Стенд для измерения массы и координат центра масс изделий

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для электрических измерений механических величин в космической технике, судостроении и авиастроении. Стенд содержит раму, к которой крепится изделие, динамометрическую платформу с установленным на ней узлом поворота рамы, динамометры, пружины, датчик угла поворота и станину, пластину, закрепленную на динамометрической платформе и установленную в центре тяжести платформы, которая опирается на центральный динамометр с полусферическим шарниром, установленным на станине при помощи стойки, два динамометра, а также четыре динамометрические цепочки, содержащие пружины. Технический результат заключается в защите от перегрузки динамометров и повышении точности измерений координат центра масс. 4 ил.

 

Изобретение относится к области электрических измерений механических величин. Область применения - космическая техника, судостроение и авиастроение.

Задача управления движением изделий космической техники, скоростных судов и др. требует для своего решения знания массы, координат центра масс изделий и их элементов. Наиболее достоверным методом определения комплекса указанных параметров является их измерение.

Известен стенд для измерения массы и координат центра масс изделий силовых установок скоростных судов. Стенд в качестве отдельной единицы входит в измерительный комплекс (см. Богданов В.В., Волобуев B.C. и другие «Комплекс для измерения масс и моментов инерции машиностроительных изделий». Измерительная техника №2, 2002 г., ст.37-39). Стенд состоит из двух горизонтальных балок, на которых установлены две пары вертикальных пружин. На пружины с помощью специальных хомутов установлено изделие. При помощи вертикальных стержней балки подвешены к четырем динамометрам. Основания динамометров жестко соединены с опорными стойками, которые закреплены на силовом фундаменте. Вдоль стержней действуют силы реакции, которые измеряются динамометрами.

Комбинируя сигналы динамометров, измеряют массу изделия и две координаты центра масс вдоль горизонтальных осей. Для измерения вертикальной координаты необходимо повернуть изделие на угол 90° вдоль продольной горизонтальной оси.

Основными недостатками стенда являются следующие:

- необходимость поворота изделия на угол 90° для получения результатов измерений. В нашем случае это сделать невозможно по техническим условиям на изделия,

- недостаточная точность измерения центра масс.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является «Стенд для измерения массы, координат центра масс и тензора инерции изделия» (Патент РФ на изобретение №2368880, 27.09.2008, МПК G01M 1/10). Стенд содержит раму, к которой крепится изделие, динамометры, датчики угла, пружины, станину, динамометрическую платформу с узлом поворота рамы, устройство задания колебаний, состоящее из подвижных рам, соединенных между собой и со станиной шарнирами и системой пружин, соединенных с рамами при помощи консолей, при этом оси шарниров соединены с осями датчиков угла.

Все необходимые измерения выполняются при одной установке изделия на стенде.

Стенд имеет два режима работы - статический и динамический. В дальнейшем нас будет интересовать лишь статический режим.

В статическом режиме при помощи динамометрической платформы измеряются масса и три координаты центра масс (Ц.М.) изделия. При этом для измерения вертикальной координаты Ц.М. поворотная рама вместе с изделием наклоняется последовательно на ряд углов, которые измеряются датчиком угла. Показания датчика угла и динамометрической платформы используются для определения вертикальной координаты Ц.М. изделия. Основным недостатком данного решения является сравнительно низкая точность измерения малых абсолютных величин горизонтальных координат центра масс. Дело в том, что координаты центра масс и вес изделия определяются одними и теми же динамометрами. Сумма показаний динамометров определяет вес изделия, а по разности показаний пар динамометров и известному расстоянию между ними определяются координаты центра масс.

Точность измерения координат Ц.М. определяется точностью измерения разности показаний пар динамометров. При большом весе изделия и относительно малом смещении его Ц.М. от положения равновесия разность показаний пар динамометров получается исчезающее малой.

В результате измеряются малые разности больших величин, отчего точность измерения малых значений координат Ц.М. оказывается недостаточной.

Изделие установлено на динамометрической платформе, опирается на динамометры D₁ и D₂, расположенные на расстоянии L_y вдоль горизонтальной оси Y. Приложенная в Ц.М. изделия сила P=mg инициирует реакции R₁ и R₂, которые измеряются динамометрами. Проекция силы Р на ось Y есть координата y_c Ц.М. изделия по этой оси. В результате будем иметь

$$R_1=\frac{P}{2}+\frac{y_c\cdot P}{L_y}\left(1\right)$$

$$R_2=\frac{P}{2}+\frac{y_c\cdot P}{L_y}$$

откуда: P=R₁+R₂; $$y_c=\frac{L_y}{2}\cdot \frac{R_1-R_2}{P}\left(2\right)$$

средняя квадратическая погрешность измерения y_c

$${\sigma }_{yc}=\sqrt{k_1^2{\sigma }_{Ly}^2+k_2^2{\sigma }_{R1}^2+k_3^2{\sigma }_{R2}^2+k_4^2{\sigma }_P^2}\left(3\right)$$

