СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ЦЕНТРА МАСС ИЗДЕЛИЯ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G01M1/12 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в автомобильной, судостроительной, авиационной и космической промышленности для определения трех координат центра масс и массы различных изделий, например таких, как колеса, гребные винты, лопатки турбин, пропеллеры, космические аппараты.

Известен способ определения координат центра масс путем измерения статических моментов изделия относительно балансировочной опоры и устройства для его осуществления [1]. Способ заключается в том, что изделие крепят к столу с балансировочной опорой и грузовыми площадками и уравновешивают изделие относительно балансировочной опоры. Затем переставляют изделие, последовательно поворачивая его вокруг заданных осей на 90^о, уравновешивают в этих положениях и определяют статические моменты изделия относительно трех взаимно перпендикулярных плоскостей. Для уравновешивания изделия используют гири, устанавливаемые на грузовые площадки, и силоизмерительные датчики.

Известны устройства серии WS и серии WM с одноосной балансировочной опорой для осуществления этого способа. Устройства содержит основание, закрепленные на нем стойки, корпус с одноосной балансировочной опорой, связанной со стойками, упоры, закрепленные на основании и взаимодействующие с корпусом, грузовую площадку, шарнирно связанную с корпусом, стол для крепления изделия, перпендикулярнный основанию, и силоизмерительный датчик, связанный с основанием. Устройство серии WM, принятое за прототип, дополнительно содержит поворотный стол, параллельный основанию, установленный соосно с балансировочной опорой.

Недостатки известных способа и устройств для определения координат центра масс изделия - сравнительно низкие точность и производительность процесса измерений.

Сравнительно низкая точность измерений объясняется тем, что для определения координат центра масс необходимо предварительно определить массу изделия на весах, а затем, измерив статические моменты изделия, определить координаты центра масс путем деления статических моментов на массу изделия. Погрешность определения массы изделия приводит к снижению точности определения координат центра масс, ограничивая метрологические характеристики способа и устройства.

Сравнительно низкая производительность известного способа и устройства объясняется как необходимостью предварительного определения массы изделия с применением дополнительного весоизмерительного оборудования статических моментов относительно трех взаимно перпендикулярных плоскостей, что требует больших затрат времени.

Цель изобретения - повышение точности и производительности процесса измерений за счет исключения применения весоизмерительного оборудования и вносимых им погрешностей, а также за счет исключения перестановок изделия.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе определения координат центра масс изделие дополнительно поворачивают на 90^о вокруг одной из осей, уравновешивают в этом положении и определяют статический момент изделия. Повороты осуществляют вокруг оси, смещенной на заданное расстояние от оси балансировочной опоры, перпендикулярной основанию.

Для достижения поставленной цели в известном устройстве дополнительно содержится втулка, установленная в корпусе с возможностью вращения вокруг оси, параллельной основанию, и фиксатор, связанный со втулкой и поочередно взаимодействующий с базовыми отверстиями стола, расположенными через каждые 90^о на равном расстоянии от оси вращения стола. Ось вращения стола установлена во втулке, соосно ей, и на заданном расстоянии от оси балансировочной опоры, перпендикулярной основанию.

Эти отличительные признаки позволяют определить три координаты центра масс и массу изделия, не прибегая ни к перестановке изделия, ни к использованию дополнительного весоизмерительного оборудования, что обеспечивает повышение точности и производительности процесса измерений.

В частном случае выполнения устройства предпочтительным является расположение точки пересечения осей вращения стола и втулки в плоскости, проходящей через ось балансировочной опоры параллельно основанию. Это отличие позволяет свести к минимуму влияние отклонения стола от вертикальной плоскости на точность определения вертикальной координаты центра масса изделия.

Другим резервом повышения точности измерений является способ установки силоизмерительного датчика. В устройстве серии WM датчик закреплен на основании на заданном расстоянии от вертикальной оси балансировочной опоры. Взаимодействуя с корпусом устройства, датчик воспринимает на себя часть нагрузки, учитываемой при определении статического момента, однако любое смещение датчика от номинального положения приводит к изменению реакции на нем, что снижает точность измерений.

Для устранения этого недостатка в частном случае выполнения устройства силоизмерительный датчик закреплен на кронштейне, связанном с основанием, и установлен под грузовой площадкой соосно с ней. Под грузовой площадкой установлена планка, параллельная ей, и связанная с последней через пружины, установленные с предварительным сжатием. Суммарное усилие сжатия равно номинальной нагрузке на силоизмерительный датчик, взаимодействующий с планкой. При такой установке смещение силоизмерительного датчика от номинального положения не приведет к изменению реакции на нем, поскольку он взаимодействует с корпусом устройства через шарнирную подвеску грузовой площадки, расстояние от которой до вертикальной оси балансировочной опоры остается неизменным. Благодаря тому, что реакция от силоизмерительного датчика приложена на том же плече, что и нагрузка от уравновешивающих гирь, дополнительных погрешностей не возникает, что обеспечивает повышение точности измерений. С другой стороны, применение специальной пружинной подвески планки, взаимодействующей с силоизмерительным датчиком, обеспечивает работоспособность устройства и надежную защиту датчика от перегрузок.

