Материал: ВКР

где X_и, X_c, X_у - продольные координаты центра масс изделия, системы «устройство-изделие» и устройства соответственно; M_c, M_у – масса системы «устройство-изделие» и масса устройства соответственно.

Достоинства: относительная простота и дешевизна приспособления

Недостатки: предназначено для замера только одной координаты; отсчёт координаты ведётся от точки крепления на подвесе, поэтому необходим пересчёт размеров и возникает дополнительная погрешность измерения; дополнительная погрешность от трения в месте крепления крановых весов к каретке; точность измерения уменьшается с уменьшением рычага, то есть ограничен минимальный размер изделия.

Особенности приспособления: уровень пузырьковый 9, регулировочный винт 4, вес определяется по крановым весам 10, крепление на два подвеса 2.

В работе [6] авторами предложена полезная модель повышающая точность измерения координат центра масс крупногабаритных изделий методом взвешивания на трёх опорах в устройствах с весовыми тензометрическими датчиками. Она позволяет компенсировать погрешности измерения от сил и моментов сил, воздействующих на тензодатчики, а также их деформации. Указанный результат достигается применением в каждой регулируемой по высоте опоре устройства специального грузоприёмного механизма и компенсирующей подвижной (в заданных приделах) платформы. Следует отметить, что в предложенном решении предусматривается применение вычислительной техники, что значительно увеличивает производительность и удобство контроля. Каждый датчик нагрузки подключён к персональному компьютеру с соответствующими преобразователями, блоком памяти и монитором для вывода информации.

К минусам можно отнести то, что за одно измерение получится измерить только две координаты центра масс, а так как данное устройство разрабатывалось для измерения центра масс самолёта, то высотная координата осталась без внимания.

Известен стенд [7], позволяющий проводить как измерение центра масс, так и моменты инерции изделий. Часть стенда, отвечающая за определение координат центра масс, состоит из двух горизонтально расположенных рам. Во внутренней раме имеется крестовина с основанием и динамометрической платформой, на которую ставится изделие. Остальная конструкция отвечает за измерение центральных моментов инерции в динамическом режиме. Отличительной особенностью данного изобретения является наличие трёхкомпонентного динамометрического элемента, представляющего собой три пластины с тензодатчиками, каждая из которых ориентирована по одной из координатных осей стенда. Этот элемент предназначен в данной конструкции для измерения момента инерции, но за счёт представленной автором формулы позволяет измерять вертикальную координату центра масс изделия без переворачивания на 90 градусов изделия, но для этого изделие необходимо наклонить по двум осям на заданный угол несколько раз.

Таким образом стенд имеет узкие рамки использования и обладает дополнительными функциями по измерению моментов инерции, значительно усложняющими конструкцию. К достоинствам можно отнести то, что информация с датчиков углов, динамометров и тензодатчиков обрабатывается вычислительной техникой и для исполнителей измерений остаётся лишь трудность в установке и реализации придания сил и углов изделию на стенде.

Комплекс ля измерения массы, координат центра масс и моментов инерции [8] как и стенд [7] включает в себя два устройства, одно из которых предназначено для измерения массы и координат центра масс, второй – для измерения моментов инерции изделий. Первый состоит из двух рам, на горизонтальных балках которых с помощью специальных хомутов устанавливается изделие. При помощи вертикальных стержней балки соединены с четырьмя динамометрами, а основания динамометров соединены с опорными стойками, которые жестко закреплены на фундаменте. По сумме реакций сил измеряют массу изделия, а по комбинации сил реакций и известным координатам расположения динамометров – две горизонтальные координаты центра масс.

Данное изобретение позволяет производить механическое измерение центра масс изделий с вытянутой вдоль одной оси формы, что требует совмещения геометрического центра основания с вертикальной осью изделия и не даёт возможности измерения третей координаты без поворота изделия на 90 градусов. В некоторых случаях этот поворот не допускается техническими требованиями к изделию или невозможен ввиду размеров приспособления.

