[发明专利]一种管路挠性接管扭转机械阻抗测量方法

摘要

本发明提供了一种管路挠性接管扭转机械阻抗测量方法，包括如下步骤：一、建立有关该挠性接管12×12的阻抗矩阵：其中与平动自由度相关的阻抗参数均直接测量获得；二、解算阻抗矩阵：若为轴对称式挠性接管，则首先将接管下端固定，在上端施力并测量，解算获得相应阻抗；然后将两个接管对称安装，以消除绕y轴的转动，在对接处施力并测量，计算获得相应阻抗；若为肘形挠性接管，则首先将下端固定，在上端施力并测量，解算获得相应阻抗；然后将两个接管分别进行对称安装和反对称安装，分别消除绕y轴的转动和z轴的速度，在对接处施力并测量，计算获得相应阻抗。由阻抗矩阵的对等关系获得其他与转动自由度相关的阻抗参数。

主权项

一种管路挠性接管扭转机械阻抗测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤一、针对挠性接管，其上下端均有6个自由度的运动，据此建立有关该挠性接管12×12的阻抗矩阵：以挠性接管的上端为1端，下端为2端，针对1端和2端分别建立坐标系Ox₁y₁z₁和Ox₂y₂z₂，若所述挠性接管为轴对称式挠性接管，其中Ox₁y₁z₁以1端的端面作为x₁oy₁面，以挠性接管的轴线为z₁轴，Ox₂y₂z₂以2端的端面作为x₂oy₂面，以挠性接管的轴线为z₂轴；若所述挠性接管为肘形挠性接管，其中Ox₁y₁z₁以1端的端面作为x₁oy₁面，以挠性接管的轴线为z₁轴，Ox₂y₂z₂以2端的端面作为y₂oz₂面，以挠性接管的轴线为x₂轴；其中F_1x、F_1y和F_1z分别表示在1端沿x₁、y₁和z₁方向施加的激励，M_1x、M_1y和M_1z分别表示1端绕x₁、y₁和z₁轴施加的激励，v_1x、v_1y和v_1z分别表示在1端在x₁、y₁和z₁方向的平移速度响应，θ_1x、θ_1y和θ_1z分别表示1端绕x₁、y₁和z₁轴的旋转角速度响应；其中F_2x、F_2y和F_2z分别表示施加在2端x₂、y₂和z₂方向的激励，M_2x、M_2y和M_2z分别表示2端绕x₂、y₂和z₂轴旋转施加的激励，v_2x、v_2y和v_2z分别表示在2端在x₂、y₂和z₂方向的平移速度响应，θ_2x、θ_2y和θ_2z分别表示2端绕x₂、y₂和z₂轴的旋转角速度响应；为阻抗参数，其中上标中具有数字11的为1端输入阻抗参数、上标中具有数字22的为2端输入阻抗参数，上标中具有数字12的为1端对2端的传递阻抗参数，上标中具有数字21的为2端对1端的传递阻抗参数；下标中的数字1～3表示平动自由度、4～6表示转动自由度，其中下标中具有4～6的阻抗参数为与转动自由度相关的阻抗参数，下标中仅有1～3的阻抗参数为与平动自由度相关的阻抗参数；其中与平动自由度相关的阻抗参数均直接测量获得；步骤二、解算挠性接管12×12的阻抗矩阵:若所述挠性接管为轴对称式挠性接管，该步骤如下：S201、将轴对称式挠性接管的下端穿过力和扭矩传感器固定于安装平台上，将一个T型质量块垂直固定于该轴对称式挠性接管的上端外圆周侧面，T型质量块的臂上两端分别放置传感器用于测量力、平动速度以及角速度，其中一端安装激振杆用于施力；S202、采用激振杆进行施力，通过力和扭矩传感器测量获得1端沿x₁轴施加的激励F_1x以及1端绕y₁轴施加的激励M_1y，通过T型质量块上的传感器获得的1端沿x₁轴的平动速度v_1x和沿y₁轴的转动角速度θ_1y；由所述12×12的阻抗矩阵关系中选取与1端激励和响应相关的关系式：$\left(\begin{array}{c}{F}_{1x}\\ M_{1y}\end{array}\right)=\left[\begin{array}{cc}{Z}_{11}^{11}& Z_{15}^{11}\\ Z_{51}^{11}& Z_{55}^{11}\end{array}\right]\left(\begin{array}{c}{v}_{1x}\\ {\mathrm{\θ}}_{1y}\end{array}\right)$其中为与平动自由度相关的1端输入阻抗参数，直接测量获得；由互易原理有：解算上式获得和S203、传递阻抗参数$Z_{51}^{21}=M_{1y}/v_{1x},Z_{55}^{21}=M_{2y}/{\mathrm{\θ}}_{1y};$S204、选取两个轴对称式挠性接管，其中两个轴对称式挠性接管2端均通过力和扭矩传感器固定于安装平台上，二者的1端通过连接件对接，T型质量块垂直固定于二者的连接件侧面；采用激振杆进行施力，通过力和扭矩传感器测量获得1端绕z₁轴施加的激励M_1z以及2端绕z₂轴施加的激励M_2z，通过T型质量块上的传感器获得的1端沿z₁轴的转动角速度θ_1z；则输入阻抗参数和传递阻抗参数S205、根据以上步骤S201～S204计算获得的和由以下互易关系获得其他与转动自由度相关的阻抗参数：$Z_{55}^{21}=Z_{44}^{21},Z_{15}^{11}=Z_{15}^{22},Z_{55}^{11}=Z_{55}^{22},Z_{66}^{11}=Z_{66}^{22},Z_{51}^{21}=Z