一种磁悬浮传感器刚度测试系统及测试方法与流程

本发明涉及一种磁悬浮传感器刚度测试系统及测试方法，属于自动化测试系统技术领域。

背景技术：

磁悬浮是利用电磁力，将被支撑件稳定悬浮在空间，使支撑件与被支撑件之间没有机械接触，具备无需润滑、高转速、精度高、功耗低等特点。不仅具有定心功能，还可以作为监测信号。磁悬浮传感器作为重要零件，其精度和可靠性直接影响到上级产品的精度和可靠性，所以提高磁悬浮传感器的精度和可靠性是当前工作的重中之重。衡量磁悬浮传感器工作质量的主要参数是品质因数，然而，品质因数愈高，磁悬浮传感器的恢复力与刚度也愈大，综上，磁悬浮传感器的刚度是评价磁悬浮传感器性能的重要指标。研制一种用于测量磁悬浮传感器刚度测试精度及可靠性的系统十分必要。

目前轴向磁悬浮传感器测试采用手动位移台，按要求测试相应位移下的电感值，电感与电阻的比值为品质因数，由于设备限制，只能用品质因数大小表征刚度大小，测试初始位置(即紧密贴合)依靠光线并结合手感确定，此后每测一个位移需要人工调整位移台到下一位置，这种测试方式精度低、效率低、产品一致性得不到保证。

技术实现要素：

本发明提供了一种磁悬浮传感器刚度测试系统及测试方法，提供了一种磁悬浮传感器刚度测试系统及测试方法，实现磁悬浮传感器刚度的自动化测试。

本发明的技术解决问题为：克服现有技术的不足，提供了一种磁悬浮传感器刚度测试系统及测试方法，实现磁悬浮传感器刚度的自动化测试。

本发明采用如下技术方案实现：

一种磁悬浮传感器刚度测试系统，包括：精密电控位移台和工装；

精密电控位移台包括控制器、底板、X轴电控位移台、Y轴电控位移台、Z轴电控位移台、旋转装置、固定架、转子工装底座和定子工装底座；

Z轴电控位移台安装在底板上，沿Z轴方向移动；X轴电控位移台安装在Z轴电控位移台上，沿X轴方向移动；Y轴电控位移台安装在X轴电控位移台上，沿Y轴方向移动；定子工装底座固定安装在Y轴电控位移台上，磁悬浮传感器定子组件工装通过旋转装置安装在定子工装底座上，使得磁悬浮传感器定子组件工装相对于定子工装底座旋转；

固定架通过4个M6螺钉垂直安装在底板上，转子工装底座安装在固定架上，沿固定架上下移动，磁悬浮传感器转子组件工装固定安装在转子工装底座上；控制器置于底板上，用于控制X轴电控位移台、Y轴电控位移台、Z轴电控位移台和旋转装置，使得磁悬浮传感器定子组件工装上的待测磁悬浮传感器的定子部分和磁悬浮传感器转子组件工装上的待测磁悬浮传感器的转子部分同轴且紧贴在一起。

工装包括磁悬浮传感器定子组件工装和磁悬浮传感器转子组件工装；

所述磁悬浮传感器定子组件工装包括轴向工装夹具和轴向工装夹具帽，轴向工装夹具采用四爪螺纹结构，用四个M4的螺钉与旋转装置固定，将所述待测磁悬浮传感器的定子部分安装到四爪内，再用轴向工装夹具帽锁紧，轴向工装夹具帽内孔也采用螺纹结构。

所述磁悬浮传感器转子组件工装包括立柱工装、力传感器、力传感器连接工装10d和转子粘接工装；立柱工装底面有四个定位销φ7成50×50方形分布，在轴向工装夹具底面与转子工装底座上四个φ7孔紧密配合，起到定位作用，除此还有3个沉头孔，用4个M6螺钉将立柱工装与转子工装底座固定；立柱工装正面有2个φ2的定位销，与力传感器底面内孔定位，再从立柱工装底面用3个沉头螺钉与力传感器固定，力传感器连接工装底面有2个φ2的定位销，与力传感器正面内孔定位，力传感器连接工装正面有3个沉头孔，用3个沉头螺钉将力传感器连接工装与力传感器固定，转子粘接工装经4个沉头螺钉与力传感器连接工装正面固定，待测磁悬浮传感器的转子部分预先粘到转子粘接工装中的槽内，8个立柱底部采用螺纹，与立柱工装8个螺纹孔固定且垂直于立柱工装，立柱的作用为防止待测磁悬浮传感器的转子部分和定子部分贴合后继续挤压，使得力传感器损坏。

所述力传感器采用六自由度力传感器，可以同时感知六个方向的力。

一种磁悬浮传感器刚度测试方法，步骤如下：

(1)将所述磁悬浮传感器刚度测试系统调试到机械零点状态：通过控制器，将X轴电控位移台沿X轴负向移动到量程的极限位置，将Y轴电控位移台沿Y轴负向移动到量程的极限位置，将Z轴电控位移台沿Z轴负向移动到量程的极限位置；

