CN112577668B - 一种非规则结构体质心测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非规则结构体质心测量装置及方法，非规则结构体质心测量装置，包括测量平台、测量机架、升降驱动机构以及用于测量平台重量值的测重单元，测量平台的一端可拆卸铰接在所述测量机架上；升降驱动机构包括升降件以及升降座，所述升降件的顶部与所述测量平台的另一端连接，升降座通过连接座转动连接在所述测量机架上；测重单元包括多个设置在测量机架上的机架测重传感器以及通过连接板转动连接在测量平台上的平台测重传感器，平台测重传感器与所述升降件连接。本发明的质心测量装置，能够对非规则结构体的质心进行快速测量，不仅整体结构简单，适合大规模推广使用，而且操作方便，测量准确。

Description

一种非规则结构体质心测量装置及方法

技术领域

本发明涉及开沟机领域，具体涉及一种非规则结构体质心测量装置及方法。

背景技术

在工程技术领域经常会遇到寻找不规则物体质心的问题，目前多数工厂为了节省成本都在3D模型中进行质心位置的估算，采用这种方法往往出现估算结果与实际值偏差过大的问题。

为了解决上述问题，申请公布号为CN 104075845 A的发明专利公开了一种非规则外形导弹质量质心测量装置，包括：以承重平台、法兰座式电动推杆、铰接座式电动推杆、固定支撑座为主要部件的升降支撑单元，以称重传感器、光栅尺、磁栅尺为主要部件的传感器单元，以夹具体、夹具平台、卡环、制动器、夹具横向驱动电机、夹具纵向驱动电机、梯形丝杠、滚珠丝杠为主要部件的夹具单元，以关节测量臂、测量臂安装座、测量臂基座为主要部件的关节测量臂单元；其中，所述的升降支撑单元用于对系统进行升降和支撑，所述的传感器单元用于对系统的测量参数进行测量，所述的夹具单元用于对被测弹体的装夹和固定，所述的关节测量臂单元用于对被测弹体装夹后的位置姿态测量和系统坐标系的标定。该质心测量装置，先在测量平台置于水平状态时测量承重平台各个支点的受力，通过受力平衡和力矩平衡原理计算水平方向质心坐标位置，再将测量平台倾斜一定角度，测量承重平台各个支点的受力，通过力矩平衡原理计算高度方向的质心坐标位置，从而求得被测弹体在自身坐标系下的质心坐标位置。上述质心测量装置能够精确测量出不规则物体的质心位置，但是该质心测量装置仍存在以下问题：该装置结构复杂，需要用到多种测量工具例如关节测量臂、光栅尺、磁栅尺等，设备造价昂贵，制造成本高，不利于大规模推广使用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种非规则结构体质心测量装置，该质心测量不仅装置结构简单，制造成本低，易于推广使用，而且操作简单，测量准确。

本发明的另一个目的在于提供一种非规则结构体质心测量方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

一种非规则结构体质心测量装置，包括测量平台、用于支撑所述测量平台的测量机架、用于驱动所述测量平台升降的升降驱动机构以及用于测量平台重量值的测重单元，其中，所述测量平台的一端可拆卸铰接在所述测量机架上；所述升降驱动机构包括升降件以及升降座，所述升降件的顶部与所述测量平台的另一端连接，所述升降座通过连接座转动连接在所述测量机架上；所述测重单元包括多个设置在测量机架上的机架测重传感器以及通过连接板转动连接在测量平台上的平台测重传感器，所述平台测重传感器与所述升降件连接。

上述非规则结构体质心测量装置的工作原理是：

先进行测量阶段：首先，将非规则结构体通过夹具放置在测量平台上，使得测量平台处于水平位置，此时测量平台放置在机架测重传感器上；记录夹具的位置，并通过机架测重传感器测量出测量平台、夹具以及非规则结构体的受力；接着，将测量平台的一端铰接在测量机架上，操控升降驱动机构，驱动升降件上升一定高度，升降件与所述测量平台的另一端连接，使得测量平台倾斜一定的角度，记录此时测量平台与水平面之间的角度以及测量平台与升降件之间的角度，平台测重传感器通过连接板转动连接在测量平台上且与升降件连接，这样可通过平台测重传感器测量出测量平台、夹具以及非规则结构体在倾斜状态时的受力；然后，操控升降驱动机构，驱动升降件下降，使得测量平台恢复到水平位置，卸下非规则结构体并解除测量平台与测量机架的铰接关系，将夹具重新放置到原来记录好的位置，通过机架测重传感器测量出测量平台以及夹具的受力；最后，将测量平台的一端铰接在测量机架上，操控升降驱动机构，驱动升降件上升一定高度，使得测量平台倾斜相同的角度，通过平台测重传感器测量出测量平台以及夹具在倾斜状态时的受力。再进行计算阶段：通过测量阶段的测量数据，根据受力平衡以及力矩平衡计算出测量平台与夹具的共同质心，最后通过坐标变换即可求得非规则结构体的质心。

