高温超导磁悬浮轴承悬浮特性三维测量装置的制作方法

本发明涉及一种测量高温超导磁悬浮轴承悬浮特性的装置。

背景技术：

高温超导飞轮储能系统可应用于电力储能、电磁弹射、太空卫星的姿态调整等关键领域，高温超导磁悬浮轴承是高温超导飞轮储能系统的核心部件之一，因此在设计高温超导飞轮储能系统时，必须对高温超导磁悬浮轴承的载荷能力及刚度等悬浮特性进行详细的研究和测量。

高温超导磁悬浮轴承的悬浮力及其刚度是磁悬浮轴承的重要指标。高温超导磁悬浮轴承悬浮力分为垂直悬浮力和径向回复力。垂直悬浮力直接决定了磁悬浮轴承的载荷能力，即高温超导飞轮储能系统的额定容量；径向回复力(通常测量横向和纵向两个径向位置)则决定了磁悬浮轴承在运行过程中的振幅，即径向约束力；垂直悬浮力及径向回复力刚度皆表征磁悬浮轴承能够自稳定悬浮的能力。因此，精确地测量高温超导磁悬浮轴承的悬浮力及其刚度，对于高温超导磁悬浮轴承的理论研究和仿真设计具有验证和指导意义，能够推动高温超导飞轮储能系统的商业化进程。

目前，由于受到条件的限制及各科研院所研究的高温超导磁悬浮轴承的结构不同，尚未有一套通用的高温超导磁悬浮轴承悬浮特性三维测量装置。在已有的测量装置中，有的或仅能测量悬浮力而无法测量径向回复力，有的或仅能针对理论研究进行实验室小样机的测量，有的或针对高温超导磁悬浮轨道进行测量，有的或永磁转子采用电磁线圈代替，并未真正体现高温超导磁悬浮轴承的性能。

如“ybco超导块的悬浮力及其测量(低温物理学报，vol.21，no.4，aug.，1999年8月，第21卷第4期，vol.21，no.4，aug.，1999)，，肖玲，任洪涛，焦玉磊等”中给出的磁浮力测量装置为北京有色金属研究院研制的高温超导磁悬浮轴承悬浮力测量装置，上端为步进电机主轴连接永磁转子，下端将低温杜瓦与传感器固定连接，低温杜瓦内固定超导定子，装置可测量轴向型和径向型超导磁悬浮轴承悬浮力，但仅能测量垂直悬浮力，且装置结构固定测量能力有限，仅能适用于教学及原理样机测量，不能测量较大直径和高度的工程应用装置；专利cn200610114637.9为公开的高温超导磁悬浮或电机准静态力测试装置，上端通过垂直方向伺服电机连接低温杜瓦，低温杜瓦内固定超导定子，下端为三相交流线圈代替永磁转子产生磁场，三相交流线圈与水平方向伺服电机连接，该装置能同时测量垂直悬浮力和径向回复力，但由于三项交流线圈仅能在杜瓦外壁即超导定子外表面移动，该装置仅适用于轴向型超导轴承的特性研究，仅能在二维空间控制超导定子与交流线圈的相对移动，且采用交流线圈代替永磁转子，不能适用于采用永磁转子的结构；专利cn200610021654.8的高温超导磁悬浮测量装置，采用立式结构，上端通过水平和垂直两个方向伺服电机连接低温杜瓦，低温杜瓦内固定超导定子，垂直和水平测力传感器与杜瓦连接，下端固定永磁轨道，该装置可测量垂直悬浮力和径向回复力，但该装置采用2个伺服电机，仅能在平面二维空间内控制超导定子与永磁轨道的相对位移，且该装置主要应用于高温超导磁悬浮轨道列车的特性研究，能适用于轴向型高温超导磁悬浮轴承的特性测量，但不适用于径向型高温超导磁悬浮轴承。鉴于以上测量装置的局限性，需要作出改进以设计一种通用型的测量装置。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有高温超导磁悬浮轴承悬浮特性测量装置的缺点，提出一种高温超导磁悬浮轴承悬浮特性三维测量装置。本发明能够在任意三维空间精确测量高温超导磁悬浮轴承的垂直悬浮力、径向回复力及其刚度，同时适用于轴向型高温超导磁悬浮轴承和径向型高温超导磁悬浮轴承，能够通过简单操作自适用于不同直径大小不同高度的高温超导磁悬浮轴承。

本发明采用以下技术方案：

本发明高温超导磁悬浮轴承悬浮特性三维测量装置，由支架、三轴运动机械手、永磁转子固定装置、双层低温杜瓦、测力传感器、传感器固定装置、机械手运动控制系统和自动控制系统组成。

所述的支架由无磁不锈钢材料焊接而成，构成整个测量装置的主体框架结构。支架的上横梁上安装三轴运动机械手，永磁转子固定装置安装在三轴运动机械手垂直机械臂的滑块的上端面，永磁转子固定装置的背面与垂向机械臂滑块的上端面贴合，永磁转子固定装置带螺纹孔的下端面与垂向机械臂滑块的上端面垂直。双层低温杜瓦位于支架内的中心位置，包括杜瓦和支撑杜瓦的杜瓦支撑装置。多个测力传感器分别位于杜瓦的底面或沿圆周方向布置在杜瓦的外壁。测力传感器的一端与杜瓦连接，测力传感器的另一端固定在传感器固定装置上。所述的测力传感器包括垂直测力传感器、横向测力传感器和纵向测力传感器，横向测力传感器和纵向测力传感器合称为水平测力传感器。传感器固定装置分为垂直测力传感器固定装置和水平测力传感器固定装置，垂直测力传感器固定装置位于杜瓦的底部；水平测力传感器固定装置沿圆周方向布置在杜瓦的外壁。机械手运动控制系统的3个交流伺服放大器的电源输出端口通过3路电源电缆分别与三轴运动机械手的3个交流伺服电机的电源输入端口连接，机械手运动控制系统的3个交流伺服放大器的控制输出端口通过3路控制电缆分别与三轴运动机械手的3个交流伺服电机的控制输入端口相连。自动控制系统数据采集卡的信号输入端通过3路控制电缆分别与3个测力传感器的信号输出端相连，数据采集卡的输出端通过通讯电缆与上位机串口相连，自动控制系统的电机运动控制卡的控制输出端通过3路控制电缆分别与三轴运动机械手3个交流伺服放大器的控制输入端口连接，电机运动控制卡的输入/输出端口与上位机连接。

所述的支架包括支架横梁、支架立柱和地面固定装置。支架由无磁不锈钢材料焊接而成，能够保证足够强度，并避免材料的铁磁特性对悬浮力的测量精度造成影响。4根支架立柱布置于支架的4个角，和支架上横梁、支架下横梁组成框架。框架的底部焊接有圆形的地面固定装置，每个地面固定装置有4个通孔，可通过螺栓将支架与地面固定连接，保证测量装置的稳定运行。

所述的三轴运动机械手由1个垂向机械臂、1个横向机械臂和2个纵向机械臂组成。三个机械臂上均装有滑块。2个纵向机械臂分别位于支架两侧的支架上横梁的上端面，纵向机械臂的两端与支架上横梁的两端对齐，纵向机械臂的侧面与支架上横梁的侧面对齐。横向机械臂横跨于纵向机械臂的上部，为侧立式安装，横向机械臂的两端与纵向机械臂的侧面对齐，横向机械臂的侧面与纵向机械臂上的滑块固定连接。垂向机械臂直立式安装于横向机械臂的滑块的上端面，垂向机械臂的下端与横向机械臂的侧面对齐，垂向机械臂的背面与横向机械臂上的滑块上端面贴合且二者固定连接。

所述的双层低温杜瓦位于支架内部的中心位置，包括杜瓦和支撑杜瓦的杜瓦支撑装置。所述的杜瓦支撑装置由4个万向球、4根支撑螺杆、4个螺杆紧固装置、2个支撑横梁、4根支撑立柱及4个手轮组成。测量径向回复力时，4个万向球和4根支撑螺杆安装在杜瓦的底部，根据杜瓦直径大小在支撑立柱上距离支撑横梁横向中心线位置两侧距离相等的4个位置调整通孔安装4根支撑螺杆，每根支撑螺杆的上端安装一个万向球，万向球与支撑螺杆通过螺纹连接，万向球的球面与杜瓦底面相切，支撑螺杆的另一端通过与位置调整通孔螺纹配合固定于支撑横梁上，并且在支撑横梁下端面通过螺母将支撑螺杆锁紧。测量垂直悬浮力时，4个万向球和4个支撑螺杆安装在杜瓦的圆周方向外壁，根据所测量的高温超导磁悬浮轴承超导定子的高度在4根支撑立柱上的位置调整通孔安装螺杆紧固装置，4根支撑螺杆通过螺杆紧固装置固定于4根支撑立柱上，每根支撑螺杆的一端与1个万向球固定连接，万向球的球面与杜瓦圆周方向外壁相切，支撑螺杆的另一端穿过螺杆紧固装置的中心螺纹通孔与位于支架外的手轮连接。

