一种高精度的大型结构件质心测量系统以及方法
【技术领域】
[0001] 本发明飞行器的质心测量技术领域，具体涉及一种高精度的大型结构件质心测量 系统以及方法。
【背景技术】
[0002] 离心试验使用离心机提供高加速度环境，研究试件在离心环境下的结构性能及可 靠性。质心测量技术主要应用于航天航空、车辆、农业机械等领域，随着科学技术发展，质心 测量技术将获得更广泛的应用。我国也有相关规定，需要对飞机、直升飞机、导弹等性能要 求较高的产品进行模拟加速度环境试验。随着科学技术的发展，离心试验技术也将应用到 综合环境试验、熔体铸造、生物技术等方面。
[0003] 在进行离心试验时，从试验安全角度考虑，需要确定试件的质心位置，从而计算试 件在离心过载过程中对离心机销轴的弯矩。如果超过销轴的承受范围，则会对销轴产生巨 大剪切力，使销轴与涨套之间发生相对滑动，导致试件在离心机前端发生转动，进而发生重 大安全事故。所以需要对试件进行配重，以保证质心在安全使用范围内。因此试验前对试 件质心的精确测量就显得尤为重要。
[0004] 对于大型结构件来说，由于加工精度及装配精度的影响，其实际质心可能偏离理 论质心几百毫米，而在进行离心试验或者其他试验时，质心偏离将对试验结果造成重大影 响，所以需要通过多种手段确定被测件的实际质心位置，从而对试验装置进行调整，以满足 试验要求。
[0005] 目前结构件的质心测量方法主要分为两大类：一类是采用地秤法，一类是采用悬 挂法。地秤法主要是将被测件采用工装固定在地秤上，通过2点或3点处获得的测力值计 算得到被测件在某一方向上的质心位置。悬挂法在大型结构件的质心测量中使用的不多， 但是这两种方法在进行质心测量过程中，都是通过机械结构来保证测量精度，没有进行后 期修正。因此只能通过结构的加工精度来确定测量精度，而无法对测量结果进行实际考察， 根据测量方式的不同，该测量误差有可能达到几毫米到几十毫米之间。根据不同的试验要 求，需要将质心测量精度控制在几毫米之内或者更小时，目前的测量方法就不能适用，否则 测量结果无法验证，即会产生重大安全隐患。
【发明内容】
[0006] 本发明的要解决的技术问题是提供一种通过有效的误差修正降低硬件的测量误 差和数据采集系统的软件误差，从而达到精确测量目的的质心测量系统以及方法。
[0007] 为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为，一种高精度的大型结构件质心测 量系统，包括上位机、数据采集器、信号调理器、横梁、连杆、力传感器、立柱、结构件、底座；
[0008] 所述底座设置于地面上；若干根所述立柱垂直安装于底座上；所述横梁两端分别 与若干根立柱的顶端固定连接；若干个所述连杆上端连接在横梁下端面；连杆下端与结构 件连接；每个连杆分为上下两段，该上下两段分别连接在力传感器的上下端面；所述力传 感器通过信号线与数据采集器相连；数据采集器通过信号线与信号调理器连接；所述信号 调理器通过信号线与上位机连接。
[0009] 所述底座包括四根铸铁块，该四根铸铁块收尾依次垂直相连，形成沿垂直于地面 方向自上而下看的" 口"字形结构，所述四根铸铁彼此之间通过的勾头螺钉固定连接。
[0010] 每个连杆包括一组由上螺杆和下螺杆组成的全螺纹螺杆，每个连杆的上螺杆和下 螺杆之间只有一个平行的转动自由度；所述每个连杆的上螺杆上端与横梁下端面之间通过 螺纹和螺母限位的装置连接；所述每个连杆的下螺杆上端与结构件连接。
[0011] 力传感器的上端面设有螺纹接口，该螺纹接口与连杆的上螺杆下端相连；力传感 器下端面也设有螺纹接口，该螺纹接口与连杆的下螺杆上端相连。
[0012] 所述立柱的高度大于等于结构件最大尺寸与连杆高度的总和。
[0013] -种高精度的大型结构件质心测量系统的测量方法，包括以下步骤：
[0014] 步骤一、保持结构件的z轴沿水平方向放置；
[0015] 步骤二、将测量系统调平并静止稳定后，数据采集器从2个测量通道a和b处的力 传感器处，采集此时的测力值F a和Fb ;设2个力传感器测量系统的系统误差分别为Ka和Kb ;
[0016] 步骤三、根据力矩平衡原理对整个系统取矩，建立力矩平衡公式；
[0017] 步骤四、将Fa和Fb，Ka和K b分别代入力矩平衡公式，可得质心位置公式；
[0018] 步骤五、将结构件翻转180°，数据采集器2从2个力传感器6处采集此时的测力 值匕'和Fb'，取2个力传感器测量系统的系统误差分别为V、K b';进而建立第二组力 矩平衡公式；
[0019] 步骤六、将两组力矩平衡公式分别化简，得到真实的质心位置；
[0020] 步骤七、保持试件的X方向沿水平放置，重复步骤二至六，获得X方向上的质心位 置；