Наиболее близкое конструктивное решение к источникам [7], [8] имеет стенд [9]. В статическом режиме он позволяет измерять массу и три координаты центра масс изделия. Горизонтальные координаты определяются по динамометрическим силам, а для измерения вертикальной координаты изделию задается ряд последовательных углов наклона и измеряются моменты, возникающие в платформе.

Согласно патенту [10] для определения центрального момента инерции изделия вокруг любой оси и его центра масс возможно применение метода крутильных колебаний. Приспособление представляет собой две сборные из колец втулки, установленные вертикально на регулируемом основании и имеющих мембранно-пружинящую связь. Изделие устанавливается и закрепляется на платформу внутренней втулки и поворачивается на заданный угол и фиксируется спусковым механизмом. После пуска и придания изделию свободных колебаний вокруг оси приспособления датчиками считывается колебания, а ЭВМ рассчитывает момент инерции. Путём перемещения изделия на платформе опытным путём находят положение где момент инерции минимальный и принимают его координаты за координаты одной из оси центра масс.

Данный метод имеет ряд недостатков. Во-первых, для нахождения каждой из осей необходимо потратить неопределённое количество времени. Во-вторых, для обеспечения точности позиционирования изделия во время эксплуатации требуется дополнительная оснастка, которая создаёт собственный дисбаланс. В-третьих, для настройки и после подстройки упругого элемента – мембраны, с помощью эталонов момента инерции, необходима калибровка устройства. Также можно отметить что для данного устройства критично выставление основания в плоскость горизонта и сложность изготовления упругого элемента с мембраной.

Известен способ [11] определения центра масс изделий. Предложенное устройство основано на принципе нахождения координат из статических моментов, которые в свою очередь находятся уравновешиванием изделия относительно балансировочной опоры. Изделие устанавливается на стол, который имеет возможность вращения вокруг горизонтальной и вертикальной оси с шагом 90 градусов, что даёт возможность производить измерение без переустановки всех трёх координат центра масс. В зависимости от массы уравновешивающего груза с помощью уравнения высчитывают искомые координаты, а для облегчения подсчёта присутствует датчик усилия (весы), находящийся под грузовой площадкой. О положении равновесия сигнализирует лампочка, но процесс подбора массы до состояния равновесия всё рано является слабой стороной данного устройства, так как занимает много времени. Так же к недостаткам в некоторых случаях можно отнести необходимость переворота изделия и необходимость пересчета размеров центра масс от виртуальной оси изделия. Достоинствами данного изобретения являются: относительная простота конструкции, полнота определения положения центра масс.

Следует отметить, что автором предложен оригинальный метод нахождения массы изделия без его взвешивания, за счет двойного измерения горизонтальной координаты в положениях 90 и 180 градусов. А также отпала необходимость взвешивания, что положительно влияет на точность измерения, так как в уравнении отсутствует масса изделия, а, следовательно, и погрешность весов.

Можно усовершенствовать приспособление подбором груза гидравлическим приводом, что быстрее и точнее вводит устройство в состояние равновесия, а также с применением датчика давления или тензоризистора вводить и пересчитывать результат на ЭВМ, что решит проблему производительности.

Способ [12] использует для определения массы тела и его координат в заданной плоскости влияние отклонения центра масс на центробежную силу при вращении изделия относительно оси приспособления. Данный способ создавался как одно из возможных решений проблемы измерения тонкостенных или рамных конструкций (ферм), не имеющих достаточной собственной жесткости, что увеличивает погрешность измерения. Наличие самостоятельных свойств колебательных систем и риск деформации таких изделий делает способы, основанные на анализе колебательных систем (например, [10]) неприемлемыми. Горизонтальная координата центра масс в данном случае выводится из системы уравнений, при измерении центробежной силы, появляющейся двух разных и известных положениях изделия на установочной площадке. Само устройство представляет собой вращающуюся от электропривода платформу (с заданной силой) на которую устанавливается изделие. Автором не только решена проблема, связанная с появлением дополнительного дисбаланса от применяемых приспособлений для установки, но и использована с пользой, за счёт применения уравновешивающего механизма в каретке. Сама же каретка позволяет производить перемещения изделия на известную величину относительно центра координат стенда. Радиус-вектор отклонения изделия, пропорциональный центробежной силе и дисбалансу изделия, считывает фотоэлектрический датчик по отклонению светонепроницаемых линий на прозрачном диске. Существенный недостаток данного способа в количестве измерений для полного определения центра масс (3 переустановок и 9 этапов).

