質(zhì)心測量方法綜述

摘 要：質(zhì)心測量是在科研生產(chǎn)及工程研制中的一種重要基礎(chǔ)測量項目，尤其在軍工及航空航天領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。文章對國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域中常見質(zhì)心測量方法進行綜述，并闡述了不同質(zhì)心測量方法的誤差處理模型以及相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域，提出了質(zhì)心測量發(fā)展方向的管窺之見。

關(guān)鍵詞：質(zhì)心測量；多支點支撐法；不平衡力矩法

引言

在機械工程領(lǐng)域，質(zhì)心測量是一個應(yīng)用十分廣泛的測量項目，為科研生產(chǎn)提供了重要的基礎(chǔ)研制數(shù)據(jù)。在航天工程領(lǐng)域，為了精確控制導(dǎo)彈的飛行姿態(tài)和提高命中目標(biāo)的精度，研制過程中必須精確測量火箭發(fā)動機與全彈的質(zhì)心[1]。汽車質(zhì)心位置是影響汽車操縱穩(wěn)定性、汽車安全性的重要指標(biāo)[2]。而農(nóng)業(yè)機械的質(zhì)心位置將影響其動力性能、作業(yè)和行駛的穩(wěn)定性和加速時的反應(yīng)等[3]。

通過上述可知，在與機械工程相關(guān)的諸多行業(yè)，均會遇到質(zhì)心測量的問題。文章對國內(nèi)外不同的質(zhì)心測量方法進行介紹，并對其相應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域作以簡要分析。

1 質(zhì)心測量方法簡介

1.1 機械重力法

機械重力法的主要代表是懸吊法。懸吊法的原理是通過被測物體懸掛點的垂線必然經(jīng)過質(zhì)心。其用兩根鋼絲繩、一個標(biāo)記板和一個鉛錘就可進行測量，測試設(shè)備簡單[4]。其在待測物體上安裝質(zhì)心梁，利用兩根鋼筋繩穿過兩個質(zhì)心梁后懸掛于一點，使之自然下垂。其懸掛點向下投影點必然經(jīng)過被測物體的質(zhì)心。在固定在被測物體的標(biāo)記板上記錄投影位置。變化懸掛位置，重復(fù)上述操作，得到質(zhì)心所在平面。再次變化懸掛位置，重復(fù)上述操作，即可確定質(zhì)心的空間位置。

1.2 靜態(tài)質(zhì)心測量法

1.2.1 不平衡力矩法。不平衡力矩法的主要思想是，將待測物體安裝在完全由無摩擦支點支撐的測量臺上，如果物體的質(zhì)心相對于通過刀口支點的垂直軸線有一個位移，會產(chǎn)生一個大小等于物體的重力乘以位移量的力矩，力矩傳感器可以檢測出不平衡力矩的大小，即可得出已知質(zhì)量的待測物質(zhì)心相對于刀口支點垂直軸線的距離；如果傳感器輸出結(jié)果為零，則說明待測產(chǎn)品質(zhì)心在通過刀口支點的垂直軸線上。

1.2.2 多支點支撐法。多支點支撐法一般在被測物體下面放有測量臺，用3個或者更多的稱重傳感器共同支撐測量臺，質(zhì)心通過各傳感器相對基準(zhǔn)中心的位置進行求矩計算。

整個質(zhì)心測量系統(tǒng)由稱重系統(tǒng)和空間坐標(biāo)測量系統(tǒng)構(gòu)成。質(zhì)心測量過程為：將被測物由吊裝系統(tǒng)平穩(wěn)吊起放置在稱重系統(tǒng)上，稱重系統(tǒng)得出的質(zhì)量值結(jié)合空間坐標(biāo)系統(tǒng)測量得到的傳感器位置計算出被測樣件的二維質(zhì)心值，再將被測物體旋轉(zhuǎn)90°，可以得到剩下的另一個質(zhì)心值。通過上述操作即可得到空間三維質(zhì)心坐標(biāo)。

1.2.3 傾斜平臺法。傾斜平臺法是基于多支點支撐法發(fā)展而來。具體測量計算步驟為：平臺保持水平狀態(tài)，測量并計算出被測物體平面二維坐標(biāo)：使平臺傾斜一定角度，測量計算出質(zhì)心的垂直坐標(biāo)。測量多個不同角度，可以得到一系列垂直坐標(biāo)。求平均值后即可得到比較精確的垂直方向質(zhì)心坐標(biāo)。測量多個不同角度，可以可到一系列垂直坐標(biāo)，求均值后即可得到比較精確的垂直方向質(zhì)心坐標(biāo)[7]。

1.2.4 起吊法。起吊法是將被測物一端吊起，采用拉力傳感器測量吊起力的方法。測量前進行配套標(biāo)定一保證測試精度。測量時首先測定水平狀態(tài)時被測物體質(zhì)量，將被測物體后部用厚度相同的墊板墊起，吊起被測物體前端處于水平狀態(tài)，測量吊起一端的力，然后在逐漸將被測物體吊起，在不同的測量角度下測定出相應(yīng)的力（測力時吊起力的方向應(yīng)保證垂直），然后按下式計算出被測物質(zhì)心高度Hg？茲。

