一种磁悬浮轴承的刚度测试装置及测试方法与流程

本发明涉及一种磁悬浮轴承的刚度测试装置及测试方法，适用于大承载高刚度磁悬浮轴承，属于磁悬浮技术领域。

背景技术：

惯性执行机构是各类卫星、空间站等航天器平台进行姿态调整与控制所普遍使用的惯性执行机构，其中基于磁悬浮轴承支撑的飞轮和控制力矩陀螺是重要的一类。目前我国在轨工作航天器所使用的惯性执行机构是基于机械轴承支承的惯性执行机构，由于机械滚珠轴承需要额外的润滑系统；而磁悬浮轴承采用无接触、无摩擦悬浮技术，解决了摩擦和振动问题，具有高精度、长寿命、高转速等优点，是国际空间技术发展的方向。

空间惯性执行机构对磁悬浮轴承的性能有着很高的要求，尤其是位移刚度和电流刚度两个指标，实际加工时较难保证，对后期控制系统的设计调试必不可少，所以刚度指标的测试是磁悬浮轴承的关键技术之一。

传统测试是在惯性执行机构整体装配完成以后，在实际工作中对位移、电流等数据进行测量，通过计算间接得出位移刚度和电流刚度；如测试指标不符合要求则需要重新拆装进行更换，这样处理会造成精度降低而且耗费人力物力和时间。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种磁悬浮轴承的刚度测试装置及测试方法，解决了磁轴承组件装配完成后无法对组件进行单独测量、无法进行直接测量的问题，实现了磁悬浮轴承的刚度自动化综合测试，避免了组件不合格导致的重复拆装，满足产品的批量化生产。

本发明的技术解决方案是：

一种大承载高刚度磁悬浮轴承的刚度综合测试装置，包括底座、二维运动平台、力传感器支架、力传感器、磁轴承转子安装架、磁轴承转子组件、磁轴承定子组件和磁轴承定子安装架；

底座为上端开口的空心圆筒状结构，二维运动平台固定安装在底座的内部底面上，二维运动平台的上表面相对底座进行两自由度运动；

轴承转子安装架为下端开口的圆筒状结构，且在轴承转子安装架内部有转子安装芯轴，该芯轴沿所述轴承转子安装架的轴线方向且该芯轴的一端与轴承转子安装架内部顶面圆心处连接；磁轴承转子组件套在所述芯轴上且与芯轴固定连接；

磁轴承定子组件固定安装在磁轴承定子安装架内部，磁轴承定子安装架安装在二维运动平台的上表面，随着二维运动平台上表面运动而运动，磁轴承定子组件套在所述磁轴承转子组件的外部且与磁轴承转子组件之间有磁悬浮间隙；

正交对向安装的四个力传感器一端与磁轴承转子安装架固定连接，另一端通过力传感器支架安装于底座上，通过调整力传感器支架实现力传感器的零位调节。

力传感器支架包括调节把手、调节滑块和支架外框；

调节滑块安装在支架外框内部且在调节把手的作用下，沿力传感器的轴线方向相对于支架外框滑动。

二维运动平台上表面相对底座进行两自由度运动，是在二维运动平台上表面所在的平面内进行。

二维运动平台上表面相对底座进行两自由度运动的两个方向，与两组力传感器的测量方向一致，相对的两个力传感器为一组。

还包括电流源、光栅尺和数据处理模块；

电流源用于给磁轴承定子组件供电，光栅尺设置在二维运动平台上，用于实时采集位移量，数据处理模块接收力传感器的输出信号以及光栅尺采集的位移量，计算位移刚度和电流刚度，两组力传感器的测量方向各设置有一个光栅尺。

一种基于大承载高刚度磁悬浮轴承的刚度综合测试装置实现的测试方法，包括位移刚度测试和电流刚度测试，

位移刚度测试的步骤如下：

(1)调整二维运动平台，使得磁轴承转子组件和磁轴承定子组件同轴，即将两个光栅尺均调整到零位；

(2)关闭电流源，中断磁轴承定子组件的供电；

(3)通过调节力传感器支架中的调节把手，将力传感器调整到零位；

(4)任选一组力学传感器的测量方向，在二维运动平台沿选择的一组力学传感器的测量方向上的可移动范围内设置若干个均分点，在每个均分点均采集光栅尺输出的位移量以及力传感器的输出信号；

