RU2348020C1 - Method of defining tensor of inertia and coordinates of center of mass of body and device to this effect - Google Patents
Method of defining tensor of inertia and coordinates of center of mass of body and device to this effect Download PDFInfo
- Publication number
- RU2348020C1 RU2348020C1 RU2007129443/28A RU2007129443A RU2348020C1 RU 2348020 C1 RU2348020 C1 RU 2348020C1 RU 2007129443/28 A RU2007129443/28 A RU 2007129443/28A RU 2007129443 A RU2007129443 A RU 2007129443A RU 2348020 C1 RU2348020 C1 RU 2348020C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rotation
- inertia
- platform
- mass
- angle
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Testing Of Devices, Machine Parts, Or Other Structures Thereof (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для определения осевых моментов инерции, тензоров инерции и центров масс тел на подвесах, вращающихся по заданной программе в условиях неизвестного трения и аэродинамического сопротивления с возможностью синхронно-пропорционального вращения двух рамок подвеса.The invention relates to mechanical engineering and can be used to determine axial moments of inertia, inertia tensors and centers of mass of bodies on suspensions, rotating according to a given program under conditions of unknown friction and aerodynamic drag with the possibility of synchronously proportional rotation of two suspension frames.
Известен способ определения момента и тензора инерции тела (Патент РФ №2112227, МПК G01М 1/10, дата приоритета 20.07.94 опубл. 27.05.98, Бюл. №15), при котором платформе с произвольно направленной в пространстве осью вращения, установленной в опоре с закрепленным на ней телом, сообщают моментом сил в виде разгонно-тормозного момента любой физической природы, не принимающих близких к нулю значений, однонаправленное динамически квазисимметрическое относительно положения равновесия двухэтапное вращение, имеющее этап разгона с существенно отличным от нуля угловым ускорением, резко переходящим в почти симметричный ему этап торможения, измеряют конечное множество значений угловой скорости платформы в определенных угловых положениях, симметричных относительно положения статического равновесия системы платформа-тело, изменяют на известную переменную величину, удовлетворяющую определенным условиям, приложенный момент и повторно измеряют мгновенные угловые скорости, по которым аналитически определяют осевой момент инерции тела, а после шести испытаний относительно различно направленных осей вращения аналитически определяют тензор инерции тела.A known method of determining the moment and tensor of inertia of the body (RF Patent No. 2112227, IPC
Недостатками способа являются невысокие точность и производительность, связанные с тем, что необходимо знать или определять в условиях трения положение статического равновесия системы, соответствующее наиболее низкому положению центра масс, перенастраивать устройство, производить повторное испытание.The disadvantages of the method are the low accuracy and performance associated with the fact that it is necessary to know or determine, under friction conditions, the position of the system's static equilibrium corresponding to the lowest position of the center of mass, reconfigure the device, and retest.
Известен способ определения тензора инерции тела с одновременным определением координат центра масс тела (Патент РФ №2262678, МПК G01М 1/10, дата приоритета 16.07.02, опубл. 20.10.2005, Бюл. №29), по которому тело устанавливают на платформу с осью вращения, сообщают этой системе программное замедленное вращение в ограниченной произвольно выбранной угловой зоне и обратное симметричное ускоренное вращение в этой же зоне, повторяющее в обратном порядке замедленное вращение с угловой скоростью противоположного знака, определяют приложенный активный вращающий момент и угловую скорость на множестве угловых положений системы, по которым аналитически определяют осевой момент инерции и две координаты центра масс, и по шести аналогичным испытаниям, производимым при различных угловых положениях тела на платформе, определяют тензор инерции в точке тела и расположение центра масс тела.A known method of determining the inertia tensor of the body with simultaneous determination of the coordinates of the center of mass of the body (RF Patent No. 2262678, IPC
Недостатком способа является невысокая производительность и точность, связанная с тем, что приходится выполнять шесть испытаний, разделенных переходными процессами остановок, перевода тела на платформе в новые угловые положения и шестикратное выведение тела на программные движения.The disadvantage of this method is the low productivity and accuracy associated with the fact that it is necessary to carry out six tests, separated by transients of stops, moving the body on the platform to new angular positions and six times the body to program movements.
Наиболее близким к изобретению является способ определения тензора инерции тела (Патент РФ №2200940, МПК G01М 1/10, дата приоритета 19.07.00, опубл. 20.03.2003, Бюл. №8), при котором платформе с произвольно направленной осью вращения, установленной в подшипниковой опоре, в условиях неизвестного трения и неизвестного положения центра масс тела активным моментом сил любой физической природы сообщают реверсивно симметричное движение, содержащее полный тормозной оборот с постепенно убывающей по величине угловой скорости и полный разгонный оборот в обратном направлении, повторяющий в обратном порядке тормозной оборот с угловой скоростью противоположного знака, с допускаемым переходным процессом между двумя оборотами, измеряют множество значений активного вращающего момента, по которым определяют момент инерции тела, и по моментам инерции относительно шести различно направленных осей определяют тензор инерции тела и одновременно с ним аналитически определяют центр масс тела.Closest to the invention is a method of determining the inertia tensor of the body (RF Patent No. 2200940, IPC G01M 1/10, priority date 07/19/00, publ. 03/20/2003, Bull. No. 8), in which the platform with an arbitrary direction of rotation established in a bearing support, under conditions of unknown friction and an unknown position of the center of mass of the body, an active moment of forces of any physical nature reports a reversibly symmetric movement containing a complete braking revolution with a gradually decreasing angular velocity and a full accelerating revolution back m direction, repeating in reverse order the braking revolution with an angular velocity of opposite sign, with an acceptable transient between two revolutions, measure the set of values of the active torque, which determine the moment of inertia of the body, and determine the moment of inertia of the six differently directed axes of the body inertia tensor and simultaneously analytically determine the center of mass of the body.
Недостатками способа являются невысокие производительность и точность, связанные с тем, что тензор инерции тела определяется на шести испытаниях, разделенных процедурами установления и фиксации тела на платформе в шести различных угловых положениях.The disadvantages of the method are the low productivity and accuracy associated with the fact that the inertia tensor of the body is determined by six tests, separated by the procedures for establishing and fixing the body on the platform in six different angular positions.
