CN112560197A - 一种考虑元素分离位置的转动副间隙监测方法及装置 - Google Patents

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CN112560197A CN202011486998.2A CN202011486998A CN112560197A CN 112560197 A CN112560197 A CN 112560197A CN 202011486998 A CN202011486998 A CN 202011486998A CN 112560197 A CN112560197 A CN 112560197A
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Abstract

本发明提供一种考虑元素分离位置的转动副间隙监测方法，包括对正弦机构的转动副元素中主动件的结构及运动轨迹进行分析，得到转动副元素分离位置；以转动副元素分离位置为参考点，获取转动副元素中被动件在参考点的速度及其与主动件分离后到再次接触的时间，并结合刚体运动学分析，得到主被动件的位移偏差量来计算转动副所含间隙大小；基于简化物理模型，确定主被动件的等效质量及碰撞前的相对速度，并结合主被动件各自的材料属性和运动半径，计算穿透深度；根据穿透深度，对转动副所含间隙大小进行修正为最终结果输出。实施本发明，在控制监测模型复杂程度的基础上，保证了一定的精度，从而解决了现有技术所存在的问题。

Description

一种考虑元素分离位置的转动副间隙监测方法及装置
技术领域
本发明涉及机电一体化测控技术领域，尤其涉及一种考虑元素分离位置的转动副间隙监测方法及装置。
背景技术
由于加工公差存在以及装配需求，机械设备两个活动构件运动副间存在一定大小的配合间隙，随着设备的运行时间以及工作恶性环境因素影响导致设备间运动副配合增大，会导致机构定位不准确，产生振动、噪声等问题，使得精密装备的可靠性、寿命迅速降低。例如多工位冷镦机中主传动机构中曲轴与连杆间的转动副由于要受转矩和扭矩的作用，在长期工作后，二者接触表面会出现摩擦磨损，导致转动副间出现超出设计预期的配合间隙，使曲轴与连杆间转动副间出现动应力，影响主传动机构的工作寿命和稳定性，进而影响紧固件的加工质量。而设备的主传动机构为保证得到润滑护养，通常处于封闭空间难以检测间隙偏差情况。
在现有技术中，对于转动副所含间隙的监测方法有：(1)通过涡流传感器运动叶片尖端定时的非接触式监测方法；(2)转动副元素间放置摩擦针，通过摩擦针的磨损情况来判断间隙大小；(3)凭经验和动态时间来判断。
但是，上述现有技术均存在不足之处，其不足之处在于：在第(1)种方法中，该方法过于复杂，且不同机构的设备使用需要通过前期大量的计算和传感器设置；在第(2)种方法中，该方法局限性过大，为了保护设备中的主传动设备，通常处于半密闭或密闭空间，若要通过拆卸外壳来实施该方法耗费的人力物力是极大的；在第(3)种方法中，该方法不能准确地测出零件的磨损量等配合情况，也不能适时地检测零件的配合间隙。
由于复杂程度与监测精度往往是矛盾的，而复杂程度与通用程度往往也是相反的，因此，一个复杂程度低，通用程度高，并保持一定监测精度的转动副间隙监测方法对于实际工程应用意义是重大的。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种考虑元素分离位置的转动副间隙监测方法及装置，基于机械理论与运动学、动力学的基础上结合信息采集技术，对转动副中间隙的大小实现实时监测，在控制监测模型复杂程度的基础上，保证了一定的精度，从而解决了现有技术所存在的问题。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种考虑元素分离位置的转动副间隙监测方法，所述方法包括以下步骤：
S1、对正弦机构的转动副元素中主动件的结构及运动轨迹进行分析，得到转动副元素分离位置；
S2、基于所述转动副元素分离位置为参考点，获取转动副元素中被动件在所述参考点的速度及其与主动件分离后到再次接触的时间，并结合刚体运动学进行分析，得到转动副元素分离后到再次接触时主动件的位移偏差量和被动件的位移偏差量，且进一步根据所得到的主动件的位移偏差量及被动件的位移偏差量，得到转动副所含间隙大小；
