CN103091040A - 转动惯量测量的辅助装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种转动惯量测量的辅助装置，包括：摆盘；定位锥，所述定位锥位于摆盘下方并对准摆盘中心；机械爪，所述机械爪用于夹紧摆盘；电磁铁，所述电磁铁通过拉绳驱动机械爪；转动座，所述定位锥固定在转动座上，所述转动座位于机械爪下方。采用机械爪夹取与扭转摆盘，并设计了转角垫块及相应的转角机构，使摆盘仅绕中心轴转动固定角度，避免了径向摆动，保证每次操作的重复性与可靠性。

Description

转动惯量测量的辅助装置

技术领域

本发明涉及对转动惯量进行测量的技术领域，具体涉及一种转动惯量测量的辅助装置。

背景技术

转动惯量大小表征了刚体转动状态改变的难易程度，其量值取决于物体的形状、质量分布及转轴的位置。在工程实践中，对于形状复杂、且质量分布不均匀刚体，难以通过理论计算得到转动惯量，通常采用实验方法来测定。三线摆法因其具有设备简单、操作方便、精度较高等优点，成为测取转动惯量的一种常用方法。

如图1所示，其测量原理为：将被测物的相对转轴与摆盘回转轴重合，使摆盘偏转一个微小（通常小于5°）的初始扭转角（此时扭转振动才近似线性振动），然后自然释放，摆盘产生周期性扭转振动，其周期与摆盘上物体的转动惯量有关；根据等效原理可知，A、B摆盘上的物体重量、摆长完全相等时，如果两者扭转振动周期也相同，则可认为转动惯量是相等的。因此通过调整B摆盘上对称放置的均质圆柱体的间距S，即可得到不同的转动惯量（可通过理论计算得到），使A、B摆盘的转动周期一致，从而得到A摆盘上非轴对称、非均质物体的转动惯量。

然而在实际操作过程中，往往存在以下几方面影响因素：

一、小于5°的微小偏转角

为了保证摆盘的扭转振动是线性振动，其偏转角度需小于5°，而现有的实验设备中多数是依靠人手拨动摆盘，难以控制转角的大小，若转角过大，易出现非线性振动；若转角过小，不易判断扭摆周期的起始；因此，无论转角过大或过小，均会对测量精度造成影响。

二、摆盘的径向摆动

倘若通过人工拨动摆盘，极易出现无意中将摆盘拨离其回转中心的情况，使摆盘在工作时，不仅存在扭转振动，通常还会伴随着径向的摆动，这导致观察者或测量装置难以判断扭摆周期，从而对测量精度也造成了影响。

三、摆盘的水平悬挂

三线摆法的使用前提是摆盘必须水平放置，否则被测物的相对转轴OO₂与摆盘的回转轴OO₁不重合，如图2所示，这将导致测量误差增大。实际操作中，通常是采用人眼观察或放置水平仪来调整摆盘的水平。然而，前者仅凭观察者的主观感觉，没有参考基准；后者虽有水平仪作为参考基准，但调整完成后，须撤走水平仪，因此在测量过程中不易观察摆盘是否水平。

四、扭摆周期的测量

由于“三线摆”法是根据等效原理，将待测物的扭摆周期与已知转动惯量的标准物进行对比，从而确定待测物的转动惯量，因此，转动惯量的测量精度与扭摆周期测量有着密切关系。由于人工计数测量周期误差较大，为提高测量精度，通常采用电子式计数，现有的传感方式有红外检测、磁场检测等，但无论何种方式都需要在摆盘上设置一个额外的标识物体，如图3所示，这将导致实际转动惯量与真实值存在差别。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种具有准确测量转动惯量值的转动惯量测量的辅助装置。

