用于两轴框架机构的静不平衡测量装置及方法与流程

本发明涉及一种机构的静不平衡测量，尤其是一种用于两轴框架机构的静不平衡测量装置及方法，属于双框架结构的标定技术领域。

背景技术：

两轴框架机构主要应用于光学平台的光轴稳定和检测平台的目标跟踪的核心组件，一般是由内框架，外框架，力矩电机，控制电路，转轴轴承等组装成。由于设计的不合理及加工和装配过程中存在误差等问题，两轴框架机构的内外框架质心通常不在其回转轴上，其转轴也通常不重合于其惯性主矩，从而引起静不平衡量，在转动过程中导致电机驱动力矩的消耗及稳定性问题，因此对两轴框架机构的静不平衡量测量进行研究尤为重要。

传统的动平衡测量方法主要应用离心机产生的离心加速度对两轴框架机构的静不平衡量进行测量，由于高速运转会对二轴框架机构造成损伤，且这种方法测量效率较低。传统的静平衡测量方法主要由称重平衡法和静压支撑法，这些方法在测量过程中存在摩擦过大导致精度较低的问题同时测量过程中需要多次装夹二轴框架机构，测量效率低。

经检索，公开号为CN104713680A(申请号201310674920.7)的中国发明专利申请，该专利公开一种用于惯性平台框架静不平衡量测试的方法，包括以下步骤：步骤一，准备工作；步骤二，框架对准：将待测框架扶正至机械零位；步骤三，施加摆动：通过驱动机构对框架施加摆动，并控制摆动频率；步骤四，偏角测量：找出框架的摆动中心，测量出摆动中心相对机械零位的偏角量α；步骤五，静不平衡量计算。

但是上述专利技术存在以下不足：装夹方式复杂，无法一次装夹同时测量多个框架的静不平衡量；在测量偏角过程中会引入误差对摆动中心的计算和最终的静不平衡量产生影响。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种操作简便，环境适应性高，测量速度快，测量精度高的用于两轴框架机构的静不平衡测量装置及方法。

根据本发明的第一方面，提供一种用于两轴框架机构的静不平衡测量装置，是一种双框测量机构，包括：上框架、下框架、支撑部件、传力机构、称重传感器和测量平台；

所述的上框架固定于下框架上，能够绕下框架的X轴方向旋转，旋转副是柔性构件；

所述的下框架固定在支撑部件上，能够绕下框架的Y轴方向旋转，旋转副是柔性构件；

所述下框架的X轴与Y轴在同一平面上且互相垂直；

所述的支撑部件固定于实验平台上；

所述的传力机构一端固定于上框架或下框架，另一端固定于称重传感器；

所述的称重传感器用于采集传力机构传导的力；

所述的测量平台固定于上框架上表面，用于装夹两轴框架机构。

优选地，所述的上下框架解耦，是指：上框架或下框架的转动对另外一个框架无影响。

根据本发明的第二方面，提供一种用于两轴框架机构的静不平衡测量方法，具体包括以下几个步骤：

步骤一：将两轴框架机构装夹在测量装置上；

步骤二：控制两轴框架机构先后各绕两轴框架机构本身的旋转轴旋转正负一定角度；

步骤三：处理测量数据并计算静不平衡量，最终两轴框架机构的内外框架的静不平衡量测试完毕。

所述步骤一，具体为：

101：将两轴框架机构与测量装置的测量平台呈α角度放置并保持两轴框架机构的旋转轴与测量装置的下框架的旋转轴平行；

102：通过测控系统使得两轴框架机构的内外框架回到初始零位锁定。

所述步骤二，具体为：

201：通过测控系统解锁内框架，发送指令让内框架绕内框架自身的旋转轴旋转+θ角度，此时测量装置的称重传感器开始采集数据，使内框架保持在该位置一定时间至称重传感器采集足够数据；

