一种质心测量系统及测量方法与流程

本发明属于精密机械工程技术领域，具体涉及一种质心测量系统及测量方法。

技术背景

空间高速运动机构对转子的质心配平精度要求较高，而高精度的质心测量是基础。常见的卫星上姿控飞轮的输出力矩0.15nm，允许的外界力矩干扰一般不超过1/5，即0.03nm，对于200kg转动负载，在100°/s旋转时，对应的质心偏差要求优于24μm，否则在空间微重力环境下，高速转子质量偏心造成的不平衡力矩可能导致航天器姿态角产生周期性进动失稳。

大负载高速转子在地面重力环境下会经历长达数月的调试测试阶段，同样存在问题，其质心偏心在重力作用下会造成偏心力矩，常规地面上基于称重的质心测量仪的质心测试精度在毫米量级，200kg负载偏心1mm，对应的偏心重力矩达到19.6nm。

一方面地面长时间测试调试阶段对支撑轴系的高精度运转极易造成损害，影响轴系寿命；

另一方面，地面调试阶段存在的额外19.6nm干扰力矩，在卫星发射入轨后微重力环境下将大幅减小，地面调试阶段设计优化的控制参数有可能不再适用空间运行环境，带来隐患。

更高精度的质心测量与配平可基于动平衡机完成，通过布置在动平衡机转轴上的压力传感器进行高精度动平衡测量。动平衡机达到的转速越高，理论上测试精度越高，60rmp转速下的残余静不平衡量可达3kgmm，测试精度可以满足，但对被测产品的要求较高。该方法适用与规则形状的小部件测试。而对于较大部件：一方面对动平衡机的承载能力、运动空间包络要求高；另一方面高速旋转情况下的部件产生的大气风阻产生的粘滞阻力对测试结果影响严重。

针对该问题现有技术还提出了低气压舱高精度质心测量的解决方案，但产品测试流程复杂，高速旋转对产品自身可能造成安全隐患。

经检索，中国专利，专利申请号为201510655822.8，公开了一种名称为三轴气浮台质心调平衡方法及装置，在该发明采用的技术方案是：以气浮状态下的台面激光跟踪仪测试的角度反馈和激光陀螺测试的角速度反馈，以安装在三个方向的飞轮为控制单元进行系统质心调平。该技术方案存在以下缺陷：

1、浮空状态下气浮台六个自由度均无约束，常见飞轮的最大输出力矩不超过0.15nm，距离回转中心1m处15g的质量偏心即可使飞轮转速饱和，在粗调平过程台面极易倾覆，调试过程需要多次反复，操作繁琐；

2、该方法通过测试飞轮的转速进行微分，再乘以惯量间接进行力矩测试，飞轮转速的反馈又依赖于激光跟踪仪的测试精度和控制反馈，计算过程繁琐、复杂；

3、该测试方法只能进行被测试件一种固定状态下的质心测试。

技术实现要素：

为了解决

背景技术：
中的问题，本发明一种结构紧凑可靠且能够测试任意状态下被测试件质心的质心测量系统。

同时，还提供一种易于调试、计算过程简单的质心测量的方法。

本发明的基本设计原理是：

三轴气浮力矩测试台由气浮轴承支撑气浮平台台面，通过xyz三个轴向固定安装的力传感器将气浮台面的六个自由度全部约束固定。三轴气浮力矩测试台上安装二维转动机构，被测试件安装在二维转动机构的载物平板上，二维转动机构上安装三个方向的自动重力平衡调节机构；在重力作用下，质心不在回转中心的被测试件将使三个方向的的力传感器的示数产生变化，通过精细调整三个方向的自动重力平衡调节机构将被测件质心调回系统回转中心，根据不同自动重力平衡调节机构的调节量和调节负载质量可以精确计算被测试件的质心偏差。进一步可通过二维转动载物台将试件转向不同角度测试系统质心。