В автомобилестроении для определения центра масс используют методику, описанную в издании [13]. Координаты центра масс относительно осей автомобиля по горизонтали и высоте входят в расчётные уравнения, используемые для определения устойчивости транспортных средств и формулы для определения скоростей автомобилей, участвовавших в ДТП. Весьма прост в данном случае способ их экспериментального определения с помощью весов. Основываясь на положениях статики и теории равновесия сил производят измерение силы на одной из опор (в данном случае колёса автомобиля) и зная действительные размеры между опорами по формулам находят положение центра масс последовательно в продольном, поперечном и высотном направлениях.

Существует аналогичный способ измерений с помощью подвеса на двух опорах (цепях) равной длины, при этом для измерения высотной координаты применяют опору меньшей заданной длины.

В обоих случаях в уравнениях для нахождения искомых координат присутствуют погрешности длин опор, погрешности перекосов при измерении и не горизонтальности, погрешность весов. Если для автомобильной промышленности данные отклонения не критичны, то в других областях машиностроения требуется доработка методики.

Так же к недостаткам можно отнести сравнительную объёмность работ по измерению, таких как переустановка изделия и замеры расстояний, что пагубно влияет на производительность метода.

Достоинством является относительная простота метода.

В работе [15] для определения вклада звеньев в силу инерции общего центра масс тела человека используется оптико-электронный и динамометрический аппаратно-программный комплекс Qualisys с программным обеспечением «Qualisys Track Manager (QTM)» и «Visual 3D» (C-Motion). В этом методе на теле человека устанавливают маркеры от которых отражается инфокрасное излучение, считывается оптическими датчиками камер и передается на 3D модель по которой програмно-вычислительный комплекс производит расчеты моментов инерции и центр масс. Возможен перенос данного метода на измерения в машиностроении, если при подвесе изделия на одной опоре установить на него необходимое количество маркеров и смоделировать по его положению в пространстве координаты центра масс.

Описан алгоритм [17] для упрощённого весового определения трех координат центра масс изделий. Он основан на измерении веса в трех точках высокоточными электронными весами и одновременном измерении координат этих точек с помощью лазерного сканера (MV224 Metris). Оборудование для измерения состоит из трёх весов (GP-61KS), оснастки для установки и закрепления контролируемого изделия в горизонтальной плоскости, лазерного радара. Посредством пальцев, со сферами в месте контакта, нагрузка от оснастки с изделием определяется весами. Координаты центров сфер находятся лазерным радаром. Далее определяют две координаты центра масс системы по формулам:

где Y, Z, X – координаты до центров сфер, P – вес конструкции.

Для вычисления координат непосредственно изделия из полученных значений вычисляются значения координат оснастки в том же положении без изделия.

Для определения третей координаты по оси X, изделие переворачивают на 90 градусов вокруг оси Y и фиксируют на оснастке, тем самым меняя её с координатой Z и проводят те же расчёты.

Приведённая методика обладает такими достоинствами, как простота конструкции, полнота измерения, возможность измерения ЦМ как небольших, так и крупногабаритных изделий, однако требует современного дорогостоящего лазерного радара, переворачивание изделия для определения третьей координаты, трудозатрат на выверку координат относительно друг друга. Присутствуют погрешности от весов, лазерного радара, измерения расстояний между опорами и установкой оснастки.

Согласно статье [18] для определения центра масс ротора турбины используют программный пакет ANSYS по построенным CAD моделям. Ввиду того, что построенные теоретические идеальные модели не соответствуют действительным из-за погрешностей в обработке деталей и их сборке, в программу вносятся данные действительных геометрических отклонений и уточняется модель. После этого значения центра масс, выполненные математическим моделированием, совпадают с его действительными значениями. Данный алгоритм подходит только для контроля деталей и простых сборочных единиц, имеющих доступ ко всем входящим конструктивным размерам, необходимым для корректировки модели. Введение подобных корректировок даже на контрольно-измерительных машинах в данном методе требует больших временных затрат, а цена применяемого оборудования должна быть обоснована серийностью изготовления деталей.

