一种用于三维质心测量的控制系统和方法与流程

1.本发明涉及一种用于质心测量的控制系统，并且更为具体地，涉及一种用于航空发动机的三维质心测量的控制系统。


背景技术：

2.质心是取决于物体密度和体积的物理量。航空发动机出厂前需提供质量、质心等参数。航空发动机尺寸较大，轮廓较为复杂，属于典型非规则结构物体，其x、y、z三个维度的质心测量难度较大。
3.因此，期望实现对航空发动机的三维质心的准确且简单的测量定位。


技术实现要素：

4.以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在标识出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以作为稍后给出的更加详细的描述之序。
5.为了解决上述问题，本发明提出了一种用于三维质心测量的控制系统和方法。
6.根据本发明的一个方面，提供了一种质心测量控制系统，其包括：测量平台底座；支撑平台，其用于安装待测设备；驱动设备，所述驱动设备一端与所述测量平台底座连接，另一端与所述支撑平台连接，所述驱动设备能够受驱动以使所述支撑平台绕水平轴线进行定轴转动；主控器，其用于向伺服控制器传送指示所述支撑平台的目标位置的控制信号；伺服驱动器，其接收由所述伺服控制器基于所述控制信号生成的力矩信息来输出对应的力矩以使所述驱动设备移动并带动所述支撑平台达到所述目标位置；以及布置在所述测量平台底座上的称重测量仪，其中所述主控器进一步基于所述称重测量仪测得的所述支撑平台在多个位置下的质量来计算所述待测设备的质心。
7.根据本发明的进一步实施例，所述称重测量仪包括：布置在所述测量平台底座的水平方向上的至少一个x向称重传感器和至少一个y向称重传感器，以及布置在所述测量平台底座的垂直方向上的至少一个z向称重传感器，其中所述称重传感器测量不同方向上的质量。
8.根据本发明的进一步实施例，所述称重测量仪进一步包括：角度传感器，其中所述角度传感器用于测量所述测量平台底座与支撑平台之间的夹角大小。
9.根据本发明的进一步实施例，所述支撑平台的多个位置包括：所述支撑平台空载时在所述测量平台底座与所述支撑平台平行情况下的水平位置、所述支撑平台空载时在所述测量平台底座与所述支撑平台之间处于目标夹角下的倾斜位置、加载所述待测设备时在所述测量平台底座与所述支撑平台平行情况下的水平位置、以及加载所述待测设备时所述测量平台底座与所述支撑平台之间处于所述目标夹角下的倾斜位置。
10.根据本发明的进一步实施例，所述质心测量控制系统进一步包括反馈单元，所述
反馈单元检测所述驱动设备受到力矩时所述伺服驱动器正在使用的电流大小，并且将指示所述电流大小的反馈信号提供给所述主控制器。
11.根据本发明的进一步实施例，所述主控器进一步基于所述反馈信号中所指示的电流大小与所述支撑平台的当前位置来解算所需后续力矩，并且生成后续控制信号发送给所述伺服控制器。
12.根据本发明的进一步实施例，所述控制系统进一步包括操作设备，所述操作设备用于以下操作中的至少一者：显示所述测量平台底座与支撑平台之间的目标夹角、或输入所述支撑平台的目标位置、或显示所述待测设备的质心。
13.根据本发明的一个方面，提供了一种用于测量质心的方法，其包括：生成指示支撑平台的目标位置的控制信号，其中所述支撑平台位于测量平台底座上并且用于安装待测设备；基于所述控制信号来生成力矩信息并使得伺服驱动器输出对应的力矩，以使驱动设备移动并带动所述支撑平台达到所述目标位置，其中所述驱动设备一端与所述测量平台底座连接，另一端与所述支撑平台连接；测量所述支撑平台在多个位置下的质量；以及计算所述待测设备的质心。
14.根据本发明的进一步实施例，所述方法进一步包括基于检测所述驱动设备受到的力矩时所述伺服驱动器正在使用的电流大小来生成反馈信号；基于所述反馈信号中指示的电流大小与支撑平台的当前位置来解算所需后续力矩所需后续力矩；以及将基于所需后续力矩生成的后续控制信号发送给所述伺服控制器。