考虑到现有技术的上述问题，根据本发明公开的一个方面，本发明采用以下技术方案：

一种转动惯量测量的辅助装置，包括：

摆盘；

定位锥，所述定位锥位于摆盘下方并对准摆盘中心；

机械爪，所述机械爪用于夹紧摆盘；

电磁铁，所述电磁铁通过拉绳驱动机械爪；

转动座，所述定位锥固定在转动座上，所述转动座位于机械爪下方。

为了更好地实现本发明，进一步的技术方案是：

根据本发明的一个实施例，所述转动座下方设置有5自由度空间定位机构。

根据本发明的一个实施例：

所述5自由度空间定位机构包括：

V型爪A；

V型爪B，所述V型爪A和V型爪B配合后用于固定在立柱上；

大臂，所述大臂一端与V型爪B连接；

大臂滑块；

大臂滑块盖，所述大臂滑块盖与大臂滑块配合在大臂上，以形成X轴方向移动滑块；

大臂尾板，所述大臂尾板设置在所述大臂另一端；

X方向调整螺杆，所述X方向调整螺杆穿过所述大臂尾板与大臂滑块连接；

小臂，所述小臂一端与大臂滑块连接；

小臂滑块；

小臂滑块盖，所述小臂滑块盖与小臂滑块配合在小臂上，以形成Y轴方向移动滑块；

小臂尾板，所述小臂尾板位于小臂另一端；

Y方向调整螺杆，所述Y方向调整螺杆穿过所述小臂尾板与小臂滑块连接；

转轴，所述转轴通过转轴套位于设置在小臂滑块上的孔内，所述转动座固定在所述转轴上；

调节板，所述调节板一端与所述小臂滑块连接；

Z方向调整螺杆，所述Z方向调整螺杆穿过所述调节板并与所述转动座连接。

根据本发明的一个实施例，所述转轴与所述定位锥同轴。

根据本发明的一个实施例，所述转动座上设置有转角垫块，所述转角垫块为阶梯状，中间有过渡斜面。

根据本发明的一个实施例，还包括限位螺钉，所述限位螺钉穿过转角垫块、通过转角调节块上的条型孔固定在转动座的侧面。

根据本发明的一个实施例，所述限位螺钉上设置有弹簧。

根据本发明的一个实施例，所述机械爪包括两个夹爪，所述两个夹爪之间通过夹爪转销连接，所述两个夹爪之间还连接有夹爪弹簧。

根据本发明的一个实施例，还包括激光转板、激光器和激光夹头，所述转轴套穿过激光转板，所述激光器通过激光夹头固定在激光转板上。

本发明还可以是：

根据本发明的一个实施例，所述转动座上设置有水准泡。

与现有技术相比，本发明的有益效果之一是：

本发明的转动惯量测量的辅助装置，具有：

1、采用机械爪夹取与扭转摆盘，并设计了转角垫块及相应的转角机构，使摆盘仅绕中心轴转动固定角度，避免了径向摆动，保证每次操作的重复性与可靠性。

2、采用5自由度的空间定位机构调整机械爪的空间位置与水平状态，使本发明具有更广泛的适用性。

3、机械爪具有水平参考物的功能和摆线长度测量基准的功能。

4、利用激光高亮度和定向发光的特点，增强反射式扭转周期测量的信噪比。

附图说明

为了更清楚的说明本申请文件实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术的描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是对本申请文件中一些实施例的参考，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的情况下，还可以根据这些附图得到其它的附图。

图1为现有技术的“三线摆”法测量示意图。

图2为现有技术的“三线摆”法测量的摆盘非水平放置示意图。

图3为现有技术的“三线摆”法测量的传感方式的示意图。

图4示出了根据本发明一个实施例的转动惯量测量的辅助装置的示意图。

图5示出了根据本发明一个实施例的转动惯量测量的辅助装置的俯视示意图。

图6示出了根据本发明一个实施例的转角垫块的示意图。

图7示出了根据本发明一个实施例的转角垫块的示意图。

图8a示出了根据本发明一个实施例的转动惯量测量的辅助装置的局部结构示意图。

图8b为图8a的L向结构示意图。

图8c为图8a的N向结构示意图。

图8d为图8a的俯视结构示意图。

图9示出了根据本发明另一个实施例的转动惯量测量的辅助装置的爆炸示意图。

图10示出了根据本发明另一个实施例的转动惯量测量的辅助装置的电气系统示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