本发明的一个优选方案，所述平台测重传感器有三个，其中一个测重传感器设置在测量平台与测量机架铰接一端的中部位置，另外两个测重传感器设置在测量机架另一端的两侧。通过设置上述三个测重传感器，在测量平台所在的平面，按照测量平台中心为原点建立的平面坐标系中，三个测重传感器分别位于水平方向的两侧以及竖直方向的两侧，从而方便建立力矩平衡方程以及力的平衡方程。

本发明的一个优选方案，所述测量平台上设有多个螺纹孔。通过在测量平台上设置螺纹孔，这样，用于装夹非规则结构体的夹具能够通过螺钉固定连接在测量平台上，极大地方便了夹具的安装与拆卸。

本发明的一个优选方案，所述测量平台的一端设有两个用于与测量机架铰接的铰接耳，所述两个铰接耳位于测量平台的底部。在测量平台的底部设置两个铰接耳，相对于仅有一个铰接耳的铰接形式，测量平台与测量机架的铰接强度更高，稳定性更好。

本发明的一个优选方案，所述测量平台上设有凸起结构件，所述凸起结构件按照纵横排列的方式设置在测量平台的底部。设置上述凸起结构件，能够有效提高测量平台的刚度，对测量平台起到加强作用。

本发明的一个优选方案，所述测量机架的顶部设有四个支撑柱，所述支撑柱的顶部设有支撑板，在测量平台处于水平测量状态时，所述支撑板的顶部与测量平台的底部处于分离状态，且所述支撑板的顶部高于所述凸起结构件的底部。在测量平台处于水平测量状态时，测量平台由三个测重传感器支撑，此时支撑板的顶部高于凸起结构件的底部，在测量平台发生滑动时，支撑板抵在凸起结构件上，从而具有防止测量平台侧滑的作用；另一方面，在非测量状态对测重传感器进行卸力时，支撑柱对测量平台起到支撑固定的作用。

优选地，所述测量机架的一端对应所述铰接耳的位置设有铰接座。

本发明的一个优选方案，所述测量机架的底部设有四个脚轮。设置上述结构的四个脚轮，一方面，对测量装置起到支撑作用，另一方面，在需要转移测量装置时，方便移动。

本发明的一个优选方案，所述升降驱动机构包括丝杆机构、用于给丝杆机构提供动力的手轮以及用于将测重传感器与所述升降件连接起来的连接件，其中，所述丝杆机构包括丝杆座以及丝杆，所述丝杆座构成了所述升降座，所述丝杆构成了所述升降件；所述连接件设置在平台测重传感器以及丝杆的顶部之间。设置上述升降驱动机构，手轮设置在丝杆座上，在摇动手轮时，能够驱动丝杆相对丝杆座做上下运动，由于丝杆通过连接件与平台测重传感器连接，因此在测量平台的一端与测量机架铰接的情况下，摇动手轮能够驱动测量平台绕着铰接轴线转动上升或者下降一定的角度，从而满足测量质心的要求。

