一种旋转轴天平实时动态载荷监控系数的监测方法与流程

1.本发明涉及旋转轴天平载荷监控技术领域，是一种旋转轴天平实时动态载荷监控系数的监测方法。


背景技术：

2.旋转轴天平是复杂、精密的结构装配体。在设计过程中，对气动载荷的预估偏差会对天平与风洞试验带来风险挑战。气动载荷预估偏大会导致天平灵敏度下降，气动载荷预估偏小导致天平设计载荷无法满足试验需求，天平超载，有损坏危险。这种现象暴露出了一个问题，对旋转轴天平的全面的实时载荷监控不到位。通过对旋转轴天平进行载荷监控可以判断天平实时应力状态，一旦发生应力超过预警值得情况，可以立即采取必要措施，能够有效避免安全事故的发生。


技术实现要素：

3.本发明为克服现有技术的不足，本发明通过研究旋转轴天平实时动态载荷监控系数，确定旋转轴天平载荷监控系数。应用载荷系数计算方法得出监测应力值，衡量旋转轴天平在不同载荷条件下天平是否超载。
4.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
5.一种旋转轴天平实时动态载荷监控系数的监测方法，所述方法包括以下步骤：步骤1：根据旋转轴天平的应力状态，确定载荷作用时的应力分量和mises应力；步骤2：根据旋转天平的应力分量，测量旋转天平中心的受载，确定载荷点所受的应力状态；步骤3：根据步骤2确定六种基元载荷分别单独作用时，对应的6个应力分量，计算线弹性情况下旋转轴天平上某个指定节点在任意载荷下的mises应力及应力分量；步骤4：根据节点的载荷系数得到实时状态下该点的实时应力值，将实时应力值与应力阈值进行对比，当实时应力值超过应力阈值时，则报警，对旋转轴天平进行载荷预警。
6.优选地，所述步骤1具体为：根据叠加原理可知，确定载荷作用时的应力分量和mises应力，应力分量和mises应力通过下式确定：
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（1）
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（2）
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（3）其中，为x方向应力分量，、为不同载荷单独作用下的x方向应力分量，为y方向应力分量，、为不同载荷单独作用下y方向应力分量，为剪切应力分量，、为不同载荷单独作用下剪切应力分量；通过、、、、、来计算载荷作用时的应力分量和mises应力。
7.优选地，所述步骤2具体为：测出天平中心受载通过下式表示：其中，x为天平受轴向力，y为天平受升力，z为天平受侧向力，为x方向受力系数，为y方向受力系数，为z方向受力系数，l为天平受滚转力矩，为滚转方向载荷系数，m为天平受偏航力矩，为偏航方向载荷系数，n'为天平受俯仰力矩，为俯仰方向载荷系数，n
·
m为扭矩单位牛米，n为单位牛顿；确定载荷点所受的应力状态，包括6个应力分量，监测应力值及mises应力，通过下式表示：（4）（5）（6）（7）（8）（9）（10）其中，为受轴向力x方向产生的应力分量，为受升力x方向产生的应力分量，为受侧向力x方向产生的应力分量，为受滚转力矩x方向产生的应力分量，为受偏航力矩x方向产生的应力分量，为受俯仰力矩x方向产生的应力分量，、、、、、分别为受六元载荷下y方向产生的应力分量，、、、、、分别为受六元载荷下z方向产生的应力分量，
、、、、、分别为受六元载荷下xy方向的剪切应力分量，、、、、、分别为六元载荷下yz方向的剪切应力分量，、、、、、为分别受六元载荷下xz方向的剪切应力分量，为天平受到的实际应力。
8.优选地，所述步骤3具体为:基于应力分量的载荷系数,在6种载荷，，，，，作用下，应力分量及mises应力如式（1）-（10）所示，6种载荷等比例扩大到k倍，即6种载荷为，，，，，；此时的应力分量为:（11）同理可得：
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（12）
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（13）
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（14）
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（15）
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（16）监测应力值及mises应力通过下式确定：及mises应力通过下式确定：（17）。
9.优选地，根据在基元载荷，，，，，作用下的mises应力，就得到等比例加载到k倍后的mises应力值。
10.优选地，所述步骤4具体为：旋转轴天平在使用时，通过设计载荷得到各个需要注意位置节点的应力最大值即应力阈值，通过加载基元载荷，根据旋转轴天平的实时输出，根据天平所受的基元载荷，
，，，，，通过得到节点的载荷系数，实时状态下该点的实时应力值，将实时应力值与应力阈值进行对比，当实时应力值超过应力阈值时报警，即对旋转轴天平进行载荷预警。
11.优选地，当计算x=2000n时某点的应力，只需x=1n时6个应力分量乘以2000即得x=2000n时的六个应力分量；当计算y=200n,l=10n*m时某点mises应力，只需y=1n时六个应力分量乘以200，对应加上l=1n*m时的六个应力分量乘以10的值，就得到最终的应力分量，最后计算得到mises应力值。
12.一种旋转轴天平实时动态载荷监控系数的监测系统，所述系统包括：应力确定模块，所述应力确定模块根据旋转轴天平的应力状态，确定载荷作用时的应力分量和mises应力；应力状态确定模块，所述应力状态确定模块根据旋转天平的应力分量，测量旋转天平中心的受载，确定载荷点所受的应力状态；天平应力分量确定模块，所述天平应力分量确定模块确定六种基元载荷分别单独作用时，对应的6个应力分量，计算线弹性情况下旋转轴天平上某个指定节点在任意载荷下的mises应力及应力分量；预警模块，所述预警模块根据节点的载荷系数得到实时状态下该点的实时应力值，将实时应力值与应力阈值进行对比，当实时应力值超过应力阈值时，则报警，对旋转轴天平进行载荷预警。