所述的测力传感器包括垂直测力传感器、横向测力传感器和纵向测力传感器，横向测力传感器和纵向测力传感器合称为水平测力传感器。

所述的传感器固定装置包括传感器过度头、2根传感器支撑螺杆和支撑底板。测量垂直悬浮力时传感器固定装置的传感器过度头安装于杜瓦的底部，支撑底板焊接于杜瓦支撑装置的支撑横梁上；测量径向回复力时，传感器过度头安装于杜瓦的圆周方向外壁，2根传感器支撑螺杆固定于杜瓦支撑装置的螺杆紧固装置上。

所述的机械手运动控制系统包括供电电源和3个交流伺服放大器。供电电源和3个交流伺服放大器安装于配电箱内，供电电源通过配电箱外部的端口与公共电源连接。供电电源连接至3个交流伺服放大器电源的输入端口，3个交流伺服放大器的电源输出端口通过3路电源电缆分别连接至三轴运动机械手3个交流伺服电机的电源输入端口，3个伺服放大器的控制信号输出端口通过3路控制电缆分别连接至三轴运动机械手3个交流伺服电机的控制输入端口，3个交流伺服放大器的控制信号输入端口通过3路控制电缆连接至自动控制系统电机运动控制卡的控制输出端口。机械手运动控制系统接收电机运动控制卡输出的脉冲信号，可精确控制三轴运动机械手的电机速度、电机加速度、电机转角、机械臂位移，从而精确控制永磁转子的空间位置。

所述的永磁转子固定装置与三轴运动机械手垂向机械臂的滑块固定连接。永磁转子固定装置的背面与垂向机械臂滑块的上端面贴合，永磁转子固定装置带螺纹孔的下端面与滑块上端面垂直。垂向机械臂的上端装有垂向伺服电机，垂向机械臂内装有滚珠丝杠，滚珠丝杠的一端固定于垂向机械臂的下端部，滚珠丝杠的另一端通过弹性联轴器与垂向伺服电机的主轴连接。垂向机械臂的两个侧面装有导轨，导轨上装有滑块，滑块的上端面位于垂向机械臂的端面上部且与垂向机械臂的端面平行，滑块可沿导轨移动，滑块与滚珠丝杠的滚珠螺母连接固定，垂向伺服电机驱动滚珠丝杆转动，则滚珠螺母带动滑块沿垂向机械臂的导轨移动。横向机械臂的上端部装有横向伺服电机，横向机械臂内装有滚珠丝杠，滚珠丝杠的一端固定于横向机械臂下端部，滚珠丝杠的另一端通过弹性联轴器与横向伺服电机的主轴连接。横向机械臂的两个侧面装有导轨，导轨上装有滑块，滑块的上端面位于横向机械臂的端面上部且与横向机械臂的端面平行，滑块可沿导轨移动，滑块与滚珠丝杠的滚珠螺母连接固定，横向伺服电机驱动滚珠丝杆转动，则滚珠螺母带动滑块沿横向机械臂的导轨移动。2个纵向机械臂构成一个整体，其中第一纵向机械臂的上端部装有纵向伺服电机，第一纵向机械臂内装有滚珠丝杠，滚珠丝杠的一端固定于第一纵向机械臂下端部，滚珠丝杠的另一端直接通过弹性联轴器与纵向伺服电机主轴连接。第二纵向机械臂的上端部不安装纵向伺服电机，第二纵向机械臂内装有滚珠丝杠，滚珠丝杠的一端固定于第二纵向机械臂下端部，滚珠丝杠的另一端通过联轴器与电机主轴同步装置连接，电机主轴同步装置与纵向伺服电机主轴连接。纵向机械臂的两个侧面装有导轨，导轨上装有滑块，滑块的上端面位于纵向机械臂的端面上部且与纵向机械臂的端面平行，滑块可沿导轨移动，滑块与滚珠丝杠的滚珠螺母连接固定，纵向伺服电机主轴转动，直接驱动一个滚珠丝杆转动，通过电机主轴同步装置可同步驱动另一个滚珠丝杆转动，从而保证两个滚珠螺母分别带动两个滑块沿纵向机械臂的导轨同步移动。

永磁转子通过螺母固定于垂向机械臂上的永磁转子固定装置上，通过三个机械臂的移动可精确控制永磁转子在三维空间的任意位移，进而保证可在三维空间进行高温超导轴承悬浮特性的测量。

高温超导轴承的超导定子固定于杜瓦内部，通过螺母固定于杜瓦内底面，可避免测力时超导定子晃动对测量精度造成影响。杜瓦采用双层结构，两层结构之间的间隙为真空夹层，极大地削弱了杜瓦外壁与空气的热对流，有效地保持了液氮的低温制冷效果，同时在杜瓦直径确定的情况下，增大杜瓦的高度，保持杜瓦的高度直径比率大于等于3。本发明采用这种高度直径比较大的结构设计，可有效地减小液氮的挥发，极大地缩短了超导材料的冷却时间，同时降低了液氮的消耗。杜瓦沿圆周方向的外壁留有真空接头，将真空泵与真空接头连接将夹层抽为真空，再将真空接头阀门关闭。

杜瓦支撑装置的2个支撑横梁纵向焊接在支架下端的2个支架下横梁之间。2个支撑横梁的端面与支架下横梁端面平行且位于同一平面，支撑横梁位于支架下横梁所在平面的中心位置，即2个支撑横梁中心线分别距离两侧支架下横梁中心线的距离相等，每个支撑横梁上开有6个位置调整通孔。2个支撑横梁之间留有间隙，2个支撑横梁间隙的中心位置安装传感器固定装置的支撑底板，支撑底板的两条侧边与支撑横梁焊接固定，支撑底板的端面与支撑横梁的端面位于同一平面。

杜瓦支撑装置的4根支撑立柱焊接在支架4个侧面的中心位置，每个支撑立柱由2根不锈钢立柱组成，2根不锈钢立柱之间留有间隙。支撑立柱的两端分别与支架的支架上横梁和支架下横梁焊接，支撑立柱的端面与支架横梁的侧面位于同一平面，每根立柱上开有等间距的位置调整通孔。

杜瓦通过杜瓦支撑装置支撑。测量高温超导磁悬浮轴承横向和纵向即径向回复力时，水平测力传感器，即横向测力传感器和纵向测力传感器位于杜瓦沿圆周方向的外壁，并通过螺母与杜瓦外壁安装固定。4根支撑螺杆固定于2个支撑横梁上，每个支撑横梁上固定2根支撑螺杆。每个支撑横梁上有6个位置调整通孔，测量时可以根据杜瓦直径大小，在支撑横梁上选择距离支撑横梁横向中心线位置两侧距离相等的4个位置调整通孔安装支撑螺杆，每根支撑螺杆的上端安装一个万向球，万向球与支撑螺杆通过螺纹连接，为可拆卸式。支撑螺杆的另一端通过与位置调整通孔螺纹配合固定于支撑横梁上，并且在支撑横梁下端面通过螺母将支撑螺杆锁紧。所述万向球的球面与杜瓦底面相切，万向球通过滚动接触方式支撑杜瓦。测量时选择支撑横梁上的位置调整通孔安装支撑螺杆，再将万向球与支撑螺杆连接，以支撑不同直径大小的杜瓦，进而适应不同直径大小的高温超导轴承的超导定子的测量。通过调节支撑螺杆的高度可保证横向测力传感器和纵向测力传感器位于超导轴承高度的中心位置，从而保证水平位置径向回复力的测量精度。测量高温超导磁悬浮轴承垂直悬浮力时，仅有垂直测力传感器位于支撑底板的中心位置，并通过螺母与支撑底板固定连接。4根支撑螺杆固定于4根支撑立柱上，每根支撑螺杆一端固定一个万向球，4个万向球的中心位于同一水平面，万向球的球面与杜瓦沿圆周方向外壁相切，通过滚动接触方式支撑杜瓦。每根支撑立柱同一水平面的两个位置调整通孔安装2个螺杆紧固装置，2个螺杆紧固装置相对，且2个螺杆紧固装置同轴。支撑螺杆的另一端依次穿过2个螺杆紧固装置的中心螺纹通孔及1个螺母，与位于支架外部且与支撑螺杆同心的手轮螺纹连接，支撑螺杆与中心螺纹通孔为螺纹配合。测量高温超导轴承垂直悬浮力时，根据超导轴承超导定子的高度选择支撑立柱上的位置调整通孔安装螺杆紧固装置，再安装万向球和支撑螺杆，确保万向球的中心位于超导轴承高度的中心位置，通过手轮调整支撑螺杆在杜瓦圆周方向外壁和支撑立柱之间的长度，确保万向球与杜瓦圆周方向外壁相切，以适应对不同直径大小的杜瓦进行稳定支撑，进而适应不同直径大小的高温超导轴承的超导定子，待支撑螺杆长度调整好后将螺母拧紧，使其端面与螺杆紧固装置中心螺纹通孔端面贴合将支撑螺杆锁紧防止其在测力过程中晃动影响测力精度。