本发明的技术解决方案是：

本发明提供了一种质心测量系统包括三轴气浮力矩测试台、二维转动机构、第一质心调节机构以及第二质心调节机构；

三轴气浮力矩测试台包括支座、气浮轴承、气浮平台台面、重力平衡调节机构以及力传感器组件；

气浮轴承安装在所述支座内，气浮轴承上安装气浮平台台面；气浮平台台面下表面安装有用于调节x、y、z三个方向的重力平衡调节机构以及用于测量x、y、z三个方向受力情况的力传感器组件；

二维转动机构安装在气浮平台台面的上表面，二维转动机构包括方位部分以及安装在方位部分上的俯仰部分；俯仰部分的载物平板下表面安装第一质心调节机构，俯仰部分的载物平板上表面放置被测试件；二维转动机构的方位部分安装第二质心调节机构。

进一步地，所述重力平衡调节机构为三个，一个沿x方向安装、一个沿y方向安装、一个沿z方向安装；每个重力平衡调节机构均包括丝杠电机、标准质量块以及丝杠电机转接板；丝杠电机的固定端通过丝杠电机转接板与气浮平台台面连接，丝杠电机的活动端安装标准质量块；丝杠电机驱动标准质量块往复移动，使标准质量块远离或靠近气浮轴承回转中心，实现气浮平台台面的重力平衡。

进一步地，所述力传感器组件包括三个，一个沿x方向安装、一个沿y方向安装、一个沿z方向安装；力传感器组件包括传感器、锁紧钢丝以及传感器转接板；所述传感器一端设置在支座上，另一端与锁紧钢丝连接；传感器转接板一端安装锁紧钢丝，另一端安装在气浮平台台面上。

进一步地，所述第一质心调节机构包括两个重力平衡调节机构，一个重力平衡调节机构沿x方向安装在载物平板下表面，另一个重力平衡调节机构沿z方向安装在载物平板下表面；

所述第二质心调节机构包括相互叠装的两个重力平衡调节机构；其中一个重力平衡调节机构沿x方向放置，另一个重力平衡调节机构沿y方向放置。

基于上述对测量系统结构的描述，现对利用该系统对被测试件进行质心测量的方法进行描述，具体包括以下步骤：

【1】将被测试件放置在载物平板上，使二维转动机构的两个转轴初始位置分别与三轴气浮力矩测试台的x轴和z轴平行；

其中，x轴与y轴组成的平面与水平面平行，z轴垂直于x轴与y轴组成的平面；

【2】对三轴气浮力矩测试台进行初始调平；

使气浮平台台面气浮，通过调节三个重力平衡调节机构实现三轴气浮力矩测试台的初始调平，此时三个力传感器均处于零位状态；

【3】垂直面内被测试件的质心测量；

设力传感器在零位状态下，被测试件的质心坐标为(x01,y01,z01)，载物平板绕y轴旋转θy角时，被测试件质心的坐标为(x11,y01,z11)，根据坐标旋转定义，可推导出：

由于被测试件质心在x和z方向产生了变化，x方向的质心变化会引入三轴气浮力矩测试台绕y轴的干扰力矩：

ty1＝mg(x11-x01)(2)

上式中，ty1为三轴气浮力矩测试台绕y轴干扰力矩，力传感器可直接读出；m为绕y轴第一活动部件质量，第一活动部件包括被测试件、二维载物台俯仰部分以及第一质心调节机构；g为重力加速度；

