一种扭矩传感器校准用标准惯量装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种扭矩传感器校准用标准惯量装置及其使用方法，属于扭矩参数校准领域，特别是扭矩传感器的动态参数校准技术领域。

技术背景

扭矩传感器在航空、航天、船舶、兵器、机器人等众多领域有着大量的应用，在机械传动系统中，扭矩既是测算动力系统输出功率的重要参数，也是监测动力系统工作状态和健康状况的重要指标。近年来，随着行业的发展，行业中对装备的技术指标要求也越来越高，对于存在动态扭矩参数测量的场合，仅仅经过静态扭矩参数校准的扭矩传感器不再满足使用要求，故扭矩传感器对动态扭矩参数校准的需求日益明显。

目前，动态扭矩校准的方法仍处在探索阶段，校准方法主要有两种：第一种是负阶跃法，即先对同轴相连的标准扭矩传感器和被校扭矩传感器施加扭矩负荷，再用特殊装置在尽量短的时间内卸掉扭矩负荷，从而形成负阶跃激励，记录标准扭矩传感器和被校扭矩传感器的输出波形，进行比对校准；第二种是正弦激励法，即用正弦扭矩发生器激励配有标准惯量负载的扭矩传感器，测量标准惯量负载的角加速度，计算角加速度与惯量的乘积作为标准扭矩，将标准扭矩波形与被校扭矩传感器输出波形进行比对，完成对被校扭矩传感器的校准。另外，相关计量机构采用比较法进行动态扭矩参数校准，即在施加动态扫频力矩下，比较标准扭矩传感器与被校扭矩传感器的输出值，所使用的标准扭矩传感器为国外采购的动态扭矩传感器，其频率和扭矩幅值有限。

但是上述方法对与扭矩传感器的校准幅值范围较为有限，不能对幅值范围较大的扭矩传感器进行校准。基于此，贵州航天计量测试技术研究所研制了一种制动式固有频率法校准扭矩传感器的装置及校准方法，并申请中国专利，其公告号为CN 110987293 A，该装置的结构如图1所示，包括标准惯量装置A与被校扭矩传感器B、制动器C、离合器D、伺服电机E，标准惯量装置A与被校扭矩传感器B刚性连接并保持高速转动，对被校扭矩传感器B施加制动力矩，标准惯量装置A在速度降为零后产生扭振，扭振频率的平方与标准惯量装置A的惯量值呈反比，与被校扭矩传感器B的刚度呈正比，扭振的幅值取决于制动力矩的大小，用圆光栅测量标准惯量盘的角加速度变化，角加速度与标准惯量值的乘积即为标准动态扭矩激励幅值，测量标准动态扭矩的波形，与被校动态扭矩传感器进行比对，可完成校准。

但是该装置的标准惯量装置A存在以下问题：

1.气浮轴承与标准惯量盘的连接方式使得气浮轴承的惯量并未参与校准装置的惯量计算，导致测量精度存在误差；

2.玻璃圆光栅安装在标准惯量盘上，每次更换标准惯量盘必须拆除玻璃圆光栅并重新安装，导致玻璃圆光栅的测量精度下降。

发明内容

本发明的目的是，提供一种扭矩传感器校准用标准惯量装置，作为制动式固有频率法动态扭矩传感器校准装置的一部分，用于产生动态扭矩激励，克服上述问题，提高校准装置的测量精度。

本发明采用的技术方案是，一种扭矩传感器校准用标准惯量装置，包括气浮轴承、标准惯量盘、耦合器、读数头和圆光栅，所述气浮轴承上端和下端的直径均小于中间部分的直径，气浮轴承主轴上端轴肩连接安装托盘，安装托盘上连接标准惯量盘，气浮轴承主轴下端连接耦合器，耦合器的下表面用螺钉安装圆光栅，所述气浮轴承下部以及耦合器外壳的两侧对称安装读数头安装支架，读数头安装支架下端采用螺钉固定连接读数头，读数头的检测面与圆光栅的刻线面相对、且与圆光栅的切面平行；