测量高温超导轴承垂直悬浮力时，杜瓦底部仅垂直安装垂直测力传感器，不安装万向球及支撑螺杆。垂直测力传感器位于杜瓦底部与支架下部的支撑底板之间，垂直测力传感器对杜瓦在垂直方向起到稳定支撑。垂直测力传感器的上端通过传感器过度头与杜瓦底部螺纹连接，垂直测力传感器的下端与支撑底板螺纹连接。垂直测力传感器、杜瓦、支撑底板三者的中心位于杜瓦的中心线上。传感器过度头采用一半尼龙一半不锈钢材料相结合的结构，目的是利用尼龙材料较低的导热性以避免杜瓦外壁低温损坏传感器。测量高温超导轴承横向和纵向即径向回复力时，沿杜瓦圆周方向外壁互成90°仅安装1个横向测力传感器和1个纵向测力传感器，横向测力传感器和纵向测力传感器组成为水平测力传感器。杜瓦圆周方向外壁互成90°的2个位置焊接有螺母，并且在该互成90°的2个位置沿杜瓦圆周方向外壁高度方向按照等间距焊接4个螺母，以保证水平方向相同间隔距离位置的2个螺母处于同一水平面。水平测力传感器的一端通过传感器过度头与杜瓦圆周方向外壁的螺母连接，水平测力传感器的另一端与传感器支撑螺杆通过螺纹连接。传感器支撑螺杆通过螺杆紧固装置固定于支撑立柱上。支架4个侧面的中心位置均焊接有支撑立柱，每根支撑立柱由2根不锈钢立柱组成，2根不锈钢立柱之间留有间隙。支撑立柱的两端分别与支架的支架上横梁和支架下横梁焊接，支撑立柱的端面与支架横梁的侧面位于同一平面，每根立柱上开有等间距的位置调整通孔。每个支撑立柱同一水平面的两个位置调整通孔上安装2个螺杆紧固装置，2个螺杆紧固装置相对，且2个螺杆紧固装置同轴。螺杆紧固装置的中心有一螺纹通孔，沿螺杆紧固装置端面圆周方向互成180°位置有2个通孔，螺杆紧固装置的通孔与支撑立柱上的位置调整通孔位置对应并通过螺栓固定。选择与水平测力传感器相应位置的支撑立柱和螺杆紧固装置固定传感器支撑螺杆。传感器支撑螺杆的一端与测力传感器螺纹连接，传感器支撑螺杆的另一端依次穿过2个螺杆紧固装置的中心螺纹通孔及1个螺母与位于支架外部且与支撑螺杆同心的手轮螺纹连接，传感器支撑螺杆与中心螺纹通孔为螺纹配合。传感器支撑螺杆、螺杆紧固装置及手轮位于同一中心线上，相互配合共同对水平测力传感器支撑固定。根据超导轴承的高度调整水平测力传感器与杜瓦圆周方向外壁的螺母安装位置、螺杆紧固装置及支撑立柱上位置调整通孔的对应位置，以保证水平测力传感器位于超导轴承高度的中心位置，避免测力传感器位置偏离中心测力不准或受力位置不一致造成杜瓦倾斜等；可通过手轮调整杜瓦圆周方向外壁与支撑立柱之间传感器支撑螺杆的长度，保证水平测力传感器与杜瓦圆周方向外壁的稳固连接，以满足不同直径时超导轴承水平测力的需求。待传感器支撑螺杆长度调整好后将螺母拧紧，使螺母端面与螺杆紧固装置中心螺纹通孔端面贴合将支撑螺杆锁紧防止其在测力过程中晃动影响测力精度。

自动控制系统包含数据采集卡和电机运动控制卡。数据采集卡的信号输入端通过3路控制电缆分别与垂直测力传感器、横向测力传感器、纵向测力传感器的信号输出端连接，数据采集卡输出端通过通讯电缆与上位机串口相连。电机运动控制卡安装于上位机主机箱内，电机运动控制卡双向控制输入/输出端口以pci接口形式与上位机板卡连接，电机运动控制卡控制输出端口通过3路控制电缆分别与三轴运动机械手的3个伺服放大器的控制输入端口连接。数据采集卡采集测力传感器的输出信号并通过串口通讯协议传送上位机，上位机通过数据处理将测力传感器输出信号转换为测力数值实时显示并储存，上位机根据需求选择机械手伺服电机运动模式，设定电机转速、电机加速度、位移等参数，并将指令下发至电机运动控制卡，电机运动控制卡接收上位机指令发出脉冲信号，机械手运动控制系统的3个交流伺服放大器接收脉冲信号控制交流伺服电机实现三轴运动机械手在三维空间的精确定位，电机运动控制卡将电机运动的实际位置、电机转速、电机转角等参数实时反馈至上位机，上位机根据永磁转子的位移和测力传感器的数值计算悬浮力刚度，并绘制位移—悬浮力特性曲线和位移—刚度特性曲线。

本发明测量装置测量高温超导轴承垂直悬浮特性和横向、纵向即径向悬浮特性时，共同的组件为三轴运动机械手、支架、杜瓦、支撑立柱、支撑横梁、支撑底板、螺杆紧固装置及手轮，但传感器的安装位置，杜瓦支撑装置及传感器固定装置的组件及结构有所区别。

测量高温超导轴承垂直悬浮特性时，杜瓦的底部仅与垂直测力传感器固定，垂直测力传感器通过螺母固定在支撑底板的中心位置。4个万向球沿杜瓦圆周方向外壁间隔90°分布并与杜瓦圆周方向外壁相切，支撑螺杆的一端与万向球连接，支撑螺杆通过支撑立柱上的螺杆紧固装置的中心螺纹通孔固定于支撑立柱上，支撑螺杆的另一端与手轮连接。4个万向球对杜瓦水平方向起到支撑作用，杜瓦可通过与万向球的滚动接触做垂直方向的移动。通过手轮调节万向球与支撑立柱之间支撑螺杆的长度，从而确保高温超导轴承不同直径时万向球与杜瓦圆周方向外壁相切对杜瓦进行稳定支撑。

测量高温超导轴承横向和纵向即径向悬浮特性时，杜瓦圆周方向外壁互成90°的2个螺母位置分别安装1个横向测力传感器和1个纵向测力传感器。测力传感器的一端与传感器过度头连接，传感器过度头与杜瓦圆周方向外壁的螺母连接，测力传感器的另一端与传感器支撑螺杆连接，传感器支撑螺杆穿过螺杆紧固装置的中心通孔与支撑立柱固定，传感器支撑螺杆另一端与手轮连接。杜瓦底部通过4个万向球支撑，根据杜瓦直径大小选择支撑底板横向中心线两侧距离相等的4个位置调整通孔安装支撑螺杆，4个支撑螺杆上端与4个万向球连接，4个万向球沿杜瓦底面均匀分布并与杜瓦底面相切，实现对杜瓦垂直方向的稳固支撑，测量高温超导轴承横向和纵向即径向悬浮特性时杜瓦通过与万向球的滚动接触做横向和纵向移动。

本发明测量装置具有以下优点：

本发明测量装置杜瓦位于支架内部的中心位置，超导轴承定子固定于杜瓦内部，永磁转子固定于垂向机械臂的永磁转子固定装置，未采用电磁线圈代替永磁转子，能够对完整的超导磁悬浮轴承悬浮力进行测量，体现超导磁悬浮轴承的真正悬浮性能。本发明采用三轴运动机械手，通过电机运动控制卡及交流伺服放大器驱动伺服电机，使永磁转子能够在三维空间任意位置精确移动，因此能够在三维空间测量高温超导轴承的垂直悬浮特性和径向悬浮特性。

本发明测量装置中，永磁转子固定于垂向机械臂的永磁转子固定装置，杜瓦通过杜瓦支撑装置固定于支架内部的中心位置，永磁轴承位于上端，超导定子位于下端，杜瓦上端为开口状，永磁转子不仅可以在杜瓦外部移动，而且可进入杜瓦内部做垂向和水平方向移动，因此本测量装置既可以测量轴向型高温超导磁悬浮轴承，还可以测量径向型高温超导磁悬浮轴承。

本发明杜瓦支撑装置的支撑横梁上有多个位置调整通孔，根据超导磁悬浮轴承直径的大小选择不同的位置安装支撑螺杆，在杜瓦底面均匀分布以实现对杜瓦垂直方向的稳定支撑，同时位置调整通孔与支撑螺杆为螺纹连接，可根据超导磁悬浮轴承的高度调整杜瓦底部与支撑横梁之间的长度，调节杜瓦在垂直方向的位置。支撑立柱上有多个位置调整通孔，根据超导磁悬浮轴承的不同高度选择不同的通孔位置固定万向球或测力传感器，与杜瓦底部支撑螺杆的辅助高度调节相配合，保证测力传感器或万向球位于超导磁轴承高度的中心位置，避免万向球偏离中心位置支撑不稳引起摆动，测力传感器偏离中心测量数据不准或水平测力传感器与超导轴承受力方位不一致造成杜瓦倾斜等。杜瓦圆周方向外壁的支撑螺杆与支撑立柱上位置调整通孔为螺纹连接，根据杜瓦直径的不同即超导轴承超导定子直径的不同，通过手轮调节杜瓦圆周方向外壁与支撑立柱之间支撑螺杆的长度，保证万向球或测力传感器与杜瓦圆周方向外壁的良好接触。本测量装置可对不同直径大小不同高度的高温超导轴承的悬浮力进行测量，通过对装置进行简单的调节可保证垂直悬浮力和横向、纵向即径向回复力的测量精度；同时又避免了因超导轴承载荷能力不同测量装置重复设计重复加工制作造成的浪费，既可用于理论研究及实验室样机的测量，又能用于工程样机性能的检验；同时在结构上采用支撑横梁、支撑立柱而未采用整块钢板，在保证机械强度的前提下节省材料，减轻了重量。