将式(1)带入式(2)，得：

其中，xm01＝mx01为绕y轴第一活动部分在x方向的静不平衡量；zm01＝mz01为绕y轴第一活动部分在z方向的静不平衡量；

绕y轴第一活动部分转动多个角度位置，经过多次测量，将测量结果带入式(3)，得到：

其中，θ1为第一次测试时载物平板的转角；θn为第n次测试时载物平板的转角；ty1为第一次测试时绕y轴的干扰力矩；tyn为第n次测试时绕y轴的干扰力矩；

通过最小二乘迭代，对式(4)进行求解，可得：

根据式(5)可测量出绕y轴第一活动部分的静不平衡量xm01和zm01；分别用xm01和zm01除以被测试件的质量得到垂直面内的被测试件质心位置；

【4】质心调节；

通过调节第一质心调节机构产生-xm01和-zm01的偏移量，将被测试件的质心调整至绕y轴的轴线上；

【5】重力平衡调节；

重新调节三轴力矩测试台的三个重力平衡机构，使三个力传感器输出恢复为零位状态；

【6】水平面内被测试件的质心测量；

被测试件连同二维转动机构的质心坐标为(x02,y02,z02)，第一质心调节机构调节后x02＝0mm，当二维转动机构绕z轴旋转θz角时，被测试件连同二维转动机构的质心的坐标为(x12,y12,z02)，根据坐标旋转定义，可推导出：

有上式可以看出，二维转动机构角转动时，质心在x和y方向产生了变化，会引入三轴气浮力矩测试台y方向和x方向的干扰力矩：

上式中，tx2和ty2分别为三轴气浮力矩测试台x和y方向干扰力矩，由力矩传感器直接读出；m'为第二活动部件的质量，第二活动部件包括被测试件、二维转动机构、第一质心调节机构以及第二质心调节机构；g为重力加速度；

将式(6)带入式(7)，得：

上式中，ym02＝m'y02为y方向静不平衡量；

二维转动机构绕z轴转动多个角度位置，经过多次测量，将测量结果带入式(8)，得：

上式中,θz1为第一次测试时二维动机构绕z轴的转角；θzn为第n次测试时二维动机构绕z轴的转角；tx12为第一次测试时的x方向干扰力矩；ty12为第一次测试时的y方向干扰力矩；txn2为第n次测试时的x方向干扰力矩；tyn2为第n次测试时的y方向干扰力矩；

通过最小二乘迭代，对式(9)进行求解，可得：

根据式(10)可测量出二维动机构的静不平衡量ym02；用ym02除以被测试件的质量得到水平面内的被测试件质心位置偏差y02。

本发明的有益效果是：

1、结构安全可靠。本发明采用的三轴气浮力矩测试台中气浮平台台面通过力传感器与气浮轴承固定，将台面的六个自由度完全约束，之后再进行粗调平，操作过程气浮平台台面不会倾覆，可保证产品安全。

2、测试干扰误差小。气浮轴承与气浮平台台面之间靠气膜支撑，摩擦力矩小于0.003nm，力传感器精度优于0.4mn，距离回转轴0.5m安装时力矩测量精度优于0.2mnm，力矩直接测量输出，且可利用标准砝码进行标定，标定方法简单可靠；

3、易于操作。本发明的装置与采用动平衡机进行高精度质心测量的方法相比，无需进行高速旋转，无大气风阻等影响，仅需二维转动机构带动载物平板进行几个固定角度的步进转动即可。

4、本发明装置通过将被测试件进行一次安装、两个方向的测量，即可实现被测试件质心的三维坐标高精度测量，适用于一维旋转负载和具有二维转动自由度的旋转负载；

5、该测量方法中计算过程简单，并且计算结果精确度高。

附图说明

图1为本发明测量装置的结构示意图；

图2为三个重力平衡调节机构和三个力传感器组件在气浮平台台面上的布局图；

图3为重力平衡调节机构的结构示意图；

图4为力传感器组件的结构示意图；

图5为第二质心机构在二维转动机构方位部分的布局图；

图6为本发明测量方法的流程框图。

图7为绕y轴旋转部分垂直面内的质心变化示意图；

图8为绕z轴旋转部分水平面内的质心变化示意图；

附图标记如下：

1-三轴气浮力矩测试台、11-支座、12-气浮轴承、13-气浮平台台面、14-重力平衡调节机构、141-丝杠电机、142-标准质量块、143-丝杠电机转接板、15-力传感器组件、151-传感器、152-锁紧钢丝、153-传感器转接板、2-二维转动机构、21-方位部分、22-俯仰部分、221-载物平板、3-第一质心调节机构、4-第二质心调节机构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的测量系统及测量方法做进一步的介绍：

