置为YG，那么测量时理论上在Y向上的配平质量应为如下的mY；
式中：
M——被测产品7的质量，kg；
第7步：将mY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为
第8步：启动电磁力矩器1使一级平台2在Y向处于平衡状态，设由电磁力矩器1加载的载荷量折算至二维副刀9的刀点位置的载荷量为mY'，则总的配平载荷为
因其中包含了用于配平产品工装5的配平载荷dy1，所以实际用于平衡被测产品7的载荷为
因此被测产品7在二级平台12水平状态下的Y向质心坐标如下式Y1所示；
式中：
第9步：启动顶升机构8再次顶起一级平台2，然后倾斜二级平台12使其绕平台转轴11旋转到位，移动垫块13至特定位置，使二级平台12支撑在垫块13上；
第10步：假设由三点称重法测量得到二级平台12倾斜状态下被测产品7的质心位置为YG2，那么测量时理论上在Y向上的配平质量应为如下的mY2。
将mY2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为
第11步：启动电磁力矩器1配平后，设由电磁力矩器1加载的载荷量折算至二维副刀9的刀点位置的载荷量为mY2'，则实际配平载荷为
因其中包含了用于配平倾斜状态下产品工装5的配平载荷，所以用于平衡被测产品7的载荷为
因此倾斜状态下被测产品7的质心坐标在Y向上如下式中的Y2所示；
式中：
第12步：轴向质心的位置解算按下式进行，其中a为被测产品7的质心位置距底平面的垂直距离，即轴向质心位置。
式中：
L—被测产品7的总长，即顶点距底平面之间的垂直距离；
S—二级平台12的旋转轴到主刀6的刀点在水平面内的距离；
α—二级平台12的倾斜角度；
t—产品工装5上平面到平台转轴11在竖直方向上的距离。
Claims (8)
1.一种基于力矩平衡原理的轴向质心测量装置，其特征在于：包括一级平台(2)，一级平台(2)直接作用在主刀(6)上方，主刀(6)用以支撑一级平台(2)及其上方的部件并保持平衡；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；二级平台(12)布置在一级平台(2)上方，并绕平台转轴(11)在一级平台(2)上倾斜，垫块(13)用于支撑二级平台(12)使其和一级平台(2)形成固定的倾斜夹角，顶升机构(8)将一级平台(2)及其上方的部件顶起，从而脱离主刀(6)；二维副刀(9)为配重砝码(10)提供力点位置。
2.一种应用如权利要求1所述的基于力矩平衡原理的轴向质心测量装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
第1步：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主刀(6)的中心点为原点，在水平方向内垂直于二级平台(12)旋转轴线的刀线方向定义为Y向；
第2步：安装完成后降下顶升机构(8)，对产品工装(5)在Y向进行配平，假设此时Y向配平载荷为dy1；
第3步：启动顶升机构(8)顶起一级平台(2)，然后倾斜二级平台(12)使其绕平台转轴(11)旋转到位，放置垫块(13)，使二级平台(12)支撑在垫块(13)上，保持固定的角度；
第4步：降下顶升机构(8)，对倾斜后的产品工装(5)进行配平，设此时的Y向配平载荷为dy2；
第5步：启动顶升机构(8)再次顶起一级平台(2)，将二级平台(12)置于水平状态，安装被测产品(7)；
第6步：被测产品(7)安装完成后降下顶升机构(8)，假设Y向的二维副刀(9) 的刀点距主刀(6)的刀线水平距离为LY，由三点称重法测量得到被测产品(7)的质心位置为YG，那么测量时理论上在Y向上的配平质量应为如下的mY；
式中：
M——被测产品(7)的质量，kg；
第7步：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为
第8步：启动电磁力矩器(1)使一级平台(2)在Y向处于平衡状态，设由电磁力矩器(1)加载的载荷量折算至二维副刀(9)的刀点位置的载荷量为mY'，则总的配平载荷为
因其中包含了用于配平产品工装(5)的配平载荷dy1，所以实际用于平衡被测产品(7)的载荷为
因此被测产品(7)在二级平台(12)水平状态下的Y向质心坐标如下式Y1所示；
式中：
第9步：启动顶升机构(8)再次顶起一级平台(2)，然后倾斜二级平台(12)使其绕平台转轴(11)旋转到位，移动垫块(13)至特定位置，使二级平台(12)支撑在垫块(13)上；
第10步：假设由三点称重法测量得到二级平台(12)倾斜状态下被测产品(7)的质心位置为YG2，那么测量时理论上在Y向上的配平质量应为如下的mY2；
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为
第11步：启动电磁力矩器(1)配平后，设由电磁力矩器(1)加载的载荷量折算至二维副刀(9)的刀点位置的载荷量为mY2'，则实际配平载荷为
因其中包含了用于配平倾斜状态下产品工装(5)的配平载荷，所以用于平衡被测产品(7)的载荷为
因此倾斜状态下被测产品(7)的质心坐标在Y向上如下式中的Y2所示；
式中：
第12步：轴向质心的位置解算按下式进行，其中a为被测产品(7)的质心位置距底平面的垂直距离，即轴向质心位置；
式中：
L—被测产品(7)的总长，即顶点距底平面之间的垂直距离；
S—二级平台(12)的旋转轴到主刀(6)的刀点在水平面内的距离；
α—二级平台(12)的倾斜角度；
t—产品工装(5)上平面到平台转轴(11)在竖直方向上的距离。
3.根据权利要求2所述的一种基于力矩平衡原理的轴向质心测量方法，其特征在于：所述第2步中，使用配重砝码(10)以及电磁力矩器(1)对产品工装(5)在Y向进行配平,。
4.根据权利要求2所述的一种基于力矩平衡原理的轴向质心测量方法，其特征在于：所述第4步中，使用配重砝码(10)以及电磁力矩器(1)对倾斜后的产品工装(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轴向质心测量方法，其特征在于：所述第7步中，将mY取整至整千克数并采用配重砝码(10)进行加载。
6.根据权利要求2所述的一种基于力矩平衡原理的轴向质心测量方法，其特征在于：所述第10步中，将mY2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轴向质心测量方法，其特征在于：所述第11步中，mY2的单位为kg。
8.根据权利要求1所述的一种基于力矩平衡原理的轴向质心测量装置，其特征在于：所述二级平台(12)布置在一级平台(2)上方，并绕平台转轴(11)在一级平台(2)上倾斜7°～8°。
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