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一种基于扭矩传感器的转动惯量测试台
申请号	CN201510777720.3	申请日	2015-11-13	公开(公告)号	CN105444949A	公开(公告)日	2016-03-30
申请人	西北工业大学;			发明人	谭小群; 黄永超; 王战玺; 白晶; 秦现生; 李树军; 张顺琦; 李靖; 冯华山; 于薇薇; 楚磊; 郭欣; 李希; 王军宁;
摘要	本发明公开了一种基于扭矩传感器的转动惯量测试台,采用扭矩电机驱动工作台转动，通过对工作台空载和加载时扭矩传感器和角速度传感器的数值进行采集，计算得到被测物体转动惯量。转动惯量测试台由工作台、扭杆传动机构、驱动装置、电控系统组成；工作台用于被测物体的安装定位，及设计专用装夹机构安装在工作台上。扭杆传动机构用于传动扭矩，同时可承受扭矩电机启动时的瞬时扭矩，保证测试开始时扭矩输出稳定。扭杆传动机构采用扭矩传感器和角速度传感器，拆卸方便；扭矩传感器与传动轴连接，具有测量精度高、拆卸和标定快捷的特点。通过测量工作台回转过程中扭矩和角速度传感器数据进行计算转动惯量数值，测量结果重复度高。
权利要求	1.一种基于扭矩传感器的转动惯量测试台，其特征在于:包括工作台、扭杆传动机构、驱动装置、电控系统；所述工作台为矩形结构，工作台上面固定有横向基准条与纵向基准条，横向基准条与纵向基准条之间夹角为90度，过渡盘位于工作台回转中心位置；所述扭杆传动机构包括角速度传感器、推力球轴承盖、推力球轴承、推力球轴承座、扭杆套筒、定位销、扭杆、外套筒、深沟球轴承、隔离圆筒、隔离圆环、扭矩传感器、联轴器，推力球轴承盖一端与过渡盘连接，角速度传感器位于推力球轴承盖上，推力球轴承盖与扭杆套筒连接，推力球轴承座固定在机架上，推力球轴承安装在推力球轴承座内，扭杆套筒与推力球轴承内径连接，扭杆位于扭杆套筒内，且与扭杆套筒通过定位销固连，扭杆套筒位于外套筒内，扭杆套筒与外套筒间有一对深沟球轴承，深沟球轴承之间有隔离圆筒，深沟球轴承与机架顶板之间有隔离圆环，外套筒固定在机架内顶板上，扭矩传感器分别与扭杆和传动轴通过联轴器连接；所述驱动装置包括扭矩电机、轴承座、轴承盖、电磁制动器、电磁离合器、传动轴、角接触球轴承、支撑框板，驱动装置位于机架内，扭矩电机固定在电磁离合器下面的电机座内，扭矩电机输出轴与电磁离合器连接，电磁制动器位于支撑框板下面，电磁离合器与电磁制动器连接，电磁制动器固定在支撑框板上与传动轴连接，支撑框板与扭矩传感器安装座固连，一对角接触球轴承通过轴承座和轴承盖安装在传动轴上；所述电控系统包括信号采集系统和控制系统，信号采集系统对扭矩传感器和角速度传感器实时采集数据信息；控制系统用于控制测试台执行动作，对传感器采集数据处理，并由工控机计算得到转动惯量数值。 2.根据权利要求1所述的基于扭矩传感器的转动惯量测试台，其特征在于:扭杆、过渡盘、电磁离合器与扭矩电机同轴安装。
