高精度挠性接头刚度测试方法及测试仪

摘要

本发明涉及高精度挠性接头刚度测试方法及测试仪，包括挠头工装夹具，还包括光测量装置、信号处理单元和输出单元；光测量装置包括激光器高压电源、激光器、光敏管，激光器发射的激光束正对光敏管，挠性接头一端固定在挠头工装夹具上，其另一端朝下且固定有挠头摆杆，挠头摆杆位于激光器的光路上；信号处理单元包括用于接收光敏管输出信号的信号放大电路和信号整形电路、用于对光敏管输出信号进行计数的定时计数器、用于定时计数器输出信号进行处理的处理单元，处理单元的输出数据送入输出单元输出。本发明解决了现有手工砝码法测试挠性接头刚度时测试周期长、一致性差、容易带来人为失误的技术问题，精确高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种挠性陀螺关键部件－挠性接头的专用测试方法及测试设 备。

背景技术

挠性陀螺的挠性接头的角位移刚度K是非常重要的一个技术指标，测试方 法已经历了两代的发展。第一代是用砝码法，顾名思义，加砝码使挠头产生形 变（用人眼借助尺子观察形变量），利用胡克定律测量出刚度值；第二代是计 数法（利用通用计数器多次测量得到摆动周期，用计算器套公式算出刚度值）， 从测量精度上，第二代已经比第一代有了质的飞跃；通过多次摆动利用通用计 数器测量出计数值，手抄取出平均值后套公式用计算器算出结果。该方法需要 多次摆动，导致测试周期长、一致性差，而且人为抄、报、算数据等过程可能 带来的失误。

发明内容

本发明目的是提供一种高精度挠性接头刚度测试方法及测试仪，其解决了 现有手工砝码法测试挠性接头刚度时测试周期长、一致性差、容易带来人为失 误的技术问题。

本发明的技术解决方案是：

一种高精度挠性接头刚度测试方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1】挠头一端固定，另一端朝下且设置有挠头摆杆，

2】挠头摆杆微幅摆动，激光信号被挠头摆杆往返遮挡，光敏管接收激光 信号并生成相应的电压信号；

3】取挠头摆杆停止摆动前的最后5个电压信号的周期作为测量摆动周期 T1；

4】用该5个测量摆动周期T1的平均值作为计算摆动周期T，

5】根据下式计算刚性系数K：

K＝4π²A/T²-B

式中：A-摆动系统的转动惯量常数；

B-与工装摆杆质量、长度有关的常数；

T-挠性接头的计算摆动周期T。

取挠头摆杆停止摆动前的最后5个电压信号的周期的具体步骤如下：

3.1】在数据存储器中开辟5个单元的存储空间；

3.2】测量得到12组相互偏差在10％以内的采样数据，去掉12组数中的 最大值和最小值，将剩余的10组采样数据取平均值，放入第一单元中；

3.3】继续采样，将采集到的新数与第一单元的平均值进行比较，若偏差 在10％范围以内，将新采集到的数据存入第二单元中，若超出10％，则舍弃 不要；

3.4】继续采样，将采集到的新数与前两个单元的平均值进行比较，若偏 差在10％范围以内，将新采集到的数据存入第三单元中，若超出10％，则舍 弃不要；

3.5】依次类推，直至5个单元均存储有数据；

3.6】下一个采集到的新数与前面五个单元的平均值比较，若超出10％被 舍弃，若在10％以内，则将第二单元的数据覆盖第一单元，第三单元的数据覆 盖第二单元，第四单元的数据覆盖第三单元，第五单元的数据覆盖第四单元， 将新数存入并覆盖到第五单元；

3.7】依次类推，直到在限定的时间内都没有得到新的有效数据，则取5 个单元中的数据作为挠头摆杆停止摆动前的最后5个电压信号的周期。

一种高精度挠性接头刚度测试仪，包括挠头工装夹具，

其特殊之处在于：

还包括光测量装置、信号处理单元和输出单元；

所述光测量装置包括激光器高压电源、激光器、光敏管，所述激光器发射 的激光束正对光敏管，所述挠性接头一端固定在挠头工装夹具上，其另一端朝 下且固定有挠头摆杆，所述挠头摆杆位于激光器的光路上；

所述信号处理单元包括用于接收光敏管输出信号的信号放大电路和信号 整形电路、用于对光敏管输出信号进行计数的定时计数器、用于定时计数器输 出信号进行处理的处理单元，所述处理单元的输出数据送入输出单元输出。

