专利名称：一种高精度陀螺马达轴承加载方法
技术领域：
本发明涉及一种高精度陀螺马达轴承加载方法，可以用于惯性姿态敏感器陀螺马达轴承的高精度加载，属于陀螺马达技术领域。
背景技术：
常见的陀螺马达(或者叫做陀螺电机)一般主要由轴承、转子、磁滞环部件和定子部件四部分组成，如图1所示，I为轴承，2为定子部件，3为磁滞环部件，4为转子。其中马达轴承采用普通角接触轴承或者端盖式角接触轴承，是陀螺电机中最重要和最关键的部件之一，同时起到了旋转保证和安装壳的作用。并且使旋转部分在工作时能够达到回转摩擦力矩尽可能小、旋转精度尽可能高、工作寿命尽可能长的效果。为了保证陀螺马达工作可靠、性能稳定、运行时间长，陀螺马达轴承的预载荷是一个非常关键的工艺参数，它的准确度直接影响陀螺马达的性能。预载荷的作用主要是在轴承原始安装时产生一定的预变形，从而使轴承在实际使用中跳过初期的变形较大阶段，显著提高了支撑的刚性，同时对轴承施加合适的预载荷(简称加载)可以提高陀螺马达转子的旋转精度，从而提高陀螺马达的综合性能。陀螺马达精密加载设备可以对陀螺马达的装配进行过程控制，提高陀螺马达的装机合格率，保证陀螺马达轴承刚度、旋转精度、摩擦性能等处于优化状态。目前国内尚没有陀螺马达精密加载设备。国内很多陀螺马达的生产厂家，也采取了很多方法来解决陀螺马达的加载问题，但由于陀螺马达轴承的预载荷量级较小，要求精度较高，因此还无法有效解决此问题，只能通过在装配后的陀螺马达中进行有针对性的试验来进行筛选，这样降低了陀螺马达的装机合格率，造成了很多的浪费。目前国内采取的方法主要有以下几种；(I)通过测量轴承凸出量进行配对的方法。这种方法是在陀螺马达的装配过程中，首先测量陀螺马达轴承的凸出量，然后根据轴承的凸出量及陀螺马达的内外转子尺寸进行计算，通过修研陀螺马达的外转子高度保证对轴承施加设定的预载荷。然后通过对装配后的陀螺马达进行一系列的性能试验，验证轴承的实际预载荷。采用这样的陀螺马达加载工艺，造成了陀螺马达轴承加载误差很大，装配后的陀螺马达轴承加载有时过大，有时过小；预载荷过大影响陀螺马达的旋转灵活性，造成不必要的功率损耗，预载荷过小又达不到刚度和旋转精度的要求.采用这种方法陀螺马达的装机合格率很低。(2)通过测量马达轴向间隙的方法 这种方法是在陀螺马达的装配过程中。通过测量马达轴向间隙的方法来加载，如图2所示，具体方法是:将较厚的转子环装入马达，首先对马达轴施加一个向下的力(等于预载荷减去马达自重)，记录马达轴的位移量；然后，对马达轴施加一个向上的力(等于预载荷加上马达自重)，记录马达轴的位移量。两个位移量相加则得到马达的初始间隙，根据马达的初始间隙可以计算出施加预载荷马达转子环所需要的调整量。
通过测马达间隙的方法来调整马达预载，由于尺寸测量是通过千分表来进行测量，精度较低(比如千分表的尺寸精度为I μ m,陀螺马达轴承的刚度为250g/ μ m,因此这一项造成的加载误差就是250g)，并且施加的力不一定通过马达轴承中心线，精度受到马达轴向摩擦力的影响，因此这种方法比较粗略，只能用于粗调预载。
(3)通过测量低速摩擦力矩的方法
这种方法受到目前的低速摩擦力矩测试设备精度的影响较大，反映出的轴承预载荷有时过大,有时过小。并且低速摩擦力矩测试本身也属于间接测试,摩擦力矩还受到轴承内部润滑油含量等因素的影响。因此，目前通过测量低速摩擦力矩的方法精度较低，并且无法给出具体的轴承加载数值和精度。发明内容
本方法的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种高精度陀螺马达轴承加载方法，该方法采用精密砝码直接加载，加载精度准确，消除了加载力不通过马达轴承中心线造成的误差，且提高了位移测量精度。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的:
一种高精度陀螺马达轴承加载方法，采用陀螺电机加载设备实现加载，所述陀螺马达加载设备包括安装台、位移测量系统和空气轴承加载系统，其中位移测量系统包括水平导轨系统、上升导轨系统、两个位移传感器和调整螺钉，水平导轨系统安装在安装台上，上升导轨系统安装在水平导轨系统上，调整螺钉与位移传感器均安装在上升导轨系统上，上升导轨系统实现位移传感器的上下移动，水平导轨系统实现位移传感器的水平移动，调整螺钉对位移传感器进行微动调节；空气轴承加载系统包括空气轴承支撑、砝码、空气主轴、空气轴承、轴承定心套和定心基座，定心基座安装在安装台上，轴承定心套与定心基座连接，空气轴承支撑与空气轴承连接，空气主轴穿过空气轴承支撑和空气轴承，并与砝码连接,待测马达轴承位于空气主轴与轴承定心套之间,上端通过空气主轴压住,下端由轴承定心套支承定位；
具体实现过程包括如下步骤:
步骤(一)、首先将马达标准件装入陀螺电机加载设备的轴承定心套中，并将马达标准件和轴承定心套整体装入定心机座中；通过空气主轴将马达标准件压紧，并通过砝码施加预载荷，其中砝码的质量等于设计预载荷减去空气主轴的质量；
步骤(二)、通过调整水平导轨系统和上升导轨系统，将两个位移传感器的测头打在马达标准件轴肩上，并且两个位移传感器的测量显示值都在量程范围以内，同时测量过程中保持两个位移传感器竖直方向的相对位置不发生变化，得到马达标准件轴肩尺寸h，之后调整水平导轨系统将位移传感器挪开，取下马达标准件；
步骤(三)、将待测量马达轴承清洗后合套，并将待测马达轴承装入轴承定心套中，将待测马达轴承和轴承定心套安装在定心套基座上；
步骤(四)、通过空气主轴将待测马达轴承压紧，并通过砝码施加预载荷，砝码的质量等于设计预载荷减去空气主轴的质量；
步骤(五)、通过调整水平导轨系统和上升导轨系统，将两个位移传感器的测头打在待测马达轴承轴肩上，并且两个位移传感器的测量显示值都在量程范围以内，同时测量过程中保持两个位移传感器竖直方向的相对位置不发生变化；得到待测马达轴承外圈轴肩尺寸h’ ；步骤(六)、得到待测马达轴承外圈轴肩尺寸h’与马达标准件轴肩尺寸h的差值Δ h ；步骤(七)、将差值Ah加上马达标准件轴肩尺寸h值即可得到施加载荷时电机外转子的高度尺寸H。在上述高精度陀螺马达轴承加载方法中，陀螺电机加载设备包括两套位移测量系统，即两个水平导轨系统、两个上升导轨系统、四个位移传感器和两个调整螺钉，其中两个位移传感器为一组，安装在一个上升导轨系统的导轨上，通过调整调整螺钉，使两组位移传感器中每组位移传感器的测量值之和趋于相同。在上述高精度陀螺马达轴承加载方法中，步骤(2)中使两个位移传感器的测头打在马达标准件轴肩的中间位置；步骤(5)中使两个位移传感器的测头打在待测马达轴承轴肩的中间位置。在上述高精度陀 螺马达轴承加载方法中，步骤(6)之后根据需要旋转待测马达轴承外圈进行多点测量，并找出待测马达轴承外圈轴肩尺寸h’与马达标准件轴肩尺寸h的差值Ah的最大值与最小值，取所述最大值与最小值的平均值，进入步骤(7)，将Ah〒 与标准件轴肩尺寸h值相加得到施加载荷时电机外转子的高度尺寸H。本发明与现有技术相比具有如下有益效果:(I)本发明采用创新设计的陀螺电机加载设备对马达轴承进行加载，通过对马达标准件和待测马达轴承的轴肩尺寸分别进行测量，取差值从而确定施加载荷时电机外转子的高度尺寸，提高了位移测量精度，消除了加载力不通过马达轴承中心线造成的误差，进一步提闻了加载精度；(2)本发明在马达轴承加载过程中采用精密砝码直接加载，大大提高了加载精度；(3)本发明采用空气主轴对轴承来进行定位，消除了加载力不通过马达轴承中心线造成的误差；(4)本发明采用通用高精度位移传感器来测量轴承轴肩的距离，提高了位移测量精度，在测量过程中通过采用两组位移传感器进行测量，并根据需要旋转轴承外圈进行多点测量，找出两套轴承外圈轴肩之间尺寸的最大值和最小值，进一步提高了位移测量精度。
