高精度头盔质量特性测量系统及其测量方法与流程

本发明涉及一种高精度头盔质量特性测量系统及其测量方法，其是专门为头盔的质量特性测量设计的，能够精确测量头盔的质心及转动惯量，属于高精度的测量仪器，属于不规则物体质量特性的试验和测量领域。

背景技术：
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头盔的质量分布严重影响其佩戴的舒适性和安全性，对于飞行员和航天员这种影响甚至会威胁到生命安全，因此需要对其进行质量特性的测量。由于头盔形状极其复杂不规则，坐标定位不便，对其质量特性的测量带来非常不利的影响。

对于高精度质心测量仪器，其关键技术在于测量基准即测量坐标系的建立、测量设备中机构和传感器的灵敏度等因素。目前，高精度质心测量方法可采用不平衡力矩与多支点称重等方法，测量转动惯量的方法有扭摆法、落体法、三线摆法、复摆法等。因头盔形状特殊，可视为半球壳状物体，其中心轴固定不便，大多数测量装置都无法对其进行正确安装以达到精准测量的目的。如文献1(卢志辉,孙志扬,李祥云,等.高精度质心测量方法研究[J].兵工学报,2009,30(12):1748-1752)，文献2(郑勇,刘建华,常晓东,等.质量、质心测试仪适应多种战斗部测试研究[J].航天制造技术,2013,(1):51-55)，文献3(王超,唐文彦,张晓琳,等.大尺寸非回转体质量特性一体化测量系统的设计[J].仪器仪表学报,2012,33(7):1634-1640)所介绍的质心测量仪器，以及文献4(邹莹,夏阳.一种通用的设备转动惯量测量方法[J].航天控制,2008,26(5):74-76)和文献5(刘巍,张洋,马鑫,等.基于双目视觉的转动惯量测量方法[J].仪器仪表学报,2014,35(9):1972-1978)所介绍的转动惯量测量仪器，都面临着因安装困难无法使用的问题。

技术实现要素：
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本发明的目的是提供一种高精度头盔质量特性测量系统及其测量方法，能够方便精确地测量头盔的质心以及转动惯量，要求测量精度高，量程大，操作简便。

本发明采用如下技术方案：一种高精度头盔质量特性测量系统，由头模框架、质心测量平台、磁悬浮转动惯量测量平台、磁悬浮控制器、数据采集系统、计算机、数据处理计算软件以及转动惯量标准试件组成，所述数据采集系统与质心测量平台和磁悬浮转动惯量测量平台相连，数据采集系统与计算机相连，磁悬浮控制器与磁悬浮转动惯量测量平台相连；

所述头模框架包括框架、固定于框架上的头模以及设置于框架上的三个锥形接触点，三个锥形接触点分别为第一锥形接触点、第二锥形接触点以及第三锥形接触点，所述框架包括相互垂直的第一框架面和第二框架面，所述头模和三个锥形接触点均设置于第二框架面上朝向第一框架面的表面上，在第二框架面上背向第一框架面的表面上设有Z向圆环卡槽，在第一框架面上背向第二框架面的表面上设有Y向圆环卡槽；

所述质心测量平台包括称重传感器、传感器安装平台、测量平台、第一支架及第一底座，所述第一支架固定安装于第一底座上，测量平台水平固定在第一支架上且位于第一底座的上方，所述传感器安装平台共包括有三个，且以三角形排布的形式设置于测量平台上，所述传感器安装平台的上表面处于水平位置，所述称重传感器共包括有三个，且其分别设置在三个传感器安装平台上；

所述磁悬浮转动惯量测量平台包括转子、扭簧、弹簧加紧块、螺钉、扭摆平台、径向磁悬浮轴承、径向传感器、轴向磁悬浮轴承、轴向传感器、推力盘、高线位编码器、圆环卡槽以及第二底座、第二支架，所述轴向磁悬浮轴承在通电后产生磁力将推力盘抬起，从而带动转子、扭摆平台、圆环卡槽以及安装在扭摆平台上的待测头模框架一起悬浮起来，所述轴向磁悬浮轴承安装于径向磁悬浮轴承两端起固定转子的作用，扭簧与高线位编码器安装在转子的两端随转子转动且不上下移动，所述弹簧加紧块和螺钉用于固定扭簧，所述第二支架固定安装于第二底座上，所述轴向传感器和径向传感器与磁悬浮控制器相连接并相其传输数据；

在测量质心时，头模框架放置于质心测量平台的称重传感器上称重，框架上的三个锥形接触点与对应的三个称重传感器上表面接触；在测量转动惯量时，头模框架安装在磁悬浮转动惯量测量平台上，框架上的Z向圆环卡槽或者Y向圆环卡槽的外表面与扭摆平台上的圆环卡槽内表面对接。