Известно устройство для определения тензора и момента инерции изделия (Патент РФ №2112227, МПК G01М 1/10, дата приоритета 20.07.94, опубл. 27.05.1998, Бюл. №15), содержащее платформу с произвольно расположенной в пространстве осью вращения, установленной в неподвижных подшипниковых опорах, захват для закрепления в нем тела, взаимодействующим посредством муфты со стержнем силовой механизм, выполненный в виде упругого четырехпружинного механизма, одна пара пружин которого выполнена в виде предварительно сжатых регулируемыми упорами пружин, контактирующих со стержнем муфты, другая пара пружин работает в пределах двух измерительных интервалах и выключена при повторном испытании.A device is known for determining the tensor and moment of inertia of a product (RF Patent No. 2112227, IPC
Недостатками способа являются невысокие производительность и точность, обусловленные тем, что неточно учитывается трение, неточно и медленно определяется положение статического равновесия системы тело-платформа в условиях трения, от которого в дальнейшем производится отсчет угла поворота, система вручную или дополнительным приводом выводится из положения равновесия, требуется перенастройка пружинного механического привода и проведение повторного испытания; устройство не предназначено для одновременного определения центра масс тела.The disadvantages of the method are the low productivity and accuracy due to the fact that friction is not accurately taken into account, the position of the static equilibrium of the body-platform system is determined inaccurately and slowly, from which the angle of rotation is subsequently counted, the system is manually or by an additional drive removed from the equilibrium position, reconfiguration of the spring mechanical drive and re-testing is required; the device is not intended to simultaneously determine the center of mass of the body.
Наиболее близким к изобретению устройства является устройство для определения тензора инерции тела (Патент РФ №2200940, МПК G01М 1/10, дата приоритета 19.07.00, опубл. 20.03.2003, Бюл. №8), содержащее платформу с валом, установленным в подшипниковой опоре, вал с захватом для закрепления тела, установленным на платформе с возможностью его поворота и фиксации в определенных угловых положениях, датчик угла поворота и угловой скорости платформы, автоматизированный электропривод, содержащий электродвигатель и переключатель вращения вала платформы на вращение вала захвата, выполненный в виде конической зубчатой передачи и двух фрикционных электромуфт.Closest to the invention of the device is a device for determining the inertia tensor of the body (RF Patent No. 2200940, IPC G01M 1/10, priority date 07/19/00, publ. 03/20/2003, Bull. No. 8), containing a platform with a shaft mounted in the bearing a support, a shaft with a grip for securing the body mounted on the platform with the possibility of its rotation and fixing in certain angular positions, a sensor of the angle of rotation and angular velocity of the platform, an automated electric drive containing an electric motor and a rotation switch of the platform shaft to rotated e capture shaft, designed as a bevel gear and two friction of electro.
Недостатками устройства являются невысокая производительность и точность, обусловленные тем, что оно предназначено для осуществления способа с недостаточной производительностью, содержит последовательность переключений вращения тела с одной оси на другую и обратно, с переходными процессами во время остановок, перевода тела в требуемое угловое положение в переключенном режиме и разгона до требуемой начальной угловой скорости.The disadvantages of the device are low productivity and accuracy, due to the fact that it is designed to implement a method with insufficient productivity, it contains a sequence of switching body rotation from one axis to another and vice versa, with transients during stops, transferring the body to the required angular position in switched mode and acceleration to the required initial angular velocity.
Решается задача повышения производительности, точности, расширения области применения на системах программного управления, способных исполнять программные неравномерные симметричные движения вокруг неподвижной точки, с постоянным углом нутации вектора угловой скорости, неравномерным изменением угла прецессии и синхронно-пропорциональным с ним изменением угла собственного вращения.The problem of increasing productivity, accuracy, and expanding the field of application on software control systems that are capable of executing programmatic non-uniform symmetrical movements around a fixed point, with a constant angle of nutation of the angular velocity vector, an uneven change in the angle of precession and a synchronously proportional change in the angle of rotation of its own, is being solved.
Сущность изобретения и заключается в том, что телу, установленному в двухосном кардановом подвесе в условиях неизвестных трения в подшипниках, сопротивления среды и расположения в теле центра масс сообщают реверсивное симметричное сферическое прецессионное движение вокруг неподвижной точки (РСП-движение), содержащее замедленное вращение по углу прецессии вокруг вертикальной оси внешней рамки, переходящее (с допускаемым переходным процессом выбега) в ускоренное вращение в обратном направлении с повторением в обратном порядке замедленного вращения. Одновременно внутренней рамке карданова подвеса, снабженного цилиндрическим кожухом с установленным в ней телом, сообщают реверсивно-симметричное собственное вращательное движение, синхронное с прецессионным движением, с определенным постоянным отношением угла прецессии к углу собственного вращения с наблюдаемым изменением угла собственного вращения на интервале 0-600°, отсчитываемого от любого выбранного углового положения, затем повторяют испытание с другим постоянным значением коэффициента пропорциональности. На таком программном сферическом движении тела замеряют множество значений работы активного крутящего момента, либо замеряют работы этого момента, по которым аналитически определяют тензор инерции тела в точке пересечения осей вращения и координаты центра масс тела.The essence of the invention lies in the fact that a body mounted in a biaxial gimbal under conditions of unknown friction in the bearings, the resistance of the medium and the location of the center of mass in the body are informed by a reversed symmetric spherical precession movement around a fixed point (CPF movement) containing a slow rotation in angle precession around the vertical axis of the outer frame, passing (with an allowable transient run-out process) into accelerated rotation in the opposite direction, repeating in the reverse order slows down Nogo rotation. At the same time, the internal frame of the gimbal, equipped with a cylindrical casing with a body installed in it, is informed of a reversed-symmetric proper rotational motion synchronous with the precession motion, with a certain constant ratio of the precession angle to the angle of proper rotation with an observed change in the angle of proper rotation in the range of 0-600 ° counted from any selected angular position, then repeat the test with another constant value of the coefficient of proportionality. At such a programmed spherical motion of a body, many values of the active torque work are measured, or the work of this moment is measured, which analytically determines the inertia tensor of the body at the point of intersection of the rotation axes and the coordinates of the center of mass of the body.
