RU2562445C2 - Test bench for measurement of stato-dynamic characteristics of physical objects - Google Patents
Test bench for measurement of stato-dynamic characteristics of physical objects Download PDFInfo
- Publication number
- RU2562445C2 RU2562445C2 RU2013152348/28A RU2013152348A RU2562445C2 RU 2562445 C2 RU2562445 C2 RU 2562445C2 RU 2013152348/28 A RU2013152348/28 A RU 2013152348/28A RU 2013152348 A RU2013152348 A RU 2013152348A RU 2562445 C2 RU2562445 C2 RU 2562445C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- mass
- measurement
- moments
- axes
- inertia
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области механических измерений, в частности к измерению массы, координат центра масс и моментов инерции изделий.The invention relates to the field of mechanical measurements, in particular to the measurement of mass, coordinates of the center of mass and moments of inertia of products.
Задача управления скоростным движением изделий космической и реактивной техники, наземных и морских транспортных систем требует для своего решения знания массы, координат центра масс и моментов инерции изделий. Наиболее достоверным методом определения комплекса указанных параметров является измерение.The task of controlling the high-speed movement of products of space and rocket technology, land and sea transport systems requires a knowledge of the mass, coordinates of the center of mass and moments of inertia of the products. The most reliable method for determining the complex of these parameters is measurement.
Известен комплекс для измерения массы, координат центра масс и моментов инерции машиностроительных изделий (см. В.В. Богданов, B.C. Волобуев и др. «Комплекс для измерения масс и моментов инерции машиностроительных изделий», Измерительная техника №2, 2002, с. 37-39).A known complex for measuring mass, coordinates of the center of mass and moments of inertia of engineering products (see VV Bogdanov, BC Volobuev and others. "Complex for measuring masses and moments of inertia of engineering products", Measuring technique No. 2, 2002, S. 37 -39).
Комплекс включает в себя два стенда, один из которых предназначен для измерения массы и координат центра масс, другой - для измерения моментов инерции изделий. Стенд для измерения массы и координат центра масс состоит из двух рам, на горизонтальных балках которых с помощью специальных хомутов устанавливается протяженное по длине изделие цилиндрической формы. При помощи вертикальных стержней балки соединены с четырьмя динамометрами. Основания динамометров соединены с опорными стойками, которые жестко закреплены на силовом фундаменте. Вдоль стержней действуют силы реакции, которые измеряются динамометрами.The complex includes two stands, one of which is designed to measure the mass and coordinates of the center of mass, the other - to measure the moments of inertia of the products. The stand for measuring mass and coordinates of the center of mass consists of two frames, on the horizontal beams of which, with the help of special clamps, a cylindrical product extended over the length is installed. Using vertical rods, the beams are connected to four dynamometers. The bases of the dynamometers are connected to the support posts, which are rigidly fixed to the power foundation. Along the rods are reaction forces, which are measured by dynamometers.
По сумме реакций динамометров измеряют массу изделия, а по комбинации реакций и известным координатам расположения динамометров - две горизонтальные координаты центра масс. Для измерения вертикальной координаты необходимо повернуть изделие на угол 90° вокруг продольной оси изделия.The mass of the product is measured by the sum of the reactions of the dynamometers, and by the combination of reactions and the known coordinates of the dynamometers, two horizontal coordinates of the center of mass. To measure the vertical coordinate, you must rotate the product 90 ° around the longitudinal axis of the product.
Стенд для измерения моментов инерции представляет собой раму с четырьмя вертикальными пружинами, на которые с помощью специальных хомутов устанавливается изделие. В местах крепления пружин к хомутам расположены датчики перемещений, измеряющие деформацию пружин. Чтобы эти точки не смещались горизонтально, в конструкции стенда предусмотрены направляющие втулки. Таким образом, движение изделия возможно только по трем степеням свободы.The stand for measuring moments of inertia is a frame with four vertical springs, on which the product is installed using special clamps. In places where the springs are attached to the clamps, displacement sensors are located that measure the deformation of the springs. To prevent these points from moving horizontally, guide bushings are provided in the stand design. Thus, the movement of the product is possible only in three degrees of freedom.
До начала измерений к пружинам прикладывается сила, которая затем мгновенно убирается и система начинает совершать свободные колебания по трем степеням свободы. В результате цифровой обработки сигналов каждого из датчиков находятся частоты и амплитуды колебаний, используемые для определения моментов инерции изделия. Для получения трех осевых моментов инерции необходимо повернуть изделие на 90° вокруг продольной оси.Prior to the measurement, a force is applied to the springs, which is then immediately removed and the system begins to make free oscillations in three degrees of freedom. As a result of digital signal processing of each of the sensors, the frequencies and amplitudes of oscillations are used to determine the moments of inertia of the product. To obtain three axial moments of inertia, it is necessary to rotate the product 90 ° around the longitudinal axis.
Основными недостатками данного комплекса являются следующие:The main disadvantages of this complex are the following:
- необходимость поворота изделия на угол 90° для получения результата измерений (во многих случаях такой поворот недопустим по техническим условиям на изделие);- the need to rotate the product through an angle of 90 ° to obtain a measurement result (in many cases, such a rotation is unacceptable according to the technical conditions for the product);
- измерение массы и координат центра масс производится на одном стенде, а моментов инерции - на другом, что приводит к дополнительным ошибкам измерений из-за неточного совмещения (рассогласования) осей изделия с осями стенда.- the mass and coordinates of the center of mass are measured on one stand, and the moments of inertia on another, which leads to additional measurement errors due to inaccurate alignment (mismatch) of the product axes with the axes of the stand.
В связи с созданием ряда стендов в настоящее время в ФГУП «ЦАГИ» накоплен определенный опыт в технике измерений моментов инерции различных тел и появилась возможность дальнейшего совершенствования методологии создания подобных средств измерения.In connection with the creation of a number of stands, TsAGI has gained some experience in the technique of measuring the inertia moments of various bodies and it has become possible to further improve the methodology for creating such measuring instruments.
Наиболее близким конструктивным решением является созданный в ФГУП «ЦАГИ» стенд для измерения массы, координат центра масс и тензора инерции изделия машиностроения (см. патент на изобретение №2368880, МПК G01M 1/10, 2008, «Датчики и системы» №5, 2010 г. Стр. 24-28; 29-33), содержащий раму, к которой крепится изделие, динамометры, датчики угла, пружины, станину, динамометрическую платформу с узлом поворота рамы, устройство задания колебаний, состоящее из подвижных рам, соединенных между собой и со станиной шарнирами и системой пружин, соединенных с рамами, при этом оси шарниров соединены с осями датчиков угла.The closest constructive solution is the stand created at FSUE TsAGI for measuring the mass, coordinates of the center of mass and inertia tensor of an engineering product (see patent for invention No. 2368880, IPC G01M 1/10, 2008, “Sensors and systems” No. 5, 2010 pp. 24-28; 29-33), containing the frame to which the product is attached, dynamometers, angle sensors, springs, a bed, a dynamometric platform with a frame rotation unit, an oscillation setting device consisting of movable frames interconnected and with a bed with hinges and a system of springs connected to frames, with this axis of the hinges are connected to the axes of the angle sensors.
Все необходимые измерения выполняются при одной установке изделия на стенде.All necessary measurements are carried out with one installation of the product on the stand.
Стенд имеет два режима работы - статический и динамический.The stand has two modes of operation - static and dynamic.
В статическом режиме при помощи динамометрической платформы измеряются масса и три координаты центра масс изделия. Горизонтальные координаты центра масс определяются по измеренным динамометрами силам. Для измерения вертикальной координаты изделию при помощи узла поворота задается ряд последовательных углов наклона. По измеренным при помощи динамометрической платформы моментам и измеренным углам наклона определяется вертикальная координата центра масс изделия.In static mode, the mass and three coordinates of the center of mass of the product are measured using a dynamometer platform. The horizontal coordinates of the center of mass are determined by the forces measured by the dynamometers. To measure the vertical coordinate of the product using a rotation node, a series of consecutive tilt angles is specified. From the moments measured using the dynamometer platform and the measured tilt angles, the vertical coordinate of the product’s center of mass is determined.
Моменты инерции измеряются в динамическом режиме. При этом рама с изделием совершают свободные затухающие колебания последовательно вокруг трех ортогональных осей стенда. При помощи динамометрической платформы измеряются три динамических момента, по которым, используя данные датчиков угла, известные массу и координаты центра масс, при помощи аппарата цифровой обработки сигналов, определяются моменты инерции изделия.Moments of inertia are measured in dynamic mode. In this case, the frame with the product make free damped oscillations sequentially around the three orthogonal axes of the stand. Using a dynamometric platform, three dynamic moments are measured, according to which, using the data of angle sensors, the known mass and coordinates of the center of mass, using the digital signal processing apparatus, the moments of inertia of the product are determined.
Ранее был разработан метод определения углового ускорения по показаниям датчика угла, см. «Датчики и системы» №5, 2012, стр. 29…32.Previously, a method was developed for determining the angular acceleration from the readings of the angle sensor, see "Sensors and Systems" No. 5, 2012, p. 29 ... 32.
Одним из основных недостатков данного решения является неудовлетворительная точность измерения моментов инерции и вертикальной координаты центра масс изделий, обладающих конфигурацией вытянутой вдоль вертикальной оси. Причина указанного недостатка состоит в следующем. При колебаниях изделия вокруг какой-либо из горизонтальных осей на динамометрическую платформу действует вектор момента M, являющийся суммой трех векторов:One of the main disadvantages of this solution is the unsatisfactory accuracy of measuring the moments of inertia and the vertical coordinate of the center of mass of products with a configuration elongated along the vertical axis. The reason for this drawback is as follows. When the product oscillates around any of the horizontal axes, the moment vector M acts on the dynamometer platform, which is the sum of three vectors:
(см. Датчики и системы №8, 2013 г. стр. 14)(see Sensors and Systems No. 8, 2013, p. 14)
где Mk и MF - инерционные моменты, обусловленные колебаниями изделия вокруг центра масс (ЦМ) и колебаниями массы m изделия вокруг оси вращения;where M k and M F are the inertial moments caused by the oscillations of the product around the center of mass (CM) and the fluctuations of the mass m of the product around the axis of rotation;
MП - позиционный момент, обусловленный действием силы тяжести. Моменты (1) измеряются относительно начала координат динамометрической платформы.M P - positional moment due to the action of gravity. Moments (1) are measured relative to the origin of the dynamometer platform.
Момент Mk является полезным моментом, т.к. он непосредственно связан с измеряемыми моментами инерции:The moment M k is a useful moment, because it is directly related to the measured moments of inertia:
где T - тензор инерцииwhere T is the inertia tensor
; ;
Jx; Jy; Jz - центральные осевые, а Jx·y=Jy·x; Jx·z=Jz·x; Jy·z=Jz·y - центробежные моменты инерции.J x ; J y ; J z - central axial, and J x · y = J y · x ; J x z = J z x ; J y · z = J z · y are the centrifugal moments of inertia.
- вектор углового ускорения: - angular acceleration vector:
Возбуждая последовательно колебательные системы стенда и измеряя компоненты векторов момента Mk и ускорения, при помощи (2) находим столбцы тензора инерции.Exciting sequentially vibrational systems of the bench and measuring the components of the moment vectors M k and acceleration , using (2) we find the columns of the inertia tensor.
Моменты MF и MП являются дополнительными, которые необходимо вычесть из общего измеренного момента M. Часто дополнительные моменты оказываются соизмеримыми с измеренным моментом M, отчего полезный момент Mk получается как малая разность больших величин. В результате точность измерения полезного момента, а следовательно, и моментов инерции падает.The moments M F and M P are additional, which must be subtracted from the total measured moment M. Often the additional moments are commensurate with the measured moment M, which is why the useful moment M k is obtained as a small difference of large quantities. As a result, the accuracy of measuring the useful moment, and hence the moments of inertia, decreases.
Величины моментов MF и MП определяются векторными произведениями:The magnitudes of the moments M F and M P are determined by vector products:
где R - радиус-вектор, соединяющий начало координат динамометрической платформы с центром масс изделия;where R is the radius vector connecting the origin of the dynamometric platform with the center of mass of the product;
PC - сила тяжести:P C - gravity:
PC=m·g;P C = m g;
m - масса изделия;m is the mass of the product;
g - ускорение свободного падения;g is the acceleration of gravity;
FC - вектор инерционной силы, действующей в ЦМ - дается векторным произведением:F C - the vector of inertial force acting in the CM - is given by the vector product:
R0 - радиус-вектор, соединяющий ось вращения (ОВ) рамы с ЦМ изделия.R 0 is the radius vector connecting the axis of rotation (OB) of the frame with the CM of the product.
Сумма векторов MF+MП дает суммарный вектор дополнительного момента:The sum of the vectors M F + M P gives the total vector of the additional moment:
где обобщенный вектор силы:where is the generalized force vector:
QC=FC+PC.Q C = F C + P C.
Из соотношения (5) видно, что величина суммарного вектора момента определяется радиусом-вектором R. Последний, в свою очередь, зависит от удаления ЦМ изделия от начала координат динамометрической платформы. Сократить это расстояние или, что то же, уменьшить радиус-вектор R конструктивным путем не представляется возможным из-за протяженности изделия вдоль вертикальной оси.From relation (5) it can be seen that the value of the total moment vector is determined by the radius vector R. The latter, in turn, depends on the distance of the product’s CM from the origin of the dynamometer platform. To reduce this distance or, equivalently, to reduce the radius vector R constructively is not possible due to the length of the product along the vertical axis.
Другим недостатком известного решения является влияние угловых деформаций динамометрической платформы, опорной рамы и других элементов стенда на точность измерения координат центра масс и моментов инерции изделия.Another disadvantage of the known solution is the influence of angular deformations of the dynamometer platform, the support frame and other elements of the stand on the accuracy of measuring the coordinates of the center of mass and the moments of inertia of the product.
Рассмотрим погрешность измерения вертикальной координаты центра масс, обусловленную угловой деформацией данамометрической платформы. Основным уравнением, служащим для определения координат центра масс, является вектор позиционного момента:Consider the error in measuring the vertical coordinate of the center of mass due to the angular deformation of the pressure gauge platform. The basic equation used to determine the coordinates of the center of mass is the positional moment vector:
где i, j, k - орты осей 0XCYCZC, откуда:where i, j, k are the unit vectors of the
учитывая, что:considering that:
получим:we get:
Уравнение (6) является исходным при определении координат xC и yC центра масс.Equation (6) is the initial one when determining the coordinates x C and y C of the center of mass.
Задавая последовательно изделию ряд углов наклона, получим избыточную систему уравнений, из которой методом наименьших квадратов находим xC и yC.By asking a series of tilt angles sequentially for the product, we get an excess system of equations from which we find x C and y C using the least square method.
Действие момента
Полное приращение момента:Total increment of the moment:
Полагаянаходим:Assuming we find:
Примем:; xC=1700 мм; φ=5°We accept: ; x C = 1700 mm; φ = 5 °
получим:we get:
dφ≤110,61 угловых секунд.dφ≤110.61 arc seconds.
Кроме того:Besides:
откуда:where from:
где cφ - коэффициент угловой жесткости упругой системы динамометрической платформы.where c φ is the coefficient of angular stiffness of the elastic system of the dynamometric platform.
Примем: P=1200 кг; ; xC=1700 мм.Take: P = 1200 kg; ; x C = 1700 mm.
Из (7) находим:From (7) we find:
cφ≥3,5·109 кгс·мм.c φ ≥3.5 · 10 9 kgf · mm.
Практика показывает, что реализовать динамометрическую платформу со столь высоким коэффициентом угловой жесткости не представляется возможным, кроме того, контроль положения изделия с точностью до десяти угловых секунд приводит к дополнительным сложностям.Practice shows that it is not possible to implement a dynamometric platform with such a high coefficient of angular stiffness, in addition, monitoring the position of the product with an accuracy of ten arc seconds leads to additional difficulties.
Техническим результатом данного изобретения является повышение точности измерения моментов инерции и координат центра масс изделий за счет возможности переноса начала координат тензоэлемента к центру масс изделия и измерения тензоэлементом дополнительно двух боковых сил.The technical result of this invention is to improve the accuracy of measuring the moments of inertia and the coordinates of the center of mass of the product due to the possibility of transferring the origin of the strain gauge to the center of mass of the product and measuring the tensor of two additional lateral forces.
Технический результат достигается тем, что стенд для измерения статодинамических характеристик физических объектов, содержащий динамометры, датчики угла, пружины, станину, динамометрическую платформу, устройства задания колебаний, состоящие из подвижных рам, соединенных между собой и со станиной шарнирами и системой пружин, соединенных с рамами, при этом оси шарниров соединены с осями датчиков угла, снабжен фиксаторами, обеспечивающими колебания изделия только вокруг той оси, относительно которой в настоящий момент выполняется измерение момента инерции, и пятикомпонентным динамометрическим элементом, состоящим из четырех стоек квадратного сечения, ориентированных вдоль координатных осей стенда, верхнего основания, на которое установлен физический объект посредством крестовины, и нижнего основания, закрепленного на динамометрической платформе, на гранях каждой стойки у верхнего основания и у нижнего основания наклеены тензорезисторы, соединенные в пять мостов для измерения моментов MX, MY, MZ и двух боковых сил QY и QZ, при этом расстояние между началом координат и горизонтальными осями пятикомпонентного динамометрического элемента связано с длиной стоек L, расстоянием между ними l и стороной h квадратного сечения стойки зависимостью:.The technical result is achieved by the fact that the stand for measuring the static-dynamic characteristics of physical objects, containing dynamometers, angle sensors, springs, a bed, a dynamometer platform, oscillation setting devices, consisting of movable frames connected to each other and to the frame by hinges and a spring system connected to the frames while the axis of the hinges are connected to the axes of the angle sensors, is equipped with clamps that ensure the product oscillates only around the axis relative to which the measurement is currently performed the moment of inertia, and a five-component dynamometric element consisting of four pillars of square section, oriented along the coordinate axes of the bench, the upper base, on which the physical object is mounted by means of a cross, and the lower base, mounted on a dynamometric platform, on the faces of each rack at the upper base and at the lower base are glued strain gauges connected in a five bridges for measuring moments M X, M Y, M Z and two lateral forces and Q Y Q Z, the distance between the origin and Horizontal axes of the five-component load cell associated with the length of rack L, the distance between them and the side l h square dependence of the rack: .
Для более подробного пояснения предлагаемого изобретения рассмотрим схему стенда, его конструкцию и принцип действия.For a more detailed explanation of the invention, we consider the layout of the stand, its design and principle of operation.
На фиг. 1 показана аксонометрическая проекция конструкции стенда.In FIG. 1 shows a perspective view of a bench structure.
На фиг. 2 - конструкция стенда в двух ортогональных проекциях.In FIG. 2 - stand design in two orthogonal projections.
На фиг. 3 - аксонометрическая проекция пятикомпонентного динамометрического элемента.In FIG. 3 - axonometric projection of a five-component dynamometric element.
На фиг. 4 - схема наклейки тензорезисторов на стойки пятикомпонентного тензометрического элемента.In FIG. 4 is a diagram of a strain gauge sticker on a rack of a five-component strain gauge element.
На фиг. 5 - векторная диаграмма моментов и сил при колебаниях изделия вокруг оси Z.In FIG. 5 is a vector diagram of moments and forces during product oscillations around the Z axis.
На фиг. 6 - векторная диаграмма и расположение тензорезисторов для измерения момента MZ и силы
На фиг. 7 - электрическая схема моста для измерения момента MZ.In FIG. 7 is an electrical diagram of a bridge for measuring moment M Z.
На фиг. 8 - электрическая схема моста для измерения силы
На фиг. 10 - электрическая схема моста для измерения силы
На фиг. 11 - векторы сил, действующих на стойки пятикомпонентного тензометрического элемента при измерении момента MX.In FIG. 11 - vectors of forces acting on the racks of a five-component tensometric element when measuring the moment M X.
На фиг. 12 - электрическая схема моста для измерения момента MX.In FIG. 12 is a circuit diagram of a bridge for measuring the moment M X.
Физический объект 1 (фиг. 1 и фиг. 2) установлен на крестовине 2, закрепленной на верхнем основании пятикомпонентного динамометрического элемента 3, который своим нижним основанием закреплен на динамометрической платформе 4, опирающейся на четыре динамометра 5. Динамометры 5 разнесены в пространстве в направлении горизонтальных координатных осей и своими нижними основаниями закреплены в вершинах прямоугольной внутренней рамы 6 устройства задания колебаний. Стороны внутренней рамы 6 параллельны горизонтальным осям Y и Z стенда и пятикомпонентного динамометрического элемента 3. Устройство задания колебаний состоит из подвижных внутренней 6, внешней 7 и нижней 8 рам. Внутренняя рама 6 соединена с внешней рамой 7 при помощи двух горизонтальных шарниров 9, установленных на стойках 10 и подвесках 11, закрепленных на внешней и внутренней рамах соответственно. Внешняя рама 7 соединена с нижней рамой 8 при помощи двух горизонтальных шарниров 12, установленных на стойках 13 и подвесках 14, закрепленных на нижней раме и внешней раме соответственно. Нижняя рама 8 соединена со станиной 15 при помощи вертикального шарнира 16. Оси шарниров направлены вдоль координатных осей 0XYZ стенда так, что внутренняя рама 6 может совершать маятниковые колебания вокруг оси Z, внешняя рама 7 - вокруг оси Y, а нижняя рама 8 - вокруг оси X.The physical object 1 (Fig. 1 and Fig. 2) is mounted on the
Внутренняя, внешняя и нижняя рамы соединены между собой и со станиной системой пружин. Внешняя рама 7 соединена с нижней рамой 8 парой пружин 17. Внутренняя рама 6 соединена с внешней рамой 7 парой пружин 18. Нижняя рама 8 соединена со станиной 15 двумя парами пружин 19. На валах трех шарниров установлены датчики угла 20, 21, 22. В результате образованы три независимые колебательные системы, каждая из которых способна совершать колебания вокруг одной из трех ортогональных осей стенда. Для предотвращения произвольных угловых перемещений физического объекта стенд снабжен фиксаторами 23, 24 и 25, обеспечивающими колебания физического объекта только вокруг той оси, относительно которой в настоящий момент выполняется измерение момента инерции. Каждая пара рам снабжена своим устройством задания колебаний.The inner, outer and lower frames are interconnected and with the frame spring system. The
Основной особенностью данного стенда является наличие в нем пятикомпонентного динамометрического элемента (ПДЭ) 3 (фиг. 1 и фиг. 2), состоящего из двух оснований - верхнего 26 (фиг. 3), нижнего 27 и четырех стоек 28 (28(+Y), 28(-Y), 28(+Z) и 28(-Z)). На гранях стоек наклеены двадцать тензорезисторов R1…R20 (фиг. 4), которые соединены в пять измерительных мостов. Начало координат (НК), относительно которого измеряется моменты MY и MZ, расположено на расстоянии xH от горизонтальных осей пятикомпонентного динамометрического элемента (фиг. 5) и (фиг. 6). Собственное начало координат пятикомпонентного динамометрического элемента находится на пересечении его осей симметрии. Стенд работает следующим образом. Подобно прототипу, в нем предусмотрены два режима работы - динамический и статический режимы.The main feature of this stand is the presence of a five-component dynamometric element (PDE) 3 (Fig. 1 and Fig. 2), consisting of two bases - the upper 26 (Fig. 3), the lower 27 and four racks 28 (28 (+ Y) , 28 (-Y), 28 (+ Z) and 28 (-Z)). On the faces of the racks are glued twenty strain gauges R 1 ... R 20 (Fig. 4), which are connected in five measuring bridges. The origin (NK), relative to which the moments M Y and M Z are measured, is located at a distance x H from the horizontal axes of the five-component dynamometric element (Fig. 5) and (Fig. 6). The proper coordinate origin of the five-component dynamometric element is located at the intersection of its axes of symmetry. The stand works as follows. Like the prototype, it has two operating modes - dynamic and static modes.
В динамическом режиме измеряются моменты инерции и координаты центра масс, а в статическом - вес изделия (масса).In dynamic mode, the moments of inertia and the coordinates of the center of mass are measured, and in static mode, the weight of the product (mass).
В стенде, принятым за прототип, измеряются четыре компонента вектора нагрузки: три момента - Mx, My, Mz и вертикальная сила FX. Все четыре компоненты измеряются при помощи динамометрической платформы.In the stand adopted for the prototype, four components of the load vector are measured: three moments - M x , M y , M z and vertical force F X. All four components are measured using a torque platform.
В данном решении предлагается измерять компонент вектора нагрузки - три момента Mx, My, Mz и три силы, вертикальную FX и две боковые
При измерении осевого момента инерции относительно оси Z фиксатор 23 (фиг. 1 и фиг. 2) разомкнут, а фиксаторы 24 и 25 замкнуты и предотвращают угловые перемещения изделия вокруг осей X и Y. Нижняя рама 8 с внешней 7, внутренней 6 рамами, с динамометрической платформой 4, пятикомпонентным динамометрическим элементом 3, крестовиной 2 и изделием 1 отклоняется на угол φZ вокруг оси Z стенда и под действием пружин 18 (фиг. 1 и фиг. 2) совершает затухающие угловые колебания. Моменты, приложенные к физическому объекту, измеряются пятикомпонентным динамометрическим элементом 3, а текущее угловое положение - датчиком угла 20, из показаний которого методом цифровой обработки сигнала определяется угловое ускорение .When measuring the axial moment of inertia about the Z axis, the latch 23 (Fig. 1 and Fig. 2) is open, and the
На фиг.5 приведена векторная диаграмма сил и моментов, действующих в неподвижной (инерциальной) связанной со стендом системой координат 0XYZ и подвижной, связанной с физическим объектом системой 0XCYCZC при колебаниях физического объекта вокруг оси вращения (ОВ) параллельной оси Z.Figure 5 shows a vector diagram of the forces and moments acting in a fixed (inertial) coordinate system 0XYZ connected with a stand and a moving
Физический объект характеризуется массой m, тремя координатами xC, yC, zC центра масс и тремя осевыми моментами инерции Jx, Jy, Jz.The physical object is characterized by mass m, three coordinates x C , y C , z C of the center of mass and three axial moments of inertia J x , J y , J z .
При колебаниях физического объекта вокруг оси Z (фиг.5) в центре масс действуют составляющие
где xc- координата ЦМ изделия в осях 0XCYCZC.where x c is the coordinate of the product’s CM in the
Величину первого члена в правой части (8) при xC=const:The value of the first term in the right-hand side of (8) with x C = const:
определяет xH - положение начала координат.defines x H - position of the origin.
Если не прибегать к переносу начала координат, то реализуется собственное начало координат тензоэлемента - xH=0, тогда:If you do not resort to the transfer of the origin, then the own coordinate origin of the tensor is realized - x H = 0, then:
Обычно изделия ракетной техники вытянуты вдоль оси X,Typically, rocket products are elongated along the X axis,
В результате моментоказывается соизмеримым с измеряемым моментом MZ и точность измерения момента оказывается недостаточной.Resulting moment It turns out to be commensurate with the measured moment M Z and the accuracy of the moment measurement is insufficient.
Рассмотрим принцип переноса начала координат в заданную точку x=xH и связь xH с параметрами тензоэлемента.Consider the principle of transferring the origin to a given point x = x H and the relation x H with the parameters of the strain gauge.
В общем случае стойки 28 (28(+Y), 28(-Y), 28(+Z) и 28(-Z)) пятикомпонентного динамометрического элемента под действием силы
где S - площадь стойки:where S is the area of the rack:
S=h2 S = h 2
W - момент сопротивления:W - moment of resistance:
E - модуль Юнга.E is Young's modulus.
Первые члены (9) являются деформациями растяжения-сжатия, а вторые - изгиба. Отношение приращения выходного напряжения к напряжению питания моста выражается формулой:The first terms (9) are tensile-compression deformations, and the second are bending deformations. The ratio of the output voltage increment to the supply voltage of the bridge is expressed by the formula:
Учитывая, что
где k - коэффициент тензочувствительности.where k is the coefficient of strain sensitivity.
Первый член (11) представляет сигнал, пропорциональный моменту силы
Второй член (11) отражает влияние силы
Откуда для xH получим:Whence for x H we get:
Например, для реального тензоэлемента:For example, for a real strain gauge:
L=60 мм; h=9 мм; LY=250 мм;L = 60 mm; h = 9 mm; L Y = 250 mm;
получим: xH=1250 мм.we get: x H = 1250 mm.
Обычно координата xH изделий имеет величину порядка: хH≈1500 мм;Typically, the x H coordinate of products is of the order of: x H ≈1500 mm;
тогда: ; и .then: ; and .
Таким образом, перенос начала координат в точку хH=1250 мм позволяет уменьшить первый член уравнения (8) в шесть раз и тем самым повысить точность измерения полезного момента
Для измерения силы
Под действием силы
При измерении осевого момента инерции относительно оси Y фиксатор 24 (фиг. 1 и фиг. 2) разомкнут и допускает колебания физического объекта вокруг оси Y, а фиксаторы 23 и 25 замкнуты и предотвращают угловые перемещения физического объекта вокруг осей X и Z. Внешняя рама 7 с установленными на ней внутренней рамой 6, динамометрической платформой 4, пятикомпонентным динамометрическим элементом 3, крестовиной 2 и изделием 1 отклоняется на угол φY вокруг оси Y стенда и под действием пружин 18 совершает угловые затухающие колебания. Моменты, приложенные к физическому объекту, измеряются пятикомпонентным динамометрическим элементом 3, а текущее угловое положение - датчиком угла 21.When measuring the axial moment of inertia about the Y axis, the latch 24 (Fig. 1 and Fig. 2) is open and allows the physical object to oscillate around the Y axis, and the
Для измерения момента MY используются тензорезисторы R9, R10, R11, R12, соединенные в измерительный мост (фиг.9). Для измерения силы
При измерении осевого момента инерции относительно оси X фиксатор 25 (фиг. 1 и фиг. 2) разомкнут, а фиксаторы 23 и 24 замкнуты и предотвращают угловые перемещения физического объекта вокруг осей Y и Z. Нижняя рама 8 с внешней 7, внутренней 6 рамами, с динамометрической платформой 4, пятикомпонентным динамометрическим элементом 3, крестовиной 2 и изделием 1 отклоняется на угол φX вокруг оси X стенда и под действием пружин 19 (фиг. 1 и фиг. 2) совершает затухающие угловые колебания. Моменты, приложенные к физическому объекту, измеряются пятикомпонентным динамометрическим элементом 3, а текущее угловое положение датчиком угла 22.When measuring the axial moment of inertia about the X axis, the latch 25 (Fig. 1 and Fig. 2) is open, and the
Для измерения момента Mx (фиг. 11) используются тензорезисторы R17, R18, R19, R20, соединенные в измерительный мост (фиг. 12).To measure the moment M x (Fig. 11), strain gages R 17 , R 18 , R 19 , R 20 are used , connected to a measuring bridge (Fig. 12).
Действие
. .
В результате стойка 28(-Z) (фиг. 11) деформируется в направлении положительной, а стойка 29(+Z) - отрицательной оси Y. Тензорезисторы R17, R19 получают положительные, а R18, R20 - отрицательные приращения сопротивления.As a result, the strut 28 (-Z) (Fig. 11) is deformed in the positive direction, and the strut 29 (+ Z) the negative axis Y. The strain gauges R 17 , R 19 receive positive, and R 18 , R 20 negative resistance increments.
Относительный выходной сигнал моста:Relative bridge output:
Важным вопросом, оказывающим влияние на точность измерения координат центра масс и моментов инерции, является количество измеряемых компонент вектора нагрузки.An important issue affecting the accuracy of measuring the coordinates of the center of mass and moments of inertia is the number of measured components of the load vector.
Возможность измерения дополнительно двух боковых сил позволяет существенно повысить точность измерения координат центра масс и моментов инерции физических объектов. На фиг. 5 приведена векторная диаграмма, соответствующая колебаниям физического объекта вокруг оси Z. На диаграмме начало координат перенесено вдоль оси Ч на расстояние xн. Радиус-векторы R0 и R соединяют ось вращения (ОВ) и НК с центром масс (ЦМ).The ability to measure an additional two lateral forces can significantly improve the accuracy of measuring the coordinates of the center of mass and the moments of inertia of physical objects. In FIG. Figure 5 shows a vector diagram corresponding to the vibrations of a physical object around the Z axis. In the diagram, the origin is moved along the оси axis to a distance x n . The radius vectors R 0 and R connect the axis of rotation (OB) and NC with the center of mass (CM).
В ЦМ действует вектор обобщенной силы Q с компонентами
где
В статическом режиме:In static mode:
где ; .Where ; .