附图说明

图1本发明高温超导磁悬浮轴承悬浮特性三维测量装置的正视图；

图2本发明高温超导磁悬浮轴承悬浮特性三维测量装置的左视图；

图3本发明的高温超导磁悬浮轴承悬浮特性三维测量装置的仰视图；

图4杜瓦的正视图；

图5杜瓦的俯视图；

图6位于杜瓦圆周方向外壁的杜瓦支撑装置结构正视图；

图7位于杜瓦圆周方向外壁的杜瓦支撑装置结构左视图；

图8位于杜瓦底部的杜瓦支撑装置结构正视图；

图9位于杜瓦底部的杜瓦支撑装置结构左视图；

图10位于杜瓦底部的杜瓦支撑装置结构俯视图；

图11位于杜瓦底部的传感器固定装置结构正视图；

图12位于杜瓦底部的传感器固定装置结构俯视图；

图13位于杜瓦圆周方向外壁的传感器固定装置结构正视图；

图14位于杜瓦圆周方向外壁的传感器固定装置结构俯视图；

图15位于杜瓦圆周方向外壁的传感器固定装置结构左视图；

图16为测量垂直悬浮特性的装置装配图正视图；

图17为测量垂直悬浮特性的装置装配图左视图；

图18为测量横向和纵向悬浮特性的装置装配图正视图；

图19为测量横向和纵向悬浮特性的装置装配图左视图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1、图2、图3所示，本发明高温超导磁悬浮轴承悬浮特性三维测量装置由支架、三轴运动机械手、永磁转子固定装置13、双层低温杜瓦、测力传感器、传感器固定装置、机械手运动控制系统以及自动控制系统组成。

所述的支架由无磁不锈钢材料焊接而成，构成整个测量装置的主体框架结构。支架的上横梁2上安装三轴运动机械手，永磁转子固定装置13安装在三轴运动机械手垂向机械臂6的滑块30的上端面，永磁转子固定装置13的背面与垂向机械臂6滑块30的上端面贴合，永磁转子固定装置13带螺纹孔的下端面与垂向机械臂6滑块30的上端面垂直。双层低温杜瓦位于支架的内部的中心位置，包括杜瓦14和支撑杜瓦14的杜瓦支撑装置。多个测力传感器分别位于杜瓦14的圆周方向外壁或底面，测力传感器的一端与杜瓦14连接，测力传感器的另一端固定在传感器固定装置上。传感器固定装置分为垂直测力传感器固定装置和水平测力传感器固定装置，垂直测力传感器固定装置位于杜瓦14的底部；水平测力传感器固定装置位于杜瓦14的圆周方向外壁。机械手运动控制系统的3个伺服放大器的电源输出端口通过3路电源电缆分别与三轴运动机械手的3个交流伺服电机的电源输入端口连接，机械手运动控制系统的3个伺服放大器的控制输出端口通过3路控制电缆分别与三轴运动机械手的3个交流伺服电机的控制输入端口相连。自动控制系统数据采集卡的信号输入端通过3路控制电缆分别与3个测力传感器的信号输出端相连，数据采集卡的输出端通过通讯电缆与上位机串口相连，自动控制系统的电机运动控制卡的控制输出端通过3路控制电缆分别与机械手运动控制系统3个交流伺服放大器的控制输入端口连接，电机运动控制卡的输入/输出端口与上位机连接。

所述的支架包括支架横梁2、支架立柱1和地面固定装置3。支架由无磁不锈钢材料焊接而成，能够保证足够强度并避免材料的铁磁特性对悬浮力的测量精度造成影响。4根支架立柱1布置于支架的4个角，和支架上横梁2、支架下横梁2组成框架。框架的底部焊接有圆形的地面固定装置3，每个地面固定装置3有4个通孔，可通过螺栓将支架与地面固定连接，保证测量装置的稳定运行。

所述的三轴运动机械手由1个垂向机械臂6、1个横向机械臂4和2个纵向机械臂5组成。三个机械臂上均装有滑块。2个纵向机械臂5分别位于支架两侧的支架上横梁2的上端面，纵向机械臂5的两端与支架上横梁2的两端对齐，纵向机械臂5的侧面与支架上横梁2的侧面对齐。横向机械臂4横跨于纵向机械臂5的上部，为侧立式安装，横向机械臂4的两端与纵向机械臂5的侧面对齐，横向机械臂4的侧面与纵向机械臂5上的滑块固定连接。垂向机械臂6直立式安装于横向机械臂4的滑块的上端面，垂向机械臂6的下端与横向机械臂4的侧面对齐，垂向机械臂6的背面与横向机械臂4上的滑块11上端面贴合且二者固定连接。

所述的双层低温杜瓦位于支架内部的中心位置，包括杜瓦14和杜瓦支撑装置。所述的杜瓦支撑装置由4个万向球、4根支撑螺杆、4个螺杆紧固装置、2个支撑横梁、4根支撑立柱及4个手轮组成。测量径向回复力时，4个万向球和4根支撑螺杆安装在杜瓦的底部，根据杜瓦直径大小在支撑横梁上选择距离支撑横梁横向中心线位置两侧距离相等的4个位置调整通孔安装4根支撑螺杆，每根支撑螺杆的上端安装一个万向球，万向球与支撑螺杆通过螺纹连接，万向球的球面与杜瓦底面相切，支撑螺杆的另一端通过与位置调整通孔螺纹配合固定于支撑横梁上，并且在支撑横梁下端面通过螺母将支撑螺杆锁紧。测量垂直悬浮力时，4个万向球和4个支撑螺杆安装在杜瓦的圆周方向外壁，根据所测量的高温超导磁悬浮轴承超导定子的高度选择4根支撑立柱上的位置调整通孔安装螺杆紧固装置，4根支撑螺杆通过螺杆紧固装置固定于4根支撑立柱上，每根支撑螺杆的一端与1个万向球固定连接，万向球的球面与杜瓦14的圆周方向外壁相切，支撑螺杆的另一端穿过螺杆紧固装置的中心螺纹通孔与位于支架外的手轮连接。

所述的测力传感器包括垂直测力传感器19、横向测力传感器20和纵向测力传感器21，横向测力传感器20和纵向测力传感器21合称为水平测力传感器。

所述的传感器固定装置包括传感器过度头22、两根传感器支撑螺杆和支撑底板27。测量垂直悬浮力时，传感器固定装置的传感器过度头22安装于杜瓦14的底部，支撑底板27焊接于杜瓦支撑装置的支撑横梁18上；测量径向回复力时，传感器过度头22安装于杜瓦14的圆周方向外壁，2根传感器支撑螺杆固定于杜瓦支撑装置的螺杆紧固装置23上。

所述的机械手运动控制系统包括供电电源和3个交流伺服放大器。供电电源和3个交流伺服放大器安装于配电箱内，供电电源通过配电箱外部的端口与公共电源连接。供电电源连接至3个交流伺服放大器的电源输入端口，3个交流伺服放大器的电源输出端口通过3路电源电缆分别连接至三轴运动机械手3个交流伺服电机电源的输入端口，3个交流伺服放大器的控制信号输出端口通过3路控制电缆分别连接至三轴运动机械手3个交流伺服电机的控制输入端口，3个交流伺服放大器的控制信号输入端口通过3路控制电缆连接至自动控制系统电机运动控制卡的控制输出端口。机械手运动控制系统接收电机运动控制卡输出的脉冲信号，可精确控制三轴运动机械手的电机速度、电机加速度、电机转角、机械臂位移，从而精确控制永磁转子的空间位置。

所述的永磁转子固定装置13固定在与三轴运动机械手垂向机械臂6的第二滑块30上。永磁转子固定装置13的背面与所述第二滑块30的上端面贴合，永磁转子固定装置13带螺纹孔的下端面与所述第二滑块30的上端面垂直。垂向机械臂6的上端装有垂向伺服电机9，垂向机械臂6内装有滚珠丝杠，滚珠丝杠的一端固定于垂向机械臂6的下端部，滚珠丝杠的另一端通过弹性联轴器与垂向伺服电机9的主轴连接。垂向机械臂6的两个侧面装有第三导轨32，第三导轨32上装有第三滑块30，第三滑块30的上端面位于垂向机械臂6的端面上部且与垂向机械臂6的端面平行，第三滑块30可沿第三导轨32移动，第三滑块30与滚珠丝杠的滚珠螺母连接固定。垂向伺服电机9驱动滚珠丝杆转动，则滚珠螺母带动第三滑块30沿垂向机械臂6的第三导轨32移动。横向机械臂4的上端部装有横向伺服电机7，横向机械臂4内装有滚珠丝杠，滚珠丝杠的一端固定于横向机械臂4下端部，滚珠丝杠的另一端通过弹性联轴器与横向伺服电机7的主轴连接。横向机械臂4的两个侧面装有第一导轨10，第一导轨10上装有第一滑块11，第一滑块11的上端面位于横向机械臂4的端面上部，且与横向机械臂4的端面平行，第一滑块11可沿第一导轨10移动。第一滑块11与滚珠丝杠的滚珠螺母连接固定，横向伺服电机7驱动滚珠丝杆转动，则滚珠螺母带动第一滑块11沿横向机械臂4的第一导轨10移动。2个纵向机械臂5构成一个整体，其中第一纵向机械臂5-1的上端部装有纵向伺服电机8，第一纵向机械臂5-1内装有滚珠丝杠。滚珠丝杠的一端固定于第一纵向机械臂5-1下端部，滚珠丝杠的另一端直接通过弹性联轴器与纵向伺服电机8主轴连接。第二纵向机械臂5-2的上端部不安装纵向伺服电机，第二纵向机械臂5-2内装有滚珠丝杠，滚珠丝杠的一端固定于第二纵向机械臂5-2下端部，滚珠丝杠的另一端通过联轴器与电机主轴同步装置28连接，电机主轴同步装置28与纵向伺服电机8主轴连接。每个纵向机械臂5的两个侧面均装有第二导轨31，第二导轨31上装有第二滑块29，第二滑块29的上端面位于纵向机械臂5的端面上部且与纵向机械臂5的端面平行，第二滑块29可沿导轨31移动。第二滑块29与滚珠丝杠的滚珠螺母连接固定，纵向伺服电机8主轴转动，直接驱动一个滚珠丝杆转动，通过电机主轴同步装置28可同步驱动另一个滚珠丝杆转动，从而保证两个滚珠螺母分别带动两个第二滑块29沿2个纵向机械臂5的导轨同步移动。