(2)确定磁悬浮传感器XY方向受力的平衡点：通过控制器控制X轴电控位移台沿X轴正向移动，控制Y轴电控位移台沿Y轴正向移动，使得待测磁悬浮传感器定子部分和转子部分同轴；

(3)确定磁悬浮传感器刚度测试的初始位置：平衡点确定后，通过控制器控制Z轴电控位移台沿Z轴正向移动，同时，控制器还控制旋转装置旋转，实现待测磁悬浮传感器定子部分与转子部分紧密贴合；

(4)轴向刚度测试：

令待测磁悬浮传感器转子部分保持不动，通过控制器控制Z轴电控位移台沿Z轴正向带动待测磁悬浮传感器定子部分远离待测磁悬浮传感器转子部分，以预设步长(预设步长为5μm-30μm)多次读取力传感器的数值，得到待测磁悬浮传感器定子部分受力大小；

(5)通过公式F＝a₀+a₁x+a₂x²+…+a_nxⁿ确定待测磁悬浮传感器定子部分的受力F，其中，x为定子部分相对测试初始位置的位移，n为最高阶次，a₀、a₁、a₂……a_n依次为零阶系数、一阶系数、二阶系数……n阶系数；

(6)将步骤(5)中公式F＝a₀+a₁x+a₂x²+…+a_nxⁿ两端对位移x求导，得到

k_x＝F_x'＝a₁+2a₂x+…+na_nx^n-1，k_x即为待测磁悬浮传感器的刚度，n的取值范围是n≥3。

有益效果

(1)本发明设计的磁悬浮传感器刚度测试系统及测试方法是一种位移台自动调试到机械零点、确定平衡点及测试初始位置的新型自动化测试系统；

(2)本发明设计的磁悬浮传感器刚度测试系统及测试方法提高了磁悬浮传感器刚度测试的精度及产品测试的一致性；

(3)本发明设计的磁悬浮传感器刚度测试系统及测试方法的电控位移台采用四轴串联结构，X轴电控位移台、Y轴电控位移台、Z轴电控位移台及旋转装置串联安装。不仅可以保证被测磁悬浮传感器三个方向上的移动，还能保证磁悬浮传感器定子部分和转子部分之间的贴合精度。

附图说明

图1为本发明的磁悬浮传感器刚度测试系统组成框图；

图2为本发明的磁悬浮传感器刚度测试系统定子部分工装组成图；

图3为本发明的磁悬浮传感器刚度测试系统转子部分工装组成图；

图4为本发明的磁悬浮传感器轴向刚度测试流程图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种磁悬浮传感器刚度测试系统，用于磁悬浮传感器的刚度测试。通过设计合适的四轴运动平台和夹持机构，提供给被测磁悬浮传感器定子和转子合适的测试空间，通过电控移动和传感器的数据采集，达到对过程参量的控制和参数读取，通过程序处理和数据拟合，得到被测件的测试结果，达到刚度测试的目的。

通过系统设计，提高磁悬浮传感器定子刚度的测试精度和测试自动化水平，简化操作方法，提高测试可靠性。通过软件和硬件设计，从系统功能和操作流程上提供对产品的保护逻辑，最大程度保护被测产品，提高系统操作的安全性。

如图1所示，本发明提供了一种磁悬浮传感器刚度测试系统及测试方法，包括：控制器1、底板2、X轴电控位移台3、Y轴电控位移台4、Z轴电控位移台5、旋转装置6、固定架7、转子工装底座8、磁悬浮传感器定子组件工装9和磁悬浮传感器转子组件工装10和定子工装底座11；

Z轴电控位移台5安装在底板上，沿Z轴方向(0～2mm范围内)移动；X轴电控位移台3安装在Z轴电控位移台上，沿X轴方向(0～2mm范围内)移动；Y轴电控位移台4安装在X轴电控位移台上，沿Y轴方向(0～2mm范围内)移动；Y轴垂直于底板。定子工装底座11固定安装在Y轴电控位移台4上，磁悬浮传感器定子组件工装9通过旋转装置6安装在定子工装底座11上，使得磁悬浮传感器定子组件工装9相对于定子工装底座11进行360度旋转；

固定架7通过4个M6螺钉垂直安装在底板上，转子工装底座8安装在固定架7上，沿固定架7上下移动，磁悬浮传感器转子组件工装10固定安装在转子工装底座8上；控制器1置于底板2上，用于控制X轴电控位移台3、Y轴电控位移台4、Z轴电控位移台5和旋转装置6，使得磁悬浮传感器定子组件工装9上的待测磁悬浮传感器的定子部分和磁悬浮传感器转子组件工装10上的待测磁悬浮传感器的转子部分同轴且紧贴在一起。

