旋转轴系转动惯量原位测量装置的制作方法

本发明涉及一种旋转轴系转动惯量原位测量装置，特别涉及一种动态扭矩校准装置中旋转轴系转动惯量原位测量装置，属于计量测试领域。

背景技术：

航空、航天、船舶、装甲车辆、海洋工程，材料科学、反恐机器人等领域大量使用动态扭矩测试系统，然而上述设备无法进行动态校准，处于“静标动用”阶段。由于校准和使用状态的不一致，大大增加了其使用的不确定度。

目前针对扭矩的校准研究大多集中在静态扭矩校准研究，动态扭矩的计量校准还处于前期研究阶段。动态扭矩的激励源信号类型一般有阶跃激励、正弦激励两种。阶跃扭矩激励一般采用力臂—质量块系统或液压系统施加一个已知的扭矩值，通过突然卸荷的方式产生负阶跃扭矩，该类装置主要进行扭矩传感器的时域特性校准。正弦激励一般由电机或液压伺服系统产生，如采用电机驱动标准惯量块的方式产生正弦扭矩，系统采用开环控制的方式，它主要用于对扭矩传感器的频域特性校准。采用电机驱动标准惯量块的方式产生动态扭矩时，安装标准转动惯量块的轴系的转动惯量对动态扭矩有贡献，因而需要测量轴系的空载转动惯量。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种旋转轴系转动惯量原位测量装置，该装置利用动态扭矩校准系统的机械结构及测量系统，仅增加一只扭转弹簧和电磁离合器就可以实现空载轴系转动惯量的原位测量，结构紧凑，测量准确度高。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

旋转轴系转动惯量原位测量装置，包括：紧固机构18，扭转弹簧19；扭转弹簧19的一端通过紧固机构18固定在升降杆7上；另一端穿过上接口5与上气浮轴2的底端接触连接；

将上气浮轴2旋转角度后释放，整个上部轴系在扭簧的作用下做周期振动。用已知惯量的标准块17对装置旋转轴系的转动惯量和弹簧的扭转系数进行测量。采用不同的转动惯量标准块组合，产生两个标准转动惯量值J_a和J_b，精确地测量出自由振动的周期T_a和T_b，利用公式(1)，求解方程组，求出轴系空载转动惯量J₀以及扭转系数K。

$T=2\mathrm{\π}\sqrt{\frac{J+J_0}{K}}---\left(1\right)$

式中：

T——振动周期，s；

J——标准块惯量，kgm²；

J₀——旋转轴系空载转动惯量，kgm²；

K——扭转系数。

公式(1)中的振动周期的获得，参考附图3所示。电机驱动下气浮轴系，通过处于吸合状态的电磁离合器使上气浮轴系转过角度后，然后PXI总线系统的控制卡发出控制信号，使电磁离合器断开，即上气浮轴系与下气浮轴系脱开，上气浮轴系开始自由振动。激光干涉仪测量光栅干涉信号每个振动角度过零时刻的时间间隔，对多个测量值进行平均，将平均值乘以2后获得自由振动的周期。

将公式(1)中求出J₀作为校准系统的已知量，带入动态扭矩的校准公式(2)中，来实现对传感器动态扭矩M(t)的校准。

$M\left(t\right)=(J_0+J_1+J_2)\·\stackrel{\‾}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}\left(t\right)---\left(2\right)$

式中：J₁—标准块的转动惯量，kgm²；

J₂—扭矩传感器的等效转动惯量，kgm²；

—有效惯量载荷上等效角加速度，rad·s^-2；

有益效果

利用动态扭矩校准系统的机械结构及测量系统，仅增加一只扭转弹簧和电磁离合器就可以实现空载轴系转动惯量的原位测量，结构紧凑，测量准确度高。

附图说明

图1动态扭转激励台结构示意图；

图2旋转轴系转动惯量原位测量机械结构；

图3旋转轴系转动惯量原位测量装置。

其中，1-台面光栅，2-上气浮轴，3—上轴承座，4—柱状光栅，5—上接口，6—被校传感器，7—升降杆，8—下接口，9—反馈光栅，10—锁紧机构，11—下气浮轴，12—下轴承座，13—电机转子，14—电机定子，15—锁紧螺母，16—底座，17—惯量标准块，18—紧固机构，19—扭转弹簧。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

旋转轴系转动惯量原位测量装置，如图2所示，由上部结构和扭转系统组成；上部结构台面光栅1、上气浮轴2、上轴承座3、柱状光栅4、上接口5和惯量标准块17组成；扭转系统包括紧固机构18和扭转弹簧19；惯量标准块17放置在台面光栅1上；上轴承座3为倒凸字形结构，中间开有通孔，且内部有空腔；上轴承座3的腔壁内设有气道和气孔；上气浮轴2为十字结构，上气浮轴2放置在上轴承座3内部空腔中，当空腔充满气体时上气浮轴2与上轴承座3不接触；上气浮轴2的顶端与台面光栅1固定连接；上气浮轴2的底端穿过柱状光栅4与上接口5固定连接；上气浮轴2与柱状光栅4螺纹连接，但与上轴承座3不接触；上接口5为中空的圆饼结构，用于固定被校传感器6；扭转弹簧19的一端通过紧固机构18固定在升降杆7上；另一端通过上接口5与上气浮轴2的底端接触连接。