где σ_yc, σ_Ly, σ_R1, σ_R2, σ_p - средние квадратические погрешности измерения: L_y R₁ R₂, P.

$$k_1=\frac{\partial y_c}{\partial L_y}=\frac{1}{2}\cdot \frac{R_1+R_2}{P}=\frac{y_c}{L_y}$$

$$k_2=\frac{\partial y_c}{\partial R_1}=\frac{L_y}{2}\cdot \frac{1}{P}$$

$$k_3=\frac{\partial y_c}{\partial R_2}=-\frac{L_y}{2}\cdot \frac{1}{P}\left(4\right)$$

$$k_4=\frac{\partial y_c}{\partial P}=-\frac{L_y}{2}\cdot \frac{R_1+R_2}{P^2}=\frac{y_c}{P}$$

Подставляя (4) в (3) и принимая во внимание равенство погрешностей пары динамометров σ_R1=σ_R2=σ_R, окончательно получим

$${\sigma }_{yc}=y_c\cdot \sqrt{{\left(\frac{{\sigma }_{Ly}}{L_y}\right)}^2+\frac{1}{2}{\left(\frac{{\sigma }_R}{P}\right)}^2\cdot {\left(\frac{L_y}{y_c}\right)}^2+{\left(\frac{{\sigma }_P}{P}\right)}^2}\left(5\right)$$

Погрешности $$\frac{{\sigma }_{Ly}}{L_y}$$ , $$\frac{{\sigma }_R}{R}$$ , $$\frac{{\sigma }_P}{P}$$ примерно равны между собой и составляют величину порядков ~0,1%. Расстояние L_y выбирают достаточно большим из условия устойчивости и жесткости всей конструкции. В нашем конкретном случае L_y=3600 мм, а y_c задается по Т.З. на изделие: y_c≤50 мм. Таким образом, отношение $$\frac{1}{2}{\left(\frac{L_y}{y_c}\right)}^2=2592$$ , откуда следует, что с высокой степенью точности выражение (5) можно записать в более простом виде

$${\sigma }_{yc}=y_c\cdot \frac{1}{\sqrt{2}}\cdot \frac{{\sigma }_R}{P}\cdot \frac{L_y}{y_c}\left(6\right)$$

Получая y_c=50 мм, L_y=3600 мм, $$\frac{{\sigma }_R}{R}=\mathrm{0,001}$$ , получим σ_yc=2,5 мм. По Т.З. на изделие требуется σ_yc≤0,5 мм.

Таким образом, классическая схема с двумя динамометрами, используемая в аналоге и прототипе, не обеспечивает требуемой точности измерения горизонтальных координат Ц.М.

Задачей и техническим результатом предлагаемого изобретения является создание стенда, обеспечивающего повышение точности измерения координат центра масс изделий.

Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что стенд для измерения массы и координат центра масс изделий, содержащий раму, к которой крепится изделие, динамометрическую платформу с установленным на ней узлом поворота рамы, динамометры, пружины, датчик угла поворота и станину, отличающийся тем, что стенд снабжен пластиной, закрепленной на динамометрической платформе и установленной в центре тяжести платформы, которая опирается на центральный динамометр с полусферическим шарниром, установленным на станине при помощи стойки, два динамометра установлены на станине вдоль оси Z на расстоянии L_Z1 друг от друга с зазором δ между верхними контактными поверхностями динамометров и динамометрической платформой, между которой и станиной в плоскости XY стенда установлены две малые динамометрические цепочки на расстоянии Y₁ друг от друга, состоящие из динамометра, тендера и мембранных пружин, коэффициент жесткости пружин c и зазор δ связаны соотношением: $$c=\frac{L_{Z1}}{L_Z}\cdot \frac{\left|R\right|}{\delta }$$ , где R - реакция одного из динамометров, установленных вдоль оси Z, причем в плоскости XZ стенда к динамометрической платформе присоединены две динамометрические цепочки с расстоянием L_z между ними, которые соединяют правую и левую консоли платформы со станиной и состоят из последовательно соединенных динамометра, упругого шарнира, тендера и узла переключения, включающего в себя пружины.

Для более подробного пояснения предлагаемого изобретения рассмотрим схему стенда, его конструкцию и принцип действия.

На фиг.1 показана конструкция стенда в двух ортогональных проекциях.

На фиг.2 показано расположение динамометров на стенде.

На фиг.3 приведена векторная диаграмма поворота Ц.М. изделия 1 на угол φ_yi вокруг О.В. с радиусом поворота R.

На фиг.4 показан общий вид модели стенда для измерения массы и координат центра масс изделий.

