CN116147499B - 一种用于圆锥工件长度和质心测量的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于圆锥工件长度和质心测量的装置，该装置包括内框架、外框架、基板、两个激光位移传感器和多个称重机构；内框架通过销轴与外框架转动连接；圆锥工件的底面能够固接于内框架的内底面；基板可拆卸地安装于内框架，并与固接于内框架内底面上的圆锥工件的顶部抵接，且基板与圆锥工件的轴线垂直；两个激光位移传感器固定安装于内框架低于圆锥工件的高度位置处；称重机构设置于外框架的底部，能够承载内框架、外框架以及圆锥工件的重量。长度和质心基于该装置测量完成，操作简单快捷，不需要单独使用另外的长度测量设备对圆锥工件进行长度测量。

Description

一种用于圆锥工件长度和质心测量的装置

技术领域

本发明属于长度和质心测量技术领域，具体涉及一种用于圆锥工件长度和质心测量的装置。

背景技术

质心的测量方法主要分为两类，一类是静态测量方法，另一类是动态测量方法。静态测量方法主要有悬挂法、多点称重法等，动态测量方法一般有复摆法、转动惯量法、旋转平衡法等，其中多点称重法由于操作简单、方便，成本较低，并且适于测量火箭、卫星、导弹、潜艇等大尺寸产品，得到了广泛的应用。

多点称重法采用三个(或四个)称重传感器的读数及其相对位置关系计算出待测产品的质心位置。在使用多点称重法测量圆锥工件轴向质心时，需要先测得圆锥工件的长度，才能表示圆锥工件的轴向质心，但是传统的质心测量装置无法既测量圆锥工件的长度又测量圆锥工件的轴向质心。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于圆锥工件长度和质心测量的装置，既能够测量圆锥工件的长度又能够测量圆锥工件的轴向质心。

本发明采用以下技术方案：

一种用于圆锥工件长度和质心测量的装置，包括内框架、外框架、基板、两个激光位移传感器和多个称重机构；

所述内框架通过销轴与所述外框架转动连接；

所述圆锥工件的底面能够固接于所述内框架的内底面；

所述基板可拆卸地安装于所述内框架，并与固接于所述内框架内底面上的所述圆锥工件的顶部抵接，且所述基板与所述圆锥工件的轴线垂直；

两个所述激光位移传感器固定安装于所述内框架低于所述圆锥工件的高度位置处；

所述称重机构设置于所述外框架的底部，能够承载所述内框架、所述外框架以及所述圆锥工件的重量。

进一步地，所述内框架的内底面上固定安装有回转轴承；

所述圆锥工件能够同轴固接于所述回转轴承，并随所述回转轴承旋转。

进一步地，装置还包括配重块；

所述配重块固定安装于所述内框架，用于将所述内框架与所述圆锥工件整体的质心调整至所述销轴的轴线上。

进一步地，在进行所述圆锥工件的Y向质心、Z向质心测量时，通过旋转驱动单元驱动所述回转轴承以带动所述圆锥工件绕其自身轴线转动，转动过程中，实时动态地采集质心测量数据。

进一步地，在进行所述圆锥工件轴向质心测量时，通过所述内框架将所述圆锥工件旋转至轴向水平的姿态，根据轴向质心与所述销轴轴线的距离、所述销轴轴线与所述圆锥工件大端面的距离、所述圆锥工件的总长度，获得所述圆锥工件的轴向质心坐标。

进一步地，装置还包括基座、支撑装置和测量平台；

所述支撑装置固定安装于所述基座的顶部；

所述测量平台的底面支撑于所述支撑装置，顶面与所述外框架的底部固定；

所述称重机构沿圆周方向均布于所述基座的顶面与所述测量平台的底面之间；所述称重机构包括称重传感器和顶升装置，所述顶升装置与所述称重传感器固接；

所述顶升装置通过顶升所述称重传感器进而顶升所述测量平台，使所述测量平台与所述支撑装置分离，使所述测量平台、所述外框架、所述内框架以及所述圆锥工件的重量由所述称重传感器支撑。

