Комплекс для определения инерционных характеристик с измерительной системой
COMPLEX FOR DETERMINING INERTIAL CHARACTERISTICS WITH A MEASURING SYSTEM

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в машиностроении для определения массы и инерционных характеристик изделий.
Известны устройства - стенд для измерения массы, координат центра масс и тензора инерции изделия (патент РФ №2434213, G01M 1/10, публикация 20.11.2011), стенд для измерения массы, координат центра масс и тензора инерции изделия (патент РФ №2368880, G01M 1/10, публикация 27.09.2009), однако, конструкция их, содержащая адаптер, платформу поворота его, динамометрическую платформу, систему пружин, винтовые устройства задания колебаний, позволяет проводить измерения параметров изделия на стенде, не прибегая к повороту его на угол 90°, но список параметров очень ограничен.
Наиболее близким по технической сущности является изобретение «Стенд для измерения массы, координат центра масс и моментов инерции изделия» (патент РФ №2506551, G01M 1/10 публикация 10.02.2014). Стенд предусматривает длительный по времени цикл измерения, а также наличие своей меры моментов инерции и координат центра масс для каждого типа испытуемого объекта.
Техническая проблема заключается в сокращении цикла измерения, в уменьшении количества опасных и особо опасных операций, в снижении сроков и затрат на подготовку производства.
Комплекс для определения инерционных характеристик с измерительной системой предназначен для определения действительных значений массы, массо-центровочных (МЦХ) и массо-инерционных характеристик (МИХ) компьютерным расчетом методом коэффициентов влияния. Под термином «коэффициенты влияния» понимают определенные числовые параметры, показывающие, как изменяются реакции на тензодатчиках, амплитуда и время при помещении груза единичной массы на соответствующую плоскость коррекции.
Изобретение поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 показан общий вид; на фиг. 2 - амплитудная зависимость периодов колебаний; на фиг. 3 - цифровой образ затухающих колебаний маятника.
В состав комплекса входят: стол аэростатический 1, предназначенный для установки опорно-поворотного устройства 2 с измерительным прибором «Цитрин» 3, система регистрации электрических сигналов 4, блок подготовки воздуха 5.
Стол аэростатический 1 выполнен в виде основания, состоящего из каменного корпуса 6, на котором смонтированы три неподвижных аэростатических блока 7, образующие вместе с поворотной платформой 8 аэростатическую опору. Связь поворотной платформой с корпусом осуществляется через торсион 9, верхний конец которого закреплен в конусном отверстии поворотной платформой гайкой, а нижний конец закреплен в диафрагме с помощью прижима. На корпусе 6 установлены и закреплены устройства, управляющие процессом измерения амплитуды и времени периодов колебаний. При подаче воздуха в аэростатическую опору, поворотная платформа 8 всплывает, и механическая связь с основанием осуществляется только через торсион 9. После освобождения поворотная платформа, за счет упругости торсиона, начинает совершать свободные крутильные колебания.
Опорно-поворотное устройство 2 предназначено для закрепления и позиционирования объекта в заданных пространственных положениях. Изделие базируется по двум коническим поверхностям и по плоскостям стабилизации. Опорно-поворотное устройство состоит из опорно-поворотно-центрирующего устройства 10, установленных на блок измерительных датчиков контроля МЦХ 11, и сменных переходников 12 и компенсатора 13 с двумя коническими поясами. Для устранения зазоров при установке изделия служит компенсатор, который подпружинен и имеет возможность перемещаться вдоль продольной оси устройства. Положение компенсатора после установки и закрепления изделия фиксируется гайками. Для смены положения изделия вокруг продольной оси установлены два подшипниковых узла, которые вращают гильзу опорно-поворотно-центрирующего устройства вокруг неподвижного корпуса. Фиксация в этих положениях осуществляется фиксатором 14. Подшипник, соединяющий опорно-поворотное устройство с блок измерительных датчиков контроля МЦХ, предназначен для кантования изделия из вертикального положения в горизонтальное положение, с промежуточной фиксацией под углом α=45° к горизонту фиксатором.
x
y
z
Измерительный прибор «Цитрин» 3, включающий в себя блок измерительных датчиков контроля МЦХ - параметры М, X, Y, Z,- 11 и блок измерительных датчиков контроля МИХ - параметры J. J. J, α.