13.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，以用于实现一种旋转轴天平实时动态载荷监控系数的监测方法。
14.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时，所述处理器执行一种旋转轴天平实时动态载荷监控系数的监测方法。
15.本发明具有以下有益效果：本发明在各种不同的载荷条件下，使用基于应力分量的载荷系数计算方法得出的mises应力（监测应力值）都与有限元计算得出的mises应力值相等，这种方法可以实时监控旋转轴天平体的应力情况。本发明使用基于应力分量的载荷系数计算方法可以对旋转轴天平进行实时载荷监控，判断天平实时应力状态，极大减小了旋转轴天平在试验过程中发生事故的机率。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为单独受载荷a作用下应力状态图；图2为单独受载荷b作用下应力状态图；图3为受载荷a与b同时作用下的应力状态图；
图4为梁根部取点图；图5为外环与梁连接部分取点图；图6为梁中部取点图。
具体实施方式
18.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
20.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
21.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
22.以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
23.具体实施例一：根据图1至图6所示，本发明为解决上述技术问题采取的具体优化技术方案是：本发明涉及一种旋转轴天平实时动态载荷监控系数的监测方法。
24.一种旋转轴天平实时动态载荷监控系数的监测方法，所述方法包括以下步骤：步骤1：根据旋转轴天平的应力状态，确定载荷作用时的应力分量和mises应力；步骤2：根据旋转天平的应力分量，测量旋转天平中心的受载，确定载荷点所受的应力状态；步骤3：根据步骤2确定六种基元载荷分别单独作用时，对应的6个应力分量，计算线弹性情况下旋转轴天平上某个指定节点在任意载荷下的mises应力及应力分量；步骤4：根据节点的载荷系数得到实时状态下该点的实时应力值，将实时应力值与应力阈值进行对比，当实时应力值超过应力阈值时，则报警，对旋转轴天平进行载荷预警。
25.具体实施例二：本技术实施例二与实施例一的区别仅在于：所述步骤1具体为：根据叠加原理可知，确定载荷作用时的应力分量和mises应力，应力分量和mises应力通过下式确定：
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（1）
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（2）
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（3）其中，为x方向应力分量，、为不同载荷单独作用下的x方向应力分量，为y方向应力分量，、为不同载荷单独作用下y方向应力分量，为剪切应力分量，、为不同载荷单独作用下剪切应力分量；通过、、、、、来计算载荷作用时的应力分量和mises应力。
26.具体实施例三：本技术实施例三与实施例二的区别仅在于：所述步骤2具体为：测出天平中心受载通过下式表示：其中，x为天平受轴向力，y为天平受升力，z为天平受侧向力，为x方向受力系数，为y方向受力系数，为z方向受力系数，l为天平受滚转力矩，为滚转方向载荷系数，m为天平受偏航力矩，为偏航方向载荷系数，n'为天平受俯仰力矩，为俯仰方向载荷系数，n
·
m为扭矩单位牛米，n为单位牛顿；确定载荷点所受的应力状态，包括6个应力分量，监测应力值及mises应力，通过下式表示：（4）（5）（6）（7）（8）（9）（10）其中，为受轴向力x方向产生的应力分量，为受升力x方向产生的应力分量，为受侧向力x方向产生的应力分量，为受滚转力矩x方向产生的应力分量，为受偏航力矩x方向产生的应力分量，为受俯仰力矩x方向产生的应力分量，
、、、、、分别为受六元载荷下y方向产生的应力分量，、、、、、分别为受六元载荷下z方向产生的应力分量，、、、、、分别为受六元载荷下xy方向的剪切应力分量，、、、、、分别为六元载荷下yz方向的剪切应力分量，、、、、、为分别受六元载荷下xz方向的剪切应力分量，为天平受到的实际应力。
27.具体实施例四：本技术实施例四与实施例三的区别仅在于：所述步骤3具体为:基于应力分量的载荷系数,在6种载荷，，，，，作用下，应力分量及mises应力如式（1）-（10）所示，6种载荷等比例扩大到k倍，即6种载荷为，，，，，；此时的应力分量为:（11）同理可得：
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（12）
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（13）
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（14）
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（15）
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（16）监测应力值及mises应力通过下式确定：及mises应力通过下式确定：（17）。
28.具体实施例五：
本技术实施例五与实施例四的区别仅在于：根据在基元载荷，，，，，作用下的mises应力，就得到等比例加载到k倍后的mises应力值。
29.具体实施例六：本技术实施例六与实施例五的区别仅在于：所述步骤4具体为：旋转轴天平在使用时，通过设计载荷得到各个需要注意位置节点的应力最大值即应力阈值，通过加载基元载荷，根据旋转轴天平的实时输出，根据天平所受的基元载荷，，，，，，通过得到节点的载荷系数，实时状态下该点的实时应力值，将实时应力值与应力阈值进行对比，当实时应力值超过应力阈值时报警，即对旋转轴天平进行载荷预警。