进一步地，所述测量平台的底面设置有多个呈三角形分布的球头；

所述支撑装置的顶面设置有与所述球头一一对应的球窝；

所述测量平台的底面置支撑于所述支撑装置时，所述球头的外圆周面与所述球窝的内圆周面整周接触。

进一步地，装置还包括扭杆、摆驱动机构以及扭摆制动机构，且所述支撑装置为气浮轴承；

所述扭杆的一端与所述基座固定连接，另一端与所述气浮轴承的转子固定连接，且所述扭杆与所述回转轴承的轴线重合；

所述扭摆驱动机构和所述扭摆制动机构固定安装于所述基座；

所述扭摆驱动机构能够驱动所述测量平台转动设定角度，使所述扭杆处于受扭状态；所述扭杆释放扭转应力能够使所述测量平台带动所述圆锥工件往复扭摆；

所述扭摆制动机构能够使扭摆的测量平台停止扭摆。

进一部地，装置还包括顶升机构；

所述顶升机构沿圆周方向均布于所述基座的顶面与所述测量平台的底面之间；所述顶升机构用于顶升所述所述测量平台，使其脱离所述支撑装置。

有益效果：

(1)内框架通过销轴转动连接于外框架，圆锥工件的底面能够固接于内框架的内底面，基板能够可拆卸地安装于内框架，并与固接于内框架内底面的圆锥工件的顶部抵接，且基板与圆锥工件的轴线垂直；两个激光位移传感器固定安装于内框架低于圆锥工件的高度位置处；多个称重机构设置于外框架的底部，能够承载内框架、外框架以及圆锥工件的重量。如此，使两个激光位移传感器的激光打到基板上，能够获得激光位移传感器的位置与圆锥工件顶部的距离，而激光位移传感器与圆锥工件底面大端的距离可以通过测量激光位移传感器与内框架内底面的距离直接得到，进而能够获得圆锥工件的总长度；

在测量圆锥工件的质心时，只需将外框架的底部由多个称重机构进行承载，根据多点称重的原理，就能够获得圆锥工件的质心坐标，即长度和质心基于同一个装置测量完成，操作简单快捷，不需要单独使用另外的长度测量设备对圆锥工件进行长度测量。

(2)内框架的内底面固定安装有回转轴承，圆锥工件同轴固定安装于回转轴承，并能够随回转轴承旋转。如此，通过该装置能测量圆锥工件在不同旋转角度下的质心，而且由于旋转角度可以足够多，因此能够获得足够多的质心数据，从而获得更精确的圆锥工件质心。

(3)配重块固定安装于内框架，用于将内框架与圆锥工件整体的质心调整至转动销轴的轴线上，如此，即使内框架与圆锥工件的质量非常大，也能够非常方便地将内框架绕转动销轴旋转90°使圆锥工件呈水平姿态，以完成对圆锥工件轴向质心的测量。

(4)测量平台的底面设置有多个呈三角形分布的球头，支撑装置上设置有与球头一一对应的球窝，测量平台的底面支撑于支撑装置时，球头的外圆周面与球窝的内圆周面整周接触。如此，通过多个球头和球窝的配合的定位方式能够在非测量状态下使测量平台相对支撑装置具有唯一确定的位置，故在每次测量物体质心时，测量平台总是从相同的确定位置被顶升，从而使测量状态下测量平台上安装的待测件与称重传感器之间具有确定位置，提高质心测量的精度。

(5)顶升机构沿圆周方向均布于基座的顶面与测量平台的底面之间；顶升机构能够将测量平台顶升至脱离支撑装置。如此，在安装圆锥工件时，能够通过顶升机构先将测量平台顶升至脱离支撑装置，避免支撑装置受到冲击，保证圆锥工件后续质心测量的精度。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的一种用于圆锥工件长度和质心测量的装置；

图2为图1中外框架的结构示意图；

图3为圆锥工件长度测量原理示意图；

图4为测量圆锥工件轴向质心的原理示意图；

图5为测量圆锥工件轴向质心的流程示意图；

图6为本发明实施例四提供的圆锥工件长度和质心测量的装置的结构示意图；

其中：1-调整垫脚，2-基座，3-顶升机构，4-位移传感器，5-扭摆制动机构，6-测量平台，7-扭杆，8-称重机构，9-T型气浮轴承，10-扭摆驱动机构，11-外框架，12-回转轴承，13-转动销轴，14-内框架，15-圆锥工件，16-激光位移传感器，17-基板，18-配重块，19-定位件，20-固定销。

具体实施方式

以下结合附图并举实施例，对本发明详细说明。

实施例一：

首先，定义用于圆锥工件长度和质心测量的装置和圆锥工件15的坐标系，对于装置，定义竖直方向为X向，水平方向为Z向，在水平面内与Z向垂直的方向为Y向，建立右手直角坐标系；对于圆锥工件15，令其轴向为X向，当圆锥工件15竖直放置时(即轴向沿竖直方向)，其Z向和Y向与装置坐标系中的Z向和Y向方向一致。

