一种测量精密组件微小惯量积的高精度装置

技术领域

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。

背景技术

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。

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。

发明内容

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。

为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：

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；

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；

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；

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；

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；

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。

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。

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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。

有益效果

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；

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；

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。

附图说明

图1是旋转平衡法示意图；

图2是装置整体示意图；

图3是测量装置三视图；

图4是测量装置示意图；

图5是测量装置爆炸图；

图6是多个标定工件示意图；

图7是信号处理装置三视图；

图8是信号处理装置示意图；

图9是信号处理装置爆炸图；

图10是主要设备接线示意图；

图11是夹持状态下的剖面图。

其中：1-测量装置，11-标定工件，12-压力传感器，13-定位板，14-定位销，15-夹持框，16-夹持底板，17-固定螺栓；2-工控主板，3-外壳，31-外壳顶板，32-外壳中板，33-外壳底板，34-主板固定螺栓，35-长六角铜柱和螺栓，36-短六角铜柱与螺栓，37-采集卡固定螺栓；4-数据采集卡，5-转台，6-锂电池模块；

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合附图对本发明的测量原理、结构和工作方式进行清晰、完整地描述。

本发明的测量原理基于旋转平衡法，如图1所示，对于任一绕O点定点转动的刚体，其惯性张量的矩阵形式皆可表示为：

当刚体只绕一轴稳定旋转时，作用在刚体连体基上的角速度为ω(t)＝[0 0 ω

表示刚体旋转时各物理量在其连体基上的动力学关系如下

刚体绕着过O点的连体基上的z轴以恒定的角速度做定轴旋转时，由刚体相对于连体基xOy平面和连体基xOz平面同时存在质量不对称产生的惯量积J

M

本发明通过力矩转化，直接使用压力传感器固定被测物体，将M

测量中的误差仅由压力传感器误差和转台转速误差引起，且传力环节少、测量参数少、测量方式直接，规避其它传力过程会引入的误差，实现高精度测量。

本实施例的结构示意图如图2所示，包括测量装置1、工控主板2、外壳3、数据采集卡4、转台5、锂电池模块6，测量装置1通过螺栓连接安装在外壳3上，外壳通过螺栓连接安装在转台5上，需要更换测量组件时只需要将螺栓松开，卸下测量装置1便可，安装方式简单、步骤少，操作便捷。

其中，测量装置1的具体结构如图2、图3和图4所示，所述测量装置1由标定工件11、压力传感器12、定位板13、定位销14、夹持框15、夹持底板16和固定螺栓17构成。所述标定工件11如图6所示，整体为便于机加工的简单圆柱外形，在圆柱两端加工有豁口，用于定位工件的姿态；在圆柱面上加工有相对于转轴中心对称的凹槽，用于设定惯量积大小，不同加工深度得到不同量级的惯量积，除凹槽外均对称加工，目的是保证标定工件11只有一个惯量积。所述压力传感器12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，每两个压力传感器12成一对，夹持被测试工件的一端，总共两对四个压力传感器12完全夹持工件；压力传感器12的量程为20N，精度为1/3000，检定分度值为0.006N，配合压力传感器12之间的夹持距离，最小可测得1.43×10

