CN109540382A - 一种主动控制正弦扭摆法转动惯量测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种主动控制正弦扭摆法转动惯量测量装置及方法，包括保护支承座、底座、工作台与主轴系，其中保护支承座位于地面上，通过缓冲器支撑工作台，而主轴系位于底座内，下部安装有地脚，主轴系通过上部的气浮轴承连接工作台的中心位置；主轴系由电机驱动回转轴，回转轴上部连接联轴器，且在电机与联轴器之间的位置，在回转轴上安装角接触球轴承；联轴器上部连接扭矩限制器，扭矩限制器上部连接扭矩传感器，扭矩传感器上部连接气浮轴承，气浮轴承连接工作台的中心位置。

Description

一种主动控制正弦扭摆法转动惯量测量装置及方法

技术领域

本发明属于测量装置领域，具体涉及一种主动控制正弦扭摆法转动惯量测量装置及方法。

背景技术

转动惯量是表征转动物体惯性大小的物理量，是研究、设计、控制转动物体运动规律的重要工程技术参数，因此测定物体的转动惯量具有重要的实际意义。

转动惯量的大小不仅与刚体的质量有关，还与转轴位置和质量分布有关。对于形状规则、材料密度均匀的标准件，它的转动惯量可以根据公式计算，但对于几何形状不规则、质量分布不均匀的物体(例如枪炮的弹丸、电动机的转子等)，计算它们的转动惯量非常困难，通常用实验的方法来确定。

传统的转动惯量测量方法主要分为两大类：扭杆(或蜗簧)扭摆法和吊线扭摆法。这两种方法都是都是通过测量扭摆的周期计算得到被测物体的转动惯量。

发明内容

本发明的目的在于：克服现有技术的不足之处，提供一种主动控制正弦扭摆法的转动惯量测量方法，该方法可将转动惯量量值溯源至扭矩和角加速度，转动惯量测量过程不需要标准样件的参考值作为中间计算参数，并将测量准确度提高到0.01％，从而克服了转动惯量量值无法溯源、难以实现高准确度测量的缺点。

本发明的技术方案如下：一种主动控制正弦扭摆法转动惯量测量装置，包括保护支承座、底座、工作台与主轴系，其中保护支承座位于地面上，通过缓冲器支撑工作台，而主轴系位于底座内，下部安装有地脚，主轴系通过上部的气浮轴承连接工作台的中心位置；

主轴系由电机驱动回转轴，回转轴上部连接联轴器，且在电机与联轴器之间的位置，在回转轴上安装角接触球轴承；联轴器上部连接扭矩限制器，扭矩限制器上部连接扭矩传感器，扭矩传感器上部连接气浮轴承，气浮轴承连接工作台的中心位置。

底座为圆台型结构。

底座法兰边设计尺寸确保负载产品及工装的中心落到地脚安装圆内。

电机选用无刷无齿槽力矩电机。

在工作台的安装位置上有光栅安装座，光栅安装座上有刻度，用于安装光栅。

在气浮轴承上还有光学编码器，光学编码器包括光栅与读数头，配合光栅安装座上的光栅可进行读数。

角接触球轴承与电机、联轴器不接触。

一种主动控制正弦扭摆法转动惯量测量装置得测量方法，包括以下步骤：

S1：空载测试，工作台不放置任何物体，电机驱动回转轴转动，电机与光学编码器构成反馈控制系统,将扭摆角度作为反馈控制结果；

S2：扭矩传感器采集时域输出信号M(t)，光栅传感器采集时域输出信号φ(t)，通过公式J＝M/a，求得空载转动惯量J空；

S3：将被测量物体置于工作台之上，按照S1、S2的方法可得载物后的转动惯量J'；

S4：通过J＝J'-J空,可得被测物体转动惯量J。

所述S1中，实时控制转台的扭摆角度。

所述S1中，使转台的转角按照标准的正弦扭摆运动。

本发明的显著效果在于：

(1)由于转动惯量的结果直接由扭矩和角度导出，不存在中间量值，可实现量值溯源到扭矩和角度的标准量。其他现有技术都需要中间量值(如扭杆的刚性系数)传递，无法实现转动惯量量值的直接溯源。本方法带来的效果之一是，不需要转动惯量标准件，即可实现转动惯量的准确测量。

(2)将现有技术的转动惯量测量精度，由0.5％提高至0.05％，提高一个数量级；

(3)在保证精度的前提下，将高低量程之比扩展至100倍以上；

(4)对于转动惯量较大的被测产品，测量时间也大幅缩短，测量时间仅与主动控制的扭摆周期相关，而主动控制的扭摆周期可以是固定的，不同于现有其他方法，扭摆周期会随转动惯量的增加而增加，一个周期可能会达到20s，完成10个周期的测量至少需要5min左右

附图说明

图1为本发明所述的主动控制正弦扭摆法转动惯量测量装置示意图

图2为本发明所述的主动控制正弦扭摆法转动惯量测量装置示意图

图3为本发明所述的主动控制正弦扭摆法转动惯量测量装置联轴器示意图

图中：1——保护支承座，2——底座，3——工作台，4——气浮轴承，5——光栅安装座，6——轴承安装座，7——扭矩传感器，8——扭矩限制器，9——联轴器，10——角接触球轴承，11——电机，12——读数头，13——地脚，14——缓冲器