Изобретение поясняют фиг.1-4, где на фиг.1 показано устройство для осуществления метода в виде двухосного карданова подвеса с взаимно перпендикулярными осями и электроприводом, осуществляющим тестирующее двухосное синхронное сферическое движение с двумя последовательными значениями коэффициента пропорциональности, на фиг.2 показано одно из рекомендуемых к применению тестирующих движений по углу собственного вращения с которым синхронизировано прецессионное вращение, с двумя значениями коэффициентов пропорциональности, на фиг.3 показан выбор значений этих коэффициентов пропорциональности из условия двух заданных значений угла отклонения вектора угловой скорости сферического движения от собственной оси рамки подвеса, на фиг.4 показаны шесть ортов осей виртуального икосаэдра, условно связанного с тестируемым телом, проходящих через точку пересечения осей карданова подвеса.The invention is illustrated in figures 1-4, where figure 1 shows a device for implementing the method in the form of a biaxial cardan suspension with mutually perpendicular axes and an electric drive performing testing biaxial synchronous spherical movement with two successive values of the proportionality coefficient, figure 2 shows one of recommended for use testing movements in the angle of proper rotation with which the precession rotation is synchronized, with two values of the proportionality coefficients, in figure 3 so far en range of values of these coefficients of proportionality of the two conditions specified values of the deflection angle of the angular velocity of the spherical movement of its axis of suspension frame, Figure 4 shows the six basis vectors of the virtual axes of the icosahedron, conventionally associated with the test body, passing through the point of intersection of the axes of the gimbals.
Устройство (фиг.1) содержит двухосный карданов подвес, состоящий из внешней рамки 1 с вертикальной осью вращения Oz1 и внутренней рамки с цилиндрическим кожухом 2 с горизонтальной осью вращения Oz, механизм передачи вращения с вала внешней рамки на вал внутренней рамки, выполненный в виде пары цилиндрических зубчатых колес 3-4 и конической муфты 5, обеспечивающей поочередное сцепление конических колес с двумя неподвижными коническими колесами 6-7, управляемый электродвигатель 8, датчик угла поворота внешней рамки 9, основание 10. Внутренняя рамка подвеса 2 снабжена цилиндрическим кожухом с целью обеспечения независимости момента сопротивления среды от направления вращения карданова подвеса.The device (figure 1) contains a biaxial gimbal suspension, consisting of an
Реверсивно-симметричной синхронной прецессией тела, или РСП-движением, назовем сферическое движение тела вокруг закрепленной точки, при котором угол нутации остается постоянным, равным 90°, угол собственного вращения изменяется неравномерно реверсивно-симметрично в пределах 600°, нарастает замедленно в положительном направлении и симметрично убывает при движении в обратном направлении, а угол прецессии изменяется синхронно-пропорционально с изменением угла собственного вращения. При этом прецессионное движение производится вокруг вертикальной оси, а собственное вращение - вокруг подвижной горизонтальной оси. Будут применены два РСП-движения с двумя значениями коэффициента пропорциональности, объединенные переходным процессом в одно движение.The reversed-symmetric synchronous precession of the body, or RSP-movement, is the spherical motion of the body around a fixed point, at which the nutation angle remains constant, equal to 90 °, the angle of proper rotation varies non-uniformly, reversely-symmetrically within 600 °, and grows slowly in a positive direction and decreases symmetrically when moving in the opposite direction, and the angle of precession changes synchronously-proportionally with a change in the angle of proper rotation. In this case, the precession movement is made around the vertical axis, and its own rotation is around the moving horizontal axis. Two RSP movements with two values of the proportionality coefficient, combined by a transition process into one motion, will be applied.
В способе используются измеряемые значения активного крутящего момента на программном РСП-движении, либо значения работы крутящего момента (полезного расхода энергии.The method uses the measured values of the active torque on the software CPD movement, or the values of the torque (useful energy consumption).
Сущность способа заключается в том, что твердому телу, размещенному в двухосном кардановом подвесе со взаимно перпендикулярными осями вращения, сообщают последовательно программное РСП - движение в условиях неизвестного трения, отсчитываемое от произвольно выбираемого углового положения, содержащее этап ускоренного вращения в угле 600° по углу собственного вращения φ с синхронным пропорциональным поворотом по углу прецессии ψ=λ1,2φ и замедленное обратное симметричное движение, повторяющее в обратном порядке ускоренное движение, с соответствующими отрицательными значениями скалярной угловой скорости. Переход на второе значение коэффициента λ можно выполнять на ходу, на малых угловых скоростях, либо после остановки устройства.The essence of the method lies in the fact that a solid body placed in a biaxial gimbal with mutually perpendicular axes of rotation is informed sequentially by a software CPF - movement in conditions of unknown friction, counted from an arbitrarily selected angular position, containing a step of accelerated rotation in an angle of 600 ° along the angle of its own cp synchronous rotation proportional to the angle of rotation of the precession ψ = λ 1,2 φ and slow reverse symmetrical movement, repeating in reverse order the accelerated motion, with wo sponds scalar negative values of the angular velocity. The transition to the second value of the coefficient λ can be performed on the fly, at low angular speeds, or after stopping the device.
Программное сферическое реверсивно-симметричное движение тела и прямо пропорциональное ему прецессионное вращениеProgrammed spherical reverse-symmetric movement of the body and directly proportional to it precession rotation
В качестве РСП-движения по углу собственного вращения φ на интервале [0,600°] можно принять равнозамедленное, равноускоренное движение с постоянным отрицательным ускорением при ε=const>0, начинающееся с положительного значения угловой скорости ω0, задаваемое уравнениемEqually slow-motion, uniformly accelerated motion with constant negative acceleration can be taken as a BSP motion along the angle of own rotation φ in the interval [0.600 °] for ε = const> 0, starting with a positive value of the angular velocity ω 0 given by the equation
При этих условиях назначаемUnder these conditions, assign
Такое движение с момента времени tp=ω0/ε автоматически переходит из тормозного в разгонное в обратном направлении. Целесообразно рассматривать движение на интервалах времени, не включающих момент реверса tр, т.е. взять t1<tp.Such a movement from the moment of time t p = ω 0 / ε automatically passes from the braking to accelerating in the opposite direction. It is advisable to consider the movement at time intervals that do not include the reverse moment t p , i.e. take t 1 <t p .
