专利名称：刚体全惯性参数的测量装置及方法
技术领域：
本发明属于刚体的测量装置及方法，特别涉及一种测量刚体全惯性参数的测量装 置及方法。
背景技术：
现有技术中测量刚体惯性参数的装置和方法通常有两类一种是给刚体施加一定 扭矩，然后通过测量装置测量其加速度，通过动量矩定理推算转动惯量；另一种是采用悬线 摆方法，通过测量装置测量它的扭振周期来计算转动惯量。这些方法都需要提前测出刚体 质心位置，前期准备工作及操作过程复杂、误差较大，并且只能测量出刚体绕某一特定轴的 转动惯量，不能测量惯性积。此外，由于质心位置与转动惯量的分次测量，会导致质心位置 的测量误差会影响到转动惯量的测量精度。
发明内容
本发明的目的就是为解决现有技术中需提前测量质心位置、测量操作过程复杂、 无法测量惯性积和多次安放及取下标定块增加影响测量精度等问题，提出了 一种测量刚体 全惯性参数的测量装置和方法。本发明采用质量周期法，也就是通过测量摆动周期计算出被测物体的质心位置和 转动惯量，将被测物安放在一个可以绕固定轴摆动的托盘4上，构成倒立摆，通过调整被测 体与转轴的相对距离和相对角度测量出被测物体的全惯性参数，即质心位置、转动惯量和 惯性积。本发明所涉及的刚体全惯性参数的测量装置，包括滚针轴承1、轴销2、连接板3、 托盘4、回位弹簧5、弹簧座6、支撑架7，转轴组件由滚针轴承1与轴销2构成、回位弹簧5 安放在弹簧座6上并支撑托盘4，托盘4可绕转轴做来回摆动形成倒立摆，托盘4表面有转 角刻度，可使测量人员直观地看出该次被测物体所处空间位置。用本发明的测量装置测量刚体全惯性参数的方法，其步骤如下第一步需一次标定，共九次测量，用本发明的测量装置测量托盘系统的振动周期 T ；1)将被测物体安装在托盘4上，调整被测物体位置，使物体χ轴与转轴在同一竖直 平面上，使托盘4绕转轴转动一个小角度，然后释放，做简谐运动，测量托盘系统的振动周 期T1;2)将标定块安装在托盘4上，标定块的质心与转轴在同一竖直平面上，使系统绕 转轴转动一个小角度，然后释放，测量出加标定块后的振动周期T2 ；3)将被测物体绕y轴转动一定角度θ (本发明θ的范围θ = 30° )，即X轴和 ζ轴转动θ，使系统绕转轴转动一个小角度，然后释放，测量系统振动周期T3 ；4)将被测物体在第三次的基础在转动90° - θ，即使物体ζ轴与转动轴线在同一 竖直平而上，使系统绕转轴转动一个小角度，然后释放，测量系统振动周期T4 ；
5)将被测物体绕ζ轴转动90°，物体ζ轴与转轴在同一竖直平面上，使系统绕转 轴转动一个小角度，然后释放，测量系统振动周期T5 ；6)将被测物体绕χ轴转动θ，使系统绕转轴转动一个小角度，然后释放，测量系统 振动周期T6 ；7)将被测物体绕χ轴转动90° _ θ，使系统绕转轴转动一个小角度，然后释放，测 量系统振动周期T7 ；8)将被测物体绕y轴转动90°，物体的y轴与转轴在同一竖直平面上，使系统绕 转轴转动一个小角度，然后释放，测量系统转动周期T8 ；9)将被测物体绕ζ轴转动θ，使系统绕转轴转动一个小角度，然后释放，测量系统 振动周期Τ9。第二步计算质心位置和转动惯量将第一步所测得的振动周期参数Τ，计算得到物体质心位置和转动惯量的算法如 下根据原理图1，其中Hp为托盘4质心点到转轴的距离，Hitl为托盘4的质量，Ip为托 盘4关于ζ轴的转动惯量，Htl为托盘4上平面到转轴的距离，R为弹簧作用点到转轴的距离， K为弹簧的刚度，Hi1为被测物体质量，hy为B点到托盘4上平面距离；1)将所测T1和T2建立二元二次方程组 通过方程组可求出质心位置hy和关于X轴的转动惯量Ixx ；2)将所测Α根据公式、=腳2,卿—，(凡+刎《-尔-約(丑。*)2