15.根据本发明的一个方面，提供了一种用于测量质心的装置，其包括：存储器，其被配置成存储指令；以及与所述存储器通信地耦合的一个或多个处理器，其中，所述一个或多个处理器被配置成：生成指示支撑平台的目标位置的控制信号，其中所述支撑平台位于测量平台底座上并且用于安装待测设备；基于所述控制信号来生成力矩信息并使得伺服驱动器输出对应的力矩，以使驱动设备移动并带动所述支撑平台达到所述目标位置，其中所述驱动设备一端与所述测量平台底座连接，另一端与所述支撑平台连接；测量所述支撑平台在多个位置下的质量；以及计算所述待测设备的质心。
16.为能达成前述及相关目的，这一个或多个方面包括在下文中充分描述并在所附权利要求中特别指出的特征。以下描述和附图详细阐述了这一个或多个方面的某些解说性特征。但是，这些特征仅仅是指示了可采用各种方面的原理的各种方式中的若干种，并且本描述旨在涵盖所有此类方面及其等效方案。
附图说明
17.为了能详细理解本发明的以上陈述的特征所用的方式，可参照各方面来对以上简要概述的内容进行更具体的描述，其中一些方面在附图中解说。然而应该注意，附图仅解说了本发明的某些典型方面，故不应被认为限定其范围，因为本描述可允许有其他等同有效的方面。
18.在附图中：
19.图1a-1b是解说用于三维质心测量的装置的示图，图1c是解说用于三维质心测量的坐标系的示图。
20.图2是解说根据本发明的实施例的用于三维质心测量的控制系统的结构示意图。
21.图3是解说根据本发明的实施例的用于三维质心测量的主控制器的结构示意图。
具体实施方式
22.以下结合附图阐述的详细描述旨在作为各种配置的描述，而无意表示可实践本文所描述的概念的仅有配置。本详细描述包括具体细节以提供对各种概念的透彻理解。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，没有这些具体细节也可实践这些概念。在某些实例中，以框图形式示出众所周知的组件以便避免淡化此类概念。
23.应当理解，基于本公开，其他实施例将是显而易见的，并且可以在不脱离本公开的范围的情况下做出系统、结构、过程或机械改变。
24.如本领域技术人员所了解的，可以采用三点法来测量异形物体的质量质心。参照图1a-1c所描述的，三个称重传感器s1、s2、s3可布置在测量平台底座110上。应理解，虽然本发明在附图中每个方向上仅示出了一个称重传感器，但本发明在每个方向上不限于一个称重传感器，而是可以包括更多个称重传感器。如图1c中所示，在一方面，水平方向x、z上的质心c的质心位置 xc、zc可以通过三个称重传感器测量并显示的质量示数以及其力矩方程求解得出。在另一方面，对于垂直方向y上的质心位置yc，需要通过驱动设备(例如，液压杆、电机等)带动两端分别连接至测量平台底座110和发动机支撑平台130 的推杆120，以使得发动机支撑平台130能够绕其水平轴线(例如，从图1a 中发动机支撑平台130与测量平台底座110之间的连接轴a处向里的视角来看的水平轴线)进行定轴转动，从而带动发动机支撑平台130的一端向上倾斜，另一端向下与测量平台底座110之间呈角度a(或者通过其他形式使得支撑平台倾斜并且与测量平台底座110之间呈角度a)，再通过称重传感器s1、s2、 s3的质量示数及其力矩方程联立求解得出。应领会，该力矩方程是本领域技术人员熟知的。
25.在本技术的实施例中，角度a可通过布置在测量平台底座110上的至少一个角度传感器s4(例如，可以是角度传感器)来测量。如图1c中所示，角度传感器s4的位置可以是可移动的，其用于对测量平台底座110平面(即，水平面)与发动机支撑平台130平面之间形成的角度进行测量。角度a的范围一般为20
°±5°
，并且优选地，角度a为20
°