具体实施方式

一种主动控制正弦扭摆法转动惯量测量装置，包括保护支承座1、底座2、工作台3与主轴系，其中保护支承座1位于地面上，通过缓冲器14支撑工作台3，而主轴系位于底座2内，底座2为圆台型结构，下部安装有地脚13，底座2法兰边设计尺寸较大，确保负载产品及工装的中心落到地脚13安装圆内，,主轴系通过上部的气浮轴承4连接工作台3的中心位置，且在工作台3的安装位置上有光栅安装座5，光栅安装座5上有刻度，且可安装光栅；

主轴系由电机11驱动回转轴14，回转轴14上部连接联轴器9，且在电机11与联轴器9之间的位置，在回转轴14上安装角接触球轴承10，起到稳定回转轴14的作用，且角接触球轴承10与电机11、联轴器9不接触；联轴器9上部连接扭矩限制器8，扭矩限制器8上部连接扭矩传感器7，扭矩传感器7上部连接气浮轴承4，气浮轴承4连接工作台3的中心位置，在气浮轴承4上还有光学编码器15，光学编码器15包括光栅与读数头12，配合光栅安装座5上的光栅可进行读数

电机11选用无刷无齿槽力矩电机，无刷无齿槽电机不存在电刷的摩擦力，且齿槽力矩几乎为零，低速力矩波动性能好。采用角接触球轴承作为电机输出端支撑，径向刚性好，扭矩限制器用于限制扭矩及保护的作用。

一种主动控制正弦扭摆法转动惯量测量方法，包括以下步骤：

S1：空载测试，工作台3不放置任何物体，电机11驱动回转轴14转动，电机11与光学编码器15构成反馈控制系统,将扭摆角度作为反馈控制结果,实时控制转台的扭摆角度,使转台的转角按照标准的正弦扭摆运动；

S2：扭矩传感器7采集时域输出信号M(t)，光栅传感器采集时域输出信号φ(t)，通过公式J＝M/a，求得空载转动惯量J空；

S3：将被测量物体置于工作台3之上，按照S1、S2的方法可得载物后的转动惯量J'；

S4：通过J＝J'-J空,可得被测物体转动惯量J。

Claims (10)

1.一种主动控制正弦扭摆法转动惯量测量装置，其特征在于：包括保护支承座(1)、底座(2)、工作台(3)与主轴系，其中保护支承座(1)位于地面上，通过缓冲器(14)支撑工作台(3)，而主轴系位于底座(2)内，下部安装有地脚(13)，主轴系通过上部的气浮轴承(4)连接工作台(3)的中心位置；

主轴系由电机(11)驱动回转轴(14)，回转轴(14)上部连接联轴器(9)，且在电机(11)与联轴器(9)之间的位置，在回转轴(14)上安装角接触球轴承(10)；联轴器(9)上部连接扭矩限制器(8，扭矩限制器(8)上部连接扭矩传感器(7)，扭矩传感器(7)上部连接气浮轴承(4，气浮轴承(4)连接工作台(3)的中心位置。

2.根据权利要求1所述的一种主动控制正弦扭摆法转动惯量测量装置，其特征在于：底座(2)为圆台型结构。

3.根据权利要求1所述的一种主动控制正弦扭摆法转动惯量测量装置，其特征在于：底座(2)法兰边设计尺寸确保负载产品及工装的中心落到地脚(13)安装圆内。

4.根据权利要求1所述的一种主动控制正弦扭摆法转动惯量测量装置，其特征在于：电机(11)选用无刷无齿槽力矩电机。

5.根据权利要求1所述的一种主动控制正弦扭摆法转动惯量测量装置，其特征在于：在工作台(3)的安装位置上有光栅安装座(5)，光栅安装座(5)上有刻度，用于安装光栅。

6.根据权利要求5所述的一种主动控制正弦扭摆法转动惯量测量装置，其特征在于：在气浮轴承(4)上还有光学编码器(15)，光学编码器(15)包括光栅与读数头(12)，配合光栅安装座(5)上的光栅可进行读数。

7.根据权利要求6所述的一种主动控制正弦扭摆法转动惯量测量装置，其特征在于：角接触球轴承(10)与电机(11)、联轴器(9)不接触。

8.一种应用如权利要求7所述的主动控制正弦扭摆法转动惯量测量装置得测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：空载测试，工作台(3)不放置任何物体，电机(11)驱动回转轴(14)转动，电机(11)与光学编码器(15)构成反馈控制系统,将扭摆角度作为反馈控制结果；

S2：扭矩传感器(7)采集时域输出信号M(t)，光栅传感器采集时域输出信号φ(t)，通过公式J＝M/a，求得空载转动惯量J空；

S3：将被测量物体置于工作台(3)之上，按照S1、S2的方法可得载物后的转动惯量J'；

S4：通过J＝J'-J空,可得被测物体转动惯量J。

9.根据权利要求8所述的一种主动控制正弦扭摆法转动惯量测量方法，其特征在于：所述S1中，实时控制转台的扭摆角度。

10.根据权利要求8所述的一种主动控制正弦扭摆法转动惯量测量方法，其特征在于：所述S1中，使转台的转角按照标准的正弦扭摆运动。