JP2981465B1 - Method and apparatus for measuring moment of inertia - Google Patents
Method and apparatus for measuring moment of inertiaInfo
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Abstract
【要約】
【課題】 使用上の操作が簡単で、測定精度が極めて高
い慣性モーメントの測定方法およびその装置を提供す
る。
【解決手段】慣性モーメント測定装置は、測定すべき物
体を着脱可能に装着できる回転本体4,回転本体4の回
転軸回りに加わるトルクを検出するトルク検出器3,回
転本体4の回転軸回りの回転角を検出する回転角検出器
11,前記回転本体4に外部から回転運動を与える回転
駆動手段7,8,9,10,上記の方法を実施する数値
演算プログラムを格納する記憶器と、トルク検出器3お
よび回転角検出器11の検出信号に基づき前記数値演算
プログラムを実施して慣性モーメントを算出するプロセ
ッサとを含む信号処理部22および所望の角度変化を与
える駆動信号を発生させて前記回転駆動手段の電動モー
タ7を駆動するモータ駆動部24を有する電気制御装置
20を備えている。An object of the present invention is to provide a method and an apparatus for measuring a moment of inertia which are easy to use and have extremely high measurement accuracy. Kind Code: A1 Abstract: A moment of inertia measuring device includes a rotating body on which an object to be measured can be detachably mounted, a torque detector for detecting torque applied around a rotating axis of the rotating body, and a torque detector around a rotating axis of the rotating body. A rotation angle detector 11 for detecting a rotation angle, rotation driving means 7, 8, 9, 10 for externally applying a rotational movement to the rotating body 4, a storage for storing a numerical calculation program for implementing the above method, and a torque A signal processing unit 22 including a processor for calculating the moment of inertia by executing the numerical calculation program based on the detection signals of the detector 3 and the rotation angle detector 11 and generating a drive signal for giving a desired angle change; An electric control device 20 having a motor driving unit 24 for driving the electric motor 7 as a driving means is provided.
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】この発明は、回転部品、特に電気
的および機械的な回転部品の慣性モーメントを測定する
方法およびこの方法を実施する装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for measuring the moment of inertia of a rotating part, in particular an electrical and mechanical rotating part, and to an apparatus for implementing the method.
【0002】[0002]
【従来の技術】回転運動を伴う電気的もしくは機械的部
品の動的運動特性には、その部品の慣性モーメントが重
要な役割を演ずる。例えば、各種電動機のロータ、OA
機器、ビデオ、あるいはオーディオ機器のディスク・ド
ライブ機構、自動車の回転部品(ブレーキディスク、ク
ラッチ板、過給器のロータ等)では回転軸回りの慣性モ
ーメントを正しく評価することが大切である。また、円
弧運動を伴う機械部品、例えばロボットアーム等にもこ
のことが当てはまる。更に、運動器具で、例えばゴルフ
クラブのヘッドの設計にもその慣性モーメントの知識は
重要である。特に駆動源を電動機としたサーボ系では、
この種の回転部品を含む全系の応答周波数特性を正しく
理解するのに、その部品の慣性モーメントを知ることが
極めて重要である。2. Description of the Related Art The moment of inertia of an electrical or mechanical component plays an important role in the dynamic motion characteristics of the electrical or mechanical component accompanying the rotary motion. For example, rotors of various electric motors, OA
It is important to correctly evaluate the moment of inertia around the rotation axis of disk drive mechanisms of equipment, video or audio equipment, and rotating parts of automobiles (brake disks, clutch plates, rotors of turbochargers, etc.). This also applies to mechanical parts with circular motion, such as robot arms. Furthermore, knowledge of the moment of inertia is also important in the design of exercise equipment, for example, the head of a golf club. Especially in a servo system using a motor as the drive source,
In order to correctly understand the response frequency characteristics of the whole system including this kind of rotating parts, it is extremely important to know the moment of inertia of the parts.
【0003】しかしながら、慣性モーメントを正確にし
かも簡単な操作で測定できる実用的な装置は未だ市場に
提供されていない。従って、慣性モーメントの知見を必
要とする場合、装置の開発設計者が必要に応じて実験室
的に当該部品の慣性モーメントを求めているに過ぎな
い。計測すべき対象物に直結する回転体の回転軸の回り
に適当な回転駆動装置を用いて回転運動を与え、時刻t
でのその対象物の回転軸の回りの回転角θ(t) と回転ト
ルクm(t) を測定して、以下の関係、[0003] However, a practical device capable of measuring the moment of inertia accurately and with a simple operation has not yet been provided on the market. Therefore, when knowledge of the moment of inertia is required, the development designer of the device merely obtains the moment of inertia of the part in a laboratory as necessary. Rotational motion is given around the rotation axis of the rotating body directly connected to the object to be measured by using an appropriate rotation driving device, and the time t
The rotation angle θ (t) of the object around the rotation axis and the rotation torque m (t) are measured at
【外4】 から満たす慣性モーメントIを求める。従って、各時点
tでのトルクM(t) と回転角加速度d2θ(t)/d2t を実測
できれば、慣性モーメントIを原理的に求めることがで
きる。しかし、実際には、回転角加速度を一定の期間に
わたり一定に維持するような回転運動を与えることが困
難であるため、トルクと回転角度θ(t) あるいは回転角
速度 dθ(t)/dtの瞬時値を求める必要があり、回転角加
速度を求めるには更に回転角あるいは回転角速度を時間
微分する必要がある。このような操作では、トルクと回
転角または回転角速度の現実の測定値に避けがたい時間
変動を含むため、測定精度の著しく低下した慣性モーメ
ントしか求まらない。[Outside 4] Is obtained from equation (1). Therefore, if the torque M (t) and the rotational angular acceleration d 2 θ (t) / d 2 t at each time point t can be measured, the moment of inertia I can be obtained in principle. However, in practice, it is difficult to provide a rotational motion that maintains the rotational angular acceleration constant over a certain period, so that the torque and the rotational angle θ (t) or the rotational angular velocity dθ (t) / dt It is necessary to obtain a value, and to obtain the rotation angular acceleration, it is necessary to further differentiate the rotation angle or the rotation angular velocity with time. In such an operation, since the actual measured values of the torque and the rotation angle or the rotation angular velocity include unavoidable time fluctuations, only the moment of inertia whose measurement accuracy is significantly reduced is obtained.