测量系统组成

如图1所示，一种质心测量系统，包括三轴气浮力矩测试台1、二维转动机构2、第一质心调节机构3以及第二质心调节机构4；

三轴气浮力矩测试台1包括支座11、气浮轴承12、气浮平台台面13、重力平衡调节机构14以及力传感器组件15；气浮轴承12同轴安装在所述支座11内，气浮轴承12上安装气浮平台台面13；气浮平台台面13下表面安装有用于调节x、y、z三个方向的重力平衡调节机构14以及用于测量x、y、z三个方向受力情况的力传感器组件15；

支座11与气浮轴承12之间靠气膜支撑，摩擦力矩小于0.003nm，传感器精度优于0.4mn，距离回转轴0.5m安装时力矩测量精度优于0.2mnm，力矩直接测量输出。

二维转动机构2安装在气浮平台台面13上表面，二维转动机构包括方位部分21以及安装在方位部分21的俯仰部分22；俯仰部分22的载物平板下表面安装第一质心调节机构3，俯仰部分22的载物平板上表面放置被测试件；二维转动机构2的方位部分21安装第二质心调节机221。

二维转动机构俯仰部分22用于驱动安装在其上方的物体做俯仰运动；方位部分21用于驱动俯仰部分22以及安装在俯仰部分22上方的物体做旋转运动。若参考上述x、y、z三个方向，即就是方位部分沿z方向旋转，俯仰部分沿x方向或y方向小幅度旋转。

如图2和图3所示，其中，重力平衡调节机构14为三个，一个沿x方向安装、一个沿y方向安装、一个沿z方向安装；每个重力平衡调节机构14均包括丝杠电机141、标准质量块142以及丝杠电机转接板143；丝杠电机141的固定端通过丝杠电机转接板143与气浮平台台面13连接，丝杠电机141的活动端安装标准质量块142；丝杠电机驱动标准质量块往复移动，使标准质量块远离或靠近气浮轴承回转中心，实现气浮平台台面的重力平衡。

如图2和图4所示，力传感器组件15包括三个，一个沿x方向安装、一个沿y方向安装、一个沿z方向安装；力传感器组件15包括传感器151、锁紧钢丝152以及传感器转接板153；传感器151一端设置在支座11上，另一端与锁紧钢丝152连接；传感器转接板153一端安装锁紧钢丝152，另一端安装在气浮平台台面13上。

如图2和图5所示，所述第一质心调节机构3包括两个重力平衡调节机构14，一个重力平衡调节机构14沿x方向安装在俯仰部分22载物平板下表面，另一个重力平衡调节机构14沿z方向安装在俯仰部分22载物平板下表面；第二质心调节机构4包括相互叠装的两个重力平衡调节机构14；其中一个重力平衡调节机构14沿x方向放置，另一个重力平衡调节机构14沿y方向放置。

基于上述对测量装置结构的描述，现对采用该测量装置进行质心测量的方法进行描述：如图6所示，包括以下具体实施步骤：

【1】将被测试件固定安装载物平板上，使二维转动转动机构的两个轴初始位置分别与三轴气浮力矩测试台的x轴和z轴平行；

其中，x轴与y轴组成的平面与水平面平行，z轴垂直于x轴与y轴组成的平面；

【2】对三轴气浮力矩测试台进行初始调平；

使气浮平台台面气浮，通过调节三个重力平衡调节机构实现三轴气浮力矩测试台的初始调平，此时三个力传感器均处于零位状态；

【3】垂直面内的质心测量；

设力传感器在零位状态下，被测试件的质心坐标为(x01,y01,z01)，载物平板绕y轴旋转θy角时(如图7所示)，被测试件质心的坐标为(x11,y01,z11)，根据坐标旋转定义，可推导出：

