CN1696628A

CN1696628A - 一种新型的质量及质心位置测量装置及其测量方法

Info

Publication number: CN1696628A
Application number: CN 200410038044
Authority: CN
Inventors: 盛德恩
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-05-14
Filing date: 2004-05-14
Publication date: 2005-11-16

Abstract

本发明提供了一种新型的测量物体质量与质心位置的装置及其测量方法，它的实施方式是根据平行四连杆机构的受力特点，采用两个传感器分别测量物体质量所产生的力和质心偏移所产生的力矩；采用圆柱形空气轴承消除支承部位静摩擦对测量精度的影响；采用对称分别加载法消除初始机械性误差，可同时精确测量出物体的质量和质心位置。

Description

一种新型的质量及质心位置测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及的有关测量与测试技术领域，是一种新型的用于同时测量物体质量和质心位置的装置及其测量方法。

背景技术

对于空间飞行物体，比如卫星、飞船、火箭、导弹等的质量特性参数必须精确测量，质量和质心位置就是其中的重要参数。

目前所用的质心秤主要有两种类型。一是基于杠杆原理的单轴质心秤，它通常采用刃口做精密支点，用力传感器测量物体质心偏移所产生的绕支点的静力矩。它的缺点是不能同时测得质量，因此也不能直接测得质心位置，而需另配质量秤称得质量再将力矩换算成质心位置。另一种质心秤是三点测力原理。根据三点可确定一个平面的原理，用分布的三个测力传感器共同测量物体所产生的重力，从三个力之和求的物体的质量，用三个力的大小和位置根据平行力系力矩平衡关系求得合力作用点的位置，从而求得二维质心位置。该种质心秤的优点是同时测得物体的质量和二维质心位置，缺点是由于三个传感器的灵敏度和线性度并不完全一致，所以物体位置的差异会导致不同的测量结果，多次测量的重复性很差，通常只用于精确度要求不高的用途。

此外，测试台安装基准与测量基准之间的初始误差和转接工装与安装基准之间的位置误差在这两种测试台中都不能得到补偿，所以最终可实现的测量精度都不高。

两种方法的共同点是都用十分成熟的测力技术实现测量，但都缺乏力和力矩分别测量的思路，所以效果都不理想。

发明内容

本发明的目的在于克服现有质心秤的上述缺点，提供一种新型的质量及质心位置测量装置及其测量方法，使得测量功能更强，使用更方便，精度更高。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的，本发明所提供的新型的质量及质心位置测量装置包括有一个用于放置被测物体的工作台面，该工作台面的一个支撑杆延伸于外壳之内，在外壳内的上部有一水平连杆，该水平连杆的两端通过空气轴承分别铰接于外壳内壁和工作台面的支撑杆，在水平连杆的下面靠近工作台面支撑杆处设有一个钢球，该钢球是放置在一个用于测量质量的测力传感器，该传感器是安置于外壳内壁的一个支架上，上述工作台面的支撑杆的下部配置一个变截面杆，该变截面杆的另一端配置有一个用于测量质心位置的测力矩传感器，上述的测力传感器和测力矩传感器均连接于测量仪。

所述的空气轴承为圆柱形空气轴承。

本发明的质量及质心位置测量方法是根据上述测量装置的两个传感器分别测量力和力矩，测力传感器直接测得质量，测力矩传感器测得质心偏移所产生的力矩，再用力矩除以质量则得到质心位置。

下面结合附图所给出的实施例进一步详细描述本发明的技术方案，使之对其有更加清楚的了解。

附图说明

图1为本发明质量及质心位置测量装置的示意图。

具体实施方式

参看附图，本发明所提供的新型的质量及质心位置测量装置包括有一个用于放置被测物体的工作台面1，该工作台面1的一个支撑杆11延伸于外壳7之内，在外壳7内的上部有一水平连杆2，该水平连杆2的两端通过空气轴承10分别铰接于外壳1内壁和工作台面的支撑杆11，在水平连杆2的下面靠近工作台面支撑杆11处设有一个钢球3，该钢球3放置在一个用于测量质量的测力传感器4上，该传感器4安置于外壳内壁的一个支架12上，上述工作台面的支撑杆11下部配置一个变截面杆5，该变截面杆5的另一端配置有一个用于测量质心位置的测力矩传感器6，上述的测力传感器和测力矩传感器均连接于测量仪8。

本发明的质量及质心位置测量方法是根据上述测量装置的两个传感器，即测力传感器4和测力矩传感器6，他们分别测量力和力矩，测力传感器4直接测得质量，测力矩传感器6测得质心偏移所产生的力矩，再用力矩除以质量则得到质心位置。