图1为陀螺马达总体结构图；图2为传统方法中陀螺马达轴承测间隙加载示意图；图3为本发明采用陀螺电机加载设备进行马达轴承加载示意图；图4为本发明待测马达轴承装配安装示意图；图5为本发明马达标准件示意图；图6为本发明陀螺电机加载设备中轴承定心套示意图；图7为本发明陀螺电机加载设备中定心基座不意图8为本发明陀螺电机加载设备中空气主轴示意图；具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述:
如图3所示为本发明采用陀螺电机加载设备进行马达轴承加载示意图，本发明采用陀螺电机加载设备实现马达轴承加载，陀螺电机加载设备由安装台2、位移测量系统和空气轴承加载系统三部分组成。其中安装台2包括机架和台面，提供设备各部件的安装接口，并保证设备各部件的安装位置要求。
位移测量系统包括水平导轨系统3、上升导轨系统4、两个位移传感器5和调整螺钉13，水平导轨系统3安装在安装台2上，上升导轨系统4安装在水平导轨系统3上，调整螺钉13与两个位移传感器5均安装在上升导轨系统4上，上升导轨系统4实现位移传感器5的上下移动，并用调整螺钉13实现两个位移传感器5整体的上下微动调节。上升导轨系统4、位移传感器5和调整螺钉13整体安装水平导轨系统3上，实现位移传感器5的水平移动。为了提高系统的精度，上升导轨系统5和水平导轨系统3可由成熟的微动平台改装而成，提供运动的精度和重复精度。
图3中的位移测量系统为两套，即两个水平导轨系统3、两个上升导轨系统4、四个位移传感器5和两个调整螺钉13，其中两个位移传感器5为一组，安装在一个上升导轨系统4的导轨上，两个上升导轨系统4上共安装了四个位移传感器5。通过调整调整螺钉13，使两组位移传感器5中每组位移传感器5的测量值之和趋于相同。
空气轴承加载系统包括空气轴承支撑6、砝码7、空气主轴8、空气轴承9、轴承定心套11和定心基座12，定心基座12安装在安装台2上，轴承定心套11与定心基座12连接，空气主轴8穿过空气轴承支撑6和空气轴承9，并与砝码7连接，空气轴承9对空气主轴8提供径向支撑，待测马达轴承10位于空气主轴8与轴承定心套11之间，上端通过空气主轴8压住，下端由轴承定心套11支承定位。如图4所示为本发明待测马达轴承装配安装示意图。
为了提高位移测量精度，位移测量系统可以安装两套，对称安装以消除轴承本身旋转精度引起的误差。
本发明高精度陀螺马达轴承加载方法，包括如下步骤:
步骤(一)、将待测量马达轴承使用航空汽油、无水乙醇和石油醚清洗干净并合套。
步骤(二)、打开陀螺电机加载设备相关气源、使供气压力稳定，使陀螺电机加载设备可以正常工作；
步骤(三)、将马达标准件装入陀螺电机加载设备的轴承定心套11中，并将马达标准件和轴承定心套11整体装入定心机座12中；如图5所示为本发明马达标准件示意图，如图6所示为本发明陀螺电机加载设备中轴承定心套示意图；图7所示为本发明陀螺电机加载设备中定心基座不意图。
步骤(四)、通过空气主轴8将马达标准件压紧，并通过砝码7施加预载荷，其中砝码7的质量等于设计预载荷减去空气主轴8的质量；如图8所示为本发明陀螺电机加载设备中空气主轴示意图。
步骤(五)、通过调整水平导轨系统3和上升导轨系统4，将位移传感器5的测头打在马达标准件轴肩合适的位置，一般打在待测马达轴承轴肩的中间位置。并且位移传感器5的测量显示值都在量程范围以内(量程根据需要选择合适档位)，同时测量过程中保持位移传感器5竖直方向的相对位置不发生变化，得到马达标准件轴肩尺寸h。若位移传感器5为四个，则如图3所示，测量过程中保持四个位移传感器5竖直方向的相对位置不发生变化，通过调整微调螺钉13，使两组位移传感器5中每组位移传感器5的测量值之和趋于相同。步骤(六)、调整水平导轨系统3将位移传感器5挪开，取下马达标准件。步骤(七)、将待测量马达轴承10清洗后合套，并将待测马达轴承10装入轴承定心套11中，将待测马达轴承10和轴承定心套11安装在定心套基座12上。