CN110160691A - 回转轴系残余不平衡力矩测量装置及方法 - Google Patents

回转轴系残余不平衡力矩测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种回转轴系残余不平衡力矩测量装置及方法。一种回转轴系残余不平衡力矩测量装置，包括底座、升降机构、天平、负载工作台；所述升降机构和天平设置在底座上，所述升降机构和天平共同承载负载工作台；所述升降机构可对负载工作台的位置进行调整。本发明一种回转轴系残余不平衡力矩测量装置，其具有结构简单、成本低、准确性好、输出高效的优点。本发明一种回转轴系残余不平衡力矩测量方法，原理清晰、结构紧凑、操作简单、全数字输出，适合大质量、高精度的多轴回转体偏心力矩的测量。

Description

回转轴系残余不平衡力矩测量装置及方法
技术领域
本发明涉及一种回转轴系残余不平衡力矩测量装置及方法。
背景技术
目前，国内外对于大于摩擦力矩的质量不平衡力矩，及偏心力矩的常规测法已有很多记载与运用，而对于三轴转台的残余不平衡力仍研究甚少。在对质心与不平衡力矩检测系统的研究，多数情况下测量要考虑到两个要点：一是，质心水平方向的位置；二是，质心垂直方向的位置。通常采用测力传感器进行测量，并根据测得数值结合推导公式计算，以此验证质心所在位置。
现有方案：
国内外学者利用方向余弦矩阵分析了载体、平台外框和内框之间的运动关系，并利用拉-欧方程或刚体绕定点转动的动量矩定理建立了包含质量不平衡力矩的动力学模型，分析了载体与外框架、外框架与内框架之间的相互耦合关系以及质量不平衡力矩对导弹制导精度的影响。
质量不平衡研究主要针对俯仰－偏航式稳定平台，滚仰式稳定平台的质量不平衡研究相关文献比较少见。而且在研究俯仰偏航式结构时，基本采用了简化模型，在建模过程中忽略了质量动不平衡。
目前用于导引头伺服机构装配的测量装置或方法大多只能测量一种干扰力矩，没有形成统一的测量方法。另外，现有的测量装置都是采用电磁力转换方法，装置存在结构复杂、成本高、量程小、精度低、灵敏度差的缺点，而且，处理过程耗时长，并不是针对导引头的残余不平衡力矩。
发明内容
为解决上述背景技术中存在的问题，本发明提出一种回转轴系残余不平衡力矩测量装置，其具有结构简单、成本低、准确性好、输出高效的优点。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种回转轴系残余不平衡力矩测量装置，其特殊之处在于：
包括底座、升降机构、天平、负载工作台；
所述升降机构和天平设置在底座上，所述升降机构和天平共同承载负载工作台；
所述升降机构可对负载工作台的位置进行调整。
进一步地，上述天平的数量为两个。
进一步地，上述升降机构包括涡轮、蜗杆、丝杠、丝杠螺母、托举套筒和支撑杆；
所述丝杠垂直设置在底座上，丝杠螺母与丝杠进行配合，所述托举套筒固定在丝杠螺母上，所述托举套筒侧面设有两个滑块，所述底座上分别设有与两个滑块配合的导轨；所述涡轮固定在丝杠的下部，所述蜗杆与涡轮配合；所述蜗杆的一端固定有手轮；所述支撑杆的一端固定在丝杠螺母上，所述支撑杆的另一端与负载工作台连接。
进一步地，上述底座上设有防尘罩，所述防尘罩用于防止灰尘进入天平。
进一步地，上述支撑杆通过球头球窝结构与负载工作台连接。
另外，本发明还提出了基于上述回转轴系残余不平衡力矩测量装置的测量方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)将被测装置放置在负载工作台上，并调整好；
2)使三轴转台的其中一环朝指定方向转动，每转动一定角度纪录天平示数的变化量，将角度数据记录为一组数据x，变化量记录为一组数据y；
3)用matlab软件运用最小二乘法，将散点拟合出正弦或余弦曲线，曲线的极值点对应的y和x即为偏心力矩和相位。
进一步地，上述步骤3)中，具体分为：
若运动轴可运动一个周期，根据测试数据处理后可得一条正弦或余弦曲线，其极值点对应的y和x即为偏心力矩和相位；
若运动轴不能运动一个周期，根据测试数据处理后，只得到一段正弦或余弦曲线，然后对曲线进行拟合处理，找出其所在的完整曲线，即可推出实际的极值点，其极值点对应的y和x即为偏心力矩和相位。
