CN105806527B - 一种简易的震动力矩测量装置及方法 - Google Patents

一种简易的震动力矩测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种简易的震动力矩测量装置，包括机架平台，两个电机分别固定在机架平台上两侧，且两个电机转轴分别与五杆机构的两曲柄连接，机架平台中线处设有平行于机架平台的支撑柱，支撑柱固定于高处，使机架平台远离地基；支撑柱一端固连着一垂直于机架平台方向的伸出端，伸出端两侧各与一固定于地基上的力传感器紧贴。本发明还提供了一种简易的震动力矩测量方法，机架平台受到五杆机构震动力矩，还受到力传感器与伸出端之间的作用力矩，根据力矩守恒原理，二者相等，因此，只要通过力传感器测得作用力即可；避免了由于物理量的叠加而导致的误差累积，提高了测量精度；同时，所需设备相应减少，大大地简化了整个测量装置，降低了成本。

Description

一种简易的震动力矩测量装置及方法
技术领域
本发明涉及一种简易的震动力矩测量装置，尤其涉及一种五杆机构的震动力矩的测量装置。
背景技术
机构在运转过程中，因机构质心偏移而产生惯性力，这种惯性力传递到机架从而产生震动。特别是现代高速机械设备，因惯性力产生的震动很大，从而影响机器的工作精度，恶化工作条件，同时，震动噪声也会污染环境。因此，震动力矩的检测很有必要。机构的震动力矩实际上是机构对机架所施加的力矩。
目前采用的五杆机构震动力矩测量装置，如图1所示，包括底座1，机架2设于底座1上，两台支撑座4分别通过一力传感器3设于机架2上，第一电机6、第二电机15分别通过一电机座5设于两台支撑座4上，第一电机6、第二电机15的主轴分别连接一第一联轴器7，两个第一联轴器7分别通过一扭矩传感器9连接两个第二联轴器10，两个第二联轴器10分别连接五杆机构的两个曲柄。两个扭矩传感器9分别通过一扭矩传感器支撑座8固定在两台支撑座4上。五杆机构由第一曲柄11、第一连杆12、第二连杆13及第二曲柄14依次通过铰链副B、C、D连接组成。
利用机架2与支撑座4之间放置的力传感器3来测量五杆机构传递到机架上的沿Y方向(垂直于机架向上方向)的支反力FAY、FEY，利用在电机轴上连接的扭矩传感器9来测量两电机的输入扭矩Tin1、Tin2。五杆机构震动力矩表达式为：
式(a)中，lAE指分别与两个第二联轴器10连接的铰链副A到铰链副E在X方向(平行于机架方向)的距离。因此，现有的五杆机构震动力矩测量装置需要测量出FAY、FEY、Tin1、Tin2四个物理量，然后代入到上述表达式中求出震动力矩Msh。
上述测量方式的缺点主要体现在：
1、需要分别测量出FAY、FEY、Tin1、Tin2四个物理量，一个物理量至少对应一个传感器，那么整个测量装置至少需要四个传感器，而且还需要配备相应的数据采集设备，传感器的数量越多，整个测量装置的设计难度越高。
2、传感器的安放位置是否准确对机构动态性能具有一定的影响，从而降低震动力矩的测量准确度。
3、由于传感器以及数据采集设备的精度问题，测量时本身就会存在一定的检测误差，将震动力矩的测量分成对FAY、FEY、Tin1、Tin2这四个物理量来测量，则震动力矩的测量误差就是这四个物理量的检测误差的综合，误差累积会导致震动力矩的测量误差变大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、测量精度高的震动力矩测量装置。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种简易的震动力矩测量装置，包括机架平台，两个电机分别固定在机架平台上两侧，且两个电机转轴分别与五杆机构的两曲柄连接，其特征在于：所述机架平台中线处设有平行于机架平台的支撑柱，支撑柱通过带座轴承固定于地基上的支撑结构上，使所述机架平台远离地基；支撑柱的一端固连着一垂直于机架平台方向的伸出端，伸出端两侧各与一固定于地基上的力传感器紧贴。
优选地，所述五杆机构由依次通过铰链副连接的第一曲柄、第一连杆、第二连杆及第二曲柄组成。
优选地，两个所述电机的转轴分别与一联轴器一端连接，两个联轴器的另一端分别与五杆机构的第一曲柄、第二曲柄连接。
优选地，所述机架平台两侧中垂线处分别向上延伸出一凸台，凸台外侧分别设有一固定于地基上的机架轴承座支撑块，支撑柱通过机架轴承座设于机架轴承座支撑块上，支撑柱一端设于凸台上，支撑柱另一端设有所述伸出端。
优选地，所述支撑柱的轴线与所述电机轴的轴线在同一水平面上。
优选地，当两个电机启动，五杆机构运转时，伸出端被固定的力传感器约束，因此，所述机架平台的自由度被力传感器约束，所述机架平台依然是静止的。
本发明还提供了一种简易的震动力矩测量方法，采用上述的简易的震动力矩 测量装置，其特征在于：启动两个电机，使五杆机构运转，则机架平台受到五杆机构震动力矩Msh，还受到力传感器与伸出端之间的作用力F，作用力F对支撑柱轴心取矩得
M＝F×L
其中，L为作用力F到支撑柱轴心的距离，为常量；根据力矩守恒原理，则有Msh＝M；因此，只要通过力传感器测得作用力F，即可得出五杆机构震动力矩Msh。
本发明基于力矩守恒原理，将五杆机构震动力矩的测量从四个物理量简化成一个物理量的测量；只需测量一个物理量，避免了由于物理量的叠加而导致的误差累积，从而提高了测量精度；同时，所需传感器及数据采集设备相应减少，大大地简化了整个测量装置，降低了成本。
附图说明
图1为传统的五杆机构震动力矩测量装置示意图；
图2为本实施例提供的简易的震动力矩测量装置立体示意图；
图3为本实施例提供的简易的震动力矩测量装置平面示意图；
图4为Msh、M以及Msh-M差值在一个周期内的变化曲线示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
图2和图3分别为本实施例提供的简易的震动力矩测量装置立体和平面示意图，所述的震动力矩测量装置由电机座5、第一电机6、第二电机15、五杆机构、机架轴承座支撑块21、机架轴承座22、机架平台23、凸台24、支撑柱25、伸出端26、联轴器27、力传感器28等组成。五杆机构由依次连接的第一曲柄11、第一连杆12、第二连杆13及第二曲柄14组成。
震动力矩测量装置的机架部分由机架平台23、凸台24、支撑柱25和伸出端26固结而成。机架平台23前后两侧中垂线处分别向上延伸出一凸台24，凸台 24外侧分别设有一机架轴承座支撑块21，支撑柱25通过机架轴承座22安装在机架轴承座支撑块21上，支撑柱25一端设于凸台24上，支撑柱25另一端下方设有一伸出端26，伸出端26左右两侧各放置一个固定在地基上的力传感器28。第一电机6、第二电机15分别通过电机座5固定在机架平台23上两侧，且分别位于两个凸台24的相反的一端，两个电机分别设于机架平台23的左右两半部分上。两个电机分别通过一联轴器27与五杆机构的第一曲柄11、第二曲柄14连接。
机架平台23中心线上的支撑柱25中间断开，是为了避免五杆机构运动时与之产生干涉。
机架平台23上的两个凸台24的作用是：使支撑柱25的轴线与电机轴的轴线在同一水平面上，避免产生额外力矩而影响震动力矩测量结果。
机架轴承座支撑块21固定在地基上，其作用是：使机架平台23远离地基一定高度，避免五杆机构运转时与地基产生干涉。机架平台23上固结的支撑柱25通过机架轴承座支撑块21在地基上形成“活动”机架。两个力传感器28固定在地基上，并紧贴在伸出端26左右两侧，使机架平台23保持静止状态。
本实施例提供的震动力矩测量装置，将以往的固定机架改为“活动”机架，在机架平台23中垂线上延伸出一个伸出端26，伸出端26左右两侧各放置一个固定在地基上的力传感器28，那么，机架平台23除了受五杆机构震动力矩Msh之外，还受到力传感器28与伸出端26之间的作用力F，对支撑柱25的轴心取矩得
M＝F×L (b)，
式(b)中，L指作用力F到支撑柱25的轴心的距离。由于力传感器28是固定的，因此，“活动”机架的自由度被力传感器28约束，机架依然是静止的。根据力矩守恒原理，则有Msh＝M。因此，五杆机构震动力矩Msh的测量可以简化成力F的测量。
给两电机一定转速，使五杆机构运转，通过与伸出端26紧贴的力传感器28可以测量出力F，且伸出端26与力传感器28的接触点到支撑柱25的轴心的距离L为常量，将F和L带入公式(b)求得M，即得到五杆机构震动力矩Msh。
因此，整个测量装置只需测量一个物理量，避免了由于物理量的叠加而导致的误差累积，从而提高了测量精度。同时，将所需传感器数量从四个减少至两个，降低了成本。
利用SolidWorks motion进行仿真验证。利用SolidWorks建立三维仿真模型，并利用motion模块进行动力学仿真分析，导出支反力FAY和FEY、电机输入转矩Tin1和Tin2、以及力F随机构运转一个周期的变化曲线。代入公式(a)和(b)分别得到Msh、M以及Msh-M差值在一个周期内的变化曲线，如图4所示。
图4中，横轴为曲柄转角，单位为度(°)；左纵轴为力矩值，右纵轴为力矩差值，单位均为牛顿毫米(Nmm)。实线是Msh曲线，点划线是M曲线，虚线是Msh-M的差值曲线。该曲线表明：Msh＝M，验证了本发明方法理论的正确性。通过该技术方案，震动力矩的测量可以转化为力F的测量，检测量从四个物理量减少至一个物理量，大大简化了震动力矩测量装置。
综上，本实施例提供的震动力矩测量装置将五杆机构震动力矩的测量简化成力F的测量，不需要分别测量出FAY、FEY、Tin1、Tin2这四个物理量，所需传感器及数据采集设备相应减少，大大地简化了整个测量装置，降低了成本。同时，提高了测量精度。

Claims (7)

1.一种简易的震动力矩测量装置，包括机架平台(23)，两个电机分别固定在机架平台(23)上两侧，且两个电机转轴分别与五杆机构的两曲柄连接，其特征在于：所述机架平台(23)中线处设有平行于机架平台的支撑柱(25)，支撑柱(25)通过带座轴承固定于地基上的支撑结构上，使所述机架平台(23)远离地基；支撑柱(25)一端固连着一垂直于机架平台方向的伸出端(26)，伸出端(26)两侧各与一固定于地基上的力传感器(28)紧贴；机架平台(23)的自由度被力传感器(28)约束。
2.如权利要求1所述的一种简易的震动力矩测量装置，其特征在于：所述五杆机构由依次通过铰链副连接的第一曲柄(11)、第一连杆(12)、第二连杆(13)及第二曲柄(14)组成。
3.如权利要求2所述的一种简易的震动力矩测量装置，其特征在于：两个所述电机的转轴分别与一联轴器(27)一端连接，两个联轴器(27)的另一端分别连接五杆机构的第一曲柄(11)、第二曲柄(14)。
4.如权利要求1所述的一种简易的震动力矩测量装置，其特征在于：所述机架平台(23)两侧中垂线处分别向上延伸出一凸台(24)，凸台(24)外侧分别设有一固定于地基上的机架轴承座支撑块(21)，支撑柱(25)通过机架轴承座(22)设于机架轴承座支撑块(21)上，支撑柱(25)一端设于凸台(24)上，支撑柱(25)另一端设有所述伸出端(26)。
5.如权利要求4所述的一种简易的震动力矩测量装置，其特征在于：所述支撑柱(25)的轴线与所述电机轴的轴线在同一水平面上。
6.如权利要求1所述的一种简易的震动力矩测量装置，其特征在于：当两个电机启动，五杆机构运转时，伸出端(26)被固定的力传感器(28)约束，因此，所述机架平台(23)的自由度被力传感器(28)约束，所述机架平台(23)依然是静止的。
7.一种简易的震动力矩测量方法，采用如权利要求1～6任一项所述的简易的震动力矩测量装置，其特征在于：启动两个电机，使五杆机构运转，则机架平台(23)受到五杆机构震动力矩Msh，还受到力传感器(28)与伸出端(26)之间的作用力F，作用力F对支撑柱(25)的轴心取矩得
M＝F×L
其中，L为作用力F到支撑柱(25)的轴心的距离，为常量；根据力矩守恒原理，则有Msh＝M；因此，只要通过力传感器(28)测得作用力F，即可得出五杆机构震动力矩Msh。
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