CN109900428A - 一种重心位置测定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种重心位置测定装置，包括支架、固定安装在所述支架上的摆架组件以及平衡砣，所述摆架组件包括转轴、与所述转轴的一端固定连接的导轨组件以及与所述转轴的另一端固定安装的工件连接盘，所述导轨组件包括呈“T”型相互垂直设置的水平丝杠导轨和垂直丝杠导轨；所述平衡砣包括分别能够沿所述水平丝杠导轨和所述垂直丝杠导轨运动的水平平衡砣和垂直平衡砣。通过本申请提供的重心位置测定装置及方法，可以精确的测量大型工件的重心坐标，还可以精确测定工件因重心偏离引起的重力距，应用于大型风轮的单叶片静平衡工艺。

Description

一种重心位置测定装置及方法

技术领域

本发明涉及重心测定技术领域，尤其涉及一种重心位置测定装置及方法。

背景技术

对于某些设备或工件，在其使用或加工过程中，需要确定其重心位置，目前有两种方法可以使用，一是通过CAD软件确定，这种方法一般是在工件设计阶段使用，还没有真实样品之前就可以确定其理论重心位置，但是由于实物制作过程中存在着形状和尺寸误差及材质均匀程度不同，其真实重心坐标与理论重心坐标会有偏离。另一种方案是等实物样品出来后，对其进行实测，如悬挂法测量重心位置，这种方案仅适合于尺寸较小的工件，而且在实际操作过程中也会有较大误差，对于大型物件使用此方法找重心更是不方便。

转子平衡工艺是旋转机械在制作过程中必不可少的工艺过程，对于轴向厚度比较薄，转速较慢的转子，采用单面静平衡具有足够的精度。目前采用重力法判断叶轮重心位置，是最普遍的静平衡方法，其中一种方式是采用静平衡支架，支架上面固定两根相互平行的水平导轨，工件(叶轮或其它转子)串一根芯轴后搁置其上，如叶轮有不平衡量，叶轮就会旋转，使重心指向下方。这种装置具有结构简单、操作方便、投资成本省等优点，它的缺点是仅适用于小型转子的平衡。对于较大直径的叶轮，大多厂家采用重量配对法，即对每个叶片称重，把重量相同或相近的叶片安装在对称位置，这种方法对材质均匀，叶片成型误差小的转子具有一定的效果，但对一些手糊成型的如玻璃钢材质叶片或拉拔铝型材叶片来说，此方法效果不好，这些叶片在成型过程中不能严格控制叶片的重心位置，虽然用重量配对了，但因为叶片的重心位置误差较大，叶轮的不平衡量还是不能得到控制。

目前也有厂家采用力矩配对法来控制不平衡量，即采用力矩称装置对每个叶片测量重力矩，使力矩相同或相近的叶片安装在对称位置，与重量配对相比，效果会有所提高，但还是不能完全解决问题，因为这种工艺仅解决了叶片重心在径向的位置误差，对在旋转平面内周向(旋转方向)重心位置误差没有办法解决。造成这个误差的最主要原因是叶片叶柄的形位误差，对于长度较大的叶片来说，叶柄安装面的一个微小偏差可以引起叶片重心位置较大的改变。

发明内容

基于此，本发明提供一种测定物件重心位置的装置，特别适用于测定大型物件的重心坐标。

为达到上述目的，本发明提供了一种重心位置测定装置，包括支架、固定安装在支架上的摆架组件以及平衡砣，摆架组件包括转轴、与转轴的一端固定连接的导轨组件以及与转轴的另一端固定安装的工件连接盘，导轨组件包括呈“T”型相互垂直设置的水平丝杠导轨和垂直丝杠导轨；