S3、基于预设的含间隙转动副元素的简化物理模型，确定转动副元素中主动件与被动件二者间的等效质量以及二者碰撞前的相对速度，并结合主动件和被动件二者各自的材料属性和运动半径，使用预设的穿透深度模型，计算出转动副元素中主动件与被动件碰撞后的穿透深度；
S4、根据所述转动副元素中主动件与被动件碰撞后的穿透深度，对所述转动副所含间隙大小进行修正，并将修正后的转动副所含间隙大小作为最终结果输出。
其中，所述步骤S1具体包括：
获取转动副元素中主动件的结构及运动轨迹的相关参量；
根据所述相关参量，通过动量矩定理，得到转动副含间隙的正弦机构动量矩平衡式；
根据临界判定法对所述正弦机构动量矩平衡式进行计算，得到转动副元素分离位置。
其中，所述步骤S2具体包括：
以所述转动副元素分离位置为参考点，获取转动副元素中被动件在所述参考点的速度
Figure BDA0002839601040000031
及其与主动件分离后到再次接触的时间tn；
根据公式
Figure BDA0002839601040000032
计算得到转动副元素分离后到再次接触时被动件的位移偏差量xq；
通过刚体运动学以及运动几何关系，可知公式xp＝R(1-cosτ)，计算得到转动副元素分离后到再次接触时主动件的位移偏差量xp；其中，R为主动件的固定长度；
Figure BDA0002839601040000033
τ为转动副元素分离后到再次接触时主动件转过的角度，且ωp0为主动件在所述参考点的固定转速；
根据公式A′＝xp+xq，计算得到转动副所含间隙大小A′。
其中，所述步骤S3具体包括：
基于预设的含间隙转动副元素的简化物理模型，确定转动副元素中主动件与被动件二者间的等效质量m以及二者碰撞前的相对速度
Figure BDA0002839601040000034
确定主动件和被动件二者各自的泊松比和弹性模量，以及确定主动件的运动半径rp和被动件的运动半径rq，并根据主动件和被动件二者各自的材料属性，通过公式
Figure BDA0002839601040000035
计算出刚度系数Ke；其中，
Figure BDA0002839601040000036
μi为主动件或被动件的泊松比，Ei为主动件或被动件的弹性模量；
使用预设的穿透深度模型
Figure BDA0002839601040000037
计算出转动副元素中主动件与被动件碰撞后的穿透深度；其中，n为接触力指数，常数。
其中，所述步骤S4具体包括：
将所述转动副所含间隙大小减去所述转动副元素中主动件与被动件碰撞后的穿透深度的差，作为修正后的转动副所含间隙大小作为最终结果输出。
本发明实施例还提供了一种考虑元素分离位置的转动副间隙监测装置，包括：
转动副元素分离位置获取单元，用于对正弦机构的转动副元素中主动件的结构及运动轨迹进行分析，得到转动副元素分离位置；
转动副所含间隙大小获取单元，用于基于所述转动副元素分离位置为参考点，获取转动副元素中被动件在所述参考点的速度及其与主动件分离后到再次接触的时间，并结合刚体运动学进行分析，得到转动副元素分离后到再次接触时主动件的位移偏差量和被动件的位移偏差量，且进一步根据所得到的主动件的位移偏差量及被动件的位移偏差量，得到转动副所含间隙大小；
穿透深度获取单元，用于基于预设的含间隙转动副元素的简化物理模型，确定转动副元素中主动件与被动件二者间的等效质量以及二者碰撞前的相对速度，并结合主动件和被动件二者各自的材料属性和运动半径，使用预设的穿透深度模型，计算出转动副元素中主动件与被动件碰撞后的穿透深度；
转动副所含间隙大小修正单元，用于根据所述转动副元素中主动件与被动件碰撞后的穿透深度，对所述转动副所含间隙大小进行修正，并将修正后的转动副所含间隙大小作为最终结果输出。
其中，所述转动副元素分离位置获取单元包括：
参量获取模块，用于获取转动副元素中主动件的结构及运动轨迹的相关参量；
平衡式获取模块，用于根据所述相关参量，通过动量矩定理，得到转动副含间隙的正弦机构动量矩平衡式；
转动副元素分离位置获取模块，用于根据临界判定法对所述正弦机构动量矩平衡式进行计算，得到转动副元素分离位置。
其中，所述转动副所含间隙大小获取单元包括：
参数计算模块，用于以所述转动副元素分离位置为参考点，获取转动副元素中被动件在所述参考点的速度
Figure BDA0002839601040000041
及其与主动件分离后到再次接触的时间tn；
