一种测量精密组件微小惯量积的高精度装置

本发明涉及一种测量精密组件微小惯量积的高精度装置，属于测量。

背景技术：

1、转动惯量、惯量积(也称为惯性积)和质心位置都属于物体的惯性参数。无论是在机械设计中，还是在物体的动力学分析中，惯性参数都是物体的重要物理量。理论上，任何物体的惯性参数都可以通过三维实物构型软件建立其三维模型，并进行数值计算得到，但实际工程中，因为组件的结构复杂，建模时难以精确考虑到影响被测对象的所有设计细节，惯性参数识别结果的准确性难以保证，需要通过试验测试的方法来获取准确的惯性参数。相对于转动惯量，惯量积的数量级更小、测量难度更大。

2、现有公开的专利文件中，关于惯量积测量技术主要针对对象为重质量且大体积的仪器设备，主要方法为通过先测量转动惯量后，利用转动惯量与惯量积之间的数学关系，间接计算得到物体的惯量积，操作步骤、测量参数多，引入误差的环节多。本发明针对于小质量小体积精密组件在惯量积测量技术需求，提出一种高精度的惯量积直接测量装置。

技术实现思路

1、本发明的主要目的是为小质量小体积的精密组件微小惯量积测试需求，提供一种测量精密组件微小惯量积的高精度装置；该装置通过测量高速旋转激发物体惯量积产生的力矩，直接测量得物体的惯量积，测量环节直接，避免引入其它误差。整套装置结构经过设计，安装拆卸便利，测试步骤简洁，测试效率高，并且通过更换夹持工装，可对多种组件进行测量，复用性高。

2、为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：

3、一种测量精密组件微小惯量积的高精度装置，由上至下包括测量装置、信号处理装置和驱动装置三大部分；

4、所述测量装置主要包括：标定工件、压力传感器、定位板、定位销、夹持框和夹持底板；

5、夹持框垂直对称固定在夹持底板上方，通过压力传感器对测量过程中标定工件两端产生的压力进行测量并固定工件，通过定位销与定位板固定标定工件的姿态；

6、所述信号处理装置主要包括：外壳、工控主板、数据采集卡和锂电池模块；

7、工控主板、数据采集卡和锂电池模块均安装在外壳上，外壳用于固定设备，工控主板用于记录与处理数据，数据采集卡用于采集测量过程中的数据信号，锂电池模块用于供电；

8、所述驱动装置主要包括转台，用于提供测量所需的高速旋转。

9、所述标定工件为两端带有豁口的铝制圆柱形零件，具有多个，通过机加工切削部分表面，使其自身带有人为设定大小的惯量积，主要作用为对整个装置进行压力与力矩的标定。

10、所述压力传感器为两端带有螺纹的长条形压阻传感器，螺纹的作用为将传感器固定在夹持工装中，每两个传感器成一对，夹持被测试工件的一端，总共两对四个压力传感器完全夹持工件；

11、所述夹持框为中间镂空且带有定位销孔的长方形零件，镂空宽度视所测量工件大小而定，用于限制工件位置以及防止测量过程中工件飞出造成危险，镂空后的长方形物体内侧上下两端带有螺纹通孔，用于固定压力传感器和走线，外侧也带有螺纹孔，用于连接夹持底座；

12、所述夹持底座为长方形零件，表面带有螺纹孔，用于固定夹持框，以及将整个工装固定在外壳上；

13、所述定位板是带有凸槽和定位销孔的铝制零件，通过定位销与夹持框上的销孔相配合，定位标定工件以及真实的测量组件在夹持工装中的位置姿态；

14、所述数据采集卡为带有4路输入端口、1个输出端口和1个电源接口的同步采集卡，每个输入端口具有24bit分辨率，采样速率最高为215ksps，使用数据线与4个压力传感器的数据线相连；输出端口为usb总线端口，使用usb数据线与工控主板上接口相连；电源接口通过导线与锂电池模块连接；

15、所述工控主板为一个能运行win10系统的小型上位机，内置相应数据记录与数据分析功能的程序，具有usb接口，与数据采集卡通过usb数据线连接，与锂电池模块通过导线相连；

16、所述锂电池模块为一个移动电源，为除转台外的测试设备进行供电，主要通过导线与各个部件的电源接口连接；

17、所述外壳是三块用六角铜柱和螺栓固定的铝板，主要作用是安放数据采集卡、工控主板和锂电池模块；

18、所述转台为一个通过电机带动台面旋转的驱动设备，其内部具有速度反馈用的光栅盘，可读取转台旋转速度，上述测量装置和信号处理装置均安装在转台台面上；

19、作为优选，为了提高信号采集的精度，本发明选用了具有高分辨率和采样速率的数据采集卡采集信号，并通过工控主板对信号进行处理，也可使用单片机结合数采电路实现信号采集和处理功能；