Можно также применять равноускоренное движение видаYou can also apply uniformly accelerated motion of the form
которое после переключения и реверса переходит в симметричное равнозамедленное движение.which, after switching and reversing, goes into a symmetrical, equally slow motion.
Другим примером РСП-движения может служить половина колебания, выполняемого согласно уравнениюAnother example of a CPR motion is half the oscillation performed according to the equation
А также рекомендуется к применению движение в виде пары симметричных частей на первой половине колебания видаIt is also recommended to use movement in the form of a pair of symmetrical parts in the first half of the oscillation of the form
Одновременно с «собственным» программным вращением тела вокруг некоторой выбранной оси Oz должно осуществляться «прецессионное» вращение этой оси тела вокруг вертикальной оси Oz1, прямо пропорциональное собственном вращению. В целом телу придается сферическое движение вокруг неподвижной точки, разбиваемое на два синхронных вращательных РСП-движения.Simultaneously with the “proper” programmed rotation of the body around a certain selected Oz axis, the “precession” rotation of this body axis around the vertical axis Oz 1 , which is directly proportional to the proper rotation, should be carried out. In general, the body is given a spherical movement around a fixed point, divided into two synchronous rotational CSP movements.
На фиг.2 показано РСП-движение, состоящее из разгона по параболическому закону на интервале времени [t1, t6] при t1=0, φ(t1)=0, φ(t6)=600°, плавно переходящее в движение реверса по другому параболическому закону, и затем в обратное симметричное тормозное движение на интервале Дальнейшим продолжением движения является медленный переходный процесс на интервале c переключением на ходу коэффициента связи λ угла прецессии ψ со значения λ1 на λ2 и с выходом на повторное движение с новым значением коэффициентом λ2.Figure 2 shows the CPF movement, consisting of acceleration according to a parabolic law in the time interval [t 1 , t 6 ] at t 1 = 0, φ (t 1 ) = 0, φ (t 6 ) = 600 °, smoothly transitioning into the reverse movement according to another parabolic law, and then into the inverse symmetric braking movement on the interval A further continuation of the movement is a slow transition process in the interval switching on the fly the coupling coefficient λ of the precession angle ψ from the value of λ 1 to λ 2 and with the exit to the repeated movement with a new value of the coefficient λ 2 .
Рассмотрим управляемую электромеханическую систему (Фиг.1), состоящую из платформы 2 с закрепленном в ней телом, совершающей программное движение по углу φ вокруг подвижной горизонтальной оси Oz и второй системы - электропривода, обеспечивающего вращение оси Oz вокруг оси Oζ с ортом k1 по углу ψ. Изменение углов ψ и φ назначается синхронным прямо пропорциональным, причем коэффициенту пропорциональности сначала придаем значение λ1, а затем λ2 Consider a controlled electromechanical system (Figure 1), consisting of a
Здесь β1 и β2 - требуемые углы наклона мгновенной угловой скорости к оси собственного вращения тела (фиг.3), обеспечивающие последовательное совпадение ее положения с осями виртуального икосаэдра, имеющие следующие значения: β1=0.6524 рад = 37.38°, β2=1.3821 рад = 79.19°.Here β 1 and β 2 are the required angles of inclination of the instantaneous angular velocity to the axis of proper rotation of the body (Fig. 3), ensuring a consistent coincidence of its position with the axes of the virtual icosahedron, having the following values: β 1 = 0.6524 rad = 37.38 °, β 2 = 1.3821 rad = 79.19 °.
Система тело-платформа совершает сферическое движение вокруг вертикальной оси с углом прецессии ψ, углом собственного вращения φ, постоянным углом нутации θ=90°. Угловая скорость этого движенияThe body-platform system makes a spherical movement around a vertical axis with a precession angle ψ, a proper rotation angle φ, and a constant nutation angle θ = 90 °. Angular velocity of this movement
где и - орты угловых скоростей и Where and - unit vectors of angular velocities and
при at
Это движение назовем прецессионным движением вокруг вертикальной оси, оно определяется одним уравнением вида φ=φ(t), т.е. программным уравнением асимметричного прецессионного движения. Мгновенная ось вращения тела OL1 (OL2) вместе с вектором выполняет асимметричную прецессию вокруг вертикальной оси Oζ с постоянным углом нутации α1=90°-β1, (α2=90°-β2) согласно программному уравнению ψ=λ1φ(t), (ψ=λ2φ(t)). Геометрической интерпретацией такой симметрической прецессии служит неравномерное разгонно-тормозное асимметричное качение кругового конуса с осью Oz, углом при вершине L1Oz=β1, (L2Oz=β2) по неподвижному круглому конусу с вертикальной осью Oζ с углом при вершине L1Oz=α1, (L1Oz=α2). Будет использовано следующее свойство: на реверсивном симметричном сферическом движении при угле поворота φ=600° и обратно каждая из трех осей виртуального икосаэдра через полный оборот совпадает четыре раза с мгновенной осью вращения OL1 при λ=λ1, а три другие оси икосаэдра на втором движении совпадают четыре раза с OL2.We call this motion the precession motion around the vertical axis; it is determined by one equation of the form φ = φ (t), i.e. software equation for asymmetric precession motion. Instantaneous axis of rotation of the body OL 1 (OL 2 ) together with the vector performs asymmetric precession around the vertical axis Oζ with a constant nutation angle α 1 = 90 ° -β 1 , (α 2 = 90 ° -β 2 ) according to the program equation ψ = λ 1 φ (t), (ψ = λ 2 φ (t )). The geometric interpretation of such a symmetric precession is the non-uniform accelerated-brake asymmetric rolling of a circular cone with the Oz axis, the angle at the apex L 1 Oz = β 1 , (L 2 Oz = β 2 ) along a fixed circular cone with a vertical Oz axis with an angle at the apex L 1 Oz = α 1 , (L 1 Oz = α 2 ). The following property will be used: in a reversed symmetric spherical motion with an angle of rotation φ = 600 ° and vice versa, each of the three axes of the virtual icosahedron coincides four times with the instantaneous axis of rotation OL 1 at λ = λ 1 , and the other three axes of the icosahedron on the second movement coincide four times with OL 2 .