被动件位移偏差量计算模块，用于根据公式
Figure BDA0002839601040000042
计算得到转动副元素分离后到再次接触时被动件的位移偏差量xq；
主动件位移偏差量计算模块，用于通过刚体运动学以及运动几何关系，可知公式xp＝R(1-cosτ)，计算得到转动副元素分离后到再次接触时主动件的位移偏差量xp；其中，R为主动件的固定长度；
Figure BDA0002839601040000051
τ为转动副元素分离后到再次接触时主动件转过的角度，且ωp0为主动件在所述参考点的固定转速；
转动副所含间隙大小计算模块，用于根据公式A′＝xp+xq，计算得到转动副所含间隙大小A′。
其中，所述穿透深度获取单元包括：
参数确定模块，用于基于预设的含间隙转动副元素的简化物理模型，确定转动副元素中主动件与被动件二者间的等效质量m以及二者碰撞前的相对速度
Figure BDA0002839601040000052
系数计算模块，用于确定主动件和被动件二者各自的泊松比和弹性模量，以及确定主动件的运动半径rp和被动件的运动半径rq，并根据主动件和被动件二者各自的材料属性，通过公式
Figure BDA0002839601040000053
计算出刚度系数Ke；其中，
Figure BDA0002839601040000054
μi为主动件或被动件的泊松比，Ei为主动件或被动件的弹性模量；
穿透深度计算模块，用于使用预设的穿透深度模型
Figure BDA0002839601040000055
计算出转动副元素中主动件与被动件碰撞后的穿透深度；其中，n为接触力指数，常数。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
本发明基于机械理论与运动学、动力学的基础上结合信息采集技术，通过转动副元素中采集到主动件的速度以及分离到再接触时的时间，利用运动学分析计算得到不考虑接触变形的转动副间隙，并通过考虑能量损耗的动力学来分析得到转动副元素接触时的穿透深度，进一步采用穿透深度来修正得到转动副间隙的计算值，使得整个过程不对转动副整个周期进行考虑，仅考虑转动副元素分离位置，降低了监测方法的复杂程度，同时通过修正保证了监测的精确度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1为本发明实施例提供的考虑元素分离位置的转动副间隙监测方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的考虑元素分离位置的转动副间隙监测方法中正弦机构的结构示意图；
图3为图2中正弦机构含间隙转动副局部放大视图；
图4为图2中正弦机构转动副元素接触-分离示意图；
图5为图4的局部放大示意图；
图6为本发明实施例提供的考虑元素分离位置的转动副间隙监测方法中正弦机构的电机转速85rpm条件下，设置的0.1mm、0.4mm、0.7mm、0.9mm的转动副元素中导轨位移偏差曲线图；
图7为本发明实施例提供的考虑元素分离位置的转动副间隙监测方法中正弦机构的电机转速85rpm条件下，设置的0.1mm、0.4mm、0.7mm、0.9mm的转动副元素中导轨位分离后自由运动速度曲线图；
图8为本发明实施例提供的考虑元素分离位置的转动副间隙监测方法中正弦机构的电机转速85rpm条件下，设置的0.1mm、0.4mm、0.7mm、0.9mm的不考虑接触变形转动副间隙计算结果示意图图；
图9为本发明实施例提供的考虑元素分离位置的转动副间隙监测方法中含间隙转动副的简化物理模型；
图10为本发明实施例提供的考虑元素分离位置的转动副间隙监测方法中含间隙转动副元素间接触后的穿透深度随时间变化曲线图；
图11为本发明实施例提供的考虑元素分离位置的转动副间隙监测方法中含间隙转动副元素的初始相对速度曲线；
图12为本发明实施例提供的考虑元素分离位置的转动副间隙监测方法中含间隙转动副元素接触碰撞全过程中接触力随穿透深度变化曲线图；
图13为本发明实施例提供的考虑元素分离位置的转动副间隙监测方法中含间隙转动副元素接触碰撞加载过程中接触力随穿透深度变化曲线图；
图14为本发明实施例提供的考虑元素分离位置的转动副间隙监测方法中含间隙转动副元素的相对刚度系数计算曲线图；
图15为本发明实施例提供的考虑元素分离位置的转动副间隙监测方法中含间隙转动副元素的穿透深度计算结果图；