信号处理装置的具体结构如图7、图8和图9所示，由工控主板2、外壳3、数据采集卡4和锂电池模块6组成。所述工控主板2为一个能运行win10系统的小型上位机，内置数据记录与数据分析功能的程序，具有USB总线接口，能通过USB数据线获取数据采集卡4所采集的信号，并通过电源线与锂电池模块6连接。所述数据采集卡4为带有4路输入端口、1个输出端口和1个电源接口的高精度同步采集卡，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2上接口相连；电源接口通过导线与锂电池模块6连接。所述外壳3由外壳顶板31、外壳中板32、外壳底板33、主板固定螺栓34、长六角铜柱和螺栓35、短六角铜柱和螺栓36以及采集卡固定螺栓37组成。所述外壳顶板31、外壳中板32和外壳底板33均为八边形铝制板，外壳顶板31上有两个M3螺纹孔、4个M5通孔以及扎带孔，外壳中板32上有4个M3通孔和8个M5通孔，外壳底板33上有8个M5螺纹孔和4个M5沉头孔。所述长六角铜柱和螺栓35以及短六角铜柱与螺栓36为带有M5螺纹及螺纹孔的紧固件，四个一组，将外壳顶板31、外壳中板32和外壳底板33连接成一个外壳3整体，两组的区别在于高度不同，其高度取决于工控主板2和数据采集卡4的高度；所述主板固定螺栓34为带有M2.5螺纹的紧固件，四个一组，将工控主板2固定在外壳3上；所述采集卡固定螺栓37为带有M5螺纹的紧固件，四个一组，将数据采集卡4固定在外壳3上。所述锂电池模块6为移动电源，通过扎带固定在外壳顶板31上，主要为安装在转台5上的设备供电。

驱动装置主要为转台5，为保持转台5能够稳定旋转，减少偏心力矩的干扰，测量装置1、工控主板2、数据采集卡4和外壳3安装时都使它们的重心经过转台5的转轴，锂电池模块6相对与转轴对称安装,并且测量装置1经过设计，使得转台转轴能通过标定工件1和被测真实工件的几何中心。转台5的最低转速设定为1500rpm(157rad/s)，结合压力传感器12的测量分辨率，能实现10

整个装置的接线示意图如图10所示，压力传感器12尾部的线缆通过夹持框15外侧的豁口引出，其中信号线与数据采集卡4的输入端口相连，工控主板2与数据采集卡4通过USB数据线连接，压力传感器12、工控主板2和数据采集卡4的电源线都与锂电池模块6相连。

本实例的工作方法分为以下几步：

第一步：首先安装部署整个装置。

将整套装置放于水平面上，并对转台5的台面进行找平。找平结束后，接通转台5台面上所有设备之间的线缆，并开启数据采集卡4和工控主板2进行预热，此时工控主板2外接有显示器。拆下测量装置1，缓慢拧转夹持框8上方的两个压力传感器12，使其中间的空隙大于标定工件11端口圆周直径，卸下一块夹持框15，将无惯量积的标定工件11放入后，安装回夹持框15，并将测量装置1安装回外壳3上。通过定位板13和定位销14调整标定工件11的姿态，反方向缓慢拧转上方的压力传感器12将标定工件11夹紧，下方的压力传感器12始终保持拧紧状态，目的是为了保证标定工件11长端轴线与水平面平行。

第二步：对压力传感器12进行标定。

固定标定工件11之后，接通压力传感器12，通过数据采集卡4读取压力传感器12输出的模拟信号，转换成数字信号后传输给工控主板2，通过工控主板2中的内置程序，将压力数据显示在显示器中。根据该压力数据，与标定工件11的实际重量作对比，对压力传感器12进行标定。

第三步：对整套置精度进行确定。

标定压力传感器12结束后，打开工控主板2中的采集程序，撤去显示器，启动转台，并设置转台旋转速度为定值ω。使转台稳定旋转一段时间后，停止转台，重新将显示器连接到工控主板2，读取在ω转速下，夹持不带惯量积标定工件11的四个压力传感器12在转台稳定旋转时的数据。根据压力传感器12的数据和转台5的转速ω计算标定工件11的惯量积，计算原理如图11所示：将工件自身长度作为力臂，使旋转激发物体惯量积产生的力矩转化为工件两端的压力，此时力矩可表示为

第四步：对整套装置进行标定。

卸下无惯量积标定工件11，装入带设定惯量积为J

第四步：测量真实组件。

用真实需要被测量的组件替换标定工件11，并重复一、二、三步骤，测量得到惯量积记为J

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改同替换、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。