可以求出被测物体的转动惯量Ix0 ；3 ) 将 所 测 T 4 根 据 公 式 ^ =观2 -mo H θ +办)Γ 2(孖。+砂^及丨)中所求得的㈣可
算出被测物关于Z轴的转动惯量Izz ；4)将所测T5和前面所求得数据，根据/zz= 2kR2+可得质心位置hx ；5)按上述同理方法，通过周期参数T6、T7、T8和T9及其前面所求结果，便可求出 Iz0、Iyy、hz、Iy0，其中Iz0为物体Z轴和y轴转动θ后，物体的转动惯量，Iy0为物体关于X 轴和y轴转动θ后，物体的转动惯量；第三步计算惯性积据惯性积积与转动惯量的关系，通过方程 Ix _ Ixx + Izz | (Ixx - Izz)cos26> 1χβIzz + Iyy (Ιζζ - Iyy)cos2^ __禾
算出被测物体关于三个平面的惯性积IXZ、Izy和 lyx本发明通过仿真分析发现，当被测物体质心位置与转轴的相对位置越近的情况 下，测量精度越高，应用本方法可以直接测出被测物的质心位置、转动惯量和惯性积，方法 原理简单，容易实现，操作方便并且容易控制精度。
图1是摆倒立摆模型测量原理图。图2是本发明的刚体全惯性参数的测量装置示意图。图3是托盘表面转角刻度。图4是被测物体及坐标系示意图。图5是测量流程图。图2中1滚针轴承2主销3连接板4托盘5回位弹簧6弹簧座7支撑 架
具体实施例方式下面通过附图和具体实例对发明类容做进一步阐述通过建立台架多体动力学虚拟样机模型，托盘4尺寸800mm*800mm*20mm，其mQ = 110. 034kg，关于过质心水平轴的转动惯量IpO = 6. 5kgm2，弹簧刚度k = 5000N/m，共四根， 其作用点至转轴距离R = O. 350m，弹簧自由长度为200mm，弹簧方向与R垂直，转轴水平，通 过托盘4的质心，距离托盘4上平面Htl = 0. OlOm,标定块为一正方体，边长为200mm，质量m2 =60kg,过质心中间轴的转动惯量I2 = 0. 42kgm2，测量一图4中规格为300mm*400mm*500mm 重量为200kg的矩形刚体；其被测物体全惯性参数为理论值为 通过本发明测量全惯性参数步骤中第二步及第三步，计算出该被测物体的全惯性 参数
可以得出计算出的值与理论值的误差 由本发明的测量装置测量物体惯性参数操作简便，测量出来的结果与理论值想比 较，其误差为0. 69%以内，平均误差0. 25%精度较高。
权利要求
一种刚体全惯性参数的测量装置，包括深沟球轴承(1)、轴销(2)、连接板(3)、托盘(4)、回位弹簧(5)、弹簧座(6)、支撑架(7)，其特征是深沟球轴承(1)通过轴销(2)连接成转轴组件，回位弹簧(5)安放在弹簧座(6)上并支撑托盘(4)，托盘(4)可绕转轴做来回摆动形成倒立摆，托盘(4)表面有转角刻度，可使测量人员直观地看出该次被测物体所处空间位置。
2.使用权利要求1的刚体全惯性参数的测量装置测量刚体全惯性参数的方法，其步骤 如下第一步用本发明的测量装置测量托盘系统的振动周期T1)将被测物体安装在托盘4上，调整被测物体位置，使物体χ轴与转轴在同一竖直平面 上，使托盘4绕转轴转动一个小角度，然后释放，做简谐运动，测量托盘系统的振动周期T1 ；2)将标定块安装在托盘4上，标定块的质心与转轴在同一竖直平面上，使系统绕转轴 转动一个小角度，然后释放，测量出加标定块后的振动周期T2 ；3)将被测物体绕y轴转动一定角度θ=30°，即χ轴和ζ轴转动30°，使系统绕转轴 转动一个小角度，然后释放，测量系统振动周期T3 ；4)将被测物体在第三次的基础在转动90°- θ，即使物体ζ轴与转动轴线在同一竖直 