CN113358280A - 一种高精度转动惯量测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高精度转动惯量测量装置，包括活动导轨、活动导轨一端固定设置的固定支架以及活动导轨另一端上滑动安装的活动支架；所述固定支架上端设有通孔，该通孔内固定安装有轴承，轴承的两端分别固定连接有角度传感器与一个装夹法兰，角度传感器连接有配重球；所述轴承、两个装夹法兰、角度传感器以及配重球连接杆与角度传感器传感轴连接点为同轴设置。该测量装置引入初始转动动能，相比于其他测量装置，初始运动的触发更为平稳可靠，且标定清晰；通过角度传感器采集旋转轴的角度，相比于传统的手工测量数据，数据点更为密集可靠，可视化程度高；采用软件拟合计算转动惯量，不引入近似，扩大了测量范围，极大地提高了测量精度。

Description

一种高精度转动惯量测量装置
技术领域
本发明属于机械测量设备领域，具体的，涉及一种高精度转动惯量测量装置。
背景技术
转动惯量，是刚体绕轴转动时惯性(回转物体保持其匀速圆周运动或静止的特性)的量度，在经典力学中，转动惯量，又称质量惯性矩，简称惯矩；转动惯量在旋转动力学中的角色相当于线性动力学中的质量，可形式地理解为一个物体对于旋转运动的惯性，用于建立角动量、角速度、力矩和角加速度等数个量之间的关系。
现有技术中的转动惯量测量装置的初始运动触发不稳定，检测时数据的准确采集较为困难，导致采集的数据误差较大，进而影响转动惯量的检测结果，为了解决上述问题，本发明提供了以下技术方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高精度转动惯量测量装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种高精度转动惯量测量装置，包括活动导轨、活动导轨一端固定设置的固定支架以及活动导轨另一端上滑动安装的活动支架；
所述固定支架上端设有通孔，该通孔内固定安装有轴承，轴承的两端分别固定连接有角度传感器与一个装夹法兰，角度传感器连接有配重球；
所述配重球包括球体与连接杆，连接杆的一端与配重球的球体的表面固定连接，连接杆的另一端与角度传感器的传感轴固定连接；
所述活动支架上端设有螺纹通孔，螺纹通孔内配合设置有螺杆，该螺杆的一端与装夹旋钮固定连接，螺杆的另一端与一个装夹法兰连接，通过旋转螺杆能够驱动装夹法兰沿直线运动；
所述轴承、两个装夹法兰、角度传感器以及配重球连接杆与角度传感器传感轴连接点为同轴设置。
作为本发明的进一步方案，所述活动导轨的底部设置有若干固定头，活动导轨通过固定头固定安装在工作平台上。
作为本发明的进一步方案，所述角度传感器与数据采集卡通信连接，数据采集卡与上位机相连，数据采集卡用于采集角度传感器输出数据，并将其传输至上位机中。
作为本发明的进一步方案，所述活动导轨上沿活动支架滑动方向设有条形槽，条形槽内转动安装有活动导杆，活动导杆为螺纹杆，活动导杆的一端与活动导轨转动连接，活动导杆的另一端固定连接有支架旋钮，所述活动支架的底部设有螺纹通孔，活动支架通过该螺纹通孔与活动导杆配合。
作为本发明的进一步方案，两个装夹法兰的旋转轴均通过待测件的质心。
上述的测量装置对待测件的转动惯量进行检测的方法包括如下步骤：
第一步，转动支架旋钮对活动支架的位置进行调整，使两个装夹法兰之间的距离能够适应待测件的尺寸，将待测件的两端分别与装夹法兰固定连接，连接时通过转动装夹旋钮对活动支架的位置进行微调；
第二步，将配重球拉开至配重球的连接杆与垂直方向偏离预设角度，开启角度传感器，将配重球以零初始速度释放，采集角度随时间变化的数据，此时系统的拉格朗日第二方程表示为：
Figure BDA0003097135980000021
其中JR为待测件绕旋转轴的转动惯量，J0为装置自身由装夹法兰、配重球、连接件等部件而产生的转动惯量，C为系统旋转时两侧支撑点产生的阻尼，m0为配重球的球体的质量，ml为小球连接杆的质量，θ为角度传感器采集的角度随时间变化数据；
