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、六個分布于支撐板四周的壓力傳感器、機械傳動結構與電算電路及單片微機組成，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，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系上在各個坐標上的分量，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，當使得物體與支撐板轉動一定的位置后得到更多的重力作用線的方程，利用重心經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總三點共線，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構簡單，操作方便的自動化、電算化儀器的生產使用成為可能。
【專利說明】—種基于力矩平衡原理的重心測定儀
【技術領域】
[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生產中的構件(如飛輪、轉軸、機床)、產品(如發動機)、產品模型(飛機、輪船、汽車模型)或其他對重心測量有需求的常用物品等實體的重心進行測量，屬于重心測量領域。
技術背景
[0002]重心為物體上各質點所受的重力與該質點與此點的水平距離的積的代數和為零的一點，因此要求一個實體的重心坐標就必須得到整個物體內外部形態、各質點的密度的數據。產品、結構體的重心的位置對產品、結構體的穩定性、靈活性、可操縱性以及使用時的實用性等性能有著重要的影響。因此在產品、結構體成型之前，對其重心進行有效精確地測定，是優化產品設計必經的流程之一，同時也是產品定型后性能優劣的重要指標之一，其具體在航天工程、汽車制造、船舶制造、工業生產實踐、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行測量，如稱重法，浮力法，懸掛法等。無線傳感器網絡技術、工業CT掃描法與核磁共振法:運用無線傳感技術、CT掃描、核磁共振對三維實體內外部形態進行有效測定，再運用重心性質坐標方程求解，但此種方法存在技術難度大，技術成本高，且不能測定具有內部空腔三維實體及密度不均勻的三維實體重心的特點；懸掛法是將三維實體用柔性繩懸掛起來，此時物體重心將位于繩所在空間直線上，轉換空間位置，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據，但由于三維實體在柔性繩索非剛性約束作用下，自由度較大，不穩定，故目前還沒有采集數據的有效方法，故此種方法不能實現重心測定的自動化，運用前景較差；稱重法通過合理布局力傳感器，運用空間力矩平衡原理求解三維實體的重心坐標，此種方法是運用較為廣泛的方法，但目前國內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據，進而求解三維實體的空間坐標；角度傳感器的應用使得使得測量裝置變得復雜，測量程序不夠簡便；浮力法采用精密運動平臺來控制物體等步長浸泡于液體中，實現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信息:此種方法測量流程復雜且存在著僅適用于密度均勻的三維實體的運用不通用的缺點。
[0004]而本發明將力矩平衡原理在重心測量領域內從二維平面推廣到三維空間，實現三維實體三維空間坐標的測量并綜合利用稱重法與懸掛法得到新的實體三維重心測定的新方法:即利用稱重法對三維實體受力情況進行測量，并用懸掛法利用兩條重心所在空間直線會交點得到三維實體重心坐標的方法求解三維實體重心坐標對實體的重心進行測量，從而僅運用單一的力學傳感器間接測量重心坐標(克服了已有方法中需利用角度傳感器測量受力構件與水平面夾角的復雜化得結構缺點)，使得重心測定儀的結構大為簡化，并且，本發明可方便快捷即時檢測出在儀器允許的空間內、在儀器稱重量程范圍內的任何三維實體的空間坐標，并且使測得的重心可視化、自動化。
【發明內容】
[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械傳動結構與用于計算待測物體重心的電算電路及單片微機組成。
[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、上下方向三個不同的方向上，且傳感器僅安裝于各個方向上的單側，其中上下方向至少安裝三個傳感器，前后方向與左右方向各至少安裝一個壓力傳感器。
[0007]本發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，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系上在各個坐標上的分量，從而得到G,6的方向向量，最后利用空間線性代數原理求解重力作用線，當使得物體與支撐板轉動一定的位置后得到更多的重力作用線，利用重心經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總三點共線，綜合M物、M板即可求得待測物體的重心坐標6_ (xft, zfe)，本發明利用該原理設計出在保證測量精度前提下結構簡單，操作方便的自動化、電算化的用于測量實體重心坐標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是本發明求解原理(物體在支撐板上受力)的示意圖。
[0009]圖2是本發明支撐 板上所受傳感器與待測物體支持力與壓力的力學模型示意圖。
【具體實施方式】
[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建立空間直角坐標系，則重力作用線與板面必有一個交點，根據空間力矩平衡原理可求得此作用點相對于板上的坐標系上的坐標，設此點為A點，且其過重力作用線，同時，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三個方向上的分力而得的重力作用線的方向向量求得。由線性代數中已知直線上一點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于平面板上空間直角標坐標系的方程。當平面板與板上的物體在轉動一個角度時，可以得到相對于平面板上空間直角坐標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。
[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Ε。
[0012]實際測量中，在對物體進行測量時，必須同時對板進行測量則上述的重心E實際是物體與板的綜合重心G總，設已知板的重量為M板，板的重心為G板Zis)，設所測物體質量與重心分別為為由空間力矩平衡原理易得6^6|、6@三點共線，故有:
【權利要求】
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、傳動結構、電算電路及微機、數顯驅動電路與數顯屏組成。
2.如權利要求書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、上下方向上三個不同的方向上，且傳感器僅安裝于各個方向上的單側，其中上下方向至少安裝三個傳感器，前后方向與左右方向各至少安裝一個壓力傳感器。
【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 優先權日:2013年10月1日
【發明者】劉志武, 姜雪松 申請人:東北林業大學