专利名称：用于测量物体质心、形心和质心偏离量的测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种测量设备，具体说是涉及一种用于测量物体质心、形心和质心偏离量的测量装置。
旋转体质量特征参数的测量对于远程高速运动的物体是非常必要的，由于其应用领域较窄，其相关文献也不多见。国内目前所使用的旋转体质量特征参数测量设备为国外进口设备，其质心、形心的测量分别在两台设备上进行。在测量质心时，上述设备采用双重刀口(相当于两个垂直放置的天平)，分别测出两个垂直方向的质心偏离量，得到质心相对于双重刀口交叉点的位置。而形心的测量则是采用位移传感器通过被测体旋转时的半径变化量，经数学计算后得出其形心相对于旋转轴心的位置，然后再通过计算得到质心相对于形心的偏离量。上述方法对质心和形心的测量虽是可靠的，但由于上述测量方法对质心和形心的测量是通过两个不同的测量基准来完成的，即质心的测量基准为通过双重刀口交叉点的重力轴，而形心的测量基准为旋转轴心，故用该设备测算的质心偏离量是不可靠的。而上述设备测取质心与形心的目的主要是为了测量质心偏离量，故此类测量设备的缺陷是明显的。
为解决现有技术的不足，本专利申请的发明者前期根据我国一些单位的需要曾设计完成过一台质心特征参数测量设备。其基本思路是在同一台设备上完成质心与形心的测量，然后计算出质心偏离量。具体方案是在一个旋转轴系上安装三个均布的称重传感器，首先将被测体放置在三个均布的称重传感器的顶尖处，根据三个传感器所承受的分力计算出其质心的位置，然后转动被测体(三个传感器也同时随之转动)，用光栅尺测出其旋转一周的半径变化量，通过数学计算得出形心位置，之后再计算出质心偏离量。该装置通过实际应用取得了较好的效果，测量精度优于进口装置，但也存在一些不足。如其质心测量基准是通过三个传感器几何形心的重力轴，而形心测量基准是旋转轴心，也就是说两者基准仍不相同。但该装置之所以能得到较好的测量效果，其主要原因是该装置通过精密的加工，使三个传感器的几何形心尽可能与旋转轴心重合，并且由于是在同一台装置上通过调整使得旋转轴尽可能与重力轴重合，最大限度地减小了因基准不同造成的误差。但由于其本质上存在的不足，加之旋转轴与重力轴重合调整的复杂和繁琐，使得所测精度难以得到继续提高。
本实用新型的目的就在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种可在同一台测量装置上，采用同一测量基准，高精度地完成旋转体质量特征参数测量的用于测量物体质心、形心和质心偏离量的测量装置。
本实用新型的目的可通过以下措施来实现本实用新型的用于测量物体质心、形心和质心偏离量的测量装置包括通过同心、刚性的连接方式相结合的承物盘和旋转立轴，安装在旋转立轴下端的动力机构，所述旋转立轴通过固接在支承座上的十字支撑臂架放在机座上；所述十字支撑臂是由位于同一水平轴线方向的两根对称设置的摆动支撑臂和位于同一水平轴线方向的两根对称设置的传感支撑臂组成；所述摆动支撑臂通过刀口副架放在机座上，所述传感支撑臂通过传感元件与机座相连；所述旋转立轴上连接有一角度测量元件。
组成本实用新型中所述十字支撑臂的摆动支撑臂的轴线和传感支撑臂的轴线位于同一水平面且垂直相交。
本实用新型中所述的刀口副可采用以下多种不同的结构来实现如由相互配合的具有楔形锥顶的刀口支撑座和具有弧形凹槽支撑块构成；或是由相互配合的平面支撑块和具有楔形锥顶且其锥顶部为弧面结构的支撑座构成；也可以是由顶面加工有V形槽的支撑座、放置在V形槽内的滚柱以及与滚柱柱面相配合的其顶面为平面结构的支撑块构成。当然也可采用其它任意公知的结构来实现。另外上述结构的刀口副均可上下结构互换使用。