图16为本发明实施例提供的考虑元素分离位置的转动副间隙监测方法中含间隙转动副元素的通过穿透深度修正后的间隙计算结果图；
图17为本发明实施例提供的考虑元素分离位置的转动副间隙监测装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
如图1所示，为本发明实施例中，提供的一种考虑元素分离位置的转动副间隙监测方法，所述方法包括以下步骤：
S1、对正弦机构的转动副元素中主动件的结构及运动轨迹进行分析，得到转动副元素分离位置；
具体过程为，首先，获取转动副元素中主动件的结构及运动轨迹的相关参量；
其次，根据上述相关参量，通过动量矩定理，得到转动副含间隙的正弦机构动量矩平衡式；
最后，根据临界判定法对所述正弦机构动量矩平衡式进行计算，得到转动副元素分离位置。
在一个实施例中，如图2和图3所示，正弦机构设置了85rpm转速，以及0.1mm、0.4mm、0.7mm、0.9mm的间隙大小。
获取正弦机构中曲柄的电机转速ω，曲柄长度大小R，同时转动副因间隙导致的多余自由度通过高副低代由无质量刚性杆替代，刚性杆长度与间隙大小相同，因此获取分别表示曲柄和间隙的方向θ和α作为相关参量。
根据以上参量，通过动量矩定理可得转动副含间隙的正弦机构动量矩平衡式
Figure BDA0002839601040000081
最后由临界判定法的思想得到
Figure BDA0002839601040000082
由于式中分母不可能无限大，故若Ft＝0则必有
Figure BDA0002839601040000083
故当θ为90°或270°时，式中mgLsinθ为0，在忽略其他因素时，曲柄在该两个位置时重力做功为0，曲柄与电机转速相同，此时角加速度为0。故转动副存在间隙偏差时，至少曲柄转至θ为90°或270°时为转动副元素分离接触的临界点。
S2、基于所述转动副元素分离位置为参考点，获取转动副元素中被动件在所述参考点的速度及其与主动件分离后到再次接触的时间，并结合刚体运动学进行分析，得到转动副元素分离后到再次接触时主动件的位移偏差量和被动件的位移偏差量，且进一步根据所得到的主动件的位移偏差量及被动件的位移偏差量，得到转动副所含间隙大小；
具体过程为，首先，以转动副元素分离位置为参考点，获取转动副元素中被动件在参考点的速度
Figure BDA0002839601040000084
及其与主动件分离后到再次接触的时间tn；
其次，根据公式
Figure BDA0002839601040000085
计算得到转动副元素分离后到再次接触时被动件的位移偏差量xq；
接着，通过刚体运动学以及运动几何关系，可知公式xp＝R(1-cosτ)，计算得到转动副元素分离后到再次接触时主动件的位移偏差量xp；其中，R为主动件的固定长度；
Figure BDA0002839601040000086
τ为转动副元素分离后到再次接触时主动件转过的角度，且ωp0为主动件在所述参考点的固定转速；
最后，根据公式A′＝xp+xq，计算得到转动副所含间隙大小A′。
在一个实施例中，在图2中，正弦机构的转动副中曲柄销轴为主动件，滚动轴承为被动件，滚动轴承水平运动方向变换前后，两构件的位置关系如图4所示。
因存在间隙，导致主动件曲柄销轴需要通过一定角度才能再次与轴承接触并使其转向，曲柄销轴通过的角度称为过渡角τ。两构件的相对速度不同时，曲柄销轴转过的过渡角和两构件碰撞位置点也会不同，图中圆心为P1的黑色曲柄销轴实线圈表示被驱动件轴承将要换向的位置，分别以P2、P3蓝红点画圆表示在两构件不同相对速度下换向后的关位置。
单独提出放大曲柄销轴与轴承碰撞接触点及其切线，如图5所示。轴承与销轴接触即将分离时，轴承有向右的速度并与曲柄销轴紧接着的运动方向是相对的，故轴承与销轴相对速度越大，曲柄销轴转过的过渡角τ越小，则销轴的水平位移越小，接触点位置越接近无间隙时的位置通过刚体运动学分析，转动副元素分离后到再次接触的位移总量即转动副所含间隙大小，即A′＝xp+xq，其中A′为通过刚体运动学计算的转动副间隙，xp和xq分别表示转动副元素分离后到再次接触时主动件和被动件的位移偏差量。
然而，转动副元素中被动件滚动轴承的位移偏差量xq可以通过导轨的位移偏差量来体现，该导轨的位移偏差量可通过激光位移传感器测量得到，则
Figure BDA0002839601040000091
其中
Figure BDA0002839601040000092
和tn分别表示转动副元素的速度以及元素分离到接触的时间。通过刚体运动学以及运动几何关系，可知主动件曲柄销轴的位移偏差量xp可由xp＝R(1-cosτ)来表示，
Figure BDA0002839601040000093
则最后化为
Figure BDA0002839601040000094
Figure BDA0002839601040000095
图6、图7分别表示导轨位移偏差量和导轨分离后自由运动速度，图8表示不考虑接触变形的间隙计算结果。
S3、基于预设的含间隙转动副元素的简化物理模型，确定转动副元素中主动件与被动件二者间的等效质量以及二者碰撞前的相对速度，并结合主动件和被动件二者各自的材料属性和运动半径，使用预设的穿透深度模型，计算出转动副元素中主动件与被动件碰撞后的穿透深度；
具体过程为，首先，基于预设的含间隙转动副元素的简化物理模型，确定转动副元素中主动件与被动件二者间的等效质量m以及二者碰撞前的相对速度
Figure BDA0002839601040000101
其次，确定主动件和被动件二者各自的泊松比和弹性模量，以及确定主动件的运动半径rp和被动件的运动半径rq，并根据主动件和被动件二者各自的材料属性，通过公式
Figure BDA0002839601040000102
计算出刚度系数Ke；其中，
Figure BDA0002839601040000103
Figure BDA0002839601040000104
μi为主动件或被动件的泊松比，Ei为主动件或被动件的弹性模量；
最后，使用预设的穿透深度模型
Figure BDA0002839601040000105
计算出转动副元素中主动件与被动件碰撞后的穿透深度；其中，n为接触力指数，常数。
在一个实施例中，保证监测结果具有一定的精度，通过考虑能量损耗的动力学分析转动副元素分离后接触产生的形变即穿透深度。
由含间隙转动副部分的简化物理模型如图9所示，并通过动能守恒以及接触碰撞时穿透深度随着时间变化的特性如图10所示，可得
Figure BDA0002839601040000106
Figure BDA0002839601040000107
式中m表示两碰撞构件的等效质量，
Figure BDA0002839601040000108
表示的是接触碰撞前一刻两构件的初始相对速度可由
Figure BDA0002839601040000109
表示，实施例中的初始相对速度曲线如图11所示，
Figure BDA00028396010400001010
T分别表示在t-至tm阶段时的两构件的相对速度和由碰撞接触造成的应变能。
两构件碰撞后达到穿透深度最大时，两构件的相对速度为0，即
Figure BDA00028396010400001011
由碰撞接触造成的应变能达到了最大。故前一式可变化为
Figure BDA00028396010400001012
式中Tm表示为穿透深度最大时由碰撞接触造成的应变能。
如图12所示，碰撞过程共分为两个阶段分别是加载阶段与卸载阶段，加载阶段除了由阻尼造成的能量损失外，还有部分作为弹性势能贮存起来，并在卸载阶段中释放。故在穿透深度0≤δ≤δmax时，碰撞接触力随着穿透深度的变化曲线如图13所示，图中阴影部分表示碰撞接触力做的功即应变能。
碰撞力可由阻尼器与弹簧器组成，则其表达形式为
Figure BDA0002839601040000111
式中n为接触力指数为常数，刚度系数Ke由碰撞构件自身材料属性决定即
Figure BDA0002839601040000112
Figure BDA0002839601040000113
式中rp和rq分别表示转动副元素的曲率半径，hp和hq可由
Figure BDA0002839601040000114
表示，式中μi和Ei(i＝p,q)分别表示的是材料的泊松比和弹性模量，实施例中的刚度系数Ke计算结果如图14所示。
对碰撞力式子进行积分可得
Figure BDA0002839601040000115
Figure BDA0002839601040000116
在经过碰撞加载与卸载阶段后的能量损失仅在阻尼器中
Figure BDA0002839601040000117
Figure BDA0002839601040000118
式中
Figure BDA0002839601040000119
