一種高精度的大型結(jié)構(gòu)件質(zhì)心測量系統(tǒng)以及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明飛行器的質(zhì)心測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高精度的大型結(jié)構(gòu)件質(zhì)心測量 系統(tǒng)以及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 離心試驗使用離心機(jī)提供高加速度環(huán)境，研究試件在離心環(huán)境下的結(jié)構(gòu)性能及可 靠性。質(zhì)心測量技術(shù)主要應(yīng)用于航天航空、車輛、農(nóng)業(yè)機(jī)械等領(lǐng)域，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，質(zhì)心 測量技術(shù)將獲得更廣泛的應(yīng)用。我國也有相關(guān)規(guī)定，需要對飛機(jī)、直升飛機(jī)、導(dǎo)彈等性能要 求較高的產(chǎn)品進(jìn)行模擬加速度環(huán)境試驗。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，離心試驗技術(shù)也將應(yīng)用到 綜合環(huán)境試驗、熔體鑄造、生物技術(shù)等方面。
[0003] 在進(jìn)行離心試驗時，從試驗安全角度考慮，需要確定試件的質(zhì)心位置，從而計算試 件在離心過載過程中對離心機(jī)銷軸的彎矩。如果超過銷軸的承受范圍，則會對銷軸產(chǎn)生巨 大剪切力，使銷軸與漲套之間發(fā)生相對滑動，導(dǎo)致試件在離心機(jī)前端發(fā)生轉(zhuǎn)動，進(jìn)而發(fā)生重 大安全事故。所以需要對試件進(jìn)行配重，以保證質(zhì)心在安全使用范圍內(nèi)。因此試驗前對試 件質(zhì)心的精確測量就顯得尤為重要。
[0004] 對于大型結(jié)構(gòu)件來說，由于加工精度及裝配精度的影響，其實際質(zhì)心可能偏離理 論質(zhì)心幾百毫米，而在進(jìn)行離心試驗或者其他試驗時，質(zhì)心偏離將對試驗結(jié)果造成重大影 響，所以需要通過多種手段確定被測件的實際質(zhì)心位置，從而對試驗裝置進(jìn)行調(diào)整，以滿足 試驗要求。
[0005] 目前結(jié)構(gòu)件的質(zhì)心測量方法主要分為兩大類：一類是采用地秤法，一類是采用懸 掛法。地秤法主要是將被測件采用工裝固定在地秤上，通過2點或3點處獲得的測力值計 算得到被測件在某一方向上的質(zhì)心位置。懸掛法在大型結(jié)構(gòu)件的質(zhì)心測量中使用的不多， 但是這兩種方法在進(jìn)行質(zhì)心測量過程中，都是通過機(jī)械結(jié)構(gòu)來保證測量精度，沒有進(jìn)行后 期修正。因此只能通過結(jié)構(gòu)的加工精度來確定測量精度，而無法對測量結(jié)果進(jìn)行實際考察， 根據(jù)測量方式的不同，該測量誤差有可能達(dá)到幾毫米到幾十毫米之間。根據(jù)不同的試驗要 求，需要將質(zhì)心測量精度控制在幾毫米之內(nèi)或者更小時，目前的測量方法就不能適用，否則 測量結(jié)果無法驗證，即會產(chǎn)生重大安全隱患。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的要解決的技術(shù)問題是提供一種通過有效的誤差修正降低硬件的測量誤 差和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件誤差，從而達(dá)到精確測量目的的質(zhì)心測量系統(tǒng)以及方法。
[0007] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案為，一種高精度的大型結(jié)構(gòu)件質(zhì)心測 量系統(tǒng)，包括上位機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、信號調(diào)理器、橫梁、連桿、力傳感器、立柱、結(jié)構(gòu)件、底座；