说明书全文	一种基于扭矩传感器的转动惯量测试台技术领域 [0001] 本发明涉及一种转动惯量测试台，具体地说，涉及一种基于扭矩传感器的转动惯量测试台；属于转动惯量测量领域。背景技术 [0002] 转动惯量作为一个重要的设计参数对设备的运动稳定性、可操作性、机动性和组合运动的一致性等有着重要的影响，随着机械与自动化技术和计算机技术的紧密结合，以及各种测量传感器能够实现越来越高的精度要求，如何更方便，快捷，准确的测量物体的转动惯量成为一个迫切需要解决的问题。发明专利CN102692264A公开了一种用于质量、质心位置与转动惯量的测试台及测试方法。该测试平台包括定位机构、夹紧机构、工作台、升降机构、动力组件、壳体、控制箱、电控装置组成。该测试台使用编码器二次微分得到系统的角加速度，二次微分方法计算角加速度精度低，对于角加速度变化表现不明显。该测试台使用电机直接驱动工作台摆动，由于电机启动时启动扭矩较大，输出扭矩不稳定，对扭矩传感器测量结果影响较大。该测试台为质量、质心和转动惯量一体化测试台由于工作台运动方式不同，设计专用机构使质量质心测量与转动惯量测量分开进行，操作不便，测试台转动惯量测量时，扭矩传感器与工作台之间的连接机构复杂，存在摩擦干扰，对转动惯量测量带来误差。 [0003] 发明专利CN103542982A公开了一种大型结构体转动惯量测量系统。该系统可测量物体多方向转动惯量，通过驱动被测物体扭摆，测量其阻尼振荡频率来计算转动惯量。由于测量方向改变需要对设备转筒组件进行装配，操作不便。当被测物体为非对称结构时，由于紧固螺钉非对称调整，转动惯量测量存在误差。发明内容 [0004] 为了避免现有技术存在的不足，克服现已有转动惯量测试台效率低、测量精度低、重复度低的不足，本发明提出一种基于扭矩传感器的转动惯量测试台。测试台采用扭矩传感器和角速度传感器，通过采集多组工作台转动时扭矩传感器及角速度传感器数据计算被测物体转动惯量，具有精度高，自动化程度高，测量时间短，操作简便。 [0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括工作台、扭杆传动机构、驱动装置、电控系统；所述工作台为矩形结构，工作台上面固定有横向基准条与纵向基准条，横向基准条与纵向基准条之间夹角为90度，过渡盘位于工作台回转中心位置； [0006] 所述扭杆传动机构包括角速度传感器、推力球轴承盖、推力球轴承、推力球轴承座、扭杆套筒、定位销、扭杆、外套筒、深沟球轴承、隔离圆筒、隔离圆环、扭矩传感器、联轴器，推力球轴承盖一端与过渡盘连接，角速度传感器位于推力球轴承盖上，推力球轴承盖与扭杆套筒连接，推力球轴承座固定在机架上，推力球轴承安装在推力球轴承座内，扭杆套筒与推力球轴承内径连接，扭杆位于扭杆套筒内，且与扭杆套筒通过定位销固连，扭杆套筒位于外套筒内，扭杆套筒与外套筒间有一对深沟球轴承，深沟球轴承之间有隔离圆筒，深沟球轴承与机架顶板之间有隔离圆环，外套筒固定在机架内顶板上，扭矩传感器分别与扭杆和传动轴通过联轴器连接； [0007] 所述驱动装置包括扭矩电机、轴承座、轴承盖、电磁制动器、电磁离合器、传动轴、角接触球轴承、支撑框板，驱动装置位于机架内，扭矩电机固定在电磁离合器下面的电机座内，扭矩电机输出轴与电磁离合器连接，电磁制动器位于支撑框板下面，电磁离合器与电磁制动器连接，电磁制动器固定在支撑框板上与传动轴连接，支撑框板与扭矩传感器安装座固连，一对角接触球轴承通过轴承座和轴承盖安装在传动轴上； [0008] 所述电控系统包括信号采集系统和控制系统，信号采集系统对扭矩传感器和角速度传感器实时采集数据信息；控制系统用于控制测试台执行动作，对传感器采集数据处理，并由工控机计算得到转动惯量数值。 [0009] 扭杆、过渡盘、电磁离合器与扭矩电机同轴安装。 [0010] 有益效果 [0011] 本发明提出的一种基于扭矩传感器的转动惯量测试台,采用扭矩电机驱动工作台转动，通过对工作台空载和加载时扭矩传感器和角速度传感器的数值进行采集，计算得到被测物体转动惯量。转动惯量测试台由工作台、扭杆传动机构、驱动装置、电控系统组成；工作台用于被测物体的安装及定位，根据被测物体的尺寸，设计专用装夹机构安装在于工作台上。扭杆传动机构用于传动扭矩，同时可承受扭矩电机启动时的瞬时扭矩，保证测试开始时扭矩输出稳定。扭杆传动机构装有角速度传感器，对传动角速度进行测量。扭矩传感器与传动轴连接，具有测量精度高、拆卸和标定方便的特点。驱动装置采用扭矩电机驱动，保证电机输出扭矩稳定。驱动装置内装有电磁离合器，对测试系统起保护作用。 [0012] 本发明基于扭矩传感器的转动惯量测试台，用于测量物体转动惯量；其测量范围广，工作台上安装有基准条，可根据被测物体的尺寸设计夹具，拆分方便。测试台自动化程度较高，测量原理简单，操作简便，通过测量工作台回转过程中扭矩传感器和角速度传感器数值，进行计算转动惯量数值，测量结果重复度高。采用扭矩传感器和角速度传感器，拆卸方便；工作台结构简单，组装、拆分快捷，便于测试台的维修。附图说明 [0013] 下面结合附图和实施方式对本发明一种基于扭矩传感器的转动惯量测试台作进一步详细说明。 [0014] 图1为本发明转动惯量测试台结构示意图。 [0015] 图2为本发明的工作台示意图。 [0016] 图3为本发明的工作台结构示意图。 [0017] 图4为本发明的扭杆传动机构示意图。 [0018] 图5为本发明的驱动装置示意图。 [0019] 图中: [0020] 1.工作台 2.角速度传感器 3.机架 4.扭矩传感器 5.扭矩电机 6.横向基准条 7.纵向基准条 8.过渡盘 9.推力球轴承盖 10.推力球轴承 11.推力球轴承座 12.扭杆套筒 13.定位销 14.扭杆 15.隔离圆筒 16.外套筒 17.深沟球轴承 18.隔离圆环 19.联轴器 20.支撑框板 21.轴承座 22.轴承盖 23.电磁制动器 24.电磁离合器 25.传动轴 26.角接触球轴承具体实施方案 [0021] 本实施例是一种基于扭矩传感器的转动惯量测试台。 [0022] 参阅图1～图5,本实施例基于扭矩传感器的转动惯量测试台，由工作台、扭杆传动机构、驱动装置、电控系统组成；工作台1为矩形结构，工作台1上表面固定安装有横向基准条6与纵向基准条7，横向基准条6与纵向基准条7之间夹角为90度，过渡盘8安装在工作台1回转中心位置。测试物体时根据被测物体尺寸设计专用夹具，放置在工作台1上横向基准条6和纵向基准条7处，进行工作台1面与夹具的定位。 [0023] 扭杆传动机构包括角速度传感器2、推力球轴承盖9、推力球轴承10、推力球轴承座11、扭杆套筒12、定位销13、扭杆14、外套筒16、深沟球轴承17、隔离圆筒15、隔离圆环18、扭矩传感器4、联轴器19，推力球轴承盖9一端与过渡盘8连接，角速度传感器2安装在推力球轴承盖9上，角速度传感器2测量方向轴与扭杆14轴线重合，保证角速度传感器2测量精度。推力球轴承盖9与扭杆套筒12连接，推力球轴承座11固定安装在机架3上，推力球轴承10安装在推力球轴承座11内，用于承载工作台1竖直方向载荷。扭杆套筒12与推力球轴承10内径连接，扭杆安装在扭杆套筒12内，而且与扭杆套筒12通过定位销13固定连接，扭杆套筒12安装在外套筒16内，扭杆套筒12与外套筒16间有一对深沟球轴承17，两个深沟球轴承17之间有隔离圆筒15，深沟球轴承17与机架3顶板之间有隔离圆环18，外套筒16固定安装在机架3内顶板上。