В описании к полезной модели [20] представлен метод определения координат центра масс полезный для применения при контроле крупногабаритных изделий одного типоразмера. Устройство представляет собой сбалансированное основание, установленное на двух шарнирных порах с одной осью, способное вращаться на заданный угол посредством привода в третей, поднимающейся вертикально, опоре. Основание имеет между опорами на заданном расстоянии от оси вращения (начало координат приспособления) поворотное устройство, осуществляющее поворот контролируемого изделия в четыре положения с шагом 90 градусов. На вращающемся валу закреплён датчик поворота. Сущность метода заключается в том, что изделие поднимают до состояния неустойчивого равновесия и с помощью датчика снимают показание угла в этом положении. Эту процедуру повторяют четыре раза под углами 0, 90, 180, 270 градусов и, решая систему четырёх уравнений (S+y_с)/(Н+х_с)=tgα, (S+z_c)/(H+х_с)=tgβ, (S-y_с)/(Н+х_с)=tgγ, (S-z_c)/(H+х_с)=tgδ, находят координаты центра масс. Если в систему включить эталонный груз известной массы, то данный способ позволит определить и массу изделия m_и=m_гD/[(S+y_c)-(H+x_c)tgε].

Большим достоинством данного способа является отсутствие в составе устройства силоизмерительных датчиков с присущими им ограничениями по точности измерений. При этом существенным недостатком является необходимость приведения системы в неустойчивое равновесие. Это накладывает ограничение на габариты измеряемого изделия ввиду пригодности способа только для центров масс близких к геометрическому центру (иначе необходим большой угол наклона).

Согласно патенту [21] используется способ вертикальной динамической балансировки изделия. В процессе балансировки определяется смещение двух горизонтальных координат центра масс изделия относительно центральной оси приспособления. Устройство представляет собой две шарнирные опоры с перпендикулярными осями по типу карданного вала способны вращается вокруг вертикальной оси приспособления с изделием от электродвигателя. Наклоны изделия в сторону смещения центра масс определяются четырьмя весовыми датчиками, расположенными в зазорах между подвижными частями на одном радиусе от вертикальной оси. Устройство позволяет измерять массу и моменты инерции в горизонтальной плоскости, но только в динамическом режиме. Определение координат центра масс не требует включения электродвигателя, но необходим поворот изделия на 90 градусов для получения данных с 4 датчиков силы. Из полученной системы уравнений определяют координаты: ρ_y=[(P′_8-1-P_8-1)-(P′_9-2-P_9-2)]r/ω²mH; ρz=[(P′_8-2-P_8-2)-(P′_9-1-P_9-1)]r/ω²mH.

Метод имеет такие недостатки как: осуществление замера только двух координат; дополнительные погрешности от необходимости перерасчёта координат от центральной виртуальной оси; погрешность силоизмерительных датчиков, погрешности от наклона элементов конструкции, подшипников.

В описании [23] к изобретению описано устройство, состоящие из измерительной площадки, шарнирно закреплённой на двух опорах (подвижной с приводом вертикальной подачи и неподвижной). В выдвижной опоре (на подвижной в горизонтальном направлении каретке) имеется силоизмерительный датчик с помощью которого определяют массу и моменты для решения системы уравнений.

В процессе приведения измерительной площадки с изделием в наклонное положение, каретка под действием штанги перемещается по горизонтальной плоскости подвижной опоры одновременно с изменением плеча силы площадки на силоизмерительный датчик, что исключает возникновение погрешности в измерении боковых усилий от сил трения каретки и опоры, обеспечивая неизменность положения силы относительно датчика измерения силы.

Устройство отличается простотой и надёжностью конструкции, следовательно, приемлемой точностью определения массы и трех координат центра масс изделий. Конструкцию можно усовершенствовать с целью увеличения габаритов изделия, для необходимо изготовить основание, измерительную площадку и штангу соответствующей длины.

