一种基于双平台的组合式质心测量装置及方法与流程

1.本发明属于测量技术领域，具体涉及一种组合式测量装置及其误差消除方法。


背景技术：

2.质量质心的高精度测量在航空航天工程中有着重要的意义。通常由于飞行器的结构复杂，元器件繁多，一般理论计算和仿真计算很难准确地确定实际的质心位置，因此必须进行质量质心测量。
3.常用的质量质心测量方法有不平衡力矩法、三点法、复摆法等，由于三点法测量结构简单，测试安全可靠，目前对于超大飞行器的质量质心测量多采用三点法。目前三点法在超大飞行器的质量质心测量领域仍然存在一些问题：1)通用性差以及工装费用高昂。该方法需要针对不同的测量型号设计不同的装夹工装和支撑平台，在满足高精度测量的条件下，对支撑平台和工装的刚度就需要一定要求，这就导致在实际测量的重量中支撑平台和工装就占据了很大一部分，以此导致的传感器量程增加也会大大影响测量精度。2)测量工装和称重传感器间定位困难。目前的测量设备仅仅使用球头与平面、球窝配合的被动定位方法，这就会导致在多次测量中受力点不能位于称重传感器中心，并且由于待测件的超大重量容易导致球窝变形，使得称重传感器承受侧向力，引入巨大的测量误差。
4.所以，现有的技术中还缺乏一种便捷，低成本且通用性高的超大飞行器质量质心测量设备。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于双平台的组合式质心测量装置及方法，包括基准靠尺、移动平台、工作平台、底座、标校件和测距靠尺；底座上端面装有导轨，移动平台安装在导轨上；底座上左右对称分别安装有两个移动平台，在左端移动平台的侧面留有基准靠尺的安装孔，基准靠尺通过安装孔与移动平台刚性连接；两个工作平台分别安装在两个移动平台上，能够被移动平台驱动产生竖直方向的位移；两个测距靠尺通过滑块安装在底座的导轨上，测出移动平台沿着两个导轨的距离，以此解算出两个平台的距离和偏转角度，在质心计算公式中引入位置修正参数，最终得到质心。本发明可以精确地得到两平台的相对位置，在解算公式中引入位置修正参数，进一步消除了测量误差。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：
7.一种基于双平台的组合式质心测量装置，包括基准靠尺、移动平台、工作平台、底座、标校件和测距靠尺；
8.所述底座上端面装有两列平行导轨，所述移动平台安装在底座的导轨上，移动平台能够在底座上移动；所述底座上左右对称分别安装有两个移动平台，在左端移动平台的侧面留有基准靠尺的安装孔，所述基准靠尺通过安装孔与移动平台刚性连接；所述工作平台有两个，分别安装在两个移动平台上，能够被移动平台驱动产生竖直方向的位移；所述测距靠尺通过滑块安装在底座的导轨上，其位置在两个移动平台间，底座的每个导轨上分别
安装一个测距靠尺；
9.所述移动平台包括减速电机、第一滑块、移动基座、平台定位板、直线轴承、升降机、光轴座、光轴、直线轴承座、称重传感器、传感器座和定位槽；所述第一滑块固定在移动基座下端面，第一滑块安装在底座的两列平行导轨上；所述减速电机安装在移动基座上，减速电机驱动升降机工作；所述直线轴承座固定安装在移动基座上，所述直线轴承安装在直线轴承座上；所述光轴上端固定在光轴座上，光轴下端穿过直线轴承用于定位，使移动平台只能上下移动；所述平台定位板与光轴座固定连接，所述升降机的顶端与平台定位板下端面中间连接；每个移动平台设有三个称重传感器15，分别通过三个传感器座固定在移动基座上；