【0004】また、慣性モーメントIを高精度で測定す
る必要がある場合、この方式では回転運動を与える機構
に計測すべき対象物を組み入れた状態で、回転角計とト
ルクメータを別々に較正する必要がある。特に両方の検
出器の経時変化等のため、この較正を比較的頻繁に行う
必要がある。In the case where the moment of inertia I needs to be measured with high accuracy, the rotation angle meter and the torque meter are separately calibrated in this system while the object to be measured is incorporated in a mechanism for giving a rotational movement. There is a need. This calibration needs to be performed relatively frequently, especially due to aging of both detectors.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】この発明の課題は、使
用上の操作が簡単で、それにもかかわらず測定精度が極
めて高い慣性モーメントの測定方法およびその装置を提
供することにある。更に、この測定装置の較正が簡単に
行えることが望ましい。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method and a device for measuring the moment of inertia, which are easy to use and yet have extremely high measurement accuracy. Furthermore, it is desirable that the calibration of this measuring device be simple.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】上記の課題は、この発明
により、測定すべき物体を着脱可能に装着できる回転本
体を回転駆動機構により回転させ、回転軸周りに加わる
トルクm(t) をトルク検出器で、また回転軸周りの回転
角θ(t) を回転角検出器でそれぞれ検出し、前記回転軸
周りの当該物体の慣性モーメントIx を測定する方法に
あって、下記の過程、 ・トルク印加期間内の第一時点ts とそれ以後の第二時
点te にわたる測定期間[ts,te] の間で回転本体が回
転した全回転角度Θ(ts,te) を求め、 ・測定期間内の多数の時点tに対応するトルクm(t) を
求め、 ・求めたトルクm(t) の値を前記測定期間に関して数値
的に二重時間積分し、 ・二重時間積分したトルクの値M(ts,te) を全回転角
度Θ(ts,te) で割り算してその時の測定系の慣性モー
メントを求める、を回転本体に当該物体を装着した場合
と、装着しない場合についてそれぞれ実施し、測定すべ
き物体を装着した測定系の慣性モーメントI1 から測定
すべき物体を装着していない測定系の慣性モーメントI
0 を引き算した値を測定すべき物体の慣性モーメントI
x とする、ことによって解決されている。SUMMARY OF THE INVENTION According to the present invention, a rotating body on which an object to be measured can be detachably mounted is rotated by a rotation driving mechanism, and the torque m (t) applied around the rotation axis is reduced. A detector, and a rotation angle θ (t) around the rotation axis is detected by a rotation angle detector, and a method of measuring the moment of inertia I x of the object around the rotation axis, comprising the following steps: the first time point t s and subsequent second time point t e over the measurement period in the torque application period [t s, t e] full rotation angle Θ rotation body is rotated between the seek (t s, t e) Obtaining a torque m (t) corresponding to a number of time points t in the measurement period; double numerically integrating the obtained value of the torque m (t) with respect to the measurement period; values M (t s, t e) of the torque of the full rotation angle Θ (t s, t e) measuring at that time divided by A case of obtaining the moment of inertia, the object attached to the rotating body, not performed, respectively, the object to be measured from the moment of inertia I 1 of the measuring system fitted with an object to be measured is mounted for when not worn Moment of inertia I of the measuring system
Moment of inertia I of the object to be measured by subtracting 0
x has been solved by
【0007】更に、上記の課題は、この発明により、 ・測定すべき物体を着脱可能に装着できる回転本体4, ・回転本体4の回転軸回りに加わるトルクを検出するト
ルク検出器3, ・回転本体4の回転軸回りの回転角を検出する回転角検
出器11, ・前記回転本体4に外部から回転運動を与える回転駆動
手段7,8,9,10, ・上に述べた方法を実施する数値演算プログラムを格納
する記憶器と、トルク検出器3および回転角検出器11
の検出信号に基づき前記数値演算プログラムを実施して
慣性モーメントを算出するプロセッサとを含む信号処理
部22,および所望の角度変化を与える駆動信号を発生
させて前記回転駆動手段の電動モータ7を駆動するモー
タ駆動部24を有する電気制御装置20, を備えている慣性モーメント測定装置によって解決され
ている。[0007] Further, the present invention provides a rotary body 4 for detachably mounting an object to be measured, a torque detector for detecting a torque applied around a rotation axis of the rotary body 3, A rotation angle detector 11 for detecting a rotation angle of the main body 4 about a rotation axis; a rotation drive means 7, 8, 9, 10, for applying a rotational movement to the rotation main body 4 from outside; A storage device for storing a numerical calculation program, a torque detector 3 and a rotation angle detector 11
A signal processing unit 22 including a processor for executing the numerical calculation program based on the detected signal to calculate the moment of inertia, and generating a drive signal for giving a desired angle change to drive the electric motor 7 of the rotary drive means The problem is solved by a moment of inertia measuring device comprising an electric control device 20, having a motor drive 24,
【0008】この発明による他の有利な構成は、特許請
求の範囲の従属請求項に記載されている。[0008] Other advantageous configurations according to the invention are set out in the dependent claims.
【0009】[0009]
【発明の実施の形態】この発明の上記の構成によれば、
使用する慣性モーメント測定装置には試験片を回転させ
る回転軸にトルク検出器と回転角検出器を組み込み、こ
の回転軸に適当な回転駆動手段を用いて図1に示す単発
的な回転運動を加える。特に、回転角速度 dθ/dt が半
周期の正弦波を示すように選ぶと有利である。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS According to the above configuration of the present invention,
In the moment of inertia measuring device used, a torque detector and a rotation angle detector are incorporated in a rotating shaft for rotating a test piece, and a single rotating motion shown in FIG. 1 is applied to the rotating shaft by using an appropriate rotating drive means. . In particular, it is advantageous to select the rotational angular velocity dθ / dt so as to exhibit a half-period sine wave.