202：测控系统发送指令使内框架旋转-θ角度并保持在该位置至称重传感器采集足够数据；

203：使内框架回到初始零位锁定，解锁外框架并让外框架绕外框架自身的旋转轴旋转+θ角度，外框架保持该位称重传感器置至称重传感器采集足够数据；

204：发送指令使外框架旋转-θ角度，并保持该位置至称重传感器采集足够数据；

205：称重传感器停止采集数据。

所述步骤三，具体为：

301：将设置在与上下框架相连接的传力机构上的称重传感器采集的数据做上框架、下框架折线图，横坐标方向表示数据采集点的顺序，纵坐标表示数据采集点的数值大小；

302：从上框架折线图中找到由于内框转动产生的阶跃，在阶跃处两端各取一端线性度满足计算精度要求的数据，即第一段数据、第二段数据；

303：计算所述第一段数据最末端点与第二段数据起始点之间中点的位置；

304：将取得的第一段数据、第二段数据做一次拟合得到两条一次拟合曲线；

305：计算303得到的中点在两条一次拟合曲线的值并做差，得到由于内框架转动设置在与上框架相连接的传力机构上的称重传感器采集到的数据波动量F_ix；

306：从下框架折线图中找到由于内框架转动产生的阶跃，在阶跃处两端各取一端线性度满足计算精度要求的数据，重复303、304步骤，计算中点在两条一次拟合曲线的值，并做差得到由于内框架转动设置在与下框架相连接的传力机构上的称重传感器采集到的数据波动量F_iy；

307：从上框架折线图中找到由于外框架转动产生的阶跃，在阶跃处两端各取一端线性度满足计算精度要求的数据，重复303、304步骤，计算中点在两条一次拟合曲线的值并做差，得到由于外框转动设置在与上框架相连接的传力机构上的称重传感器采集到的数据波动量F_ox；

308：从下框架折线图中找到由于外框转动产生的阶跃，在阶跃处两端各取一端线性度满足计算精度要求的数据，重复303、304步骤，计算中点在两条一次拟合曲线的值并作差，得到由于外框架转动设置在与下框架相连接的传力机构上的称重传感器采集到的数据波动量F_oy；

309：结合上述步骤得到的数据F_ix，F_iy，F_ox，F_oy，通过质心投影法和双框架力矩平衡方程得到内框架两个方向上的静不平衡量G_ix，G_iy和外框架两个方向上的静不平衡量G_ox，G_oz：

$G_{ix}=\frac{F_{ix}{l}_{xx}}{2\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\cos \left(\mathrm{\α}\right)}$

$G_{iy}=\frac{F_{iy}{l}_{yy}}{2\sin \left(\mathrm{\θ}\right)cos\left(\mathrm{\α}\right)}$

$G_{ox}=\frac{F_{ox}{l}_{xx}}{2sin\left(\mathrm{\θ}\right)cos\left(\mathrm{\α}\right)}-G_{ix}$

$G_{oz}=\frac{F_{oy}{l}_{yy}}{2sin\left(\mathrm{\θ}\right)\cos \left(\mathrm{\α}\right)}$

其中l_xx为上框架传力设备对于测量平台X轴的等效力矩，l_yy为下框架传力设备对于测量平台Y轴的等效力矩。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)在本发明中，装夹两轴框架机构的方式使得内外框架机构的旋转轴与测量平台均为45°夹角，应用本发明的测量方法能够同时测量内外两个框架的静不平衡量减少再次装夹带来的误差；

(2)本发明所用双框测量设备转动副采用柔性结构无摩擦和回转间隙能够提高测量结果的精度；

(3)本发明采集数据的方式能够较快的完成内外框架静不平衡量的测量而不必等到称重传感器数据完全稳定后再采集，同时又能保证数据的精确度；

(4)本发明的数据处理简单，计算量较小；

(5)本发明的测量方式简单，对环境的适应性高，不需要二次装夹能够避免二轴框架机构不必要的损坏；

(6)本发明测试方法的软件采用图形化编程软件开发，以图表和曲线的形式完成所需的测量功能，具备较高的可靠性和较为直观的软件操作界面。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例中测量装置示意图；

图2为本发明一实施例中测量系统总体示意图；

图3为本发明一实施例中待测两轴框架机构示意图；

图4为本发明一实施例中测量方法流程图；

图5为本发明一实施例中双轴框架机构装夹示意图；

图6为本发明一实施例中双轴框架机构外框架锁定零位内框架旋转示意图；

图7为本发明一实施例中双轴框架机构内框架锁定零位外框架旋转示意图；

图8为本发明一实施例中质心投影法的原理示意图；

图9a、图9b为本发明一实施例中双框架力矩平衡原理示意图。

图中：测量装置100，上框架1，下框架2，支撑部件3，传力机构4，称重传感器5，测量平台6；

两轴框架机构200，内框架7，外框架8，内框力矩电机9，外框力矩电机10，支撑架11，外框架旋转轴12，内框架旋转轴13；

夹具300。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明涉及一种用于两轴框架机构的静不平衡测量装置，是一种双框测量机构，包括：上框架1、下框架2、支撑部件3、传力机构4、称重传感器5和测量平台6；