本发明的优点：
1)本发明为一种回转轴系残余不平衡力矩测量装置，量程可达70Kg，测量精度为3g.cm，测量灵敏度为0.5g.cm，装置测量和处理方法简洁、结构简单、成本低；
2)本发明一种回转轴系残余不平衡力矩测量装置，采用手轮升降，操作简单、方便，易调整；
3)本发明一种回转轴系残余不平衡力矩测量方法，采用三点支承原理，利用精密天平测量回转体运动时支承力的变化量，拟合出标准正弦(余弦)曲线，由此得出被测负载的偏心力矩和相位；
4)本发明一种回转轴系残余不平衡力矩测量方法，原理清晰、结构紧凑、操作简单、全数字输出，适合大质量、高精度的多轴回转体偏心力矩的测量；
5)本发明一种回转轴系残余不平衡力矩测量方法，最小二乘法曲线拟合：准确性好，输出高效。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为图1中升降机构示意图；
图3为本发明的整体结构三维图；
图4为本发明的支撑点位置示意图；
图5为本发明的球头球窝结构示意图；
图6为支承点、测量点和负载偏心力矩计算示意图；
图7为拟合示意图。
其中，1、底座；2、天平；3、负载工作台；4、涡轮；5、蜗杆；6、丝杠；7、丝杠螺母；8、托举套筒；9、支撑杆；10、滑块；11、导轨；12、手轮；13、防尘罩；14、球头球窝结构。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
参见图1-图5，一种回转轴系残余不平衡力矩测量装置，包括底座1、升降机构、天平2、负载工作台3。
所述升降机构和天平2设置在底座1上，所述升降机构和天平2共同承载负载工作台3。所述升降机构可对负载工作台3的位置进行调整。所述天平2的数量为两个，都为精密天平，均布在底座1的上端面，并与底座1固联。所述换升降机构包括涡轮4、蜗杆5、丝杠6、丝杠螺母7、托举套筒8和支撑杆9；所述丝杠6垂直设置在底座1上，丝杠螺母7与丝杠6进行配合，所述托举套筒8固定在丝杠螺母7上，所述托举套筒8侧面设有两个滑块10，所述底座1上分别设有与两个滑块10配合的导轨11，滑块10与导轨11配合对升降机构进行导向；所述涡轮4固定在丝杠6的下部，所述蜗杆5与涡轮4配合；所述蜗杆5的一端固定有手轮12；所述支撑杆9的一端固定在丝杠螺母7上，所述支撑杆9的另一端与负载工作台3连接。
优选地，所述底座1上设有用于对天平2进行防尘的防尘罩13。
优选地，所述支撑杆9、天平2均通过球头球窝结构14与负载工作台3连接。支撑杆9与负载工作台3连接的球头球窝结构为固定支点，也叫主支撑点，天平2与负载工作台3连接的球头球窝结构为测量支点，也叫副支撑点。固定支点，距负载工作台3的回转中心60mm，承受大部分的负载。
本发明手轮12附近有明确的位置指示刻线，以保证安装和调整负载时，不致损坏精密天平。蜗轮减速器传动比为1:20，丝杠6导程为10mm，可自锁。
本发明的测量原理：采用三点支撑的原理，参见图6，利用精密天平测量回转体运动时支承力的变化量。其中主支撑点距离负载工作台3几何中心60cm，承受大部分的负载。被测装置的运动部件质量为M，偏心距为e，运动部件的旋转角度为α。
选择日本AND-GK系列精密天平。为了保证天平的准确度，选用两块GK-10型天平，量程为10kg，按不超过天平量程的标准来设计两支点位置范围。现以方位轴(俯仰和横滚)的测试原理为例来阐述，铅垂轴(方位)的公式同理可推导。
F2、F3在半径为R＝300mm的圆上，且弧F2F3所对应的圆心角为：2α＝70°。F1在圆内且在线段F2F3的垂直平分线上，F1距圆心的距离为r＝60mm，距F2F3的距离：
h＝r+R·cosα
F1、F2、F3为三个支承点的测试值算出的力，为计算方便，省去了固定部分的偏心力。以F2、F3的中点为原点,F2、F3所在的直线为X轴建立坐标系，偏心质量所在的横截面距X轴的距离为：
y＝e·sinθ+R·cosα
由此可得
再由方程
F1+F2+F3＝M
F3·R·sinα+M·e·cosθ＝F2·R·sinα
解方程组并带人数据，得