下面结合附图描述测量机理和测量过程方式。

在测量台上安装有质量为M的被测物体，其质心O距测量台(含转接工装)的基准线偏移量d为需测量的量，根据力的平衡关系，物体的重力mg由测力传感器4按照杠杆比的关系测得，测力传感器4承受的力为：

F = \frac{A}{a} mg

设k_F为传感器灵敏度，V_F为传感器输出的电压信号，a为测力传感器4距图示水平连杆一端的距离，A为水平连接的长度；

所以由力传感器4测得的信号可直接求得质量：

m = \frac{{ak}_{F}}{Ag} V_{F}

根据力矩平衡关系，测力矩传感器6所承受的载荷为：

f = \frac{b + d}{B} mg

所以由测力矩传感器6测得的信号可求得质心偏移d：

d = \frac{k_{f} V_{f}}{mg} - b

式中k_f为传感器灵敏度，m已由上面求得，初始偏移b可用对称分别加载法求得，即以工件定位中心为对称中心，分别在距其距离为R的左右两侧加同一质量砝码M，则测力矩传感器两次测得的信号分别为：

k_{f} V_{f 1} = \frac{R + b}{B} Mg

k_{f} V_{f 2} = \frac{R - b}{B} Mg

两次测量数据相减可求得：

b = \frac{k_{f} B}{2 Mg} (V_{f 1} - V_{f 2})

式中B为水平连杆的中心距变截面杆的中心

需要说明的是，上述对称分别加载法可克服包括工装定位误差在内的综合误差。

本发明是利用水平平行四连杆机构的受力特征，利用两个传感器分别测量力和力矩，测力传感器直接测得质量，测力矩传感器测得质心偏移所产生的力矩，再用力矩除以质量则得到质心位置。

本发明采用圆柱形空气轴承支承，不仅测量能克服铰链(或刃口)静摩擦对测量精度的影响，而且圆柱形机械零件精加工非常容易。

本发明提出了对称分别加载法补偿包括工装定位误差在内的综合误差的新方法，可使最终测量精度显著提高，使得测量精度不再取决于难以降低的机械误差，而使得电子测量的高精度得到有效发挥。

根据上述原理可设计出新型质量质心位置测量装置，具体实施方案包括三项内容，机械件设计、传感器参数选择和测量数据处理。即：

1、根据被测物体的大小设计合适规格的测量装置，根据强度和方便操作原则确定机械件的几何尺寸；

2、根据初步确定的机械件几何尺寸关系，按照前面的公式分别计算出测力传感器和测力矩传感器的受载荷大小，选择合适规格的高精度力传感器。综合考虑传感器参数和机械件几何参数最后确定装置的设计参数；

3、测量数据处理依下列步骤进行：

第一步：按照前述公式和实际传感器灵敏度系数设定系统的测量灵敏度，包括质量测量灵敏度系数和质心位置测量灵敏度系数

第二步：在安装被测物体之前，将反映系统自身和工装的质量及力矩的初始测量值置为零

第三步：以工装与工件连接的定位中心为中心，在其左右两侧等距离出分别加同一质量件，由两次力矩测量结果根据前面的公式计算出含工装在内的初始位移偏移量

第四步：将被测物体安装于测量装置上，由系统的测量装置同时计算并显示出物体的质量、偏心力矩和质心偏移。

Claims

1、一种新型的质量及质心位置测量装置，其特征在于其包括一个用于放置被测物体的工作台面，该工作台面的一个支撑杆延伸于外壳之内，在外壳内的上部有一水平连杆，该水平连杆的两端通过空气轴承分别铰接于外壳内壁和工作台面的支撑杆，在水平连杆的下面靠近工作台面支撑杆处设有一个钢球，该钢球放置在一个用于测量质量的测力传感器上，该传感器安置于外壳内壁的一个支架上，上述工作台面的支撑杆下部配置一个变截面杆，该变截面杆的另一端配置有一个用于测量质心位置的测力矩传感器，上述的测力传感器和测力矩传感器均连接于测量仪。

2、根据权利要求1所述的质量及质心位置测量装置，其特征在于所述的空气轴承为圆柱形空气轴承。

3、一种质量及质心位置测量方法，其是根据上述权利要求所述的测量装置的两个传感器分别测量力和力矩，通过测力传感器直接测得质量，测力矩传感器测得质心偏移所产生的力矩，再用力矩除以质量则得到质心位置。