CN108731877A - 一种大型重载转动惯量的高精度测量装置 - Google Patents

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张俊秀
曹玉梅
唐声权
赵健
占宏伟
王昱峰
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G01M1/10—Determining the moment of inertia

Abstract

本发明属于转动惯量测量技术领域，具体涉及一种大型重载转动惯量的高精度测量装置。气浮轴承的转子与工作台连接，气浮轴承的转子的外圆柱面加工有基准，基准处安装高精度光栅及读数头，气浮轴承的定子与底座固联，气浮轴承的转子的下端面与轴承连接法兰连接，轴承连接法兰与扭矩传感器固联，连接法兰的上下法兰面分别与扭矩传感器及扭矩限制器连接，扭矩限制器与芯轴连接，电机轴与角接触球轴承连接，角接触球轴承与轴承座连接，电机座与轴承座固联，无齿槽无刷力矩电机定子端与电机座固联，电机轴与角接触球轴承组成的轴系与芯轴连接，轴承座、电机座及电机的定子组成的固定端与底座固联。本发明可以满足大型重载测试的需求，提高测量精度。

Description

一种大型重载转动惯量的高精度测量装置
技术领域
本发明属于工程机电一体化设备及转动惯量测量技术领域，具体涉及一种大型重载转动惯量的高精度测量装置。
背景技术
转动惯量是刚体力学中描述刚体转动性质的物理量，在航空航天及国防工业中，转动惯量作为飞行器结构体的重要物理参数，在飞行控制中起着关键作用，其测量的准确性直接影响着控制精度，严重时会导致飞行器控制失灵。转动惯量的测量通常有单线扭摆法、三线摆法及台式扭摆法等。其中单线扭摆法及三线扭摆法测量原理基本相同，但是测量摆动周期误差比较大，受温度影响比较大，常用于小负载及实验原理演示系统，不适合测量较重及体积较大的设备。台式扭摆法是利用扭摆弹簧的原理，通过预先施加一定的扭矩让被测物体产生周期性的摆动，通过与标准件的比较测得其转动惯量，其优点是稳定性较好、测量迅速，缺点是目前需要人工施加扭矩值，测量不方便，扭杆摆动角度范围较小时周期测量存在误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大型重载转动惯量的高精度测量装置，以满足大型重载测试的需求，提高测量精度。
为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种大型重载转动惯量的高精度测量装置，气浮轴承的转子与工作台连接，气浮轴承的转子的外圆柱面加工有基准，基准处安装高精度光栅及读数头，气浮轴承的定子与底座固联，底座下侧设置有地脚，气浮轴承的转子的下端面与轴承连接法兰连接，轴承连接法兰与扭矩传感器固联，连接法兰的上下法兰面分别与扭矩传感器及扭矩限制器连接，扭矩限制器与芯轴连接，电机轴与角接触球轴承连接，角接触球轴承与轴承座连接，电机座与轴承座固联，无齿槽无刷力矩电机定子端与电机座固联，电机轴与角接触球轴承组成的轴系与芯轴连接，轴承座、电机座及无齿槽无刷力矩电机的定子组成的固定端与底座固联。
所述的底座与工作台之间设置有保护支撑。
所述的气浮轴承的转子为T形结构。
所述的扭矩限制器通过涨紧套的方式与芯轴连接，通过旋拧扭矩限制器上部的螺钉将扭矩限制器与芯轴涨紧固联。
所述的电机轴与角接触球轴承通过圆柱面配合连接。
所述的角接触球轴承与轴承座采用圆柱面配合连接。
无齿槽无刷力矩电机设置有电机调整垫，用于调整无齿槽无刷力矩电机的定子与转子间的轴向距离。
工作时，首先进行空载测量，此时先让工作台通电，让无齿槽无刷力矩电机带动气浮轴承的转子和工作台产生摇摆运动，此时通过编码器记录气浮轴承的位置角度值θ和周期T，扭矩传感器记录产生摇摆运动时的力矩值，通过公式换算即可求出空载情况下工作台和气浮轴承的转动惯量的值J1，然后安装被测负载设备，利用同样的办法测得工作台、气浮轴承和被测负载设备的转动惯量的值J2，J2-J1即为被测负载设备绕工作台回转轴线的转动惯量。
本发明所取得的有益效果为：