进一步地，所述头模用于安装头盔和面罩，采用树脂材料3D打印而成，与框架固定在一起。

进一步地，每个传感器安装平台和设置在其上的称重传感器形成了一组组合，在三组组合中有两组是固定在测量平台上的，另外一组能够上下移动以控制头模框架的倾斜角度。

进一步地，所述转动惯量标准试件为形状规则、密度均匀的金属圆盘。

本发明还采用如下技术方案：一种高精度头盔质量特性测量系统的测量方法，包括如下步骤：

1.开机预热，将系统预热30分钟左右，打开数据计算处理软件；

2.对数据计算处理软件系统测量值进行清0，将安装好头盔的头模框架水平放置在质心测量平台上，待框架静止后，操作数据计算处理软件，在计算机上读取三个称重传感器传来的数据；

3.将能够上下移动的一组称重传感器抬高，使框架倾斜一个角度，等框架静止后，再次测量得到三个称重传感器传来的数据；

4.根据两次所测数据，数据计算处理软件可自动计算出头盔的质量与质心位置；

5.将头模框架取下并安装到磁悬浮转动惯量测量平台上，待静止后，对测量值进行清0，之后将头盔扭转至最大位置松开，并在同一时刻开始计时，数据计算处理软件系统将自动记录摆动的时间和幅度，当扭摆时间超过1min后，系统自动停止计时，根据测量数据，便可计算出头盔绕Y轴或者Z轴的转动惯量；

6.重复测量多次取平均值；

7.关闭系统。

本发明具有如下有益效果：本发明高精度头盔质量特性测量系统采用了多支点称重方法，采用了三个高精度的称重传感器，利于水平放置和倾斜时各支点受力不同计算得到头盔质心；转动惯量测量采用扭摆法，利于磁悬浮装置测量扭摆的周期和振幅，计算相邻振幅的衰减率，从而进一步计算可得绕转动轴的转动惯量。整个核心技术在于设计了一套头模框架，便于头盔的安装及固定；合理构建头盔的坐标体系，编写了计算软件，从而方便快捷地对头盔质心及转动惯量进行计算和测量。

附图说明：

图1为本发明系统原理图。

图2为头模框架。

图3为质心测量平台。

图4为磁悬浮转动惯量测量平台。

图5为头盔质量特性测量的四个坐标系。

具体实施方式：

本发明高精度头盔质量特性测量系统由头模框架、质心测量平台1、磁悬浮转动惯量测量平台2、磁悬浮控制器3、数据采集系统4、计算机5、数据处理计算软件6以及转动惯量标准试件组成。

头模框架是头盔质量特性测量的辅助安装设备，如图2所示。头模框架包括框架7、固定于框架7上的头模8以及设置于框架7上的三个锥形接触点，三个锥形接触点分别为第一锥形接触点91、第二锥形接触点92以及第三锥形接触点93，框架7为两面垂直的开放式框架，框架包括相互垂直的第一框架面10和第二框架面11，框架7采用轻质金属材料制成，牢固又轻量的结构，其质量和转动惯量与被测头盔相比较小，尽可能降低测量系统的噪声，其中头模8和三个锥形接触点均设置于第二框架面11上朝向第一框架面10的表面上，在第二框架面11上背向第一框架面10的表面上设有Z向圆环卡槽12，在第一框架面10上背向第二框架面11的表面上设有Y向圆环卡槽13。头模8用于安装头盔和面罩，采用树脂材料3D打印而成，与框架7固定在一起。头模8分为大、中、小三个号型，分别对应中国男性飞行员头型测量数据的第95百分位、第50百分位和第5百分位。在测量质心时，头模框架放置于质心测量平台1的称重传感器14上称重，框架7上的三个锥形接触点与对应的三个称重传感器14上表面接触；在测量转动惯量时，头模框架安装在磁悬浮转动惯量测量平台2上，框架7上的Z向圆环卡槽或者Y向圆环卡槽的外表面与扭摆平19上的圆环卡槽27内表面对接。改变头模框架的方位，实现重心和转动惯量测量坐标轴的改变。

质心测量平台1包括称重传感器14、传感器安装平台15、测量平台16、第一支架17及第一底座18，如图3所示。第一支架17固定安装于第一底座18上，测量平台16水平固定在第一支架17上且位于第一底座18的上方。传感器安装平台15共包括有三个，且以三角形排布的形式设置于测量平台16上，传感器安装平台15的上表面必须保证处于水平位置。称重传感器14共包括有三个，且其分别设置在三个传感器安装平台15，称重传感器14用于支撑和感应框架7的重量，三点支撑使框架7形成一个稳定的静力平衡力系，用于测量包括框架、头模、头盔、面罩的重力(重量)。其中，每个传感器安装平台15和设置在其上的称重传感器14形成了一组组合，在三组组合中有两组是固定在测量平台16上的，另外一组是可以上下移动，以此来控制头模框架的倾斜角度。