平衡砣包括分别能够沿水平丝杠导轨和垂直丝杠导轨运动的水平平衡砣和垂直平衡砣。

在其中一个实施方式中，摆架组件还包括水平仪，水平仪固定安装在水平丝杠导轨上。通过安装水平仪，以检测水平丝杠导轨的水平度。

在其中一个实施方式中，水平平衡砣和垂直平衡砣均为组合式结构。通过设置组合式结构，可以根据不同质量、形状的待测工件来改变平衡砣的质量大小。

在其中一个实施方式中，摆架组件还包括限位块，限位块在靠近导轨组件的转轴一端固定设置，以使得在转轴发生旋转时对转轴进行限位。

在其中一个实施方式中，限位块的底部与支架的表面设定一间距，以限定转轴旋转的角度。使得转轴只能发生一定幅度的旋转，旋转幅度由限位块与支架之间的间距确定。

在其中一个实施方式中，转轴由轴承以及轴承座固定安装在支架上，转轴轴长大于支架沿转轴轴向方向上的长度。使得转轴的两端轴头可以伸出支架的两个侧面，以便于与其他部件安装配合。

在其中一个实施方式中，水平平衡砣的运动和垂直平衡砣的运动分别由安装在水平丝杠导轨上的电机和垂直丝杠导轨上的电机驱动。

在其中一个实施方式中，本发明提供了一种重心测定装置测定工件重心的方法，包括如下步骤：

步骤1、调节水平丝杠导轨上的水平平衡砣和垂直丝杠导轨上的垂直平衡砣，使得摆架组件处于平衡状态；

步骤2、读取水平平衡砣和垂直平衡砣的位置；

步骤3、将待测工件安装在工件连接盘上；

步骤4、调整水平平衡砣以及垂直平衡砣的位置，同时测定水平仪信号，使得水平丝杠导轨处于水平状态；

步骤5、再次读取水平平衡砣和垂直平衡砣的位置，计算水平平衡砣的位移和垂直平衡砣的位移；

步骤6、根据水平平衡砣的位移和垂直平衡砣的位移计算待测工件的二维重心坐标。

在其中一个实施方式中，在步骤6中，根据以下公式求解二维重心坐标：

上式中：

其中，设定水平丝杠导轨的方向为x轴，垂直丝杠导轨的方向为y轴，转轴轴线与x轴和y轴组成的平面的交点为原点；M₀、m_h、m_v、m分别是摆架组件、水平平衡砣、垂直平衡砣、待测工件的质量；x_h0和x_h分别是初始状态未安装待测工件时水平平衡砣的位移和安装了待测工件后整个平衡架处于平衡状态时水平平衡砣的位移；y_h0是原点到水平平衡坨质心运动轨迹的垂直距离；θ、θ₀、α、θ_h分别是待测工件的重心方向角、未安装待测工件时摆架组件的重心方向角、摆架组件不平衡时的极限倾斜角、水平平衡砣的重心极限倾斜角；ρ₀、ρ_h、ρ_v分别是未安装待测工件时摆架组件的重心偏心距、水平平衡砣重心到原点的距离、垂直平衡砣重心到原点的距离。

在其中一个实施方式中，还包括：

步骤7、将待测工件在转轴轴线所在的竖直平面内旋转90°重新安装，之后重复步骤4-6，以测定待测工件在垂直于水平丝杠导轨和垂直丝杠导轨构成的二维平面上的第三个方向上的重心坐标。

通过本申请提供的重心测定装置及方法，可以精确的测量大型工件的重心坐标，还可以精确测定工件因重心偏离引起的重力距，应用于大型风轮的单叶片静平衡工艺。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对发明进行更详细的描述。其中：

图1是根据本发明的实施例的重心测定装置的整机外观图；

图2是根据本发明的实施例的重心测定装置的主视图；

图3是根据本发明的实施例的重心测定装置的右视图的分解图；

图4是根据本发明的实施例的重心测定装置的后视图；

图5是根据本发明的实施例的重心测定装置的整体检测流程图；

图6是根据本发明的实施例的重心测定装置的初始化操作流程图；

图7是根据本发明的实施例的重心测定装置在初始状态下的模拟计算示意图；

图8是根据本发明的实施例的重心测定装置在摆架发生旋转时的模拟计算示意图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