平面上，使系统绕转轴转动一个小角度，然后释放，测量系统振动周期T4 ；5)将被测物体绕ζ轴转动90°，物体ζ轴与转轴在同一竖直平面上，使系统绕转轴转 动一个小角度，然后释放，测量系统振动周期T5 ；6)将被测物体绕χ轴转动θ，使系统绕转轴转动一个小角度，然后释放，测量系统振动 周期T6 ；7)将被测物体绕χ轴转动90°_ θ，使系统绕转轴转动一个小角度，然后释放，测量系 统振动周期T7 ；8)将被测物体绕y轴转动90°，物体的y轴与转轴在同一竖直平面上，使系统绕转轴 转动一个小角度，然后释放，测量系统转动周期T8 ；9)将被测物体绕ζ轴转动θ，使系统绕转轴转动一个小角度，然后释放，测量系统振动 周期T9 ；第二步计算质心位置和转动惯量将第一步所测得的振动周期参数Τ，计算得到物体质心位置和转动惯量的算法如下根据原理图1，其中Hp为托盘4质心点到转轴的距离，m0为托盘4的质量，Ip为托盘4 关于ζ轴的转动惯量，Htl为托盘4上平面到转轴的距离，R为弹簧作用点到转轴的距离，K为 弹簧的刚度，Hi1为被测物体质量，hy为B点到托盘4上平面距离；1)将所测T1和T2建立二元二次方程组Ixx = 2砍2 H严(H0*)、尔一叫(H。+ hy)2Αττ丄Τ T ill 1 \2 2kRl -mQgHp - W1^CH0 +hy)rr 22lxx + lb+mb(H0+hb)2--^210-T2 -/^-W1 (H0 +hy)2通过方程组可求出质心位置hy和关于X轴的转动惯量Ixx ；2)将所测T3根据公式Ιχθ=掀-叫柳J^i/。*、、尔(丑。可以 ；;3 ) 将 所 测 T 4 根 据 公 式/ZZ =2kR2-m°8HP4-J^(H^hy)T2-IP-mi(H o + hy)2& 1)中所求得的 hy 可算出被测物关于Z轴的转动惯量Izz ；4)将所测T5和前面所求得数据，根据‘Jzz =-^-^，T5 -1P-In1(H^hx)可得质心位置hx ；5)按上述同理同理方法，通过周期参数T6、T7、T8和T9及其前面所求结果，便可求出 Iz0、Iyy、hz、Iy0，其中Iz0为物体ζ轴和y轴转动θ后，物体的转动惯量，Iy0为物体关于χ 轴和y轴转动θ后，物体的转动惯量；第三步计算惯性积据惯性积积与转动惯量的关系，通过方程卞ζ = ^r^ + (ΙΧΧ ； IZf°S2g - 、2sin202sm20 sin 2ΘIzy = ^ + + ^lzz-1^cos2g - 和Iyx = fci^ +-1 算出被测物体)2sin202sin20 sin 202 sin 20 2sin0sin 20关于三个平面的惯性积Ixz、Izy和Iyx。
全文摘要
一种测量刚体全惯性参数的测量装置及方法。其装置包括深沟球轴承1、轴销2、连接板3、托盘4、回位弹簧5、弹簧座6、支撑架7，转轴组件由轴承1通过轴销2连接、回位弹簧5安放在弹簧座6上并支撑托盘4，托盘4可绕转轴做来回摆动形成倒立摆，托盘4表面有转角刻度，可使测量人员直观地看出该次被测物体所处空间位置；其装置测量刚体全惯性参数的方法包括1)用本发明的测量装置测量托盘系统的振动周期T；2)计算质心位置和转动惯量；3)计算惯性积；并发现被测物体质心位置与转轴的相对位置越近的情况下，其测量精度越高，应用本方法可以直接测出被测物的质心位置、转动惯量和惯性积，方法原理简单，容易实现，操作方便并且容易控制精度。
文档编号G01M1/12GK101915638SQ20101023638
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月26日 优先权日2010年7月26日
发明者吴优, 蒋忠翰, 褚志刚 申请人:重庆大学