CN112985693A

CN112985693A - 一种高精度三维质心测量装置

Info

Publication number: CN112985693A
Application number: CN201911274112.5A
Authority: CN
Inventors: 孔丹群; 鞠鹏
Original assignee: Nanjing Qianlihe Technology Co ltd
Current assignee: Nanjing Qianlihe Technology Co ltd
Priority date: 2019-12-12
Filing date: 2019-12-12
Publication date: 2021-06-18

Abstract

本发明公开了一种高精度三维质心测量装置，包括测试底座装置、测试架装置、双量程测量装置和升降保护装置；双量程测量装置设置于测试底座装置顶面一侧，用于测量产品的质心，所述测试架装置设置于测试底座装置顶面，且一侧与双量程测量装置的顶面浮动连接，测试底座装置是整体测量装调装置的安装支撑平台，升降保护装置设置于测试底座装置内，并与其顶面的底部固连，且升降保护装置能够向上伸出测试底座装置，将测试架装置托起。本发明配有双量程传感器，改变单一传感器不可调测试架的局限性，一次完成被测体安装测量精度高。

Description

一种高精度三维质心测量装置

技术领域

本发明属于飞行物体测试技术，特别是一种高精度三维质心测量装置。

背景技术

飞行物体的质心位置影响其飞行运动轨迹，精确测量质心对于研究与控制该类产品的运动过程具有重要的意义。

目前，测量质心主要有不平衡力矩与多支点称重两种测量方法，对精度要求不高的质心测量简单实用，是国内外质心测量领域比较常用的方法。不平衡力矩法采用天平平衡原理，通过刀口结构称量计算质心偏离量，由于受到偏心力矩测量传感器测量精度与定位精度的影响，测量精度受到一定限制。

多支点称重法也称为托架法，通常采用3个传感器直接称重，每个传感器承载托架、被测体重量，需要较大量程的传感器，基于平面内系统在受到外载荷作用下力矩平衡原理，通过相对于测试基准构建X、Y向的力矩平衡方程，实现对产品X、Y向质心参数的测量，质心测量精度到达一定值（0.1mm）后难以再提高。

不平衡力矩法、多支点称重法一次只能测量X、Y平面内的质心位置（Xp、Yp），要实现高度方向质心位置（Zp）的测量，通常有两种方法，即换位法和倾斜法，换位法就是让被测体旋转90°，重新安装被测体，使高度方向质心位置Zp在平面X、Y内，由于被测体重新安装，测试基准的改变带来测量精度的降低。倾斜法质心测试方法基于静态力矩平衡原理，通过测量在不同倾斜角度上作用在测力传感器的值，获得被测体在高度方向上的质心位置。由于高度方向质心位置（Zp）是通过矢量分解获得，与倾斜夹角的精度和矢量分解量有关，是一种间接测量法，所以倾斜法质心测试精度较低。

传统的不平衡力矩与多支点称重测量方法是基于一次简单放置被测体，决定被测体与传感器相互之间的位置关系，再通过力学平衡原理一元一次方程进行计算，测试过程中的结构内力、传感器四角受力误差、偶然误差、位置误差、测量误差等都无法消除。传统质心测试方法的测试精度在mm、0.1mm级。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高精度三维质心测量装置，可以对飞行物体实现三维质心的高精度测量。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种高精度三维质心测量装置，包括测试底座装置、测试架装置、双量程测量装置和升降保护装置；双量程测量装置设置于测试底座装置顶面一侧，用于测量产品的质心，所述测试架装置设置于测试底座装置顶面，且一侧与双量程测量装置的顶面浮动连接，测试底座装置是整体测量装调装置的安装支撑平台，升降保护装置设置于测试底座装置内，并与其顶面的底部固连，且升降保护装置能够向上伸出测试底座装置，将测试架装置托起。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

（1）采用配平调整测试架，并配有双量程传感器，改变单一传感器不可调测试架的局限性，第一量程传感器用于初级测量，系统配平调整后，采用第二量程传感器用于精确测量，能提高测试装置的测试精度和灵敏性；