图1为本发明的重心测定装置的整机外观图，整机1内配备有测控系统，该测控系统包括计算机80、以及可编程控制器等。计算机80通过可编程控制器控制本发明的重心测定装置中的电机运转，并可监测如图1和图2中所示的水平平衡砣202和垂直平衡砣302位移和水平仪70的水平度。在本发明中，所采用电机为伺服电机。

在整机内，如图2至图4所示，本发明的重心测定装置包括支架10、固定安装在支架上的摆架组件以及平衡砣。摆架组件包括转轴40以及与转轴的一端固定连接的导轨组件，导轨组件包括呈“T”型相互垂直设置的水平丝杠导轨20和垂直丝杠导轨30，转轴40的另一端固定安装工件连接盘50。

水平丝杠导轨20上安装有丝杠203、伺服电机201，水平平衡砣202串套在丝杠203上，伺服电机201设置在水平丝杠导轨20的一端上，在伺服电机201的驱动下，丝杠203发生旋转，水平平衡砣202可以沿着水平丝杠导轨20运动。

同样，垂直丝杠导轨30上安装有丝杠303、伺服电机301，垂直平衡砣302串套在丝杠303上，伺服电机301设置在垂直丝杠导轨30的一端上，在伺服电机301的驱动下，丝杠303发生旋转，垂直平衡砣302可以沿着垂直丝杠导轨30运动。伺服电机201和伺服电机301可以根据本申请装置的需要设置在水平丝杠导轨20和垂直丝杠导轨30的其他位置。

摆架组件还包括水平仪70，水平仪70固定安装在水平丝杠导轨20上，水平仪70可以固定在水平丝杠导轨20的底部，或者嵌入到水平丝杠导轨20中，用于判断水平丝杠导轨20的水平度。该水平仪70可以是电子水平仪。

水平平衡砣202和垂直平衡砣302设计成组合式结构，通过不同的组件组合可以改变平衡砣的质量大小，以应对不同质量、形状的工件。

支架10上方通过高精度轴承401及轴承座402固定着一个转轴40，在转轴40的轴向长度方向上，转轴40的轴向长度大于支架10沿转轴轴向方向上的长度，使得转轴40的两端轴头可以伸出支架10的两个侧面，以便于与其他部件安装配合。转轴40的一端轴头安装有水平丝杠导轨20和垂直丝杠导轨30，水平丝杠导轨20和垂直丝杠导轨30与转轴40之间为固定连接，并且两个导轨保证相互垂直状态。

摆架组件还包括限位块60，限位块60在靠近导轨组件的转轴40的一端固定设置，即限位块60固定安装在转轴40靠近水平丝杠导轨20和垂直丝杠导轨30的一侧，以使得在转轴40发生旋转时对转轴40进行限位。限位块60底部与支架10表面设定有一间距，通过该方式的设置，确保转轴40旋转的角度，转轴40只能发生一定幅度的旋转，旋转幅度由限位块60与支架10之间的间距确定。

摆架组件还包括工件连接盘50，工件连接盘50固定安装在转轴40的另一轴端上，用于连接待测工件。

综上，本发明的装置中，水平丝杠导轨20、垂直丝杠导轨30、限位块60、转轴40和工件连接盘50组成了一个可以发生一定幅度旋转的摆架组件整体。

采用本申请装置测定待测工件的重心方法步骤和设备初始化步骤如图5和图6所示，基本检测流程步骤如图5，首先开机，将设备进行初始化，安装待测工件，调整待测工件的平衡，直至结束。

在操作过程中，重心测定装置测定工件重心的方法步骤如下：步骤1、调节水平丝杠导轨20上的水平平衡砣202和垂直丝杠导轨30上的垂直平衡砣302，使得整个摆架处于平衡状态；步骤2、此时读取并记录水平平衡砣202和垂直平衡砣302的位置；步骤3、之后将待测工件安装在工件连接盘50上；步骤4、再次调整水平平衡砣202以及垂直平衡砣302的位置，同时测定水平仪70的信号，使得水平丝杠导轨20处于水平状态；步骤5、待平衡之后，再次读取水平平衡砣202和垂直平衡砣302的位置，计算水平平衡砣的位移和垂直平衡砣的位移；步骤6、根据水平平衡砣202的位移和垂直平衡砣302的位移计算待测工件的二维重心坐标。