永磁转子通过螺母固定在垂向机械臂6上的永磁转子固定装置13上，通过三个机械臂的移动可精确控制永磁转子在三维空间的任意位移，进而保证可在三维空间进行高温超导轴承悬浮特性的测量。

高温超导轴承的超导定子固定于杜瓦14内部，通过螺母固定于杜瓦14的内底面，可避免测力时超导定子晃动对测量精度造成影响。杜瓦14采用双层结构，两层结构之间的间隙为真空夹层，极大地削弱了杜瓦14外壁与空气的热对流，有效地保持了液氮的低温制冷效果，同时在杜瓦14直径确定的情况下，增大杜瓦14的高度，保持杜瓦14的高度直径比率大于等于3。本发明采用这种高度直径比较大的结构设计，可有效地减小液氮的挥发，极大地缩短了超导材料的冷却时间，同时降低了液氮的消耗。杜瓦14的圆周方向外壁留有真空接头，将真空泵与真空接头连接将夹层抽为真空，再将真空接头阀门关闭。杜瓦14的外壁焊接有螺母，测量径向回复力时可通过螺母将测力传感器沿圆周固定在杜瓦外壁。

杜瓦支撑装置的2个支撑横梁18纵向焊接在支架下端的2个支架下横梁2之间。2个支撑横梁18的端面与支架下横梁2端面平行且位于同一平面。支撑横梁18位于支架下横梁2所在平面的中心位置，即2个支撑横梁18中心线分别距离两侧支架下横梁2中心线的距离相等。每个支撑横梁18上开有6个位置调整通孔。2个支撑横梁18之间留有间隙，2个支撑横梁18间隙的中心位置安装传感器固定装置的支撑底板27，支撑底板27的两条侧边与支撑横梁18焊接固定，支撑底板27的端面与支撑横梁18的端面位于同一平面。

杜瓦支撑装置的4根支撑立柱分别焊接在支架4个侧面的中心位置，每个支撑立柱由2根不锈钢立柱组成，2根不锈钢立柱之间留有间隙。支撑立柱的两端分别与支架的支架上横梁2和支架下横梁2焊接，支撑立柱的端面与支架横梁2的侧面位于同一平面，每根立柱上开有等间距的位置调整通孔24。

杜瓦14通过杜瓦支撑装置支撑。测量高温超导轴承横向和纵向即径向回复力时，水平测力传感器，即横向测力传感器20和纵向测力传感器21位于杜瓦14的圆周方向外壁，并通过螺母与杜瓦的圆周方向外壁固定。4个支撑螺杆分别固定于2个支撑横梁18上。每根支撑横梁18上有6个位置调整通孔24，测量时可以根据杜瓦直径大小，选择距离支撑横梁18横向中心线位置两侧距离相等的4个位置调整通孔24安装支撑螺杆，每个支撑螺杆的上端安装一个万向球，万向球与支撑螺杆通过螺纹连接，为可拆卸式。支撑螺杆的另一端通过与位置调整通孔螺纹配合固定于支撑横梁上，并且在支撑横梁下端面通过螺母将支撑螺杆锁紧。所述万向球的球面与杜瓦14底面相切，万向球通过滚动接触方式支撑杜瓦14。测量时选择支撑横梁18上的位置调整通孔24安装支撑螺杆，再将万向球与支撑螺杆连接，以支撑不同直径大小的杜瓦14，进而适应不同直径大小的高温超导轴承的超导定子的测量。通过调节支撑螺杆17的高度可保证横向测力传感器20和纵向测力传感器21位于超导轴承高度的中心位置，从而保证水平位置径向回复力的测量精度。4根支撑螺杆固定于4根支撑立柱上，每根支撑螺杆一端固定一个万向球，4个万向球的中心位于同一水平面，万向球的球面与杜瓦14圆周方向外壁相切，通过滚动接触方式支撑杜瓦14。每根支撑立柱同一水平面的两个位置调整通孔安装2个螺杆紧固装置，2个螺杆紧固装置23相对，且2个螺杆紧固装置23同轴。支撑螺杆的另一端依次穿过2个螺杆紧固装置的中心螺纹通孔及1个螺母，与位于支架外部且与支撑螺杆17同心的手轮26螺纹连接，支撑螺杆17与中心螺纹通孔为螺纹配合。测量高温超导轴承垂直悬浮力时，根据超导轴承超导定子的高度选择支撑立柱25上相应的位置调整通孔25安装螺杆紧固装置23，再安装万向球16和支撑螺杆17，确保万向球16的中心位于超导轴承高度的中心位置，通过手轮26调整支撑螺杆17在杜瓦14圆周方向外壁和支撑立柱25之间的长度，确保万向球16与杜瓦14圆周方向外壁相切，以适应对不同直径大小的杜瓦14进行稳定支撑的要求，进而适应不同直径大小的高温超导轴承的超导定子。待支撑螺杆长度调整好后将螺母拧紧，使其端面与螺杆紧固装置中心螺纹通孔端面贴合将支撑螺杆锁紧防止其在测力过程中晃动影响测力精度。

测量高温超导轴承垂直悬浮力时，杜瓦14的底部仅垂直安装垂直测力传感器19，不安装万向球及支撑螺杆。垂直测力传感器19位于杜瓦14底部与支架底下部的支撑底板27之间，并通过螺母与支撑底板27固定连接。垂直测力传感器19对杜瓦14在垂直方向起到稳定支撑。垂直测力传感器19的上端通过传感器过度头22与杜瓦14底部螺纹连接，垂直测力传感器19的下端与支撑底板27螺纹连接。垂直测力传感器19、杜瓦14、支撑底板27三者的中心位于杜瓦14的中心线上。传感器过度头22-3采用一半尼龙一半不锈钢材料相结合的结构，目的是利用尼龙材料较低的导热性以避免杜瓦外壁低温损坏传感器。测量高温超导轴承横向和纵向即径向回复力时，沿杜瓦14圆周方向外壁互成90°仅安装1个横向测力传感器20和1个纵向测力传感器21，横向测力传感器20和纵向测力传感器21组成为水平测力传感器。杜瓦14圆周方向外壁互成90°的2个位置焊接有螺母，并且在该互成90°的2个位置沿杜瓦圆周方向外壁的高度方向等间距焊接4个螺母，以保证水平方向相同间隔距离位置的2个螺母处于同一水平面。水平测力传感器的一端通过传感器过度头22与杜瓦圆周方向外壁的螺母固定，水平测力传感器的另一端与传感器支撑螺杆12螺纹连接。支架4个侧面的中心位置均焊接有支撑立柱25，每根支撑立柱25由2根不锈钢立柱组成，2根不锈钢立柱之间留有间隙。支撑立柱25的两端分别与支架的支架上横梁和支架下横梁焊接，支撑立柱25的端面与支架横梁2的侧面位于同一平面，每根立柱上开有等间距的位置调整通孔。每个支撑立柱25同一水平面的两个位置调整通孔24上安装2个螺杆紧固装置，2个螺杆紧固装置相对，且2个螺杆紧固装置同轴。螺杆紧固装置23的中心有一螺纹通孔，沿螺杆紧固装置23端面的圆周方向互成180°位置有2个通孔，螺杆紧固装置23的通孔与支撑立柱25上的位置调整通孔24位置对应并通过螺栓固定。选择与水平测力传感器相应位置的支撑立柱和螺杆紧固装置固定传感器支撑螺杆。传感器支撑螺杆12的另一端依次穿过2个螺杆紧固装置的中心螺纹通孔24与位于支架外部的杜瓦支撑装置的手轮26螺纹连接。传感器支撑螺杆12、螺杆紧固装置23及手轮26位于同一中心线上，相互配合共同对水平测力传感器支撑固定。根据超导轴承的高度调整水平测力传感器与杜瓦14圆周方向外壁的螺母安装位置、螺杆紧固装置23及支撑立柱25上位置调整通孔的对应位置，以保证水平测力传感器位于超导轴承高度的中心位置，避免测力传感器位置偏离中心测力不准或受力位置不一致造成杜瓦倾斜等；可通过手轮26调整杜瓦14方向外壁与支撑立柱25之间的传感器支撑螺杆12的长度，保证水平测力传感器与杜瓦14外壁的稳固连接，以满足不同直径时超导轴承水平测力的需求。待传感器支撑螺杆长度调整好后将螺母拧紧，使螺母端面与螺杆紧固装置中心螺纹通孔端面贴合将支撑螺杆锁紧防止其在测力过程中晃动影响测力精度。

