车辆质心位置测量系统的研制

坐标 ( xdc1 , ydc1 , 0) , ( xdc1 , ydc2 , 0) , 液压缸下铰中心 点到上铰中心点的距离 L d ; 平台的前倾角 θ; 3 个
支撑铰的受力 F1 , F2 , F3 .
2. 3 欲求解参数
车体的质量 m1 , 车体质心在平台坐标系中的
坐标 ( xc , yc , zc)
+
m2 x2c m1] c来自tθ-( F1 + F2) xdc1 ×
m1 g
L dcot θ+ xdc1
.
L
2 d
sin2
θ 2
+
4〔x dc1 si n
θ 2
+
Ld 2
cos
θ〕2 2
m2 m1
Z2 c
-
(7)
误差 ,采样误差等. 考虑到台体质量与质心位置可以标定得非常
精确 ,2 个驱动缸支点的坐标可以非常准确地测量 出来 ,而且系统误差可以通过标定的办法进行补 偿. 而由传感器非重复性造成的随机误差是不能补 偿的 ,其中称重传感器 (量程为 75 000 lb ,非重复性
2 d
sin2
θ 2
+
4〔x dc1 sin
θ 2
+
Ld 2
cos
θ〕2 2
式中 : xc 为车体的 X 向质心坐标 ,mm ;
y′c = yc - y1 .
zc
zc - z1
(8)
Δ1 为平台前倾时 ,车体质心沿 X 向移动距 3 误差分析
离 ,mm ; θ为平台的前倾角 ; z2c为平台质心的 Z 向坐标 ,mm ; yc 为车体的 Y 向质心坐标 ,mm ; ld 为驱动液压缸的初始长度 ,mm. 最后得
Study on development of vehicle mass and centroid measurement system ZHAO Xin2tong ,J IANG Hong2zhou , HAN J un2wei
( Harbin Institute of Technology , Heilongjiang Harbin 150001)
x2c为平台质心的 X 向坐标 ,mm ;
m1 为车体的质量 ,kg.
第四步 :求解车体的 Y 向质心坐标 yc
yc = ( F1 ydc1 + F2 ydc2 - m2 gy2 c) / m1 g .
(4)
式中 : ydc1 , ydc2分别为 2 个驱动缸铰支点的 Y 向坐
标 ,mm ;
y2c为平台质心的 Y 向坐标 ,mm ;
车辆的质量 - 惯性特性是描述车辆结构动力 学特性的基本特性参数. 在车辆的动力学分析和设 计中 ,需要通过计算或试验方法确定这些参数 ,并 根据设计要求对这些参数进行必要的调整以满足 动力学设计目标[1 ] .
车辆的质量 - 惯性特性的识别方法包括 2 个 基本途径 :计算方法和试验测试方法[2] . 计算方法 根据车辆设计图纸所给定的密度分布和几何形状 尺寸 ,按照定义的计算公式计算. 对于简单形状的 均质物体可以用手算方法 ;对于复杂的零件则应用 计算机模拟方法 ,计算机模拟方法采用的模型有 点 、杆 、板和实体块等多种形式 ,计算精度取决于模 型对实物模拟的逼真程度. 随着 CAD 技术的发展 , 可以大大提高计算的效率和精度. 但是 ,计算模拟
m2 为平台的质量 ,kg ;
g 为重力加速度 ,取 9. 8 m2/ s.
第三步 :求解车体的 X 向质心坐标 xc
xc [ ( F1 + F2) xdc1 - m2 gx2 c ]/ m1 g.
