CN102155887A - 质心柔性测量方法 - Google Patents

Abstract

质心柔性测量方法，它涉及一种质心测量方法。本发明的目的是提供一种不需要测量台调整水平、产品与测量台也无位置关系的约束、产品的位姿也不需要严格的水平和竖直、只需要变换两种不同的位姿就可以进行测量的质心柔性测量方法。利用激光跟踪仪测量四个称重传感器小球的球心坐标，则称重传感器与测量台的接触点坐标可通过球心坐标得到；得到产品坐标系下的过产品质心直线方程L1’：再将产品换成另外一种位姿放置在测量台面上，得到产品坐标系下的过产品质心直线方程L2’；直线L1’和L2’都经过产品质心且在同一产品坐标系下，求两条直线的交点得到产品质心坐标。本发明方法具有产品定位准、测量工装通用性好等优点。

Description

质心柔性测量方法

技术领域

本发明涉及一种质心测量方法。

背景技术

导弹的质心是导弹质量特性参数中最重要的参数之一，这些参数对产品的实际使用有着至关重要的影响。导弹形心与质心的不重合程度，将直接影响导弹发射的姿态和其在空中的弹道。因此，建立其静态参数测试***对加快此类型号产品的研制和生产周期，提高产品的发射安全性和运行可靠性具有非常重要的意义。

传统的质心测量方法主要有摇摆法、悬挂法、天平称量、三点法、四点法。在对一般的航天器或者导弹质心测量时主要使用的时三点法或者四点法，这两种方法利用力矩平衡原理配合以称重传感器、机械工装等，最后通过计算机软件可将质心位置计算出来。

但是此种技术方法有一定的局限性。首先，产品的定位以及计算结果所需的参数取决于设计好的机械工装，机械工装制作的精细程度直接影响到最后的测量结果，因此对机械工装的工艺要求非常高。

其次，受到数学计算模型的约束，要求测量台面一定要保持水平，在测量产品之前需要将测量台调水平，降低了产品测试的效率。随着测量次数的增多会使测量台发生角度的偏移，这样也会增加产品测量的误差。

第三，在产品测量的时候，产品需要严格按照两种位姿状态(水平状态和竖直状态)下进行测量，此种方法对于体积较小的产品时，操作起来相对容易一些，若需要测量体积较大的产品时，比如大运载舱段等产品，无论是产品的放置还时产品位姿变换，操作起来都比较麻烦。而且，某种测量台只能针对固定型号的一种或者几种产品测量，若要测量其他型号的产品时，必须制作与之相配合的测量台。

发明内容

本发明的目的是提供一种不需要调整测量台水平、产品与测量台也无位置关系的约束、产品的位姿也不需要严格的水平和竖直、只需要变换两种不同的位姿就可以进行测量的质心柔性测量方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

本发明所述质心柔性测量方法是按照以下步骤实现的：

步骤一、设激光跟踪仪所在的测量坐标系(X_测，Y_测，Z_测)的xyz轴分别与竖直向上的方向夹角为α、β、γ；P1、P2、P3、P4分别为测量台下四个称重传感器；

利用激光跟踪仪测量4个传感器小球的球心坐标，则传感器与测量台的接触点坐标(x_i，y_i，z_i)可通过球心坐标得到，先称量工装空载时的工装重力，然后将产品放置在工装上，可得到工装重力和产品重力：

其中F₁’～F₄’为工装空载时4个传感器对工装的支撑力，F₁～F₄分别为工装加载产品时4个传感器对测量台和产品的支撑力；

步骤二、将工装空载时受到的4个传感器的支撑力F₁’～F₄’和加载产品时受到4个传感器的支撑力F₁～F₄以及产品重力F_产分别沿测量坐标系的X_测，Y_测，Z_测轴方向分解得出的支撑力F₁’～F₄’，F₁～F₄和产品重力F_产的分力，由于产品处于平衡状态，各分力相对于测量坐标系各坐标轴力矩为零，利用计算得出的分力以及传感器与测量台接触点的坐标(x_i，y_i，z_i)，即可对测量坐标系X_测，Y_测，Z_测轴列力矩平衡方程，经整理得到：

整理(2)式可得到一条直线方程L1：

$L1:\left\{\begin{array}{c}x=f_1\left(t\right)\\ y=f_2\left(t\right)\\ z=f_3\left(t\right)\end{array}\right.---\left(3\right)$