一种非规则结构体质心测量方法，其特征在于，包括一下步骤：

(1)先测量数据，测量步骤如下：

a.将非规则结构体用夹具固定于调试正常的测量平台，确定夹具的位置，作好相应的标记；并量取非规则结构体的坐标系原点与系统坐标系原点的距离分别为x、y、z；

b.通过XY平面内机架测重传感器测出测量平台、夹具和非规则结构体的重量，记录三个机架测重传感器度数F1、F2、F3；

c.将测量平台与测量机架进行铰接连接，启动升降驱动机构将多孔测量平台倾斜到一定角度(不超过20°)，记录平台测重传感器数据F4及测量旋转角度θ1和θ2；

d.将测量平台放置到水平位置，卸下非规则结构体，重新安装夹具到标记好的位置，再次启动升降驱动机构将测量平台倾斜到原来角度，记录升降机构上测重传感器数据F4’；

e.拆卸测量平台与测量机架铰接轴，分离测量平台与测量机架，测出测量平台和夹具质心，记录重新读取XY平面内的机架测重传感器数据F1’、F2’、F3’；

(2)基于以上数据，其计算顺序采用倒序法，具体步骤如下：

a.计算多孔质心平台和夹具的共同质心，通过数据F1’、F2’、F3’、F4’、θ1、θ2计算出多孔测量平台和夹具的共同质心x’、y’、z’；

其中/>

b.计算非规则结构体的质心，通过数据F1’、F2’、F3’、F4’、θ1、θ2，计算出非规则结构体质心xc、yc、zc；

其中

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

本发明的非规则结构体质心测量装置，包括测量平台、用于支撑所述测量平台的测量机架、用于驱动所述测量平台升降的升降驱动机构以及用于测量平台重量值的测重单元，整体结构简单，制造成本低，适合大规模推广使用，而且操作方便，测量准确。

附图说明

图1为本发明的非规则结构体质心测量装置的主视图。

图2为本发明的非规则结构体质心测量装置的立体图。

图3为测量机架的立体图。

图4为测量平台其中一个视角的立体图。

图5为测量平台倾斜一定角度时的示意图。

图6-图9为非规则结构体放置在测量平台上时的示意图，其中，图6为在俯视图时，非规则结构体在测量平台上位置情况及受力情况的示意图，图7为在主视图时的受力情况的示意图，图8为在左视图时的受力情况的示意图，图9为测量平台倾斜一定角度时的受力情况及尺寸情况的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

参见图1-图4，本发明的一种非规则结构体质心测量装置，包括测量平台1、用于支撑所述测量平台1的测量机架2、用于驱动所述测量平台1升降的升降驱动机构3以及用于测量平台1重量值的测重单元，其中，所述测量平台1的一端可拆卸铰接在所述测量机架2上；所述升降驱动机构3包括升降件以及升降座，所述升降件的顶部与所述测量平台1的另一端连接，所述升降座通过连接座7转动连接在所述测量机架2上；所述测重单元包括多个设置在测量机架2上的机架测重传感器4以及通过连接板6转动连接在测量平台1上的平台测重传感器5，所述平台测重传感器5与所述升降件连接。

参见图3，所述平台测重传感器5有三个，其中一个测重传感器设置在测量平台1与测量机架2铰接一端的中部位置，另外两个测重传感器设置在测量机架2另一端的两侧。通过设置上述三个测重传感器，在测量平台1所在的平面，按照测量平台1中心为原点建立的平面坐标系中，三个测重传感器分别位于水平方向的两侧以及竖直方向的两侧，从而方便建立力矩平衡方程以及力的平衡方程。

参见图2和图4，所述测量平台1上设有多个螺纹孔1-1。通过在测量平台1上设置螺纹孔1-1，这样，用于装夹非规则结构体的夹具能够通过螺钉固定连接在测量平台1上，极大地方便了夹具的安装与拆卸。

参见图4，所述测量平台1的一端设有两个用于与测量机架2铰接的铰接耳1-2，所述两个铰接耳1-2位于测量平台1的底部。在测量平台1的底部设置两个铰接耳1-2，相对于仅有一个铰接耳1-2的铰接形式，测量平台1与测量机架2的铰接强度更高，稳定性更好。

参见图4，所述测量平台1上设有凸起结构件1-3，所述凸起结构件1-3按照纵横排列的方式设置在测量平台1的底部。设置上述凸起结构件1-3，能够有效提高测量平台1的刚度，对测量平台1起到加强作用。

参见图3，所述测量机架2的顶部设有四个支撑柱2-1，所述支撑柱2-1的顶部设有支撑板2-2，在测量平台1处于水平测量状态时，所述支撑板2-2的顶部与测量平台1的底部处于分离状态，且所述支撑板2-2的顶部高于所述凸起结构件1-3的底部。在测量平台1处于水平测量状态时，测量平台1由三个测重传感器支撑，此时支撑板2-2的顶部高于凸起结构件1-3的底部，在测量平台1发生滑动时，支撑板2-2抵在凸起结构件1-3上，从而具有防止测量平台1侧滑的作用；另一方面，在非测量状态对测重传感器进行卸力时，支撑柱2-1对测量平台1起到支撑固定的作用。