(3)
式中 : F1 , F2 分别为 2 个驱动缸铰的受力 ,由 2 个
称重传感器给出 ,N ;
xdc1分别为 2 个驱动缸铰的 X 向坐标 ,mm ;
第六步 :通过坐标变换求解车体质心在车体坐 标系中的位置 ( x′c , y′c , z′c) ,
精度为 0. 1 ‰) 的误差为 Δ F = 75 ×0. 454 ×103 ×9. 8 ×1 ×10 - 4 = (下转 312 页)
·312 ·
哈 尔 滨 商 业 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) 第 20 卷
2. 4 测量原理
第一步 :台体保持水平 ,被测车体固定在平台
上. 求解车体坐标系原点在平台坐标系中的坐标
( x1 , y1 , z1) . 其中 : x1 , y1 可用初始位置测量系统精
确测出 ,而 z1 可用公式 (1) 计算 :
Z1 = H + L + ZL1 .
(1)
式中 : H 为平台的厚度 ,mm;
悬挂) 方法[2] ,用于测量质心的一维坐标. 对于一些 大型结构 ,也可以采用 4 点支承 (或悬挂) 方案测量 质心位置的二维平面坐标[4 ,5 ] .
对于质心位置的三维坐标测量 ,利用静态称重 法需要测量 2 个不平行的平面内的二维质心坐标 , 本文采用的就是这种方法.
1 系统构成
质心位置测量系统由两自由度运动平台和计 算机测控系统等两大部分构成 ,其中 ,运动平台是 由活动平台和作动器 (液压缸) 通过虎克铰连接而 成的. 在计算机测控系统的控制下 能够实现俯仰 和侧倾 2 个自由度运动. 驱动平台运动的液压缸采 用伺服控制 ,出力大 ,位置精度高 ,因此提高了平台 定位精度及质心位置测量精度. 另外由于采用闭环 伺服控制 ,并对整个测量步骤进行规范化并在测控 系统中采用软件实现 ,避免了大量的人工调节 ,实 现了整个测量过程的自动化 ,如图 1 所示.
第五步 :台体前倾 ,求解车体的 Z 向质心坐标
zc
Zc = [ ( m1 ( xc - Δ1)
+ m2 x2c)
g cos θ- m2 g·z2 c·sin θm1 gsin θ
( F1 +
F2) xdc1·Sβ] .
(5)
Sβ =
L dcos θ+ xdc1sin θ
(6)
x′c
xc - x1
L
在上述质量质心测量系统中 ,影响测量精度的 误差可以分为系统误差和随机误差两大类 ,其中系 统误差包括 :称重传感器的安装位置误差 ,不需要 测量的力和力矩分量在称重传感器上产生的耦合 误差 ,平台的质量和质心标定误差 ,驱动缸铰点位 置误差等 ;随机误差包括 :称重传感器的非重复性
Zc = [ ( xc - Δ1 )
L 为平台下表面到平台坐标系 XOY 面的距
离 ,mm;
ZL1为车体坐标系原点距离平台上表面的高
度 ,mm.
第二步 :平台水平 ,求解车体的质量 m1
m1 = ( F1 + F2 + F3 - m2 g) / g.
(2)
式中 : F1 , F2 , F3 分别为个支撑铰的受力 ,由 3 个称
重传感器给出 ,N ;
图 2 平台坐标系与车体坐标系
a) 质心 X 坐标的测量 (平台水平)
图 1 平台及运动系统
2 质心测量原理和求解过程
质心测量系统的测量原理参见图 2 和图 3 , 称 重传感器安装在平台的 3 个铰点处 , 测量原理及 求解过程如下. 2. 1 坐标系的选择
为方便计算 ,选取支承铰的回转中心为坐标系 原点 ,建立平台坐标系 OXYZ ,其中 OX 轴为平台长 边方向 , OY 轴为平台短边方向 , OZ 轴为竖直方 向 ,称重传感器的测力方向沿 OZ 轴. 选取车体上 某一固定点 (后轴中点) ,建立车体坐标系 O′X′Y′ Z′(如图 2 所示) .