10.所述工作平台包括第二滑块、滚轮组件、滚轮座横梁、工作台基座、定位锥台、球头组件和定位块；每个移动平台上各配备一个工作平台；所述工作台基座下端面装有定位锥台和定位块，两者共同组成定位装置分别与移动平台中的平台定位板和定位槽配合，所述平台定位板上开有锥槽，当工作平台处于升起状态时，定位锥台正好位于平台定位板的锥槽内，定位块同时位于定位槽内，以此来保证工作平台在上升下降时保持水平位置；所述工作台基座下端面还安装有三个球头组件，球头组件的球头顶点位置正对称重传感器工作面的中心；所述工作台基座上端面安装有导轨；所述滚轮座横梁下端安装第二滑块，所述第二滑块安装在工作台基座的导轨上，滚轮座横梁通过第二滑块能够左右移动；所述滚轮座横梁前后分别安装有滚轮组件；在加载待测件时，调整滚轮座横梁，使得工作平台在负载情况下整体重心在三个球头中间位置，当工作平台下降到接触称重传感器时，三个称重传感器的读数相同，消除由于称重传感器形变而导致的工作平台不水平引入的测量误差；
11.所述基准靠尺包括靠尺、磁栅尺、第三滑块、导轨和基准靠尺座；所述基准靠尺座通过安装孔与移动平台刚性连接；所述导轨安装在基准靠尺座上，第三滑块安装在导轨上；所述磁栅尺和靠尺安装在第三滑块上，靠尺能够沿着导轨左右滑动，滑动的两个极限位置一个是导轨末端另一个是待测件的端面，通过磁栅尺能够读出这两个极限位置的距离；
12.所述测距靠尺作为位置基准为两台移动平台的相对位置提供参照，同时通过移动到达左右极限位置测得两个工作平台的距离和偏转角；
13.所述标校件在进行测量时放置在两个工作平台的上方，用于辅助质心计算。
14.优选地，所述底座为钢架焊接件，下端面装有调平地脚，方便装置调平。
15.优选地，所述工作台基座为铝型材一体加工而成。
16.优选地，所述移动基座下端面四角处分别安装四个第一滑块。
17.一种基于双平台的组合式质心测量方法，包括如下步骤：
18.步骤1：调整底座地脚螺钉，使测量装置处于水平状态；
19.步骤2：根据待测件尺寸设置两移动平台的相对位置，移动测距靠尺，并读数；通过测量得到两个工作平台的距离和偏转角α，消除由于位置引入的测量误差，其中的计算公式如式(1)
[0020][0021]
式中δx为两测距靠尺的差值，l为底座上两列导轨的距离；
[0022]
步骤3：通过升降机使工作平台处于升起状态，在工作平台上加载标校件，移动基
准靠尺并数；
[0023]
步骤4：通过升降机使工作平台下降，直到球头落在称重传感器上，读取称重传感器数值后，将工作平台上升；
[0024]
步骤5：将标校件旋转90
°
后，重复步骤4；
[0025]
步骤6：使用待测件替换标校件，重复步骤3-步骤5；
[0026]
步骤7：取下待测件，在空载状态下重复步骤4；
[0027]
步骤8：计算待测件质量和质心，通过公式(1)将待测件的质心转化到质心到待测件端面的距离：
[0028]
xc＝b1+δx
c1
+x
c1-b
2-δx
c2
ꢀꢀꢀ
(1)
[0029]
式中，xc为待测件质心到端面的距离，b1为测量标校件时基准靠尺的读数，δx
c1
为利用静力平衡原理测量标校件时的质心解，x
c1
为标校件质心到其端面的距离，b2为测量待测件时基准靠尺的读数，δx
c2
为利用静力平衡原理测量待测件时的质心解。
[0030]
本发明的有益效果如下：
[0031]
1)本发明测量装置包括两个测量平台，根据待测件的尺寸可以调整两平台的距离，大大提升了传统质量质心测量设备型号专用的现状，节约了研发成本和周期，同时在不用考虑待测件尺寸的同时，平台可以根据负载设计为几种规格型号，进行标准化生产。
[0032]
2)针对大重量测量，本发明研发了一套合理的定位组件，通过对工作平台的精确定位，可以使得支撑球头精确落在称重传感器的中心，这样可以使得传感器的读数尽最大可能保持一致或者在同一水平，这样就大大消除了由于称重传感器形变导致平面不水平所引入的测量误差，极大地提高了产品的测量精度。
[0033]