步骤(八)、通过空气主轴8将待测马达轴承10压紧，并通过砝码7施加预载荷，砝码7的质量等于设计预载荷减去空气主轴8的质量；如图4所示。步骤(九)、通过调整水平导轨系统3和上升导轨系统4，将位移传感器5的测头打在待测马达轴承轴肩合适的位置，一般打在待测马达轴承10轴肩的中间位置。并且两个位移传感器5的测量显示值都在量程范围以内(量程根据需要选择合适档位)，同时测量过程中保持位移传感器5竖直方向的相对位置不发生变化；得到待测马达轴承10外圈轴肩尺寸h’。步骤(十)、得到待测马达轴承10外圈轴肩尺寸h’与马达标准件轴肩尺寸h的差值Ah ;步骤(十一)、将差值Ah加上马达标准件轴肩尺寸h值即可得到施加载荷时电机外转子的高度尺寸H。可根据需要旋转待测马达轴承10外圈进行多点测量，并找出待测马达轴承10外圈轴肩尺寸h’与马达标准件轴肩尺寸h的差值Ah的最大值与最小值,取最大值与最小值的平均值，将与标准件轴肩尺寸h值相加得到施加载荷时电机外转子的高度尺寸H。本发明测量原理如下:采用直接测量的原理，以陀螺马达一端的轴承外圈定位，在另一端轴承的外圈上施加固定的载荷或变化的载荷，通过位移测量系统测量两套轴承外圈轴肩之间的尺寸或其尺寸变化量，然后根据测量出的尺寸选配陀螺马达外转子的高度尺寸，保证陀螺马达装配后的预载荷。本发明以陀螺马达一端的轴定心，轴承外圈定位，在砝码盘中放置砝码，通过空气轴承在另一端轴承的外圈上施加要求的载荷(即预载荷)，然后通过标定后的位移传感器I和位移传感器2采用差动测量的方法测量两套轴承外圈轴肩之间的尺寸，根据测量出的尺寸选配陀螺马达外转子的高度尺寸，以保证陀螺马达装配后的预载荷。采用这种加载测试方法，可以根据设计的轴承预载荷测试出两套轴承外圈轴肩之间的尺寸，然后根据该尺寸选配陀螺马达外转子的高度尺寸，对陀螺马达的装配进行过程控制，提高陀螺马达的装机合格率。实施例1以32TZW431D型磁滞陀螺电机用轴承加载为例。32TZW431D型磁滞陀螺电机采用端盖式C906073A2轴承。轴承轴向刚度为200g_250g/ μ m,配对后轴向刚度则为单套轴承刚度的一半，即为lOOg-USg/ym。轴承的加载精度要求为±50g。
加载过程中，采用空气轴承作为加载系统的导向系统，通过装配保证空气主轴和定心基座的同轴度小于0.005 μ m,空气压力不低于4.6MPa。位移传感器采用瑞士 TESA公司生产的GT31型高精度电感位移传感器。其测量重复误差为0.1 μ m。马达标准件两轴肩平行度优于I μ m，距离与马达转子环公称距离相同为11.150mm。轴承定心套和定心基座为间隙配合，配合间隙< 0.02mm。
通过多次测量，位移传感器的重复性误差为0.2 μ m，按照轴向刚度为125g/ym计算，加载精度为50g。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
权利要求
1.一种高精度陀螺马达轴承加载方法，其特征在于:采用陀螺电机加载设备实现加载，所述陀螺马达加载设备包括安装台(2)、位移测量系统和空气轴承加载系统，其中位移测量系统包括水平导轨系统(3)、上升导轨系统(4)、两个位移传感器(5)和调整螺钉(13)，水平导轨系统(3)安装在安装台(2)上，上升导轨系统(4)安装在水平导轨系统(3)上，调整螺钉(13)与位移传感器(5)均安装在上升导轨系统(4)上，上升导轨系统(4)实现位移传感器(5)的上下移动，水平导轨系统(3)实现位移传感器(5)的水平移动，调整螺钉(13)对位移传感器(5)进行微动调节；空气轴承加载系统包括空气轴承支撑(6)、砝码(7)、空气主轴(8)、空气轴承(9)、轴承定心套(11)和定心基座(12)，定心基座(12)安装在安装台(2)上，轴承定心套(11)与定心基座(12)连接，空气轴承支撑(6)与空气轴承(9)连接，空气主轴(8)穿过空气轴承支撑(6)和空气轴承(9)，并与砝码(7)连接，待测马达轴承(10)位于空气主轴(8)与轴承定心套(11)之间，上端通过空气主轴(8)压住，下端由轴承定心套(11)支承定位； 