本实用新型中用于驱动旋转立轴运转的动力机构为中空轴式电机，该电机通过柱销联轴器与旋转立轴的下端面相结合；在所述电机中空轴的内腔中穿装有一与旋转立轴之间采用同轴心、刚性连接方式相结合的连接轴，该连接轴的下端连接有一用于转角测量的角度测量元件；所述角度测量元件可以是光电编码盘，也可以采用其它任意公知的角度测量元件。
在本实用新型中机座的一侧设置有一升降臂，升降臂上设置有用于测量位移的传感器。
本实用新型中所述的摆动支撑臂上设置有用于调节支承座高度的调节螺栓和定位销，该定位销下端与固定安装在机座上的定位块上加工出的定位销孔相配合，所述调节螺栓的底面与上述定位块的顶面相接触；在摆动支撑臂末端设置有一由定位板、通过其端部为锥形结构的连接轴安装在定位板上且其轴线与刀口母线相平行的轴承、与机座相固接且夹持在所述轴承两侧的侧向限位块和与机座相固接的位于连接轴尖端位置处的轴向限位块组成的限位机构。
本实用新型中所述的传感支撑臂通过与其相结合的位于其底面且垂直设置的定位连接板、穿装在定位连接板上的定位销与安装在机座上的定位块相连接，位于定位块上方位置处的传感支撑臂上设置有一调节螺栓；传感支撑臂的端部通过可调式触杆与安装在机座上的测力传感器相连；传感支撑臂的端部也可通过具有一定刚度的弹性体与安装在机座上的位移传感器相连。
为了在本装置上可同时完成转动惯量的测量，在所述承物盘下方两对应侧各设置有一套由连接座、置于连接座两侧并与其相连接的弹簧、与两弹簧末端相结合的轴向调节装置组成的转动惯量测量机构；该转动惯量测量机构通过由轴向调节杆和固定座组成的调节装置安装在机座上，位于两弹簧之间的连接座通过连接件与承物盘相接。
本实用新型通过在一台设备上完成物体质心、形心、质心偏离量以及转动惯量测量的这一技术方案的实施，从根本上解决了质心偏离量测量计算中质心与形心测量基准不一致的缺陷，可使质心偏离量的测量精度得以明显地提高。另外，本实用新型的优点还在于将天平原理(刀口技术)与旋转结构有机结合，利用刀口副承受绝大部分重量，用小量程传感器测量质心偏量产生的微小变量，由于其量程小，也就使得质心本身的测量精度得到明显的提高。
附图的图面说明如下
图1为本实用新型的主视图(图2的A-A旋转剖视图)。
图2是图1的B-B剖视图。
图3是图2中转动惯量测量机构的C-C剖视图。
图4是图2的D-D局剖图。
图5是图1中刀口副的部位的E-E局剖图，本实用新型的一种实施方案。
图6是图1中刀口副的第二种实施方案的剖视图。
图7是图1中刀口副的第三种实施方案的剖视图。
本实用新型以下将结合实施例(附图)作以详细的描述，但并不限制本实用新型。
如图1、2所示，本实用新型的用于测量物体质心、形心和质心偏离量的测量装置包括通过同心、刚性的连接方式安装在旋转立轴(5)上的承物盘(1)，位于旋转立轴(5)下端的中空轴式电机(18)，该电机(19)通过柱销联轴器(16)与旋转立轴(5)的下端面相结合；在所述电机(18)的中空轴内腔中穿装有一与旋转立轴(5)之间采用同轴心、刚性连接方式相结合的连接轴(19)，该连接轴(19)的下端连接有一用于转角测量的光电编码盘(20)，所述旋转立轴(5)通过轴承(21)安装在支承座(4)内，支承座(4)通过固接在其外壁上的十字支撑臂架放在机座上；所述十字支撑臂是由位于同一水平轴线方向的两根对称设置的摆动支撑臂(6)和位于同一水平轴线方向的两根对称设置的传感支撑臂(26)组成，且所述摆动支撑臂(6