在本申请实施例中，设定水平丝杠导轨20的长度方向为x轴，垂直丝杠导轨30的长度方向为y轴，在上述步骤中，可以通过测定并计算得出在x轴和y轴所构成的平面上的二维重心坐标；如果要测量垂直于水平丝杠导轨20和垂直丝杠导轨30构成的二维平面上的第三个方向z轴方向上的重心时，上述重心测定方法还包括步骤7：可以通过改变待测工件的安装位置，将待测工件在转轴轴线所在的竖直平面内旋转90°，则原来的z轴方向就成为y轴方向，再重复上述测定步骤，便可以获得第三个方向上的重心位置，把两个平面重心积叠起来即可获得准确的重心三维坐标。

如图6所示，在其中一个具体实施方式中，本申请装置的初始化步骤如下：将垂直平衡砣302调至最低位置，调节水平平衡砣202，使水平仪70调至水平状态，读取水平平衡砣202的位置，将垂直平衡砣302调到最高位置，移动水平平衡砣202，使水平丝杠导轨20改变倾斜方向，读取水平平衡砣202的位移值，调节水平平衡砣202的位置，再重复上一步操作，直至结束。

在其中一具体实施方式中，采用本装置测定二维重心的平衡原理如下：

设定条件：摆架(没有安装待测工件时整个摆件中除水平平衡砣、垂直平衡砣以外的所有部分)质量为M₀；摆架重心水平方向偏心距为X₀；摆架重心垂直方向偏心距为Y₀；水平平衡砣质量为m_x；整个摆件处于初始平衡状态(未安装待测工件时的平衡)时水平平衡砣的初始位移为x₀；安装待测工件后整个平衡架处于平衡状态时水平平衡砣发生的位移为dx；垂直平衡砣质量为m_y；整个摆件处于初始平衡状态(未安装待测工件时的平衡)时垂直平衡砣的初始位移为y₀；安装待测工件后整个平衡架处于平衡状态时垂直平衡砣发生的位移为dy；待测工件质量为M；待测工件重心的水平导轨方向偏心距为e_x，待测工件重心的垂直导轨方向偏心距为e_y。

初始平衡状态下有：

水平方向M₀*X₀＝m_x*x₀ (1)

垂直方向M₀*Y₀＝m_y*y₀ (2)

待测工件平衡状态下有：

水平方向M₀*X₀＝m_x*(x₀+d_x)+M*e_x

和(1)式比较后：M*e_x＝-m_x*dx

垂直方向M₀*Y₀＝my*(y₀+d_y)+M*e_y

和(2)式比较后：M*e_y＝-m_y*dy

水平方向上重心与转轴轴线重合的感知方法比较简单，通过调整水平平衡砣位移，同时测定水平仪信号，当水平仪信号显示水平丝杠导轨处于水平状态时即为心线重合。此时应用(3)式可计算得到待测工件水平方向上的重心偏移。

但是(4)式仅仅是理论上的存在，实际操作中，在平衡位置附近，力臂趋近于零，因此不能直接应用(4)式计算结果。在垂直方向上，有两种情况，整个摆件(包括摆架、两平衡砣和待测工件)重心不在转轴轴线水平面上，重心到此面的垂直距离为h，当重心在转轴轴线下方时，水平平衡砣位移与水平仪倾斜程度呈现单值函数关系。当整个摆件的重心位于转轴水平面上方，水平方向稍有不稳，水平导轨必然向一侧倾斜，随着倾斜角度的增大，整个摆件的重力臂会增大，直到摆动到最大倾斜角度(限位块接触支架台面)。用水平平衡砣去纠正整个摆件重心，使水平丝杠导轨处于水平状态是不可能的，因为整个摆件的重心与转轴存在垂直距离(h)，水平导轨倾斜时(倾斜角α)，就一定会有重力臂(h*sinα)，因此，水平平衡砣必须移动一倍以上的位移才有可能使水平丝杠导轨上翘，转为反向倾斜。从一侧倾斜反转到另一侧倾斜所需要的水平平衡砣最小位移dx与垂直方向重心偏离h必定存在线性关系，而整个摆件垂直方向的重心偏离h与垂直平衡砣位置又有着必然联系，此关系可以用(4)式推导获得。