【0010】この発明による計測方法を一般的に数式で
示す。先ず、測定には3つのモードを使用し、このモー
ドを記号i=0〜2で指定する。即ち、 第0測定モード(i=0): 測定系に試験片を装着して
いない無負荷状態での測定 第1測定モード(i=1): 実際に計測すべき試験片を
装着した状態での測定 第2測定モード(i=2): 既知の慣性モーメントを持
つ基準分銅を装着した状態での測定、 である。以下に述べる諸量をこれ等の測定モードに関し
て区別したい場合、i=0,1および2がそれぞれ第
0、第1および第2測定モードを意味する下付きの添字
iを対応する諸量の記号に付加する。The measuring method according to the present invention is generally shown by mathematical expressions. First, three modes are used for measurement, and these modes are designated by symbols i = 0 to 2. That is, the 0th measurement mode (i = 0): Measurement in a no-load state where no test piece is mounted on the measurement system. The first measurement mode (i = 1): The state in which a test piece to be actually measured is mounted. Measurement 2nd measurement mode (i = 2): Measurement with a reference weight having a known moment of inertia attached. If it is desired to distinguish between the quantities described below with respect to these measurement modes, i = 0, 1 and 2 denote the 0th, 1st and 2nd measurement modes, respectively, with a subscript i indicating the corresponding quantity. To be added.
【0011】図1に示す回転モーメント印加期間 [tA,
tB ] 内の適当な期間 [ts,te ](tA ≦ts <te
≦tB )を測定期間とし、この測定期間中に回転軸に加
わったi測定モードでのトルクm(t) の二重積分値M
(ts,te)は、The rotational moment application period [t A,
t B] suitable period within [t s, t e] ( t A ≦ t s <t e
≦ t B ) as a measurement period, and a double integral value M of the torque m (t) applied to the rotating shaft during the measurement period in the i measurement mode.
(t s, t e )
【外5】 となる。更に、式 (1)の回転角加速度d2θ(t)/d2t を二
回積分すると、その時の値は回転軸に印加したトルクに
より回転軸が実際に回転した角度Θに相当する。従っ
て、測定中に回転軸が回転した角度Θ(ts,te)は、図
1から、 Θ(ts,te)=Θ(te)−Θ(ts) (3) となる。[Outside 5] Becomes Further, when the rotational angular acceleration d 2 θ (t) / d 2 t in Expression (1) is integrated twice, the value at that time corresponds to the angle し た at which the rotary shaft is actually rotated by the torque applied to the rotary shaft. Therefore, the angle theta that the rotating shaft is rotated during the measurement (t s, t e) is composed of Figure 1, theta and (t s, t e) = Θ (t e) -Θ (t s) (3) .
【0012】更に、I0 を無負荷時の測定系の慣性モー
メント、Ix を試験片のみの慣性モーメントおよびIs
を基準分銅のみの慣性モーメントとすると、第i測定モ
ードで求まる測定系全体の慣性モーメントIi は、 Ii =I0 +Ix δi1+Is δi2 (i = 0, 1, 2) (4) と表すことができる。ここでδijはi=jのとき1であ
り、i≠jのとき0であることを意味する。Further, I 0 is the moment of inertia of the measuring system under no load, I x is the moment of inertia of only the test piece, and I s
When the moment of inertia of the calibration weight only, the i moment of inertia I i of the entire measurement system obtained in measurement mode, I i = I 0 + I x δ i1 + I s δ i2 (i = 0, 1, 2) (4 ) It can be expressed as. Here, δ ij is 1 when i = j, and is 0 when i ≠ j.
【0013】更に、上に定義した諸量を用い、式 (1)を
二重積分すると、第i測定モードでの慣性モーメントI
i は、Further, when the equations (1) are double-integrated using the quantities defined above, the moment of inertia I in the i-th measurement mode is obtained.
i is
【外6】 と表せる。[Outside 6] Can be expressed as
【0014】試験片の慣性モーメントIX は (4)式か
ら、From the equation (4), the moment of inertia I X of the test piece is given by
【外7】 として求めることができる。ここでI0 とI1 の測定で
測定時間が必ずしも一致しないのでそれを区別するため
I1 の測定期間の最初と最後の時点ts',te 'のように
ダッシュ「’」の記号を付けた。[Outside 7] Can be obtained as Here, since the measurement time does not always coincide with the measurement of I 0 and I 1 , to distinguish between them, a dash “′” symbol such as the first and last time points t s ′ and t e ′ of the measurement period of I 1 is used. I attached.
【0015】今までの算出方法では、回転角度検出器お
よびトルク検出器は既に較正されているもので、各検出
器の出力信号は対応する量の絶対値を示すとした。しか
し、実際に測定系を作製する場合、両方の検出器の出力
信号と実際の検出量の値を較正しておく必要がある。次
にこの場合に付いて説明する。回転角検出器の検出信号
ea(t) と実際の回転角θ(t) の間、およびトルク検出
器の検出信号eb(t)と実際に印加されているトルクm
(t) の間の比例係数をそれぞれca およびcbとする
と、 θ(t) =ca・ea(t) (7) m(t) =cb・eb(t) (8) と表すことができる。比例係数ca,cb を用いると、式
(2) によるトルクm(t)の二重時間積分値Mはトルク検
出器の検出信号eb(t) の測定期間 [ts,te ]での二重
積分値Eb(ts,te ) を用いて、In the calculation method so far, the rotation angle detector and the torque detector have been already calibrated, and the output signal of each detector indicates the absolute value of the corresponding amount. However, when actually producing the measurement system, it is necessary to calibrate the output signals of both detectors and the value of the actual detection amount. Next, this case will be described. Between the detection signal e a (t) of the rotation angle detector and the actual rotation angle θ (t), and between the detection signal e b (t) of the torque detector and the actually applied torque m
Assuming that the proportional coefficients between (t) are c a and c b , respectively, θ (t) = c a · e a (t) (7) m (t) = c b · e b (t) (8) It can be expressed as. Using the proportional coefficients c a and c b ,
Detection signal measurement period of e b (t) of the double time integral value M of the torque m (t) by (2) a torque detector [t s, t e] in the double integration value E b (t s, Using t e )
【外8】 と表すことができる。同時に、この測定期間中に回転体
が実際に回転した全回転角Θ(ts,te) は、 Θ(ts,te) =ca[ea(te)−ea(ts)]≡caEa(ts,te) (10) となる。[Outside 8] It can be expressed as. At the same time, the total rotation angle Θ (t s, t e) the rotary body is actually rotated during the measurement period, Θ (t s, t e ) = c a [e a (t e) -e a (t s)] ≡c a E a ( t s, a t e) (10).