所述的上框架固定于下框架上，能够绕下框架的X轴方向旋转，旋转副是柔性构件；

所述的下框架固定在支撑部件上，能够绕下框架的Y轴方向旋转，旋转副是柔性构件；

所述下框架的X轴与Y轴在同一平面上且互相垂直；

所述的支撑部件固定于实验平台上；

所述的传力机构一端固定于上框架(下框架)，另一端固定于称重传感器；

所述的称重传感器用于采集传力机构传导的力；

所述的测量平台固定于上框架上表面，用于装夹两轴框架机构。

所述的上框架、下框架解耦，上框架或下框架的转动对另外一个框架无影响。

本发明测量装置，转动副采用柔性结构无摩擦和回转间隙能够提高测量结果的精度。

在一些实施例中，所述的柔性构件为柔性轴承，其设置在上框架或下框架的旋转轴线上。

本发明还涉及一种两轴框架的静不平衡测量方法，该方法所采用的测量系统示意图如图2所示，整个测量系统包括待测的两轴框架机构，测量装置和夹具。两轴框架机构通过夹具装夹在测量装置上。

本发明上述方法步骤一中所述测量装置，即图1所示。

待测的两轴框架机构结构示意图如图3所示，包括内框架7，外框架8，内框力矩电机9，外框力矩电机10、支撑架11；

所述的内框架固定在内框力矩电机的转轴上，且内框力矩电机的转轴与内框架的旋转轴同轴；

所述的外框架固定在外框力矩电机的转轴上，且外框力矩电机的转轴与外框架的旋转轴同轴；

所述的内框力矩电机固定在外框架上；

所述的外框力矩电机固定在支撑架上；

所述的支撑架用于定位两轴框架结构；

所述的内框架与外框架的旋转轴互相垂直；

将两轴框架机构与测量装置的测量平台呈α角度放置并保持两轴框架机构的旋转轴与测量装置的下框架的旋转轴平行。

在测量过程中通过两轴框架机构内外框架旋转一定角度在测量装置上产生变化力矩从而由称重传感器采集，处理数据结合质心投影法计算得到两轴框架机构内外框架的静不平衡量。

基于上述图1-3所示的测量系统，本发明两轴框架的静不平衡测量方法的具体流程如图4所示，具体包括以下步骤：

步骤一：将两轴框架机构装夹在测量装置(双框测量机构)上：

如图5所示，两轴框架机构通过夹具装夹在测量装置上，具体装夹的方式包括：

101：将两轴框架机构与双框测量机构的测量平台呈45°放置并保持两轴框：架机构的旋转轴与双框测量机构的下框架的旋转轴平行；

本实施例中，采用的是45°，当然，在其他实施例中，也可以是其他角度。

102：通过测控系统使得两轴框架机构的内外框架回到初始零位锁定；

步骤二：控制两轴框架机构先后各绕其旋转轴旋转正负一定角度：

结合图4和图5，具体的控制方式包括：

201：通过测控系统解锁内框架，发送指令让内框架绕内框架自身的旋转轴旋转+30°，此时双框测量机构的称重传感器开始采集数据，使内框架保持在该位置一定时间至称重传感器采集足够数据；