自动控制系统包含数据采集卡和电机运动控制卡。数据采集卡的信号输入端通过3路控制电缆分别与垂直测力传感器19、横向测力传感器20、纵向测力传感器21的信号输出端连接，数据采集卡输出端通过通讯电缆与上位机串口相连。电机运动控制卡安装于上位机主机箱内，电机运动控制卡双向控制输入/输出端口以pci接口形式与上位机板卡连接，电机运动控制卡控制输出端口通过3路控制电缆分别与三轴运动机械手的3个伺服放大器的控制输入端口连接。数据采集卡采集测力传感器的输出信号并通过串口通讯协议传送上位机，上位机通过数据处理将测力传感器输出信号转换为测力数值实时显示并储存，上位机根据需求选择机械手伺服电机运动模式，设定电机转速、电机加速度、位移等参数，并将指令下发至电机运动控制卡，电机运动控制卡接收上位机指令发出脉冲信号，电机运动控制系统的3个交流伺服放大器接收脉冲信号控制交流伺服电机实现三轴运动机械手在三维空间的精确定位，电机运动控制卡将电机运动的实际位置、电机转速、电机转角等参数实时反馈至上位机，上位机根据永磁转子的位移和测力传感器的数值计算悬浮力刚度，并绘制位移—悬浮力特性曲线和位移—刚度特性曲线。

如图4、图5所示，杜瓦14两层结构之间的间隙为真空夹层，杜瓦14圆周方向外壁的中心高度位置留有真空接头15，沿杜瓦14圆周方向外壁互成90°的2个位置焊接有螺母，且在杜瓦圆周方向外壁互成90°的2个位置沿高度方向焊接有等间距的4个螺母。通过真空接头15将杜瓦14的夹层抽为真空。测量径向回复力时，根据超导轴承超导定子的高度选择同一水平位置的2个螺母将水平测力传感器与杜瓦14圆周方向外壁固定。

如图6、图7所示，支撑立柱25由2根不锈钢立柱组成，2根不锈钢立柱之间留有间隙，每根不锈钢立柱上开有等间距的位置调整通孔24。2个螺杆紧固装置23安装在支撑立柱25同一水平面的两个位置调整通孔25中，2个螺杆紧固装置23相对，且2个螺杆紧固装置23同轴。螺杆紧固装置23的中心有一螺纹通孔，沿螺杆紧固装置端面圆周方向互成180°位置有2个通孔，螺杆紧固装置23的通孔与支撑立柱25上的位置调整通孔位置对应并通过螺栓固定。万向球16的球面与杜瓦14的圆周方向外壁相切，万向球16的另一端与支撑螺杆17的一端连接，支撑螺杆17的另一端依次穿过2个螺杆紧固装置23的中心螺纹通孔及一个螺母，与位于支架外部的手轮26螺纹连接固定，手轮26与支撑螺杆17同心。待支撑螺杆17调整完毕后拧紧螺母将支撑螺杆17锁紧，防止支撑螺杆晃动影响测量精度。

如图8、图9、图10所示，支撑螺杆17固定在支撑横梁18上，支撑横梁18上有位置调整通孔24。万向球16的球面与杜瓦14的底面相切，万向球16的另一端与支撑螺杆17的一端通过螺纹连接，为可拆卸式。支撑螺杆17的另一端通过与位置调整通孔24螺纹配合固定于支撑横梁18上，并且在支撑横梁18下端面通过螺母将支撑螺杆锁紧，防止支撑螺杆17晃动影响测量精度。

图11为位于杜瓦底部的传感器固定装置结构正视图。图12为位于杜瓦底部的传感器固定装置结构俯视图。所述的传感器固定装置包括传感器过度头22、2根传感器支撑螺杆和支撑底板27，垂直测力传感器19位于杜瓦14底部与支架底下部的支撑底板27之间，支撑底板27焊接于杜瓦支撑装置的2个支撑横梁18间隙的中心位置，支撑底板27的端面与支撑横梁18的端面位于同一平面。垂直测力传感器19的上端通过传感器过度头22与杜瓦14底部螺纹连接，垂直测力传感器19的下端与支撑底板27螺纹连接。垂直测力传感器19、杜瓦14、支撑底板27的中心位于杜瓦14的中心线上。

图13为位于杜瓦圆周方向外壁的传感器固定装置结构正视图。图14为位于杜瓦圆周方向外壁的传感器固定装置结构俯视图。图15为位于杜瓦圆周方向外壁的传感器固定装置结构左视图。如图3杜瓦14圆周方向外壁互成90°的2个位置沿高度方向焊接有多个螺母，根据超导轴承超导定子的高度选择同一水平位置的两个螺母固定水平测力传感器。水平测力传感器的一端通过传感器过度头22与杜瓦圆周方向外壁的螺母固定，水平测力传感器的另一端与传感器支撑螺杆12螺纹连接。选择与水平测力传感器相应位置的支撑立柱和螺杆紧固装置固定传感器支撑螺杆。杜瓦支撑装置支撑立柱25的位置调整通孔24上分别安装有螺杆紧固装置23，2个螺杆紧固装置23相对，且2个螺杆紧固装置23同轴。传感器支撑螺杆12的另一端依次穿过2个螺杆紧固装置的中心螺纹通孔24及一个螺母，与位于支架外部的杜瓦支撑装置的手轮26螺纹连接。待传感器支撑螺杆12调整完毕后拧紧螺母将传感器支撑螺杆12锁紧，防止传感器支撑螺杆12晃动影响测量精度。

悬浮特性测量包括横向和纵向即径向悬浮特性测量及垂直悬浮特性测量。两种测量方法采用的测量装置的结构及组件有所不同。

如图16，图17所示，本发明测量垂直悬浮特性的装置中：

三轴运动机械手由1个垂向机械臂6、1个横向机械臂4和2个纵向机械臂5组成。三个机械臂上均装有滑块。2个纵向机械臂5分别位于支架两侧的支架上横梁2的上端面，纵向机械臂5的两端与支架上横梁2的两端对齐，纵向机械臂5的侧面与支架上横梁2的侧面对齐。横向机械臂4横跨于纵向机械臂5的上部，为侧立式安装，横向机械臂4的两端与纵向机械臂5的侧面对齐，横向机械臂4的侧面与纵向机械臂5上的滑块固定连接。垂向机械臂6直立式安装于横向机械臂4的滑块11的上端面，垂向机械臂6的下端与横向机械臂4的侧面对齐，垂向机械臂6的背面与横向机械臂4上的滑块11上端面贴合且二者固定连接。

永磁转子固定装置13与三轴运动机械手垂向机械臂6的滑块30固定连接。永磁转子固定装置13的背面与垂向机械臂6滑块30的上端面贴合，永磁转子固定装置13带螺纹孔的下端面与垂向机械臂6滑块30上端面垂直。垂向机械臂6的上端装有垂向伺服电机9，垂向机械臂6内装有滚珠丝杠，滚珠丝杠的一端固定于垂向机械臂6的下端部，滚珠丝杠的另一端通过弹性联轴器与垂向伺服电机9的主轴连接。垂向机械臂6的两个侧面装有导轨32，导轨32上装有滑块30，滑块30的上端面位于垂向机械臂6的端面上部且与垂向机械臂6的端面平行，滑块30可沿导轨32移动，滑块30与滚珠丝杠的滚珠螺母连接固定，垂向伺服电机9驱动滚珠丝杆转动，则滚珠螺母带动滑块30沿垂向机械臂6的导轨32移动。横向机械臂4的上端部装有横向伺服电机7，横向机械臂4内装有滚珠丝杠，滚珠丝杠的一端固定于横向机械臂4下端部，滚珠丝杠的另一端通过弹性联轴器与横向伺服电机7的主轴连接。横向机械臂4的两个侧面装有导轨10，导轨10上装有滑块11，滑块11的上端面位于横向机械臂4的端面上部且与横向机械臂4的端面平行，滑块11可沿导轨10移动，滑块11与滚珠丝杠的滚珠螺母连接固定，横向伺服电机7驱动滚珠丝杆转动，则滚珠螺母带动滑块11沿横向机械臂4的导轨10移动。2个纵向机械臂5构成一个整体，其中第一纵向机械臂5-1的上端部装有纵向伺服电机8，第一纵向机械臂5-1内部装有滚珠丝杠，滚珠丝杠的一端固定于第一纵向机械臂5-1下端部，滚珠丝杠的另一端直接通过弹性联轴器与纵向伺服电机8主轴连接，第二纵向机械臂5-2的上端部不安装纵向伺服电机，第二纵向机械臂5-2内装有滚珠丝杠，滚珠丝杠的一端固定于第二纵向机械臂5-2下端部，滚珠丝杠的另一端通过联轴器与电机主轴同步装置28连接，电机主轴同步装置28与纵向伺服电机8主轴连接。纵向机械臂5的两个侧面装有导轨31，导轨31上装有滑块29，滑块29的上端面位于纵向机械臂5的端面上部且与纵向机械臂5的端面平行，滑块29可沿导轨31移动，滑块29与滚珠丝杠的滚珠螺母连接固定，纵向伺服电机8主轴转动，直接驱动一个滚珠丝杆转动，通过电机主轴同步装置28可同步驱动另一个滚珠丝杆转动，从而保证两个滚珠螺母分别带动两个滑块29沿纵向机械臂的导轨同步移动。

