一体化测量不规则物体质量特性参数的方法

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8机械 设 计 与制 造Machinery Design & Manufacture第 9期2013年 9月一 体化测量不规则物体质量特性参数的方法刘 刚1，樊庆文 ，林大全 ，王骁朋 ，钟柳花 ，王 健(1．I~Utl大学 制造科学与工程学院，四川 成都 610065；2．成都方拓仿真技术有限责任公司，四川 成都 610041)摘 要：物体的质量、质心以及转动惯量是重要的质量特性参数，它们是衡量物体自身运动优越性能的重要指标。根据扭转法原理 ，以扭杆作为扭转原件，利用光电轴角编码器记录摆动周期 ，设计了一种一体化测量不规则物体质量特性参数的装置，能够一次性测量物体的质量、质心以及质量不均匀、形状不规则物体的自身转动惯量。实验证明该测量装置具有一体化程度高、测量简单、测量精度高的特点。该方法下的研究成果为以后测量装置的标准化、商品化奠定基础。

关键词：质量特性参数；自身转动惯量；扭转法：测量装置中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1001—3997(2013)09—0008—03A Kind of Integrative Method for Measuring the Quality CharacteristicParameter of I rregular ObjectsLIU Gang ，FAN Qing-wen ，LIN Da-quan2，WANG Xiao-peng ，ZHONG Liu-hua ，WANG Jian(1．School of Manufacturing Science and Engineering，Sichuan University，Sichuan Chengdu 610065，China；2．Chengdu Phantom Emulation technology Co．，nd，Sichuan Chengdu 610041，China)Abstract：With regard to the object，the ntos$，the center ofmass and the moment ofinertia are very importantparameters inthe measurement ofpart of quality characteristic parameters．They are important indexes to measure whether objects ownmovement is superior pe咖 e or not．According to the method principle，with torsion bar as the torsional original powercomponent，the e ofoptical electric axial angle encoder records the torsional period，SO as tO design a kind ofintegrativedevice for measuring the qudity characteristic parameters of irregular objects．which can one一￡ 聊 me asure the qualitydistribution inequdity and the shape irregnlarity ofobject's quality，center ofmass and moment ofinertia ofthe object itself.

The experimentproves that the measuringdevice with a high degree ofintegration．and the measurement method simpleand it has the characteristic ofhigh measuring accuracy．The method ofresearch results lay afoundationfor standardizationand comme rcialization ofmeasuringdevice.

Key Words：Quality Characteristic Parameters；Moment ofInertia Itself；Torsional Method；Measuring Device1引言物体的质量特性参数主要包括：物体的质量、质心以及物体的转动惯量。测量物体的质量特性参数是进行物体的运动学、力学分析的基础性工作。测量物体的质量、质心较为简单，但是测量物体的转动惯量，特别是测量形状不规则、质量不均匀物体的自身转动惯量较为困难。目前测量物体转动惯量的方法主要有：三线摆法、复摆法，塔轮旋转法以及扭转法等。其中复摆法不能直接测量物体的自身转动惯量，利用三线摆法、塔轮法和扭转法可以测量物体相对回转轴的转动惯量，但要测量自身转动惯量必须事先获得物体的质心，且质心必须与回转中心重合。使用上述测量方法测量物体自身的转动惯量，需要二次定位或间接测量，因此普遍存在重复性差、测量精度低的缺点。

提供了一种基于扭转法原理，一体化测量不规则物体质量特征参数的方法，在测量质量和质心的同时，能够使物体的质心与回转中心重合，进而一次性测量不规则物体的自身转动惯量。

该装置利用扭杆作为扭转原件，利用轴角编码器记录摆动周期，进一步提高了测量精度。

2工作原理一 体化质量特性参数测量装置的工作原理，如图 1所示。载物盘(件 2)通过三个拉压传感器(件 3)放置在扭盘(件4)上；扭盘通过两组向心角接触轴承(件7)与机架相对转动；扭杆(8)的上端与转盘通过花键相连，下端与机架固定；轴角编码器(件6)测量扭盘的扭转角；激光头(件 1)与扭盘的回转中心重合；锁死装置(件5)用于锁定转盘的初始位置；底座(件9)支撑着测量系统的上部分重量。

测算步骤如下：来稿日期：2012一l l一14基金项目：航天医学基础与应用国家重点实验室开放基金资助项目(SMFA12K13)作者简介：刘 刚 ，(1986-)，男，河南濮阳人，硕士研究生，主要研究方向：人机工程仿生学；樊庆文，(1966-)，男，山东济宁人，研究员，硕士生导师，主要研究方向：仿生假人设计制造技术
1O 机械设计与制造No．9Sept．201 3将 Hybrid III50th假人头部总装模型竖直放置在载物盘的中心区域。如表 1所示为三个拉压传感器的读数及其产生的相对误差值。Hybrid II50th假人头部总装模型为标准件，其质量为(4．54+0．05)kg。通过表 l可以看出系统测量物体质量产生的相对误差可以控制在以内。

表 1头部模型质量的测量结果及相对误差Tab．1 The Results and Relative Error ofMeasuring the Mass of the Head AssemblyModel of the Hybrid Ⅲ50th Dummy逐步调整总装模型的位置，使三个拉压传感器的读数相等( =Ms．=Mc)，拖动扭盘至初始位置；松开扭盘，记录摆动周期为：312．56ms，最后依据公式(7)计算出总装模型的自身转动惯量，如表 2所示。

表 2头部模型转动惯量测量结果及相对误差Tab．2 The Results and Relative Error of Measuring theMoment of Inertia of the Head Assembly Model of theHybrid Ⅲ50th DummyHybrid III50th假人头部总装模型绕 z轴的自身转动惯量的平均值为 1．364kg／mrn 。手册中提供的该种类型假人头部总装模型绕z轴的转动惯量为 Jo=1．362e4kg／mm：，产生的相对误差为0．15％，满足测量要求。

影响转动惯量测量精度的因素除了空气阻尼外，还包括扭杆内能损失对精度的影响，以及机械摩擦对测量精度的影响等。

为了验证测量系统的稳定性及测量精度，我们选用不同质量的标准试件(质量为(1~5)kg的标准圆柱体)为测量对象，对系统的稳定性及测量精度进行验证。测量结果，如表 3所示。可以看出标准试件自身转动惯量的测量误差均小于0．3％，满足测量要求，说明测量系统具有较高的稳定性和测量精度。

表 3测量规则物体所得数据及相对误差Tab．3 The Data and Relative Error of Measuringthe Quality Distribute Equal and the ShapeRegularity of Object5结论该测量装置使用扭杆代替传统测量装置中弹簧作为动力元件，能够提供较大的扭转势能，适合测量较大物体的转动惯量；使用轴角编码器代替霍尔元件来测量扭盘的摆动周期，提高了扭盘摆动周期的测量精度；利用拉压传感器配合激光头，可以定位物体的质心所在位置，同时可以保证物体的质心与扭盘的回转中心重合 ，可以准确的测量质量不均匀、形状不规则物体的自身转动惯量。实验证明，质量的测量产生的相对误差小于0．06％。转动惯量的测量产生的相对误差小于O．3％，都满足测量要求。该测量系统有设计结构简单 、测量步骤简单、重复『生好 ，耗电量低等特点。

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