参见图3，所述测量机架2的一端对应所述铰接耳1-2的位置设有铰接座2-3。

参见图1-图3，所述测量机架2的底部设有四个脚轮2-4。设置上述结构的四个脚轮2-4，一方面，对测量装置起到支撑作用，另一方面，在需要转移测量装置时，方便移动。

参见图1-图2，所述升降驱动机构3包括丝杆机构、用于给丝杆机构提供动力的手轮3-3以及用于将平台测重传感器5与所述升降件连接起来的连接件3-4，其中，所述丝杆机构包括丝杆座3-2以及丝杆3-1，所述丝杆座3-2构成了所述升降座，所述丝杆3-1构成了所述升降件；所述连接件3-4设置在平台测重传感器5以及丝杆的顶部之间。设置上述升降驱动机构3，手轮3-3设置在丝杆座上，在摇动手轮3-3时，能够驱动丝杆相对丝杆座做上下运动，由于丝杆通过连接件3-4与平台测重传感器5连接，因此在测量平台1的一端与测量机架2铰接的情况下，摇动手轮3-3能够驱动测量平台1绕着铰接轴线转动上升或者下降一定的角度，从而满足测量质心的要求。

参见图1-图5，上述非规则结构体质心测量装置的工作原理是：

先进行测量阶段：首先，将非规则结构体通过夹具放置在测量平台1上，使得测量平台1处于水平位置，此时测量平台1放置在机架测重传感器4上；记录夹具的位置，并通过机架测重传感器4测量出测量平台1、夹具以及非规则结构体的受力；接着，将测量平台1的一端铰接在测量机架2上，操控升降驱动机构3，驱动升降件上升一定高度，升降件与所述测量平台1的另一端连接，使得测量平台1倾斜一定的角度，记录此时测量平台1与水平面之间的角度以及测量平台1与升降件之间的角度，平台测重传感器5通过连接板6转动连接在测量平台1上且与升降件连接，这样可通过平台测重传感器5测量出测量平台1、夹具以及非规则结构体在倾斜状态时的受力；然后，操控升降驱动机构3，驱动升降件下降，使得测量平台1恢复到水平位置，卸下非规则结构体并解除测量平台1与测量机架2的铰接关系，将夹具重新放置到原来记录好的位置，通过机架测重传感器4测量出测量平台1以及夹具的受力；最后，将测量平台1的一端铰接在测量机架2上，操控升降驱动机构3，驱动升降件上升一定高度，使得测量平台1倾斜相同的角度，通过平台测重传感器5测量出测量平台1以及夹具在倾斜状态时的受力。再进行计算阶段：通过测量阶段的测量数据，根据受力平衡以及力矩平衡计算出测量平台1与夹具的共同质心，最后通过坐标变换即可求得非规则结构体的质心。

参见图6-图9，本发明的非规则结构体质心测量方法，包括以下步骤：

(1)先测量数据，测量步骤如下：

a.将非规则结构体用夹具固定于调试正常的测量平台1，确定夹具的位置，作好相应的标记；并量取非规则结构体的坐标系原点与系统坐标系原点的距离分别为x、y、z；

b.通过XY平面内机架测重传感器4测出测量平台1、夹具和非规则结构体的重量，记录三个机架测重传感器4读数F1、F2、F3；

c.将测量平台1与测量机架2进行铰接连接，启动升降驱动机构3将测量平台1倾斜到一定角度(不超过20°)，记录平台测重传感器5数据F4及测量旋转角度θ1和θ2；

d.将测量平台1放置到水平位置，卸下非规则结构体，重新安装夹具到标记好的位置，再次启动升降驱动机构3将测量平台1倾斜到原来角度，记录升降机构上测重传感器数据F4’；