磁悬浮转动惯量测量平台2包括转子19、扭簧20、弹簧加紧块21、螺钉22、扭摆平台23、径向磁悬浮轴承24、径向传感器25、轴向磁悬浮轴承26、轴向传感器27、推力盘28、高线位编码器29、圆环卡槽30以及第二底座31、第二支架32，轴向磁悬浮轴承26在通电后产生磁力将推力盘28抬起，从而带动转子19、扭摆平台23、圆环卡槽30以及安装在扭摆平台23上的待测头模框架一起悬浮起来，轴向磁悬浮轴承26安装于径向磁悬浮轴承24两端起固定转子19的作用，扭簧20与高线位编码器29安装在转子19的两端随转子19转动且不上下移动，弹簧加紧块21和螺钉22用于固定扭簧20，第二支架32固定安装于第二底座31上，所述轴向传感器27和径向传感器25与磁悬浮控制器3相连接并相其传输数据。

数据采集系统4用于采集数据，包括称重传感器14所测量的重力以及磁悬浮转动惯量测量平台所测量的时间和振幅，并将采集的数据传送给计算机5。

数据计算处理软件6用于记录并处理测量所得到的数据，能够计算头盔的重量、质心位置和转动惯量等参数。该软件包含有框架和头模的质量、质心坐标、转动惯量以及各坐标系原点坐标的数据库，并存储在计算机中，便于随时调用。

转动惯量标准试件为形状规则、密度均匀的金属圆盘，理论上计算得到的转动惯量即认为是标准值，用于标定扭摆的弹性系数和阻尼比。

本发明高精度头盔质量特性测量系统的测量方法，包括如下步骤：

1.开机预热，将系统预热30分钟左右，打开数据计算处理软件。

2.对数据计算处理软件系统测量值进行清0，将安装好头盔的头模框架轻轻地水平放置在质心测量平台1上，待框架静止后，操作数据计算处理软件，在计算机上读取三个称重传感器传来的数据。

3.将可上下移动的一组称重传感器抬高，并用固定块固定，使框架倾斜一个角度，等框架静止后，再次测量得到三个称重传感器传来的数据。

4.根据两次所测数据，数据计算处理软件可自动计算出头盔的质量与质心位置。

5.将头模框架取下并安装到磁悬浮转动惯量测量平台上，待静止后，对测量值进行清0。之后将头盔扭转至最大位置松开，并在同一时刻开始计时，数据计算处理软件系统将自动记录摆动的时间和幅度。当扭摆时间超过1min后，系统自动停止计时。根据测量数据，便可计算出头盔绕Y轴或者Z轴的转动惯量。目前，该系统可以对Y轴与Z轴的转动惯量进行测量，X轴没有设计安装圆环卡槽，暂不能进行转动惯量测量。

6.为进一步提高测量精度，可重复测量多次取平均值，数据计算处理软件可自动计算。

7.关闭系统。

本发明高精度头盔质量特性测量系统的计算方法如下：

首先需建立坐标系，整个测量系统共建立了四个坐标系，分别为框架坐标系OXYZ、人体头部坐标系O_EX_EY_EZ_E、头盔坐标系O_HX_HY_HZ_H以及扭摆坐标系O_SX_SY_SZ_S，如图5所示。四个坐标系原点定义不同，但坐标轴方向一致，X轴水平向前，Y轴正向水平向左，Z轴正向竖直向上。其中，框架坐标系原点由框架锥形接触点定义，为第一锥形接触点沿X轴和第三锥形接触点沿Y轴的交汇处，位于框架的一角；人体头部坐标系以人头重心位置为原点，位于两耳屏点连线的中点位置；头盔坐标系以头盔质心为原点；扭摆坐标系以扭摆转轴定义，为两个扭摆轴的交点。

1.质心计算方法

首先根据质心测量平台所测的数据计算质心位置，以框架坐标系为基准进行计算。假定框架(含头模)质量为m，水平测量时，三个称重传感器所测力分别为N₁、N₂、N₃，则可根据静力学平衡方程计算头盔质量和头盔在水平方向的质心位置：

式中：m₁为头盔质量；g为重力加速度；X₁、Y₁、Z₁分别为框架坐标系下的头盔质心坐标；分别为第一锥形接触点到Y轴的距离以及第二锥形接触点、第三锥形接触点到X轴的距离。X_C、Y_C、Z_C为框架(含头模)在框架坐标系下的质心坐标。

再根据倾斜测量时可上下移动的称重传感器所测值N₃^*以及倾斜角度θ，便可计算得到头盔在Z向上的质心坐标Z₁：

之后再将坐标系转换为人体头部坐标系，即可得头盔在人体头部坐标系下的重心坐标。它的大小表明了头盔重心偏离人头重心的程度。

2.转动惯量计算方法

转动惯量通过磁悬浮扭摆进行测量，根据测量所得框架框架(含头模、头盔)转动周期T和相邻振幅A_i、A_i+1，可计算转动的阻尼比ζ、角频率ω以及转动惯量I分别为：

式中：k为扭簧弹性系数。

将此时的转动惯量减去扭摆平台、框架和头模的转动惯量，再对其进行坐标转换，根据需要将其转换为其它几个坐标系统的转动惯量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。