分别表示接触碰撞前后的两构件相对速度，由恢复系数e的经典定义：两物体碰撞前后速度之比，可得到两个速度的关系，即
Figure BDA00028396010400001110
则阻尼式子积分后可简化为
Figure BDA00028396010400001111
Figure BDA00028396010400001112
将阻尼器中损耗能量代回积分后的碰撞力式子可得
Figure BDA00028396010400001113
故可推导出穿透深度公式
Figure BDA00028396010400001114
本实施例中的穿透深度计算结果如图15所示。
S4、根据所述转动副元素中主动件与被动件碰撞后的穿透深度，对所述转动副所含间隙大小进行修正，并将修正后的转动副所含间隙大小作为最终结果输出。
具体过程为，将转动副所含间隙大小减去所述转动副元素中主动件与被动件碰撞后的穿透深度的差，作为修正后的转动副所含间隙大小作为最终结果输出。即A＝A′-δm。
在一个实施例中，电机转速85rpm和90rpm条件下，设置的0.1mm、0.4mm、0.7mm、0.9mm的不考虑接触变形转动副间隙最终计算结果如图16所示，且修正后的误差对比关系如下表1所示。
表1
Figure BDA0002839601040000121
如图17所示，为本发明实施例中，提供的一种考虑元素分离位置的转动副间隙监测装置，包括：
转动副元素分离位置获取单元110，用于对正弦机构的转动副元素中主动件的结构及运动轨迹进行分析，得到转动副元素分离位置；
转动副所含间隙大小获取单元120，用于基于所述转动副元素分离位置为参考点，获取转动副元素中被动件在所述参考点的速度及其与主动件分离后到再次接触的时间，并结合刚体运动学进行分析，得到转动副元素分离后到再次接触时主动件的位移偏差量和被动件的位移偏差量，且进一步根据所得到的主动件的位移偏差量及被动件的位移偏差量，得到转动副所含间隙大小；
穿透深度获取单元130，用于基于预设的含间隙转动副元素的简化物理模型，确定转动副元素中主动件与被动件二者间的等效质量以及二者碰撞前的相对速度，并结合主动件和被动件二者各自的材料属性和运动半径，使用预设的穿透深度模型，计算出转动副元素中主动件与被动件碰撞后的穿透深度；
转动副所含间隙大小修正单元140，用于根据所述转动副元素中主动件与被动件碰撞后的穿透深度，对所述转动副所含间隙大小进行修正，并将修正后的转动副所含间隙大小作为最终结果输出。
其中，所述转动副元素分离位置获取单元110包括：
参量获取模块1101，用于获取转动副元素中主动件的结构及运动轨迹的相关参量；
平衡式获取模块1102，用于根据所述相关参量，通过动量矩定理，得到转动副含间隙的正弦机构动量矩平衡式；
转动副元素分离位置获取模块1103，用于根据临界判定法对所述正弦机构动量矩平衡式进行计算，得到转动副元素分离位置。
其中，所述转动副所含间隙大小获取单元120包括：
参数计算模块1201，用于以所述转动副元素分离位置为参考点，获取转动副元素中被动件在所述参考点的速度
Figure BDA0002839601040000131
及其与主动件分离后到再次接触的时间tn；
被动件位移偏差量计算模块1202，用于根据公式
Figure BDA0002839601040000132
计算得到转动副元素分离后到再次接触时被动件的位移偏差量xq；
主动件位移偏差量计算模块1203，用于通过刚体运动学以及运动几何关系，可知公式xp＝R(1-cosτ)，计算得到转动副元素分离后到再次接触时主动件的位移偏差量xp；其中，R为主动件的固定长度；
Figure BDA0002839601040000133
τ为转动副元素分离后到再次接触时主动件转过的角度，且ωp0为主动件在所述参考点的固定转速；
转动副所含间隙大小计算模块1204，用于根据公式A′＝xp+xq，计算得到转动副所含间隙大小A′。
其中，所述穿透深度获取单元130包括：
参数确定模块1301，用于基于预设的含间隙转动副元素的简化物理模型，确定转动副元素中主动件与被动件二者间的等效质量m以及二者碰撞前的相对速度
Figure BDA0002839601040000134
系数计算模块1302，用于确定主动件和被动件二者各自的泊松比和弹性模量，以及确定主动件的运动半径rp和被动件的运动半径rq，并根据主动件和被动件二者各自的材料属性，通过公式