图4示出了根据本发明一个实施例的转动惯量测量的辅助装置的示意图。图5示出了根据本发明一个实施例的转动惯量测量的辅助装置的俯视示意图。参考图4、图5所示一种转动惯量测量的辅助装置的实施例，包括摆盘401、定位锥402、机械爪403，所述定位锥402位于摆盘401下方并对准摆盘401的中心；所述机械爪403用于夹紧摆盘401；所述电磁铁404通过拉绳405驱动机械爪403，电磁铁404可以设置在转动座406上；所述定位锥402固定在转动座406上，所述转动座406位于机械爪403下方；转动座406通过转轴407设置在底座408上；转动座406与转角垫块409连接。

本实施例通过机械爪403夹取摆盘401，并使其仅绕中心转动固定角度，避免了径向摆动，保证每次操作的重复性与可靠性。

所述机械爪403包括两个夹爪410、411，所述两个夹爪410、411之间通过夹爪转销412连接，所述两个夹爪410、411之间还连接有夹爪弹簧413。

如以上所述技术方案的操作过程是，先将定位锥402对准摆盘401圆心，由电磁铁404牵动拉绳405，使两个夹爪410、411收缩夹紧摆盘401。由于此时被夹紧的摆盘401与转轴407、定位锥402同轴，拨动转角垫块409，将通过转动座406以及安装在上方的机械爪403，使摆盘401仅绕其中心线转动固定角度，不出现径向移动；然后松开两个夹爪410、411，释放摆盘401，则产生自由的扭转振动，实现5°偏转角（如图5所示的a）。

图6示出了根据本发明一个实施例的转角垫块的示意图。如图6所示，所述转角垫块609为阶梯状，包括第一阶梯面614和第二阶梯面615，第一阶梯面614和第二阶梯面615中间有过渡斜面616，转角垫块609的中部设置有与螺钉配合的孔。可保证拨动转角垫块609时摆盘平稳地转动，根据实际摆盘的直径可计算出转角垫块609薄端与厚端（即第一阶梯面614和第二阶梯面615所处的两端）尺寸之差，从而实现5°偏转角。

图7示出了根据本发明一个实施例的转角垫块的示意图。如图7所示，具有5自由度的空间定位机构的具体结构可以是：

机械爪机构的空间位置需要有空间定位机构来进行调整，才能使定位锥对准摆盘圆心。由于定位机构必须固定在摆盘附近的结构体上，而该结构体通常并非完全垂直（或平行）于水平面，这就使得机械爪机构也非水平放置，在拨动摆盘旋转时，将导致摆盘不是绕其中心线转动，从而造成测量误差。为了使“三线摆”辅助装置具有更大的适用性，本发明采用5自由度空间定位方案，保证机械爪机构使用过程中保持水平。

现以结构体是立柱718为例，来描述5自由度空间定位机构的技术方案，如图7所示，由于机械爪机构是安装在转动座706上，因此只要实现转动座706的空间定位与水平调整即可。

转动座706x、y、z轴方向上的位置是通过螺纹进行调节。转动座706的水平姿态则通过固定在立柱718和大臂720上的俯仰调整机构719与倾角调整机构720进行调节，可调节绕x、y转动的自由度；小臂721相对大臂720的移动，可调节x向的自由度；小臂721通过Y方向调整螺杆，可调节y向自由度；通过与所述转动座706连接的Z方向调整螺杆723，可调节z向自由度；所述转动座706上设置有水准泡724，以便观看转动座706是否调平。

图8a示出了根据本发明一个实施例的转动惯量测量的辅助装置的局部结构示意图。图8b为图8a的L向结构示意图。图8c为图8a的N向结构示意图。图8d为图8a的俯视结构示意图。

如图8a-d所示，在靠近大臂820一端（即靠近立柱818一端）开有条形孔825，旋动俯仰调整螺钉826，大臂820将以第二压紧螺钉821为支点在一定范围内绕y轴旋转；两个倾角调整螺钉827置于两个压紧螺钉821、828（即第一压紧螺钉828、第二压紧螺钉821）的中间，旋动其中一个倾角调整螺钉827顶升大臂820的一侧，大臂820将在一定范围内绕x轴旋转；可通过安装在转动座上的水平泡观察其水平状况。

此外，转动座调整水平后，安装在其上方的夹爪成为水平基准，通过对比夹爪上表面与摆盘的位置关系，能够间接判断摆盘是否水平。

图9示出了根据本发明另一个实施例的转动惯量测量的辅助装置的爆炸示意图。转动座下方设置有5自由度空间定位机构，具体结构如图9所示，包括：V型爪A902、V型爪B903、大臂909、大臂滑块906、大臂滑块盖910、大臂尾板912、X方向调整螺杆914、小臂925、小臂滑块919、小臂滑块盖924、小臂尾板916、Y方向调整螺杆915、转轴932、调节板929和Z方向调整螺杆928；所述V型爪A902和V型爪B903配合后用于固定在立柱上；所述大臂909一端与V型爪B903连接；所述大臂滑块盖910与大臂滑块906配合在大臂909上，以形成X轴方向移动滑块，大臂滑块盖910上可设置止动螺911，用于止动；所述大臂尾板912设置在所述大臂909另一端；所述X方向调整螺杆914穿过所述大臂尾板912与大臂滑块906连接，X方向调整螺杆914上设置有并紧螺母913，可进行相应固定；所述小臂925一端与大臂滑块906连接；所述小臂滑块盖924与小臂滑块919配合在小臂925上，以形成Y轴方向移动滑块；所述小臂尾板916位于小臂925另一端；所述Y方向调整螺杆915穿过所述小臂尾板916与小臂滑块919连接，或者通过小臂滑块919上的小臂滑块顶板918连接；所述转轴932通过转轴套923位于设置在小臂滑块919上的孔内，所述转动座933固定在所述转轴932上；所述调节板929一端与所述小臂滑块919连接；所述Z方向调整螺杆928穿过所述调节板929并与所述转动座933连接，调节板929可通过压紧螺钉926和压紧垫片927与小臂滑块919固定连接；所述转轴932与所述定位锥935同轴。限位螺钉931穿过转角垫块930、通过转角调节块930上的条型孔固定在转动座933的侧面。所述限位螺钉931上设置有弹簧。

还可包括激光转板922、激光器921和激光夹头920，所述转轴套923穿过激光转板922，所述激光器921通过激光夹头920固定在激光转板922上。

现结合图9，对沉降监测仪的结构与工作原理进行说明：

通过V型爪A902、V型爪B903将整个“三线摆”辅助装置可通过夹紧螺钉901固定在附近的立柱上，型爪A902、V型爪B903的配合上设置有V爪转销905。大臂滑块906和大臂滑块盖910组成了X轴方向移动滑块，由X方向调整螺杆914调整其位置，Y方向同理。转动座933和定位锥935固定在转轴932上，转轴932的轴端套入转轴套923的中心孔，在Z方向上起导向作用。转角调节板917固定在小臂滑块919上，限位螺钉931穿过转角垫块930、转角调节板917上的条型孔以及一根弹簧，固定在转动座933的侧面，弹簧用于转动座933的偏转角复位。拨动转角垫块930，整个夹爪机构将绕中心轴旋转指定角度。装置的倾角与俯仰角调节机构集中在V型爪B903上，倾角调整螺钉907共有两个，旋动某个调整螺钉907顶升大臂909的一侧，可以调整装置的倾角位置。俯仰调整螺钉904共有两个，旋动螺钉顶压大臂909的上下端面，装置将以大臂压紧螺钉908为支点调整俯仰角度。观察转动座933上的水准泡939可以知道辅助装置的水平状况。激光器921通过激光夹头920固定在激光转板922上，激光转板922穿过转轴套923，可以绕中心轴自由旋转，该中心轴正是“三线摆”摆盘的回转轴。夹爪937通过夹爪转销942、夹爪座940安装在转动座933上，电磁铁934牵动拉绳带动拉绳螺钉936，使夹爪937夹紧或松开，两个夹爪937之间设置有夹爪弹簧。通过夹爪头A938与夹爪头B941的厚度差来补偿两个夹爪937重叠放置造成的上表面高度差，使两个夹爪头的上表面处于同一平面。

图10示出了根据本发明另一个实施例的转动惯量测量的辅助装置的电气系统示意图。结合图10所示，单片机检测按键信号，相应地控制激光器与电磁铁的通断电；硅光电池感应到的光强信号由信号放大器放大，然后经单片机内部的AD转换功能转成数字信号，并进行周期识别与计算，在LCD上显示当前光强信号与周期计算结果。