如图1～图6所示，一种用于圆锥工件15长度和质心测量的装置，包括内框架14、外框架11、基板17、两个激光位移传感器16和多个称重机构8，其中：

内框架14通过沿Z向设置的转动销轴13与外框架11转动连接，内框架14能够相对外框架11绕转动销轴13的轴线转动。而且，内框架14的内底面固定安装有回转轴承12，圆锥工件15的大端与回转轴承12同轴固接。回转轴承12由电机作为动力源的旋转驱动单元驱动，回转轴承12和旋转驱动单元共同构成自动旋转运动结构，自动旋转运动结构能够使回转轴承12带动圆锥工件15绕回转轴承12的轴线转动。基板17的两端设有开孔，两端能够通过开孔分别可拆卸地固定在内框架14的两侧杆上，并使圆锥工件15的顶部与基板17的中部抵接、基板17与圆锥工件15的轴线垂直；两个激光传感器16对称地固定安装于内框架14的两侧杆上，且安装高度低于圆锥工件15的高度。称重机构8设置于外框架11的底部，能够承载外框架11、内框架14以及圆锥工件15的重量。可以理解的是，在该方案中并不只限于通过在基板17的两端设置开孔的方式使基板17与内框架14固接，其它的只要能使基板17与内框架14固接并使圆锥工件15的顶部与基板17的中部抵接、基板17与圆锥工件15的轴线垂直的方式也是可行的。

如此，使两个激光位移传感器16发出的激光打到基板17上，从而获得激光位移传感器16的位置与圆锥工件15顶部的距离S1，而激光位移传感器16与圆锥工件15底部大端面(即固定在回转轴承12的端面，也即圆锥工件15的底面)的距离可以通过测量激光位移传感器16与内框架14内底面的距离S2直接得到，上述的距离S1与距离S2的和即为圆锥工件15的总长度。

在测量圆锥工件15的质心时，只需将外框架11的底部由多个称重机构8进行承载，根据多点称重的原理，就能够获得圆锥工件15的质心。具体来说，在进行圆锥工件15的Y向质心、Z向质心测量时，通过旋转驱动单元驱动回转轴承12以带动圆锥工件15绕其自身轴线转动，转动过程中，实时动态地采集质心测量数据，本例中，每转动1°采集一次质心测量数据；当圆锥工件15旋转一周即360°后，多个角度下的测量结果理论上即可得到一系列绕旋转轴即回转轴承12的中心轴的质心坐标值，这一系列质心坐标值所形成的曲线理论上是半径为r的圆，r即为质心到旋转轴的距离。在实际测量中，可以将一系列质心坐标值拟合成一个圆。

如图4所示(图4中圆锥工件15的顶部被削平，未示出一完整的圆锥工件15)，轴向质心即X向质心的测量是以三点称重法质心测量原理为基础，在通过内框架14将圆锥工件15旋转至轴向水平的姿态(可以通过固定销20进行限位，保证水平姿态的稳定)，通过正向测量、反向测量两次测量，将圆锥工件15轴向质心的直接测量转化至两次轴向质心相偏移量的测量，从而计算得到轴向质心与转动销轴13轴线的距离，另外，转动销轴13的轴线与待测件15大端面的距离可以直接测量得到，据此可以得到轴向质心与圆锥工件15大端的距离，再根据上述测得的圆锥工件15的总长度即可获得圆锥工件15的轴向质心坐标，具体可参照图5的流程，其中，图5中的大端指的是圆锥工件15的大端面，即固定在回转轴承12的端面(也即圆锥工件15的底面)，质心距旋转轴距离为正向质心位置X1与反向质心位置X2的均值，即(X1+X2)/2。

在该装置中，还包括配重块18，配重块18固定安装于内框架14的两个侧杆上，用以将内框架14与圆锥工件15整体的质心调整至两个销轴13的连线上(圆锥工件15的设计质心位于两个销轴13的连线上)，如此，可以方便地通过转动内框架14使圆锥工件15旋转至轴向水平的姿态，以满足圆锥工件15轴向质心测量过程中的正向测量和反向测量。