且L1直线经过产品质心，再次用激光跟踪仪对产品关键点的坐标测量，然后按照规定好的产品坐标系的建立规则建立产品坐标系，利用测量坐标系与产品坐标系的转换矩阵T将L1的方程从测量坐标系(X_测，Y_测，Z_测)转换到产品坐标系(X_产，Y_产，Z_产)，得到产品坐标系下的直线方程L1’：

${L1}^{,}:\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′}={f_1}^{\′}\left(t\right)\\ y^{\′}={f_2}^{\′}\left(t\right)\\ z^{\′}{=f_3}^{\′}\left(t\right)\end{array}\right.---\left(4\right)$

步骤三、再将产品换成另外一种位姿放置在测量台面上，利用上述的步骤再进行一次计算得到第二条经过产品质心的直线L2，仍然利用之前的建立规则，建立产品坐标系，建立好后将直线L2的方程转换到产品坐标系下，得到方程L2’：

$L{2}^{,}:\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′}={f_1}^{\′\′}\left(t\right)\\ y^{\′}={f_2}^{\′\′}\left(t\right)\\ z^{\′}{=f_3}^{\′\′}\left(t\right)\end{array}\right.---\left(5\right)$

步骤四、直线L1’和L2’都经过产品质心，且在同一产品坐标系下，因此求两条直线的交点得到产品质心坐标。

本发明的有益效果是：

设计一种柔性通用的质心测量及计算方法，这种测量方法不需要测量台调整水平，产品与测量台也无位置关系的约束，产品的位姿也不需要严格的水平和竖直，只需要变换两种不同的位姿就可以进行测量，这在一定程度上解决了产品定位不准、大型部件在测量时不易翻转90°以及测量工装通用性差等问题。

此方法必须有坐标测量***，我们选择激光跟踪仪进行关键点的坐标测量。测量时可根据情况选择三个传感器或四个传感器。

发明效果

由于该测量及计算方法是针对于一般情况的测量设计的，所以对于质心测量具有通用性。算法里面涉及到的参数比较多，数学模型也较为复杂，但是通过计算机软件编程来实现。

柔性测量方法针对的是一般情况下的测量，即测量台不水平，产品与工装相对关系不固定以及产品放置在测量台上的位姿不固定。而原有的测量方法则是针对特殊情况，即测量台水平，产品与工装相对关系固定以及产品放置在测量台上的位姿固定。所以只需要将柔性算法中的一些参数进行设置，就可以完成一般情况与特殊情况下的转换。这样就方便了测量。

由于加入了激光跟踪仪，使得我们可以通过测量产品表面或者底面的一些关键点的坐标来建立起产品坐标系，而且可以通过坐标转换，将测量坐标系下的数据转换到产品坐标系下。所以该方法理论上对于产品在工装上的位置以及产品本身的位姿无限制。

同时这种方法解决了使用某一测量台只能测量一种型号产品质心的限制。由于测量时不需要对产品翻转90°，所以对于大型的舱段等产品，不但方便操作，而且降低了发生意外的可能性。因此，本发明解决了产品定位不准、大型部件在测量时不易翻转90°以及测量工装通用性差等问题。

附图说明

图1是本发明的一种测量状态的原理示意图，图2是本发明的另一种测量状态的原理示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1和图2所示，本实施方式所述的质心柔性测量方法的具体过程为：

由于此方法具有通用性和一般性，如图1所示，设激光跟踪仪所在的测量坐标系的x_测、y_测、z_测轴分别与竖直向上的方向夹角为α、β、γ。P1、P2、P3、P4分别为测量台下4个称重传感器；

利用激光跟踪仪测量4个传感器小球的球心坐标，则传感器与测量台的接触点坐标(x_i，y_i，z_i)可通过球心坐标得到，先称量工装空载时的工装重力，然后将产品放置在工装上，可得到工装重力和产品重力：

其中F₁’～F₄’为工装空载时4个传感器对工装的支撑力，F₁～F₄分别为工装加载产品时4个传感器对测量台和产品的支撑力；

将每个传感器的支撑力和产品重力分别沿测量坐标系的x_测、y_测、z_测轴方向分解，由于产品处于平衡状态，各分力相对于测量坐标系各坐标轴力矩为零，通过刚才计算得出的分力以及传感器与测量台接触点的坐标值，即可对测量坐标系x_测、y_测、z_测轴列力矩平衡方程：

整理(2)式可得到一条直线方程L1：

$L1:\left\{\begin{array}{c}x=f_1\left(t\right)\\ y=f_2\left(t\right)\\ z=f_3\left(t\right)\end{array}\right.---\left(3\right)$