На фиг. 1 представлено устройство с одноосной балансировочной опорой, общий вид; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - устройство в положении для определения вертикальной координаты центра масс изделия, на фиг. 4 - вид Б на фиг. 3; на фиг. 5 и 6 - вариант выполнения устройства.

Устройство содержит основание 1 со стойками 2, на которые посредством одноосной балансировочной опоры 3 установлен корпус 4. От опрокидывания корпус удерживает упор 5, с которым он взаимодействует через винты 6, установленные с зазором и связанные электрически с сигнальными лампочками 7, смонтированными на кожухе 8. К корпусу подвешена грузовая площадка 9 через шарнир 10. Корпус снабжен столом 11 с вертикальной осью вращения 12, перпендикулярной основанию и установленной во втулке 13 посредством подшипниковых опор 14 на заданном расстоянии от оси балансировочной опоры, перпендикулярной основанию. Втулка снабжена осью вращения 15, параллельной основанию, установленной в корпусе посредством подшипниковых опор 16. Фиксатор 17, установленный на втулке, обеспечивает фиксацию стола через каждые 90^о. Изделие 18 крепят к столу, а для его уравновешивания используют гири 19, устанавливаемые на грузовую площадку устройства. Силоизмерительный датчик 20, закрепленный на кронштейне 21, взаимодействует с планкой 22, установленной на гильзах 23, поджимаемых пружинами 24 к грузовой площадке. Предварительное сжатие пружин осуществляется гайкой 25 через шайбу 26. Гайка навинчивается на стержень 27, закрепленный на грузовой площадке.

Способ осуществляется следующим образом.

Перед установкой изделия проверяют уравновешенность корпуса относительно балансировочной опоры. Контроль равновесия осуществляют по сигнальным лампочкам 7, верхняя из которых связана с верхним винтом 6, а нижняя - с нижним. При отсутствии контакта винтов с упором 5 сигнальные лампочки не горят, что свидетельствует о состоянии равновесия при установленном нулевом показании на цифровом табло датчика.

Изделие 16 крепят к столу 11, что приводит к нарушению равновесия и о чем свидетельствует загоревшаяся нижняя сигнальная лампочка. Для восстановления равновесия на грузовую площадку 9 устанавливают гири 19, добиваясь такого состояния, когда не горит ни нижняя, ни верхняя сигнальная лампочка 7. Если нагрузка на силоизмерительный датчик превысит номинальную, то сдеформируются пружины, настроенные на эту нагрузку, и нижний винт корпуса упрется в упор 5, предохранив датчик от дальнейшего нагружения.

Состояние равновесия изделия в этом положении описывает следующее уравнение равновесия (фиг. 1):
m₁ ˙g ˙ L=M ˙g ˙ (l+Y), где m₁ - масса уравновешивающих гирь с учетом реакции на силоизмерительном датчике;
g - ускорение свободного падения;
L - расстояние от вертикальной оси балансировочной опоры до грузовой площадки;
M - масса изделия;
l - расстояние от оси вращения стола до оси балансировочной опоры;
Y - горизонтальная координата центра масс изделия.

Затем, освободив фиксатор 17, стол с изделием поворачивают на 90^овокруг вертикальной оси и фиксируют стол в этом положении. После этого уравновешивают изделие относительно балансировочной опоры, как это было описано выше, и получают второе уравнение равновесия, в которое входит горизонтальная координата Z центра масс изделия:
m₂ ˙ g ˙L=M ˙g ˙(l+Z) .

Затем стол с изделием повторно поворачивают на 90^о вокруг вертикальной оси, уравновешивают в этом положении и получают третье уравнение равновесия:
m₃ ˙g ˙L=M ˙ g ˙ (l-Y) .

После этого стол с изделием поворачивают на 90^о вокруг горизонтальной оси, используя ось вращения втулки, параллельную основанию, уравновешивают в этом положении и получают четвертое, замыкающее систему, уравнение равновесия (фиг. 3):
m₄ ˙ g ˙ L=M ˙ g ˙(l+r+X), где r - расстояние от оси вращения втулки до стыковочной плоскости стола;
Х - вертикальная координата центра масс изделия.

Решая систему из четырех приведенных уравнений, определяют три координаты центра масс и массу изделия по формулам:
X = l - (l+r)
Y = l
Z = l - l
M = (m₁+m₃)
Анализ представленных уравнений показывает, что благодаря новым существенным отличиям предложенного способа и устройства удалось исключить влияние на точность определения координат центра масс не только погрешности определения массы изделия, но и погрешности измерения плеч, т.е. расстояния от оси балансировочной опоры до оси шарнира грузовой площадки, что обеспечило повышение точности измерений. Отпала необходимость в предварительном определении массы изделия на дополнительном весоизмерительном оборудовании. Удалось осуществить определение трех координат центра масс и массы изделия на одном устройстве, не прибегая к перестановке изделия, что обеспечило повышение производительности процесса измерений.

