DE4317058C1 - Vorrichtung zur Bestimmung der Massenträgheitsparameter eines beliebig geformten, starren Körpers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der vollständigen Massenträgheitsparameter eines beliebig geformten starren Körpers mit einer Aufnahmevorrichtung für den Körper, Mitteln zur Lagerung des Körpers zur Ermöglichung einer Bewegung in drei zueinander senkrecht stehenden Raumrichtungen, Mitteln zur Bewegung des Körpers in diesen Raumrichtungen und einem Mittel zur Erfassung von trägheitsabhängigen Größen in den drei Raumrichtungen, wie aus der US-PS 3 040 563 bekannt.

Die vollständigen Massenträgheitsparameter eines starren Körpers sind: die Masse, die drei Schwerpunktkoordinaten und der Trägheitstensor, bestehend aus den drei Massenträgheitsmomenten und den drei Deviationsmomenten.

Die Kenntnis der Massenträgheitsparameter beliebig geformter Körper ist zur konstruktiven Auslegung, Steuerung, Regelung und Rechnersimulation dynamischer Starrkörpersysteme von zentraler Bedeutung. Im Gegensatz zu den gegenwärtig existierenden Verfahren erlaubt die vorliegende Erfindung die vollautomatische, schnelle und präzise Bestimmung der vollständigen zehn Massenträgheitsparameter eines Körpers. Durch den geringen Zeitaufwand und die Automatisierbarkeit eröffnen sich neue Einsatzperspektiven in Bereichen in denen die vollständige Kenntnis der Massenverteilung von Bauteilen zweckdienlich ist.

Bisher bekannt sind Prüfeinrichtungen zur Ermittlung der Massenträgheitsparameter von Körpern, die auf der meßtechnischen Erfassung der Schwingungsperiodendauer, bzw. der Eigenfrequenz beruhen (Pendelversuche). Ist der vollständige Trägheitstensor gesucht, ist die Durchführung von Pendelversuchen sehr aufwendig, fehlerträchtig und zeitintensiv, da im allgemeinen Fall eines beliebig geformten Körpers die Pendelversuche um sechs unabhängige Pendelachsen durchgeführt werden müssen. In der DE-OS 14 48 041 ist die Erfassung der Drehbewegung eines Körpers auch bezüglich einer einzigen Drehachse mit einem Winkelaufnehmer beschrieben. Mit beiden Verfahren sind die vollständigen Bewegungsgrößen eines Körpers nicht bestimmbar.

Aus der US-PS 4 532 803 ist ein Verfahren beruhend auf der Messung der Unwuchtkräfte mit Kraftaufnehmern eines nur um eine einzige Achse beweglichen Körpers bekannt.

In der US-PS 4 188 816 ist ein Verfahren zur Messung translatorischer Beschleunigungsanteile innerhalb einer Vorrichtung mit zwei rotatorischen Freiheitsgraden beschrieben. Hierbei werden aus mehreren Beschleunigungssignalen, die an einem Körper an bestimmten Stellen gemessen werden, näherungsweise die Winkelgeschwindigkeiten und Winkel ermittelt. Die Trägheitseigenschaften lassen sich aus diesen rein kinematischen Größen, die mit diesem Verfahren ermittelt werden nur unzureichend bestimmen, da hierfür die Kenntnis der dynamischen Zusammenhänge erforderlich ist.

Mit der aus der DE 29 45 819 A1 bekannten Vorrichtung und der darin gezeigten kardanischen Lagerung können nur zwei von zehn Massenträgheitsparameter bestimmt werden, es ist somit keine vollständige Aussage über die Trägheitseigenschaften des Körpers möglich.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der US-PS 3 040 563 bekannt.