在实际操作中，水平平衡砣、垂直平衡砣及待测工件的质量预先可知，两平衡砣发生的位移也可通过伺服电机反馈，因此，待测工件重心位置也可以间接获得。

在又一具体实施方式中，计算二维重心坐标的计算方式如下。

符号说明：

(1)摆架组件(没有安装待测工件时整个摆件中除水平平衡砣、垂直平衡砣以外的所有部分)质量为M₀，摆架组件重心偏心距为ρ₀，重心方向角为θ₀，水平方向上的偏心距X₀＝ρ₀cosθ₀，垂直方向上的偏心距为Y₀＝ρ₀sinθ₀；

(2)水平平衡砣质量为m_h；初始平衡状态(不安装待测工件)时水平平衡砣的位移(平行于水平丝杠导轨方向上的位移，与摆架组件是否倾斜无关)为x_h0，安装待测工件后整个平衡架处于平衡状态时水平平衡砣发生的位移为x_h；

(3)垂直平衡砣质量为m_v，整个摆件处于初始平衡状态(不安装待测工件)时垂直平衡砣的位移(即平行于垂直丝杠导轨方向的位移，与摆架组件是否倾斜无关)为y_v0；安装待测工件后整个平衡架处于平衡状态时垂直平衡砣发生的位移为y_v；

(4)待测工件质量为m；待测工件重心偏心距为e，方向角为θ，待测工件水平方向上的偏心距为x，待测工件重心垂直方向上的偏心距为y；

(5)如图7所示，设定水平丝杠导轨的方向为x轴，垂直丝杠导轨的方向为y轴，转轴轴线与x轴和y轴组成的平面的交点为原点。以交点“O”为原点，原点到水平平衡砣质心运动轨迹的垂直距离为y_h0，垂直平衡砣运动轨迹与转轴轴线相交于原点“O”。摆架组件不平衡时的极限倾斜角(此时限位块接触支架台面，如图8所示)为α；

(6)水平平衡砣的重心极限倾斜角为θ_h，水平平衡砣重心到原点的距离为ρ_h，垂直平衡砣重心到原点的距离为ρ_v。

未安装待测工件时，初始平衡状态下有：

M₀g*x₀+m_hg*x_h0＝0 (5)

安装待测工件后，平衡状态下有：

M₀g*X₀+m_hg*x_h+mg*ecosθ＝0 (7)

(3)-(1)并整理后：m_h*(x_h-x_h0)+m*ecosθ＝0

实际操作中，水平方向重心与转轴轴线重合的感知方法比较简单，把垂直平衡砣调到最低位置，此时整个摆件(包括摆架、两平衡砣和待测工件)的重心位于转轴轴线所在水平面以下，通过调整水平平衡砣位移，同时监测水平仪信号，当水平仪信号显示水平丝杠导轨处于水平状态时即为心线重合。此时应用(8)式可计算得到待测工件水平方向重心偏移。

求垂直方向的重心偏移较为复杂，需将垂直平衡砣调到最高位置，此时整个摆件(包括摆架、两平衡砣和待测工件)的重心位于转轴轴线所在水平面以上，此情况下已经不能把水平丝杠导轨调到水平状态位置了，一定处于极限倾斜角状态，如图8所示，正向反向倾斜取决于重心偏向，如果朝向摆架倾斜的反方向调节水平平衡砣位移，调到一定位置摆架就会向反方向偏转，在考察摆架发生翻转的瞬间，此时在没有安装待测工件的初始平衡状态下有：

M₀*ρ₀cos(θ₀+α)+m_h*ρ_hcosθ_h+m_v*ρ_vcosθ_v＝0 (9)