В проспекте [2] той же фирмы приведено устройство серии WM специального исполнения с двухосной балансировочной опорой, принятое за прототип другого варианта устройства, обеспечивающего осуществление предлагаемого способа определения координат центра масс изделия.

Данное известное устройство содержит основание, закрепленную на основании стойку, корпус с двухосной балансировочной опорой, связанной со стойками, поддерживающие упоры, закрепленные на основании и взаимодействующие с корпусом, две грузовые площадки, шарнирно связанные с корпусом и установленные в двух взаимно перпендикулярных направлениях, стол для закрепления изделия с осью вращения, параллельной основанию, и силоизмерительные датчики, связанные с основанием.

Это устройство, используя поворот изделия вокруг горизонтальной оси и уравновешивание изделия относительно двух осей балансировочной опоры, позволяет определить три статические момента изделия, однако по-прежнему требуется предварительное определение массы изделия на дополнительном весоизмерительном оборудовании, что снижает точность и производительность процесса измерений.

Для исключения этих недостатков в предлагаемом варианте устройства ось вращения стола расположена на заданном расстоянии от оси балансировочной опоры, перпендикулярной основанию. Устройство снабжено установленным на корпусе фиксатором, поочередно взаимодействующим с базовыми отверстиями стола, выполненными через каждые 90^о и на равном расстоянии от оси вращения стола.

В частном случае выполнения устройства предпочтительно является расположение оси вращения стола в одной плоскости с осью балансировочной опоры, параллельной основанию, что исключает возникновение погрешностей измерения от изменения плеч при отклонении корпуса устройства от горизонтальной плоскости.

В другом частном случае выполнения устройства предпочтительным является использование способа установки силоизмерительных датчиков под каждой грузовой площадкой как это описано в первом варианте заявленного устройства.

Устройство содержит основание 28 со стойкой 29, на которой, посредством двухосной балансировочной опоры 30 установлен корпус 31. От опрокидывания корпус удерживают упоры 32. К корпусу в двух взаимно перпендикулярных направлениях, шарнирно подвешены грузовые площадки 33. Корпус снабжен столом 34 с осью вращения 35, параллельной основанию и установленной в корпусе посредством подшипниковых опор 36. Фиксатор 37 установлен в корпусе по окружности базовых отверстий стола. Силоизмерительные датчики установлены под каждой грузовой площадкой в полном соответствии с вышеприведенным описанием первого варианта устройства.

Устройство работает следующим образом.

Изделие 38 крепят к столу 34 и уравновешивают относительно двух осей балансировочной опоры 30 установкой гирь на грузовые площадки 33. Затем стол с изделием поворачивают на 90^о вокруг горизонтальной оси, используя ось вращения стола, параллельную основанию, и уравновешивают изделия относительно оси балансировочной опоры, параллельной оси вращения. Затем повторно поворачивают стол с изделием на 90^о вокруг той же оси и уравновешивают изделие в этом положении. Этим состояниям равновесия будут соответствовать следующие четыре уравнения равновесия (фиг. 5 и 6):
m₁ ˙ g ˙L=M ˙g ˙(R+X)
m₂ ˙ g ˙L=M ˙g ˙(l+Y)
m₃ ˙g ˙L=M ˙g ˙(l+Z)
m₄ ˙g ˙L=M ˙g ˙(l-Y)
По результатам уравновешивания определяют массу и три координаты центра масс изделия по формулам:
X = l - R
Y = l
Z = l - l
M = (m₂+m₄)
Таким образом, на представленных примерах вариантов устройств показана эффективность предложенного способа определения координат центра масс изделия независимо от того, вокруг какой оси проводится повторный поворот изделия - вертикальной или горизонтальной, главное, чтобы эта ось была смещена относительно вертикальной оси балансировочной опоры на заданное расстояние.

Использование: в машиностроении для определения трех координат центра масс изделия и массы изделия различных типов - от лопаток турбины до космических аппаратов. Сущность: изделие крепят к столу с балансировочной опорой и грузовыми площадками, уравновешивают относительно балансировочной опоры и грузовых площадок, последовательно поворачивают на 90° вокруг заданных осей, уравновешивают в этих положениях и определяют статические моменты изделия относительно трех взаимно перпендикулярных плоскостей. Изделие дополнительно поворачивают на 90° вокруг одной из данных осей, уравновешивают в этом положении и определяют дополнительный статический момент изделия. Повороты осуществляют вокруг оси, смещенной на заданное расстояние относительно вертикальной оси балансировочной опоры. 3 с., 4 з.п.ф-лы, 6 ил.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ЦЕНТРА МАСС ИЗДЕЛИЯ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ.