CN102692264A - 一种用于质量、质心位置与转动惯量的测试台及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于质量、质心位置与转动惯量的测试台及测试方法。可使被测产品的质量、质心位置的测量与被测产品的转动惯量的测量互不干扰、分开进行，实现在同一测试台同时测量产品的质量、质心位置与转动惯量。本发明通用性强，可通过更换不同的定位机构及夹紧机构实现对不同大小及不同形状的产品进行测量；并且能直接测量转动惯量。本发明自动化程度高，控制系统使用便携式工控机；称重传感器、扭矩传感器拆卸方便，可独立进行标定，或随同转动惯量设备一起标定；测控系统具有参数设置及调节、传感器标定；系统故障诊断、安全保护和数据存储、打印功能；本发明测试台及测试方法其测量精度高、测试范围寛、操作简便。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于质量、质心位置与转动惯量的测试台及测试方法,属于机械设计与制造及测试设备领域。
背景技术
质量特性参数作为重要的物理参数，对物体的运动稳定性、可操作性、机动性和组合运动的一致性等有着重要的影响。目前转动惯量的测试方法，一般有三线扭摆法、单线扭摆法、复摆法、落体法和金属扭杆振法。
在专利200920210208.0中公开了一种新型的动力总成转动惯量测试平台。该测试平台包括上安装平板、下摆盘、钢丝绳、球头连接装置、上钢丝绳加紧及长度调节装置、下钢丝绳加紧及长度调节装置、力传感器、轴承、中心圆盘和摆臂组成。该测试平台可实现对工件转动惯量的测试，但每次测量需将被测物体放到摆盘之上，对于形状复杂、质量较大的物体操作不方便；钢丝绳两端铰接，会增加测量过程中的阻尼，增加测量误差；采用人工计时对测量周期影响较大，也会增加测量误差。
专利200910011858.7中描述了一种基于最小条件系统识别理论的转动惯量测量方法，其转动惯量测量精度为1％，测量精度难以满足高精度转动惯量的测试要求。
现有技术中的转动惯量测试装置效率低、误差大、智能化程度不高，而且采用这类测试装置测量不能一次性将产品质量、质心位置及转动惯量测出；随着运动装备产能与检测任务的增加，现行测试方法受限于高人力成本和低效率的各种因素，越来越难以满足生产和测试需要。
发明内容
为了克服现有技术中测量误差大、效率低，测量方法单一、成本高的不足，本发明提出一种用于质量、质心位置与转动惯量的测试台及测试方法。该测试台及测试方法其测量精度高、测试范围寛、操作简便，可使被测工件的质量、质心位置的测量与被测工件的转动惯量的测量互不干扰、分开进行，实现在同一测试台同时测量工件的质量、质心位置与转动惯量。
本发明解决其技术问题，所采用的技术方案是:包括定位机构、夹紧机构、工作台、升降机构、动力组件、壳体、控制箱、电控装置；
所述工作台为被测试工件和工装部件提供支撑；定位机构和夹紧机构分别固定在工作台上镂空的滑槽中，固定定位机构的两条滑槽的中心线与固定夹紧机构的两条滑槽的中心线相垂直于工作台中心，定位挡板固定在工作台中部与夹紧机构相对，定位机构位于定位挡板的一侧，定位挡板的固定板上设有长方凸台，长方凸台中心与固定定位机构的两条滑槽的中心线同轴；工作台底面中心处有圆锥凸台，凸台凹槽内设置有花键；
所述升降机构由蜗轮、蜗杆、传动轴、丝杠、称重传感器、称重板、螺母、支撑轴承、导轨、传动轴上端固定座、传动轴下端固定座组成，升降机构位于工作台下面，安装在壳体上；称重传感器固定在圆形称重板上，称重板中心螺孔两侧有导轨安装孔，两根导轨穿过导轨安装孔固定安装在壳体上，且与丝杠平行；所述丝杠为空心圆柱体，丝杠中间部位设有凸台,凸台一侧的丝杠上有螺纹，蜗轮固定在丝杠上凸台的另一侧,固定套安装在蜗轮与支撑轴承之间，支撑轴承固定在壳体上；传动轴设置有花键的一端穿过丝杠中心轴孔与工作台固连，另一端与传动轴联轴器连接；丝杠两端部设置有内螺纹，丝杠穿过螺母和称重板分别与传动轴上端固定座和传动轴下端固定座连接；蜗杆固定在蜗杆座上与蜗轮配合连接，蜗杆座安装在壳体上；