【0016】第0測定モードと第1測定モードに付い
て、式(5) に式(8) と(9) をそれぞれ代入すると、比例
係数ca,cb の比K,By substituting Equations (8) and (9) into Equation (5) for the 0th measurement mode and the 1st measurement mode, respectively , the ratios K and C of the proportional coefficients c a and c b are obtained.
【外9】 を用いて、[Outside 9] Using,
【外10】 となる。[Outside 10] Becomes
【0017】式(11), (12)を用い、式(4) から試験片の
慣性モーメントIx はUsing equations (11) and (12), from equation (4), the moment of inertia I x of the test piece is
【外11】 として求めることができる。なお、ここではEa,Eb の
測定期間を示すパラメータts,te の表示を見通しを良
くするため省いている。以後の式でも同様な省略を行
う。[Outside 11] Can be obtained as Note that the display of the parameters t s and t e indicating the measurement period of E a and E b is omitted here for better visibility. Similar omissions are made in the following equations.
【0018】同様に、第0測定モードと第2測定モード
から既知の慣性モーメントIS は、Similarly, the moment of inertia I S known from the zeroth measurement mode and the second measurement mode is
【外12】 として求めることができる。従って、既知の慣性モーメ
ントIS と両測定モードの回転角検出器の検出信号
Ea0,Ea2とトルク検出器の二重時間積分した値Eb0,
Eb2から比例係数の比Kを、[Outside 12] Can be obtained as Therefore, the known moment of inertia I S , the detection signals E a0 and E a2 of the rotation angle detectors in both measurement modes, and the value E b0 obtained by double time integration of the torque detector,
From E b2, the ratio K of the proportionality coefficient is
【外13】 として求めることができる。ここで、注意すべきことは
較正分銅を用いると、比例係数ca とcb の値を実測し
なくてもKの値を決定できる点にある。[Outside 13] Can be obtained as Here, it should be noted that if a calibration weight is used, the value of K can be determined without actually measuring the values of the proportional coefficients c a and c b .
【0019】[0019]
【実施例】以下、好適実施例を示す図面に基づきこの発
明を更に詳しく説明する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below in more detail with reference to the drawings showing preferred embodiments.
【0020】図2に主要部を示す慣性モーメント測定装
置では、回転本体4に印加されるトルクを検出するた
め、トルク検出器3を介して回転本体4の一方の端部に
試験片1を取り付けるチャック2が固定連結されてい
る。回転本体4は軸受5を介して架台6に回転可能に固
定されている。この架台6は図示していない適当な支持
部材を介して床あるいはテーブル(何れも図示せず)に
固定されている。回転本体4の他端にはプーリ8が連結
し、更にその軸方向の先端にはこの回転本体の回転角位
置を検出する回転角検出器11のローター部が連結され
ていて、回転角検出器11の本体部分は架台6の一部に
固定されている。In the moment of inertia measuring device whose main part is shown in FIG. 2, the test piece 1 is attached to one end of the rotating body 4 via the torque detector 3 in order to detect the torque applied to the rotating body 4. The chuck 2 is fixedly connected. The rotating body 4 is rotatably fixed to a gantry 6 via a bearing 5. The gantry 6 is fixed to a floor or a table (neither is shown) via a suitable support member (not shown). A pulley 8 is connected to the other end of the rotating body 4, and a rotor of a rotating angle detector 11 for detecting a rotating angle position of the rotating body is further connected to an axial end of the pulley 8. The main body 11 is fixed to a part of the gantry 6.
【0021】更に、回転本体4への回転運動を伝達する
ため、架台6の回転本体4の近くに電動モータ7が設け
てあり、この電動モータ7のシャフトの先端にはプーリ
9が固定されている。プーリ8とプーリ9の間には適当
な減速比でトルクを伝達するベルト10が張架されてい
る。Further, an electric motor 7 is provided near the rotating body 4 of the gantry 6 for transmitting a rotating motion to the rotating body 4, and a pulley 9 is fixed to a tip of a shaft of the electric motor 7. I have. A belt 10 that transmits torque at an appropriate reduction ratio is stretched between the pulley 8 and the pulley 9.
【0022】回転本体4の中心軸とチャック2の中心軸
は同芯に配置されているので、試験片1の中心軸C0 の
回りにトルクを矢印のように加えることができる。従っ
て、この装置では試験片1の中心軸C0 回りの慣性モー
メントを測定することになる。更に、測定系の較正を行
うため、無負荷、つまり試験片1をチャック2から取り
外し、何も装着しない状態や、上記中心軸C0 回りに既
知の慣性モーメントを有する基準分銅を装着する状態を
実現できる。Since the center axis of the rotary body 4 and the center axis of the chuck 2 are arranged concentrically, a torque can be applied around the center axis C 0 of the test piece 1 as shown by an arrow. Accordingly, in this apparatus will measure the central axis C 0 around the moment of inertia of the test piece 1. Furthermore, in order to perform calibration of the measurement system, no load, i.e. remove the test piece 1 from the chuck 2, nothing or state not mounted, the state of mounting a calibration weight having a known moment of inertia to the center axis C 0 around realizable.
【0023】トルク検出器3は両端のフランジに軸方向
C0 に指し渡されている弾性部材ビームの捩じれ量を検
出してトルク量に換算する方式のもので、捩じれ量はビ
ームに貼り付けた歪みゲージを用いて検出される。回転
角検出器11はローター部に直列の2本の磁気抵抗素子
を採用し、本体部分に永久磁石を内蔵しているもので、
直列の磁気抵抗素子の両端に一定電位を印加して中間タ
ップでの電圧変化からローター部の相対回転角を検出で
きるものである。The torque sensor 3 is intended method for converting the amount of torque by detecting the amount twist elastic member beam being passed pointing axially C 0 at both ends of the flanges, twist amount was attached to the beam It is detected using a strain gauge. The rotation angle detector 11 employs two magnetoresistive elements in series in a rotor part and has a permanent magnet built in a main body part.