30.具体实施例七：本技术实施例七与实施例六的区别仅在于：当计算x=2000n时某点的应力，只需x=1n时6个应力分量乘以2000即得x=2000n时的六个应力分量；当计算y=200n,l=10n*m时某点mises应力，只需y=1n时六个应力分量乘以200，对应加上l=1n*m时的六个应力分量乘以10的值，就得到最终的应力分量，最后计算得到mises应力值。
31.具体实施例八：本技术实施例八与实施例七的区别仅在于：本发明提供一种旋转轴天平实时动态载荷监控系数的监测系统，所述系统包括：应力确定模块，所述应力确定模块根据旋转轴天平的应力状态，确定载荷作用时的应力分量和mises应力；应力状态确定模块，所述应力状态确定模块根据旋转天平的应力分量，测量旋转天平中心的受载，确定载荷点所受的应力状态；天平应力分量确定模块，所述天平应力分量确定模块确定六种基元载荷分别单独作用时，对应的6个应力分量，计算线弹性情况下旋转轴天平上某个指定节点在任意载荷下的mises应力及应力分量；预警模块，所述预警模块根据节点的载荷系数得到实时状态下该点的实时应力值，将实时应力值与应力阈值进行对比，当实时应力值超过应力阈值时，则报警，对旋转轴天平进行载荷预警。
32.具体实施例九：本技术实施例九与实施例八的区别仅在于：本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，以用于实现一种旋转轴天平实时动态载荷监控系数的监测方法。
33.具体实施例十：本技术实施例十与实施例九的区别仅在于：本发明提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机
程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时，所述处理器执行一种旋转轴天平实时动态载荷监控系数的监测方法。
34.具体实施例十一：本技术实施例十一与实施例十的区别仅在于：以某旋转轴天平为例，在做比较分析时所用节点来自天平的三个区域，如图4
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图6所示。节点号n1，n2，n3，n4取自天平梁根部，节点号n5，n6，n7取自梁与外环连接部，节点号n8，n9，n10取自应变梁中部。
35.以二维平面为例，假设此二维平面单独受到某载荷a的作用，那么其某点w应力状态如图1所示；假设此二维平面单独受到某载荷b的作用，那么其某点w应力状态如图2所示；最后，假设此二维平面受到某载荷a与b的共同作用，那么其某点w应力状态如图3所示。
36.因为始终处于线弹性，所以根据叠加原理可知，有：
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（1）
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（3）可用a、b载荷单独作用时的应力分量，即、、、、、来计算a、b载荷共同作用时的应力分量和mises应力。
37.假设旋转轴天平上某点a有36个系数（应力分量），x=1n，y=1n，z1n，l=1n
·
m，m=1n
·
m，n=1n
·
m单独作用时的应力分量为：、、、、、。
38.现测出天平中心受载为：则可推测出a点所受的应力状态（6个应力分量，监测应力值及mises应力）为：（4）（5）（6）（7）（8）（9）（10）只要得到六种基元载荷分别单独作用时，对应的6个应力分量（6
×
6=36，一个点36个值），就可以准确计算线弹性情况下旋转轴天平上某个指定节点在任意载荷下的mises应力及应力分量。
39.这种方法确保了监测应力值替代mises应力来评估旋转轴天平安全性能的可靠性和安全性。
40.需注意的是，一个点虽有36个系数，但是并不是在计算时都会用到。比如计算x=2000n时某点的应力，只需x=1n时6个应力分量乘以2000即得x=2000n时的六个应力分量。又比如计算y=200n,l=10n*m时某点mises应力，只需y=1n时六个应力分量乘以200，对应加上l=1n*m时的六个应力分量乘以10的值，就可以得到最终的应力分量，最后计算得到mises应力值。
41.因此，对于一些特殊情况，基于应力分量的载荷系数计算方法是需要简化的。在6种载荷，，，，，作用下，应力分量及mises应力如式（1）-（10）所示。假设，6种载荷等比例扩大到k倍，即6种载荷为，，，，，。
42.此时的应力分量为:（11）同理可得：
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（12）
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（13）
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（14）
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（15）
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（16）因此，监测应力值及mises应力为：及mises应力为：（17）。
43.这就是基于mises应力的载荷系数计算方法。因此，若知道基元载荷（，，，，，作用）下的mises应力，就可以知道等比例加载到k倍后的mises应力值。
44.值得注意的是，若基元载荷为单个方向载荷，即，，，，，只有一项存在时（单个载荷加载），式（10）也是成立的。
45.旋转轴天平在使用时，可以通过天平的设计载荷得到各个需要注意位置节点的应
力最大值即应力阈值。通过加载基元载荷，可以得到，须注意位置节点的载荷系数。在试验过程中，根据旋转轴天平的实时输出，通过天平公式可以算出天平所受的六元力，，，，，，通过需要注意位置的节点的载荷系数可以得到，实时状态下该点的实时应力值。将实时应力值与应力阈值进行对比，当实时应力值超过应力阈值时，就会报警，即可对旋转轴天平进行载荷预警。