更具体地，圆锥工件15的长度测量采用双激光位移传感器16的对称测量方式，如图1和图3所示，在内框架14的两侧杆分别布置一个激光位移传感器16，激光位移传感器16到圆锥工件15的底平面的距离由装置的加工和实际安装确定，可预先标定得出，假设为X₀。当需要进行圆锥工件15的长度测量时，通过内框架14两侧杆固定基板17，并使得圆锥工件15的顶部抵接在基板17上，两个激光位移传感器16分别测量由激光位移传感器16到基板17的距离为X₁和X₂，那么圆锥工件15的总长计算如下：

X＝X₀+(X₁+X₂)/2

采用双激光位移传感器16的对称测量方式，能够提高圆锥工件15长度测量的准确度。

实施例二：

在实施例一的基础上，提供另一种测量圆锥工件15长度的方法：通过在内框架14上设置测量光栅的方式测量圆锥工件15的长度。使用这种方法，装置可以省去基板17，具体来说，测量光栅固定安装于内框架14的两侧杆距离回转轴承12的高度为L1处，且使测量光栅发出的光幕与回转轴承12的回转轴线(也即圆锥工件15的轴线)位于同一平面，如此，可以直接测得圆锥工件15在光幕中的长度L2，而L1+L2即为圆锥工件15的长度。

实施例三：

如图6所示，该装置还包括作为基座2、顶升机构3、测量平台6和T型气浮轴承9，其中：

T型气浮轴承9固定安装于基座2的顶部，且T型气浮轴承9的轴线与回转轴承12的轴线重合，测量平台6为圆盘形，圆盘形的测量平台6的上平面与外框架11的底部固接，测量平台6的下平面支撑于T型气浮轴承9的转子上，圆盘形的测量平台6和T型气浮轴承9同轴。并将三个顶升机构3和三个称重机构8沿周向均匀间隔设置在基座2的顶面与测量平台6的下平面之间，其中，称重机构8包括称重传感器和顶升装置(本实施例为顶升气缸)，称重传感器和顶升装置固接，顶升装置能够使称重传感器向上顶升。在将圆锥工件15安装到内框架14内底面的回转轴承12上时，可以先通过顶升机构3顶升测量平台6，使其脱离T型气浮轴承9的转子，避免安装圆锥工件15时使T型气浮轴承9受到冲击。安装好圆锥工件15后，顶升机构3缓慢下降，测量平台6重新置于T型气浮轴承9的转子上。

测量圆锥工件15的质心时，称重机构8中的顶升装置通过顶升称重传感器进而顶升测量平台6，使测量平台6与T型气浮轴承9分离，此时，测量平台6、外框架11、内框架14以及圆锥工件15的重量由三个称重传感器支撑，进而，根据三个称重传感器的示数结合三点称重原理便可获得圆锥工件15的质心坐标。

在本实施例中，测量平台6的底面通过球头与球窝配合的方式支撑于T型气浮轴承9的转子上，具体来说，测量平台6上设置有三个呈正三角形分布的定位件，定位件的一端为球头，另一端为安装用的法兰，球头从测量平台6的下平面凸出，在T型气浮轴承9的转子上设置有与球头一一对应的球窝，测量平台6通过球头与球窝的配合(球头的外圆周面与球窝的内圆周面整周接触)支撑在T型气浮轴承9转子上。如此，通过三个球头和三个球窝的配合形成过定位，能够使测量平台6相对T型气浮轴承9具有唯一确定的位置，也即在每次测量物体质心时，测量平台6总是从相同的确定位置被顶升，从而使测量状态下测量平台6上安装的圆锥工件15与称重传感器之间具有确定位置，提高质心测量的精度；而且，测量平台6即使在被顶升时产生小幅横向移位导致球头不能完全对准球窝，但由于球窝圆周面对球头具有导向作用，使得球头还是能够落入球窝，进而保证了测量平台6在非测量状态下相对T型气浮轴承9总是有确定的位置，因此，具备高精度重复定位功能。

另外，在测量平台6被顶升过程中，测量平台6相对称重传感器的位置理想情况下是不发生变化的，为避免不可预期的干扰造成测量平台6与称重传感器相对位置发生变化，如图6所示，在测量平台6外圆周面的外侧沿Z向的两相对侧以及沿Y向的两相对侧均设置有位移传感器4，用于监测测量平台6在Z向和Y向的位移。