Изделие 1 соединено с поворотной рамой 2, которая установлена на узле поворота рамы 3, закрепленном своим нижним основанием на динамометрической платформе 4, опирающейся на центральный динамометр с полусферическим шарниром 5, который с помощью стойки 6 установлен на станине 7, на два динамометра 8, установленных на стойки 9 также на станине 7 и расположенных вдоль оси Z стенда симметрично относительно вертикальной оси Х на расстоянии L_Z1 между ними, с зазором δ между платформой 4 и опорными поверхностями динамометров. На нижней плоскости динамометрической платформы 4 в центре тяжести установлена пластина 10. На динамометрической платформе 4 установлен кронштейн 11, на котором закреплен двигатель 12 со штоком 13. К динамометрической платформе 4 присоединены попарно четыре динамометрические цепочки. Две цепочки, ориентированные вдоль оси Z и расположенные на расстоянии L_z друг от друга, соединяют правую и левую консоли платформы 4 со станиной 7 и включают в себя динамометры 14 и 15. Пара же малых цепочек, ориентированная по оси Y (расстояние между цепочками Y₁), включает в себя динамометры 16 и 17. Первая пара цепочек помимо динамометров 14 и 15 включает в себя последовательно соединенные упругий шарнир 18, тендер 19 и узел переключения с пружинами 20. На валу поворотной рамы 2 расположен датчик угла 21. Малая пара включает в себя так же мембранные пружины 22 и тендеры 23.

Всего в состав стенда входят семь динамометров: центральный динамометр 5, S-образный динамометр 14, S-образный динамометр 15, S-образный динамометр 16, S-образный динамометр 17, два динамометра 8.

Стенд работает следующим образом: при измерении массы изделия поворотная рама 2 занимает строго горизонтальное положение. Сила тяжести P=mg (m - массы изделия, g - ускорение свободного падения) действует на динамометрическую платформу 4 и воспринимается динамометром 5 и четырьмя динамометрическими цепочками, включающими динамометры 14÷17 (Фиг.1). Сумма показаний динамометров 14÷17 и центрального динамометра 5 - P_i равна силе тяжести

$$P={\displaystyle \sum P_i\left(7\right)}$$

Горизонтальные координаты y_c, z_c измеряются по разности показаний динамометров 14÷17.

Моменты M_Z и M_Y (фиг.2)

$$M_Z=y_c\cdot P$$ ; $$M_y=z_c\cdot P\left(8\right)$$

Силы реакции динамометров от действия моментов

$$R_{14}=-\frac{M_Y}{L_Z}$$ ; $$R_{15}=\frac{M_Y}{L_Z}$$ ; $$R_{16}=\frac{M_Z}{L_y}$$ ; $$R_{17}=-\frac{M_Z}{L_y}$$ ; откуда

$$y_c=\frac{L_Y}{2}\cdot \frac{R_{16}-R_{17}}{P}$$ ; $$z_c=\frac{L_Z}{2}\cdot \frac{R_{15}-R_{14}}{P}\left(9\right)$$

В формуле изобретения R₁₄ обозначено как R.

Выражение (9) являются уравнениями измерений горизонтальных координата y_c, z_c.

В данном случае большой вес изделия не нагружает динамометры 14÷17, т.к. вес уравновешивается центральным динамометром 5 с полусферическим шарниром. При измерении малых значений координат y_c, z_c чувствительность динамометров 14÷17 выбирается из условия измерения с требуемой точностью малых разностей реакции (9). Полусферический шарнир динамометра 5 и пластина 10 на раме 4 позволяют с высокой точностью передавать малые значения моментов M_Z и M_Y на динамометры 14÷17 (Фиг.1).

Для увеличения точности измерения малых разностей реакций создается предварительная нагрузка на динамометры 14÷17 при помощи пар тендеров 19 и 23 соответственно. Величина нагрузки поддерживается пружинами 20, 22 и выбирается такой, чтобы силы реакции динамометров 14÷17 всегда имели один знак и не переходили через ноль. Практика показывает, что в таких условиях точность измерения динамометрами значительно более высокая, что в сочетании с их высокой чувствительностью обеспечивается высокая точность измерений малых значений горизонтальных координат y_c, z_c.

При измерении вертикальной координаты x_c рама 2 вместе с изделием 1 при помощи двигателя 12 и штока 13 поворачиваются на n последовательных углов наклона φ_yi, где i=0, 1…n.