)的轴线和传感支撑臂(26)的轴线位于同一水平面且垂直相交；所述两根摆动支撑臂均通过位于其下方的由相互配合的具有弧形凹槽支撑块(7)和具有楔形锥顶刀口的支撑座(8)构成的刀口副(如图5所示)架放在机座(22)上，在两根摆动支撑臂(6)上还设置有用于调节支承座高度的调节螺栓(10)和定位销(9)，所述定位销(9)下端与固定安装在机座(22)上的定位块(37)上加工出的定位销孔(36)相配合，所述调节螺栓(10)的底面与上述定位块(37)的顶面相接触；两根摆动支撑臂(6)末端各设置有一套由定位板(11)、通过其端部为锥形结构的连接轴(14)安装在定位板(11)上且其轴线与刀口母线相平行的轴承(12)、与机座(22)相固接且夹持在所述轴承(12)两侧的侧向限位块(15)和与机座(22)相固接的位于连接轴(14)尖端位置处的轴向限位块(13)组成的限位机构；本实用新型中的两根传感支撑臂(26)均通过与其相结合的位于其底面且垂直设置的定位连接板(25)、穿装在定位连接板(25)上的定位销(24)与安装在机座(22)上的凸字形定位块(23)相连接，位于凸字形定位块(23)上方位置处的传感支撑臂(26)上设置有一调节螺栓(27)，两根传感支撑臂(26)的端部均通过可调式触杆(28)与安装在机座(22)上的小量程测力传感器(29)相连(如图1、4所示)；在位于机座(22)一侧的升降臂(3)上设置有用于测量位移的传感器(2)。如图2、3所示，在所述承物盘(1)下方两对应侧各设置有一套由连接座(33)、置于连接座(33)两侧并与其相连接的弹簧(31)、与两弹簧(31)末端相结合的轴向调节装置组成的转动惯量测量机构；该转动惯量测量机构通过由轴向调节杆(34)和固定座(30)组成的调节装置安装在机座(22)上，位于两弹簧(31)之间的连接座(33)通过连接销(32)与承物盘(1)相接。
本实用新型中所述的刀口副也可采用如图6、图7所示的结构来实现即采用由相互配合的具有平顶面结构的支撑块(7)和具有楔形锥顶且其锥顶部为弧面结构的支撑座(8)构成；也可采用由顶面加工有V形槽的支撑座(8)、放置在V形槽内的滚柱(35)以及与滚柱柱面相配合的其顶面为平面结构的支撑块(7)构成。
用本实用新型的装置进行质心测量时，先将被测体安装在承物盘(1)上，之后再分别将位于两根摆动支撑臂(6)和两根传感支撑臂(26)上的调节螺栓(10)和(27)旋开，并将其上的定位销(9)和(24)拔出，使得支承座(4)可灵活地绕刀口副母线摆动，此时启动电机(18)，通过旋转立轴(5)带动被测体缓慢同步旋转，随着被测体旋转角度的变化(其旋转的角度由光电编码盘(20)测得)，如果被测体的质心不在旋转轴心位置处，其质心位置将会绕旋转轴心做圆周运动(质心位置相对于旋转轴心的方位改变)，由于利用天平原理设置的刀口副反应非常灵敏，使得位于刀口母线相垂直设置的两根传感支撑臂(26)将会随质心位置的变化而绕刀口摆动(刀口母线与两根对称设置的摆动支撑臂轴线位于同一垂面且相平行)，与此同时，与传感支撑臂(26)端部相连的测力传感器(29)将会反应出对应的周期性力值变化量。如果被测体转动一周，测力传感器的读数不变，则说明质心正好位于旋转轴心。如果被测体转动一周，测力传感器的读数做周期性变化，根据读数变化规律可得到质心偏离旋转轴心的方位和大小，通过承物盘(1)上已设计好的配平槽(配平槽距旋转轴心的距离为已知定数)进行配平，在质心相反的方向配放一定量的配重，之后重复上述工作，直到旋转一周后，测力传感器的读数变化量小到规定的值以下(该值根据测试精度要求而定)，此时认为测力传感器的读数不变，即配重物与被测体的综合质心在旋转轴心。此时由全部配重物的质量与方位角可计算出被测体的质心位置，其计算原理是二者形成的力矩相等、方向相反。在测量过程中，如果测力传感器的初始读数不合适，则可通过对可调式触杆(28)的调整，使其初始读数适中，以满足旋转一周测量对量程的要求。另外，摆动支撑臂(6)末端限位机构的设置，可起到有效地防止支承座(4)在测量过程中产生转动或者位移的作用，以防影响测量的精确度。
用本实用新型的装置进行形心测量时(形心测量的被测体仅限于旋转体，即截面为圆形的物体)，分别将定位销(9)和(24)插入定位块的销孔中，并将位于两根摆动支撑臂(6)和两根传感支撑臂(26)上的调节螺栓(10)和(27)旋紧，使整个旋转轴系定位，不能摆动，并将位于传感支撑臂(26)端部的可调式触杆(28)上旋，使其脱离测力传感器(29)，以防测力传感器损坏。之后通过调整位于机座(22)一侧升降臂(3)的高度，使用于测量位移的传感器(2)测头与被测体表面相接触或接近(接触或接近被测体表面，取决于所用传感器的特性)；此时启动电机(18)，通过旋转立轴(5)带动被测体缓慢同步旋转，随着被测体旋转角度的变化(其旋转的角度由光电编码盘(20)测得)，由测量位移的传感器(2)测出被测体的半径变化，然后通过数学计算得出该截面几何形心相对于旋转轴心的位置。
本实用新型的另一具有实用价值的应用是测量质心相对于形心的偏离量，在通过上述方法准确测取质心位置与形心位置后，质心偏离量则很容易计算，因二者的测量基准均为同一旋转轴心，所以得到的质心偏离量结果是可靠的。而现有技术的质心测量基准则是通过三个或多个称重传感器的几何中心的重力轴，形心测量基准则是通过旋转轴心，由于基准不同，所得到的质心偏离量结果自然也是不可靠的。
用本实用新型的装置进行转动惯量测量时，通过连接销(32)以及与连接销下端螺纹相配合的螺母将承物盘(1)与转动惯量测量机构相接，再通过调节与两弹簧(31)末端相结合的轴向调节装置，给予两弹簧(31)一定的预拉量，使两对对称分布的两组弹簧与被测体以及旋转轴系之间构成一个近似的简谐圆周振动系统。在给定一个初始转角后，该系统将作简谐圆周振动，测出系统的振动周期，根据此周期与系统的刚度系数可以计算出其转动惯量值。而刚度系数可用已有理论值的物体放在承物盘，待测取其周期后计算出系统的刚度系数。
权利要求1.一种用于测量物体质心、形心和质心偏离量的测量装置，它包括通过同心、刚性的连接方式相结合的承物盘(1)和旋转立轴(5)，安装在旋转立轴(5)下端的动力机构，其特征在于所述旋转立轴(5)通过固接在支承座(4)上的十字支撑臂架放在机座(22)上；所述十字支撑臂是由位于同一水平轴线方向的两根对称设置的摆动支撑臂(6)和位于同一水平轴线方向的两根对称设置的传感支撑臂(26)组成；所述摆动支撑臂(6)通过刀口副架放在机座(22)上，所述传感支撑臂(26)通过传感元件(29)与机座(22)相连；所述旋转立轴(5)上连接有一角度测量元件(20)。
2.根据权利要求1所述的用于测量物体质心、形心和质心偏离量的测量装置，其特征在于组成十字支撑臂的摆动支撑臂(6)的轴线和传感支撑臂(26)的轴线位于同一水平面且垂直相交。
3.根据权利要求1所述的用于测量物体质心、形心和质心偏离量的测量装置，其特征在于所述刀口副是由相互配合的具有弧形凹槽支撑块(7)和具有楔形锥顶刀口的支撑座(8)构成。
4.根据权利要求1所述的用于测量物体质心、形心和质心偏离量的测量装置，其特征在于所述刀口副是由相互配合的平面支撑块(7)和具有楔形锥顶且其锥顶部为弧面结构的支撑座(8)构成。