由上式可以看出，二维转动结构的俯仰部分连同被测试件在俯仰方向转动时，被测试件质心在x和z方向产生了变化，其中，x方向的质心变化会引入三轴气浮力矩测试台绕y轴的干扰力矩变化：

ty1＝mg(x11-x01)(2)

上式中，ty1为三轴气浮力矩测试台绕y轴干扰力矩，力传感器可直接读出；m为绕y轴第一活动部件质量，第一活动部件包括被测试件、二维载物台俯仰部分以及第一质心调节机构；g为重力加速度；

将式(1)带入式(2)，化简，得：

上式中，xm01＝mx01为绕y轴第一活动部分在x方向的静不平衡量；zm01＝mz01为绕y轴第一活动部分在z方向的静不平衡量；

从上式可以看出，绕y轴第一活动部分转动到一个位置，可以得出一个方程；

绕y轴活动部分转动多个角度位置，经过多次测量，将测量结果带入式(3)，得：

其中，θ1为第一次测试时载物平板的转角；θn为第n次测试时载物平板的转角；ty1为第一次测试时绕y轴的干扰力矩；tyn为第n次测试时绕y轴的干扰力矩；

通过最小二乘迭代，对式(4)进行求解，可得：

根据上式可测量出绕y轴活动部分的静不平衡量xm0和zm0；由于二维转动机构的俯仰部分和第一质心调节机构初始质心在绕y旋转的回转轴上，因此该两部分垂直面内的旋转过程不会引入质心变化，垂直面内旋转过程只有被测试件的质心可能发生变化；分别用xm01和zm01除以被测试件的质量得到垂直面内的被测试件质心位置；

【4】质心调节；

通过调节二维转动台内布置的第一质心调节机构产生-xm01和-zm01的偏移量，将被测试件的质心调整至绕y轴的轴线上；

【5】重力平衡调节；

重新调节重力平衡机构，使三个力传感器输出恢复为零；

【6】水平面内被测试件质心测量

水平面内的质心测量与调整依靠二维转动载物台的方位转动，即绕z轴转动实现；

被测试件连同二维转动机构的质心坐标为(x02,y02,z02)，第一质心调节机构调节后x02＝0mm，当二维转动机构绕z轴旋转θz角时，如图8所示，被测试件连同二维转动机构的质心的坐标为(x12,y12,z02)，根据坐标旋转定义，可推导出：

有上式可以看出，二维转动机构角转动时，质心在x和y方向产生了变化，会引入三轴气浮力矩测试台y方向和x方向的干扰力矩：

上式中，tx2和ty2分别为三轴气浮力矩测试台x和y方向干扰力矩，由力矩传感器直接读出；m'为第二活动部件的质量，第二活动部件包括被测试件、二维转动机构、第一质心调节机构以及第二质心调节机构；g为重力加速度；

将式(6)带入式(7)，得：

上式中，ym02＝m'y02为y方向静不平衡量；

二维转动机构绕z轴转动多个角度位置，经过多次测量，将测量结果带入式(8)，得：

上式中,θz1为第一次测试时二维动机构绕z轴的转角；θzn为第n次测试时二维动机构绕z轴的转角；tx12为第一次测试时的x方向干扰力矩；ty12为第一次测试时的y方向干扰力矩；txn2为第n次测试时的x方向干扰力矩；tyn2为第n次测试时的y方向干扰力矩；

通过最小二乘迭代，对式(9)进行求解，可得：

根据式(10)可测量出二维动机构的静不平衡量ym02。由于二维载物台及第二质心调节机构在初始状态下使二维载物台和第二质心调节机构的总质心在绕z旋转的回转轴上，因此该两部分水平面内的旋转过程不会引入质心变化，水平面内旋转过程只有被测试件的质心可能发生变化。用ym02除以被测试件的质量得到水平面内的被测试件质心位置偏差y02。

通过本发明的测量装置和和方法可实现被测试件三维方向上的质心测量，对于一维旋转的负载，根据在二维转动载物台上的安装方式，仅需进行俯仰或方位一个方向的测量即可完成质心测量。