可以理解的是，本实施例中的T型气浮轴承9相当于一个支撑装置，用于在非测量状态下支撑测量平台6。

实施例四：

在实施例三的基础上，该装置还包括扭杆7、扭摆驱动机构10和扭摆制动机构5，其中：扭杆7的一端与基座2固接，另一端与T型气浮轴承9的转子固接，且扭杆7与回转轴承12的回转轴线重合，扭摆驱动机构10和扭摆制动机构5固定安装于基座2的顶部，通过扭摆驱动机构10能够推动测量平台6转动设定角度，并使扭杆7处于受扭状态，进而通过扭杆7释放扭转应力使测量平台6带动圆锥工件15往复扭摆。因此，该装置还能利用扭摆法测量圆锥工件15的转动惯量，而且测量结束后，能够通过扭摆制动机构5使处于扭摆状态的测量平台6快速停止扭摆，以便对圆锥工件15进行重复多次测量。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于圆锥工件长度和质心测量的装置，其特征在于，包括内框架、外框架、基板、两个激光位移传感器和多个称重机构；

所述内框架通过销轴与所述外框架转动连接；

所述圆锥工件的底面能够固接于所述内框架的内底面；

所述基板可拆卸地安装于所述内框架，并与固接于所述内框架内底面上的所述圆锥工件的顶部抵接，且所述基板与所述圆锥工件的轴线垂直；

两个所述激光位移传感器固定安装于所述内框架低于所述圆锥工件的高度位置处；

所述称重机构设置于所述外框架的底部，能够承载所述内框架、所述外框架以及所述圆锥工件的重量；

所述内框架的内底面上固定安装有回转轴承；

所述圆锥工件能够同轴固接于所述回转轴承，并随所述回转轴承旋转；

还包括基座、支撑装置和测量平台；

所述支撑装置固定安装于所述基座的顶部；

所述测量平台的底面支撑于所述支撑装置，顶面与所述外框架的底部固定；

所述称重机构沿圆周方向均布于所述基座的顶面与所述测量平台的底面之间；所述称重机构包括称重传感器和顶升装置，所述顶升装置与所述称重传感器固接；

所述顶升装置通过顶升所述称重传感器进而顶升所述测量平台，使所述测量平台与所述支撑装置分离，使所述测量平台、所述外框架、所述内框架以及所述圆锥工件的重量由所述称重传感器支撑；

所述用于圆锥工件长度和质心测量的装置还包括扭杆、扭摆驱动机构以及扭摆制动机构，且所述支撑装置为气浮轴承；

所述扭杆的一端与所述基座固定连接，另一端与所述气浮轴承的转子固定连接，且所述扭杆与所述回转轴承的轴线重合；

所述扭摆驱动机构和所述扭摆制动机构固定安装于所述基座；

所述扭摆驱动机构能够驱动所述测量平台转动设定角度，使所述扭杆处于受扭状态；所述扭杆释放扭转应力能够使所述测量平台带动所述圆锥工件往复扭摆；

所述扭摆制动机构能够使扭摆的测量平台停止扭摆。

2.如权利要求1所述的一种用于圆锥工件长度和质心测量的装置，其特征在于，还包括配重块；

所述配重块固定安装于所述内框架，用于将所述内框架与所述圆锥工件整体的质心调整至所述销轴的轴线上。

3.如权利要求1所述的一种用于圆锥工件长度和质心测量的装置，其特征在于，在进行所述圆锥工件的Y向质心、Z向质心测量时，通过旋转驱动单元驱动所述回转轴承以带动所述圆锥工件绕其自身轴线转动，转动过程中，实时动态地采集质心测量数据。

4.如权利要求1所述的一种用于圆锥工件长度和质心测量的装置，其特征在于，在进行所述圆锥工件轴向质心测量时，通过所述内框架将所述圆锥工件旋转至轴向水平的姿态，根据轴向质心与所述销轴轴线的距离、所述销轴轴线与所述圆锥工件大端面的距离、所述圆锥工件的总长度，获得所述圆锥工件的轴向质心坐标。

5.如权利要求1所述的一种用于圆锥工件长度和质心测量的装置，其特征在于，所述测量平台的底面设置有多个呈三角形分布的球头；

所述支撑装置的顶面设置有与所述球头一一对应的球窝；

所述测量平台的底面置支撑于所述支撑装置时，所述球头的外圆周面与所述球窝的内圆周面整周接触。

6.如权利要求1所述的一种用于圆锥工件长度和质心测量的装置，其特征在于，还包括顶升机构；

所述顶升机构沿圆周方向均布于所述基座的顶面与所述测量平台的底面之间；所述顶升机构用于顶升所述测量平台，使其脱离所述支撑装置。