机械手运动控制系统的3个交流伺服放大器的电源输出端口通过3路电源电缆分别与三轴运动机械手的3个交流伺服电机的电源输入端口连接，机械手运动控制系统的3个交流伺服放大器的控制输出端口通过3路控制电缆分别与三轴运动机械手的3个交流伺服电机的控制输入端口相连。自动控制系统采集采集测力传感器的输出信号传送上位机，接收上位机的控制指令控制交流伺服电机实现三轴运动机械手在三维空间的精确定位。

杜瓦14位于支架的中心位置，杜瓦14底部与垂直测力传感器19固定，杜瓦14的圆周方向外壁通过固定在杜瓦支撑装置支撑立柱25上的4个万向球和4根支撑螺杆稳定支撑。高温超导轴承的超导定子固定于杜瓦14内部，通过螺母固定于杜瓦14内底面。杜瓦14的圆周方向外壁中心位置留有真空接头15，将真空泵与真空接头15连接将夹层抽为真空，再将真空接头阀门关闭。杜瓦14圆周方向外壁间隔90°的4个位置均有万向球16与杜瓦14圆周方向外壁相切，4个万向球对杜瓦14起到支撑作用，并保证杜瓦14沿垂直方向仅有较小的滚动摩擦，以保证垂直测力的精确性。4个万向球的中心位于同一水平面。万向球16的球面与杜瓦14圆周方向外壁相切，万向球16的另一端与支撑螺杆17通过螺纹连接。支撑立柱25同一水平面的两个位置调整通孔24安装2个螺杆紧固装置23，2个螺杆紧固装置23相对安装，且2个螺杆紧固装置23同轴。支撑螺杆的另一端依次穿过2个螺杆紧固装置的中心螺纹通孔及1个螺母，与位于支架外部且与支撑螺杆17同心的手轮26螺纹连接。通过手轮26可分别调节4个支撑螺杆17在杜瓦14圆周方向外壁与支撑立柱25之间的长度，达到与4个万向球16与杜瓦14的圆周方向外壁相切，在水平方向对杜瓦14稳固支撑。当支撑螺杆17长度调整好后拧紧螺母将支撑螺杆17锁紧防止测力时杜瓦14径向摆动影响测力精度。

测量测量高温超导轴承垂直悬浮力时，通过自动控制系统调整永磁转子做垂直运动，超导定子受力后带动杜瓦14通过与万向球16的滚动接触做垂向移动，同时万向球16的支撑作用可限制杜瓦14的水平摆动，垂直测力传感器19受力后输出信号，则通过数据采集卡将垂直测力传感器输出信号上传至上位机，电机运动控制卡将永磁转子位移反馈至上位机，上位机根据位移和测力数值计算垂直悬浮力刚度，绘制垂直悬浮力—位移特性曲线及垂直悬浮力刚度—位移特性曲线。

如图18、图19所示，本发明测量横向和纵向悬浮特性的装置中：

三轴运动机械手由1个垂向机械臂6、1个横向机械臂4和2个纵向机械臂5组成。三个机械臂上均装有滑块。2个纵向机械臂5分别位于支架两侧的支架上横梁2的上端面，纵向机械臂5的两端与支架上横梁2的两端对齐，纵向机械臂5的侧面与支架上横梁2的侧面对齐。横向机械臂4横跨于纵向机械臂5的上部，为侧立式安装，横向机械臂4的两端与纵向机械臂5的侧面对齐，横向机械臂4的侧面与纵向机械臂5上的滑块固定连接。垂向机械臂6直立式安装于横向机械臂4的滑块11的上端面，垂向机械臂6的下端与横向机械臂4的侧面对齐，垂向机械臂6的背面与横向机械臂4上的滑块11上端面贴合且二者固定连接。

永磁转子固定装置13与三轴运动机械手垂向机械臂6的滑块30固定连接。永磁转子固定装置13的背面与垂向机械臂6滑块30的上端面贴合，永磁转子固定装置13带螺纹孔的下端面与垂向机械臂6滑块30上端面垂直。垂向机械臂6的上端装有垂向伺服电机9，垂向机械臂6内装有滚珠丝杠，滚珠丝杠的一端固定于垂向机械臂6的下端部，滚珠丝杠的另一端通过弹性联轴器与垂向伺服电机9的主轴连接。垂向机械臂6的两个侧面装有导轨32，导轨32上装有滑块30，滑块30的上端面位于垂向机械臂6的端面上部且与垂向机械臂6的端面平行，滑块30可沿导轨32移动，滑块30与滚珠丝杠的滚珠螺母连接固定，垂向伺服电机9驱动滚珠丝杆转动，则滚珠螺母带动滑块30沿垂向机械臂6的导轨32移动。横向机械臂4的上端部装有横向伺服电机7，横向机械臂4内装有滚珠丝杠，滚珠丝杠的一端固定于横向机械臂4下端部，滚珠丝杠的另一端通过弹性联轴器与横向伺服电机7的主轴连接。横向机械臂4的两个侧面装有导轨10，导轨10上装有滑块11，滑块11的上端面位于横向机械臂4的端面上部且与横向机械臂4的端面平行，滑块11可沿导轨10移动，滑块11与滚珠丝杠的滚珠螺母连接固定，横向伺服电机7驱动滚珠丝杆转动，则滚珠螺母带动滑块11沿横向机械臂4的导轨10移动。2个纵向机械臂5构成一个整体，其中第一纵向机械臂5-1的上端部装有纵向伺服电机8，第一纵向机械臂5-1内部装有滚珠丝杠，滚珠丝杠的一端固定于第一纵向机械臂5-1下端部，滚珠丝杠的另一端直接通过弹性联轴器与纵向伺服电机8主轴连接，第二纵向机械臂5-2的上端部不安装纵向伺服电机，第二纵向机械臂5-2内装有滚珠丝杠，滚珠丝杠的一端固定于第二纵向机械臂5-2下端部，滚珠丝杠的另一端通过联轴器与电机主轴同步装置28连接，电机主轴同步装置28与纵向伺服电机8主轴连接。纵向机械臂5的两个侧面装有导轨31，导轨31上装有滑块29，滑块29的上端面位于纵向机械臂5的端面上部且与纵向机械臂5的端面平行，滑块29可沿导轨31移动，滑块29与滚珠丝杠的滚珠螺母连接固定，纵向伺服电机8主轴转动，直接驱动一个滚珠丝杆转动，通过电机主轴同步装置28可同步驱动另一个滚珠丝杆转动，从而保证两个滚珠螺母分别带动两个滑块29沿纵向机械臂的导轨同步移动。

机械手运动控制系统的3个交流伺服放大器的电源输出端口通过3路电源电缆分别与三轴运动机械手的3个交流伺服电机的电源输入端口连接，机械手运动控制系统的3个交流伺服放大器的控制输出端口通过3路控制电缆分别与三轴运动机械手的3个交流伺服电机的控制输入端口相连。自动控制系统采集采集测力传感器的输出信号传送上位机，接收上位机的控制指令控制交流伺服电机实现三轴运动机械手在三维空间的精确定位。

杜瓦14位于支架的中心位置，沿杜瓦14圆周方向外壁互成90°方向安装一个横向测力传感器20和一个纵向测力传感器21，杜瓦14底部通过安装于杜瓦支撑装置支撑横梁18上的4个万向球16和4个支撑螺杆17在垂直方向稳定支撑。高温超导轴承的超导定子固定于杜瓦14容器内部，通过螺母固定于杜瓦14内底面。杜瓦14的圆周方向外壁中心位置留有真空接头15，将真空泵与真空接头15连接将夹层抽为真空，再将真空接头阀门关闭。杜瓦14圆周方向外壁互成90°的2个位置安装1个横向测力传感器20和1个纵向测力传感器21，横向测力传感器20和纵向测力传感器21组成为水平测力传感器。杜瓦14圆周方向外壁互成90°的2个径向位置沿高度方向焊接有多个螺母，根据超导轴承超导定子的高度选择合适的螺母位置安装水平测力传感器，保证水平测力传感器位于超导轴承超导定子高度的中心位置。水平测力传感器的一端通过传感器过度头22与杜瓦圆周方向外壁的螺母固定，水平测力传感器的另一端与传感器支撑螺杆12螺纹连接。选择与水平测力传感器相应位置的支撑立柱和螺杆紧固装置固定传感器支撑螺杆12。杜瓦支撑装置支撑立柱25的位置调整通孔24上分别安装有2个螺杆紧固装置23，2个螺杆紧固装置23相对，且2个螺杆紧固装置23同轴。传感器支撑螺杆12的另一端依次穿过2个螺杆紧固装置的中心螺纹通孔24及一个螺母，与位于支架外部的杜瓦支撑装置的手轮26螺纹连接。通过手轮26可调节传感器支撑螺杆12在杜瓦14外壁与支撑立柱25之间的长度，使传感器支撑螺杆12与水平测力传感器良好配合进而稳定支撑水平测力传感器。待传感器支撑螺杆12调整完毕后拧紧螺母将传感器支撑螺杆12锁紧，防止传感器支撑螺杆12晃动影响测量精度。