具体操作步骤如下：

1、通过V型爪把装置固定在立柱上，并观察水准泡，调节其倾角与俯仰角，使装置处于水平状态。

2、旋动X、Y方向调整螺杆，调整机械爪的水平面位置，使定位锥对准“三线摆”摆盘的中心。

3、旋动Z方向调整螺杆，使夹爪头的上表面与摆盘的上表面重合，用尺子测量出夹爪头上表面与摆盘悬线顶端的距离，这就是悬线长度；然后对比两个夹爪头与摆盘的高度差，可判断摆盘是否水平。

4、按下按键使电磁铁通电，牵动机械爪夹紧摆盘，拨动激光夹头绕中心轴旋转，观察LCD上显示的当前光强信号值，使激光对准黑线。

5、拨动转角垫块，使机械爪夹持着摆盘绕中心轴扭转5°，然后按下按键使电磁铁断电，机械爪松开摆盘，摆盘将产生扭转振动。

7、单片机系统将AD转换的数据进行处理后，计算出扭转周期，显示在LCD上。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分相互参见即可。

在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”、等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (10)

1.一种转动惯量测量的辅助装置，其特征在于，包括：

摆盘；

定位锥，所述定位锥位于摆盘下方并对准摆盘中心；

机械爪，所述机械爪用于夹紧摆盘；

电磁铁，所述电磁铁通过拉绳驱动机械爪；

转动座，所述定位锥固定在转动座上，所述转动座位于机械爪下方。

2.根据权利要求1所述的转动惯量测量的辅助装置，其特征在于，所述转动座下方设置有5自由度空间定位机构。

3.根据权利要求2所述的转动惯量测量的辅助装置，其特征在于，所述5自由度空间定位机构包括：

V型爪A；

V型爪B，所述V型爪A和V型爪B配合后用于固定在立柱上；

大臂，所述大臂一端与V型爪B连接；

大臂滑块；

大臂滑块盖，所述大臂滑块盖与大臂滑块配合在大臂上，以形成X轴方向移动滑块；

大臂尾板，所述大臂尾板设置在所述大臂另一端；

X方向调整螺杆，所述X方向调整螺杆穿过所述大臂尾板与大臂滑块连接；

小臂，所述小臂一端与大臂滑块连接；

小臂滑块；

小臂滑块盖，所述小臂滑块盖与小臂滑块配合在小臂上，以形成Y轴方向移动滑块；

小臂尾板，所述小臂尾板位于小臂另一端；

Y方向调整螺杆，所述Y方向调整螺杆穿过所述小臂尾板与小臂滑块连接；

转轴，所述转轴通过转轴套位于设置在小臂滑块上的孔内，所述转动座固定在所述转轴上；

调节板，所述调节板一端与所述小臂滑块连接；

Z方向调整螺杆，所述Z方向调整螺杆穿过所述调节板并与所述转动座连接。

4.根据权利要求3所述的转动惯量测量的辅助装置，其特征在于，所述转轴与所述定位锥同轴。

5.根据权利要求3或4所述的转动惯量测量的辅助装置，其特征在于，所述转动座上设置有转角垫块，所述转角垫块为阶梯状，中间有过渡斜面。

6.根据权利要求3所述的转动惯量测量的辅助装置，其特征在于，还包括限位螺钉，所述限位螺钉穿过转角垫块、通过转角调节块上的条型孔固定在转动座的侧面。

7.根据权利要求6所述的转动惯量测量的辅助装置，其特征在于，所述限位螺钉上设置有弹簧。

8.根据权利要求3所述的转动惯量测量的辅助装置，其特征在于，所述机械爪包括两个夹爪，所述两个夹爪之间通过夹爪转销连接，所述两个夹爪之间还连接有夹爪弹簧。

9.根据权利要求3所述的转动惯量测量的辅助装置，其特征在于，还包括激光转板、激光器和激光夹头，所述转轴套穿过激光转板，所述激光器通过激光夹头固定在激光转板上。

10.根据权利要求1所述的转动惯量测量的辅助装置，其特征在于，所述转动座上设置有水准泡。

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