。发动机支撑平台130上可布置有限位挡板和光电传感器，分别用于限定测量平台底座110平面与发动机支撑平台130平面之间形成的角度以及检测限位挡板的位置，避免待测设备(例如，发动机140)过度倾斜。
26.因此，常规地，发动机的质量质心测量需要如下4个步骤：步骤1：在支撑平台空载(未安装发动机)状态下测量/记录称重传感器的质量示数；步骤2：在支撑平台空载状态下，在发动机支撑平台130倾斜角度a之后，测量/记录称重传感器的质量示数，并建立力矩联立方程，求解出发动机支撑平台空载时的质心；步骤3：对其归零，将发动机140加载到发动机支撑平台130上，测量/ 记录称重传感器的质量示数；以及步骤4：再次将发动机支撑平台130倾斜相同角度a，测量/记录称重传感器的质量示数，并且建立力矩联立方程，求解得出发动机的质心。这种方法是复杂且不易于控制的。
27.图2是解说根据本发明的实施例的用于三维质心测量的控制系统200的结构示意图。用于三维质心测量的控制系统200可包括若干个信号采集、处理、控制的装置，可通过信号处理和传输来构成对整个系统的信号采集、处理、控制之间的任务执行与监控。
28.如图2所示，用于三维质心测量的控制系统200可包括主控器201，以及与之连接的
测控仪202、称重测量仪203、通信处理模块204、操作设备205和供电单元206。在本技术的实施例中，测控仪202可包括伺服控制器211、信号处理模块212、节点装置213。
29.在本技术的实施例中，主控器201可向伺服控制器211发送控制信号，该控制信号可以指示包括如下多个位置的指定位置：支撑平台空载(未加载待测设备)时水平状态和倾斜状态下的位置、以及加载待测设备时水平状态和倾斜状态下的位置。伺服控制器211可根据该控制信号来生成力矩信息并传送给相关联的执行机构中的伺服驱动器(例如，参照图3，可以是执行机构308中的伺服驱动器321)，以使得伺服驱动器输出力矩而驱动该驱动设备222(例如，电动推杆223，可以是图1中的推杆120)将支撑平台(例如，可以是图1中所示的发动机支撑平台130)带动到上述指定位置之一。同时主控器201可从驱动设备222接收反馈信号(例如，电流/电压)，该反馈信号指示驱动设备 222受到伺服驱动器所输出的力矩后进行运动的过程中伺服驱动器使用的电流 (或电压)大小。例如，初始地，为了将支撑平台带动到倾斜状态，主控器201 可指示伺服驱动器要向驱动设备222输出力矩，提供此力矩对应于初始电流值 m。在驱动设备222受力矩运动且支撑平台未达到上述倾斜状态的过程中，驱动设备222将指示伺服驱动器正在使用的电流值n的反馈信号实时传送回主控器。应理解，随着驱动设备222靠近指定位置，该电流值n将逐渐减小。进一步地，主控器201将基于反馈信号指示的电流(或电压)大小和支撑平台的当前位置(例如，支撑平台当前位置与支撑平台目标位置之间的距离)来解算后续力矩信息。随后主控器201可基于后续力矩信息来生成后续控制信号发送给伺服控制器，以精确稳定地控制支撑平台上升/下降/保持在指定位置处。
30.在本技术的实施例中，信号处理模块212可采集、隔离、调制控制系统200 的光电传感器224和限位开关225所生成的信号，这些信号可被传送回主控器 201以确定支撑平台是否位于指定位置。例如，信号处理模块212可接收光电传感器224对限位挡板的检测信号、以及限位开关所输出的限位信号，对这些信号进行处理。光电传感器与限位挡板的距离近的时候，限位开关打开，输出限位信号；光电传感器与限位挡板距离远的时候，限位开关关闭，不输出限位信号。可任选地，信号处理模块212可将处理后的信号传送给主控器201。主控器201可至少部分地基于所接收到的处理后的信号向信号处理模块212发送指令以在接收到限位信号的时候，立即进行限位自锁。
31.在本技术的实施例中，节点装置213可接收主控器201发送的指令，以执行对至少一个受控设备220的操作、进行自锁控制等。其中，受控设备220在支撑平台空载时可以仅包括该支撑平台，而在支撑平台加载待测设备时可以包括待测设备和支撑平台。