Введенное понятие симметричной прецессии является обобщением понятия регулярной прецессии (Бухгольц Н.Н. Основной курс теоретической механики. 4.2. М.: Наука, 1966. стр.161-162, Бесекерский В.А., Фабрикант Е.А. Динамический синтез систем гироскопической стабилизации. Л.: Судостроение, 1968. стр.18-23, Лурье А.И. Аналитическая механика. М: ФМ, 1961. стр.134).The introduced concept of symmetric precession is a generalization of the concept of regular precession (Bukhgolts NN The main course of theoretical mechanics. 4.2. M: Nauka, 1966. pp. 161-162, Besekersky VA, Fabrikant EA Dynamic synthesis of gyroscopic systems stabilization. L .: Shipbuilding, 1968. p. 18-23, Lurie A.I. Analytical mechanics. M: FM, 1961. p. 134).
На фиг.4 показаны четыре из двадцати треугольных граней виртуального икосаэдра, сцепляемого с тестируемым телом. Через вершины граней А, В, С, Е, G, F проведены все шесть осей икосаэдра с ортами осей Стороны треугольника приняты равными единице, ось Oz направлена из центра икосаэдра на центр пересечения медиан одной из граней.Figure 4 shows four of the twenty triangular faces of a virtual icosahedron linked to a test body. Through the vertices of the faces A, B, C, E, G, F, all six axes of the icosahedron are drawn with the unit vectors The sides of the triangle are taken equal to unity, the Oz axis is directed from the center of the icosahedron to the center of intersection of the medians of one of the faces.
Радиусы вписанной и описанной сферRadii of the inscribed and described spheres
Расстояния от точки касания вписанной сферы до вершин грани АВС равны 2ρ, где высота грани The distances from the tangent point of the inscribed sphere to the vertices of the ABC face are 2ρ, where edge height
ИмеемWe have
Численные значения основных величин:Numerical values of the main quantities:
α1=52.622632°=0.9184382 рад, α2=10.812317°=0.1887105 рад,α 1 = 52.622632 ° = 0.9184382 rad, α 2 = 10.812317 ° = 0.1887105 rad,
β1=37.377368°=0.652358 рад, β2=79.187685°=1.382086 рад,β 1 = 37.377368 ° = 0.652358 rad, β 2 = 79.187685 ° = 1.382086 rad,
γ=63.434949°=1.107149 рад, R=0.951057, r=0.755761,γ = 63.434949 ° = 1.107149 rad, R = 0.951057, r = 0.755761,
ρ=0.288675, b=ОК=0.934172, h=KE=0.178411ρ = 0.288675, b = OK = 0.934172, h = KE = 0.178411
Над плоскостью Oxy расположены шесть вершин икосаэдра. Вершины ABC расположены на уровне z1=r на окружности радиусом ρ1=2ρ=0.577350 с равными угловыми расстояниями 120°, а три вершины E, G, F расположены на уровне z2=h - на окружности радиуса ρ2=b. Через названные вершины и центр О проходят шесть осей икосаэдра. На фиг.4 показаны орты этих осей. Направляющие косинусы ортов равны отношениям координат вершин к расстоянию R. Векторы-строки ортовAbove the Oxy plane are six vertices of the icosahedron. The vertices ABC are located at level z 1 = r on a circle of radius ρ 1 = 2ρ = 0.577350 with equal angular distances of 120 °, and the three vertices E, G, F are located at level z 2 = h on a circle of radius ρ 2 = b. Six axes of the icosahedron pass through the named peaks and the center O. Figure 4 shows the unit vectors of these axes. The directing cosines of the unit vectors are equal to the ratios of the coordinates of the vertices to the distance R. The unit vectors
Шестиэлементные векторы-столбцы:Six-element column vectors:
Из столбцов составим матрицу ортов осей икосаэдра размера 6×6:From the columns we compose a matrix of unit vectors of the axes of the icosahedron of size 6 × 6:
U=[V1, V2, V3, V4, V5, V6]U = [V 1 , V 2 , V 3 , V 4 , V 5 , V 6 ]
Численное значение матрицы U:The numerical value of the matrix U:
Определитель матрицы существенно отличен от нуля и равен det(U)=2.2897.The determinant of the matrix is significantly different from zero and is det (U) = 2.2897.
Пусть в результате эксперимента найдены шесть моментов инерции твердого тела относительно осей виртуального икосаэдра, жестко сцепленного с телом и имеющего центр в некоторой точке О тела. Тогда вектор-строка из осевых и центробежных моментов инерции тела вычисляется по следующей матричной формуле:Suppose that as a result of the experiment, six moments of inertia of a rigid body with respect to the axes of a virtual icosahedron rigidly linked to the body and having a center at some point О of the body are found. Then the row vector from the axial and centrifugal moments of inertia of the body is calculated by the following matrix formula:
Рассмотрим систему, состоящую из двухосного карданова подвеса и установленного в нем тела (фиг.1). Ось вращения внешней рамки Oz1 вертикальна, а ось вращения внутренней рамки-платформы Oz движется в горизонтальной плоскости. На внутренней рамке жестко закреплено тестируемое тело. Подвес приводится в движение электродвигателем, вал которого жестко связан с внешней рамкой, а движение на внутреннюю рамку передается через зубчатый механизм. Будем считать, что внутренняя рамка-платформа имеет цилиндрический кожух, который обеспечивает равенство аэродинамического сопротивления в симметричных движениях. Вращение внутренней рамки определяется углом φ, а внешней рамки - углом ψ. Система тело-платформа совершает сферическое движение вокруг точки О пересечения осей подвеса. Предполагаем, что выполняется голономная связь вида ψ=λ1(2)φ. Тогда механическая голономная система: карданов подвес - ротор электродвигателя - передаточный механизм - тестируемое тело будет иметь только одну степень свободы, ее положение определяется одной обобщенной координатой - углом поворота φ.Consider a system consisting of a biaxial cardan suspension and a body installed in it (Fig. 1). The axis of rotation of the outer frame Oz 1 is vertical, and the axis of rotation of the inner frame of the platform Oz moves in the horizontal plane. The test body is rigidly fixed on the inner frame. The suspension is driven by an electric motor, the shaft of which is rigidly connected to the outer frame, and the movement to the inner frame is transmitted through a gear mechanism. We assume that the inner frame-platform has a cylindrical casing, which ensures equality of aerodynamic drag in symmetrical movements. The rotation of the inner frame is determined by the angle φ, and the outer frame is determined by the angle ψ. The body-platform system makes a spherical movement around the point O of intersection of the suspension axes. We assume that the holonomic constraint of the form ψ = λ 1 (2) φ is satisfied. Then the mechanical holonomic system: cardan suspension - electric motor rotor - transmission mechanism - the body under test will have only one degree of freedom, its position is determined by one generalized coordinate - the rotation angle φ.