本实施例中，采用的是+30°，当然，在其他实施例中，也可以是其他角度。

202：测控系统发送指令使内框架旋转-30°并保持在该位置至称重传感器采集足够数据；如图6所示；

203：使内框架回到初始零位锁定，解锁外框架并让外框架绕外框架自身的旋转轴旋转+30°，外框架保持该位称重传感器置至称重传感器采集足够数据；如图7所示；

204：发送指令使外框架旋转-30°，并保持该位置至称重传感器采集足够数据；

205：称重传感器停止采集数据；

步骤三：处理测量数据并计算静不平衡量，具体的静不平衡量计算方法包括：

301：将上下框架称重传感器采集的数据做上下框架折线图，横坐标方向表示数据采集点的顺序，纵坐标表示数据采集点的数值大小；

302：从上框架折线图中找到由于内框转动产生的阶跃，在阶跃处两端各取一端线性度满足计算精度要求的数据，即第一段数据、第二段数据；

303：计算第一段数据最末端点与第二段数据起始点之间中点的位置；

304：将取得的第一段数据、第二段数据做一次拟合得到两条一次拟合曲线；

305：计算303得到的中点在两条一次拟合曲线的值并做差得到由于内框转动上框架称重传感器采集到的数据波动量F_ix；

306：从下框架折线图中找到由于内框架转动产生的阶跃，在阶跃处两端各取一端线性度满足计算精度要求的数据，重复303、304步骤，计算中点在两条一次拟合曲线的值并做差得到由于内框转动下框架称重传感器采集到的数据波动量F_iy；

307：从上框架折线图中找到由于外框转动产生的阶跃，在阶跃处两端各取一端线性度满足计算精度要求的数据，重复303、304步骤，计算中点在两条一次拟合曲线的值并做差得到由于外框转动上框架称重传感器采集到的数据波动量F_ox；

308：从下框架折线图中找到由于外框转动产生的阶跃，在阶跃处两端各取一端线性度满足计算精度要求的数据，重复(3)(4)步骤，计算中点在两条一次拟合曲线的值并作差得到由于外框转动下框架称重传感器采集到的数据波动量F_oy；

309：结合数据F_ix，F_iy，F_ox，F_oy，通过质心投影法和双框架力矩平衡方程可以得到内框架两个方向上的静不平衡量G_ix，G_iy和外框架两个方向上的静不平衡量G_ox，G_oz：

如图8所示，所述质心投影法，具体为：

3001：框架绕其旋转轴旋转时，其质心在投影平面内的轨迹是圆的一部分，假设旋转轴从初始位置θ₀旋转至θ₁再旋转至θ₂时，其质心投影的坐标将随之发生变化，改变的差值通过称重传感器的阶跃量计算得到；

3001：框架质心在转动至初始位置θ₀，θ₁，θ₂的坐标分别为：

$(\stackrel{\‾}{x},\stackrel{\‾}{y})=({\mathrm{\ρcos\θ}}_0,{\mathrm{\ρsin\θ}}_0)$

(x₁,y₁)＝(ρcosθ₁,ρsinθ₁)

(x₂,y₂)＝(ρcos₈θ₂,ρsinθ₂)

其中为外框架转动至初始位置时的坐标，(x₁,y₁)为外框架转动至θ₁时的坐标，(x₂,y₂)为外框架转动至θ₂时的坐标；

3003：通过上式可以得到框架质心投影在框架从θ₁旋转至θ₂时的变化量并通过三角函数和差化积公式化简可以得到：

$\stackrel{\‾}{x}=\frac{\mathrm{\Δ}y}{2sin\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2}{2}\right)}$

$\stackrel{\‾}{y}=\frac{\mathrm{\Δ}x}{2sin\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2}{2}\right)}$

如图9a、9b所示，所述双框架力矩平衡公式，具体为：

3004：双框测量设备的测量平台能够绕下框架X轴转动同时也能绕Y轴旋转，当在平台上偏离X轴和Y轴的方向放置一重物，上框架称重传感器和下框架称重传感器分别产生平衡力P_X和P_y使测量平台平衡；

3005：根据上下框架解耦原理可以得到上框架力矩平衡方程为：

M_x＝P_xl_xx

M_y＝P_yl_yy

其中M_x为重物对于测量平台X轴方向产生的力矩，M_y为重物对于测量平台Y轴方向产生的力矩，l_xx为上框架传力设备对于测量平台X轴的等效力矩，l_yy为下框架传力设备对于测量平台Y轴的等效力矩。

本发明上述方法中，可以采用图形化编程软件作为测试软件，以图表和曲线的形式完成所需的测量功能，具备较高的可靠性和较为直观的软件操作界面。

本发明在测量过程中，克服了现有技术的存在摩擦过大导致精度较低的问题、测量过程中需要多次装夹二轴框架机构问题以及测量效率低的问题，能够大大简化测量操作，并提高测量效率和结果的准确性。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。