Figure BDA0002839601040000141
计算出刚度系数Ke；其中，
Figure BDA0002839601040000142
μi为主动件或被动件的泊松比，Ei为主动件或被动件的弹性模量；
穿透深度计算模块1303，用于使用预设的穿透深度模型
Figure BDA0002839601040000143
计算出转动副元素中主动件与被动件碰撞后的穿透深度；其中，n为接触力指数，常数。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
本发明基于机械理论与运动学、动力学的基础上结合信息采集技术，通过转动副元素中采集到主动件的速度以及分离到再接触时的时间，利用运动学分析计算得到不考虑接触变形的转动副间隙，并通过考虑能量损耗的动力学来分析得到转动副元素接触时的穿透深度，进一步采用穿透深度来修正得到转动副间隙的计算值，使得整个过程不对转动副整个周期进行考虑，仅考虑转动副元素分离位置，降低了监测方法的复杂程度，同时通过修正保证了监测的精确度。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种考虑元素分离位置的转动副间隙监测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、对正弦机构的转动副元素中主动件的结构及运动轨迹进行分析，得到转动副元素分离位置；
S2、基于所述转动副元素分离位置为参考点，获取转动副元素中被动件在所述参考点的速度及其与主动件分离后到再次接触的时间，并结合刚体运动学进行分析，得到转动副元素分离后到再次接触时主动件的位移偏差量和被动件的位移偏差量，且进一步根据所得到的主动件的位移偏差量及被动件的位移偏差量，得到转动副所含间隙大小；
S3、基于预设的含间隙转动副元素的简化物理模型，确定转动副元素中主动件与被动件二者间的等效质量以及二者碰撞前的相对速度，并结合主动件和被动件二者各自的材料属性和运动半径，使用预设的穿透深度模型，计算出转动副元素中主动件与被动件碰撞后的穿透深度；
S4、根据所述转动副元素中主动件与被动件碰撞后的穿透深度，对所述转动副所含间隙大小进行修正，并将修正后的转动副所含间隙大小作为最终结果输出。
2.如权利要求1所述的考虑元素分离位置的转动副间隙监测方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：
获取转动副元素中主动件的结构及运动轨迹的相关参量；
根据所述相关参量，通过动量矩定理，得到转动副含间隙的正弦机构动量矩平衡式；
根据临界判定法对所述正弦机构动量矩平衡式进行计算，得到转动副元素分离位置。
3.如权利要求1所述的考虑元素分离位置的转动副间隙监测方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
以所述转动副元素分离位置为参考点，获取转动副元素中被动件在所述参考点的速度
Figure FDA0002839601030000021
及其与主动件分离后到再次接触的时间tn；
根据公式
Figure FDA0002839601030000022
计算得到转动副元素分离后到再次接触时被动件的位移偏差量xq；
通过刚体运动学以及运动几何关系，可知公式xp＝R(1-cosτ)，计算得到转动副元素分离后到再次接触时主动件的位移偏差量xp；其中，R为主动件的固定长度；
Figure FDA0002839601030000023
τ为转动副元素分离后到再次接触时主动件转过的角度，且ωp0为主动件在所述参考点的固定转速；
根据公式A′＝xp+xq，计算得到转动副所含间隙大小A′。
4.如权利要求1所述的考虑元素分离位置的转动副间隙监测方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
基于预设的含间隙转动副元素的简化物理模型，确定转动副元素中主动件与被动件二者间的等效质量m以及二者碰撞前的相对速度
Figure FDA0002839601030000024
确定主动件和被动件二者各自的泊松比和弹性模量，以及确定主动件的运动半径rp和被动件的运动半径rq，并根据主动件和被动件二者各自的材料属性，通过公式
Figure FDA0002839601030000025
计算出刚度系数Ke；其中，