A constant potential is applied to both ends of a series magnetoresistive element, and a relative rotation angle of the rotor can be detected from a voltage change at an intermediate tap.
【0024】この慣性モーメント測定装置の付属電気制
御装置20は、図2に示すように、演算処理部22,モ
ータ駆動部24および付属する出力表示部DSP,入力
ユニットINHおよび出力印字部PRTで構成されてい
る。入力ユニットINHは測定モード(i=0〜2)の
指定、測定開始の指定、所要入力数値等を入力する機能
キーや数字キーを有し、全ての入力指令をこのユニット
で指定ないしは入力する。測定途中あるいは測定後の結
果は逐次出力表示部DSPに表示でき、最終測定結果は
出力印字部PRTのプリンターで打ち出せる。演算処理
部22とトルク検出器3の歪みゲージのブリッジへの印
加電位およびブリッジからのトルク検出信号の入出力は
導線L1 を介して行われ、演算処理部22と回転角検出
器11の磁気抵抗素子へのバイアス電流の印加および中
間タップからの回転角検出信号の取り出しは導線L2 を
介して行われる。モータの駆動電流はモータ駆動部24
から導線L3 を経由して電動モータ7に導入され、図1
の回転角加速度 d2θ/dt2を与える駆動指令信号S
c は、演算処理部22に内蔵されている記憶器から導線
L4 を経由してモータ駆動部24に導入されるプログラ
ム制御信号(インバータ回路に対する)の指令により決
定される。As shown in FIG. 2, the attached electric control unit 20 of the moment of inertia measuring device comprises an arithmetic processing unit 22, a motor drive unit 24, an attached output display unit DSP, an input unit INH, and an output printing unit PRT. Have been. The input unit INH has function keys and numeric keys for designating a measurement mode (i = 0 to 2), designating the start of measurement, and inputting required input numerical values and the like, and designates or inputs all input commands with this unit. The results during or after the measurement can be sequentially displayed on the output display unit DSP, and the final measurement results can be printed out by the printer of the output printing unit PRT. The potential applied to the bridge of the strain gauges of the arithmetic processing unit 22 and the torque detector 3 and the input and output of the torque detection signal from the bridge are performed via the conductor L 1. extraction of the rotation angle detection signal from the application and the center tap of the bias current to the resistor element is performed via conductor L 2. The drive current of the motor is
Via conductors L 3 are introduced to the electric motor 7, FIG. 1
Command signal S that gives the rotational angular acceleration d 2 θ / dt 2
c is determined by a command via the lead L 4 from the storage device built in the arithmetic processing unit 22 program control signal introduced into the motor drive unit 24 (relative to the inverter circuit).
【0025】演算処理部22とモータ駆動部24の詳し
い回路構成を図3に示す。演算処理部22では、導線L
1 を介して導入されたトルク検出器3の検出信号が濾波
とインピーダンス変換用の初段増幅回路A1 に導入さ
れ、その出力信号はサンプル・ホールド回路SHを経由
してアナログ・デジタル変換器A/D1 に入力する。こ
のデンジタル検出信号は中央演算部26に導入される。
同様に、導線L2 を経由して導入された回転角検出器1
1の検出信号は初段増幅回路A1 に導入され、その出力
信号はアナログ・デジタル変換器A/D1 によりデジタ
ル検出信号にして中央演算部26に入力する。発振器O
SCの発振パルスの周波数を分周器DIVで適当な周波
数に分周して導線LS を介してサンプル・ホールド回路
SHへ導入し、サンプリング期間は分周されたパルス期
間で決まる。トルクに関する二重時間積分値Eb は一定
時間間隔でサンプリングしたトルク検出値eb (t) の全
てを一旦記憶器に保管し、保管した検出値を測定期間に
対して二回積算して算出される。中央演算部26は計算
途中の数値を一時保管する第一記憶器RAM,所定のプ
ログラムや数値および既に説明した種々の数式を保管し
て必要に応じて取り出して処理できる第二記憶器RO
M,マイクロプロセッサμPを主要部としてインターフ
ェースIO1 〜IO4 を含めてバス結線されたものであ
る。これ等の素子の全て、あるいは複数の特定な組を一
体に集積した大規模ICとして使用することもできる。
図3にはこのICを参照符号26として例示的に示して
ある。FIG. 3 shows a detailed circuit configuration of the arithmetic processing section 22 and the motor driving section 24. In the arithmetic processing unit 22, the conductor L
Detection signals of the torque sensor 3 that has been introduced through a 1 is introduced into the first stage amplifier circuit A 1 for the conversion filtering and impedance, the output signal sample and hold circuit via the SH analog-to-digital converter A / is input to the D 1. This digital detection signal is introduced into the central processing unit 26.
Similarly, the rotation angle detector 1 introduced via the conductor L 2
The detection signal of No. 1 is introduced into the first-stage amplifier circuit A 1 , and its output signal is converted into a digital detection signal by the analog / digital converter A / D 1 and input to the central processing unit 26. Oscillator O
The frequency of the SC oscillation pulse is frequency-divided by a frequency divider DIV to an appropriate frequency and introduced into the sample-and-hold circuit SH via a lead L S , and the sampling period is determined by the frequency-divided pulse period. Double time integrated value E b relates to a torque stored once storage device all of the torque detection value obtained by sampling at regular time intervals e b (t), calculated by integrating twice the detection value stored for the measurement period Is done. The central processing unit 26 has a first storage RAM for temporarily storing numerical values in the middle of calculation, a second storage RO for storing predetermined programs and numerical values and various mathematical expressions described above, and taking out and processing them as needed.
M, is one that is bus-connected, including an interface IO 1 ~IO 4 the microprocessor μP as a main unit. All of these elements or a plurality of specific sets can be used as a large-scale integrated IC.
