质量特性测试平台负载作用下的干扰力矩

质量特性参数主要包括物体的质量、质心、转动 惯量、惯性积等 [1] ，是高速远程飞行物体自动控制及 测试的重要参数 [2 3] ，也是众多工程领域所关心的重要 参数 [4] 。因此，在航空航天及军事等领域，质量特性 参数测试设备起着极为重要的作用 [5] 。早在 20 世纪 60 年代，美国 Spaco Inc 公司的质量测量实验室就对刚体 和液体的质量特性参数的测量进行了研究 [4, 6] 。迄今为 止，美国肯尼迪航天中心 [7 8] 、Space Electronics Inc [9] 等研究机构已经开发出一系列精度高、自动化水平高 的质量特性测试设备。我国从 20 世纪 80 年代开始较 为系统地研究开发质量特性参数测试设备 [10 12] ，但质 量特性测试设备集成化程度不高，精度低，自动化程 度低。随着对质量特性测试设备要求的提高，亟待研 究高精度、高效率的质量特性测试平台。为此，本文 作者在充分了解国内外质量特性测试方法和进展的基 础上，采用一种以半球气浮轴承为支点的质心、转动 惯量测量的一体化质量特性测试方案。测试平台依靠 压缩空气在气浮轴承与轴承座之间形成的气膜使平台 浮起，从而实现近似无摩擦的相对运动，大大提高了 测试精度。平台质心采用不平衡力矩法测量，转动惯 量采用扭摆法测量，1 次安装就可以测出试件的质心 和转动惯量，实现了质量特性的快速测量。国内外质 量特性测试平台研究中多将浮起平台视为刚体，而对 受力变形引起平台质心变化对测量精度的影响忽略不 计。但当质量特性测试平台精度要求较高时，负载引 起的平台质心变化将产生干扰力矩，带来质心测量误 差。浮起平台采用圆柱板式结构，在负载作用下平台 的变形为小变形。本文根据弹性力学薄板弯曲理论推 导出负载作用下有限元单元质心位移公式及结构整体 质心弹性位移公式，计算质量特性测试平台在测量过 程中质心的弹性位移和由此产生的干扰力矩，研究浮 起平台负载作用下产生干扰力矩的规律，以便为平台 的结构设计和测试精度的提高提供依据。

1 浮起平台的有限元模型

1.1 浮起平台的结构

质量特性测试平台结构如图 1 所示。台体(浮起部 分)由半球气浮轴承支撑，悬浮于空中，气浮轴承既为 转台又为中心轴。用 1 根空心管穿过球轴承的基座， 空心管的下端装在圆柱气浮轴承上，气浮轴承与测力 传感器相连接，吊起后形成一个刚性结构，在测量过 程中保持平台水平状态。采用刚性低偏置力矩传感器， 可以精确测量力和力矩，而且不必配重或调平。浮起 部分采用铝制平台做好，质量较小，其材料参数如下： 弹性模量为 69 MPa，泊松比为 0.32，密度为 2.7 t/m 3 。