3)通过引入测距靠尺，本发明可以精确地得到两平台的相对位置，包括距离和偏转角，可以在解算公式中引入位置修正参数，进一步消除了测量误差。
附图说明
[0034]
图1为本发明装置的正视图。
[0035]
图2为本发明装置的侧视图。
[0036]
图3为本发明基准靠尺的正视图和侧视图，(a)正视图，(b)侧视图。
[0037]
图4为本发明移动平台的正视图和侧视图，(a)正视图，(b)侧视图。
[0038]
图5为本发明工作平台的正视图和侧视图，(a)正视图，(b)侧视图。
[0039]
图中：a1-基准靠尺、a2-移动平台、a3-工作平台、a4-底座、a5-标校件、a6-测距靠尺、1-靠尺、2-磁珊尺、3-第三滑块、4-导轨、5-基准靠尺座、6-减速电机、7-第一滑块、8-移动基座、9-平台定位板、10-直线轴承、11-升降机、12-光轴座、13-光轴、14-直线轴承座、15-称重传感器、16-传感器座、17-定位槽、18-第二滑块、19-滚轮组件、20-滚轮座横梁、21-工作台基座、22-定位锥台、23-球头组件、24-定位块。
具体实施方式
[0040]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0041]
本发明所要解决的问题在于针对以上不足，提供一种高精度的组合式质量质心测量设备，以满足不同形状、不同尺寸的被测件的高精度测量要求。
[0042]
为了克服传统的测量设备通用性差的问题，本方面采用双平台组合式测量方法，两平台各有一套独立的测量系统，且两平台间的相对位置可以调整，以满足不同型号的被测件。本方面设计了一套锥槽式定位装置，使得球头在上升和下降时都能位于传感器中心位置，并且完全消除了传感器的侧向力。
[0043]
一种基于双平台的组合式质心测量装置，包括基准靠尺a1、移动平台a2、工作平台a3、底座a4、标校件a5和测距靠尺a6；
[0044]
所述底座a4上端面装有两列平行导轨，所述移动平台a2安装在底座a4的导轨上，移动平台a2能够在底座a4上移动；所述底座a4上左右对称分别安装有两个移动平台a2，在左端移动平台a2的侧面留有基准靠尺a1的安装孔，所述基准靠尺a1通过安装孔与移动平台a2刚性连接；所述工作平台a3有两个，分别安装在两个移动平台a2上，能够被移动平台a2驱动产生竖直方向的位移；所述测距靠尺a6通过滑块安装在底座a4的导轨上，其位置在两个移动平台a2间，底座a4的每个导轨上分别安装一个测距靠尺a6；
[0045]
所述移动平台a2包括减速电机6、第一滑块7、移动基座8、平台定位板9、直线轴承10、升降机11、光轴座12、光轴13、直线轴承座14、称重传感器15、传感器座16和定位槽17；所述第一滑块7固定在移动基座8下端面，第一滑块7安装在底座a4的两列平行导轨上；所述减速电机6安装在移动基座8上，减速电机6驱动升降机11工作；所述直线轴承座14固定安装在移动基座8上，所述直线轴承10安装在直线轴承座14上；所述光轴13上端固定在光轴座12上，光轴13下端穿过直线轴承10用于定位，使移动平台a2只能上下移动；所述平台定位板9与光轴座12固定连接，所述升降机11的顶端与平台定位板9下端面中间连接；每个移动平台a2设有三个称重传感器15，分别通过三个传感器座16固定在移动基座8上；
[0046]