第三步，取下试样，再次拉起配重球(1)偏离垂直方向预设角度后以零初始速度释放，此时系统的拉格朗日第二方程可表达为：
Figure BDA0003097135980000022
第四步，根据第二步与第三步中的方程求得待测件的转动惯量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明所述的转动惯量测量装置，将待测试样装夹在装夹法兰上，然后将配重拉开至与垂直方向偏离一定角度，以零初始速度释放，引入初始转动动能，相比于其他测量装置，初始运动的触发更为平稳可靠，且标定清晰；通过角度传感器采集旋转轴的角度，相比于传统的手工测量数据，数据点更为密集可靠，可视化程度高；采用软件拟合计算转动惯量，从基础定理出发，不引入近似，扩大了测量范围，极大地提高了测量精度。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明所述的一种高精度转动惯量测量装置的结构示意图；
图2为活动导杆在活动导轨上的安装结构示意图。
附图标记：
1、配重球；2、角度传感器；3、轴承；4、装夹法兰；5、固定支架；6、固定头；7、活动导轨；8、装夹旋钮；9、活动支架；10、支架旋钮；11、活动导杆。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种高精度转动惯量测量装置，如图1、图2所示，包括活动导轨7、活动导轨7一端固定设置的固定支架5以及活动导轨7另一端上滑动安装的活动支架9；
活动导轨7的底部设置有若干固定头6，活动导轨7通过固定头6与地面或桌面的螺纹紧固件固定连接；
所述固定支架5上端设有通孔，该通孔内固定安装有轴承3，轴承3的两端分别固定连接有角度传感器2与一个装夹法兰4，角度传感器2连接有配重球1；
所述配重球1包括球体与连接杆，连接杆的一端与球体的表面固定连接，连接杆的另一端与角度传感器2的传感轴固定连接；
所述活动支架9上端设有螺纹通孔，螺纹通孔内配合设置有螺杆，该螺杆的一端与装夹旋钮8固定连接，螺杆的另一端通过轴承与联轴器与一个装夹法兰4固定连接，具体的，轴承的一个圆形面固定安装在一个装夹法兰4的一面上，联轴器一端的外壁与轴承的内环面固定连接，轴承器的另一端与螺杆的端部固定连接；
工作时，通过装夹旋钮8驱动螺杆转动，螺杆与螺纹通孔的螺纹配合结构将螺杆的旋转运动转换为直线运动，从而驱动活动支架9上的装夹法兰4沿直线运动；
所述轴承3、两个装夹法兰4、角度传感器2以及配重球1连接杆与角度传感器2传感轴连接点为同轴设置；
所述角度传感器2与数据采集卡通信连接，数据采集卡与上位机相连，工作时，数据采集卡用于采集角度传感器2输出数据，并将其传输至上位机中；
所述活动导轨7上沿活动支架9滑动方向设有条形槽，条形槽内转动安装有活动导杆11，活动导杆11为螺纹杆，活动导杆11的一端与活动导轨7转动连接，活动导杆11的另一端固定连接有支架旋钮10，所述活动支架9的底部设有螺纹通孔，活动支架9通过该螺纹通孔与活动导杆11配合，通过转动支架旋钮10能够驱动活动支架9在活动导轨7上沿直线运动；
在工作时，首先通过待测件的两个装夹点之间的距离，通过转动支架旋钮10对活动支架9的位置进行调整，然后将待测件的两端与分别与装夹法兰4固定连接，然后再通过旋转装夹旋钮8对活动支架9的位置进行微调，从而保证旋转轴通过待测件的质心；
通过上述的一种高精度转动惯量测量装置对待测件的转动惯量进行检测的方法为：
第一步，转动支架旋钮10对活动支架9的位置进行调整，使两个装夹法兰4之间的距离能够适应待测件的尺寸，将待测件的两端分别与装夹法兰4固定连接，连接时通过转动装夹旋钮8对活动支架9的位置进行微调；
安装待测件时，应当保证旋转轴通过待测件的质心；
第二步，将配重球1拉开至配重球1的连接杆与垂直方向偏离一定角度，开启角度传感器2，将配重球1以零初始速度释放，采集角度随时间变化的数据，此时系统的拉格朗日第二方程表示为：
Figure BDA0003097135980000041