FIG. 3 exemplifies this IC as reference numeral 26.
【0026】モータ駆動部24では、商用交流電力を整
流して出力トランジスタTr1,Tr2のコレクタに加え制
御回路CTLの出力を両方のトランジスタのベースに印
加して所望の出力電流を導線L3 を介して電動モータ7
に送る。その際、サーボモータとして中心的な役割を担
う制御回路CTLは、図1に示すような、角速度 dθ/d
t がほぼ半周期の正弦波状の回転出力を与えるように電
動モータ7の励磁電流を制御するもので、その出力パタ
ーンは記憶器ROMに保管されているプログラム数値に
入力ユニットINHで指定された適当な振幅値を乗算し
て導線L4 により制御回路CTLへ供給される。更に、
この制御回路CTLへ導入される帰還監視信号として
は、モータへの印加電流の検出信号SI および、必要で
あれば、回転位置信号SP や回転速度信号SV も導入さ
れる。The motor drive unit 24 rectifies the commercial AC power, applies the output of the control circuit CTL to the collectors of the output transistors Tr 1 and Tr 2 and applies the output of the control circuit CTL to the bases of both transistors, and supplies a desired output current to the conductor L 3. Through the electric motor 7
Send to At this time, the control circuit CTL which plays a central role as a servomotor has an angular velocity dθ / d as shown in FIG.
t is to control the exciting current of the electric motor 7 so as to give a sine-wave-shaped rotation output having a substantially half cycle, and its output pattern is determined by a program numerical value stored in the storage ROM and an appropriate value designated by the input unit INH. It is supplied to the control circuit CTL by a conductive wire L 4 by multiplying the a amplitude value. Furthermore,
The feedback monitoring signal introduced into the control circuit CTL, the detection signal S I and the current applied to the motor, if necessary, the rotational position signal S P and the rotational speed signal S V is also introduced.
【0027】測定すべき試験片の慣性モーメントIx を
求めるには、これは既に説明したように、トルク検出器
3の検出感度の比例係数ca と回転角度検出器11の検
出感度の比例係数cb を何らかの方法で求め(例えば製
造メーカーの個々の検出器の検出感度の公称値を用いる
こともできる),これ等の値とその比K(式(9))を予め
記憶器ROMに保管しておく。更に、試験片の重量に応
じて回転速度がトルク検出器3の最適測定値の範囲内に
あるように回転駆動系による回転速度を設定する。これ
には、通常試行錯誤による数回予備試験が必要である。
最適回転速度を決定したら、第0測定モードを実行して
無負荷状態での計測を行い系自体の慣性モーメントI0
を求める。このI0 を記憶器ROMに保管して第1測定
モードの測定を実行して、式 (12) から試験片の慣性モ
ーメントIX を求める。[0027] To determine the moment of inertia I x of the test piece to be measured, which as previously described, the proportional coefficient of the detection sensitivity of the torque sensor 3 of the detection sensitivity of the proportionality coefficient c a and the rotation angle detector 11 c b is determined by some method (for example, the nominal value of the detection sensitivity of each detector of the manufacturer can be used), and these values and their ratio K (Equation (9)) are stored in the storage ROM in advance. Keep it. Further, the rotation speed by the rotation drive system is set so that the rotation speed is within the range of the optimum measurement value of the torque detector 3 according to the weight of the test piece. This usually requires several preliminary tests by trial and error.
After determining the optimum rotation speed, the zeroth measurement mode is executed to perform measurement in a no-load state, and the inertia moment I 0 of the system itself is measured.
Ask for. This I 0 is stored in the storage ROM, and the measurement in the first measurement mode is executed, and the moment of inertia IX of the test piece is obtained from the equation (12).
【0028】更に、測定精度を上げたい場合には、既知
の慣性モーメンIS の基準分銅を使用し、第2測定モー
ドの測定値から式 (14) により比例係数の比Kを予め求
めておき、これを再び記憶器ROMに保管し、この時の
Kを使用して、第1測定モードの測定を実行し、式 (1
2) から試験片の慣性モーメントIX を求める。Furthermore, when it is desired to increase the measurement accuracy, using the reference weight of known moment of inertia I S, obtained in advance the ratio K of the proportional coefficient from the second measurement value of the measurement mode by the formula (14) Is stored again in the storage ROM, and the measurement in the first measurement mode is performed using K at this time, and the equation (1)
2) Obtain the moment of inertia IX of the test piece from.
【0029】各測定ステップで求まる信号波形の時間変
化を図4に示す。αで示す波形はトルクに対応する実測
検出信号eb で、本来のトルク信号に大きく頻繁に突発
する雑音信号が重畳している。この実測検出信号eb を
式(7) により二回時間積分した信号Eb は非常に滑らか
で、時間積分のため平滑化が行われている。なお、信号
Eb は説明の都合上時間反転させて示してある。加え
て、この時に実行すべき回転角速度の指令信号をγとし
て示してある。この信号γにもかなりな雑音信号が重畳
していることが分かる。何れにしても、二回時間積分に
よる平滑化は、式(1) からトルクの値と回転角の二回微
分値から直接トルク求める方式よりはるかに測定精度が
高い。何故なら、数値微分処理はそれぞれ誤差を含む角
度の値からその差分を求めると大きな誤差を与えるから
である。既知の慣性モーメントIsを持つ基準分銅を較
正試験を行い、測定精度は測定可能な最大慣性モーメン
トの0.3%以内を容易に保証できた。FIG. 4 shows the time change of the signal waveform obtained in each measurement step. waveform indicated by α in the measured detection signal e b corresponding to the torque, the noise signals to increase frequently sudden to the original torque signal is superimposed. Signal E b obtained by integrating twice the time by the equation (7) the measured detection signal e b is very smooth, it has been made smooth for time integration. Note that the signal Eb is shown inverted in time for convenience of explanation. In addition, the command signal of the rotational angular velocity to be executed at this time is shown as γ. It can be seen that a considerable noise signal is also superimposed on this signal γ. In any case, the smoothing by the twice time integration has a much higher measurement accuracy than the method of directly obtaining the torque from the torque value and the twice differential value of the rotation angle from the equation (1). This is because the numerical differentiation process gives a large error if the difference is obtained from the value of the angle including the error. Performs calibration test the calibration weight having a known moment of inertia I s, was measured accuracy can easily guarantee within 0.3% of the maximum measurable moment of inertia.