Figure FDA0002839601030000026
(i＝p,q)，μi为主动件或被动件的泊松比，Ei为主动件或被动件的弹性模量；
使用预设的穿透深度模型
Figure FDA0002839601030000027
计算出转动副元素中主动件与被动件碰撞后的穿透深度；其中，n为接触力指数，常数。
5.如权利要求1所述的考虑元素分离位置的转动副间隙监测方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：
将所述转动副所含间隙大小减去所述转动副元素中主动件与被动件碰撞后的穿透深度的差，作为修正后的转动副所含间隙大小作为最终结果输出。
6.一种考虑元素分离位置的转动副间隙监测装置，其特征在于，包括：
转动副元素分离位置获取单元，用于对正弦机构的转动副元素中主动件的结构及运动轨迹进行分析，得到转动副元素分离位置；
转动副所含间隙大小获取单元，用于基于所述转动副元素分离位置为参考点，获取转动副元素中被动件在所述参考点的速度及其与主动件分离后到再次接触的时间，并结合刚体运动学进行分析，得到转动副元素分离后到再次接触时主动件的位移偏差量和被动件的位移偏差量，且进一步根据所得到的主动件的位移偏差量及被动件的位移偏差量，得到转动副所含间隙大小；
穿透深度获取单元，用于基于预设的含间隙转动副元素的简化物理模型，确定转动副元素中主动件与被动件二者间的等效质量以及二者碰撞前的相对速度，并结合主动件和被动件二者各自的材料属性和运动半径，使用预设的穿透深度模型，计算出转动副元素中主动件与被动件碰撞后的穿透深度；
转动副所含间隙大小修正单元，用于根据所述转动副元素中主动件与被动件碰撞后的穿透深度，对所述转动副所含间隙大小进行修正，并将修正后的转动副所含间隙大小作为最终结果输出。
7.如权利要求6所述的考虑元素分离位置的转动副间隙监测装置，其特征在于，所述转动副元素分离位置获取单元包括：
参量获取模块，用于获取转动副元素中主动件的结构及运动轨迹的相关参量；
平衡式获取模块，用于根据所述相关参量，通过动量矩定理，得到转动副含间隙的正弦机构动量矩平衡式；
转动副元素分离位置获取模块，用于根据临界判定法对所述正弦机构动量矩平衡式进行计算，得到转动副元素分离位置。
8.如权利要求6所述的考虑元素分离位置的转动副间隙监测装置，其特征在于，所述转动副所含间隙大小获取单元包括：
参数计算模块，用于以所述转动副元素分离位置为参考点，获取转动副元素中被动件在所述参考点的速度
Figure FDA0002839601030000031
及其与主动件分离后到再次接触的时间tn；
被动件位移偏差量计算模块，用于根据公式
Figure FDA0002839601030000032
计算得到转动副元素分离后到再次接触时被动件的位移偏差量xq；
主动件位移偏差量计算模块，用于通过刚体运动学以及运动几何关系，可知公式xp＝R(1-cosτ)，计算得到转动副元素分离后到再次接触时主动件的位移偏差量xp；其中，R为主动件的固定长度；
Figure FDA0002839601030000041
τ为转动副元素分离后到再次接触时主动件转过的角度，且ωp0为主动件在所述参考点的固定转速；
转动副所含间隙大小计算模块，用于根据公式A′＝xp+xq，计算得到转动副所含间隙大小A′。
9.如权利要求6所述的考虑元素分离位置的转动副间隙监测装置，其特征在于，所述穿透深度获取单元包括：
参数确定模块，用于基于预设的含间隙转动副元素的简化物理模型，确定转动副元素中主动件与被动件二者间的等效质量m以及二者碰撞前的相对速度
Figure FDA0002839601030000042
系数计算模块，用于确定主动件和被动件二者各自的泊松比和弹性模量，以及确定主动件的运动半径rp和被动件的运动半径rq，并根据主动件和被动件二者各自的材料属性，通过公式
Figure FDA0002839601030000043
计算出刚度系数Ke；其中，
Figure FDA0002839601030000044
(i＝p,q)，μi为主动件或被动件的泊松比，Ei为主动件或被动件的弹性模量；
穿透深度计算模块，用于使用预设的穿透深度模型
Figure FDA0002839601030000045
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