CN114323440A - 一种二维质心测量装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种二维质心测量装置及其测量方法，它涉及仪器测量技术领域。本发明为解决现有被测对象质心难以测量或测量精度不高的问题。本发明包括秤盘、底板、夹具三个浮动支点和三个传感器，底板水平设置，底板的上部沿同一圆的圆周方向均布设有三个传感器，传感器的上方设有浮动支点，三个浮动支点的上端架设有秤盘，秤盘上设有夹具。本发明用于测量工件质心在水平面上投影位置。
Description
技术领域
本发明涉及仪器测量技术领域，具体涉及一种二维质心测量装置及其测量方法。
背景技术
随着科学技术的发展，在航空、航天、军工、动力等领域需要有更精确、更简便的方法获得叶片、载荷、弹体等零部件的质量和质心。目前常见的测量方法有悬挂法、静态法和动态法，存在精度差、效率低、成本高的缺点。因此需要发展一种精确、快捷的新型质心测量设备，为力学测量提供新技术和新装备。
发明内容
本发明为了解决现有被测对象质心难以测量或测量精度不高的问题，进而提出的基于静态测量方法的新型质心测量设备及其测量方法。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种二维质心测量装置包括秤盘、底板、夹具三个浮动支点和三个传感器，底板水平设置，底板的上部沿同一圆的圆周方向均布设有三个传感器，传感器的上方设有浮动支点，三个浮动支点的上端架设有秤盘，秤盘上设有夹具。
进一步地，所述传感器与底板的上端面之间设有过载保护。
进一步地，所述底板同一端的浮动支点、传感器和过载保护同轴设置。
进一步地，所述传感器为压力传感器。
进一步地，所述浮动支点为单点支撑机构，只传递竖直方向正压力。
进一步地，所述秤盘上设有四个标定接口，标定接口内配合有专用标定砝码。
一种利用所述二维质心测量装置的测量方法包括如下步骤：
步骤一：首先通过标定砝码获得三个浮动支点的坐标；
步骤二：取下标定砝码，将待测物品装夹到秤盘上；
步骤三：通过三个传感器分别测三个浮动支点承受的重量；
步骤四：根据各传感器压力值分析得到待测物品质心相对秤盘的位置坐标。
进一步地，所述步骤一中获得三个浮动支点的坐标包括如下过程：以秤盘的中心为原点，建立秤盘坐标系，所述秤盘坐标系的三轴指向与三维空间直角坐标系的三轴指向相同，根据四个标定接口的各自位置，分别确定四个标定接口的坐标，然后将已知重量的砝码分别放入其中三个标定接口，实现对浮动支点位置的标定，获得三个浮动支点的坐标。
进一步地，所述步骤一中获得三个浮动支点的坐标还包括如下过程：
通过已知重量的砝码标定各浮动支点相对秤盘的位置坐标，根据公式(1)
其中公式(1)中，m为砝码重量，x1为砝码放在第一个标定接口时的x轴向坐标，
为砝码放在第一个标定接口时三个浮动支点的支撑力，xa、xb、xc为三个浮动支点的x轴向坐标；将砝码分别放在三个标定接口内，将三个标定接口及对应的三个浮动支点的支撑力代入到公式(1)，如公式(2)所示，其中r为砝码质心位置，进而根据公式(2)解出6个未知数，如公式(3)所示：
其中公式(2)中，m为砝码重量，r为标定接口到坐标轴的距离，三个标定接口的坐标分别为(r,r)、(-r,r)和(-r,-r)，
为砝码放在第一个标定接口时三个浮动支点的支撑力，
为砝码放在第二个标定接口时三个浮动支点的支撑力，
为砝码放在第三个标定接口时三个浮动支点的支撑力，xa、xb、xc为三个浮动支点的x轴向坐标，ya、yb、yc为三个浮动支点的y轴向坐标。
进一步地，所述步骤四中，根据步骤三中获得三个浮动支点的支撑力Fa、Fb、Fc，利用公式计算，获得待测物品质心相对秤盘的位置坐标，得出公式(4)
其中公式(4)中，m为待测物品的重量，Fa、Fb、Fc为放入待测物品时三个浮动支点的支撑力，xa、xb、xc为三个浮动支点的x轴向坐标，ya、yb、yc为三个浮动支点的y轴向坐标，x为待测物品质心的x轴向坐标，y为待测物品质心的y轴向坐标。
