專利名稱：一種轉動慣量和慣性積測量方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種測量剛體轉動慣量和慣性積的方法及測量裝置。
背景技術：
現有技術中測量轉動慣量通常采用的方法是一、給剛體施加一定扭矩，然后測量其角加速度，通過動量距定理推算轉動慣量；二、采用懸線擺方法，通過測量它的扭振周期來計算轉動慣量。這些方法實現復雜、誤差較大，并且只能測量剛體繞某一特定軸的轉動慣量，不能測量慣性積。
在實際中常常需要測量剛體相對于過質心的軸的轉動慣量，用以上方法必須先確定質心位置，然后使剛體繞過質心的軸旋轉或扭振，這時質心位置的測量誤差會影響轉動慣量的測量精度。
發明內容為解決現有技術中構造復雜、質心位置難以確定和無法測量慣性積的問題，本發明提出了一種測量剛體轉動慣量和慣性積的方法。
本發明所采用的技術方案是利用理論力學中的復擺原理(擺動周期取決于質心位置和轉動慣量)，將被測量物體安放在一個可以繞固定軸擺動的框架上，構成復擺。通過調整剛體與轉軸的相對距離和相對角度測出剛體的質量特性(包括質心位置、慣性主軸和主轉動慣量等)。當剛體與轉軸的相對距離改變時，剛體相對于此轉軸的質心位置和轉動慣量都發生改變，從而有不同的擺動周期。相對距離的改變量可以人為設定，質心位置和轉動慣量的變化都是相對距離變化量的函數，因此只有兩個未知量(質心位置和轉動慣量)，只需測量兩次擺動周期，即可推算出剛體的質心位置和轉動慣量；當剛體的安放角度改變時，該剛體對于過某一點的各個方向軸的轉動慣量構成了一個“慣性橢球”。通過對剛體相對于不同轉軸進行多次測量，可以擬合出該慣性橢球的方程，得到主轉動慣量和主慣性軸的空間方位，從而可以計算出剛體對于空間任意軸的轉動慣量和慣性積。
本發明還提出了一種用于實現測量轉動慣量和慣性積的裝置。該裝置為框架結構，包括支撐架、托盤、懸架、轉軸組件和滑套。懸架可繞轉軸做復擺運動。轉軸組件采用刀口和刀架的結構形式，兩者之間為線接觸，以減小懸架在繞轉軸做復擺運動時的摩擦力。沿懸架在垂直方向上設計有多個刀架，可以在不改變構型的情況下可調整轉軸相對位置(擺臂長度)。托盤通過滑套安裝在懸架下端，并且通過調整滑套在懸架上的位置可調整托盤的角度。
應用本方法可以測出剛體的質心位置、慣性距、主轉動慣量和主慣性軸，從而可以得出剛體對于任意空間軸的轉動慣量和慣性積。方法原理簡單、容易實現，并且容易控制精度。
附圖1是測量系統示意圖；附圖2是轉軸位置上下平移示意圖和轉軸組件的放大示意圖；附圖3是被測物體安放角度調節示意圖；附圖4是慣性橢球示意圖；圖中1.刀架 2.刀口3.橫梁4.懸架 5.支撐架6.被測物體 7.托盤8.滑套9.鎖緊螺栓具體實施例方式實施例一本實施例是將被測量物體安放在一個可以繞固定軸擺動的框架上，使之構成一個復擺。通過調整剛體與轉軸的相對距離和相對角度測出剛體的質量特性(包括質心位置、慣性主軸和主轉動慣量等)。實施中，首先通過改變復擺轉軸位置(擺長)來改變質心位置，進行兩次測量，得到兩組數據，并通過這兩組數據求解出兩個未知數——剛體質心位置和轉動慣量。主轉動慣量和主慣性軸的測量是通過改變剛體安放角度來實現的。剛體對于過某一點的所有軸的轉動慣量構成了“慣性橢球”，通過對剛體相對于不同轉軸進行幾次測量，可以擬合出慣性橢球的方程，得到主轉動慣量和主慣性軸的空間方位，從而可以計算出剛體對于空間任意軸的轉動慣量和慣性積。