所述动力组件包括伺服电机、传感器联轴器、扭矩传感器、减速器，动力组件位于壳体内，固定在壳体中心孔两侧的倒L形支撑板上；伺服电机输出轴与减速器连接，减速器与传感器联轴器连接；传感器联轴器与扭矩传感器输入端连接，扭矩传感器输出端与传动轴联轴器连接；扭矩传感器固定在支撑板上，位于减速器上部；电控箱位于壳体内下侧；
所述电控装置包括驱动系统、信号采集系统和控制系统，驱动系统接收控制系统指令，实现执行机构动作，完成工作台和机械主体装置运动；信号采集系统包括称重传感器采集模块、扭矩传感器模块和编码器模块，实现计算所需参数的测量；控制系统通过便携式工控机实现数据资源管理，设置试验参数和伺服控制器的人机交互，并实现对电机的控制和称重传感器、扭矩传感器和编码器的模拟量、数字量的采集和处理。
所述称重传感器为三个均布固定在称重板上。
本发明还提出了一种用于质量、质心位置与转动惯量的测试方法，其测试过程包括以下步骤：
步骤一:工装准备，将定位机构和夹紧机构固定在工作台上，调整定位相对位置；
步骤二:被测工件安装，将被测工件安装在台架上，确定定位完成，被测工件夹紧，完成被测工件安装；完成对工件的支撑和提供机械工装夹持支撑点；
步骤三:标定传感器精度；
步骤四：质量和质心位置测量，系统上电，正向转动手轮，螺母带动称重板沿导轨向上移动，使传动轴和工作台之间相对移动，称重板上的三个称重传感器支撑起工作台，三个称重传感器相差120°，称重传感器将信号及位置信号传递给工控机，以工作台的转动及定位中心为原点O建立坐标系，OX、OY为工作台参考轴，
根据力平衡原理，则工件总质量:
m＝m1+m2+m3；
其中：m1为称重传感器1所测工件质量，m2为称重传感器2所测工件质量，
m3为称重传感器3所测工件质量；
根据力矩平衡原理，对OX轴和OY轴分别取矩，则工件径向质心yc，轴向质心xc为: yc=(m2H2+m3H3)/m，
xc=(m2L2+m3L3-m1L1)/m；
其中:H2为b点距OX轴的距离， H3为c点距OX轴的距离，
L1为a点距OY轴的距离， L2为b点距OY轴的距离，
L3为c点距OY轴的距离；
步骤五:转动惯量测量，反向转动手轮，使称重板和工作台分开；启动伺服电机，伺服电机输出恒定力矩，控制工作台按设定的载荷谱运动，扭矩传感器将所测扭矩信号输入给工控机，根据编码器的信号计算一定周期内的转动角加速度，以运用转动定律(J=M/P)和平行轴定理，结合角加速度，扭矩传感器所测得值，及所测的质量和质心位置，计算出工件绕实际轴转动时的转动惯量；
步骤六:打印测试数据和试验曲线。
根据测试要求伺服电机输出转速可调，电机输出匀加速、再匀速再匀减速测试角加速度。
有益效果
本发明用于质量、质心位置与转动惯量的测试台及测试方法。可使被测产品的质量、质心位置的测量与被测产品的转动惯量的测量互不干扰、分开进行，实现在同一测试台同时测量产品的质量、质心位置与转动惯量。本发明通用性强，可通过更换不同的定位机构及夹紧机构来实现对不同大小及不同形状的产品进行测量；且对产品进行测试时，通过输入指定轴与转动中心距离，获取产品绕指定轴转动惯量，且能够直接测量转动惯量；本发明自动化程度高，控制系统使用便携式工控机，系统硬件具有开放性和模块化要求；并且称重传感器、扭矩传感器拆卸方便，能够独立进行标定，或随同转动惯量设备一起进行标定；测控系统具有参数设置及调节、传感器标定、系统故障诊断、系统安全保护和数据存储、打印功能；本发明测试台及测试方法其测量精度高、测试范围寛、操作简便。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种用于质量、质心位置与转动惯量的测试台及测试方法作进一步详细说明。