32.在本技术的实施例中，称重测量仪203可包括一个或多个称重传感器228 和角度传感器229，其可以是诸如图1中的测量平台底座110上的称重传感器 s1、s2、s3和角度传感器s4。称重传感器s1、s2、s3和角度传感器s4的示数可被实时在线地传送给主控器201。
33.在本技术的实施例中，通信处理模块204可将控制系统200中的至少一个通信节点226发送来的不同的信号转换成控制系统200所需要的信号。其中，至少一个通信节点226可包括：和主控器连接的测控仪202、称重测量仪203、通信处理模块204、操作设备205、供电单元206、受控设备220、和/或本技术中需要传送和接收信号的任何通信节点。
34.在本技术的实施例中，操作设备205可以是电脑显示器或可操作平板显示屏。其可包括所配备的主控显示器、以及一些用于接收用户指令的设备，诸如采集用户语音的拾音
器、检测用户姿势/手势/动作的摄像头、集成在显示屏幕下的触摸传感器等等。附加地或替换地，操作设备202可以接收用户的指令，例如，语音输入、主控显示器上的触摸输入、键盘输入等。例如，可通过操作设备205显示/设定角度a的大小、显示/设定支撑平台的目标位置或者读取待测设备(例如，发动机)的质心数据。
35.在本技术的实施例中，供电单元206可按需给测控仪202、称重测量仪203 和通信处理模块204、操作显示设备205和/或控制系统200中的其他设备等提供直流和/或交流电源。
36.图3是解说根据本发明的实施例的用于三维质心测量的主控制器300的结构示意图。
37.在本技术的实施例中，三维质心测量控制系统的主控器300可包括：主控电路板301、和经由通信单元303与其连接的检测单元302、供电单元306。在本技术的实施例中，主控电路板301可包括：至少一个微处理器核心控制电路 311a和/或311b(本文中统称为微处理器核心控制电路311)、差分放大电路 312、隔离电路313，其功能将在后文中进行详细描述。
38.在本技术的实施例中，检测单元302可通过角度传感器、位置传感器检测受控设备320(例如，可以是图2中的至少一个受控设备220)的位置并且将关于位置状态的信息传送回主控器的主控电路板301，以实现对受控设备320 的实时监控。
39.在本技术的实施例中，通信单元303可包括rs 232接口、can接口、网络接口等，它们可将使用不同的通信技术将各个通信节点通信地连接在一起的。
40.在本技术的实施例中，供电单元306(例如，可以与图2中的供电单元206 相同)给主控电路板301、通信单元303、执行机构308(如下文详细讨论的) 等提供电源。附加地或替换地，可以通过供电单元306中的电压检测采集模块对主控器300的供电情况进行监测对比，获知主控器300用电是否正常，通过转换电流，进行冗余设计，实现供电单元306可靠输出采集检测。附加地或替换地，供电单元306还可包括电源输出的供电电缆及保险管以用于各个电路模块的供电。
41.在本技术的实施例中，执行机构308可包括通过伺服驱动器321和驱动设备322/电动推杆323。伺服驱动器321内的电流检测采集模块可采集其对驱动设备322的驱动电流并将驱动电流反馈回伺服控制器以确定支撑平台是处于水平还是倾斜状态。附加地或替换地，伺服驱动器321还可以采集角度模块229 的信号，并且至少部分地基于所反馈的驱动电流和倾斜角度来确定支撑平台的倾斜或水平位置。
42.在本技术的实施例中，主控电路板301中的隔离电路313可接收主控电路板301之外的上游设备输入的电流或电压模拟信号，通过隔离放大器芯片将电流或电压模拟信号隔离滤除干扰信号，得到高精度电流或电压信号。附加地或替换地，隔离电路313可通过小倍数运算放大器芯片把高精度电流或电压信号转换为差分放大电路312可以接收的信号，并转换为微处理器核心控制电路311 能够读取的高精度信号。例如，隔离电路313可将检测单元302、测量平台底座上的x向称重传感器331、y向称重传感器332、z向称重传感器333、和/或其他传感器的输入信号(含干扰杂波的电流或电压模拟小信号)进行转换隔离，去除输入干扰，提高输入信号精度。