Обозначим I - приведенный момент инерции по углу φ системы без тестируемого тела. Очевидно I=const, поскольку расположение массы устройства вокруг оси внешней рамки не изменяется при изменении угла ψ (или φ) (считаем, что внутренняя рамка и колеса обладают осевой симметрией). Неизвестный приведенный момент инерции тела J, совершающего сферическое движение, зависит от угла φ:J=J(φ).Let I denote the reduced moment of inertia in the angle φ of the system without the test body. Obviously I = const, since the arrangement of the mass of the device around the axis of the outer frame does not change when the angle ψ (or φ) changes (we assume that the inner frame and wheels have axial symmetry). The unknown reduced moment of inertia of a body J making a spherical motion depends on the angle φ: J = J (φ).
В качестве РСП-движения по углу φ примем кусочно-параболическое движение (фиг.2), содержащее этап разгона при t<t1, этап равноускоренного движения при t∈[t1, t6] на угловом интервале 0≤φ≤600°, этап плавного переходного процесса по параболическому закону при этап симметричного равнозамедленного параболического движения при этап переходного процесса при с переключением коэффициента λ со значения λ1 на λ2 и повторного движения на интервале Движение по углу ψ осуществляется синхронно согласно кинематическому уравнениюAs the RSP movement along the angle φ we take a piecewise-parabolic movement (Fig. 2), containing the acceleration stage at t <t 1 , the stage of uniformly accelerated movement at t∈ [t 1 , t 6 ] in the angular interval 0≤φ≤600 ° , stage of a smooth transition process according to the parabolic law with stage of symmetric equally slow parabolic motion with stage of the transition process when with switching the coefficient λ from the value of λ 1 to λ 2 and repeated movement on the interval The movement along the angle ψ is carried out synchronously according to the kinematic equation
Квадрат полной угловой скорости сферического РСП-движения определяется формулой (6). На этапе разгон-торможение выделим три полных оборота, смещенных один относительно другого на 120°:The square of the total angular velocity of the spherical CPR motion is determined by formula (6). At the stage of acceleration-braking, we distinguish three full turns displaced one relative to the other by 120 °:
осуществляемых за интервал времениimplemented over a time interval
На обратном движении угловые интервалы (14) проходят в интервалыOn the reverse motion, the angular intervals (14) pass into the intervals
за промежуткиin between
Пусть I1 - момент инерции всего устройства относительно оси z1. Имеем - кинетическая энергия механизма при изменении угла ψ и условно зафиксированном угле φ. Если же угол φ изменяется с угловой скоростью то внутренняя рамка совершает сферическое движение вокруг полюса О с переносной угловой скоростью и относительной скоростью причем эти скорости взаимно перпендикулярны, а оси системы Oxyz являются главными осями инерции внутренней цилиндрической рамки. При этих условиях полная кинетическая энергия устройства определяется двучленной формулойLet I 1 be the moment of inertia of the entire device with respect to the z 1 axis. We have is the kinetic energy of the mechanism with a change in the angle ψ and a conditionally fixed angle φ. If the angle φ changes with the angular velocity then the inner frame makes a spherical movement around the pole O with a portable angular velocity and relative speed moreover, these speeds are mutually perpendicular, and the axes of the Oxyz system are the main axes of inertia of the inner cylindrical frame. Under these conditions, the total kinetic energy of the device is determined by the two-term formula
где Iz - момент инерции внутренней рамки относительно собственной оси, в которую включаем и моменты инерции колес передаточного механизма.where I z is the moment of inertia of the inner frame relative to its own axis, in which we include the moments of inertia of the wheels of the transmission mechanism.
Кинетическая энергия тестируемого тела на сферическом движенииKinetic energy of the test body on a spherical motion
где JL - момент инерции тела относительно мгновенной оси вращения OL.where J L is the moment of inertia of the body relative to the instantaneous axis of rotation OL.
На основании формул (18), (19) определим кинетическую энергию системы механизм-тело, включая ротор электродвигателя и передаточный механизм, на двух движениях ψ=λ1φ и ψ=λ2φ:Based on formulas (18), (19), we determine the kinetic energy of the mechanism-body system, including the rotor of the electric motor and the transmission mechanism, on two movements ψ = λ 1 φ and ψ = λ 2 φ:
Здесь и - приведенные моменты инерции механизма по углу поворота φ на двух режимах движения, JL1(φ) и JL2(φ) - моменты инерции тела относительно мгновенных осей L1 и L2 сферического движения.Here and - reduced moments of inertia of the mechanism with respect to the angle of rotation φ in two modes of motion, J L1 (φ) and JL 2 (φ) - moments of inertia of the body relative to the instantaneous axes L 1 and L 2 of spherical movement.
Применим теорему об изменении кинетической энергии к системе устройство-тело на паре интервалов τ1=[t1, t4] и учитывая равенство энергий на концах интерваловWe apply the kinetic energy change theorem to a device-body system on a pair of intervals τ 1 = [t 1 , t 4 ] and given the equality of energies at the ends of the intervals
Здесь A14 и - работы активного крутящего момента, создаваемого электродвигателем, V14 и - работы моментов трения и аэродинамического сопротивления.Here A 14 and - operation of the active torque generated by the electric motor, V 14 and - work moments of friction and aerodynamic drag.
