[发明专利]高精度头盔质量特性测量系统及其测量方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种高精度头盔质量特性测量系统及其测量方法，其是专门为头盔的质量特性测量设计的，能够精确测量头盔的质心及转动惯量，属于高精度的测量仪器，属于不规则物体质量特性的试验和测量领域。

背景技术：

头盔的质量分布严重影响其佩戴的舒适性和安全性，对于飞行员和航天员这种影响甚至会威胁到生命安全，因此需要对其进行质量特性的测量。由于头盔形状极其复杂不规则，坐标定位不便，对其质量特性的测量带来非常不利的影响。

对于高精度质心测量仪器，其关键技术在于测量基准即测量坐标系的建立、测量设备中机构和传感器的灵敏度等因素。目前，高精度质心测量方法可采用不平衡力矩与多支点称重等方法，测量转动惯量的方法有扭摆法、落体法、三线摆法、复摆法等。因头盔形状特殊，可视为半球壳状物体，其中心轴固定不便，大多数测量装置都无法对其进行正确安装以达到精准测量的目的。如文献1(卢志辉,孙志扬,李祥云,等.高精度质心测量方法研究[J].兵工学报,2009,30(12):1748-1752)，文献2(郑勇,刘建华,常晓东,等.质量、质心测试仪适应多种战斗部测试研究[J].航天制造技术,2013,(1):51-55)，文献3(王超,唐文彦,张晓琳,等.大尺寸非回转体质量特性一体化测量系统的设计[J].仪器仪表学报,2012,33(7):1634-1640)所介绍的质心测量仪器，以及文献4(邹莹,夏阳.一种通用的设备转动惯量测量方法[J].航天控制,2008,26(5):74-76)和文献5(刘巍,张洋,马鑫,等.基于双目视觉的转动惯量测量方法[J].仪器仪表学报,2014,35(9):1972-1978)所介绍的转动惯量测量仪器，都面临着因安装困难无法使用的问题。

发明内容：

本发明的目的是提供一种高精度头盔质量特性测量系统及其测量方法，能够方便精确地测量头盔的质心以及转动惯量，要求测量精度高，量程大，操作简便。

本发明采用如下技术方案：一种高精度头盔质量特性测量系统，由头模框架、质心测量平台、磁悬浮转动惯量测量平台、磁悬浮控制器、数据采集系统、计算机、数据处理计算软件以及转动惯量标准试件组成，所述数据采集系统与质心测量平台和磁悬浮转动惯量测量平台相连，数据采集系统与计算机相连，磁悬浮控制器与磁悬浮转动惯量测量平台相连；

所述头模框架包括框架、固定于框架上的头模以及设置于框架上的三个锥形接触点，三个锥形接触点分别为第一锥形接触点、第二锥形接触点以及第三锥形接触点，所述框架包括相互垂直的第一框架面和第二框架面，所述头模和三个锥形接触点均设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设有Z向圆环卡槽，在第一框架面上背向第二框架面的表面上设有Y向圆环卡槽；

所述质心测量平台包括称重传感器、传感器安装平台、测量平台、第一支架及第一底座，所述第一支架固定安装于第一底座上，测量平台水平固定在第一支架上且位于第一底座的上方，所述传感器安装平台共包括有三个，且以三角形排布的形式设置于测量平台上，所述传感器安装平台的上表面处于水平位置，所述称重传感器共包括有三个，且其分别设置在三个传感器安装平台上；

所述磁悬浮转动惯量测量平台包括转子、扭簧、弹簧加紧块、螺钉、扭摆平台、径向磁悬浮轴承、径向传感器、轴向磁悬浮轴承、轴向传感器、推力盘、高线位编码器、圆环卡槽以及第二底座、第二支架，所述轴向磁悬浮轴承在通电后产生磁力将推力盘抬起，从而带动转子、扭摆平台、圆环卡槽以及安装在扭摆平台上的待测头模框架一起悬浮起来，所述轴向磁悬浮轴承安装于径向磁悬浮轴承两端起固定转子的作用，扭簧与高线位编码器安装在转子的两端随转子转动且不上下移动，所述弹簧加紧块和螺钉用于固定扭簧，所述第二支架固定安装于第二底座上，所述轴向传感器和径向传感器与磁悬浮控制器相连接并相其传输数据；

在测量质心时，头模框架放置于质心测量平台的称重传感器上称重，框架上的三个锥形接触点与对应的三个称重传感器上表面接触；在测量转动惯量时，头模框架安装在磁悬浮转动惯量测量平台上，框架上的Z向圆环卡槽或者Y向圆环卡槽的外表面与扭摆平台上的圆环卡槽内表面对接。

进一步地，所述头模用于安装头盔和面罩，采用树脂材料3D打印而成，与框架固定在一起。

进一步地，每个传感器安装平台和设置在其上的称重传感器形成了一组组合，在三组组合中有两组是固定在测量平台上的，另外一组能够上下移动以控制头模框架的倾斜角度。

进一步地，所述转动惯量标准试件为形状规则、密度均匀的金属圆盘。