(5)重复步骤(4)的方式，在另一组力学传感器的测量方向上，采集光栅尺输出的位移量以及力传感器的输出信号；

(6)数据处理模块接收力传感器的输出信号以及光栅尺采集的位移量，分别通过公式K_s＝F_s/S计算两个方向上每个均分点的位移刚度K_s，其中，F_s为每个均分点位置处的力传感器的输出信号，即磁轴承转子组件和磁轴承定子组件之间的磁场力，S为每个均分点的位置处的光栅尺采集的位移量，即磁轴承转子组件和磁轴承定子组件之间的相对位移；

(7)将所有的均分点对应的位移刚度K_s进行数据拟合处理，得到两个方向的最终位移刚度值；

电流刚度测试的步骤如下：

(a)调整二维运动平台，使得磁轴承转子组件和磁轴承定子组件同轴，即将两个光栅尺均调整到零位；

(b)关闭电流源，中断磁轴承定子组件的供电；

(c)通过调节力传感器支架中的调节把手，将力传感器调整到零位；

(d)任选一组力学传感器的测量方向，启动电流源，恢复磁轴承定子组件在所选测量方向上的供电，输出电流按预设的步进值递增，测量每个电流值所对应的力传感器的输出信号；

(e)重复步骤(d)的方式，在另一组力学传感器的测量方向上，测量每个电流值所对应的力传感器的输出信号；

(f)数据处理模块接收力传感器的输出信号以及电流源的输出电流值，分别通过公式K_i＝F_i/i计算两个方向上每个电流值对应的电流刚度K_i，其中，F_i为每个电流值对应的力传感器的输出信号，即磁轴承转子组件和磁轴承定子组件之间的磁场力，i为电流值；

(g)将所有的电流值对应的电流刚度K_i进行数据拟合处理，得到两个方向的最终电流刚度值。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1、本发明实现了磁悬浮轴承组件装配完成后，惯性执行机构整体装配前的磁悬浮轴承刚度测试，避免了整体装配后测试无法调整的难题，实现了先测试筛选再整体装配，缩短了装配周期，提高了产品性能。

2、本发明通过力传感器框架中的调节把手调整力传感器的零位，降低了对装置零件加工精度和装配精度的要求，提高了力的测量精度。

3、本发明通过二维运动平台的双方向运动，与两组位移传感器方向一致，同一装置测量双方向的电流刚度和位移刚度，对多测量值进行综合测试，避免反复安装。

4、本发明能够实现测量过程自动化，测量数据实时保存，避免人为操作误差。

附图说明

图1为本发明剖面图

图2为本发明上视图

图3为本发明力传感器安装架剖面图

图4为本发明中磁轴承转子组件及转子安装架结构图

图5为本发明中磁轴承定子组件及定子安装架结构图

具体实施方式

本发明提出了一种磁悬浮轴承的刚度测试装置及测试方法，装置包括底座、二维运动平台、力传感器支架、力传感器、磁轴承转子组件、磁轴承转子安装架、磁轴承定子组件和磁轴承定子安装架；力传感器可通过力传感器支架调整零位。通过二维运动平台可以使转子与定子产生相对位移，通过电流源可以设定定子线圈内的电流，利用力传感器获取定子转子之间受力情况；得到受力与位移、受力与电流的关系式，可以得到磁轴承的电流刚度和位移刚度。本发明解决了大承载高刚度磁悬浮轴承的刚度测量难题，实现了大承载高刚度磁悬浮轴承电流刚度及位移刚度的快速自动化测量，满足了产品的批量化生产。

如图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明提供的一种大承载高刚度磁悬浮轴承的刚度综合测试装置，包括底座1、二维运动平台2、力传感器支架3、力传感器4、磁轴承转子安装架6、磁轴承转子组件5、磁轴承定子组件7和磁轴承定子安装架8。

底座1为上端开口的空心圆筒状结构，二维运动平台2固定安装在底座1的内部底面上，二维运动平台2的上表面相对底座1进行两自由度运动。

轴承转子安装架6为下端开口的圆筒状结构，且在轴承转子安装架6内部有转子安装芯轴，该芯轴沿所述轴承转子安装架6的轴线方向且该芯轴的一端与轴承转子安装架6内部顶面圆心处连接；磁轴承转子组件5套在所述芯轴上且与芯轴固定连接，无相对运动。