_{51}^{12},Z_{55}^{21}=Z_{55}^{12},Z_{66}^{21}=Z_{66}^{12},Z_{44}^{11}=Z_{44}^{22},Z_{24}^{11}=Z_{24}^{22},Z_{42}^{21}=Z_{42}^{12},$其余的与转动自由度相关的阻抗参数均为零；至此，完成轴对称式挠性接管的所有阻抗参数的测量；若所述挠性接管为肘形挠性接管，则该步骤如下：S2001、将肘形挠性接管的2端通过力和扭矩传感器固定于安装平台上，将一个T型质量块垂直固定于该肘形挠性接管的1端的端面上，T型质量块的臂上两端分别放置传感器用于测量力、平动速度以及角速度，其中一端放置激振杆用于施力；S2002、采用激振杆进行施力，通过力和扭矩传感器测量获得1端沿x₁轴施加的激励F_1x以及1端绕y₁轴施加的激励M_1y，通过T型质量块上的速度和角速度传感器获得的1端沿x₁轴的平动速度v_1x和沿y₁轴的转动角速度θ_1y；则由所述12×12的阻抗矩阵关系中选取与1端激励和响应相关的关系式：$\left\{\begin{array}{c}\left(\begin{array}{c}{F}_{1x}\\ M_{1y}\end{array}\right)=\left[\begin{array}{cc}{Z}_{11}^{11}& Z_{15}^{11}\\ Z_{51}^{11}& Z_{55}^{11}\end{array}\right]\left(\begin{array}{c}{v}_{1x}\\ {\mathrm{\θ}}_{1y}\end{array}\right)\\ \left(\begin{array}{c}{F}_{1z}\\ M_{1y}\end{array}\right)=\left[\begin{array}{cc}{Z}_{33}^{11}& Z_{35}^{11}\\ Z_{53}^{11}& Z_{55}^{11}\end{array}\right]\left(\begin{array}{c}{v}_{1z}\\ {\mathrm{\θ}}_{1y}\end{array}\right)\end{array}\right.;$其中和均为与平动自由度相关的输入阻抗，直接测量获得；由互易原理有：$Z_{15}^{11}=Z_{51}^{11},Z_{35}^{11}=Z_{53}^{11};$计算获得和传递阻抗参数$Z_{51}^{21}=M_{1y}/v_{1x},Z_{55}^{21}=M_{2y}/{\mathrm{\θ}}_{1y};$S2003、选取两个肘形挠性接管，其中两个肘形挠性接管2端均通过力和扭矩传感器固定于安装平台上，二者的1端通过连接件对接，二者形成对称安装，T型质量块垂直固定于二者的连接件侧面；采用激振杆进行施力，通过力和扭矩传感器测量获得1端绕x₁轴施加的激励M_1x以及2端绕x₂轴施加的激励M_2x，通过T型质量块上的速度和角速度传感器获得的1端沿x₁轴的转动角速度θ_1x；则输入阻抗参数传递阻抗参数S2004、选取两个肘形挠性接管，其中两个肘形挠性接管2端均通过力和扭矩传感器固定于安装平台上，二者的1端通过连接件对接，二者形成反对称安装，T型质量块垂直固定于二者的连接件侧面；采用激振杆进行施力，通过力和扭矩传感器测量获得1端绕y₁轴施加的激励F_1y以及1端绕z₁轴施加的激励M_1z，通过T型质量块上的速度和角速度传感器获得的1端沿z₁轴的转动角速度θ_1z；则由所述12×12的阻抗矩阵关系中选取与1端激励和响应相关的关系式：$\left(\begin{array}{c}{F}_{1y}\\ M_{1z}\end{array}\right)=\left[\begin{array}{cc}{Z}_{22}^{11}& Z_{26}^{11}\\ Z_{62}^{11}& Z_{66}^{11}\end{array}\right]\left(\begin{array}{c}{v}_{1y}\\ {\mathrm{\θ}}_{1z}\end{array}\right)$其中为与平动自由度相关的输入阻抗参数，直接测试获得，解算上式获得和S2005、传递阻抗参数$Z_{62}^{21}=M_{2z}/v_{1y},Z_{66}^{21}=M_{2z}/{\mathrm{\θ}}_{1z};$S2006、根据以上步骤S2001～S2005计算获得的依据以下互易关系获得其他与转动自由度相关的阻抗参数$Z_{15}^{11}=Z_{15}^{22},Z_{26}^{11}=Z_{26}^{22},Z_{44}^{11}=Z_{44}^{22},Z_{35}^{11}=Z_{35}^{22},Z_{55}^{11}=Z_{55}^{22},Z_{66}^{11}=Z_{66}^{22},Z_{51}^{21}=Z_{51}^{12},Z_{62}^{21}=Z_{61}^{12},Z_{44}^{21}=Z_{44}^{12},$剩余部分与转动自由度相关的阻抗参数均为0；至此，完成肘形挠性接管的所有阻抗参数的测量。