e.拆卸测量平台1与测量机架2铰接轴，分离测量平台1与测量机架2，测出测量平台1和夹具质心，记录重新读取XY平面内的机架测重传感器4数据F1’、F2’、F3’；

(2)基于以上数据，其计算顺序采用倒序法，具体步骤如下：

a.计算多孔质心平台和夹具的共同质心，通过数据F1’、F2’、F3’、F4’、θ1、θ2计算出多孔测量平台1和夹具的共同质心x’、y’、z’；

其中/>

b.计算规则结构体的质心，通过数据F1’、F2’、F3’、F4’、θ1、θ2，计算出非规则结构体的质心xc、yc、zc；

其中

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种非规则结构体质心测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采用非规则结构体质心测量装置，所述非规则结构体质心测量装置包括测量平台、用于支撑所述测量平台的测量机架、用于驱动所述测量平台升降的升降驱动机构以及用于测量平台重量值的测重单元，其中，所述测量平台的一端可拆卸铰接在所述测量机架上；所述升降驱动机构包括升降件以及升降座，所述升降件的顶部与所述测量平台的另一端连接，所述升降座通过连接座转动连接在所述测量机架上；所述测重单元包括多个设置在测量机架上的机架测重传感器以及通过连接板转动连接在测量平台上的平台测重传感器，所述平台测重传感器与所述升降件连接；

(2)先测量数据，测量步骤如下：

a.将非规则结构体用夹具固定于调试正常的测量平台，确定夹具的位置，作好相应的标记；并量取非规则结构体的坐标系原点与系统坐标系原点的距离分别为x、y、z；

b.通过XY平面内机架测重传感器测出测量平台、夹具和非规则结构体的重量，其中，所述机架测重传感器为三个；记录三个机架测重传感器的读数F₁、F₂、F₃；

c.将测量平台与测量机架进行铰接连接，启动升降驱动机构将多孔测量平台倾斜到一定角度，该角度为0°到20°，记录平台测重传感器数据F₄及测量旋转角度θ₁和θ₂；

d.将测量平台放置到水平位置，卸下非规则结构体，重新安装夹具到标记好的位置，再次启动升降驱动机构将测量平台倾斜到原来角度，记录升降驱动机构上的平台测重传感器的数据F′₄；

e.拆卸测量平台与测量机架铰接轴，分离测量平台与测量机架，测出测量平台和夹具质心，记录重新读取XY平面内的机架测重传感器的数据F′₁、F′₂、F′₃；

(3)基于以上数据，其计算顺序采用倒序法，具体步骤如下：

a.计算测量平台和夹具的共同质心，计算出多孔测量平台和夹具的共同质心x′、y′、z′；

其中

式中，a为读数为F₂的传感器和读数为F₃的传感器之间的距离；b为读数为F₁的传感器与读数为F₂的传感器之间的垂直距离；c为平台倾斜后支点距离读数为F₄的传感器的垂直距离；m_p为测量平台的质量；

b.计算非规则结构体的质心，计算出非规则结构体质心x_c、y_c、z_c；

其中

式中，m_c为非规则结构体质量。

2.根据权利要求1所述的一种非规则结构体质心测量方法，其特征在于，其中一个机架测重传感器设置在测量平台与测量机架铰接一端的中部位置，另外两个机架测重传感器设置在测量机架另一端的两侧。

3.根据权利要求1所述的一种非规则结构体质心测量方法，其特征在于，所述测量平台上设有多个螺纹孔。

4.根据权利要求1所述的一种非规则结构体质心测量方法，其特征在于，所述测量平台的一端设有两个用于与测量机架铰接的铰接耳，所述两个铰接耳位于测量平台的底部。

5.根据权利要求4所述的一种非规则结构体质心测量方法，其特征在于，所述测量平台上设有凸起结构件，所述凸起结构件按照纵横排列的方式设置在测量平台的底部。

6.根据权利要求5所述的一种非规则结构体质心测量方法，其特征在于，所述测量机架的顶部设有四个支撑柱，所述支撑柱的顶部设有支撑板，在测量平台处于水平测量状态时，所述支撑板的顶部与测量平台的底部处于分离状态，且所述支撑板的顶部高于所述凸起结构件的底部。

7.根据权利要求4所述的一种非规则结构体质心测量方法，其特征在于，所述测量机架的一端对应所述铰接耳的位置设有铰接座。

8.根据权利要求1所述的一种非规则结构体质心测量方法，其特征在于，所述测量机架的底部设有四个脚轮。

9.根据权利要求1所述的一种非规则结构体质心测量方法，其特征在于，所述升降驱动机构包括丝杆机构、用于给丝杆机构提供动力的手轮以及用于将平台测重传感器与所述升降件连接起来的连接件，其中，所述丝杆机构包括丝杆座以及丝杆，所述丝杆座构成了所述升降座，所述丝杆构成了所述升降件；所述连接件设置在平台测重传感器以及丝杆的顶部之间。

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