43.在本技术的实施例中，主控电路板301中的差分放大电路312可使用差分放大器来
对从隔离电路313接收到的模拟电流/电压信号进行放大，提高信号可分辨性，并解决零漂问题。从而经过差分放大电路312之后的电流/电压信号可以更加稳定，对下游设备的控制将会更加精确。
44.在本技术的实施例中，如图3中所示，主控电路板301中可布置有两个微处理器核心控制电路311a/311b，其同时接收/检测信号和反馈信号，分别解算输出控制指令，以对执行机构308(例如，包括321伺服驱动器、322驱动设备和323推杆)进行冗余控制。当两个微处理器核心控制电路311a/311b之一出现故障，另一个微处理器核心控制电路可自动接管控制，从而提高控制系统 200的可靠性。应理解，在具有一个或更多个处理器核心控制电路的情况下，也可以实现本发明的各种功能。
45.在本技术的实施例中，微处理器核心控制电路311a/311b可同时接收其他模块/单元传来的信号，实现与例如图2中至少一个通信节点226的信号交互，并且可以对所接收到的数字信号或模拟信号进行处理转换。例如，微处理器核心控制电路311可从称重测量仪(例如，图2中的称重测量仪203)和/或其他模块接收信号，这些信号诸如由x向称重传感器331、y向称重传感器332、z 向称重传感器333所检测的支撑平台的重量信息、由角度传感器(例如，图2 中的角度传感器229)所检测的支撑平台的角度信息、由光电传感器所检测的限位挡板位置信息、由反馈单元324所传送的电压/电流大小的信息、由检测单元传送的位置信息等。附加地或替换地，微处理器核心控制电路311a/311b可通过接收称重测量仪中三个称重传感器331、332、333和角度传感器在支撑平台空载时的倾斜状态和水平状态下、以及支撑平台加载待测设备时的倾斜状态和水平状态下所采集的数据，利用智能控制方法对待测设备质心进行测量解算定位，同时保持支撑平台的待测设备水平或倾斜状态进行调节控制。
46.在本技术的另一实施例中，微处理器核心控制电路311可对图2中测控仪 202中的伺服控制器211、信号处理模块212以及节点装置213进行实时在线调节控制与反馈处理。例如，微处理器核心控制电路311可输出对伺服控制器 211的控制指令，伺服控制器211可控制伺服驱动器321，进而使得驱动设备 322(例如，可以是图2中的驱动设备222)/电动推杆323(例如，可以是图2 中的推杆223)朝向指定位置的方向运动，并且还可以通过接收和检测控制系统的反馈单元324(例如，反馈传感器)测得的指示伺服驱动器对驱动设备322 进行驱动的力矩信息的电流和/或电压大小，并且可以基于该电流和/或电压大小与支撑平台的当前位置来解算所需要的后续力矩信息，并且基于该后续力矩信息来生成后续控制信号以发送给伺服驱动器，从而实现对驱动设备322和电动推杆323的上升或下降的自主精确定位控制。附加地或替换地，微处理器核心控制电路311可对反馈单元324所传送的电压和/或电流信号进行模数转换和数据处理，并且向节点装置(例如，图2中的节点装置213)发送指令以控制受控设备320。应理解，虽然在图3中主控制器300的结构示意图中反馈单元 324位于驱动设备322外部，但是应理解，反馈单元324可以被集成在驱动设备322内部。
47.在本技术的又一实施例中，主控器300可以将arm微处理器作为核心处理器，以保证系统功能性能稳定，对复杂的数据精确处理，对系统位置状态实时监控，例如，所采用的微处理器可以为stm32f103zet6。
48.本发明还提供了一种用于测量质心的装置，其可以包括存储器和一个或多个处理器。应当注意，用于测量质心的装置还可包括其他未示出的组件，诸如接收机、可执行软件
