Комплекс для определения инерционных характеристик с измерительной системой

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.

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_x. J_y. J_z, 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. 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_o, период колебаний оснастки с магазином мер Т_э, моменты инерции и координаты ЦМ которых определены с высокой точностью, и период колебаний оснастки с изделием Т_и.

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.

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_max/min, точки положения равновесия для каждого периода колебаний x_cpi.i+1,i+2, коэффициент затухания для каждого периода δ_mi,i+1, 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.