如图2所示，所述磁悬浮传感器定子组件工装9包括轴向工装夹具9a和轴向工装夹具帽9b，轴向工装夹具9a采用四爪螺纹结构，轴向工装夹具是个平面安装面，中心位置有孔，凸起一个圆柱状外螺纹，该圆柱状外螺纹为四爪螺纹结构。用四个M4的螺钉与旋转装置6固定，将所述待测磁悬浮传感器的定子部分安装到四爪内，再用轴向工装夹具帽9b锁紧，轴向工装夹具帽9b内孔也采用螺纹结构。

如图3所示，所述磁悬浮传感器转子组件工装10包括立柱工装10a、力传感器10c、力传感器连接工装10d和转子粘接工装10e；立柱工装10a底面有四个定位销φ7成50×50方形分布，在轴向工装夹具底面与转子工装底座8上四个φ7孔紧密配合，起到定位作用，除此还有3个沉头孔，用4个M6螺钉将立柱工装10a与转子工装底座固定；立柱工装10a正面有2个φ2的定位销，与力传感器底面内孔定位，再从立柱工装底面用3个沉头螺钉与力传感器10c固定，力传感器连接工装10d底面有2个φ2的定位销，与力传感器正面内孔定位，力传感器连接工装10d正面有3个沉头孔，用3个沉头螺钉将力传感器连接工装10d与力传感器10c固定，转子粘接工装10e经4个沉头螺钉与力传感器连接工装10d正面固定，待测磁悬浮传感器的转子部分预先粘到转子粘接工装10e中的槽内，8个立柱10b底部采用螺纹，与立柱工装10a8个螺纹孔固定且垂直于立柱工装10a，立柱10b的作用为防止待测磁悬浮传感器的转子部分和定子部分贴合后继续挤压，使得力传感器10c损坏。

如图4所示，基于上述磁悬浮传感器刚度测试系统，本发明还提供了一种磁悬浮传感器刚度测试方法，测量磁悬浮传感器刚度时，将磁悬浮传感器转子固定在直角固定架上，磁悬浮传感器定子固定在XYZ位移台上，以一定的步长沿X向移动磁悬浮传感器定子，测量每一步磁悬浮传感器转子的受力大小及磁悬浮传感器定子相对于平衡点的位移量，磁悬浮传感器转子的位移与磁悬浮传感器定子的位移方向相反。测量多组数据后，根据测量时数据对刚度方程式进行求解，即得到某方向的刚度-位移函数。

磁悬浮传感器刚度测试步骤如下：

(1)将所述磁悬浮传感器刚度测试系统调试到机械零点状态：通过控制器，将X轴电控位移台沿X轴负向移动到量程的极限位置，将Y轴电控位移台沿Y轴负向移动到量程的极限位置，将Z轴电控位移台沿Z轴负向移动到量程的极限位置；

(2)确定磁悬浮传感器XY方向受力的平衡点：通过控制器控制X轴电控位移台沿X轴正向移动，控制Y轴电控位移台沿Y轴正向移动，使得待测磁悬浮传感器定子部分和转子部分同轴；

(3)确定磁悬浮传感器刚度测试的初始位置：平衡点确定后，通过控制器控制Z轴电控位移台沿Z轴正向移动，同时，控制器还控制旋转装置旋转，实现待测磁悬浮传感器定子部分与转子部分紧密贴合；

(4)轴向刚度测试：

令待测磁悬浮传感器转子部分保持不动，通过控制器控制Z轴电控位移台沿Z轴正向带动待测磁悬浮传感器定子部分远离待测磁悬浮传感器转子部分，以预设步长(预设步长为5μm-30μm)多次读取力传感器的数值，得到待测磁悬浮传感器定子部分受力大小；

(5)通过公式F＝a₀+a₁x+a₂x²+…+a_nxⁿ确定待测磁悬浮传感器定子部分的受力F，其中，x为定子部分相对测试初始位置的位移，n为最高阶次，a₀、a₁、a₂……a_n依次为零阶系数、一阶系数、二阶系数……n阶系数；

(6)将步骤(5)中公式F＝a₀+a₁x+a₂x²+…+a_nxⁿ两端对位移x求导，得到

k_x＝F_x'＝a₁+2a₂x+…+na_nx^n-1，k_x即为待测磁悬浮传感器的刚度，n的取值范围是n≥3。

磁悬浮传感器刚度测试系统测量原理：

测量磁悬浮传感器刚度时，以磁悬浮传感器转子合力为零的位置作为初始平衡位置，为此需要在控制磁悬浮传感器定子在XYZ三轴内移动，通过实时读取力传感器的测量数据，找到磁悬浮传感器转子受力的零点。轴向磁悬浮传感器刚度测量需要移动对应的Z轴，移动一定步长，并对位移量进行测量，同时测量移动后磁悬浮传感器转子受力情况。测量多组数据后，根据测量时数据对刚度方程式进行求解，即得到某方向的刚度-位移函数。