【0030】上記の説明は、好適な実施例に付いて説明
したもので、種々の変形、改良等が考えられる。例え
ば、回転角センサとして磁気抵抗素子を使用しない、ス
ライド抵抗式のポテンシオメータ、あるいは歯車の歯列
を光電検出する市販の回転角センサも使用できる。その
外、回転駆動用のモータをパルス駆動し、その制御パル
スから直接回転角度を求めることもできる。この場合、
回転角度検出器は不要で、回転角度信号として制御パル
スを使用する。更に、トルク検出器としては両端のフラ
ンジ間に固定連結された弾性部材の軸方向に異なる位置
で捩じれを直接光電検出する市販のデジタルトルク計を
採用してもよい。The above description has been made with reference to a preferred embodiment, and various modifications and improvements can be made. For example, a slide resistance potentiometer that does not use a magnetoresistive element as a rotation angle sensor, or a commercially available rotation angle sensor that photoelectrically detects a tooth row of a gear can be used. In addition, it is also possible to pulse-drive a rotation driving motor and directly obtain the rotation angle from the control pulse. in this case,
No rotation angle detector is required, and a control pulse is used as the rotation angle signal. Further, as the torque detector, a commercially available digital torque meter which directly photoelectrically detects the twist at different positions in the axial direction of the elastic member fixedly connected between the flanges at both ends may be adopted.
【0031】その外、付属する電気制御装置20の演算
処理部22で回転角度をサンプリングする方式を導入し
てもよい。その場合、初段増幅器A2 とアナログ・デジ
タル変換器A/D2 の間にサンプルホールド回路を挿入
しても良い。このような方式は回転角の異常を逐一見出
す安全回路の導入を容易にする。しかし、何れにして
も、特許請求の範囲に規定する構成を実現する方法およ
び装置は全てこの発明の範疇に属することは言うまでも
ない。In addition, a method of sampling the rotation angle by the arithmetic processing unit 22 of the attached electric control device 20 may be introduced. In that case, it may be inserted sample and hold circuit between the first-stage amplifier A 2 and the analog-digital converter A / D 2. Such a method facilitates the introduction of a safety circuit that detects abnormal rotation angles one by one. However, in any case, it goes without saying that all the methods and apparatuses for realizing the structure defined in the claims fall within the scope of the present invention.
【0032】[0032]
【発明の効果】以上、説明したように、この発明による
慣性モーメント測定方法およびその装置により、使用上
の操作が非常に簡単で、それにもかかわらず慣性モーメ
ントの測定精度が極めて高い。更に、この測定装置の検
出系を簡単に較正できル。その場合には。種々の形状の
試験片の慣性モーメンを 0.3パーセントより小さい精度
で測定できる。それ故、回転機械中にある回転体を個別
に設計開発したり品質管理することは、この発明による
測定方法とその装置により正確にしかも迅速に実施でき
る。As described above, according to the method and the apparatus for measuring the moment of inertia according to the present invention, the operation in use is very simple, and the measurement accuracy of the moment of inertia is nevertheless extremely high. Furthermore, the detection system of this measuring device can be easily calibrated. In that case. The inertial moment of various shaped specimens can be measured with an accuracy of less than 0.3%. Therefore, the individual design and development and quality control of the rotating body in the rotating machine can be accurately and quickly performed by the measuring method and the apparatus according to the present invention.
【図1】 単発駆動による回転体の回転角θ,回転角速
度 dθ/dt(θの上に一点ドットの付いているもの)およ
び回転角加速度 d2θ/d2t (θの上に二点ドットの付い
ているもの)の時間変化を示すグラフ、Fig. 1 Rotational angle θ, rotational angular velocity dθ / dt (one dot is attached on θ) and rotational angular acceleration d 2 θ / d 2 t (two points on θ) Graph with time)
【図2】 測定装置全体のブロック図、FIG. 2 is a block diagram of the entire measuring device,
【図3】 モータ制御および演算処理部の詳細な回路
図、FIG. 3 is a detailed circuit diagram of a motor control and arithmetic processing unit,
【図4】 実測したトルクの瞬時値(α)とトルクを二
重時間積分した総積算値(β)およびその時の回転体の
回転角の瞬時値(γ)を例示するグラフである。FIG. 4 is a graph illustrating an instantaneous value (α) of an actually measured torque, a total integrated value (β) obtained by double-time integration of the torque, and an instantaneous value (γ) of a rotation angle of a rotating body at that time.