所述输出单元包括显示单元和打印单元。

本发明的优点：

1、精确：通过单片机智能用微摆法实现了零度摆角的频率测量，专项测 试实验结果表明：一致性远远优于旧方法多次测量结果。

2、快速高效：一次微摆就岀结果，与过去繁琐的测试过程相比，测试时 间大为缩短，测试、调试挠性接头的效率明显提高，测试效率提高了10倍以 上。

3、可靠：免去了人为抄、报、算数据等过程可能带来的失误。

4、本发明由于利用单片机智能实现了“零度测量”，故测试一致性好，测 量一次即出结果，且由于采用了单片机浮点运算，省去了抄报、计算等人为环 节，单片机可以直接显示和打印出挠头刚度K值。

附图说明

图1是本发明测试原理示意图；

图2是本发明测试方法中滑动滤波的原理示意图。

具体实施方式

本发明工作原理：

高精度挠性接头刚度测试仪利用单片机智能进行数据采集，采用了微摆法 测试，一改过去通过多次摆动利用通用计数器测量出计数值，手抄取出平均值 后套公式用计算器算出结果的做法，而变成了一次摆动利用单片机智能测量计 算，直接显示或打印岀测量结。

挠性接头在作微小摆动时，挠性接头的摆动周期T与刚性系数K存在如下 数学关系：

K＝4π²A/T²-B

式中：A表示摆动系统的转动惯量常数；B是与工装摆锤质量、长度有关 的常数，测量岀挠性接头的摆动周期T就可通过公式计算岀挠性接头的刚性系 数K。高精度挠性接头刚度测试仪就是利用激光发射光敏接收传感器测量岀挠 性接头按固有频率振动的振动周期T，并经过运算得到挠性接头的刚度K。

测试原理示意图如图1。

1、采集有效的测量数据：

通过实验发现，挠性接头摆动周期T值并非理论上的恒值，在摆动过程中， T值在摆动初期随摆角大小的不同而不同且与摆动末期的T值并不相等，有微 小的变化，随着摆角的变小T值也逐渐趋小；而不论初期摆角多大在挠性接头 摆动末期摆动角度趋于0度时周期基本一致。由此引入单片机微摆法测量即测 量岀挠性接头摆动角度趋于0度时的T值结果（即停摆前最后一个采样有效值 被认为是准确数据）。利用过去的通用计数器是无法实现的，利用单片机智能 （即判断）和利用软件滑动滤波数据处理技术，高精度挠性接头刚度测试仪实 现了“零角度测量”。

2、T值虽在摆动过程中逐渐趋向真实值，但由于环境因素的影响（指外界 厂房机床空调等设备振动源）采样数据中会叠加环境干扰成分，每次采样岀的 随机值却可能偏大或偏小。为保证测量结果的一致性，我们将以测量计算摆动 停止前的最后5个采样有效值的平均值被认定为准确结果，达到了令人非常满 意的结果。

3、滑动滤波实现方法：

先通过测量得到12组相互偏差在10％以内的采样数据，去掉12组数中的 最大值和最小值，然后，将剩余的10组采样数据取平均值。在数据存储器中 开辟5个单元的存储空间，将剩余10组采样数据的平均值先放入第一单元。 接着，继续采样，将采集到的新数与第一单元的平均值进行比较，若偏差在10％ 范围以内，将新采集到的数据存入第二单元。接下来，继续采样，将采集到的 新数与前面两个单元的平均值进行比较，若偏差在10％范围以内，将新采样的 数据存入第三单元。继续采集新数，将采集到的新数与前面三个单元的平均值 进行比较，若偏差在10％范围以内，将新采样的数据存入第四单元。同法，采 集并存储第五单元的数据。每次采数的偏差若是在前面单元平均值的10％以 内，则被认为是有效数据存入相应单元，若超出前面单元平均值的10％，则被 认为是干扰引起的错误结果将被舍弃不要。五个单元都有数后，下一个采集到 的新数与前面五个单元的平均值比较，10％以内认为有效，超出10％被舍弃。 有效数的存取与前面稍有不同，第二单元的数据覆盖第一单元，第三单元的数 据覆盖第二单元，第四单元的数据覆盖第三单元，第五单元的数据覆盖第四单 元，将新有效数存入并覆盖到第五单元，即每次存储有效数据都会舍弃掉旧的 第一单元的数据，保持五单元数据永远是最新测到的有效数据，这个过程一直 重复，直到在限定的N久时间内都没有得到有效数据，我们认为摆动已经停止。 计算出停止摆动后的五个单元的平均值并将其做为本次测量的正确结果纳入 计算公式得到挠性接头的刚性系数。滑动滤波示意图如图2。