本发明与现有技术相比包含的有益效果是：
一、本发明浮动支点和秤盘，消除了剪切应力和水平拉力，使得传感器仅受到来自被测物品的重力，提高了质心测量精度高。
二、本发明通过秤盘的止口，以及标定工艺，使得工装夹具和秤盘、浮动支点具有较高的位置精度，结构简单可靠并进一步提高了质心测量精度。
三、和秤盘装有精密装配的夹具，配合专门开发的测量软件，可以快速测量被测物品质心相对基准位置的距离。
四、本发明具有造价低，使用安全、可靠的优点，通过接入不同测量模块，不仅可用作单个物品的二维质心测量，还可以扩展多只物品测量。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的侧视图；
图3是本发明的俯视图；
图4是本发明中浮动支点1的剖视图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述一种二维质心测量装置包括秤盘4、底板5、夹具6三个浮动支点1和三个传感器2，底板5水平设置，底板5的上部沿同一圆的圆周方向均布设有三个传感器2，传感器2的上方设有浮动支点1，三个浮动支点1的上端架设有秤盘4，秤盘4上设有夹具6。
本发明提出的一种由浮动支点、传感器、秤盘为主要零部件的称重装置，不仅可以称量物品重量，还能测量物品相对基准位置的二维质心距离。具有结构节凑，精度高，测量效率高，适应性强的特点。
所述秤盘4将三套传感器2***连接在一起，使得被测物品的几何形态和安装位置都不会对传感器2产生额外分力，传感器2仅受到竖直方向的重力。
所述浮动支点1是一种特殊的支撑装置，只能对传感器2施加正压力，不会对传感器2施加剪切力。
浮动支点1包括圆弧座1-1、平座1-2、支撑球1-4、多个弹性支撑柱1-3和多个铆钉1-5，圆弧座1-1设置在平座1-2的正下方，圆弧座1-1上端面的中部设有圆弧凹槽1-1-1，平座1-2下端面的中部设有圆柱凹槽1-2-1，圆弧凹槽1-1-1与圆柱凹槽1-2-1之间设有支撑球1-4，支撑球1-4的外径大于圆弧凹槽1-1-1的最大槽深与圆柱凹槽1-2-1的槽深之和，多个弹性支撑柱1-3沿圆周方向均布浮动设置在圆弧座1-1与平座1-2之间，多个铆钉1-5沿圆周方向均布浮动设置在圆弧座1-1与平座1-2之间。
本实施方式中圆弧座1-1和平座1-2同轴设置。
所述圆弧座1-1、平座1-2有圆弧凹槽1-1-1和圆柱凹槽1-2-1，可以放置支撑球1-4，支撑球1-4受到且仅受到来自圆弧座1-1、平座1-2的法向正压力。
所述圆弧座1-1、平座1-2之间用弹性支撑柱1-3、铆钉1-5连接，但连接存在间隙，支撑球1-4、圆弧座1-1、平座1-2可以小幅摆动。
所述圆弧座1-1和平座1-2之间有相同相位的孔，用来放置弹性支撑柱1-3和铆钉1-5，在中间放置支撑球1-4，铆钉1-5将圆弧座1-1和平座1-2连接，防止支撑球1-4脱落。
专门的标定分析算法，通过对已知砝码的标定和分析传感器2受力情况，可以得到三个浮动支点1相对秤盘4的X、Y向坐标，以及被测物品质心相对秤盘4的X、Y向坐标。
秤盘4和夹具6之间具有一定的装配关系，夹具6和被测物品基准位置有一定的几何关系，从而获得被测物品质心到被测物品基准位置在水平方向的二维位置关系。
具体实施方式二：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述传感器2与底板5的上端面之间设有过载保护3。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述底板5同一端的浮动支点1、传感器2和过载保护3同轴设置。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述传感器2为压力传感器。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述浮动支点1为单点支撑机构，只传递竖直方向正压力。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述秤盘4上设有四个标定接口4-1，标定接口4-1内配合有专用标定砝码。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式二相同。
