一種基于力矩平衡原理的重心測定儀的制作方法
【專利摘要】一種基于空間力矩平衡原理的重心測定儀，該儀器由支撐板、六個(gè)分布于支撐板四周的壓力傳感器、機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)與電算電路及單片微機(jī)組成，其利用力矩平衡原理求得待測物體與支撐板重力線過支撐板板面的點(diǎn)，并求得支撐板與物體的重力G總在板上建立的空間直角坐標(biāo)系上在各個(gè)坐標(biāo)上的分量，從而得到G總的方向向量，再利用空間幾何原理求出物體重力作用線的方程，當(dāng)使得物體與支撐板轉(zhuǎn)動(dòng)一定的位置后得到更多的重力作用線的方程，利用重心經(jīng)過所有重力作用線而求解物體與支撐板的重心G總(x總，y總，z總)，利用G物、G板、G總?cè)c(diǎn)共線，綜合M物、M板即可求得待測物體的重心G物(x物，y物，z物)，由此，使得對物體重心求解在保證測量精度前提下得到結(jié)構(gòu)簡單，操作方便的自動(dòng)化、電算化儀器的生產(chǎn)使用成為可能。
【專利說明】—種基于力矩平衡原理的重心測定儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]一種基于空間力矩平衡原理的重心測定儀，主要用于對各種各種工業(yè)生產(chǎn)中的構(gòu)件(如飛輪、轉(zhuǎn)軸、機(jī)床)、產(chǎn)品(如發(fā)動(dòng)機(jī))、產(chǎn)品模型(飛機(jī)、輪船、汽車模型)或其他對重心測量有需求的常用物品等實(shí)體的重心進(jìn)行測量，屬于重心測量領(lǐng)域。
技術(shù)背景
[0002]重心為物體上各質(zhì)點(diǎn)所受的重力與該質(zhì)點(diǎn)與此點(diǎn)的水平距離的積的代數(shù)和為零的一點(diǎn)，因此要求一個(gè)實(shí)體的重心坐標(biāo)就必須得到整個(gè)物體內(nèi)外部形態(tài)、各質(zhì)點(diǎn)的密度的數(shù)據(jù)。產(chǎn)品、結(jié)構(gòu)體的重心的位置對產(chǎn)品、結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定性、靈活性、可操縱性以及使用時(shí)的實(shí)用性等性能有著重要的影響。因此在產(chǎn)品、結(jié)構(gòu)體成型之前，對其重心進(jìn)行有效精確地測定，是優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)必經(jīng)的流程之一，同時(shí)也是產(chǎn)品定型后性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一，其具體在航天工程、汽車制造、船舶制造、工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐、建筑、橋梁模型、生活等方面均有著極其重要的意義。
[0003]目前，對重心的測量一般采用間接方法進(jìn)行測量，如稱重法，浮力法，懸掛法等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、工業(yè)CT掃描法與核磁共振法:運(yùn)用無線傳感技術(shù)、CT掃描、核磁共振對三維實(shí)體內(nèi)外部形態(tài)進(jìn)行有效測定，再運(yùn)用重心性質(zhì)坐標(biāo)方程求解，但此種方法存在技術(shù)難度大，技術(shù)成本高，且不能測定具有內(nèi)部空腔三維實(shí)體及密度不均勻的三維實(shí)體重心的特點(diǎn)；懸掛法是將三維實(shí)體用柔性繩懸掛起來，此時(shí)物體重心將位于繩所在空間直線上，轉(zhuǎn)換空間位置，再次測定另一重心所在空間直線，則重心記載兩空間直線的交點(diǎn)之上，此種方法需有效采集求解重心所在空間直線方程的數(shù)據(jù)，但由于三維實(shí)體在柔性繩索非剛性約束作用下，自由度較大，不穩(wěn)定，故目前還沒有采集數(shù)據(jù)的有效方法，故此種方法不能實(shí)現(xiàn)重心測定的自動(dòng)化，運(yùn)用前景較差；稱重法通過合理布局力傳感器，運(yùn)用空間力矩平衡原理求解三維實(shí)體的重心坐標(biāo)，此種方法是運(yùn)用較為廣泛的方法，但目前國內(nèi)外對這一方法測定物體重心需綜合利用力傳感器與角度傳感器的測量數(shù)據(jù)，進(jìn)而求解三維實(shí)體的空間坐標(biāo)；角度傳感器的應(yīng)用使得使得測量裝置變得復(fù)雜，測量程序不夠簡便；浮力法采用精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)來控制物體等步長浸泡于液體中，實(shí)現(xiàn)對被測物體的虛擬分層；提出變臂長測量方法，通過測量浮力變化來獲取虛擬斷層的橫截面面積和重心坐標(biāo)信息:此種方法測量流程復(fù)雜且存在著僅適用于密度均勻的三維實(shí)體的運(yùn)用不通用的缺點(diǎn)。