（2）根据垂直分解质心高精度理论，将误差估计转化为质心位置的函数，采用倾斜测试架、旋转台实现被测体多次测量，可以不断逼近和消除非线性的测量误差，三维质心测试精度可以达到0.02--0.01mm；

（3）在同一个测试台上、一次完成被测体安装，在保证被测体安装准基没有改变的情况下，实现被测体三维质心的高精度测量。

附图说明

图1是本发明一种高精度三维质心测量装置的结构示意图。

图2是图1的左视图。

图3是图1的俯视图。

图4是传感器模块结构示意图。

图5是平衡调节装置机构示意图。

图6是倾斜法测试原理示意图，其中图（a）为水平放置图，图（b）为倾斜放置图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1~图3，一种高精度三维质心测量装置，包括测试底座装置1、测试架装置2、双量程测量装置3和升降保护装置4；双量程测量装置3设置于测试底座装置1顶面一侧，用于测量产品的质心，所述测试架装置2设置于测试底座装置1顶面，且一侧与双量程测量装置3的顶面浮动连接，测试底座装置1是整体测量装调装置的安装支撑平台，升降保护装置4设置于测试底座装置1内，并与其顶面的底部固连，且升降保护装置4能够向上伸出测试底座装置1，将测试架装置2托起。

结合图1，测试底座装置1包括测试底台13、测试框架12和2N个可调地脚11，N≥1。2N个可调地脚11均匀分布在测试框架12底面，对测试框架12水平高度进行调节，测试底台13设置在测试框架12顶面，测试底台13作为试验台，用于固定测试架装置2、双量程测量装置3和升降保护装置4，升降保护装置4固定在测试底台13的底面，且升降保护装置4能够向上伸出测试底台13。

结合图1和图6，测试架装置2包括测试架21、测试平台22和平衡调节装置23；测试平台22设置在测试底台13顶面，测试平台22一侧与双量程测量装置3顶面浮动连接，另一侧底面固连平衡调节装置23，测试架21位于测试平台22上方，测试架21一侧与测试平台22铰连。

测试架21包括转台211和测试架板212，转台211与测试架板212的顶面中心转动连接，测试架板212固定在测试平台22顶面，其一侧与测试平台22铰连，可用于产品的旋转。

测试平台22包括翻转支架221、刀尖222、刀口支座223、测试平台板224、角度支撑块225，刀口支座223固连在测试底台13顶面，用于支撑其顶部的支撑刀尖222，刀尖222固定在测试平台板224底面，翻转支架221铰接于测试平台板224顶面一侧，角度支撑块225固定在测试平台板224顶面另一侧，翻转支架221和角度支撑块225共同支撑或倾斜测试架21。

平衡调节装置23包括步进电机231、安装箱体232、轴承座233、丝杆234、配重块235和支撑轴承座236；安装箱体232固定在测试平台板224底面，步进电机231固定在安装箱体232外壁，丝杆234设置于安装箱体232内，支撑轴承座236设置在安装箱体232内侧，且远离步进电机231，丝杆234一端通过轴承座233与步进电机231输出轴连接，另一端与固定于安装箱体232内的支撑轴承座236通过轴承连接，配重块235设置在丝杆234上，且配重块235可在丝杆23上滑动，用于测试架21的平衡调节。

结合图1、图2和图5，双量程测试装置3包括传感器支脚31、滑台32、步进电机35、轴承座36、丝杆37、丝杆螺母38、第一量程传感器下垫板39、第一量程传感器310、第二量程传感器312、第二量程传感器下垫板313、丝杆支撑座314、两块支脚垫板311、两个滑块33、两根导轨34；传感器支脚31固定在测试平台板224远离平衡调节装置23的一侧底面，两根导轨34固定在测试底台13顶面，且对称平行放置，导轨34上滑动连接一个滑块33，通过滑台32将滑块33连接，滑台32的右侧基准面与滑块33基准面重合，第一量程传感器下垫板39和第二量程传感器下垫板313对称放置在滑台32顶面，分别与滑台32固连，第一量程传感器310和第二量程传感器312分别与第一量程传感器下垫板39和第二量程传感器下垫板313固连；两块支脚垫板311分别放置在第一量程传感器310和第二量程传感器312顶面，轴承座36和丝杆支撑座314对称固定在测试底台13顶面，丝杆37两端分别与轴承座36与丝杆支撑座314转动连接，丝杆螺母38设置在丝杆37上，且丝杆螺母38顶面与滑台32底面固连，步进电机35固定在轴承座36外侧，丝杆37一端与步进电机35输出轴通过轴承转动连接，另一端通过轴承与丝杆支撑座314转动连接，可用于不同精度传感器的切换。