Отметим, что ввиду динамической симметрии пары движений, обеспеченной, в частности, наличием цилиндрического кожуха. Работы силы тяжести тела не входят в уравнения, они равны нулю, поскольку на рассматриваемых полных оборотах тела его центр масс возвращается на прежнюю горизонтальную эквипотенциальную поверхность независимо от угла поворота тела вокруг вертикальной оси Oz1. Почленно вычитая уравнения (22) и учитывая выражение (20), получим уравнение, не содержащее работы сил тренияNote that in view of the dynamic symmetry of the pair of motions, provided, in particular, by the presence of a cylindrical casing. The work of the body’s gravity is not included in the equations, they are zero, because at the considered full revolutions of the body its center of mass returns to the previous horizontal equipotential surface regardless of the angle of rotation of the body about the vertical axis Oz 1 . Subtracting equations (22) term by term and taking into account expression (20), we obtain an equation that does not contain the work of friction forces
илиor
Отсюда находим расчетную формулу для момента инерции тела относительно первой оси икосаэдра, не содержащую диссипативных сил.From here we find the calculation formula for the moment of inertia of the body relative to the first axis of the icosahedron, which does not contain dissipative forces.
Рассмотрим аналогично две оставшиеся пары поворотов из (14) и (16), получаем расчетные формулы для двух других осей икосаэдраLet us similarly consider the two remaining pairs of turns from (14) and (16), we obtain the calculation formulas for the other two axes of the icosahedron
Моменты инерции относительно трех осей икосаэдра второго ряда определяются по аналогичным расчетным формуламMoments of inertia relative to the three axes of the icosahedron of the second row are determined by similar calculation formulas
Приведенные моменты инерции устройства можно находить расчетом или посредством заранее выполненного эксперимента с ненагруженным механизмом при отсутствии тела по формуламThe given moments of inertia of the device can be found by calculation or by means of a previously performed experiment with an unloaded mechanism in the absence of a body according to the formulas
Формулы (27) служат для идентификации самого устройства.Formulas (27) are used to identify the device itself.
Таким образом, тензор инерции тела в точке О пересечения двух осей карданова подвеса определяется формулами (12), (11), (24), (25), (26) с возможным привлечением формул. В этих формулах работы активного крутящего момента M(φ) находятся через вычисление определенных интегралов от активного момента по углу поворота,Thus, the inertia tensor of the body at the point O of the intersection of the two axes of the cardan suspension is determined by formulas (12), (11), (24), (25), (26) with the possible involvement of formulas. In these formulas, the work of the active torque M (φ) are found through the calculation of certain integrals of the active moment in the rotation angle,
Возможно также непосредственное измерение этих работ техническими средствами по расходу энергии на работу механизма, включающую работу на преодоление диссипативных сил.It is also possible to directly measure these works by technical means for consuming energy for the work of the mechanism, including work to overcome dissipative forces.
Расчетные формулы получены в предположении, что внутренняя рамка является симметричным телом вращения с осью симметрии Oz. В случае, если это условие не выполняется, можно определять по данным формулам осевые моменты инерции тела вместе с внутренней рамкой и затем вычитать осевые моменты инерции внутренней рамки при шести различных угловых положениях рамки.The calculation formulas were obtained under the assumption that the inner frame is a symmetric body of revolution with an axis of symmetry Oz. If this condition is not fulfilled, the axial moments of inertia of the body together with the inner frame can be determined using these formulas and then the axial moments of inertia of the inner frame can be subtracted at six different angular positions of the frame.
Для определения центра масс тела разделим первый оборот (фиг.1), совершаемый за интервал времени τ1=[t1, t4] на четверть, обороты, совершаемые за интервалы времениTo determine the center of mass of the body, we divide the first revolution (Fig. 1), performed for the time interval τ 1 = [t 1 , t 4 ] by a quarter, the revolutions made for the time intervals
Рассмотрим полуоборот за интервал и другой полуоборот за интервал Предполагаем, что центр масс платформы расположен на ее собственной оси и m - известная масса системы тело-платформа. Введем в рассмотрение цилиндрические координаты (ρC, α, zC) неизвестного положения центра масс этой системы, где ρC - полярный радиус, α≥0 или α<0 - полярный угол, отсчитываемый от отвесного направления в начале эксперимента. Работа силы тяжести этой системы на интервалах и и работы на асимметричных полуоборотах:Consider the half-turn for the interval and another half turn per interval We assume that the center of mass of the platform is located on its own axis and m is the known mass of the body-platform system. We introduce the cylindrical coordinates (ρ C , α, z C ) of the unknown position of the center of mass of this system, where ρ C is the polar radius, α≥0 or α <0 is the polar angle measured from the vertical direction at the beginning of the experiment. The work of gravity of this system at intervals and and work on asymmetric half-turns:
По аналогии с формулой (23) составим два уравнения энергии для двух пар симметричных полуоборотов системы платформа-тело, в которые следует дополнительно включить разности работ сил тяжести и By analogy with formula (23), we compose two energy equations for two pairs of symmetric half-turns of the platform-body system, in which the differences in the work of gravity should be additionally included and
ПолучимGet
Здесь T1, Т1C, Т2C, Т3C - значения кинетической энергии системы на концах полуоборотов. Они считаются известными, поскольку известны программные значения угловых скоростей и уже вычислен тензор инерции системы тело-платформа, а также определены кинетические энергии системы в любых ее положениях по формуле сферического движения Here T 1 , T 1C , T 2C , T 3C are the kinetic energy of the system at the ends of half-turns. They are considered known because the programmed values of the angular velocities are known and the inertia tensor of the body-platform system has already been calculated, and the kinetic energies of the system in any of its positions have been determined by the formula of spherical motion
Из уравнений (31) находим два уравнения:From equations (31) we find two equations:
приat
Из системы находим расчетные формулы, определяющие две цилиндрические координаты центра масс системы тело-платформа:From the system we find the calculation formulas that determine the two cylindrical coordinates of the center of mass of the body-platform system:
Формулы определяют прямую, параллельную собственной оси платформы Oz, на которой расположен центр масс системы тело-платформа, причем угол α отсчитывается от сечения тела отвесной плоскостью, проведенной в начальный момент времени t1 через ось собственного вращения. Координату zc, определяющую положение центра масс на этой прямой, можно найти произведя дополнительное испытание, расположив тело на внутренней платформе в повернутом положении, развернутом на угол 90° от оси Oz в горизонтальной плоскости (фиг.1).The formulas determine a straight line parallel to the axis of the platform Oz, on which the center of mass of the body-platform system is located, and the angle α is counted from the section of the body by a vertical plane drawn at the initial time t 1 through the axis of proper rotation. The coordinate z c determining the position of the center of mass on this line can be found by performing an additional test by placing the body on the inner platform in a rotated position, rotated 90 ° from the Oz axis in the horizontal plane (Fig. 1).
