基于转动惯量测量惯性参数方法的研究

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刚体的惯性参数有转动惯量、惯性积、质心3种,分布于针对三维空间坐标系的三根坐标轴则共为9个。刚体的转动惯量、惯性积、质心有着重要的物理意义,在科学实验、工程技术、航天、电力、机械、仪表等工业领域也是重要参量。由于实际工程应用中刚体的内部结构非常复杂,质量分布并不均匀,在科学实践研究过程中通过理论计算得到的惯性参数与其使用要求相差甚远,因此必须使用专有的测量设备,并对其测量特性进行必要的研究与了解。  本文提出了一种较有效的惯性参数测量方法,制定了切实可行的测量方案,设计并构造了具有一定测量精确度的惯性参数测量系统,并对测量系统的一系列特性进行了分析,具体工作如下:  1.提出测量原理。根据静压气体轴承理想状态下的运动规律,即其低速自由转动速度是随时间衰减的单指数函数,测得物体针对空间轴的转动惯量。转动惯量的计算式中包含了物体针对自身坐标系的9个惯性参数,建立惯性参数测量方程组,通过解方程组求得物体对自身三坐标轴的转动惯量、惯性积、质心。  2.根据测量原理确定测量方案,并依照测量要求设计测量装置。机械本体部分拟使用万向轴来达到空间位置的变换,电测部分采用Labview软件虚拟实验仪器功能进行设计。  3.实验的实施。搭建实验平台,利用两个转盘实现被测物体空间位置的九次变化,利用已设计成功的Labviw系统采集及处理数据,简单实现整个惯性参数测量系统。通过实验验证测量原理的正确性及测量方案的可行性。  4.对测量系统进行整体分析。测量过程中所涉及的测量参数运用Monte Carlo数学模拟实验方法进行分析,得出工艺参数取值的选择范围。对测量误差产生的原因从公式拟合、设备器件、位置偏移三方面进行分析。使用Matlab仿真软件对测量系统的工作方式及自动控制方法进行仿真,保证本测量系统在方案设计阶段就能具有一定的稳定性及可靠性。  本文研究的是一种测量刚体转动惯量、惯性积、质心的新方法。为克服现有测量技术中对构造复杂的物体的质心位置难以确定以及无法测量惯性积的不足,本方法可以方便的测出刚体的质心位置、主转动惯量和主惯性积,测量方法原理简单、容易实现,测量设备轻便,装夹便利,且达到了一定的精度。
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