[0021] 步骤八、保持试件的y方向沿水平放置，重复步骤二至六，获得y方向上的质心位 置。
[0022] 所述步骤二中，包括以下步骤：
[0023] (1)分别将两个力传感器6的测量误差设定为Ka和Kb ;
[0024] (2)分别将两个力传感器6需要测量的真实值设定为Ga、Gb ;
[0025] (3)分别将两个力传感器6的测量值分别设定为Fa、Fb ;
[0026] 贝U，Fa = Ga · Ka，Fb = Gb · Kb。
[0027] 所述步骤三和四中，根据力矩平衡公式，对结构件大端取矩：
[0028] Gx = Gb · L ; (1)
[0029] G = Ga+Gb ;x为质心与结构件大端面的距离；L为结构件大端至小端的距离；
[0030] 进而可得真实的质心位置为
[0031] (2)〇
[0032] 所述步骤五中，包括以下步骤：
[0033] (1)将结构件翻转180° ;
[0034] (2)分别将两个测量通道的测量误差设定为Ka'、Kb';
[0035] (3)分别将两个测量通道的真实值设定SGa'、Gb';
[0036] (4)分别将两个测量通道的测量值分别设定为Fa'、Fb';
[0037] 贝U, Fa' = Ga' · Ka' ，Fb' = Gb' · Kb' ；
[0038] 由于结构件水平翻转前后，所述测量通道a和b没有发生变化，则V =Ka，Kb' = Kb;Ga' =Gb，Gb' =Ga。
[0039] 所述步骤六中，将测量通道a的两次测量结果进行化简，可得
[0040] …、 (3)
[0041] 将式（3)带入式（2)，可得质心位置为
[0042] (:4)。
[0043] 本发明的有益效果：
[0044] (1)本发明的测量系统适用于各类大型结构件的综合离心环境试验，可将试验件 的质心偏移量计算出来后反馈给操作者，依据所得数据判断试验的安全性及提前调整离心 舱系统质心偏移。
[0045] (2)本发明的测量方法中，根据试验件的真实试验状态进行测量，从而获得试验整 体的质心偏移量，采取预防措施主要是通过在试验件上下位置安装配重块来对质心偏移量 进行配平，保障试验的安全进行。
[0046] (3)本试验系统及方法考虑测量系统的测量精度对试验的影响，将系统的测量误 差以一阶的误差参数来计算，从而获得真实的质心位置，预判试验的安全性，为配平试验舱 重心提供依据。
【附图说明】
[0047] 图1为本发明一种高精度的大型结构件质心测量系统示意图；
[0048] 图2为应用本发明的结构件翻转180°前的参数定义示意图；
[0049] 图3为应用本发明的结构件翻转180°后的参数定义示意图；
[0050] 图4为本发明一种高精度的大型结构件质心测量流程图；
[0051] 图5为本发明一种高精度的大型结构件质心计算流程图；
[0052] 图中：1上位机，2-数据采集器，3-信号调理器，4-横梁，5-连杆，6-力传感器， 7-立柱，8-结构件，9-底座。
【具体实施方式】
[0053] 以下结合附图和实施例对本发明做进一步描述。
[0054] 如图1所示，本发明一种高精度的大型结构件质心测量系统，包括上位机（1)、数 据采集器（2)、信号调理器（3)、横梁（4)、连杆（5)、力传感器（6)、立柱（7)、结构件（8)、底 座（9);
[0055] 所述底座9设置于地面上，其包括四根铸铁块，该四根铸铁块收尾依次垂直相连， 形成沿垂直于地面方向自上而下看的"口 "字形结构，所述四根铸铁彼此之间通过4~8个 M20的勾头螺钉固定连接；
[0056] 2根所述立柱7垂直安装于底座9上；立柱7的高度可以根据结构件的大小进行 改变；所述底座9和立柱7主要是用来形成空间支撑结构，便于将结构件的悬挂及安装；
[0057] 所述横梁4两端分别与2根立柱7的顶端通过4~8个M20的勾头螺钉固定连接； 横梁4主要用来承受剪切力，所以横梁4主体采用钢板焊接而成，刚度强度都要优于底座9 和立柱7 ;横梁4、立柱7、底座9从而形成个试验平台的主体；
[0058] 2个所述连杆5上端连接在横梁下端面；连杆5下端与结构件8连接，便于操作及 安装；
[0059] 每个连杆5包括一组由上螺杆和下螺杆组成的全螺纹螺杆，所述全螺纹螺杆直径 为20mm，每个连杆5的上螺杆和下螺杆之间只有一个平行的转动自由度，防止结构件在位 置调整过程中发生干涉；所述每个连杆5的上螺杆上端与横梁4下端面之间通过螺纹和螺 母限位的装置连接；所述每个连杆5的下螺杆通过设置在结构件8上的螺纹接口与结构件 8连接；
[0060] 至少两个力传感器6为S型拉压式测力传感器，其上端面设有M20螺纹接口，该螺 纹接口与连杆5的上螺杆下端相连；力传感器6下端面也设有M