[發明專利]高精度頭盔質量特性測量系統及其測量方法

在審

• 申請號: 201710010011.1
• 申請日: 2017-01-06
• 公開（公告）號: CN106768632A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 吳惠祥;徐龍祥;楊忠;金超武;張曉;吳明磊;趙穎杰;張賀磊;陳聯云
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01M1/10
• 分類號: G01M1/10;G01M1/12
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所32237
• 代理人: 賀翔

技術領域：

本發明涉及一種高精度頭盔質量特性測量系統及其測量方法，其是專門為頭盔的質量特性測量設計的，能夠精確測量頭盔的質心及轉動慣量，屬于高精度的測量儀器，屬于不規則物體質量特性的試驗和測量領域。

背景技術：

頭盔的質量分布嚴重影響其佩戴的舒適性和安全性，對于飛行員和航天員這種影響甚至會威脅到生命安全，因此需要對其進行質量特性的測量。由于頭盔形狀極其復雜不規則，坐標定位不便，對其質量特性的測量帶來非常不利的影響。

對于高精度質心測量儀器，其關鍵技術在于測量基準即測量坐標系的建立、測量設備中機構和傳感器的靈敏度等因素。目前，高精度質心測量方法可采用不平衡力矩與多支點稱重等方法，測量轉動慣量的方法有扭擺法、落體法、三線擺法、復擺法等。因頭盔形狀特殊，可視為半球殼狀物體，其中心軸固定不便，大多數測量裝置都無法對其進行正確安裝以達到精準測量的目的。如文獻1(盧志輝,孫志揚,李祥云,等.高精度質心測量方法研究[J].兵工學報,2009,30(12):1748-1752)，文獻2(鄭勇,劉建華,常曉東,等.質量、質心測試儀適應多種戰斗部測試研究[J].航天制造技術,2013,(1):51-55)，文獻3(王超,唐文彥,張曉琳,等.大尺寸非回轉體質量特性一體化測量系統的設計[J].儀器儀表學報,2012,33(7):1634-1640)所介紹的質心測量儀器，以及文獻4(鄒瑩,夏陽.一種通用的設備轉動慣量測量方法[J].航天控制,2008,26(5):74-76)和文獻5(劉巍,張洋,馬鑫,等.基于雙目視覺的轉動慣量測量方法[J].儀器儀表學報,2014,35(9):1972-1978)所介紹的轉動慣量測量儀器，都面臨著因安裝困難無法使用的問題。

發明內容：

本發明的目的是提供一種高精度頭盔質量特性測量系統及其測量方法，能夠方便精確地測量頭盔的質心以及轉動慣量，要求測量精度高，量程大，操作簡便。

本發明采用如下技術方案：一種高精度頭盔質量特性測量系統，由頭模框架、質心測量平臺、磁懸浮轉動慣量測量平臺、磁懸浮控制器、數據采集系統、計算機、數據處理計算軟件以及轉動慣量標準試件組成，所述數據采集系統與質心測量平臺和磁懸浮轉動慣量測量平臺相連，數據采集系統與計算機相連，磁懸浮控制器與磁懸浮轉動慣量測量平臺相連；

所述頭模框架包括框架、固定于框架上的頭模以及設置于框架上的三個錐形接觸點，三個錐形接觸點分別為第一錐形接觸點、第二錐形接觸點以及第三錐形接觸點，所述框架包括相互垂直的第一框架面和第二框架面，所述頭模和三個錐形接觸點均設置于第二框架面上朝向第一框架面的表面上，在第二框架面上背向第一框架面的表面上設有Z向圓環卡槽，在第一框架面上背向第二框架面的表面上設有Y向圓環卡槽；

所述質心測量平臺包括稱重傳感器、傳感器安裝平臺、測量平臺、第一支架及第一底座，所述第一支架固定安裝于第一底座上，測量平臺水平固定在第一支架上且位于第一底座的上方，所述傳感器安裝平臺共包括有三個，且以三角形排布的形式設置于測量平臺上，所述傳感器安裝平臺的上表面處于水平位置，所述稱重傳感器共包括有三個，且其分別設置在三個傳感器安裝平臺上；

所述磁懸浮轉動慣量測量平臺包括轉子、扭簧、彈簧加緊塊、螺釘、扭擺平臺、徑向磁懸浮軸承、徑向傳感器、軸向磁懸浮軸承、軸向傳感器、推力盤、高線位編碼器、圓環卡槽以及第二底座、第二支架，所述軸向磁懸浮軸承在通電后產生磁力將推力盤抬起，從而帶動轉子、扭擺平臺、圓環卡槽以及安裝在扭擺平臺上的待測頭模框架一起懸浮起來，所述軸向磁懸浮軸承安裝于徑向磁懸浮軸承兩端起固定轉子的作用，扭簧與高線位編碼器安裝在轉子的兩端隨轉子轉動且不上下移動，所述彈簧加緊塊和螺釘用于固定扭簧，所述第二支架固定安裝于第二底座上，所述軸向傳感器和徑向傳感器與磁懸浮控制器相連接并相其傳輸數據；

在測量質心時，頭模框架放置于質心測量平臺的稱重傳感器上稱重，框架上的三個錐形接觸點與對應的三個稱重傳感器上表面接觸；在測量轉動慣量時，頭模框架安裝在磁懸浮轉動慣量測量平臺上，框架上的Z向圓環卡槽或者Y向圓環卡槽的外表面與扭擺平臺上的圓環卡槽內表面對接。

進一步地，所述頭模用于安裝頭盔和面罩，采用樹脂材料3D打印而成，與框架固定在一起。

進一步地，每個傳感器安裝平臺和設置在其上的稱重傳感器形成了一組組合，在三組組合中有兩組是固定在測量平臺上的，另外一組能夠上下移動以控制頭模框架的傾斜角度。

進一步地，所述轉動慣量標準試件為形狀規則、密度均勻的金屬圓盤。