5.根据权利要求1所述的用于测量物体质心、形心和质心偏离量的测量装置，其特征在于所述刀口副是由顶面加工有V形槽的支撑座(8)、放置在V形槽内的滚柱以及与滚柱柱面相配合的其顶面为平面结构的支撑块(7)构成。
6.根据权利要求1所述的用于测量物体质心、形心和质心偏离量的测量装置，其特征在于用于驱动旋转立轴(5)运转的动力机构为中空轴式电机(18)，在所述电机(18)中空轴的内腔中穿装有一与旋转立轴(5)之间采用同轴心、刚性连接方式相结合的连接轴(19)，该连接轴(19)的下端连接有一用于转角测量的光电编码盘(20)。
7.根据权利要求1所述的用于测量物体质心、形心和质心偏离量的测量装置，其特征在于所述摆动支撑臂(6)上设置有用于调节支承座(4)高度的调节螺栓(10)和定位销(9)；该定位销(9)与固定安装在机座(22)上的定位块(37)上加工出的定位销孔(36)相配合，所述调节螺栓(10)的底面与上述定位块(37)的顶面相接触；在摆动支撑臂(6)末端设置有一由定位板(11)、通过其端部为锥形结构的连接轴(14)安装在定位板(11)上且其轴线与刀口母线相平行的轴承(12)、与机座(22)相固接且夹持在所述轴承(12)两侧的侧向限位块(15)和与机座(22)相固接的位于连接轴(14)尖端位置处的轴向限位块(13)组成的限位机构。
8.根据权利要求1所述的用于测量物体质心、形心和质心偏离量的测量装置，其特征在于所述传感支撑臂(26)通过与其相结合的位于其底面且垂直设置的定位连接板(25)、穿装在定位连接板(25)上的定位销(24)与安装在机座(22)上的定位块(23)相连接，位于定位块(23)上方位置处的传感支撑臂(26)上设置有一调节螺栓(27)；传感支撑臂(26)的端部通过可调式触杆(28)与传感元件(29)相接触。
9.根据权利要求1所述的用于测量物体质心、形心和质心偏离量的测量装置，其特征在于在所述承物盘(1)下方两对应侧各设置有一套由连接座(33)、置于连接座(33)两侧的弹簧(31)、与两弹簧(31)末端相结合的轴向调节装置组成的转动惯量测量机构；该转动惯量测量机构通过由轴向调节杆(34)和固定座(30)组成的调节装置安装在机座(22)上，位于两弹簧(31)之间的连接座(33)通过连接件(32)与承物盘(1)相接。
10.根据权利要求1或8所述的用于测量物体质心、形心和质心偏离量的测量装置，其特征在于所述传感元件(29)为测力传感器。
11.根据权利要求1所述的用于测量物体质心、形心和质心偏离量的测量装置，其特征在于机座(22)的一侧设置有一升降臂(3)，升降臂(3)上设置有用于测量位移的传感器(2)。
专利摘要一种用于测量物体质心、形心和质心偏离量的测量装置,包括通过结合物相结合的承物盘(1)和旋转立轴(5),旋转立轴(5)通过固接在支承座(4)上的十字支撑臂架放在机座(22)上;十字支撑臂是由两根对称设置的摆动支撑臂(6)和两根对称设置的传感支撑臂(26)组成;所述摆动支撑臂(6)通过刀口副架放在机座(22)上,所述传感支撑臂(26)通过传感元件(29)与机座(22)相连;机座(22)上设置有带有传感器(2)的升降臂(3);所述旋转立轴(5)上连接有一角度测量元件(20)。
文档编号G01M1/00GK2433612SQ0023050
公开日2001年6月6日 申请日期2000年7月28日 优先权日2000年7月28日
发明者卢志辉, 孙志扬, 李祥云, 费星如, 唐新成, 葛静 申请人:机械工业部郑州机械研究所