К недостаткам приспособления можно отнести отсутствие поворотного устройства для удобства измерения. Необходимость определения реакции опоры в двух положениях с изделием и без него.

В описании [24] описан способ контроля положения центра масс с помощью устройства, состоящего из неподвижной балансировочной опоры и подвижной в вертикальной плоскости опоры с домкратом для осуществления измерения высотной координаты центра масс. Установочная площадка, на которой происходит уравновешивание имеет на противоположных концах площадки под уравновешивающий и контрольный грузы. Способ основан на приведении изделия в неустойчивое равновесие моментами от грузов заданной массы. Отличительной особенностью так же является наличие у балансировочной опоры элемента с двумя параллельными призматическими гранями, добавляющие в систему уравнений вторую опору на заданном расстоянии.

Весомым недостатком конструкции и метода является наличие дополнительных погрешностей от массы грузов; необходимость применения контрольных грузов для проверки состояния равновесия; при этом весь процесс измерения должен повторятся как с изделием, так и без него для тарировки установочного стола. Таким образом для замера трёх координат необходимо десять уравновешиваний и один поворот изделия на 90 градусов, что значительно влияет на производительность метода. Необходимость приведения системы каждый раз в состояние неустойчивого равновесия делает пригодным этот способ только для деталей с центром масс близким к геометрическому центру в горизонтальной плоскости.

В изобретении [25] описано устройство для осуществления в том числе и для определения координаты центра масс. Оно представлено в виде карданного механизма, осуществляющего согласованное вращение изделия вокруг двух осей, установленного в цилиндрической камере с предварительно заданным положением. Положение центра масс вычисляется вычислительным устройством на основании составленной матрицы тензора инерции, входными данными для которого являются показания датчика угловой скорости после придания устройству разных крутящих моментов электродвигателем.

Сложность устройства и программно-вычислительных методов обусловлена расширенной областью применения. Оно способно измерять без потери точности на переустановы осевые моментов инерции, тензоры инерции и центр масс тел. Устройство узконаправлено, так как имеет ограниченную камер загрузки для изделий, требует придания вращения с разной скоростью и торможениями, что недопустимо для точных электронных приборов. Хотя процесс замера и автоматизирован, потребуется значительное время для установки изделий сложной формы с применением специальной оснастки и учёта её массы.

Осуществление нахождения всех трёх координат за одну установку по средствам современного вычислительного аппарата безусловное достоинство метода.

Существует стенд [26] для определения центра масс изделия в процессе его разборки. Устройство стенда отличается простотой исполнения. На четырёх вертикальных опорах (тросах) с тензодатчиками подвешена рамка-основание с установленным изделием. Показания с датчиков обрабатываются вычислительным устройством, принимая значения постоянных длин приспособления и расстояния до устанавливаемого изделия. Данное устройство не позволяет измерять вертикальную координату центра масс без переворачивания.

Известен способ [29] двойного взвешивания для нахождения центра масс самолёта в вертикальной плоскости. Проводят два взвешивания в горизонтальном положении и под заданным углом на двух весах. Зная нагрузку на каждые из весов и расстояние между ними по правилам механики определяют две равнодействующие силы тяжести, их пересечение и будут искомыми координатами.

Это простой метод, но малопроизводительный в включающий в себя погрешности весов, измерений длин и погрешности перемещения.

Согласно источнику [28] в случаях отсутствия средств прямого взвешивания объектов и условиях ограниченного пространства возможно нахождение координат центра тяжести крупногабаритных конструкций с амортизаторами способом многократного пространственного взвешивания в горизонтальном и отклонённом положениях. Процесс создания крена осуществляют при помощи домкратов с датчиками монотонно и ступенчато, регистрируя показания силы в амортизаторах и домкратах до момента спада подъёмных силы. Точность метода зависит дискретности подъёма и опускания. Значение высоты центра масс рассчитывают исходя из сил реакции в опорах, расстояния между опорами, горизонтальной координаты центра масс и угла крена по формуле: H=(F_3,4‧x_a1+ F_1,2‧x_a2-G‧x_c)/G‧φ.