图1为本发明的称重传感器安装位置示意图。
图2为本发明的测试台示意图。
图3为本发明的定位机构示意图。
图4为本发明的定位机构俯视图。
图5为本发明的定位挡板位置示意图。
图6为本发明的升降机构示意图。
图7为本发明的测试台控制示意图。
图8为本发明的工作流程图。
图中：
1.壳体 2.伺服电机 3.减速器 4.传感器联轴器 5.扭矩传感器6.传动轴 7.升降机构 8.称重板 9.称重传感器 10.工作台 11.夹紧机构12.定位挡板 13.定位机构 14.丝杠 15.导轨 16.传动轴下端固定座17.下端轴承 18.蜗轮 19.螺母 20.传动轴上端固定座 21.花键22.上端轴承 23.蜗杆 24.电控箱 25.螺栓 26.小螺母 27.弹簧垫片28.支撑轴承
具体实施方式
本实施例是一种用于质量、质心位置与转动惯量的测试台及测试方法，用于产品质量、质心位置及转动惯量的测试，其包括定位机构、夹紧机构、工作台、升降机构、动力组件、壳体、控制箱、电控装置。
本发明的质量、质心位置与转动惯量测试台，如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，工作台10为被测试工件和工装部件提供支撑；定位机构13和夹紧机构11分别通过螺栓25和小螺母26及弹簧垫片27连接，固定在工作台10上镂空的滑槽中，固定定位机构13的两条滑槽的中心线与固定夹紧机构11的两条滑槽的中心线相垂直于工作台10的中心，定位挡板12固定在工作台10中部与夹紧机构11相对，通过工作台10上镂空的滑槽调节其相对位置，适应不同尺寸的被测工件。定位机构13位于定位挡板12的一侧，定位挡板12的固定板上设有长方凸台，长方凸台中心与固定定位机构13的两条滑槽的中心线同轴；工作台10底面中心处有圆锥凸台，凸台凹槽内设置有花键。
升降机构由蜗轮18、蜗杆23、传动轴6、丝杠14、称重传感器9、称重板8、螺母19、支撑轴承28、导轨15、传动轴下端固定座16、传动轴上端固定座20组成。升降机构位于工作台10下部，安装在壳体1上面；称重传感器9固定在圆形称重板8上，称重板8中心螺孔两侧有导轨安装孔，两根相同的导轨15穿过导轨安装孔固定安装在壳体1上，且与丝杠14平行，称重板8沿导轨15上下移动；丝杠14为空心圆柱体，丝杠中间部位设有凸台,凸台一侧的丝杠14上有螺纹，丝杠穿过螺母19和称重板8固定安装；蜗轮18固定在丝杠14上凸台另一侧,固定套安装在蜗轮18与支撑轴承28之间，支撑轴承28固定在壳体中心孔内；传动轴6设置有花键的一端穿过丝杠14的中心轴孔与工作台10固连，另一端与壳体内动力组件的传动轴联轴器连接；丝杠14两端部设置有内螺纹，分别与传动轴上端固定座20和传动轴下端固定座16连接；通过蜗杆23带动蜗轮18转动，带动螺母和称重板上下移动；丝杠14与蜗轮18通过平键固连，蜗杆23固定在蜗杆座上与蜗轮18配合，蜗杆座固定于壳体1的上面。
如图2所示，动力组件包括伺服电机2、传感器联轴器4、扭矩传感器5、减速器3，动力组件位于壳体1内，固定在壳体1中心孔两侧的倒L形的支撑板上；伺服电机2输出轴与减速器3连接，减速器3与传感器联轴器4连接；传感器联轴器4与扭矩传感器5输入端连接，扭矩传感器5输出端与传动轴联轴器连接，传动轴联轴器与传动轴6固定连接；伺服电机2驱动传动轴6转动，带动工作台10转动；扭矩传感器5固定在壳体1内支撑板上，位于减速器3上部；电控箱23位于壳体1内下侧，用于保护相关控制器，替代外置电控柜以便拆装和运输；伺服电机2提供恒定的扭矩，动力沿传动链传递给工作台10，使工作台10沿设计载荷谱运动，从而进行测量计算。