第一量程传感器310的量程范围0-30KG。

第二量程传感器312的量程范围0-5KG。

结合图1和图4，升降保护装置4包括支撑板41、滑动板45、丝杆升降机46、升降下支撑板48、升降上固定板49、升降步进电机410、两根支撑轴42、两个上直线轴承43、两个直线轴承44和两根导轴47；升降步进电机410与丝杆升降机46沿垂直方向相连，向丝杆升降机46提供升降动力，丝杆升降机46的丝杆通过法兰与其上方的滑动板45中心固连，两根导轴47对称设置在丝杆升降机46两侧，且分别与升降上固定板49底面和升降下支撑板48的顶面固连，每根导轴47上设有一个直线轴承44，且两个直线轴承44对称固定在滑动板45上方两侧固连，升降时起到导向保护作用，两根支撑轴42对称设置在滑动板45顶面两侧，且分别于支撑板41底面和滑动板45顶面固连，每根支撑轴42上设有一个上直线轴承43，两个上直线轴承43对称固定在测试底台13顶面两侧固连，起到升降支撑测试架装置2的作用。

运动过程：升降步进电机410通电运转给丝杆升降机46提供升降动力，丝杆升降机46自带法兰往上运动，通过丝杆升降机46的法兰带动上方的滑动板45往上运动，滑动板45带动其上方两侧支撑轴42从而带动支撑板41往上运动，支撑板41往上运动顶起测试平台板224，步进电机35带动丝杆37转动从而带动丝杆螺母38前后移动，丝杆螺母38带动滑台32前后移动从而实现第一量程传感器310、第二量程传感器312的切换，切换完传感器后，升降步进电机410通电运转给丝杆升降机46提供下降动力，丝杆升降机46自带法兰往下运动，通过丝杆升降机46的法兰带动上方的滑动板45往下运动，滑动板45带动其上方两侧支撑轴42从而带动支撑板41往下运动，支撑板41往下运动至脱开测试平台板224。

本发明所述的高精度三维质心测量装置，测试过程如下：

步骤1，调整转台211并将转台211在水平面沿90°方向锁紧；

步骤2，调整平衡调节装置23，保证高精度三维质心测量装置空载状态下4个测试工位位置传感器的测量值基本一致，并测试记录空载状态下4个测试工位位置传感器的测量值；

步骤3，将升降保护装置4调整到上工位，使测试平台板224与升降保护装置4接触。

步骤4，调整好转台211的安装角度，使转台211的刻度线与测试架板212的0度刻度线对准，并通过锁紧销将转台锁紧固定；

步骤5，将产品安装至转台211上，并通过定位销确定产品安装状态；

步骤6，通过螺纹连接将产品与转台211相对固定；

步骤7，将双量程测试装置3调至第一量程传感器310，将升降保护装置4调至下工位，使传感器支脚31与支脚垫板311充分接触；

步骤8，将产品通过转台211旋转4个90°位置，分别记录4个位置状态下一量程传感器310读数，通过软件计算得出第一次测量三维质心位置；

步骤9，通过第一次测量值调节平衡调节装置23，然后将升降保护装置4上升至上工位，将量程测试装置3调至第第二量程传感器312，最后将升降保护下4降至下工位使传感器支脚31与支脚垫板311充分接触；

步骤10，将产品通过转台211旋转4个90°位置，分别记录4个位置状态下传感器读数，通过软件计算得出最终三维质心位置。

通过旋转转台211将转台211调整到初始位置，升降保护装置4上升至上工位，保证两者能称为一个整体，使传感器支脚21脱离支脚垫板311；取下被测产品，完成测试。

本发明的测试原理如下：

倾斜法质心测试原理：

倾斜法质心测试技术通常与常规托架法质量质心测试技术结合使用，其测试原理见下图所示，在水平状态下通过托架法测量被测体质量和在x方向的质心位置x _c，从而确定被测体的质心在x轴方向上坐标位置，通过测量在水平状态下及绕转轴中心旋转一定角度β后测力传感器的测力值，从而获得被测体在高度方向上的质心位置z _c。倾斜法质心测试原理如图6所示