Diese Vorrichtung gestattet eine Bewegung des Körpers um drei zueinander senkrecht stehende Raumrichtungen, wobei jeweils zwei Drehachsen arretiert sind. Die Ermittlung der vollständigen Massenträgheitsparameter ist mit dieser Vorrichtung ohne Umspannen des Körpers durchführbar, jedoch aufgrund verschiedener notwendiger Teilversuche sehr zeitaufwendig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der in einem Arbeitsgang alle erforderlichen Meßgrößen für die Bestimmung sämtlicher zehn Trägheitsparameter ermittelt werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Mittel zur Lagerung des Körpers kardanische Lagerungen sind, die Mittel zur Bewegung des Körpers drei Servomotoren zur Erzeugung einer Drehbewegung sind, das Mittel zur Erfassung von trägheitsabhängigen Größen ein Kraft-Drehmoment-Sensor ist, der zwischen dem Körper und dem dritten Servomotor angeordnet ist, so daß der Körper nur über den Kraft-Drehmoment-Sensor angekoppelt ist, und daß Meßaufnehmer zur Bestimmung der Winkelbeschleunigung und/oder der Winkelgeschwindigkeit und/oder des Drehwinkels vorgesehen sind.

Anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung wird die Erfindung näher erläutert.

Die Vorrichtung besteht aus den vier Grundelementen Sockel (1), Außenrahmen (2), Innenrahmen (3) und Aufnahme für den Körper (4), die jeweils drehbar miteinander verbunden sind und eine kardanische Aufhängung darstellen.

Der Antrieb der einzelnen Kardanachsen (x, y, z) erfolgt mit Elektromotoren, die in der Vorrichtung integriert sind. Der Schnittpunkt der drei Kardanachsen stellt den Bezugspunkt für die Schwerpunktkoordinaten dar. Seine Lage ist unabhängig von dem aufgespannten Körper dieselbe. Der in diesem Punkt positionierte Kraft-Drehmoment- Sensor (5) ist die einzige Verbindung des Körpers mit der Vorrichtung. Die vollständige meßtechnische Erfassung der durch den Körper hervorgerufenen Kräfte und Drehmomente, ist somit unabhängig von allen dissipativen Effekten innerhalb der Vorrichtung. Ein weiterer Vorteil dieser Konfiguration ist der verhältnismäßig geringe Abstand des Körpers in bezug auf die drei Drehachsen und der dementsprechend geringe Steineranteil in den gemessenen Kraft- und Drehmomentreaktionen des Körpers, was besonders genaue Meßergebnisse gewährleistet. Die Winkelbeschleunigung und/oder Winkelgeschwindigkeit und/oder Drehwinkel des Körpers wird bezüglich der Kardanachsen gemessen.

Wird nur eine Kardanachse in Betrieb genommen, so können demgemäß nur die Masse, die zugehörigen radialen Schwerpunktkoordinaten und das Massenträgheitsmoment um die entsprechende Drehachse bestimmt werden. Ab dem Betrieb von zwei Kardanachsen lassen sich die vollständigen zehn Massenträgheitsparameter bestimmen.

Claims (1)

1. Vorrichtung zur Bestimmung der vollständigen Trägheitsparameter eines beliebig geformten starren Körpers mit einer Aufnahmevorrichtung für den Körper, Mitteln zur Lagerung des Körpers zur Ermöglichung einer Bewegung in drei zueinander senkrecht stehenden Raum­ richtungen, Mitteln zur Bewegung des Körpers in diesen Raumrichtungen und einem Mittel zur Erfassung von trägheitsabhängigen Größen in den drei Raumrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Lagerung des Körpers kardanische Lagerungen sind, die Mittel zur Bewegung des Körpers drei Servomotoren zur Erzeugung einer Drehbewegung sind, das Mittel zur Erfassung von trägheitsabhängigen Größen ein Kraft-Drehmoment-Sensor ist, der zwischen dem Körper und dem dritten Servomotor angeordnet ist, so daß der Körper nur über den Kraft-Drehmoment-Sensor angekoppelt ist, und daß Meßaufnehmer zur Bestimmung der Winkelbeschleunigung und/oder der Winkelgeschwindigkeit und/oder des Drehwinkels vorgesehen sind.