参阅图7、图8，质量、质心位置与转动惯量测试台的电控装置包括驱动系统、信号采集系统和控制系统等组成。驱动系统采用交流伺服电机；信号采集系统主要完成对称重传感器、扭矩传感器和编码器信号的采集与处理；控制系统完成伺服电机扭矩控制和传感器信号数据处理与计算。驱动系统接收控制系统指令，实现执行机构动作，完成工作台和机械主体机构运动功能；信号采集系统包括称重传感器采集模块、扭矩传感器模块和编码器模块，实现计算所需参数的测量；控制系统通过便携式工控机实现数据资源管理，设置试验参数和伺服控制器的人机交互，并实现对电机的控制和称重传感器、扭矩传感器和编码器等模拟量、数字量的采集和实时任务处理。
本实施例中，被测产品质量、质心位置及转动惯量测试具体过程如下：其测试过程包括以下步骤：
步骤一:工装准备，将定位机构13和夹紧机构11固定在工作台10上，调整定位的相对位置；
步骤二:被测工件安装，将被测工件安装在工作台10上，确定定位完成，被测工件夹紧，完成被测工件安装；完成对工件的支撑和提供机械工装夹持支撑点；
步骤三:标定传感器精度；
步骤四：质量和质心位置测量，系统上电，正向转动手轮，螺母19带动称重板8沿导轨15向上移动，使传动轴6和工作台10之间相对移动，称重板8上固定的三个称重传感器9支撑起工作台，三个称重传感器相差120°，称重传感器9将信号及位置信号传递给工控机，以工作台的转动及定位中心为原点O建立坐标系，OX、OY为工作台参考轴，称重传感器与工作台的接触点分别为a、b、c，且oxyz为工件的坐标轴，工作台的OX轴与工件的ox轴重合，参见图1，
根据力平衡原理，则工件总质量:
m=m1+m2+m3；
其中：m1为称重传感器1所测工件质量，m2为称重传感器2所测工件质量，m3为称重传感器3所测工件质量；
根据力矩平衡原理，对OX轴和OY轴分别取矩，则工件在平面内的径向质心yc，工件在平面内的轴向质心xc为:
yc=(m2H2+m3H3)/m，
xc=(m2L2+m3L3-m1L1)/m；
其中:H2为b点距OX轴的距离， H3为c点距OX轴的距离，
L1为a点距OY轴的距离， L2为b点距OY轴的距离，
L3为c点距OY轴的距离；
步骤五:转动惯量测量，反向转动手轮，使称重板8和工作台10分开；启动伺服电机2，伺服电机2输出恒定力矩，控制工作台10按设定的载荷谱运动，扭矩传感器5将所测扭矩信号输入给工控机，根据编码器的信号计算一定周期内的转动角加速度，以运用转动定律(J=M/P)和平行轴定理，结合角加速度，扭矩传感器所测得值，及所测的质量和质心位置，计算出工件绕实际轴转动时的转动惯量。
步骤六:打印测试数据和试验曲线。
Claims (4)
1.一种用于质量、质心位置与转动惯量的测试台，其特征在于:包括定位机构、夹紧机构、工作台、升降机构、动力组件、壳体、控制箱、电控装置；
所述工作台为被测试工件和工装部件提供支撑；定位机构和夹紧机构分别固定在工作台上镂空的滑槽中，固定定位机构的两条滑槽的中心线与固定夹紧机构的两条滑槽的中心线相垂直于工作台中心，定位挡板固定在工作台中部与夹紧机构相对，定位机构位于定位挡板的一侧，定位挡板的固定板上设有长方凸台，长方凸台中心与固定定位机构的两条滑槽的中心线同轴；工作台底面中心处有圆锥凸台，凸台凹槽内设置有花键；