图中：C为质心，G为重力，L ₀为此水平状态下左侧传感器距离定位基准面的距离，L _g此水平状态下被测体端面距离定位基准面的距离，X _c此水平状态下被测体端面距离被测体质心的距离，F ₁此水平状态下右侧传感器所受力，L ₁为此水平状态下质心距左侧传感器的距离在x轴上的投影，L ₂为左侧传感器与转轴中心距离在x轴上的投影，h ₀为测试台平面距转轴中心的距离在y轴上的投影，h _c为被测体质心距转轴中心的距离在y轴上的投影，α为测试台转动的角度，L’ ₁为旋转后质心与左传感器在x轴上的投影。

实测例

质量为 50kg、直径为400mm、长度为200 mm的圆柱体，采用本测试装置与传统测试装置进行测试，测试数据如下：

内容	x向质心	y向质心	Z向质心	X向质心	y向质心	Z向质心
							测试方法	托架法	托架法	倾斜法	三维法	三维法	三维法
理论值	100.00	200.00	200.00	100.00	200.00	200.00
							测试值	99.91	200.07	199.83	200.007	200.005	200.018
测试精度	0.1	0.1	0.2	0.01	0.01	0.02

通过测试数据可以得出一种高精度三维质心测量装置测量精度优于传统测量装置，其质心精度能达到0.01mm~0.02mm，且在一个测试台上就能完成测量，简单方便精度高，优于传统测量装置。

Claims

1.一种高精度三维质心测量装置，其特征在于：包括，

测试底座装置（1），作为整体测量装调装置的安装支撑平台；

双量程测量装置（3），用于测量产品的质心，设置于测试底座装置（1）顶面一侧；

测试架装置（2），设置于测试底座装置（1）顶面，且一侧与双量程测量装置（3）的顶面浮动连接；

升降保护装置（4），设置于测试底座装置（1）内，并与测试底座装置（1）顶面固连，且升降保护装置（4）能够向上伸出测试底座装置（1），将测试架装置（2）托起。

2.根据权利要求1所述的高精度三维质心测量装置，其特征在于：所述测试底座装置（1）包括，

测试框架（12），作为支撑框架；

测试底台（13），设置在测试框架（12）顶面，测试底台（13）作为试验台，用于固定测试架装置（2）、双量程测量装置（3）和升降保护装置（4），升降保护装置（4）固定在测试底台（13）的底面，且升降保护装置（4）能够向上伸出测试底台（13）。

3.根据权利要求1或2所述的高精度三维质心测量装置，其特征在于：所述测试底座装置（1）还包括2N个可调地脚11，N≥1，2N个可调地脚11均匀分布在测试框架（12）底面，对测试框架（12）水平高度进行调节。

4.根据权利要求1所述的高精度三维质心测量装置，其特征在于：测试架装置（2）包括测试架（21）、测试平台（22）和平衡调节装置（23）；测试平台（22）设置在测试底台（13）顶面，测试平台（22）一侧与双量程测量装置（3）顶面浮动连接，另一侧底面固连平衡调节装置（23），测试架（21）位于测试平台（22）上方，测试架（21）一侧与测试平台（22）铰连。

5.根据权利要求4所述的高精度三维质心测量装置，其特征在于：测试架（21）包括转台（211）和测试架板（212），转台（211）与测试架板（212）的顶面中心转动连接，测试架板（212）固定在测试平台（22）顶面，其一侧与测试平台（22）铰连，可用于产品的旋转。

6.根据权利要求4或5所述的高精度三维质心测量装置，其特征在于：测试平台（22）包括翻转支架（221）、刀尖（222）、刀口支座（223）、测试平台板（224）、角度支撑块（225），刀口支座（223）固连在测试底台（13）顶面，用于支撑其顶部的支撑刀尖（222），刀尖（222）固定在测试平台板（224）底面，翻转支架（221）铰接于测试平台板（224）顶面一侧，角度支撑块（225）固定在测试平台板（224）顶面另一侧，翻转支架（221）和角度支撑块（225）共同支撑或倾斜测试架（21）。