上式中

ρ_v＝y_v；

展开cos(θ₀+α)并整理后有：

安装待测工件后的平衡状态下有：

展开cos(θ+α)并整理后有：

通过以上测量原理的推导，可知本申请提供的重心测定装置及方法，可以精确的测量大型工件的重心坐标，还可以精确测定工件因重心偏离引起的重力距，应用于大型风轮的单叶片静平衡工艺。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (10)

1.一种重心位置测定装置，其特征在于，包括支架、固定安装在所述支架上的摆架组件以及平衡砣，所述摆架组件包括转轴、与所述转轴的一端固定连接的导轨组件以及与所述转轴的另一端固定安装的工件连接盘，所述导轨组件包括呈“T”型相互垂直设置的水平丝杠导轨和垂直丝杠导轨；

所述平衡砣包括分别能够沿所述水平丝杠导轨和所述垂直丝杠导轨运动的水平平衡砣和垂直平衡砣。

2.根据权利要求1所述的重心位置测定装置，其特征在于，所述摆架组件还包括水平仪，所述水平仪固定安装在所述水平丝杠导轨上。

3.根据权利要求1所述的重心位置测定装置，其特征在于，所述水平平衡砣和所述垂直平衡砣均为组合式结构。

4.根据权利要求1所述的重心位置测定装置，其特征在于，所述摆架组件还包括限位块，所述限位块在所述转轴的靠近所述导轨组件的一端固定设置，以使得能够在所述转轴发生旋转时对所述转轴进行限位。

5.根据权利要求4所述的重心位置测定装置，其特征在于，所述限位块的底部与所述支架的表面设定一间距，以限定所述转轴旋转的角度。

6.根据权利要求1所述的重心位置测定装置，其特征在于，所述转轴由轴承以及轴承座固定安装在所述支架上，所述转轴轴长大于所述支架沿所述转轴轴向方向上的长度。

7.根据权利要求1所述的重心位置测定装置，其特征在于，所述水平平衡砣的运动和所述垂直平衡砣的运动分别由安装在所述水平丝杠导轨上的电机和所述垂直丝杠导轨上的电机驱动。

8.一种利用权利要求1-7中任一项所述的重心位置测定装置测定工件重心的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、调节水平丝杠导轨上的水平平衡砣和垂直丝杠导轨上的垂直平衡砣，使得摆架组件处于平衡状态；

步骤2、读取水平平衡砣和垂直平衡砣的位置；

步骤3、将待测工件安装在工件连接盘上；

步骤4、调整水平平衡砣以及垂直平衡砣的位置，同时测定水平仪信号，使得水平丝杠导轨处于水平状态；

步骤5、再次读取水平平衡砣和垂直平衡砣的位置，计算所述水平平衡砣的位移和所述垂直平衡砣的位移；

步骤6、根据所述水平平衡砣的位移和所述垂直平衡砣的位移计算所述待测工件的二维重心坐标。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤6中，根据以下公式求解所述二维重心坐标：

上式中：

其中，设定水平丝杠导轨的方向为x轴，垂直丝杠导轨的方向为y轴，转轴轴线与x轴和y轴组成的平面的交点为原点；M₀、m_h、m_v、m分别是摆架组件、水平平衡砣、垂直平衡砣、待测工件的质量；x_h0和x_h分别是初始状态未安装待测工件时水平平衡砣的位移和安装待测工件后整个摆架组件处于平衡状态时水平平衡砣的位移；y_h0是原点到水平平衡坨质心运动轨迹的垂直距离；θ、θ₀、α、θ分别是待测工件的重心方向角、未安装待测工件时摆架组件的重心方向角、摆架组件不平衡时的极限倾斜角、水平平衡砣的重心极限倾斜角；ρ₀、ρ_h、ρ_v分别是未安装待测工件时摆架组件的重心偏心距、水平平衡砣重心到原点的距离、垂直平衡砣重心到原点的距离。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

步骤7、将所述待测工件在所述转轴轴线所在的竖直平面内旋转90°重新安装，之后重复步骤4-6，以测定所述待测工件在垂直于所述水平丝杠导轨和所述垂直丝杠导轨构成的二维平面上的第三个方向上的重心坐标。