所述升降机构由蜗轮、蜗杆、传动轴、丝杠、称重传感器、称重板、螺母、支撑轴承、导轨、传动轴上端固定座、传动轴下端固定座组成，升降机构位于工作台下面，安装在壳体上；称重传感器固定在圆形称重板上，称重板中心螺孔两侧有导轨安装孔，两根导轨穿过导轨安装孔固定安装在壳体上，且与丝杠平行；所述丝杠为空心圆柱体，丝杠中间部位设有凸台,凸台一侧的丝杠上有螺纹，蜗轮固定在丝杠上凸台的另一侧,固定套安装在蜗轮与支撑轴承之间，支撑轴承固定在壳体上；传动轴设置有花键的一端穿过丝杠中心轴孔与工作台固连，另一端与传动轴联轴器连接；丝杠两端部设置有内螺纹，丝杠穿过螺母和称重板分别与传动轴上端固定座和传动轴下端固定座连接；蜗杆固定在蜗杆座上与蜗轮配合连接，蜗杆座安装在壳体上；
所述动力组件包括伺服电机、传感器联轴器、扭矩传感器、减速器，动力组件位于壳体内，固定在壳体中心孔两侧的倒L形支撑板上；伺服电机输出轴与减速器连接，减速器与传感器联轴器连接；传感器联轴器与扭矩传感器输入端连接，扭矩传感器输出端与传动轴联轴器连接；扭矩传感器固定在支撑板上，位于减速器上部；电控箱位于壳体内下侧；
所述电控装置包括驱动系统、信号采集系统和控制系统，驱动系统接收控制系统指令，实现执行机构动作，完成工作台和机械主体装置运动；信号采集系统包括称重传感器采集模块、扭矩传感器模块和编码器模块，实现计算所需参数的测量；控制系统通过便携式工控机实现数据资源管理，设置试验参数和伺服控制器的人机交互，并实现对电机的控制和称重传感器、扭矩传感器和编码器的模拟量、数字量的采集和处理。
2.根据权利要求1所述的一种用于质量、质心位置与转动惯量的测试台，其特征在于:所述称重传感器为三个均布固定在称重板上。
3.一种用于权利要求1所述的质量、质心位置与转动惯量的测试方法，其特征在于其测试过程包括以下步骤：
步骤一:工装准备，将定位机构和夹紧机构固定在工作台上，调整定位相对位置；
步骤二:被测工件安装，将被测工件安装在台架上，确定定位完成，被测工件夹紧，完成被测工件安装；完成对工件的支撑和提供机械工装夹持支撑点；
步骤三:标定传感器精度；
步骤四：质量和质心位置测量，系统上电，正向转动手轮，螺母带动称重板沿导轨向上移动，使传动轴和工作台之间相对移动，称重板上的三个称重传感器支撑起工作台，三个称重传感器相差120°，称重传感器将信号及位置信号传递给工控机，以工作台的转动及定位中心为原点O建立坐标系，OX、OY为工作台参考轴，
根据力平衡原理，则工件总质量:
m＝m1+m2+m3；
其中：m1为称重传感器1所测工件质量，m2为称重传感器2所测工件质量，m3为称重传感器3所测工件质量；
根据力矩平衡原理，对OX轴和OY轴分别取矩，则工件径向质心yc，轴向质心xc为: yc=(m2H2+m3H3)/m，
xc=(m2L2+m3L3-m1L1)/m；
其中:H2为b点距OX轴的距离， H3为c点距OX轴的距离，
L1为a点距OY轴的距离， L2为b点距OY轴的距离，
L3为c点距OY轴的距离；
步骤五:转动惯量测量，反向转动手轮，使称重板和工作台分开；启动伺服电机，伺服电机输出恒定力矩，控制工作台按设定的载荷谱运动，扭矩传感器将所测扭矩信号输入给工控机，根据编码器的信号计算一定周期内的转动角加速度，以运用转动定律(J=M/P)和平行轴定理，结合角加速度，扭矩传感器所测得值，及所测的质量和质心位置，计算出工件绕实际轴转动时的转动惯量；
步骤六:打印测试数据和试验曲线。
4.根据权利要求3所述的质量、质心位置与转动惯量的测试方法，其特征在于:根据测试要求伺服电机输出恒定力矩且转速可调，输出匀加速、再匀速再匀减速测试角加速度。
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