所述安装托盘、标准惯量盘、气浮轴承、耦合器、读数头安装支架、读数头、圆光栅安装后的几何中心线保持同轴。

进一步的，所述安装托盘上端设置开口，开口处安装T型支撑盖，所述T型支撑盖的几何中心线与安装托盘同轴。

进一步的，所述T型支撑盖与安装托盘采用间隙配合，配合部分的直径差小于20μm。

进一步的，所述安装托盘与标准惯量盘之间用1#胀紧套紧固连接，并且1#胀紧套的几何中心线与安装托盘同轴。

进一步的，所述气浮轴承与安装托盘之间用2#胀紧套紧固连接，并且2#胀紧套的几何中心线与气浮轴承同轴。

进一步的，所述气浮轴承与耦合器之间用3#胀紧套紧固连接，并且3#胀紧套的几何中心线与气浮轴承同轴。

进一步的，所述气浮轴承主轴的直径不小于100mm，耦合器与气浮轴承相适配。

进一步的，所述标准惯量盘为环形，其高度不小于1#胀紧套的高度

一种扭矩传感器校准用标准惯量装置的使用方法，包括以下步骤：

(1)在装置使用前，对除标准惯量盘之外的旋转部件进行惯量测量，得到其惯量总和J

(2)计算配置的标准惯量盘的惯量J

根据1#胀紧套的胀紧压力P，标准惯量盘内外径的差ΔR满足：

ΔR＞PR/σ

其中，R为惯量盘的内径；σ为胀紧套达到额定胀紧力时，标准惯量盘与其接触的表面上受到的压强。

(3)安装后对主轴铅垂度和不平衡晃动误差进行测量并调整，直至满足设计技术指标，即可对扭矩传感器进行校准。

进一步的，对主轴铅垂度和不平衡晃动误差的测量及调整方法为：

C1、测量方法：a、主轴铅垂度的测量：将电子水平仪放置于标准惯量盘边缘，缓慢转动标准惯量盘顺、逆时针各一周，每间隔10°记录转角位置处水平仪的输出，再根据间隔180°两转角处的水平仪示值，取多组结果的平均值，计算结果不大于4角秒；b、不平衡晃动误差的测量：在给定转速下，将电容测微仪的输出信号与角度测量仪的输出信号进行同步采集，分析校准装置在不同转速的下的主轴晃动，最大晃动幅度不大于1mm；

C2、调整方法：若主轴铅垂度结果不满足上述指标，则对标准惯量盘的安装进行重新安装，保证标准惯量盘的几何中心线不倾斜，直至满足设计技术指标；若不平衡晃动结果不满足上述指标，则对安装标准惯量盘的胀紧套重新进行胀紧，调整胀紧套上的紧固螺钉，以调整标准惯量盘的几何中心，直至满足设计技术指标。

本发明的有益效果是：

1、通过将气浮轴承与标准惯量盘相结合，将气浮轴承的主轴作为标准惯量装置的一部分，解决标准惯量装置的支撑问题，减小了配套系统的摩擦力矩，同时能实现被校扭矩传感器的扭转角度测量的功能，适用于动态扭矩传感器校准的标准惯量装置；

2、通过改变圆光栅、读数头和标准惯量盘的连接方式，通过安装托盘连接标准惯量盘和气浮轴承，圆光栅和读数头独立连接气浮轴承，在确保有效测量的情况下，解决更换标准惯量盘而拆卸圆光栅导致测量精度降低的问题；

3、采用胀紧套取代螺钉连接气浮轴承和安装托盘、安装托盘和标准惯量盘、气浮轴承和耦合器，通过摩擦连接提高装置元件之间的同轴度，并且胀紧套刚度比螺钉好，解决扭转误差导致的测量精度较低的问题；

4、所述安装托盘开口并安装T型支撑盖，防止胀紧标准惯量盘时发生变形。

附图说明

图1为制动式固有频率法动态扭矩传感器校准装置结构简图；

图2为本发明结构剖面图。

图中标记：1、T型支撑盖，2、安装托盘，3、1#胀紧套，4、标准惯量盘，5、2#胀紧套，6、气浮轴承，7、3#胀紧套，8、耦合器，9、读数头安装支架，10、读数头，11、圆光栅。

具体实施方式

以下将结合说明书附图对本发明进一步解释说明，以便于本领域专业技术人员更好地理解。

请参阅图1，一种扭矩传感器校准用标准惯量装置及其只用方法，所述标准惯量装置作为制动式固有频率法动态扭矩传感器校准装置的一部分，用于产生动态扭矩激励。

一种扭矩传感器校准用标准惯量装置包括T型支撑盖1，安装托盘2，1#胀紧套3，标准惯量盘4，2#胀紧套5，气浮轴承6，3#胀紧套7，耦合器8，读数头安装支架9，读数头10，圆光栅11。