式中：？駐Gf？茲=Gf0-Gf？茲；L-吊起點至后部的水平距離；h-吊起點至后部平面的垂直距離；G0-被測物總質(zhì)量；？茲-被測物吊起角度。

測量時吊起角度在大于18°～20°時，測試結(jié)果較穩(wěn)定，一般情況下選擇3個不同的角度，每個角度重復(fù)測量5次，去實驗結(jié)果的平均值作為被測物體的質(zhì)心坐標(biāo)。

1.3 動態(tài)質(zhì)心測量法

1.3.1 旋轉(zhuǎn)平衡法。將被測物體放在測量旋轉(zhuǎn)臺上，用壓力傳感器測量被測物體對軸承的壓力。這樣物體的質(zhì)心可由其動態(tài)平衡分析計算而得。這是一種動態(tài)測量法，采用了離心力原理。

1.3.2 轉(zhuǎn)動慣量法。被測物體被安裝在倒置的扭擺上測物體的轉(zhuǎn)動慣量。將物體放在測量臺面的不同位置，其轉(zhuǎn)動慣量也不同。對物體不同位置的慣量進行連續(xù)測量，直到找到一個最小值，這是扭擺的中心軸通過物體質(zhì)心。

2 質(zhì)心測量方法誤差及應(yīng)用分析

2.1 誤差分析

機械重力法應(yīng)用重力和相應(yīng)機械結(jié)構(gòu)進行質(zhì)心的測量。由于沒有具體的計算質(zhì)心用到的測量值，因此測量到的質(zhì)心是標(biāo)記出來而非質(zhì)心坐標(biāo)。而且測量設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)往往比較粗糙，因此該方法測得的質(zhì)心精度較低。

靜態(tài)質(zhì)心測量法用到傳感器采集的壓力，角度或位移數(shù)據(jù)，通過力矩平衡原理解算被測物體的質(zhì)心。這樣就可以計算質(zhì)心相對基準(zhǔn)點的坐標(biāo)值。該方法質(zhì)心測量的精度主要取決于傳感器的隨機誤差以及測量機構(gòu)的系統(tǒng)誤差。

動態(tài)質(zhì)心測量法是利用離心力原理或測轉(zhuǎn)動慣量原理測量質(zhì)心的方法。該方法需要測量物體在動態(tài)狀況下的力、角速度以及轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)，從而測定質(zhì)心位置。其精度取決于被測物體與測量臺之間相對滑動造成的誤差，以及傳感器的測量誤差影響。

2.2 應(yīng)用領(lǐng)域

不同的質(zhì)心測量方式可應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。機械重力法精度的且測試設(shè)備粗糙，一般用于農(nóng)業(yè)及工業(yè)領(lǐng)域大中型粗放化產(chǎn)品的質(zhì)心估計。靜態(tài)測量法中，多支點支撐法是非常常用的方法。由于壓力傳感器和位移傳感器的測量范圍大，配合相應(yīng)尺寸的測量機構(gòu)就可以測量相應(yīng)尺寸的設(shè)備。因此其應(yīng)用領(lǐng)域很廣，例如測量發(fā)動機、車輛、不規(guī)則物體等。然而由于傳感器測量量較多導(dǎo)致隨機誤差多，且測量機構(gòu)存在系統(tǒng)誤差，因此造成質(zhì)心偏差的誤差源會比較多，質(zhì)心測量精度不容易把控。

在靜態(tài)質(zhì)心測量方法中，不平衡力矩法測量精度較高。由于被測物體和支撐支架由刀口支撐，其機械機構(gòu)相對更加精密，力的采集為點力而非面力，不確定度最小，測量系統(tǒng)中機械機構(gòu)造成的誤差最小。如果提高傳感器測量精度將會使測量的質(zhì)心非常精確，這就可以使其應(yīng)用在質(zhì)心測量精度要求非常高的場合。

動態(tài)實心測量法需要在旋轉(zhuǎn)過程中測量質(zhì)心，搜奇測量方法所限，質(zhì)量大的物體難以用此方法測量。因此動態(tài)質(zhì)心測量法只能用于小型物體質(zhì)心的測量。

3 結(jié)束語

文章主要闡述了關(guān)于質(zhì)心測量的諸多方法，并介紹了各個方法的測量精度以及應(yīng)用領(lǐng)域。文章所述的質(zhì)心測量方法已經(jīng)成熟地應(yīng)用，且很多方法（例如多支撐點支撐法和不平衡力矩法）已經(jīng)通過改進使其測量精度有所提升，但仍存在著測量質(zhì)心精度達不到要求或測量機構(gòu)復(fù)雜的問題。質(zhì)心測量方法更加優(yōu)化，或測量機構(gòu)專業(yè)性更強，滿足高精度質(zhì)心測量的需求是今后質(zhì)心測量必然的發(fā)展趨勢。

參考文獻

[1]樊新華.非規(guī)則外形產(chǎn)品定質(zhì)心測量技術(shù)研究與實現(xiàn)[D].哈爾濱工程大學(xué)，2012.

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[3]鐘江，趙章風(fēng)，喬欣，等.農(nóng)業(yè)機械質(zhì)心測量方法研究[J].農(nóng)業(yè)機械，2010（3）.

[4]劉建營.固體火箭發(fā)動機質(zhì)心測量技術(shù)評述[J].固體火箭技術(shù)，1991（4）.