具体实施方式七：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述一种利用所述二维质心测量装置的测量方法包括如下步骤：
步骤一：首先通过标定砝码获得三个浮动支点1的坐标；
步骤二：取下标定砝码，将待测物品装夹到秤盘4上；
步骤三：通过三个传感器2分别测三个浮动支点1承受的重量；
步骤四：根据各传感器压力值分析得到待测物品质心相对秤盘4的位置坐标。
具体实施方式八：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述步骤一中获得三个浮动支点1的坐标包括如下过程：以秤盘4的中心为原点，建立秤盘坐标系，所述秤盘坐标系的三轴指向与三维空间直角坐标系的三轴指向相同，根据四个标定接口4-1的各自位置，分别确定四个标定接口4-1的坐标，然后将已知重量的砝码分别放入其中三个标定接口4-1，实现对浮动支点1位置的标定，获得三个浮动支点1的坐标。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述步骤一中获得三个浮动支点1的坐标还包括如下过程：
通过已知重量的砝码标定各浮动支点1相对秤盘4的位置坐标，根据公式(1)
其中公式(1)中，m为砝码重量，x1为砝码放在第一个标定接口4-1时的x轴向坐标，
为砝码放在第一个标定接口4-1时三个浮动支点1的支撑力，xa、xb、xc为三个浮动支点1的x轴向坐标；将砝码分别放在三个标定接口4-1内，将三个标定接口4-1及对应的三个浮动支点1的支撑力代入到公式(1)，如公式(2)所示，其中r为砝码质心位置，进而根据公式(2)解出6个未知数，如公式(3)所示：
其中公式(2)中，m为砝码重量，r为标定接口到坐标轴的距离，三个标定接口的坐标分别为(r,r)、(-r,r)和(-r,-r)，
为砝码放在第一个标定接口4-1时三个浮动支点1的支撑力，
为砝码放在第二个标定接口4-1时三个浮动支点1的支撑力，
为砝码放在第三个标定接口4-1时三个浮动支点1的支撑力，xa、xb、xc为三个浮动支点1的x轴向坐标，ya、yb、yc为三个浮动支点1的y轴向坐标。
本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式八相同。
将砝码分别放在三个标定接口4-1内，砝码分别放在1、2、3号位，可以获得6个方程，即假设三个标定接口4-1的的号位为第1号标定接口、第2号标定接口、第3号标定接口，假设三个浮动支点1的号位为第a号浮动支点、第b号浮动支点、第c号浮动支点，将三个标定接口及对应的三个浮动支点支撑力代入到公式(1)。
具体实施方式十：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述步骤四中，根据步骤三中获得三个浮动支点1的支撑力Fa、Fb、Fc，利用公式计算，获得待测物品质心相对秤盘4的位置坐标，得出公式(4)
其中公式(4)中，m为待测物品的重量，Fa、Fb、Fc为放入待测物品时三个浮动支点1的支撑力，xa、xb、xc为三个浮动支点1的x轴向坐标，ya、yb、yc为三个浮动支点1的y轴向坐标，x为待测物品质心的x轴向坐标，y为待测物品质心的y轴向坐标。
本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式九相同。
工作原理
当被测物品放入夹具后，放置在秤盘下部的传感器会有不同的测量值，测量值的和即为被测物品的重量，利用算法还可以测得被测物品在秤盘坐标系下的坐标位置。
通过标定，可以获得浮动支点在秤盘坐标系的坐标位置；通过精密加工和装配，可以获得夹具在秤盘坐标系的坐标位置，因此可以得到被测物品质心到被测物品基准面的坐标。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (10)
