一种坐标系建立方法及刚体质心与惯性参数测试方法技术

本发明专利技术公开了一种坐标系建立方法及刚体质心与惯性参数测试方法，通过建立大地坐标系、参考坐标系、连体坐标系和摆盘坐标系，并求出坐标系之间的位置关系；测量不同放置姿态下摆盘轴线在参考坐标系中的位置；计算被测物体的质心在参考坐标系中的坐标；测量扭摆周期以及不同放置姿态下摆盘轴线在参考坐标系中的方向余弦；计算被测物体关于质心坐标系的惯性参数。该方法可以测量不规则形状刚体的质心与惯性参数，并且将质心的测量和惯性参数的测量解耦；保证被测物体的质心落在摆盘轴线上，满足了测试要求；采用三坐标测量仪和倾角仪进行测量，结合最小二乘法等数据处理方法，具有高测试精度的特点。测试精度的特点。测试精度的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种坐标系建立方法及刚体质心与惯性参数测试方法


[0001]本专利技术涉及刚体质心与惯性参数测试
，具体来讲是一种坐标系建立方法及刚体质心与惯性参数测试方法。

技术介绍

[0002]刚体的质心位置以及关于质心坐标系的惯性参数(包括转动惯量与惯性积)是刚体重要的动力学参数。对于一个机械系统的动力学分析，一个重要的前提是获得机械系统中各个部件的质心位置与惯性参数。此外，一些隔振机构的开发设计，如汽车动力总成的悬置机构，都需要输入被控对象的质心与惯性参数。因此，精确测量刚体的质心与惯性参数，对系统的动力学分析、设计等具有重要的意义。
[0003]常见的获取质心与惯性参数的方法可以分为两类：基于CAD模型的计算方法以及实验测试方法。由于实物的形状、材料密度等因素与CAD模型会有一定的差别，运用基于CAD模型的计算方法计算得到的质心与惯性参数会有较大的误差。实验测试方法又可以分为两类：静态方法与动态方法。运用静态方法测试物体的惯性参数时，只能获得质量与质心位置两个参数。由于不能一次性获取物体所有的惯性参数，静态方法的测试效率较低，很少被使用。使用动态方法进行测试可以同时获得物体所有的惯性参数，最常用的动态方法包括扭摆法与模态参数识别法。使用扭摆法测量物体惯性参数时，需要使被测物体围绕摆盘轴线进行小角度的扭摆运动，通过测试扭摆周期获得被测物体关于摆盘轴线的转动惯量，并通过一定的计算方法求得其余的惯性参数。采用模态参数识别法测量物体的惯性参数时，需要测量被测物体在自由边界条件下的频率响应函数，并通过频响函数识别被测物体的惯性参数。模态参数识别法对测试设备具有很高的要求，并且测试结果会受到边界条件以及频响函数的影响。
[0004]对于形状复杂的刚体，难以通过计算方法求得它的质心坐标与惯性参数，因此常采用三线摆方法测量惯性参数。将被测物体以不同的姿态放置在三线摆上，调整被测物体的位置使得与摆线连接的三个力传感器的读数相同，以保证被测物体的质心落在摆盘轴线上。通过求出不同放置姿态下摆盘轴线的交点即可确定被测物体的质心位置。而通过测量物体关于摆盘轴线的扭摆周期，利用惯性椭球原理和最小二乘法可以求得被测物体的惯性参数。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种坐标系建立方法及刚体质心与惯性参数测试方法，该方法能够测量不规则形状刚体的质心与惯性参数，并且可以将质心测量过程和惯性参数测量过程解耦，具有高测试精度，高测试效率的特点。
[0006]为达到以上目的，本专利技术采取的技术方案是：一种坐标系建立方法，包括以下步骤：
[0007]步骤S101.将三坐标测量仪固定在水平大地上，建立大地坐标系，使用三坐标测量
仪测量得到的坐标都是定义在大地坐标系中；
[0008]步骤S102.将被测物体固定在大地上，使用三坐标测量仪测量被测物体的几何特征，在被测物体上建立一个参考坐标系；在测试过程中，定义一个质心坐标系，质心坐标系的原点在被测物体的质心，各坐标轴的方向与参考坐标系相同；
[0009]步骤S103.将被测物体固定在步骤S102中的位置不变，在被测物体上安装一个具有三个相互垂直平面的工装；使用三坐标测量仪测量工装上三个互相相邻的平面在大地坐标系中的位置，来建立连体坐标系；
[0010]步骤S104.根据参考坐标系和连体坐标系在大地坐标系中的位置，求得连体坐标系与参考坐标系之间的坐标转换关系；
[0011]步骤S105.将被测物体放置在三线摆上，调整被测物体的位置使得与摆线连接的三个力传感器的读数相同，保证被测物体的质心落在摆盘轴线上；将被测物体固定，使用三坐标测量仪测量摆盘上的至少三个特征点的位置，来建立摆盘坐标系。
[0012]在上述技术方案的基础上，利用下述公式求出参考坐标系原点 O
r
在参考坐标系O
r
X
r
Y
r
Z
r
中的坐标(x
rob
,y
rob
,z
rob
)：
[0013][0014]接着利用下式求出参考坐标系O
r
X
r
Y
r
Z
r
各个坐标轴在连体坐标系 O
b
X
b
Y
b
Z
b
中的方向余弦：
[0015][0016]对于任意一点W，假设点W在连体坐标系O
b
X
b
Y
b
Z
b
中的坐标为 (x
wb
,y
wb
,z
wb
)，则点W在参考坐标系O
r
X
r
Y
r
Z
r
中的坐标可以通过下式计算：
[0017][0018]本专利技术提供一种基于上述坐标系的刚体质心参数测试方法，包括以下步骤：