将上气浮轴(2)旋转角度后释放，上部结构在扭簧的作用下做周期振动；用已知惯量的标准块(17)对装置旋转轴系的转动惯量和弹簧的扭转系数进行测量；采用不同的转动惯量标准块组合，产生两个标准转动惯量值J_a和J_b，精确地测量出自由振动的周期T_a和T_b，即实现原位检测；再利用公式(1)，求解方程组，求出轴系空载转动惯量J₀以及扭转系数K；

$T=2\mathrm{\π}\sqrt{\frac{J+J_0}{K}}---\left(1\right)$

式中：

T——振动周期，s；

J——标准块惯量，kgm²；

J₀——旋转轴系空载转动惯量，kgm²；

K——扭转常数；

将公式(1)中求出J₀作为校准系统的已知量，带入动态扭矩的校准公式(2)中，来实现对传感器的动态扭矩的校准。

$M\left(t\right)=(J_0+J_1+J_2)\·\stackrel{\‾}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}\left(t\right)---\left(2\right)$

式中：J₁—标准块的转动惯量，kgm²；

J₂—扭矩传感器的等效转动惯量，kg；

—有效惯量载荷上等效角加速度，rad·s^-2；

实施例2

旋转轴系转动惯量原位测量装置结构同实施例1；所述下部结构由被校传感器6，下接口8，反馈光栅9，下气浮轴11，下轴承座12，电机转子13，电机定子14，锁紧螺母15组成；下轴承座12为凸字形结构，中间开有通孔，且内部开设上下两个内腔；下气浮轴11为十字结构，当下轴承座12的上内腔充满气体时下气浮轴11与下轴承座12不接触；下气浮轴11置于上内腔中，轴穿过下轴承座12中间的通孔，顶端穿过反馈光栅9与下接口8固定连接；反馈光栅9与下气浮轴11螺纹连接，但与下轴承座12不接触；下接口8为中空的圆饼结构，用于固定被校传感器6；电机转子13位于下轴承座12的下内腔，通过锁紧螺母15固定在下气浮轴11上；电机定子14固定在下轴承座12的下内腔侧壁上，并与电机转子13平行；下轴承座12的腔壁内设有气道和气孔；

升降杆7穿过上部结构的上轴承座3与下部结构的下轴承座12固定在底座16上；升降杆7通过锁紧机构10进行固定；

传感器的动态扭矩的校准方法如下：

移动调节下轴承座，带动安装其上的电机转子、定子、下气浮轴系、反馈光栅及被校扭矩传感器等向上移动，使被校传感器与上接口连接并锁紧。上接口、柱状光栅和转动惯量标准块安装在上气浮轴上，形成有效载荷惯量。当驱动电机时，电机转子带动下气浮轴、反馈光栅、被校扭矩传感器、上气浮轴及柱状光栅、转动惯量标准块一起运动，通过测量安装在被校扭矩传感器上方运动部件的有效载荷惯量以及运动时的角加速度大小，利用公式(2)计算获得动态扭矩量值M(t)。

其中旋转轴系空载转动惯量的测量方法为：

如附图1所示的动态扭转激励台，将被校传感器6卸下，用电磁离合器替换。电磁离合器线圈通电时产生磁力，电磁离合器吸和，线圈断电时，磁力消失，电磁离合器分离。PXI控制卡发出控制信号，控制电磁离合器的结合或分离状态。

电机驱动下气浮轴系，通过处于吸合状态的电磁离合器使上气浮轴系转过角度后，然后PXI总线系统的控制卡发出控制信号，使电磁离合器断开，即上气浮轴系与下气浮轴系脱开，上气浮轴系开始自由振动。激光干涉仪测量光栅干涉信号每个振动角度过零时刻的时间间隔，对多个测量值进行平均，将平均值乘以2后获得自由振动的周期。

采用不同的转动惯量标准块组合，产生两个标准转动惯量值J_a和J_b，精确地测量出自由振动的周期T_a和T_b，由公式(1)，可求出轴系空载转动惯量J₀

等效角加速度的获得方法为：两台激光干涉仪安装在隔振平台上，使激光干涉仪柱状光栅分为位于同一水平面。采用外差式激光干涉仪，其出射光束与柱状光栅的在水平面上成一定的角度，使激光在柱状光栅上的某级衍射光与激光干涉仪的出射光光路重合，衍射光与激光干涉仪的参考光在光电转换器处汇合并产生干涉，经光电转换及信号调理后，由高速数据采集卡采集并处理，获得柱状光栅上激光入射点处的角加速度值。采用两台激光干涉仪可以获得两个点的角加速度值，转动惯量负载不同位置的角加速度存在差异。通过测量及有限元计算获得转动惯量负载在不同工况下各点的角加速度分布规律，将其与测量到两点的角加速度值进行融合，获得转动惯量负载的等效角加速度

在对传感器进行校准时，通过原位测量获得空载有效转动惯量、测量等效角加速度、传感器的等效转动惯量等，来求出动态扭矩校准装置给出的标准扭矩。通过比较标准扭矩与传感器输出扭矩的大小，实现对扭矩传感器的动态校准。

轴系空载时转动惯量及扭转常数测量计算结果如下：