Определение параметров М, X, Y, Z основано на измерении опорных реакций на призмах измерительных рычагов с помощью четырех тензометрических датчиков, калиброванных по суммарному и попарно объединенному электрическому сигналу, т.е. блок измерительных датчиков контроля МЦХ представляет собой весовую платформу поверенную и аттестованную как весы в заданном диапазоне измерений. По электрическим сигналам от тензодатчиков, поступающих в систему регистрации, и по известным зависимостям производится расчет массы и координат центра масс испытуемого объекта.
Измерение МИХ осуществляется при помощи электродинамических датчиков, таких, как акселерометры, встроенные в поворотную планшайбу, совершающую крутильные колебания.
Система регистрации 4 предназначена для обработки электрических сигналов, поступающих от измерительного прибора «Цитрин», преобразователя крутильных колебаний и вычисления массы, МЦХ и МИХ объекта.
Блок подготовки воздуха 5 предназначен для очистки воздуха, поступающего из сети, с высокой степенью очистки.
Принцип работы комплекса следующий
o
э
и
. Параметры М, X, Y, Z определяют путем измерения опорных реакций на призмах измерительных рычагов с помощью четырех тензометрических датчиков, калиброванных по суммарному и попарно объединенному электрическому сигналу. Расчет координат центра масс Y, Z производят по реакциям на призмах измерительных рычагов, полученных при вращении изделия вокруг вертикальной оси в фиксированных положениях 0°, 90°, 180°, 270°. Координату X определяют по реакциям на призмах измерительных рычагов, полученным при горизонтальном положении корзины. Определение МИХ основано на использовании метода крутильных колебаний однонитяного подвеса. Делают закрутку подвижной системы, установленной на аэростатическом подвесе и связанной с основанием посредством упругого элемента (торсиона), и освобождают ее без начальной скорости. Подвижная система совершает затухающие колебания, период которых зависит от ее момента инерции. Измеряя ускорение подвижной системы, определяют период колебаний оснастки Т, период колебаний оснастки с магазином мер Т, моменты инерции и координаты ЦМ которых определены с высокой точностью, и период колебаний оснастки с изделием Т.
Угол наклона главной центральной оси инерции находят через построение тензора инерции. Для определения составляющих тензора инерции достаточно определить экспериментально шесть моментов инерции: три - относительно координатных осей и три - относительно биссектрис углов между положительными направлениями координатных осей.
Существенные отличия достигнуты благодаря конструкции и работе системы регистрации, вследствие чего комплекс позволяет с повышенной точностью определять положение маятника и формировать цифровой образ колебательного процесса. Точность определения положения определяют дискретностью измерительного преобразователя линейных перемещений и в установке, построенной на предлагаемом способе, достигает 20 нм.
Расчет периодов колебаний производят одновременно с регистрацией путем подсчета числа интервалов дискретизации цифрового сигнала, укладывающихся в пределах каждого интервала между сигналами метки, и с усреднением рассчитываемого периода по заданному количеству периодов колебаний. При существенном для целей измерения изменении среднего значения периода колебаний последовательных 10-периодных интервалов процесса выполняется анализ амплитудной зависимости периода колебаний.
max/min
cpi.i+1,i+2
mi
,
i
+1
Анализ амплитудной зависимости периодов колебаний (фиг. 2) производят по окончании всех измерений на основе цифрового образа (фиг. 3) затухающих колебаний маятника, сохраняемых в процессе измерений в памяти компьютера. При проведении анализа определяют точки одинакового фазового состояния колебательной системы - моменты достижения максимума и минимума отклонений t, точки положения равновесия для каждого периода колебаний x, коэффициент затухания для каждого периода δ, что позволяет определять уточненное значение периодов колебаний и их зависимость от амплитуды и собственную частоту колебаний.
Испытания заявляемого комплекса подтвердили, что количество опасных операций, таких как снятие, установка и транспортировка испытуемого объекта уменьшилось, в связи с чем уменьшился цикл измерения количества операций, сократились сроки и затраты на подготовку производства.