1.一种二维质心测量装置，其特征在于：它包括秤盘(4)、底板(5)、夹具(6)三个浮动支点(1)和三个传感器(2)，底板(5)水平设置，底板(5)的上部沿同一圆的圆周方向均布设有三个传感器(2)，传感器(2)的上方设有浮动支点(1)，三个浮动支点(1)的上端架设有秤盘(4)，秤盘(4)上设有夹具(6)。
2.根据权利要求1所述一种二维质心测量装置，其特征在于：所述传感器(2)与底板(5)的上端面之间设有过载保护(3)。
3.根据权利要求2所述一种二维质心测量装置，其特征在于：所述底板(5)同一端的浮动支点(1)、传感器(2)和过载保护(3)同轴设置。
4.根据权利要求3所述一种二维质心测量装置，其特征在于：所述传感器(2)为压力传感器。
5.根据权利要求4所述一种二维质心测量装置，其特征在于：所述浮动支点(1)为单点支撑机构，只传递竖直方向正压力。
6.根据权利要求1所述一种二维质心测量装置，其特征在于：所述秤盘(4)上设有四个标定接口(4-1)，标定接口(4-1)内配合有专用标定砝码。
7.一种利用权利要求1至6中任意一项权利要求所述二维质心测量装置的测量方法，所述测量方法包括如下步骤：
步骤一：首先通过标定砝码获得三个浮动支点(1)的坐标；
步骤二：取下标定砝码，将待测物品装夹到秤盘(4)上；
步骤三：通过三个传感器(2)分别测三个浮动支点(1)承受的重量；
步骤四：根据各传感器压力值分析得到待测物品质心相对秤盘(4)的位置坐标。
8.根据权利要求7所述一种二维质心测量装置的测量方法，其特征在于：所述步骤一中获得三个浮动支点(1)的坐标包括如下过程：以秤盘(4)的中心为原点，建立秤盘坐标系，所述秤盘坐标系的三轴指向与三维空间直角坐标系的三轴指向相同，根据四个标定接口(4-1)的各自位置，分别确定四个标定接口(4-1)的坐标，然后将已知重量的砝码分别放入其中三个标定接口(4-1)，实现对浮动支点(1)位置的标定，获得三个浮动支点(1)的坐标。
9.根据权利要求8所述一种二维质心测量装置的测量方法，其特征在于：所述步骤一中获得三个浮动支点(1)的坐标还包括如下过程：
通过已知重量的砝码标定各浮动支点(1)相对秤盘(4)的位置坐标，根据公式(1)
其中公式(1)中，m为砝码重量，x1为砝码放在第一个标定接口(4-1)时的x轴向坐标，
为砝码放在第一个标定接口(4-1)时三个浮动支点(1)的支撑力，xa、xb、xc为三个浮动支点(1)的x轴向坐标；将砝码分别放在三个标定接口(4-1)内，将三个标定接口(4-1)及对应的三个浮动支点(1)的支撑力代入到公式(1)，如公式(2)所示，其中r为砝码质心位置，进而根据公式(2)解出6个未知数，如公式(3)所示：
其中公式(2)中，m为砝码重量，r为标定接口到坐标轴的距离，三个标定接口的坐标分别为(r,r)、(-r,r)和(-r,-r)，
为砝码放在第一个标定接口(4-1)时三个浮动支点(1)的支撑力，
为砝码放在第二个标定接口(4-1)时三个浮动支点(1)的支撑力，
为砝码放在第三个标定接口(4-1)时三个浮动支点(1)的支撑力，xa、xb、xc为三个浮动支点(1)的x轴向坐标，ya、yb、yc为三个浮动支点(1)的y轴向坐标。
10.根据权利要求9所述一种二维质心测量装置的测量方法，其特征在于：所述步骤四中，根据步骤三中获得三个浮动支点(1)的支撑力Fa、Fb、Fc，利用公式计算，获得待测物品质心相对秤盘(4)的位置坐标，得出公式(4)
其中公式(4)中，m为待测物品的重量，Fa、Fb、Fc为放入待测物品时三个浮动支点(1)的支撑力，xa、xb、xc为三个浮动支点(1)的x轴向坐标，ya、yb、yc为三个浮动支点(1)的y轴向坐标，x为待测物品质心的x轴向坐标，y为待测物品质心的y轴向坐标。
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