(代码)等。上述组件可经由一条或多条总线处于电子通信。其中处理器可包括智能硬件设备(例如，通用处理器、数字信号处理器 (dsp)、中央处理单元(cpu)、微控制器、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)、可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑组件、分立的硬件组件、或者其任何组合)。在一些情形中，处理器可被配置成使用存储器控制器来操作存储器阵列。在其他情形中，存储器控制器可被集成到处理器中。处理器可被配置成执行存储器中所储存的计算机程序以执行各种功能 (例如，支持基于专用ssid来将智能终端设备接入网络的各功能或任务)。存储器可包括随机存取存储器(ram)和只读存储器(rom)。存储器可存储包括指令的计算机可读、计算机可执行软件，这些指令在被执行时使得处理器执行本文中描述的各种功能。
49.以上参照附图详细描述了本发明的用于三维质心测量的控制系统。与现有技术中的质心测量装置相比，这种用于三维质心测量的控制系统具有突出的技术性特点和显著的优势，例如：
50.1、实现对受控设备的准确定位和对质心测量的自动解算；
51.2、质心测量控制系统简单、易于操作效率高；
52.3、具有冗余控制技术，减少了人工干预，提高了可靠性；以及
53.4、利用差分放大电路对小信号进行放大，提高可分辨性，并解决零漂问题，使控制更稳定，更精确
54.5.利用隔离电路滤除干扰信号，得到高精度的电流或电压信号。
55.以上结合附图对本发明所涉及的用于三维质心测量的控制系统进行了充分而详细的描述。本领域技术人员在阅读了上述文本之后，完全能够领会，本发明所描述的用于三维质心测量的控制系统能够实现对受控设备的准确定位和对质心的测量控制解算，并且其可靠性、实用性和便利性显而易见。
56.提供先前描述是为了使本领域任何技术人员均能够实践本文中所述的各种方面。对这些方面的各种改动将容易为本领域技术人员所明白，并且在本文中所定义的普适原理可被应用于其他方面。因此，权利要求并非旨在被限定于本文中所示出的各方面，而是应被授予与权利要求的语言相一致的全部范围，其中对具有“一个”要素的引述并非旨在表示“有且仅有一个”(除非特别如此声明)而是“一个或多个”。除非特别另外声明，否则术语“一些”指的是一个或多个。引述一列项目中的“至少一个”的短语是指这些项目的任何组合，包括单个成员。作为示例，“a、b或c中的至少一者”旨在涵盖：至少一个a；至少一个b；至少一个c；至少一个a和至少一个b；至少一个a和至少一个c；至少一个b和至少一个c；以及至少一个a、至少一个b和至少一个c。本公开通篇描述的各种方面的要素为本领域普通技术人员当前或今后所知的所有结构上和功能上的等效方案通过引述被明确纳入于此，且旨在被权利要求所涵盖。此外，本文中所公开的任何内容都并非旨在贡献给公众，无论这样的公开是否在权利要求书中被显式地叙述。
57.在整个说明书中已经参照“实施例”，意味着特定描述的特征、结构或特性包括在至少一个实施例中。因此，这些短语的使用可以不仅仅指代一个实施例。此外，所描述的特征、结构或特性可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合。
58.然而，相关领域的技术人员可以认识到，可以在没有一个或多个具体细节的情况下或者利用其他方法、资源、材料等来实践这些实施例。在其他情况下，众所周知的结构、资
源，或者仅仅为了观察实施例的模糊方面而未详细示出或描述操作。
59.虽然已经说明和描述了实施例和应用，但是应该理解，实施例不限于上述精确配置和资源。在不脱离所要求保护的实施例的范围的情况下，可以在本文公开的方法和系统的布置，操作和细节中进行对本领域技术人员显而易见的各种修改、替换和改进。