磁轴承定子组件7固定安装在磁轴承定子安装架8内部，磁轴承定子安装架8安装在二维运动平台2的上表面，随着二维运动平台2上表面运动而运动，使转子与定子间沿二维平台运动方向产生相对运动。磁轴承定子组件7套在所述磁轴承转子组件5的外部且与磁轴承转子组件5之间有磁悬浮间隙，通过磁场的变化可以产生相对磁场力的变化。

磁轴承转子组件5、定子组件7均通过安装架连接至刚度测试装置，其他产品磁轴承转子组件5、定子组件7尺寸不一致的情况下，仅更换合适的安装架即可使用本测试装置进行刚度测试，提高了本装置的适用性。

正交对向安装的四个力传感器4一端与磁轴承转子安装架6固定连接，另一端通过力传感器支架3安装于底座1上，通过调整力传感器支架3实现力传感器4的零位调节。每一次测量前，先通过调节保证力传感器4处于零位。

力传感器支架3包括调节把手9、调节滑块10和支架外框11。调节滑块10安装在支架外框11内部且在调节把手9的作用下，沿力传感器4的轴线方向相对于支架外框11滑动。当力传感器为正向时，旋转调节把手9使

二维运动平台2上表面相对底座1进行两自由度运动，是在二维运动平台2上表面所在的平面内进行。二维运动平台2上表面相对底座1进行两自由度运动的两个方向，与两组力传感器4的测量方向一致，相对的两个力传感器4为一组。

本发明技术方案还可以包括电流源、光栅尺和数据处理模块；

电流源用于给磁轴承定子组件7提供电流，光栅尺设置在二维运动平台2上，用于实时采集位移量，数据处理模块接收力传感器4的输出信号以及光栅尺采集的位移量，计算位移刚度和电流刚度，两组力传感器4的测量方向各设置有一个光栅尺。

基于上述刚度测试装置，本发明还提出了一种磁悬浮轴承的刚度测试方法，该测试方法包括位移刚度测试和电流刚度测试，

位移刚度测试的步骤如下：

(1)调整二维运动平台2，使得磁轴承转子组件5和磁轴承定子组件7同轴，即将两个光栅尺均调整到零位；

(2)关闭电流源，中断磁轴承定子组件7的供电；

(3)通过调节力传感器支架3中的调节把手9，将力传感器4调整到零位；

(4)任选一组力学传感器的测量方向，在二维运动平台2沿选择的一组力学传感器的测量方向上的可移动范围内设置若干个均分点，在每个均分点均采集光栅尺输出的位移量以及力传感器4的输出信号；

(5)重复步骤4的方式，在另一组力学传感器的测量方向上，采集光栅尺输出的位移量以及力传感器4的输出信号；

(6)数据处理模块接收力传感器4的输出信号以及光栅尺采集的位移量，分别通过公式K_s＝F_s/S计算两个方向上每个均分点的位移刚度K_s，其中，F_s为每个均分点位置处的力传感器4的输出信号，即磁轴承转子组件5和磁轴承定子组件7之间的磁场力，S为每个均分点的位置处的光栅尺采集的位移量，即磁轴承转子组件5和磁轴承定子组件7之间的相对位移；

(7)将所有的均分点对应的位移刚度K_s进行数据拟合处理，得到两个方向的最终位移刚度值；

电流刚度测试的步骤如下：

(a)调整二维运动平台2，使得磁轴承转子组件5和磁轴承定子组件7同轴，即将两个光栅尺均调整到零位；

(b)关闭电流源，中断磁轴承定子组件7的供电；

(c)通过调节力传感器支架3中的调节把手9，将力传感器4调整到零位；

(d)任选一组力学传感器的测量方向，启动电流源，恢复磁轴承定子组件7在所选测量方向上的供电，输出电流按预设的步进值递增，测量每个电流值所对应的力传感器4的输出信号；

(e)重复步骤d的方式，在另一组力学传感器的测量方向上，测量每个电流值所对应的力传感器4的输出信号；

(f)数据处理模块接收力传感器4的输出信号以及电流源的输出电流值，分别通过公式K_i＝F_i/i计算两个方向上每个电流值对应的电流刚度K_i，其中，F_i为每个电流值对应的力传感器4的输出信号，即磁轴承转子组件5和磁轴承定子组件7之间的磁场力，i为电流值；