第 20 卷 第 3 期 2004 年 6 月
Journal
哈尔滨商业大
of Harbin University of
学 学 报 (自然科学版)
Commerce ( Natural Sciences
Edition)
Vol. 20 No. 3 Jun. 2004
车辆质心位置测量系统的研制
Abstract :The measurement of vehicle centrolid’s position with the captive load , needs to mea2 sure the two dimensional centroid coordinates twice in two intersected planes. This paper has de2 signed a 2 - DOF platform , It can form two unparallel planes for the measurement under accurate control , and realized the measurement of vehicle centroid. This paper fully discussed the mea2 surement principle method ,analyzed calculated the measurement error. Key words :vehicle ; mass ; centroid ; measurement
收稿日期 :2003 - 12 - 28. 作者简介 :赵新通 (1971 - ) ,男 ,哈尔滨理工大学机械学院讲师 ,哈尔滨工业大学博士研究生 ,研究方向 :并联机构动力分析及机械系统结构 优化设计.
第 3 期 赵新通 ,等 :车辆质心位置测量系统的研制
·305 ·
社 ,1990. [5 ] 朱希宁. AutoCADR14 工程设计与范例[M] . 北京 :中国大地出
版社 ,1998.
图 5 Ω 的水平投影
图 6 Ω1 的正等侧
(上接 306 页)
假设车体质心在 c1 点 ,在平台坐标系中的坐 标为 ( xc , yc , zc) , 在车体坐标系中的坐标为 ( x′c , y′c , z′c) ,平台质心在 c2 点 ,在平台坐标系中的坐 标为 ( x2 c , y2 c , z2c) .
b) 质心 Y 坐标的测量 (平台水平)
c) 质心 Z 坐标的测量 (平台前倾 10°,15°) 图 3 质心测量平台原理及其力学模型
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哈 尔 滨 商 业 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) 第 20 卷
2. 2 已知参数
平台的质量 m2 , 平台的质心坐标 ( x2c , y2c ,
z2c) ,车体坐标系原点在平台坐标系中的坐标 ( x1 ,
y1 , z1) ;平台处于水平位置时 ,2 个驱动缸铰支点的
方法对于真实结构存在不可忽略的误差 ,其原因主 要有 :密度的差异和材料的非均质 ,加工和装配误 差 ,非固体材料的影响难以精确计算等. 因此对于 质量 - 惯性特性参数精度要求较高的车辆 ,试验测 试方法是必不可少的.
在质量 - 惯性特性诸参数中 ,质量的测量是首 要和基本的 ,其通常基于静态称重方法 ,由物体的 重量导出其质量 ,这是最为简单而成熟的技术途 径[2 ,3] . 质心位置的试验测试方法也是基于静态称 重技术 ,首先建立静力平衡方程 ,通过支反力与重 力之间力和力矩的平衡关系确定质量和质心位置. 这种方法的最基本的方案是 3 点非共线垂直支承 (或悬挂) 静态称重. 在特殊的情况下 ,静态称重法 测量质心位置也采用 2 点 (或 2 条平行线) 支撑 (或
参考文献 :
[1 ] 沈士钊 ,陈 昕. 网壳结构稳定性 [ M] . 北京 : 科学出版社 , 1999.
[2 ] 王肇民. 建筑钢结构设计[M] . 上海 : 同济大学出版社 ,2001. [3 ] I. D. 福克斯. 设计与制造用的计算几何学[M] . 北京 :国防工
业出版社 , 1996. [4 ] 孙家广. 计算机辅助几何造型技术[M] . 北京 :清华大学出版
赵新通 , 姜洪洲 , 韩俊伟
(哈尔滨工业大学 机械电子工程学院 ,黑龙江 哈尔滨 150001)
摘 要 :利用静态称重法测量车辆质心位置的三维坐标 ,需要分别测量 2 个不平行平面内的二维质心 坐标. 设计了一种两自由度运动平台 ,通过精确控制平台的位置 ,构造出 2 个不平行的平面 ,从而实现 了车辆质心三维坐标的测量. 详细介绍了测量原理和方法 ,并对测量误差进行了分析和计算. 关键词 :车辆 ; 质量 ; 质心 ; 测量 中图分类号 :TP273. 4 文献标识码 :A 文章编号 :1672 - 0946 (2004) 03 - 0304 - 03