本发明测量原理简单，操作方便，提高了转动惯量测量的自动化程度，操作人员只需设置电机相应的运动参数，运行后根据扭矩传感器的测量扭矩值T，高精度光栅及读数头的角加速度值∝，根据公式T＝J∝即可求出转动惯量值J。同时转动惯量的测试装置支撑平台采用气浮轴系，既满足大型重载测试的需求，同时空气摩擦较小可以忽略不计，提高了测量精度。电机采用无齿槽无刷力矩电机提供扭矩，一方面省去手动操作繁琐的流程，根据实际需求提供不同大小的扭矩值，增大测量范围，同时电机采用无刷的方式，消除了电刷的干扰力矩，提高了测量精度。本发明既解决了线摆法无法测量大负载大体积设备的难题，同时解决了扭摆法需要人工干预的被动式测量困难，测试流程简洁，精度高。在工作台上加载5t砝码，转动惯量值测出大约在2640kg·m2左右，且重复定位精度2.64kg·m2以内，满足测量精度的要求。
附图说明
图1为大型重载转动惯量的高精度测量装置结构图；
图2为大型重载转动惯量的高精度测量装置轴系局部放大图；
图中：1、工作台；2、高精度光栅及读数头；3、气浮轴承；4、轴承连接法兰；5、扭矩传感器；6、连接法兰；7、扭矩限制器；8、芯轴；9、电机轴；10、角接触球轴承；11、轴承座；12、电机座；13、电机调整垫；14、无齿槽无刷力矩电机；15、底座；16、保护支撑；17、地脚。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1、图2所示，本发明所述大型重载转动惯量的高精度测量装置包括工作台1、高精度光栅及读数头2、气浮轴承3、轴承连接法兰4、扭矩传感器5、连接法兰6、扭矩限制器7、芯轴8、电机轴9、角接触球轴承10、轴承座11、电机座12、电机调整垫13、无齿槽无刷力矩电机14、底座15、保护支撑16、地脚17；
气浮轴承3的转子与工作台1连接，实现工作台1及负载转动，转子的外圆柱面加工有基准，基准处安装高精度光栅及读数头2，用于提供角度值反馈。气浮轴承3的定子与底座15固联，底座15下侧设置有地脚17，通过地脚17调整整个工作台1台面的水平。在底座15与工作台1之间设置有保护支撑16。转子为T形结构，转子的下端面与轴承连接法兰4连接，轴承连接法兰4与扭矩传感器5通过螺钉固联，实现扭矩传感器5测量的力矩值即为上面连接部分的力矩值。连接法兰6的上下法兰面分别与扭矩传感器5及扭矩限制器7连接，扭矩限制器7通过涨紧套的方式与芯轴8连接，通过旋拧扭矩限制器7上部的螺钉将扭矩限制器7与芯轴8涨紧固联。电机轴9、角接触球轴承10、轴承座11、电机座12组成无齿槽无刷力矩电机14回转轴系，通过安装调整预压的方式保证回转轴系有一定的回转精度，同时将无齿槽无刷力矩电机14的力矩值传递到负载端。电机轴9与角接触球轴承10通过圆柱面配合连接，角接触球轴承10与轴承座11也采用圆柱面配合连接，为了保证轴系的回转精度，采用配磨的方式，保证轴承与轴及轴承座之间的间隙，电机座12通过螺钉的方式与轴承座11固联，电机调整垫13调整无齿槽无刷力矩电机14的定子与转子间的轴向距离，无齿槽无刷力矩电机14定子端直接与电机座12固联。电机轴9与角接触球轴承10组成的轴系通过芯轴8与上部气浮台连接。轴承座11、电机座12及电机定子组成的固定端与底座15固联。
本发明主要实现被测物体的旋转摇摆运动，被测负载设备转动惯量的旋转轴线即为轴系竖直旋转轴线。工作台1采用立式结构，底座15及气浮轴承3为主体支撑结构，气浮轴承3组成回转轴系，扭矩传感器5提供力矩值，高精度光栅及读数头2提供角度值及角加速度值反馈，扭矩限制器7起到连接及保护扭矩传感器5的作用，无齿槽无刷力矩电机14提供摇摆力矩。
结构设计中工作台1、气浮轴承3、高精度光栅及读数头2安装于扭矩传感器5的上端，扭矩限制器7、角接触球轴承10、无齿槽无刷力矩电机14安装于扭矩传感器5的下端，该种结构设计形式保证扭矩传感器5测得的力矩值完全为加载于负载端的力矩值。轴承采用气浮轴系，相比机械轴承而言，摩擦阻力力矩小，可以忽略。高精度光栅及读数头2应准确的反映负载端旋转角度及角加速度值，因此安装于气浮轴承3的转子圆柱端面处。角度扭矩传感器5有一定测量范围，当力矩值大于测量范围后容易造成传感器的损坏，因此电机轴9与扭矩传感器5之间安装有扭矩限制器7，当电机输出力矩值大于设定值时扭矩限制器7将会自动脱开连接，保护扭矩传感器5。
工作时，首先进行空载测量，此时先让工作台1通电，让无齿槽无刷力矩电机14带动气浮轴承3的转子和工作台1产生摇摆运动，此时通过编码器记录气浮轴承3的位置角度值θ和周期T，扭矩传感器5记录产生摇摆运动时的力矩值，通过公式换算即可求出空载情况下工作台1和气浮轴承3的转动惯量的值J1，然后安装被测负载设备，利用同样的办法测得工作台1、气浮轴承3和被测负载设备的转动惯量的值J2，J2-J1即为被测负载设备绕工作台1回转轴线的转动惯量。