由此可见，测量精度只与正弦(余弦)项有关，当Me为3g·cm时，其正弦(余弦)项最大值为0.1g，远大于天平的灵敏度0.01g，能满足测试需要。
一种回转轴系残余不平衡力矩测量方法，包括以下步骤：
1)将被测装置放置在负载工作台3上，并调整好；
2)使被测装置其中一轴朝指定方向转动，每转动一定角度纪录天平2示数的变化量，将角度数据记录为一组数据x，变化量记录为一组数据y；
3)用matlab软件运用最小二乘法，将散点拟合出正弦或余弦曲线，曲线的极值点对应的y和x即为偏心力矩和相位。
所述步骤3)中，具体分为：
若步骤2)中所述轴可运动一个周期，根据测试数据处理后可得一条正弦或余弦曲线，其极值点对应的y和x即为偏心力矩和相位；
若步骤2)中所述轴不能运动一个周期，根据测试数据处理后，只得到一段正弦或余弦曲线，然后对曲线进行拟合处理，参见图7，找出其所在的完整曲线，即可推出实际的极值点，其极值点对应的y和x即为偏心力矩和相位。
得出拟合曲线之后，便能得出相应的幅值和相位。有关单位拿到幅值与相位的数据之后，可以根据此在特定位置上添加或删减被测装置的质量，以达到平衡。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，本领域的技术人员其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行调节，或者对其中部分技术特征进行等同替换。所以，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种回转轴系残余不平衡力矩测量装置，其特征在于：
包括底座(1)、升降机构、天平(2)、负载工作台(3)；
所述升降机构和天平(2)设置在底座(1)上，所述升降机构和天平(2)共同承载负载工作台(3)；
所述升降机构可对负载工作台(3)的位置进行调整。
2.根据权利要求1所述的一种回转轴系残余不平衡力矩测量装置，其特征在于：所述天平(2)的数量为两个。
3.根据权利要求2所述的一种回转轴系残余不平衡力矩测量装置，其特征在于：所述换升降机构包括涡轮(4)、蜗杆(5)、丝杠(6)、丝杠螺母(7)、托举套筒(8)和支撑杆(9)；
所述丝杠(6)垂直设置在底座(1)上，丝杠螺母(7)与丝杠(6)进行配合，所述托举套筒(8)固定在丝杠螺母(7)上，所述托举套筒(8)侧面设有两个滑块(10)，所述底座(1)上分别设有与两个滑块(10)配合的导轨(11)；所述涡轮(4)固定在丝杠(6)的下部，所述蜗杆(5)与涡轮(4)配合；所述蜗杆(5)的一端固定有手轮(12)；所述支撑杆(9)的一端固定在丝杠螺母(7)上，所述支撑杆(9)的另一端与负载工作台(3)连接。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种回转轴系残余不平衡力矩测量装置，其特征在于：所述底座(1)上设有用于对天平(2)进行防尘的防尘罩(13)。
5.根据权利要求3所述的一种回转轴系残余不平衡力矩测量装置，其特征在于：所述支撑杆(9)、天平(2)均通过球头球窝结构(14)与负载工作台(3)连接。
6.一种回转轴系残余不平衡力矩测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将被测装置放置在负载工作台(3)上；
2)使被测装置其中一轴朝指定方向转动，每转动一定角度纪录天平(2)示数的变化量，将角度数据记录为一组数据x，变化量记录为一组数据y；
3)用matlab软件运用最小二乘法，将散点拟合出正弦或余弦曲线，曲线的极值点对应的y和x即为偏心力矩和相位。
7.根据权利要求6所述的一种回转轴系残余不平衡力矩测量方法，其特征在于：所述步骤3)中，具体分为：
若步骤2)中所述轴可运动一个周期，根据测试数据处理后可得一条正弦或余弦曲线，其极值点对应的y和x即为偏心力矩和相位；
若步骤2)中所述轴不能运动一个周期，根据测试数据处理后，只得到一段正弦或余弦曲线，然后对曲线进行拟合处理，找出其所在的完整曲线，即可推出实际的极值点，其极值点对应的y和x即为偏心力矩和相位。
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