所述气浮轴承6上端和下端的直径均小于中间部分的直径，并且气浮轴承6主轴的直径不小于100mm，形状大小满足设计要求，有利于提高装置的测量精度。

所述安装托盘2固定连接在气浮轴承6主轴上端轴肩，安装托盘2上连接标准惯量盘4；具体地，所述安装托盘2与标准惯量盘4之间用1#胀紧套3紧固连接，标准惯量盘4为环形，其高度不小于1#胀紧套3的高度，并且1#胀紧套3的几何中心线与安装托盘2同轴，所述气浮轴承6与安装托盘2之间用2#胀紧套5紧固连接，并且2#胀紧套5的几何中心线与气浮轴承6同轴。采用胀紧套连接有利于增强安装托盘2、标准惯量盘4和气浮轴承6的同轴度，并且胀紧套刚度高于螺钉，有效降低装置扭转误差，提高测量精度。

其中，安装托盘2上端设置开口，开口处安装T型支撑盖1，所述T型支撑盖1的几何中心线与安装托盘2同轴，T型支撑盖1与安装托盘2采用间隙配合，配合部分的直径差小于20μm，为安装托盘2提供支撑，防止胀紧标准惯量盘4时安装托盘2发生变形。

所述气浮轴承6主轴下端连接耦合器8，耦合器8与气浮轴承6相适配，用于安装被校扭矩传感器，具体地，所述气浮轴承6与耦合器8之间用3#胀紧套7紧固连接，并且3#胀紧套7的几何中心线与气浮轴承6同轴，通过摩擦连接增强气浮轴承6与耦合器8之间的刚度，降低扭转误差。耦合器8的下表面用螺钉安装圆光栅11，所述气浮轴承6下部以及耦合器8外壳的两侧对称安装读数头安装支架9，读数头安装支架9下端采用螺钉固定连接读数头10，读数头10的检测面与圆光栅11的刻线面相对、且与圆光栅11的切面平行，读数头10和圆光栅11用于测量被校扭矩传感器的扭摆角度。

所述的T型支撑盖1、安装托盘2、1#胀紧套3、标准惯量盘4、2#胀紧套5、气浮轴承6、3#胀紧套7、耦合器8、读数头安装支架9、读数头10、圆光栅11安装后的几何中心线保持同轴，并且它们的惯量和即为所述标准惯量装置的惯量值。

对扭矩传感器进行校准时，根据被校扭矩传感器的刚度和校准频率确定配置的标准惯量盘，一种扭矩传感器校准用标准惯量装置的使用方法，包括以下步骤：

(1)在装置使用前，对除标准惯量盘之外的旋转部件进行惯量测量，得到其惯量总和J

(2)计算配置的标准惯量盘的惯量J

根据1#胀紧套的胀紧压力P，标准惯量盘内外径的差ΔR满足：

ΔR＞PR/σ

其中，R为惯量盘的内径；σ为胀紧套达到额定胀紧力时，标准惯量盘与其接触的表面上受到的压强。

(3)安装后对主轴铅垂度和不平衡晃动误差进行测量并调整，直至满足设计技术指标，即可对扭矩传感器进行校准。

其中，对主轴铅垂度和不平衡晃动误差的测量及调整方法为：

C1、测量方法：a、主轴铅垂度的测量：将电子水平仪放置于标准惯量盘边缘，缓慢转动标准惯量盘顺、逆时针各一周，每间隔10°记录转角位置处水平仪的输出，再根据间隔180°两转角处的水平仪示值，取多组结果的平均值，计算结果不大于4角秒；b、不平衡晃动误差的测量：在给定转速下，将电容测微仪的输出信号与角度测量仪的输出信号进行同步采集，分析校准装置在不同转速的下的主轴晃动，最大晃动幅度不大于1mm；

C2、调整方法：若主轴铅垂度结果不满足上述指标，则对标准惯量盘的安装进行重新安装，保证标准惯量盘的几何中心线不倾斜，直至满足设计技术指标；若不平衡晃动结果不满足上述指标，则对安装标准惯量盘的胀紧套重新进行胀紧，调整胀紧套上的紧固螺钉，以调整标准惯量盘的几何中心，直至满足设计技术指标。

本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。