[0019]步骤S201.将被测物体按照特定的姿态放置在摆盘上，使用三坐标测量仪测量工装上的三个相邻平面，按照步骤103的方式建立连体坐标系；
[0020]步骤S202.利用连体坐标系与摆盘坐标系的位置关系，求得摆盘轴线在连体坐标系中的位置；再根据步骤104建立的参考坐标系与连体坐标系之间的坐标转换关系，求得摆盘轴线在参考坐标系中的位置；
[0021]步骤S203.更改被测物体在摆盘上的放置姿态，重复步骤S201～步骤S202；直至得到被测物体在至少两个放置姿态下的摆盘轴线在参考坐标系中的位置；
[0022]步骤S204.若各摆盘轴线存在交点，则该交点为被测物体的质心；若任意两条摆盘轴线不存在交点，则以该两条摆盘轴线的公垂线段的中点作为一个可行的质心；之后可对多个可行质心取平均位置，即可确定一个计算质心。
[0023]在上述技术方案的基础上，步骤S202中，假设在第i个放置姿态下连体坐标系的原点O
b
在大地坐标系中的坐标为：(x
bogi
,y
bogi
,z
bogi
)，坐标轴O
b
X
b
，O
b
Y
b
，O
b
Z
b
在大地坐标系中的方向余弦分别为： (cosα
rxg
，cosβ
rxg
，cosγ
rxg
)，(cosα
bygi
,cosβ
bygi
,cosγ
bygi
)， (cosα
bzgi
,cosβ
bzgi
,cosγ
bzgi
)；
[0024]原点O
p
在连体坐标系中的坐标为：
[0025][0026]O
p
Z
p
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种坐标系建立方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S101.将三坐标测量仪固定在水平大地上，建立大地坐标系，使用三坐标测量仪测量得到的坐标都是定义在大地坐标系中；步骤S102.将被测物体固定在大地上，使用三坐标测量仪测量被测物体的几何特征，在被测物体上建立一个参考坐标系；在测试过程中，定义一个质心坐标系，质心坐标系的原点在被测物体的质心，各坐标轴的方向与参考坐标系相同；步骤S103.将被测物体固定在步骤S102中的位置不变，在被测物体上安装一个具有三个相互垂直平面的工装；使用三坐标测量仪测量工装上三个互相相邻的平面在大地坐标系中的位置，来建立连体坐标系；步骤S104.根据参考坐标系和连体坐标系在大地坐标系中的位置，求得连体坐标系与参考坐标系之间的坐标转换关系；步骤S105.将被测物体放置在三线摆上，调整被测物体的位置使得与摆线连接的三个力传感器的读数相同，保证被测物体的质心落在摆盘轴线上；将被测物体固定，使用三坐标测量仪测量摆盘上的至少三个特征点的位置，来建立摆盘坐标系。2.如权利要求1所述的坐标系建立方法，其特征在于：步骤S104中，利用下述公式求出参考坐标系原点O
r
在参考坐标系O
r
X
r
Y
r
Z
r
中的坐标(x
rob
,y
rob
,z
rob
)：接着利用下式求出参考坐标系O
r
X
r
Y
r
Z
r
各个坐标轴在连体坐标系O
b
X
b
Y
b
Z
b
中的方向余弦：对于任意一点W，假设点W在连体坐标系O
b
X
b
Y
b
Z
b
中的坐标为(x
wb
,y
wb
,z
wb
)，则点W在参考坐标系O
r
X
r
Y
r
Z
r
中的坐标可以通过下式计算：3.一种基于权利要求1所述坐标系的刚体质心参数测试方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S201.将被测物体按照特定的姿态放置在摆盘上，使用三坐标测量仪测量工装上的三个相邻平面，按照步骤103的方式建立连体坐标系；步骤S202.利用连体坐标系与摆盘坐标系的位置关系，求得摆盘轴线在连体坐标系中的位置；再根据步骤104建立的参考坐标系与连体坐标系之间的坐标转换关系，求得摆盘轴线在参考坐标系中的位置；步骤S203.更改被测物体在摆盘上的放置姿态，重复步骤S201～步骤S202；直至得到被
测物体在至少两个放置姿态下的摆盘轴线在参考坐标系中的位置；步骤S204.若各摆盘轴线存在交点，则该交点为被测物体的质心；若任意两条摆盘轴线不存在交点，则以该两条摆盘轴线的公垂线段的中点作为一个可行的质心；之后可对多个可行质心取平均位置，即可确定一个计算质心。4.如权利要求3所述的刚体质心参数测试方法，其特征在于：步骤S202中，假设在第i个放置姿态下连体坐标系的原点O
b
在大地坐标系中的坐标为：(x
bogi
,y
bogi
,z
bogi
)，坐标轴O
b
X
b
，O
b
Y
b
，O
b
Z
b
在大地坐标系中的方向余弦分别为：(cosα
bxgi
,cosβ
bxgi
,cosγ
bxgi
)，(cosα
bygi
,cosβ
bygi
,cosγ
bygi
)，(cosα
bzgi
,cosβ
bzgi
,cosγ
bzgi
)；原点O
p
在连体坐标系中的坐标为：O
p
Z
p
轴在连体坐标系中的方向余弦为：原点O
p
在参考坐标系中的坐标为：O
p
Z
p
轴在参考坐标系中的方向余弦为：5.如权利要求4所述的刚体质心参数测试方法，其特征在于：步骤S204中，若任意两条摆盘轴线不存在交点，求得O
p1
和O
p2
在参考坐标系中的坐标分别为(x

【专利技术属性】
技术研发人员：陈雪艳，龚志豪，上官文斌，袁焱龙，南毅，张宁，
申请(专利权)人：十堰风神汽车橡塑制品有限公司，
类型：发明
国别省市：