其中JR为待测件绕旋转轴的转动惯量，J0为装置自身由装夹法兰4、配重球1、连接件等部件而产生的转动惯量，C为系统旋转时两侧支撑点产生的阻尼，m0为配重球1的球体的质量，ml为小球连接杆的质量，θ为角度传感器2采集的角度随时间变化数据；
第三步，取下试样，再次拉起配重球1偏离垂直方向一定角度后以零初始速度释放，此时系统的拉格朗日第二方程可表达为：
Figure BDA0003097135980000042
第四步，根据第二步与第三步中的方程求得待测件的转动惯量；具体的，通过上位机对两次角度随时间变化数据的处理，将其以最小二乘方法分别向第二步与第三步中的方程式拟合，标定对应方程的系数，求得待测件的转动惯量JR。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (6)

1.一种高精度转动惯量测量装置，其特征在于，包括活动导轨(7)、活动导轨(7)一端固定设置的固定支架(5)以及活动导轨(7)另一端上滑动安装的活动支架(9)；
所述固定支架(5)上端设有通孔，该通孔内固定安装有轴承(3)，轴承(3)的两端分别固定连接有角度传感器(2)与一个装夹法兰(4)，角度传感器(2)连接有配重球(1)；
所述配重球(1)包括球体与连接杆，连接杆的一端与配重球(1)的球体的表面固定连接，连接杆的另一端与角度传感器(2)的传感轴固定连接；
所述活动支架(9)上端设有螺纹通孔，螺纹通孔内配合设置有螺杆，该螺杆的一端与装夹旋钮(8)固定连接，螺杆的另一端与一个装夹法兰(4)连接，通过旋转螺杆能够驱动装夹法兰(4)沿直线运动；
所述轴承(3)、两个装夹法兰(4)、角度传感器(2)以及配重球(1)连接杆与角度传感器(2)传感轴连接点为同轴设置。
2.根据权利要求1所述的一种高精度转动惯量测量装置，其特征在于，所述活动导轨(7)的底部设置有若干固定头(6)，活动导轨(7)通过固定头(6)固定安装在工作平台上。
3.根据权利要求1所述的一种高精度转动惯量测量装置，其特征在于，所述角度传感器(2)与数据采集卡通信连接，数据采集卡与上位机相连，数据采集卡用于采集角度传感器(2)输出数据，并将其传输至上位机中。
4.根据权利要求1所述的一种高精度转动惯量测量装置，其特征在于，所述活动导轨(7)上沿活动支架(9)滑动方向设有条形槽，条形槽内转动安装有活动导杆(11)，活动导杆(11)为螺纹杆，活动导杆(11)的一端与活动导轨(7)转动连接，活动导杆(11)的另一端固定连接有支架旋钮(10)，所述活动支架(9)的底部设有螺纹通孔，活动支架(9)通过该螺纹通孔与活动导杆(11)配合。
5.根据权利要求4所述的一种高精度转动惯量测量装置，其特征在于，两个装夹法兰(4)的旋转轴均通过待测件的质心。
6.根据权利要求5所述的一种高精度转动惯量测量装置，其特征在于，该测量装置对待测件的转动惯量进行检测的方法包括如下步骤：
第一步，转动支架旋钮(10)对活动支架(9)的位置进行调整，使两个装夹法兰(4)之间的距离能够适应待测件的尺寸，将待测件的两端分别与装夹法兰(4)固定连接，连接时通过转动装夹旋钮(8)对活动支架(9)的位置进行微调；
第二步，将配重球(1)拉开至配重球(1)的连接杆与垂直方向偏离预设角度，开启角度传感器(2)，将配重球(1)以零初始速度释放，采集角度随时间变化的数据，此时系统的拉格朗日第二方程表示为：
Figure FDA0003097135970000021
其中JR为待测件绕旋转轴的转动惯量，J0为装置自身由装夹法兰(4)、配重球(1)、连接件等部件而产生的转动惯量，C为系统旋转时两侧支撑点产生的阻尼，m0为配重球(1)的球体的质量，ml为小球连接杆的质量，θ为角度传感器(2)采集的角度随时间变化数据；
第三步，取下试样，再次拉起配重球(1)偏离垂直方向预设角度后以零初始速度释放，此时系统的拉格朗日第二方程可表达为：
Figure FDA0003097135970000022
第四步，根据第二步与第三步中的方程求得待测件的转动惯量。
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