Claims (8)

1.一种大型重载转动惯量的高精度测量装置，其特征在于：气浮轴承(3)的转子与工作台(1)连接，气浮轴承(3)的转子的外圆柱面加工有基准，基准处安装高精度光栅及读数头(2)，气浮轴承(3)的定子与底座(15)固联，底座(15)下侧设置有地脚(17)，气浮轴承(3)的转子的下端面与轴承连接法兰(4)连接，轴承连接法兰(4)与扭矩传感器(5)固联，连接法兰(6)的上下法兰面分别与扭矩传感器(5)及扭矩限制器(7)连接，扭矩限制器(7)与芯轴(8)连接，电机轴(9)与角接触球轴承(10)连接，角接触球轴承(10)与轴承座(11)连接，电机座(12)与轴承座(11)固联，无齿槽无刷力矩电机(14)定子端与电机座(12)固联，电机轴(9)与角接触球轴承(10)组成的轴系与芯轴(8)连接，轴承座(11)、电机座(12)及无齿槽无刷力矩电机(14)的定子组成的固定端与底座(15)固联。
2.根据权利要求1所述的大型重载转动惯量的高精度测量装置，其特征在于：所述的底座(15)与工作台(1)之间设置有保护支撑(16)。
3.根据权利要求1所述的大型重载转动惯量的高精度测量装置，其特征在于：所述的气浮轴承(3)的转子为T形结构。
4.根据权利要求1所述的大型重载转动惯量的高精度测量装置，其特征在于：所述的扭矩限制器(7)通过涨紧套的方式与芯轴(8)连接，通过旋拧扭矩限制器(7)上部的螺钉将扭矩限制器(7)与芯轴(8)涨紧固联。
5.根据权利要求1所述的大型重载转动惯量的高精度测量装置，其特征在于：所述的电机轴(9)与角接触球轴承(10)通过圆柱面配合连接。
6.根据权利要求1所述的大型重载转动惯量的高精度测量装置，其特征在于：所述的角接触球轴承(10)与轴承座(11)采用圆柱面配合连接。
7.根据权利要求1所述的大型重载转动惯量的高精度测量装置，其特征在于：无齿槽无刷力矩电机(14)设置有电机调整垫(13)，用于调整无齿槽无刷力矩电机(14)的定子与转子间的轴向距离。
8.根据权利要求1所述的大型重载转动惯量的高精度测量装置，其特征在于：工作时，首先进行空载测量，此时先让工作台(1)通电，让无齿槽无刷力矩电机(14)带动气浮轴承(3)的转子和工作台(1)产生摇摆运动，此时通过编码器记录气浮轴承(3)的位置角度值θ和周期T，扭矩传感器(5)记录产生摇摆运动时的力矩值，通过公式换算即可求出空载情况下工作台(1)和气浮轴承(3)的转动惯量的值J1，然后安装被测负载设备，利用同样的办法测得工作台(1)、气浮轴承(3)和被测负载设备的转动惯量的值J2，J2-J1即为被测负载设备绕工作台(1)回转轴线的转动惯量。
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