所述工作平台a3包括第二滑块18、滚轮组件19、滚轮座横梁20、工作台基座21、定位锥台22、球头组件23和定位块24；每个移动平台a2上各配备一个工作平台a3；所述工作台基座21下端面装有定位锥台22和定位块24，两者共同组成定位装置分别与移动平台a2中的平台定位板9和定位槽17配合，所述平台定位板9上开有锥槽，当工作平台a3处于升起状态时，定位锥台22正好位于平台定位板9的锥槽内，定位块24同时位于定位槽17内，以此来保证工作平台在上升下降时的水平位置；所述工作台基座21下端面还安装有三个球头组件23，球头组件23的球头顶点位置正对称重传感器15工作面的中心；所述工作台基座21上端面安装有导轨；所述滚轮座横梁20下端安装第二滑块18，所述第二滑块18安装在工作台基座21的导轨上，滚轮座横梁20通过第二滑块18能够左右移动；所述滚轮座横梁20前后分别安装有滚轮组件19；在加载待测件时，调整滚轮座横梁20，使得工作平台a3在负载情况下整体重心在三个球头中间位置，当工作平台a3下降到接触称重传感器15时，三个称重传感器15的读数相同，消除由于称重传感器15形变而导致的工作平台a3不水平引入的测量误差；
[0047]
所述基准靠尺a1包括靠尺1、磁栅尺2、第三滑块3、导轨4和基准靠尺座5；所述基准靠尺座5通过安装孔与移动平台a2刚性连接；所述导轨4安装在基准靠尺座5上，第三滑块3安装在导轨4上；所述磁栅尺2和靠尺1安装在第三滑块4上，靠尺1能够沿着导轨4左右滑动，滑动的两个极限位置一个是导轨末端另一个是待测件的端面，通过磁栅尺2能够读出这两个极限位置的距离；
[0048]
所述测距靠尺a6作为位置基准为两台移动平台a2的相对位置提供参照，同时通过移动到达左右极限位置测得两个工作平台a3的距离和偏转角；
[0049]
所述标校件a5在进行测量时放置在两个工作平台a3的上方，用于辅助质心计算。
[0050]
优选地，所述底座a4为钢架焊接件，下端面装有调平地脚，方便装置调平。
[0051]
优选地，所述工作台基座21为铝型材一体加工而成。
[0052]
优选地，所述移动基座8下端面四角处分别安装四个第一滑块7。
[0053]
一种基于双平台的组合式质心测量方法，包括如下步骤：
[0054]
步骤1：调整底座a4地脚螺钉，使测量装置处于水平状态；
[0055]
步骤2：根据待测件尺寸设置两移动平台a2的相对位置，移动测距靠尺a6，并读数；通过测量得到两个工作平台a3的距离和偏转角α，消除由于位置引入的测量误差，其中的计算公式如式(1)
[0056][0057]
式中δx为两测距靠尺a6的差值，l为底座a4上两列导轨的距离；
[0058]
步骤3：通过升降机11使工作平台a3处于升起状态，在工作平台上加载标校件a5，移动基准靠尺a1并数；
[0059]
步骤4：通过升降机11使工作平台a3下降，直到球头落在称重传感器15上，读取称重传感器数值后，将工作平台a3上升；
[0060]
步骤5：将标校件a5旋转90
°
后，重复步骤4；
[0061]
步骤6：使用待测件替换标校件a5，重复步骤3-步骤5；
[0062]
步骤7：取下待测件，在空载状态下重复步骤4；
[0063]
步骤8：计算待测件质量和质心，通过公式(2)将待测件的质心转化到质心到待测件端面的距离：
[0064]
xc＝b1+δx
c1
+x
c1-b
2-δx
c2
ꢀꢀꢀ
(2)
[0065]
式中，xc为待测件质心到端面的距离，b1为测量标校件时基准靠尺的读数，δx
c1
为利用静力平衡原理测量标校件时的质心解，x
c1
为标校件质心到其端面的距离，b2为测量待测件时基准靠尺的读数，δx
c2
为利用静力平衡原理测量待测件时的质心解。
[0066]
具体实施例：
[0067]