При повороте горизонтальная координата 2-е получает приращение Δ z_ci

Δ z_ci=(z_ci-z_c)=R·sin(φ_yo-φ_yi)-R·sinφ_yo

Учитывая что

x_c=R·cosφ_yo и z_c=R·sinφ_yo

получим:

$$\Delta z_{ci}=x_c\cdot \sin {\varphi }_{yi}-2z_c\cdot {\sin }^2\frac{{\varphi }_{yi}}{2}\left(10\right)$$

С другой стороны

$$\Delta x_{ci}=\frac{M_{yi}-M_{yo}}{P}\left(11\right)$$

где M_yi - текущее значение момента при φ=φ_yi; M_yi=z_ci·P,

M_yo - начальный момент при φ_yi=0; M_y0=z_c-P

Выражение (11) является уравнением измерения вертикальной координаты x_c. Для «n» значений наклона угла φ_yi будем иметь систему из «n» уравнений, которая решается методом наименьших квадратов относительно x_c.

Как отмечалось ранее, диапазон измерения сил динамометрами 14÷17 выбирается малым из условия точного измерения малых значений горизонтальных координат y_c и z_c. Например, для одного из изделий

y_m=z_cm=±50 мм

При этом максимальный вес изделия:

P_m=5·10³ кгс

Продольная база стенда и радиус поворота

Lz=3000 мм; R=5·10³ мм

Откуда расчетные силы реакции динамометров 14÷15 (именно они нас в первую очередь интересуют)

$$\left|R_{14}\right|=\left|R_{15}\right|=\frac{z_{cm}\cdot P_m}{L_Z}=\mathrm{83,3}кгс\left(12\right)$$

При наклоне изделия 1 его положение Ц.М. на оси Z определяется соотношением:

Z_cm=R·sinφ_ym

где φ_ym - максимальный угол наклона (при i=n) φ_ym=8°

Максимальные абсолютные значения сил реакций динамометров 14÷15

$$\left|R_{14}\right|={\left|R_{15}\right|}_m=\frac{z_{cm}\cdot P_m}{L_Z}=\mathrm{1162,8}кгс$$

Таким образом, перегрузка динамометров 14÷15 составила бы величину

$$\frac{{\left|R_{14}\right|}_m}{\left|R_{14}\right|}\approx 14раз$$

Такая перегрузка вывела бы динамометр из строя.

Для защиты динамометров 14÷15 от перегрузки и повышения точности измерений координат Ц.М. в конструкции стенда предусмотрена пара динамометров 8, рассчитанная на большие силы.

При наклоне изделия 1 вертикальная пара сил растягивает правую пружину 20 и сжимает левую (фиг.1) до тех пор, пока зазор «δ» между верхней контактной точкой динамометра 8 и рамой 4 не станет равным нулю. С этого момента динамометр 5, рассчитанный на большие нагрузки, измеряет реакцию R_5i.

$$R_{5i}=\frac{z_{ci}\cdot P}{L_{Z1}}=\mathrm{1162,8}кгс\left(13\right)$$

При этом нагрузка на динамометр 14 остается постоянной и равной |R₁₄| (12). Указанное равенство достигается при вполне определенном коэффициенте жесткости пружин 20 и величине зазора «δ». Непосредственно из схемы фиг.1 находим

$$c=\frac{L_{Z1}}{L_Z}\cdot \frac{\left|R_{14}\right|}{\delta }\left(14\right)$$

По технологическим соображениям

δ=1 мм

L_Z=3000 мм; L_Z1=2700 мм; |R₁₄|=83,3 кгс,

откуда c=75 кгс/мм

Точность измерения координат центра масс повышается за счет разгрузки динамометров, отвечающих за измерение малых значений координат центра масс, от действия веса изделий и установки нового динамометра с полусферическим шарниром, на который опирается пластина, установленная на раме.

Изготовлен и установлен в ФГУП НПО им. С.А. Лавочкина в г.Химки опытный образец предлагаемого стенда, испытания которого подтвердили ожидаемый технический результат.

Стенд для измерения массы и координат центра масс изделий, содержащий раму, к которой крепится изделие, динамометрическую платформу с установленным на ней узлом поворота рамы, динамометры, пружины, датчик угла поворота и станину, отличающийся тем, что стенд снабжен пластиной, закрепленной на динамометрической платформе и установленной в центре тяжести платформы, которая опирается на центральный динамометр с полусферическим шарниром, установленным на станине при помощи стойки, два динамометра установлены на станине вдоль оси Z на расстоянии L_Z1 друг от друга с зазором δ между верхними контактными поверхностями динамометров и динамометрической платформой, между которой и станиной в плоскости XY стенда установлены две малые динамометрические цепочки на расстоянии Y₁ друг от друга, состоящие из динамометра, тендера и мембранных пружин, коэффициент жесткости пружин c и зазор δ связаны соотношением: , где R - реакция одного из динамометров, установленных вдоль оси Z, причем в плоскости XZ стенда к динамометрической платформе присоединены две динамометрические цепочки с расстоянием L_z между ними, которые соединяют правую и левую консоли платформы со станиной и состоят из последовательно соединенных динамометра, упругого шарнира, тендера и узла переключения, включающего в себя пружины.