扭矩传感器4两端伸出两个测量杆，扭矩传感器4一端与传动轴25通过联轴器19连接，扭矩传感器4另一端与扭杆14通过联轴器19连接，保证扭矩传感器4测量轴线与扭杆14中轴线重合。 [0024] 扭杆14截面为圆形，其一端有销孔，采用定位销13连接，另一端采用花键连接。当扭杆14绕着扭杆轴线施加扭矩时会发生扭转变形，施加扭矩增大时，扭杆14绕着轴线旋转。扭杆14扭转变形承载的最大扭矩在扭矩电机5启动扭矩与扭矩额定扭矩之间，用于克服扭矩电机5启动时扭矩突变问题。 [0025] 驱动装置包括扭矩电机5、轴承座21、轴承盖22、电磁制动器23、电磁离合器24、传动轴25、角接触球轴承26、支撑框板20，驱动装置位于机架内，扭矩电机5固定在电磁离合器24下面的电机座内，扭矩电机5输出轴与电磁离合器24连接，电磁制动器23安装在支撑框板 20下面，电磁离合器24与电磁制动器23连接，电磁制动器23固定在支撑框板20上与传动轴 25连接，扭矩电机5回转时对传动轴25产生阻尼。支撑框板20与扭矩传感器4安装座固定连接，一对角接触球轴承26通过轴承座21和轴承盖22安装在传动轴25上。扭杆14、过渡盘8、电磁离合器24与扭矩电机5同轴安装。扭矩电机5以恒定扭矩输出，保证工作台1转动过程中输出扭矩稳定。 [0026] 电控系统包括信号采集系统和控制系统，信号采集系统对扭矩传感器和角速度传感器实时采集数据信息；控制系统用于控制测试台执行动作，对传感器采集数据处理；根据转动惯量测量原理，扭矩传感器数值与角速度微分的比值即为转动惯量，由工控机计算得到转动惯量数值。 [0027] 工作过程: [0028] 步骤一.标准体标定空载测试；扭矩电机5启动，通过电磁离合器24带动传动轴25转动，传动轴25与扭杆传动机构连接，扭杆传动机构与工作台1连接，从而带动工作台1转动，记录多组扭矩传感器4及角速度传感器2数据。 [0029] 步骤二.标准体标定加载测试；将标准体放在工作台1面，标准体两边贴紧工作台1上横向基准条6和纵向基准条7；扭矩电机5启动，以恒定扭矩带动工作台1转动，记录多组扭矩传感器4及角速度传感器2数据。标准体转动惯量已知，且与被测物体转动惯量数值近似。 [0030] 步骤三.标准体标定计算；转动惯量定义为J＝M/β，J为物体绕转轴的转动惯量，β为角加速度，其中角加速度β可有角速度微分得到；已知标准体转动惯量J标，由标定空载时传感器数据计算标准体空载时系统转动惯量J0，由标定加载时传感器数据计算标准体加载时系统转动惯量J1，标准体转动惯量J标测＝J1-J0，求解标定系数K＝J标/J标测。 [0031] 步骤四.被测物体空载测试；根据被测物体尺寸设计专用装夹机构，将装夹机构放置于工作台1上，贴紧横向基准条6和纵向基准条7；扭矩电机5启动，以恒定扭矩带动工作台1转动，此时记录多组扭矩传感器4及角速度传感器2数据。 [0032] 步骤五.被测物体加载测试；将被测物体装入放置于工作台1上的装夹机构中，扭矩电机5启动，以恒定扭矩带动工作台1转动，此时记录多组扭矩传感器4及角速度传感器2数据。 [0033] 步骤六.被测物体转动惯量计算；由被测物体空载时传感器数据计算得到被测物体空载时系统转动惯量J0，由被测物体加载时传感器数据计算得到被测物体加载时系统转动惯量J1，计算物体转动惯量J＝J1-J0；经标定系数修正得到被测物体转动惯量J修正＝K gJ。

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