采用基于双平台的组合式测量方案。其特征主要包括底座、移动平台、工作平台、测距靠尺、基准靠尺。其中底座上配备调平底座，和两列平行导轨。两移动平台通过滑块安装在底座上，使得移动平台可以在底座上移动。移动平台上装有三个称重传感器和升降装置，在其中一个移动平台上留有基准靠尺的安装位置，通过刚性连接将基准靠尺安装在移动平台上。工作平台通过定位装置与移动平台配合，两者可以借助升降装置产生平行于竖直方向的相对位移。在两移动平台间的导轨上，也通过滑块在每列导轨上安装了一个测距靠尺。在测量时，根据待测件的尺寸调整两移动平台间的距离，锁紧两移动平台，通过两个测距靠尺，测得两移动平台沿着两条导轨的距离，之后在工作平台升起状态时，将标校件放置在工作平台上，通过基准靠尺读出靠尺极限位置到待测件的距离，随后工作平台下降，直到工作平台落在称重传感器上，读取称重传感器的数值，工作平台上升，取下标校件换上待测件，重复上述步骤并读取数值，之后取下待测件，使工作平台再次下降读取空载状态下称重传感器的读数，根据标校件的已知参数在计算软件里校准测量装置参数，即可解算出待测件的质量质心。
[0068]
所述底座为钢架焊接件，在下端装有调平地脚，在上端沿纵向装有两列滑动导轨。
[0069]
所述移动平台有两个，在下端面的在四角安装了四个导轨滑块，通过滑块，两移动平台对称安装在底座上，移动平台上装有升降装置，升降装置由导杆、直线轴承、直线轴承座、升降机、减速机、定位板、定位槽组成，定位板和导杆刚性连接，当升降机动作时，使得定位板只在竖直方向产生位移。
[0070]
所述工作平台台面为铝材一体加工而成，在其下端面安装有三个支撑球头，在台面下降时三个球头落在称重传感器上。同时下端面还安装有定位凸台和定位锥块，和移动平台中的定位件配合，以此达到工作平台的定位。在工作平台上台面安装有支撑组件，支撑组件由滚轮座横梁、滚轮座、滚轮组成，滚轮座通过导轨滑块安装在工作平台上台面，在滚轮座横梁两端各安装一个滚轮，使得待测件刚好由滚轮支撑，并可以旋转360
°
。
[0071]
所述基准靠尺由磁珊尺、靠尺座、靠尺导轨、靠尺组成，靠尺座上装有直线导轨，靠尺通过滑块安装在靠尺座上，靠尺可以沿着靠尺座直线运动，当靠尺移动时，通过磁珊尺就可以读取移动的距离。
[0072]
所述测距靠尺由磁珊尺、靠尺和靠尺座组成，靠尺座通过滑块安装在底座的导轨上，移动靠尺通过磁珊尺就可以测出移动平台沿着两个导轨的距离，以此解算出两个平台的距离和偏转角度，在质心计算公式中引入位置修正参数。
[0073]
参照图1-5，本实施例为一套基于双平台的质量质心测量装置。该装置主要包括：基准靠尺a1、移动平台a2、工作平台a3、底座a4、标校件a5，测距靠尺a6,其中基准靠尺a1由靠尺1、磁栅尺2、第三滑块3、导轨4、基准靠尺座5组成，移动平台a2由减速电机6、第一滑块7、移动基座8、平台定位板9、直线轴承10、升降机11、光轴座12、光轴13、直线轴承座14、称重传感器15、传感器座16、定位槽17组成，工作平台a3由第二滑块18、滚轮组件19、滚轮座横梁20、工作台基座21、定位锥台22、球头组件23、定位块24组成。底座a4下端面装有调平地脚，方便装置调平，底座a4上端面装有两列平行导轨，移动平台a2通过移动基座8下端面四角处平行安装的四个第一滑块7安装在底座a4上，通过导轨滑块的配合，移动平台a2可以在底座a4上移动。在底座a4上对称安装有两个移动平台a2,在其中一个移动平台a2的侧面留有基准靠尺a1的安装孔，基准靠尺a1中的基准靠尺座5通过螺纹链接与移动平台a2刚性链接。工作平台a3下端面装有定位锥台22和定位块24，两者共同组成定位装置与移动平台a2中的平台定位板9和定位槽17配合，使得当移动平台a2中的升降机11动作时，工作平台a3借助定位装置，仅仅产生竖直方向上的位移。测距靠尺a6通过滑块同样安装在底座a4的导轨上，其位置在两个移动平台a2间，并且每个导轨上安装一个，通过移动测距靠尺a6到达左右极限位置测得移动平台a2的相对位置。
[0074]