[0008] 所述底座設(shè)置于地面上；若干根所述立柱垂直安裝于底座上；所述橫梁兩端分別 與若干根立柱的頂端固定連接；若干個所述連桿上端連接在橫梁下端面；連桿下端與結(jié)構(gòu) 件連接；每個連桿分為上下兩段，該上下兩段分別連接在力傳感器的上下端面；所述力傳 感器通過信號線與數(shù)據(jù)采集器相連；數(shù)據(jù)采集器通過信號線與信號調(diào)理器連接；所述信號 調(diào)理器通過信號線與上位機(jī)連接。
[0009] 所述底座包括四根鑄鐵塊，該四根鑄鐵塊收尾依次垂直相連，形成沿垂直于地面 方向自上而下看的" 口"字形結(jié)構(gòu)，所述四根鑄鐵彼此之間通過的勾頭螺釘固定連接。
[0010] 每個連桿包括一組由上螺桿和下螺桿組成的全螺紋螺桿，每個連桿的上螺桿和下 螺桿之間只有一個平行的轉(zhuǎn)動自由度；所述每個連桿的上螺桿上端與橫梁下端面之間通過 螺紋和螺母限位的裝置連接；所述每個連桿的下螺桿上端與結(jié)構(gòu)件連接。
[0011] 力傳感器的上端面設(shè)有螺紋接口，該螺紋接口與連桿的上螺桿下端相連；力傳感 器下端面也設(shè)有螺紋接口，該螺紋接口與連桿的下螺桿上端相連。
[0012] 所述立柱的高度大于等于結(jié)構(gòu)件最大尺寸與連桿高度的總和。
[0013] -種高精度的大型結(jié)構(gòu)件質(zhì)心測量系統(tǒng)的測量方法，包括以下步驟：
[0014] 步驟一、保持結(jié)構(gòu)件的z軸沿水平方向放置；
[0015] 步驟二、將測量系統(tǒng)調(diào)平并靜止穩(wěn)定后，數(shù)據(jù)采集器從2個測量通道a和b處的力 傳感器處，采集此時的測力值F a和Fb ;設(shè)2個力傳感器測量系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差分別為Ka和Kb ;
[0016] 步驟三、根據(jù)力矩平衡原理對整個系統(tǒng)取矩，建立力矩平衡公式；
[0017] 步驟四、將Fa和Fb，Ka和K b分別代入力矩平衡公式，可得質(zhì)心位置公式；
[0018] 步驟五、將結(jié)構(gòu)件翻轉(zhuǎn)180°，數(shù)據(jù)采集器2從2個力傳感器6處采集此時的測力 值匕'和Fb'，取2個力傳感器測量系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差分別為V、K b';進(jìn)而建立第二組力 矩平衡公式；
[0019] 步驟六、將兩組力矩平衡公式分別化簡，得到真實的質(zhì)心位置；
[0020] 步驟七、保持試件的X方向沿水平放置，重復(fù)步驟二至六，獲得X方向上的質(zhì)心位 置；
[0021] 步驟八、保持試件的y方向沿水平放置，重復(fù)步驟二至六，獲得y方向上的質(zhì)心位 置。
[0022] 所述步驟二中，包括以下步驟：
[0023] (1)分別將兩個力傳感器6的測量誤差設(shè)定為Ka和Kb ;
[0024] (2)分別將兩個力傳感器6需要測量的真實值設(shè)定為Ga、Gb ;
[0025] (3)分別將兩個力傳感器6的測量值分別設(shè)定為Fa、Fb ;
[0026] 貝U，F(xiàn)a = Ga · Ka，F(xiàn)b = Gb · Kb。
[0027] 所述步驟三和四中，根據(jù)力矩平衡公式，對結(jié)構(gòu)件大端取矩：
[0028] Gx = Gb · L ; (1)
[0029] G = Ga+Gb ;x為質(zhì)心與結(jié)構(gòu)件大端面的距離；L為結(jié)構(gòu)件大端至小端的距離；
[0030] 進(jìn)而可得真實的質(zhì)心位置為
[0031] (2)〇
[0032] 所述步驟五中，包括以下步驟：
[0033] (1)將結(jié)構(gòu)件翻轉(zhuǎn)180° ;
[0034] (2)分別將兩個測量通道的測量誤差設(shè)定為Ka'、Kb';
[0035] (3)分別將兩個測量通道的真實值設(shè)定SGa'、Gb';
[0036] (4)分別將兩個測量通道的測量值分別設(shè)定為Fa'、Fb';
[0037] 貝U, Fa' = Ga' · Ka' ，F(xiàn)b' = Gb' · Kb' ；
[0038] 由于結(jié)構(gòu)件水平翻轉(zhuǎn)前后，所述測量通道a和b沒有發(fā)生變化，則V =Ka，Kb' = Kb;Ga' =Gb，Gb' =Ga。