為實現本發明的目的，采用的測量裝置為一剛性框架，該框架包括支撐架5、懸架4、托盤7、轉軸組件和滑套8。轉軸組件由刀架1和刀口2組成，刀架1是位于懸架4兩側立框上的“人”字形開口；刀口2螺釘固定在橫梁3的兩端，其縱向剖面為切鍥形，頂尖部與刀架1之間形成線接觸。支撐架5為一對梯形構件，橫梁3位于其上方。懸架4為框形件，兩側立框下部套裝有滑套8，滑套8可以沿懸架4上下移動并用螺釘鎖緊；托盤7通過滑套8安裝在懸架下部，通過調整滑套8在懸架4上的位置可調整托盤7的角度，并且懸架4可通過轉軸組件繞橫梁做往復擺動運動。
如果在調整轉軸位置的過程中改變了整個測量系統的構型，會引起轉動慣量等質量特性的變化，給測量帶來不必要的麻煩，因此需要強調測量中不改變系統構型。為此，在本發明提出的測量裝置中，沿懸架4在不同位置安置有四對刀架1，以在不改變構型的情況下調整轉軸相對位置(擺臂長度)。
測量時，將被測物體6安放在托盤7上，托盤7可隨同懸架4繞轉軸做作單自由度擺動(只有擺角變化)。通過調整被測物體6與轉軸的相對距離和相對角度，測出被測物體6的質量特性(包括質心位置、慣性主軸和主轉動慣量等)。
復擺的擺動周期是由質量、質心位置和轉動慣量決定的，其中周期和質量可以方便地測出，剩下的只有兩個未知數質心位置和轉動慣量。通過改變轉軸在懸架4上的位置可改變復擺轉軸位置(擺長)，進而改變質心位置。通過對兩個不同擺長時擺動周期的測量，得到了兩組數據，可以構成兩個方程，求解出兩個未知數。這里測出的質心位置和轉動慣量都是相對于轉動軸的，對于平行于轉動軸的其它的軸，只需簡單地應用轉動慣量的平行移軸定理就可算出。
主轉動慣量和主慣性軸的測量是通過改變被測物體6的安放角度來實現的。對被測物體6安放角度的調節，實際上是改變了被測物體6和轉軸之間的相對角度。被測物體6對于過某一點的所有軸的轉動慣量構成了一個“慣性橢球”，通過對被測物體6相對于不同轉軸進行幾次測量，可以擬合出慣性橢球的方程，得到主轉動慣量和主慣性軸的空間方位，從而可以計算出被測物體6對于空間任意軸的轉動慣量和慣性積。
橢球面的方程為Ixx2+Iyy2+Izz2-2Ixyxy-2Iyzyz-2Izxzx＝1剛體繞任意軸OL的轉動慣量可表示為矢徑OM(原點到橢球表面)長度的函數I=1OM‾2.]]>實施例二本實施例是將被測量物體安放在一個可以繞固定軸擺動的框架上，使之構成一個復擺。通過調整剛體與轉軸的相對距離和相對角度測出剛體的質量特性(包括質心位置、慣性主軸和主轉動慣量等)。實施中，首先通過改變復擺轉軸位置(擺長)來改變質心位置，進行兩次測量，得到兩組數據，并通過這兩組數據求解出兩個未知數——剛體質心位置和轉動慣量。主轉動慣量和主慣性軸的測量是通過改變剛體安放角度來實現的。剛體對于過某一點的所有軸的轉動慣量構成了“慣性橢球”，通過對剛體相對于不同轉軸進行幾次測量，可以擬合出慣性橢球的方程，得到主轉動慣量和主慣性軸的空間方位，從而可以計算出剛體對于空間任意軸的轉動慣量和慣性積。
為實現本發明的目的，采用的測量裝置為一剛性框架，該框架包括支撐架5、懸架4、托盤7、轉軸組件和滑套8。轉軸組件由刀架1和刀口2組成，刀架1是位于懸架4兩側立框上的“人”字形開口；刀口2焊接在橫梁3的兩端，其縱向剖面為錐形，頂尖部與刀架1之間形成線接觸。支撐架5為一對梯形構件，橫梁3位于其上方。懸架4為框形件，兩側立框下部套裝有滑套8，滑套8可以沿懸架4上下移動并用螺釘鎖緊；托盤7通過滑套8安裝在懸架下部，通過調整滑套8在懸架4上的位置可調整托盤7的角度，并且懸架4可通過轉軸組件繞橫梁做往復擺動運動。
如果在調整轉軸位置的過程中改變了整個測量系統的構型，會引起轉動慣量等質量特性的變化，給測量帶來不必要的麻煩，因此需要強調測量中不改變系統構型。為此，在本發明提出的測量裝置中，沿懸架4在不同位置安置有五對刀架1，以在不改變構型的情況下調整轉軸相對位置(擺臂長度)。