本发明的基准靠尺a1由靠尺1、磁栅尺2、第三滑块3、导轨4、基准靠尺座5组成，刚性安装在移动平台上。靠尺1可以沿着导轨4左右滑动，其两个极限位置一个是导轨末端另一个是被测件的端面，通过磁栅尺可以读出这两个极限位置的距离，通过下式将待测件的质心转化到质心到待测件端面的距离。
[0075]
xc＝b1+δx
c1
+x
c1-b
2-δx
c2
[0076]
式中，xc为待测件质心到端面的距离，b1为测量标校件时基准靠尺的读数，δx
c1
为利用静力平衡原理测量标校件时的质心解，x
c1
为标校件质心到其端面的距离，b2为测量待测件时基准靠尺的读数，δx
c2
为利用静力平衡原理测量待测件时的质心解。
[0077]
本发明的移动平台a2有两台，分别对称安装在底座a4的导轨上，根据待测件尺寸大小，可以调整移动两平台的距离。每个移动平台a2安装有三个称重传感器15，通过传感器座16安装在移动基座8上台面上。平台定位板9、直线轴承10、升降机11、光轴座12、光轴13、直线轴承座14构成升降装置，平台定位板9下端通过光轴座12安装有三根光轴13，以此限制平台定位板9的位置，使其只能在竖直方向移动。
[0078]
本发明的工作平台a3在每个移动平台a2上配备一台，工作台基座21为铝型材一体加工而成，在其下端面安装有三个球头组件23，球头的顶点位置对正称重传感器15的工作面的中心，在下端还装有定位锥台22和定位块24组成定位装置。在上端面安装有滚轮座横梁20，每个滚轮座横梁20前后安装有两个滚轮组件19，滚轮座横梁20通过导轨滑块可以左右移动，在加载状态时，可以调整滚轮座横梁20，使得工作平台a3在负载情况下整体重心在三个球头中间位置，当工作平台a3下降到称重传感器15时，三个称重传感器15的读数相同或保持在同一水平，以此消除由于称重传感器15形变而导致的工作平台a3不水平引入的测量误差。此外，工作台基座21上可以配备两套滚轮座横梁20，当待测件较小时，可以使用单个工作平台a3进行测量。
[0079]
本发明的测距靠尺a6有两套，平行安装在底座a4的两列导轨上，在设备装配时，可以作为位置基准为两台移动平台a2的相对位置提供参照，同时在设备测量中，通过移动测距靠尺a6到左右两极限位置，可以测出两工作平台a3的距离和偏转角，并在质心解算中引入修正参数两平台的距离l,两平台的偏角α.进一步消除了由于位置引入的测量误差。其中α的计算公式如下式：
[0080][0081]
式中，δx为两测距靠尺a6的差值，l为底座a4上两列导轨的距离。
[0082]
本发明的定位装置采用平台定位板9和定位锥台22配合，定位槽17和定位块24配合。平台定位板9上开有锥槽，当工作平台a3处于升起状态时，定位锥台22刚好位于平台定位板9的锥槽内，定位块24同样位于定位槽17内，以此来保证工作平台在上升下降时的水平位置。
[0083]
本发明测量实施步骤如下所述：
[0084]
1)调整底座a4地脚螺钉，使整个装置处于水平状态。
[0085]
2)根据待测件移动两移动平台a2的相对位置，并锁紧，移动测距靠尺a6，并在计算软件里读取读数。
[0086]
3)在工作平台a3升起状态，加载标校件，并移动基准靠尺a1在计算软件里读出读数。
[0087]
4)升降机动作，工作平台a3下降，直到球头落在称重传感器15上，在计算软件里读取称重传感器数值后，将工作平台a3上升。
[0088]
5)旋转标校件90
°
后，重复步骤4。
[0089]
6)取下标校件，换上待测件，重复步骤3)-5)。
[0090]
7)取下待测件，在空载状态下重复步骤4)。
[0091]
8)在计算软件里，计算出待测件质量和质心。
[0092]
综上所述，本发明装置提供了一套高精度，方便快捷的质量质心测量装置，并且采
用双平台的方式，合理解决了平台定位问题，极大地提高了测量设备的通用性。