Производя ряд последовательных углов наклона физического объекта и измеряя проекции
Заметим, что в предлагаемом решении, в отличие от прототипа, проекции
В динамическом режиме измеряются MZ,
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013152348/28A RU2562445C2 (en) | 2013-11-26 | 2013-11-26 | Test bench for measurement of stato-dynamic characteristics of physical objects |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013152348/28A RU2562445C2 (en) | 2013-11-26 | 2013-11-26 | Test bench for measurement of stato-dynamic characteristics of physical objects |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013152348A RU2013152348A (en) | 2015-06-10 |
RU2562445C2 true RU2562445C2 (en) | 2015-09-10 |
Family
ID=53285017
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013152348/28A RU2562445C2 (en) | 2013-11-26 | 2013-11-26 | Test bench for measurement of stato-dynamic characteristics of physical objects |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2562445C2 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105157919A (en) * | 2015-09-24 | 2015-12-16 | 长春理工大学 | Device for measuring rotation inertia of three torsion bars |
RU2697442C2 (en) * | 2017-09-13 | 2019-08-14 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Комбинат "Электрохимприбор" (ФГУП "Комбинат "Электрохимприбор") | Device for determining inertial characteristics of elongated articles |
RU2797387C1 (en) * | 2022-11-21 | 2023-06-05 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Stand for measuring the mass, coordinates of the centers of mass and moments of inertia of products |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2287795C1 (en) * | 2005-04-27 | 2006-11-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") | Device for measurement of aerodynamic force vector's components and of moment |
US7278295B2 (en) * | 2002-05-31 | 2007-10-09 | Politecnico Di Milano | Device for measuring the inertia tensor of a rigid body |
RU2368880C1 (en) * | 2008-05-29 | 2009-09-27 | Российская Федерация,от имени которой выступает государственный заказчик - Федеральное агентство по промышленности (Роспром) | Test bench for measurement of mass, coordinates of center of masses and tensor of item inertia |
-
2013
- 2013-11-26 RU RU2013152348/28A patent/RU2562445C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7278295B2 (en) * | 2002-05-31 | 2007-10-09 | Politecnico Di Milano | Device for measuring the inertia tensor of a rigid body |
RU2287795C1 (en) * | 2005-04-27 | 2006-11-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") | Device for measurement of aerodynamic force vector's components and of moment |
RU2368880C1 (en) * | 2008-05-29 | 2009-09-27 | Российская Федерация,от имени которой выступает государственный заказчик - Федеральное агентство по промышленности (Роспром) | Test bench for measurement of mass, coordinates of center of masses and tensor of item inertia |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
В.В.Богданов, B.C.Волобуев и др. "Комплекс для измерения масс и моментов инерции машиностроительных изделий", Измерительная техника N2, 2002, с.37-39 * |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105157919A (en) * | 2015-09-24 | 2015-12-16 | 长春理工大学 | Device for measuring rotation inertia of three torsion bars |
CN105157919B (en) * | 2015-09-24 | 2017-10-03 | 长春理工大学 | Three torsion bar rotation inerttia devices |
RU2697442C2 (en) * | 2017-09-13 | 2019-08-14 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Комбинат "Электрохимприбор" (ФГУП "Комбинат "Электрохимприбор") | Device for determining inertial characteristics of elongated articles |
RU2797387C1 (en) * | 2022-11-21 | 2023-06-05 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Stand for measuring the mass, coordinates of the centers of mass and moments of inertia of products |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013152348A (en) | 2015-06-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2368880C1 (en) | Test bench for measurement of mass, coordinates of center of masses and tensor of item inertia | |
RU2434213C1 (en) | Stand for measuring mass, centre of mass coordinates and inertia tensor of articles | |
CN102539028B (en) | Vertical ultra-micro force value measuring device based on principle of electrostatic force and source tracing method thereof | |
Schreiber et al. | The application of fiber optic gyroscopes for the measurement of rotations in structural engineering | |
Olmedo et al. | Experimental determination of the inertial properties of small robotic systems using a torsion platform | |
Ringegni et al. | An experimental technique for determining mass inertial properties of irregular shape bodies and mechanical assemblies | |
RU2562445C2 (en) | Test bench for measurement of stato-dynamic characteristics of physical objects | |
RU2662255C1 (en) | Multi-segment non-rigid structures modal tests performance method | |
RU2562273C2 (en) | Test bench for measurement of mass-inertia characteristics of item | |
CN109551521B (en) | Six-degree-of-freedom parallel robot rigidity weak link quantitative testing device and method | |
WO2007112074A2 (en) | Counterbalance for a platform balance | |
RU2506551C2 (en) | Bench for measurement of mass, coordinates of centre of mass and moment of inertia of item | |
US4344495A (en) | Equipment for the measurement of minute weight forces | |
Fu et al. | Six-axis load head with application to electrical conductor nonlinear dynamics | |
RU2525629C1 (en) | Bench to measure mass and coordinates of centre of mass of items | |
CN1330959C (en) | Method for measuring dynamic bending moment | |
CN101710016B (en) | Photoelectric double-edge bearing static balance measurer and measuring method | |
Wang et al. | A machine for calibrating six-axis force/torque sensors using a torque sensing structure and a stiffness compensation model | |
Ammar et al. | A comparison between static and dynamic stiffness of force transducers for dynamic force calibrations | |
Park et al. | Column-type multi-component force transducers and their evaluation for dynamic measurement | |
US6756548B2 (en) | Apparatus and method for measuring mass in a microgravity environment | |
CN109883611A (en) | A kind of easy force sensor caliberating device and method | |
RU84125U1 (en) | MULTI-BEAM ACCELEROMETER FOR MEASURING ACCELERATION OF THE PHYSICAL BODY AND ELECTRONIC MODEL OF MULTI-BEAM ACCELEROMETER | |
Raguž et al. | Designing and calibration of the system for remote strain control | |
RU193242U1 (en) | A device for studying the equilibrium conditions of bodies under the action of forces |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20161127 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20181009 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20191127 |