7.根据权利要求4所述的高精度三维质心测量装置，其特征在于：平衡调节装置（23）包括步进电机（231）、安装箱体（232）、轴承座（233）、丝杆（234）、配重块（235）和支撑轴承座（236）；安装箱体（232）固定在测试平台板（224）底面，步进电机（231）固定在安装箱体（232）外壁，丝杆（234）设置于安装箱体（232）内，支撑轴承座（236）设置在安装箱体（232）内侧，且远离步进电机（231），丝杆（234）一端通过轴承座（233）与步进电机（231）输出轴连接，另一端与固定于安装箱体（232）内的支撑轴承座（236）通过轴承连接，配重块（235）设置在丝杆（234）上，且配重块（235）可在丝杆23上滑动，用于测试架（21）的平衡调节。

8.根据权利要求1或4所述的高精度三维质心测量装置，其特征在于：双量程测试装置（3）包括传感器支脚（31）、滑台（32）、步进电机（35）、轴承座（36）、丝杆（37）、丝杆螺母（38）、第一量程传感器下垫板（39）、第一量程传感器（310）、第二量程传感器（312）、第二量程传感器下垫板（313）、丝杆支撑座（314）、两块支脚垫板（311）、两个滑块（33）、两根导轨（34）；传感器支脚（31）固定在测试平台（22）远离平衡调节装置（23）的一侧底面，两根导轨（34）固定在测试底台（13）顶面，且对称平行放置，导轨（34）上滑动连接一个滑块（33），通过滑台（32）将滑块（33）连接，滑台（32）的右侧基准面与滑块（33）基准面重合，第一量程传感器下垫板（39）和第二量程传感器下垫板（313）对称放置在滑台（32）顶面，分别与滑台（32）固连，第一量程传感器（310）和第二量程传感器（312）分别与第一量程传感器下垫板（39）和第二量程传感器下垫板（313）固连；两块支脚垫板（311）分别放置在第一量程传感器（310）和第二量程传感器（312）顶面，轴承座（36）和丝杆支撑座（314）对称固定在测试底台（13）顶面，丝杆（37）两端分别与轴承座（36）与丝杆支撑座（314）转动连接，丝杆螺母（38）设置在丝杆（37）上，且丝杆螺母（38）顶面与滑台（32）底面固连，步进电机（35）固定在轴承座（36）外侧，丝杆（37）一端与步进电机（35）输出轴通过轴承转动连接，另一端通过轴承与丝杆支撑座（314）转动连接，可用于不同精度传感器的切换。

9.根据权利要求8所述的高精度三维质心测量装置，其特征在于：第一量程传感器（310）的量程范围0-30KG，第二量程传感器（312）的量程范围0-5KG。

10.根据权利要求1所述的高精度三维质心测量装置，其特征在于：升降保护装置（4）包括支撑板（41）、滑动板（45）、丝杆升降机（46）、升降下支撑板（48）、升降上固定板（49）、升降步进电机（410）、两根支撑轴（42）、两个上直线轴承（43）、两个直线轴承（44）和两根导轴（47）；升降步进电机（410）与丝杆升降机（46）沿垂直方向相连，向丝杆升降机（46）提供升降动力，丝杆升降机（46）的丝杆通过法兰与其上方的滑动板（45）中心固连，两根导轴（47）对称设置在丝杆升降机（46）两侧，且分别与升降上固定板（49）底面和升降下支撑板（48）的顶面固连，每根导轴（47）上设有一个直线轴承（44），且两个直线轴承（44）对称固定在滑动板（45）上方两侧固连，升降时起到导向保护作用，两根支撑轴（42）对称设置在滑动板（45）顶面两侧，且分别于支撑板（41）底面和滑动板（45）顶面固连，每根支撑轴（42）上设有一个上直线轴承（43），两个上直线轴承（43）对称固定在测试底台（13）顶面两侧固连，起到升降支撑测试架装置（2）的作用。