且L1直线经过产品质心，再次用激光跟踪仪对产品关键点的坐标测量，然后按照规定好的产品坐标系的建立规则建立产品坐标系，利用测量坐标系与产品坐标系的转换矩阵T将L1的方程从测量坐标系(X_测，Y_测，Z_测)转换到产品坐标系(X_产，Y_产，Z_产)，得到产品坐标系下的直线方程L1’：

${L1}^{,}:\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′}={f_1}^{\′}\left(t\right)\\ y^{\′}={f_2}^{\′}\left(t\right)\\ z^{\′}{=f_3}^{\′}\left(t\right)\end{array}\right.---\left(4\right)$

再将产品换成另外一种位姿放置在测量台面上，利用上述的步骤再进行一次计算得到第二条经过产品质心的直线L2，仍然利用之前的建立规则，建立产品坐标系，建立好后将直线L2的方程转换到产品坐标系下，得到方程L2’；

$L{2}^{,}:\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′}={f_1}^{\′\′}\left(t\right)\\ y^{\′}={f_2}^{\′\′}\left(t\right)\\ z^{\′}{=f_3}^{\′\′}\left(t\right)\end{array}\right.---\left(5\right)$

直线L1’和L2’都经过产品质心，且在同一产品坐标系下，因此求两条直线的交点得到产品质心坐标。在实际测量中，由于测量存在误差由可能导致最后求得的两条质心异面即没有交点，此时可将两条直线公垂线段的中点近似为产品质心位置。

Claims (1)

1.一种质心柔性测量方法，其特征在于：所述方法是按照以下步骤实现的：

步骤一、设激光跟踪仪所在的测量坐标系(X_测，Y_测，Z_测)的xyz轴分别与竖直向上的方向夹角为α、β、γ；P1、P2、P3、P4分别为测量台下四个称重传感器；

利用激光跟踪仪测量4个传感器小球的球心坐标，则传感器与测量台的接触点坐标(x_i，y_i，z_i)可通过球心坐标得到，先称量工装空载时的工装重力，然后将产品放置在工装上，可得到工装重力和产品重力：

其中F₁’～F₄’为工装空载时4个传感器对工装的支撑力，F₁～F₄分别为工装加载产品时4个传感器对测量台和产品的支撑力；

步骤二、将工装空载时受到的4个传感器的支撑力F₁’～F₄’和加载产品时受到4个传感器的支撑力F₁～F₄以及产品重力F_产分别沿测量坐标系的X_测，Y_测，Z_测轴方向分解得出的支撑力F₁’～F₄’，F₁～F₄和产品重力F_产的分力，由于产品处于平衡状态，各分力相对于测量坐标系各坐标轴力矩为零，利用计算得出的分力以及传感器与测量台接触点的坐标(x_i，y_i，z_i)，即可对测量坐标系X_测，Y_测，Z_测轴列力矩平衡方程，经整理得到：

整理(2)式可得到一条直线方程L1：

$L1:\left\{\begin{array}{c}x=f_1\left(t\right)\\ y=f_2\left(t\right)\\ z=f_3\left(t\right)\end{array}\right.---\left(3\right)$

且L1直线经过产品质心，再次用激光跟踪仪对产品关键点的坐标测量，然后按照规定好的产品坐标系的建立规则建立产品坐标系，利用测量坐标系与产品坐标系的转换矩阵T将L1的方程从测量坐标系(X_测，Y_测，Z_测)转换到产品坐标系(X_产，Y_产，Z_产)，得到产品坐标系下的直线方程L1’：

${L1}^{,}:\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′}={f_1}^{\′}\left(t\right)\\ y^{\′}={f_2}^{\′}\left(t\right)\\ z^{\′}{=f_3}^{\′}\left(t\right)\end{array}\right.---\left(4\right)$

步骤三、再将产品换成另外一种位姿放置在测量台面上，利用上述的步骤再进行一次计算得到第二条经过产品质心的直线L2，仍然利用之前的建立规则，建立产品坐标系，建立好后将直线L2的方程转换到产品坐标系下，得到方程L2’：

$L{2}^{,}:\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′}={f_1}^{\′\′}\left(t\right)\\ y^{\′}={f_2}^{\′\′}\left(t\right)\\ z^{\′}{=f_3}^{\′\′}\left(t\right)\end{array}\right.---\left(5\right)$

步骤四、直线L1’和L2’都经过产品质心，且在同一产品坐标系下，因此求两条直线的交点得到产品质心坐标。

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