具体实现过程包括如下步骤: 步骤(一)、首先将马达标准件装入陀螺电机加载设备的轴承定心套(11)中，并将马达标准件和轴承定心套(11)整体装入定心机座(12)中；通过空气主轴(8)将马达标准件压紧，并通过砝码(7)施加预载荷，其中砝码(7)的质量等于设计预载荷减去空气主轴(8)的质量； 步骤(二)、通过调整水平导轨系统(3)和上升导轨系统(4)，将两个位移传感器(5)的测头打在马达标准件轴肩上，并且两个位移传感器(5)的测量显示值都在量程范围以内，同时测量过程中保持两个位移传感器(5)竖直方向的相对位置不发生变化，得到马达标准件轴肩尺寸h，之后调整水平导轨系统(3)将位移传感器(5)挪开，取下马达标准件； 步骤(三)、将待测量马达轴承(10)清洗后合套，并将待测马达轴承(10)装入轴承定心套(11)中，将待测马达轴承(10)和轴承定心套(11)安装在定心套基座(12)上； 步骤(四)、通过空气主轴(8)将待测马达轴承(10)压紧，并通过砝码(7)施加预载荷，砝码(7)的质量等于设计预载荷减去空气主轴(8)的质量； 步骤(五)、通过调整水平导轨系统(3)和上升导轨系统(4)，将两个位移传感器(5)的测头打在待测马达轴承(10)轴肩上，并且两个位移传感器(5)的测量显示值都在量程范围以内，同时测量过 程中保持两个位移传感器(5)竖直方向的相对位置不发生变化；得到待测马达轴承外圈轴肩尺寸h’ ； 步骤(六)、得到待测马达轴承外圈轴肩尺寸h’与马达标准件轴肩尺寸h的差值Ah; 步骤(七)、将差值Ah加上马达标准件轴肩尺寸h值即可得到施加载荷时电机外转子的高度尺寸H。
2.根据权利要求1所述的一种高精度陀螺马达轴承加载方法，其特征在于:所述陀螺电机加载设备包括两套位移测量系统，即两个水平导轨系统(3)、两个上升导轨系统(4)、四个位移传感器(5)和两个调整螺钉(13)，其中两个位移传感器(5)为一组，安装在一个上升导轨系统(4)的导轨上，通过调整调整螺钉(13)，使两组位移传感器(5)中每组位移传感器(5)的测量值之和趋于相同。
3.根据权利要求1所述的一种高精度陀螺马达轴承加载方法，其特征在于:所述步骤(2)中使两个位移传感器(5)的测头打在马达标准件轴肩的中间位置；所述步骤(5)中使两个位移传感器(5)的测头打在待测马达轴承(10)轴肩的中间位置。
4.根据权利要求1所述的一种高精度陀螺马达轴承加载方法，其特征在于:所述步骤(6)之后根据需要旋转待测马达轴承(10)外圈进行多点测量，并找出待测马达轴承(10)外圈轴肩尺寸h’与马达标准件轴肩尺寸h的差值Ah的最大值与最小值,取所述最大值与最小值的平均值，进入步骤(7)，将与标准件轴肩尺寸h值相加得到施加载荷时电机外转子的高度尺寸H。`
全文摘要
本发明涉及一种高精度陀螺马达轴承加载方法，采用陀螺电机加载设备实现加载，陀螺电机加载设备包括机架、台面、水平导轨系统、上升导轨系统、两个位移传感器、空气轴承支撑、砝码、空气主轴、轴承定心套和定心基座，本发明以陀螺马达一端的轴定心，轴承外圈定位，在砝码盘中放置砝码，通过空气轴承在另一端轴承的外圈上施加要求的载荷(即预载荷)，然后通过标定后的位移传感器1和位移传感器2采用差动测量的方法测量两套轴承外圈轴肩之间的尺寸，根据测量出的尺寸选配陀螺马达外转子的高度尺寸，保证陀螺马达装配后的预载荷，本发明大大提高了加载精度，消除了加载力不通过马达轴承中心线造成的误差，且提高了位移测量精度。
文档编号G01B21/02GK103148818SQ20121053195
公开日2013年6月12日 申请日期2012年12月6日 优先权日2012年12月6日
发明者魏大忠, 武志忠, 周益, 冯士伟, 李春伟, 孙丽, 李雪峰 申请人:北京控制工程研究所