Устройство работает следующим образом: внутренняя рамка 2 карданова подвеса с закрепленным в ней телом исполняет программное сферическое движение вокруг неподвижной точки О, состоящее из прецессионного вращения вокруг оси Oz, создаваемое внешней рамкой 1 вместе с электродвигателем 8 и собственного вращения рамки вокруг оси Oz, создаваемого электроприводом, при этом датчиком 9 производится непосредственное измерение угла поворота и угловой скорости вращения ротора электродвигателя. Управление движением осуществляется автоматической системой программного управления. Электромуфта 5 на одном этапе фиксирует на валу 4 левое коническое зубчатое колесо, отпуская при этом правое коническое колесо, а на другом этапе наоборот, фиксирует на валу правое коническое колесо и отпускает левое колесо, чем достигается изменение коэффициента пропорциональности, связывающего прецессионное и собственное вращения платформы 2. В результате устройство обеспечивает телу требуемое программное сферическое движение.The device operates as follows: the
Таким образом предполагаемое изобретение позволяет решить задачу повышения производительности, точности, расширения области применения.Thus, the alleged invention allows to solve the problem of increasing productivity, accuracy, expanding the scope.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007129443/28A RU2348020C1 (en) | 2007-07-31 | 2007-07-31 | Method of defining tensor of inertia and coordinates of center of mass of body and device to this effect |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007129443/28A RU2348020C1 (en) | 2007-07-31 | 2007-07-31 | Method of defining tensor of inertia and coordinates of center of mass of body and device to this effect |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2348020C1 true RU2348020C1 (en) | 2009-02-27 |
Family
ID=40529941
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007129443/28A RU2348020C1 (en) | 2007-07-31 | 2007-07-31 | Method of defining tensor of inertia and coordinates of center of mass of body and device to this effect |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2348020C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106840518A (en) * | 2017-01-19 | 2017-06-13 | 中国科学院上海技术物理研究所 | A kind of shafting static balance balancing device based on startup moment of friction and current of electric |
CN110285921A (en) * | 2019-07-15 | 2019-09-27 | 郑州航空工业管理学院 | A kind of experimental provision and method measuring rotary inertia |
CN116448318A (en) * | 2023-06-14 | 2023-07-18 | 枣庄市大猫电子科技有限公司 | Device for static balance test of winding drum |
-
2007
- 2007-07-31 RU RU2007129443/28A patent/RU2348020C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106840518A (en) * | 2017-01-19 | 2017-06-13 | 中国科学院上海技术物理研究所 | A kind of shafting static balance balancing device based on startup moment of friction and current of electric |
CN110285921A (en) * | 2019-07-15 | 2019-09-27 | 郑州航空工业管理学院 | A kind of experimental provision and method measuring rotary inertia |
CN110285921B (en) * | 2019-07-15 | 2021-03-16 | 郑州航空工业管理学院 | Experimental device and method for measuring rotational inertia |
CN116448318A (en) * | 2023-06-14 | 2023-07-18 | 枣庄市大猫电子科技有限公司 | Device for static balance test of winding drum |
CN116448318B (en) * | 2023-06-14 | 2023-09-08 | 枣庄市大猫电子科技有限公司 | Device for static balance test of winding drum |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN112327942B (en) | Automatic leveling method for triaxial air-bearing satellite simulation platform | |
CN111099045A (en) | Novel double-super-satellite dynamics and control air floatation platform full-physical simulation method | |
RU2348020C1 (en) | Method of defining tensor of inertia and coordinates of center of mass of body and device to this effect | |
CN108736657B (en) | Optical sensor-based permanent magnet spherical motor rotor position detection method | |
US7121159B2 (en) | Apparatus and method for gyroscopic propulsion | |
CN102680172A (en) | Dynamic balance control method of large rotary load | |
CN103868648A (en) | Barycenter measuring method for three-axis air floatation simulation experiment platform | |
CN109540452B (en) | Rotary rocket three-degree-of-freedom angular motion simulation test device | |
US20030019309A1 (en) | Apparatus and method for gyroscopic propulsion | |
CN103837348B (en) | System and method for determining the mass property of vehicle part | |
WO2011044588A2 (en) | Method and apparatus for an inertial drive | |
Mustapa et al. | Quadcopter physical parameter identification and altitude system analysis | |
JP2012137082A (en) | Propulsive force generating device by centrifugal force | |
RU2262678C2 (en) | Method of determining tensor of inertia of body | |
CN109104125B (en) | A kind of air bearing momentum sphere system of induction type driving | |
Usubamatov | Mathematical models for principles of gyroscope theory | |
CN206458741U (en) | One kind can position freewheel clutch | |
Shuang et al. | A new measurement method for unbalanced moments in a two-axis gimbaled seeker | |
RU2200940C2 (en) | Method of determination of tensor of inertia of body and device for realization of this method | |
Liu et al. | Heavy-duty spherical mobile robot driven by five omni wheels | |
CN116520719A (en) | Method and system suitable for full physical simulation of attitude dynamics of flexible spacecraft | |
EP3168473A1 (en) | Displacement machine | |
Chung | Effect of gravity and angular velocity on an automatic ball balancer | |
JPH10167197A (en) | Attitude control for three-axes satellite by meand of wheel and unloading wheel and spin satellite attitude restoring device by using wheels | |
JPH02274698A (en) | Flying attitude control actuator for spacecraft |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170801 |