測量時，將被測物體6安放在托盤7上，托盤7可隨同懸架4繞轉軸做作單自由度擺動(只有擺角變化)。通過調整被測物體6與轉軸的相對距離和相對角度，測出被測物體6的質量特性(包括質心位置、慣性主軸和主轉動慣量等)。
復擺的擺動周期是由質量、質心位置和轉動慣量決定的，其中周期和質量可以方便地測出，剩下的只有兩個未知數質心位置和轉動慣量。通過改變轉軸在懸架4上的位置可改變復擺轉軸位置(擺長)，進而改變質心位置。通過對兩個不同擺長時擺動周期的測量，得到了兩組數據，可以構成兩個方程，求解出兩個未知數。這里測出的質心位置和轉動慣量都是相對于轉動軸的，對于平行于轉動軸的其它的軸，只需簡單地應用轉動慣量的平行移軸定理就可算出。
主轉動慣量和主慣性軸的測量是通過改變被測物體6的安放角度來實現的。對被測物體6安放角度的調節，實際上是改變了被測物體6和轉軸之間的相對角度。被測物體6對于過某一點的所有軸的轉動慣量構成了一個“慣性橢球”，通過對被測物體6相對于不同轉軸進行幾次測量，可以擬合出慣性橢球的方程，得到主轉動慣量和主慣性軸的空間方位，從而可以計算出被測物體6對于空間任意軸的轉動慣量和慣性積。
橢球面的方程為Ixx2+Iyy2+Izz2-2Ixyxy-2Iyzyz-2Izxzx＝1剛體繞某根軸OL的轉動慣量可表示為矢徑OM(原點到橢球表面)長度的函數I=1OM‾2.]]>
權利要求
1.一種測量剛體轉動慣量和慣性積的方法，其特征在于令被測量剛體繞固定軸擺動，構成復擺，通過調整剛體與固定軸間的距離(擺長)，測量不同擺長對應的復擺擺動周期，推算出剛體的質心位置和轉動慣量；通過改變剛體安放角度來實現主轉動慣量和主慣性軸的測量，具體方法是利用被測物體對于過某一點的各個方向軸的轉動慣量構成的“慣性橢球”，通過幾次測量，擬合出慣性橢球的方程，得到主轉動慣量和主慣性軸的空間方位，進而計算出剛體對于空間任意軸的轉動慣量和慣性積。
2.一種實現權利要求1所述測量剛體轉動慣量和慣性積的方法的裝置，其特征在于該裝置包括支撐架(5)、懸架(4)、托盤(7)、轉軸(3)、滑套(8)和轉軸組件，其中轉軸組件由刀口(2)和刀架(1)組成，懸架4通過轉軸組件繞橫梁做往復擺運動；沿懸架(4)在不同位置安置有刀架(1)；支撐架(5)為梯形構件，橫梁(3)位于其上方。
3.如權利要求2所述測量剛體轉動慣量和慣性積的方法的裝置，其特征在于托盤(7)通過滑套(8)安裝在懸架(4)上，并通過滑套(8)在懸架(4)上的位置調整托盤(7)的角度。
4.如權利要求2所述測量剛體轉動慣量和慣性積的方法的裝置，其特征在于刀架(1)是位于懸架(4)兩側立框上的“人”字形開口；刀口(2)固定在橫梁(3)的兩端，其縱向剖面為切鍥形，其頂尖部與刀架(1)之間形成線接觸。
全文摘要
本發明是一種測量剛體轉動慣量和慣性積的方法及測量裝置。為克服現有技術中構造復雜、質心位置難以確定和無法測量慣性積的不足，本發明將被測物體置于可繞橫梁(3)做復擺動的托盤(7)上，通過改變托盤(7)與橫梁(3)的相對距離和相對角度，測量相應的復擺擺動周期，推算剛體的質心位置和轉動慣量，擬合出慣性橢球的方程，得到主轉動慣量和主慣性軸的空間方位，從而計算出剛體對于空間任意軸的轉動慣量和慣性積。應用本方法可以方便的測出剛體的質心位置、慣性距、主轉動慣量和主慣性軸，從而可以得出剛體對于任意空間軸的轉動慣量和慣性積。方法原理簡單、容易實現，并且容易控制精度。
文檔編號G01M1/10GK1546971SQ20031011897
公開日2004年11月17日 申請日期2003年12月9日 優先權日2003年12月9日
發明者袁昌盛, 宋筆鋒, 李占科 申請人:西北工業大學