[0039] 所述步驟六中，將測量通道a的兩次測量結(jié)果進(jìn)行化簡，可得
[0040] …、 (3)
[0041] 將式（3)帶入式（2)，可得質(zhì)心位置為
[0042] (:4)。
[0043] 本發(fā)明的有益效果：
[0044] (1)本發(fā)明的測量系統(tǒng)適用于各類大型結(jié)構(gòu)件的綜合離心環(huán)境試驗，可將試驗件 的質(zhì)心偏移量計算出來后反饋給操作者，依據(jù)所得數(shù)據(jù)判斷試驗的安全性及提前調(diào)整離心 艙系統(tǒng)質(zhì)心偏移。
[0045] (2)本發(fā)明的測量方法中，根據(jù)試驗件的真實試驗狀態(tài)進(jìn)行測量，從而獲得試驗整 體的質(zhì)心偏移量，采取預(yù)防措施主要是通過在試驗件上下位置安裝配重塊來對質(zhì)心偏移量 進(jìn)行配平，保障試驗的安全進(jìn)行。
[0046] (3)本試驗系統(tǒng)及方法考慮測量系統(tǒng)的測量精度對試驗的影響，將系統(tǒng)的測量誤 差以一階的誤差參數(shù)來計算，從而獲得真實的質(zhì)心位置，預(yù)判試驗的安全性，為配平試驗艙 重心提供依據(jù)。
【附圖說明】
[0047] 圖1為本發(fā)明一種高精度的大型結(jié)構(gòu)件質(zhì)心測量系統(tǒng)示意圖；
[0048] 圖2為應(yīng)用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)件翻轉(zhuǎn)180°前的參數(shù)定義示意圖；
[0049] 圖3為應(yīng)用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)件翻轉(zhuǎn)180°后的參數(shù)定義示意圖；
[0050] 圖4為本發(fā)明一種高精度的大型結(jié)構(gòu)件質(zhì)心測量流程圖；
[0051] 圖5為本發(fā)明一種高精度的大型結(jié)構(gòu)件質(zhì)心計算流程圖；
[0052] 圖中：1上位機(jī)，2-數(shù)據(jù)采集器，3-信號調(diào)理器，4-橫梁，5-連桿，6-力傳感器， 7-立柱，8-結(jié)構(gòu)件，9-底座。
【具體實施方式】
[0053] 以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步描述。
[0054] 如圖1所示，本發(fā)明一種高精度的大型結(jié)構(gòu)件質(zhì)心測量系統(tǒng)，包括上位機(jī)（1)、數(shù) 據(jù)采集器（2)、信號調(diào)理器（3)、橫梁（4)、連桿（5)、力傳感器（6)、立柱（7)、結(jié)構(gòu)件（8)、底 座（9);
[0055] 所述底座9設(shè)置于地面上，其包括四根鑄鐵塊，該四根鑄鐵塊收尾依次垂直相連， 形成沿垂直于地面方向自上而下看的"口 "字形結(jié)構(gòu)，所述四根鑄鐵彼此之間通過4~8個 M20的勾頭螺釘固定連接；
[0056] 2根所述立柱7垂直安裝于底座9上；立柱7的高度可以根據(jù)結(jié)構(gòu)件的大小進(jìn)行 改變；所述底座9和立柱7主要是用來形成空間支撐結(jié)構(gòu)，便于將結(jié)構(gòu)件的懸掛及安裝；
[0057] 所述橫梁4兩端分別與2根立柱7的頂端通過4~8個M20的勾頭螺釘固定連接； 橫梁4主要用來承受剪切力，所以橫梁4主體采用鋼板焊接而成，剛度強(qiáng)度都要優(yōu)于底座9 和立柱7 ;橫梁4、立柱7、底座9從而形成個試驗平臺的主體；
[0058] 2個所述連桿5上端連接在橫梁下端面；連桿5下端與結(jié)構(gòu)件8連接，便于操作及 安裝；
[0059] 每個連桿5包括一組由上螺桿和下螺桿組成的全螺紋螺桿，所述全螺紋螺桿直徑 為20mm，每個連桿5的上螺桿和下螺桿之間只有一個平行的轉(zhuǎn)動自由度，防止結(jié)構(gòu)件在位 置調(diào)整過程中發(fā)生干涉；所述每個連桿5的上螺桿上端與橫梁4下端面之間通過螺紋和螺 母限位的裝置連接；所述每個連桿5的下螺桿通過設(shè)置在結(jié)構(gòu)件8上的螺紋接口與結(jié)構(gòu)件 8連接；
[0060] 至少兩個力傳感器6為S型拉壓式測力傳感器，其上端面設(shè)有M20螺紋接口，該螺 紋接口與連桿5的上螺桿下端相連；力傳感器6下端面也設(shè)有M