[0004]而本發(fā)明將力矩平衡原理在重心測量領(lǐng)域內(nèi)從二維平面推廣到三維空間，實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體三維空間坐標(biāo)的測量并綜合利用稱重法與懸掛法得到新的實(shí)體三維重心測定的新方法:即利用稱重法對三維實(shí)體受力情況進(jìn)行測量，并用懸掛法利用兩條重心所在空間直線會(huì)交點(diǎn)得到三維實(shí)體重心坐標(biāo)的方法求解三維實(shí)體重心坐標(biāo)對實(shí)體的重心進(jìn)行測量，從而僅運(yùn)用單一的力學(xué)傳感器間接測量重心坐標(biāo)(克服了已有方法中需利用角度傳感器測量受力構(gòu)件與水平面夾角的復(fù)雜化得結(jié)構(gòu)缺點(diǎn))，使得重心測定儀的結(jié)構(gòu)大為簡化，并且，本發(fā)明可方便快捷即時(shí)檢測出在儀器允許的空間內(nèi)、在儀器稱重量程范圍內(nèi)的任何三維實(shí)體的空間坐標(biāo)，并且使測得的重心可視化、自動(dòng)化。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]一種基于空間力矩平衡原理的重心測定儀，其主要由由支撐板、分布于支撐板邊緣的壓力傳感器、用于使得支撐板改變不同空間位置的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)與用于計(jì)算待測物體重心的電算電路及單片微機(jī)組成。
[0006]一種基于空間力矩平衡原理的重心測定儀，其支撐板邊緣的壓力傳感器分別分布于支撐板前后方向、左右方向、上下方向三個(gè)不同的方向上，且傳感器僅安裝于各個(gè)方向上的單側(cè)，其中上下方向至少安裝三個(gè)傳感器，前后方向與左右方向各至少安裝一個(gè)壓力傳感器。
[0007]本發(fā)明其利用力矩平衡原理求得待測物體與支撐板重力線過支撐板板面的點(diǎn)，并求得支撐板與物體的重力G,6在板上建立的空間直角坐標(biāo)系上在各個(gè)坐標(biāo)上的分量，從而得到G,6的方向向量，最后利用空間線性代數(shù)原理求解重力作用線，當(dāng)使得物體與支撐板轉(zhuǎn)動(dòng)一定的位置后得到更多的重力作用線，利用重心經(jīng)過所有重力作用線而求解物體與支撐板的重心G總(X總，y總，z總)，利用G物、G板、G總?cè)c(diǎn)共線，綜合M物、M板即可求得待測物體的重心坐標(biāo)6_ (xft, zfe)，本發(fā)明利用該原理設(shè)計(jì)出在保證測量精度前提下結(jié)構(gòu)簡單，操作方便的自動(dòng)化、電算化的用于測量實(shí)體重心坐標(biāo)的儀器一種基于空間力矩平衡原理的重心測定儀。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是本發(fā)明求解原理(物體在支撐板上受力)的示意圖。
[0009]圖2是本發(fā)明支撐 板上所受傳感器與待測物體支持力與壓力的力學(xué)模型示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010]物體重力的作用線總是通過物體的重心，將物體置于一塊尺寸已知的傾斜板上，并以此板的一角為原點(diǎn)建立空間直角坐標(biāo)系，則重力作用線與板面必有一個(gè)交點(diǎn)，根據(jù)空間力矩平衡原理可求得此作用點(diǎn)相對于板上的坐標(biāo)系上的坐標(biāo)，設(shè)此點(diǎn)為A點(diǎn)，且其過重力作用線，同時(shí)，重力作用線的方向可通過由空間力矩平衡原理求得的相對于板上坐標(biāo)三個(gè)方向上的分力而得的重力作用線的方向向量求得。由線性代數(shù)中已知直線上一點(diǎn)與此直線的方向向量即可求得直線的方程的原理求解重力作用線對應(yīng)于平面板上空間直角標(biāo)坐標(biāo)系的方程。當(dāng)平面板與板上的物體在轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度時(shí)，可以得到相對于平面板上空間直角坐標(biāo)系的另一條通過重心的空間直線方程，利用兩條空間直線方程即可以求得重心所在的位置的空間坐標(biāo)。
[0011]由于測量誤差的存在，所測得的重力作用線不可能完全通過重心位置，兩條作用線Ip I2均距離重心一定的微量偏移，使得兩條重力作用線不相交，在此可以假設(shè)兩直線相距的最短距離是丨@I ,其中C位于I1上，D位于I2上，則重心在一定精確度下的位置為⑶的中點(diǎn)Ε。
[0012]實(shí)際測量中，在對物體進(jìn)行測量時(shí)，必須同時(shí)對板進(jìn)行測量則上述的重心E實(shí)際是物體與板的綜合重心G總，設(shè)已知板的重量為M板，板的重心為G板Zis)，設(shè)所測物體質(zhì)量與重心分別為為由空間力矩平衡原理易得6^6|、6@三點(diǎn)共線，故有:
【權(quán)利要求】
1.一種基于空間力矩平衡原理的重心測定儀，其特征在于:其由支撐板、分布于支撐板邊緣的壓力傳感器、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、電算電路及微機(jī)、數(shù)顯驅(qū)動(dòng)電路與數(shù)顯屏組成。
2.如權(quán)利要求書I所述的一種基于空間力矩平衡原理的重心測定儀，其特征是所述支撐板邊緣的壓力傳感器分別分布于支撐板前后方向、左右方向、上下方向上三個(gè)不同的方向上，且傳感器僅安裝于各個(gè)方向上的單側(cè)，其中上下方向至少安裝三個(gè)傳感器，前后方向與左右方向各至少安裝一個(gè)壓力傳感器。
【文檔編號】G01M1/12GK103575470SQ201310470772
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年10月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月1日
【發(fā)明者】劉志武, 姜雪松 申請人:東北林業(yè)大學(xué)