杜瓦14底部沿底面均匀分布4个万向球16，4个万向球16位于双杜瓦14底部与支撑横梁18之间，4个万向球16对杜瓦14垂直方向起到支撑作用，并保证杜瓦14沿横向和纵向方向移动时仅有较小的滚动摩擦，以保证横向和纵向测力的精确性。根据杜瓦直径大小选择距离支撑横梁18横向中心线位置两侧距离相等的4个位置调整通孔24位置安装万向球16。万向球16的球面与杜瓦14底面相切，万向球16的另一端与支撑螺杆17通过螺纹连接，支撑螺杆17通过与位置调整通孔24螺纹配合固定于支撑横梁18上，并且在支撑横梁18下端面通过螺母将支撑螺杆锁紧，防止支撑螺杆17晃动影响测量精度。根据超导轴承超导定子的高度调节杜瓦14底部与支撑横梁18之间的支撑螺杆17的高度，对水平测力传感器与杜瓦14圆周方向外壁的螺母安装位置起到辅助调节作用，最终保证水平测力传感器位于超导轴承高度的中心位置，从而保证水平位置径向回复力的测量精度。在测量横向及纵向悬浮特性时，高温超导永磁轴承位于杜瓦14内的中心位置，沿互成90°的横向和纵向直线移动，高温超导永磁轴承的超导定子受力后带动杜瓦14做水平移动，杜瓦14底部通过与万向球16的滚动接触水平移动，具有较小的滚动摩擦，同时万向球16对杜瓦14垂直方向起到稳固支撑，垂直测力传感器19受力后输出信号，自动控制系统的数据采集卡将横向和纵向测力传感器的输出信号上传至上位机，自动控制系统的电机运动控制卡将永磁转子位移反馈至上位机，并接收上位机的控制指令控制交流伺服电机实现三轴运动机械手在三维空间的精确定位。上位机根据位移和测力数值计算横向和纵向回复力刚度，绘制横向回复力—位移特性曲线、纵向回复力—位移特性曲线、横向回复力刚度—位移特性曲线、纵向回复力刚度—位移特性曲线。

本发明测量装置测量高温超导磁悬浮轴承垂直悬浮特性和横向、纵向悬浮特性的工作过程如下：

一、测量高温超导磁悬浮轴承垂直悬浮特性采用图2所示的测量装置，过程如下：

1)永磁转子定位：通过上位机设定三轴运动机械手交流伺服电机的运动模式、转速、加速度、位移等参数，通过自动控制系统的电机运动控制卡发出控制脉冲信号，通过纵向机械臂5的纵向伺服电机8驱动其内部的滚珠丝杠，带动纵向机械臂5的滑块29及横向机械臂4沿纵向机械臂导轨31在纵向精确定位，使永磁转子的横向中心线与超导定子的横向中心线位于同一平面。通过横向机械臂4的横向伺服电机7驱动其内部的滚珠丝杠，带动横向机械臂4的滑块11及垂向机械臂6沿横向机械臂导轨10在横向精确定位，使永磁转子的纵向中心线与超导定子的纵向中心线位于同一平面。通过垂向机械臂6的垂向伺服电机9驱动其内部的滚珠丝杠，带动垂向机械臂6的滑块30及永磁转子沿垂向机械臂导轨32在垂向精确移动，使永磁转子在垂直方向某一高度位置的精确定位；

2)永磁转子的移动：待高温超导磁悬浮轴承的超导定子冷却后，通过上位机选择往复运动模式，通过自动控制系统的电机运动控制卡控制垂向机械臂6的垂向伺服电机9驱动滚珠丝杠，带动永磁转子沿垂向机械臂6的导轨32在垂直方向移动一段距离后自动返回至初始位置，在永磁转子移动过程中上位机能够实时显示电机移动距离、电机正转反转方向、电机转速等参数，并且能够实时对电机运动做出调整；永磁转子沿垂直方向移动过程中，固定于杜瓦14内的超导定子受到垂直悬浮力将沿垂直方向移动，对杜瓦14产生垂直作用力，杜瓦14与超导定子将同时沿垂直方向移动，经过力的传递最终作用于垂直测力传感器19；永磁转子沿垂直方向移动的过程中，位于杜瓦14外壁与支撑立柱25之间4个位置的万向球16、支撑螺杆17、螺杆紧固装置23、支撑立柱25共同对杜瓦14进行稳固支撑，限制了杜瓦14的径向摆动，同时杜瓦14在垂直方向移动时，万向球16与杜瓦14外壁为较小的滚动摩擦，能够保证垂直悬浮力测量的精度；

3)垂直悬浮特性的测量：在永磁转子垂向移动的过程中，位于杜瓦14外底面与支撑底板27之间的垂直测力传感器19实时测量杜瓦14的垂直受力，自动控制系统将输出信号通过数据采集卡上传至上位机，上位机结合电机运动控制卡反馈的位移数据，计算得到对应位移下高温超导磁悬浮轴承垂直悬浮力的刚度，并绘制垂直悬浮力—位移特性曲线及垂直悬浮力刚度—位移特性曲线。

二、测量高温超导磁悬浮轴承横向和纵向悬浮特性采用图3所示的测量装置，工作过程如下：

1)永磁转子定位：通过上位机设定三轴运动机械手交流伺服电机的运动模式、转速、加速度、位移等参数，通过自动控制系统的电机运动控制卡发出控制脉冲信号，通过纵向机械臂5的纵向伺服电机8驱动其内部滚珠丝杠，带动纵向机械臂5的滑块29及横向机械臂4沿纵向机械臂导轨31在纵向精确定位，使永磁转子的横向中心线与超导定子的横向中心线位于同一平面；通过横向机械臂4的横向伺服电机7驱动其内部滚珠丝杠，带动横向机械臂4的滑块11及垂向机械臂6沿横向机械臂导轨10在横向精确定位，使永磁转子的纵向中心线与超导定子的纵向中心线位于同一平面；通过垂向机械臂6的垂向伺服电机9驱动其内部的滚珠丝杠，带动垂向机械臂6的滑块30及永磁转子沿垂向机械臂导轨32在垂向精确移动，使永磁转子在垂直方向某一高度位置的精确定位；

2)永磁转子的移动：待超导定子冷却结束后，通过上位机选择往复运动模式，通过自动控制系统的电机运动控制卡控制横向机械臂4的横向伺服电机7驱动滚珠丝杠，带动永磁转子沿横向机械臂4的导轨10在水平方向移动一段距离后自动返回至初始位置，在永磁转子移动过程中上位机能够实时显示电机移动距离、电机正转反转方向、电机转速等参数，并且能够实时对电机运动做出调整。永磁转子横向移动的过程中，固定于杜瓦14内的超导定子受到横向导向力，根据力的相互作用永磁转子受到横向回复力，二者大小相等，超导定子将沿水平方向横向移动，对杜瓦14产生横向导向力，杜瓦14和超导定子将同时沿水平方向横向移动，经过力的传递作用最终作用于横向测力传感器上20；同理通过电机运动控制卡控制纵向机械臂5的纵向伺服电机5驱动滚珠丝杠，带动永磁转子沿纵向机械臂5的导轨31在水平方向移动一段距离后自动返回至初始位置，超导定子受到的纵向导向力最终通过杜瓦14作用于纵向测力传感器上21；永磁转子沿水平方向横向和纵向移动的过程中，位于杜瓦14外底面与支撑横梁18之间沿杜瓦底面4个位置均匀分布的万向球16、支撑螺杆17、支撑横梁18共同对杜瓦14在垂直方向进行稳定支撑，同时杜瓦沿水平方向横向或纵向移动过程中，万向球与杜瓦14外底面为较小的滚动摩擦，能够保证水平方向横向和纵向回复力的测量精度；位于杜瓦14外壁与支撑立柱25之间的支撑螺杆17、螺杆紧固装置23、支撑立柱25共同对杜瓦14水平方向横向和纵向进行稳定支撑，实现横向测力传感器20和纵向测力传感器21与杜瓦14外壁安装牢固，保证测力精度；

3)横向和纵向悬浮特性的测量：在永磁转子沿水平方向横向移动的过程中，位于杜瓦14外壁与支撑螺杆17之间的横向测力传感器20实时测量杜瓦14的横向导向力，并将输出信号通过自动控制系统的数据采集卡上传至上位机；同理在永磁转子沿水平方向纵向移动的过程中，位于杜瓦14外壁与支撑螺杆17之间的纵向测力传感器21实时测量杜瓦14的纵向导向力，并将输出信号通过自动控制系统的数据采集卡上传至上位机，横向和纵向导向力在数值上即为横向和纵向回复力；上位机结合电机运动控制卡反馈的位移数据，计算得到对应位移下高温超导磁悬浮轴承横向和纵向回复力的刚度，并绘制横向回复力—位移特性曲线、纵向回复力—位移特性曲线、横向回复力刚度—位移特性曲线、纵向回复力刚度—位移特性曲线。