20、作为优选，为了提高整个装置的测量精度和安装方便程度，本发明选用了带螺纹且本身具有一定结构刚度的压阻传感器，也可使用柔性传感器附加刚性结构，或者使用压电传感器、应变传感器以及电容传感器等其它类型的压力传感器代替现有压阻传感器；

21、作为优选，为了简化结构，本发明使用转台中的光栅盘反馈的速率作为角速度，也可以在转台台面上单独设置角速度测量设备对转台角速度进行实时测量；

22、所述装置测量惯量积的方法为，首先通过标定工件对压力传感器以及整套装置进行标定；然后通过夹持工装和压力传感器固定被测试工件，转台带动夹持工装旋转，进而带动被测试工件一同旋转，将工件本身长度作为力臂，使得惯量积所激发的力矩转化为压力，被工件两端的压力传感器识别；通过数据采集卡获取压力传感器上产生的信号，处理之后上传给工控主板保存与分析，随后根据转台的旋转速度信息，直接得到被测试工件的惯量积。

23、有益效果

24、1、本发明针对小型精密组件所设计，通过压力传感器测量组件上因旋转激发惯量积产生的力矩，传力环节少、测量参数少、测量方式直接，能有效减少测试环节中引入的误差，提高测量的精度；

25、2、本发明通过高精度机加工的标定工件，对整套装置进行标定，补偿系统误差，提高测量的精度；

26、3、本发明安装方式简单、步骤少，测量便捷，能避免因过复杂的拆解与装配而导致精密组件的损坏，并提高效率，通过更换夹持工装，可对多种组件进行测量，复用性高。

技术特征：

1.一种测量精密组件微小惯量积的高精度装置，其特征在于：由上至下包括测量装置、信号处理装置和驱动装置三大部分；

2.如权利要求1所述的一种测量精密组件微小惯量积的高精度装置，其特征在于：所述标定工件为两端带有豁口的铝制圆柱形零件，具有多个，通过机加工切削部分表面，使其自身带有人为设定大小的惯量积，主要作用为对整个装置进行压力与力矩的标定。

3.如权利要求1所述的一种测量精密组件微小惯量积的高精度装置，其特征在于：

4.如权利要求1所述的一种测量精密组件微小惯量积的高精度装置，其特征在于：

5.如权利要求1所述的一种测量精密组件微小惯量积的高精度装置，其特征在于：为了提高信号采集的精度，采用具有高分辨率和采样速率的数据采集卡采集信号，并通过工控主板对信号进行处理，或者使用单片机结合数采电路实现信号采集和处理功能。

6.如权利要求1所述的一种测量精密组件微小惯量积的高精度装置，其特征在于：为了提高整个装置的测量精度和安装方便程度，采用带螺纹且本身具有一定结构刚度的压阻传感器，或者使用柔性传感器附加刚性结构，或者使用压电传感器、应变传感器以及电容传感器等其它类型的压力传感器代替现有压阻传感器。

7.如权利要求1所述的一种测量精密组件微小惯量积的高精度装置，其特征在于：为了简化结构，采用转台中的光栅盘反馈的速率作为角速度，或者在转台台面上单独设置角速度测量设备对转台角速度进行实时测量。

8.采用如权利要求1所述装置测量惯量积的方法，其特征在于：首先通过标定工件对压力传感器以及整套装置进行标定；然后通过夹持工装和压力传感器固定被测试工件，转台带动夹持工装旋转，进而带动被测试工件一同旋转，将工件本身长度作为力臂，使得惯量积所激发的力矩转化为压力，被工件两端的压力传感器识别；通过数据采集卡获取压力传感器上产生的信号，处理之后上传给工控主板保存与分析，随后根据转台的旋转速度信息，直接得到被测试工件的惯量积。

技术总结
本发明涉及一种测量精密组件微小惯量积的高精度装置，属于测量技术领域。本发明的主要目的是为小质量小体积的精密组件微小惯量积测试需求；该装置由上至下包括测量装置、信号处理装置和驱动装置三大部分，通过测量高速旋转激发物体惯量积产生的力矩，直接测量得物体的惯量积，测量环节直接，避免引入其它误差。整套装置结构经过设计，安装拆卸便利，测试步骤简洁，测试效率高，并且通过更换夹持工装，可对多种组件进行测量，复用性高。

技术研发人员：荣吉利,李剑峰,程修妍,周晓俊
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13