1 試験片 2 チャック 3 トルク検出器 4 回転本体 5 軸受 6 架台 7 電動モータ 8,9 プーリ 10 ベルト 11 回転角検出器 20 電気制御装置 22 演算処理部 24 モータ駆動部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Test piece 2 Chuck 3 Torque detector 4 Rotating main body 5 Bearing 6 Mount 7 Electric motor 8, 9 Pulley 10 Belt 11 Rotation angle detector 20 Electric control device 22 Arithmetic processing part 24 Motor drive part
Claims (4)
回転本体を回転駆動機構により回転させ、回転軸周りに
加わるトルクm(t) をトルク検出器で、また回転軸周り
の回転角θ(t) を回転角検出器でそれぞれ検出し、前記
回転軸周りの当該物体の慣性モーメントIx を測定する
方法において、下記の過程、 ・トルク印加期間内の第一時点ts とそれ以後の第二時
点te にわたる測定期間[ts,te] の間で回転本体が回
転した全回転角度Θ(ts,te) を求め、 ・測定期間内の多数の時点tに対応するトルクm(t) を
求め、 ・求めたトルクm(t) の値を前記測定期間に関して数値
的に二重時間積分し、 ・二重時間積分したトルクの値M(ts,te) を全回転角
度Θ(ts,te) で割り算してその時の測定系の慣性モー
メントを求める、 を回転本体に当該物体を装着した場合と、装着しない場
合についてそれぞれ実施し、測定すべき物体を装着した
測定系の慣性モーメントI1 から測定すべき物体を装着
していない測定系の慣性モーメントI0 を引き算した値
を測定すべき物体の慣性モーメントIx とする、 ことを特徴とする方法。1. A rotating body on which an object to be measured can be detachably mounted is rotated by a rotation driving mechanism, and a torque m (t) applied around a rotation axis is detected by a torque detector, and a rotation angle θ ( detecting each t) with the rotation angle detector, a method for measuring the moment of inertia I x of the object about the rotation axis, the following process, the first time point t s and subsequent in-torque application period the two time t e over the measurement period [t s, t e] full rotation angle theta (t s, t e) the rotating body is rotated between the calculated torque corresponding to the number of time t in the measurement period m (t) the calculated numerically integrated double time value of-determined torque m (t) with respect to the measurement period, the value M (t s, t e) of, double-time integral torque full rotation the the angle Θ (t s, t e) by dividing by finding the moment of inertia of the measurement system at that time, to the rotary body In the case of mounting the body, performed respectively for the case where no attached, minus the inertia moment I 0 of a measuring system not wearing an object to be measured from the moment of inertia I 1 of the measuring system fitted with an object to be measured Is the moment of inertia I x of the object to be measured.
その時の出力信号の値ea(t) の間の比例係数ca およ
びトルクの実際値m(t) とトルク検出器のその時の出力
信号の値eb(t) の間の比例係数cb を求めて、両方の
比例係数の比Kを、 【外1】 とし、 回転本体に物体を装着しない状態で、測定期間 [ts,t
e] 中の回転本体の全回転角度Θ(ts,te) に相当する
検出信号Ea0と、トルク検出信号の値m(t) をこの測定
期間に付いて二回積分した値に相当する二重時間積分値
Eb0をそれぞれ求め、 回転本体に測定すべき物体を装着した状態で、測定期間
[ts ' ,te '] 中の回転本体の全回転角度Θ(ts ' ,te ')
に相当する検出信号Ea1と、トルク検出信号の値m(t)
を上記測定期間に付いて二回時間積分した値M(ts ' ,
te ') に相当する二重時間積分値Eb1をそれぞれ求め、 測定すべき物体の慣性モーメントIx を、 【外2】 として求める、 ことを特徴とする請求項1に記載の方法。2. A proportional coefficient c a between the actual value θ (t) of the rotation angle and the value e a (t) of the output signal of the rotation angle detector at that time, the actual value m (t) of the torque and the torque detection. The proportional coefficient c b between the value e b (t) of the output signal of the detector at that time is obtained, and the ratio K of both proportional coefficients is expressed as follows. The measurement period [t s, t
e ] corresponds to a value obtained by integrating the detection signal E a0 corresponding to the total rotation angle Θ (t s, t e ) of the rotating body and the value m (t) of the torque detection signal twice during this measurement period. To obtain the double time integral values E b0 to be measured, and with the object to be measured attached to the rotating body,
[t s ', t e' ] full rotation angle Θ of the rotating body in (t s ', t e' )
A detection signal E a1 which corresponds to the value of the torque detection signal m (t)
M (t s ′ ,
t e ′ ), and obtains the double time integral values E b1 , respectively, and calculates the moment of inertia I x of the object to be measured by The method of claim 1, wherein
した状態で、対応する測定期間中の回転本体の回転角度
に相当する検出信号Ea2と、トルク検出信号を対応する
測定期間に付いて二回時間積分した値に相当する二重時
間積分値Eb2をそれぞれ求め、 比例係数の比Kを、 【外3】 とし、 このKの値を請求項2で定めた比例係数Kの比の代わり
に使用する、 ことを特徴とする請求項2に記載の方法。3. Furthermore, the following process, with the moment of inertia I s is fitted with a known reference weight to the rotating body, and the detection signal E a2 corresponding to the rotation angle of the rotating body in the corresponding measurement period, the torque A double time integration value E b2 corresponding to a value obtained by time integrating the detection signal twice with respect to the corresponding measurement period is obtained, and the ratio K of the proportionality coefficient is calculated as follows. 3. The method according to claim 2, wherein the value of K is used instead of the ratio of the proportionality factor K as defined in claim 2.
(4), ・回転本体(4)の回転軸回りに加わるトルクを検出す
るトルク検出器(3), ・回転本体(4)の回転軸回りの回転角を検出する回転
角検出器(11), ・前記回転本体(4)に外部から回転運動を与える回転
駆動手段(7,8,9,10), ・請求項1〜3の何れか1項の方法を実施する数値演算
プログラムを格納する記憶器と、トルク検出器(3)お
よび回転角検出器(11)の検出信号に基づき前記数値
演算プログラムを実施して慣性モーメントを算出するプ
ロセッサとを含む信号処理部(22),および所望の角
度変化を与える駆動信号を発生させて前記回転駆動手段
の電動モータ(7)を駆動するモータ駆動部(24)を
有する電気制御装置(20), を備えていることを特徴とする物体の慣性モーメント測
定装置。4. A rotating body (4) on which an object to be measured can be detachably mounted, a torque detector (3) for detecting a torque applied around a rotation axis of the rotating body (4), and a rotating body (4). A rotation angle detector (11) for detecting a rotation angle about a rotation axis of (1), a rotation driving means (7, 8, 9, 10) for externally applying a rotational movement to the rotation body (4); And a storage unit for storing a numerical calculation program for implementing the method according to any one of (1) to (3), and executing the numerical calculation program based on detection signals of the torque detector (3) and the rotation angle detector (11) to execute inertia A signal processing unit (22) including a processor for calculating a moment; and a motor drive unit (24) for generating a drive signal for giving a desired angle change to drive the electric motor (7) of the rotary drive means. Control device (20) Inertia measurement unit of an object, characterized in that it comprises a.
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RU2715044C1 (en) * | 2018-12-19 | 2020-02-21 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Марийский государственный университет" | Method of measuring moment of inertia of asynchronous electric motor |
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