46.将对两种方法计算得来的监测应力值与有限元计算得来的mises应力值作对比，以验证其理论正确性。
47.在对应力分量载荷进行监测时，对天平依次单独施加基元载荷（共6种），提取36个系数（应力分量）。格式如表1所示。
48.表1 各节点应力分量(mpa)系数表各节点应力分量(mpa)系数表各节点应力分量(mpa)系数表
当所选定监测节点的载荷监测系数全部确定后，则考虑进行简单工况下（如：单分量加载）的对比验证。
49.首先考虑单个载荷加载情况，即，，，，，只有一项存在。若天平单独受力y向500n的载荷，那么监测应力值应该由单独受y向1n力的情况下的6个应力分量系数乘以500，再做mises等效得出，然后将算得的mises应力（监测应力值）与天平单独受y向500n力的情况下的mises应力值（有限元计算直接得出）进行对比，如果两者计算结果一致则说明本项目所提出的全域载荷监测方法在单分量加载情况下是行得通的。
50.其次可考虑等比例加载情况。考虑多分量载荷同时作用的情况，但是加载为等比
例加载。
51.外载荷：法兰盘上下表面载荷（等效到几何中心点）为x轴方向200n，y轴方向200n，z轴方向200n，绕x轴200n
·
m扭矩，绕y轴200n
·
m弯矩，绕z轴200n
·
m弯矩。
52.这里依旧将算得的mises应力值（监测应力值）与有限元计算得出的mises应力值进行对比，如果两者计算结果一致则说明本项目所提出的全域载荷监测方法在等比例加载情况下是行得通的。
53.最后考虑非等比例加载情况，即对天平施加六分量载荷，但各分量载荷大小方向均不一致。例如：在天平校心分别施加x轴方向200n，y轴方向300n，z轴方向400n，绕x轴转动100n
·
m，绕y轴转动50n
·
m，绕z轴转动60n
·
m的六分量载荷，使用载荷分量方法计算监测应力值并与有限元法直接计算得到的mises应力值进行对比，两者计算结果一致，这种方法可以很稳定的衡量天平是否超载。
54.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、
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示例”、“具体示 例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或 者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表 述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或 n 个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下， 本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特 征进行结合和组合。 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性 或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“n个”的含义是至少两个，例如 两个，三个等，除非另有明确具体的限定。 流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个 或更n个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的 实施例所属技术领域的技术人员所理解。 在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实 现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统）使用，或结合这些指令执行系统、装置或设 备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播 或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例（非穷尽性列表）包括以下：具有一个或n个布线的电连接部（电子装置），便携式计算机盘盒（磁装置），随机存取存储器（ram），只读存储器（rom），可擦除可编辑只读存储器（eprom 或闪速存储器），光纤装置，以及便携式光盘只读存储器（cdrom）。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进 行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存 储在计算机存储器中。 应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实 施方式中，n 个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或 固件来实现。如，如果用硬件来实现和
在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离 散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（pga），现场 可编程门阵列（fpga）等。
55.本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可 以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。 此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
56.以上所述仅是一种旋转轴天平实时动态载荷监控系数的监测方法的优选实施方式，一种旋转轴天平实时动态载荷监控系数的监测方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。