(g)将所有的电流值对应的电流刚度K_i进行数据拟合处理，得到两个方向的最终电流刚度值。

实施例：

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轴承的刚度测试装置及测试方法，装置包括底座、二维运动平台、力传感器支架、力传感器、磁轴承转子组件、磁轴承转子安装架、磁轴承定子组件和磁轴承定子安装架；力传感器可通过力传感器支架调整零位。通过二维运动平台可以使转子与定子产生相对位移，通过电流源可以设定定子线圈内的电流，利用力传感器获取定子转子之间受力情况；得到受力与位移、受力与电流的关系式，可以得到磁轴承的电流刚度和位移刚度。

一种磁悬浮轴承的刚度测试方法，包括底座、磁轴承转子及定子组件、二维运动平台、光栅尺、电流源、力传感器、数据处理模块，实现如下。

位移刚度测试方法：

(1)调整二维运动平台，使得磁轴承转子组件和磁轴承定子组件同轴，即将两个光栅尺均调整到零位；

(2)关闭电流源，中断磁轴承定子组件的供电；

(3)通过调节力传感器支架中的调节把手，将力传感器调整到零位；

(4)任选一组力学传感器的测量方向，在二维运动平台沿选择的一组力学传感器的测量方向上的可移动范围(0.2mm)内设置若干个均分点(一般取步长为0.01mm)，在每个均分点均采集光栅尺输出的位移量以及力传感器的输出信号；

(5)重复步骤4的方式，在另一组力学传感器的测量方向上，采集光栅尺输出的位移量以及力传感器的输出信号；

(6)数据处理模块接收力传感器的输出信号以及光栅尺采集的位移量，分别通过公式K_s＝F_s/S计算两个方向上每个均分点的位移刚度K_s，其中，F_s为每个均分点位置处的力传感器的输出信号，即磁轴承转子组件和磁轴承定子组件之间的磁场力，S为每个均分点的位置处的光栅尺采集的位移量，即磁轴承转子组件和磁轴承定子组件之间的相对位移；

(7)将所有的均分点对应的位移刚度K_s进行数据拟合处理，得到两个方向的最终位移刚度值；

电流刚度测试方法：

(a)调整二维运动平台，使得磁轴承转子组件和磁轴承定子组件同轴，即将两个光栅尺均调整到零位；

(b)关闭电流源，中断磁轴承定子组件的供电；

(c)通过调节力传感器支架中的调节把手，将力传感器调整到零位；

(d)任选一组力学传感器的测量方向，启动电流源，恢复磁轴承定子组件在所选测量方向上的供电，输出电流由0A开始按0.1A递增，测量每个电流值所对应的力传感器的输出信号；

(e)重复步骤d的方式，在另一组力学传感器的测量方向上，测量每个电流值所对应的力传感器的输出信号；

(f)数据处理模块接收力传感器的输出信号以及电流源的输出电流值，分别通过公式K_i＝F_i/i计算两个方向上每个电流值对应的电流刚度K_i，其中，F_i为每个电流值对应的力传感器的输出信号，即磁轴承转子组件和磁轴承定子组件之间的磁场力，i为电流值；

(g)将所有的电流值对应的电流刚度K_i进行数据拟合处理，得到两个方向的最终电流刚度值。

二维运动平台控制精度高于5um，运动范围大于50mm，光栅尺测量精度高于2um，测量范围大于或等于二维运动平台的运动范围。

电流源可以通过计算机控制输入至磁轴承组件的电流值；电流输出及测量精度高于1mA，最大输出大于2A。

四个力传感器以两两差分的形式测量两个维度的磁场力，单一方向有两个力传感器进行差分测量，并传送至数据处理模块；力传感器测量精度高于1N，测量范围大于300N。

磁悬浮轴承的刚度综合测试装置通过数据处理模块进行自动化测量，在位移刚度测试中，位移和磁场力的测量由数据处理模块控制，无需手动操作；在电流刚度测试中，电流的设定和磁场力的测量由数据处理模块控制，无需手动操作；测量结束后通过计算得出刚度值，并绘制测量曲线。

在刚度测试中，一次安装后测试装置可测量两个方向的电流刚度和位移刚度，无需重复安装。

在刚度测试中，通过更换合适的夹具，可测试不同尺寸规格的磁悬浮轴承组件，具有通用性。

本发明说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知技术。