气浮转子陀螺仪动压马达间隙自动测量装置及方法与流程

本发明涉及航天惯性器件精密检测技术领域，特别涉及一种气浮转子陀螺仪动压马达间隙自动测量装置。

背景技术：

动压气浮陀螺马达是一种驱动马达，即在驱动电源的作用下，转子体高速旋转，进而与定子组件脱离接触，在悬浮力、自重和加速度过载的共同作用下保持在空间的稳定。悬浮力产生的原因：定子组件和转子体之间存在间隙且表面存在沟槽，当转子体旋转时会将外界空气吸入间隙内形成动压力，使转子体表面与定子组件表面脱离接触。为保证转子体在空间位置保持稳定，应将间隙值(μm级)控制在一定范围内。因此，动压马达间隙的测量对提高动压马达工作时的精度和稳定性有重大意义。

动压马达的间隙为内部微小装配间隙，现在较为普及的测量试件内部微小间隙的方法是：通过使产生间隙的两个部件(零件)发生相对运动，并利用位移传感器测得相对运动的大小(即为被测件的间隙值)。常见的位移传感器有电涡流位移传感器、电容传感器和电感测微仪。如论文：程家军，电涡流位移传感器在微间隙测量中的特殊应用，测量技术，2015年6月.中使用的电涡流传感器对同类金属进行测量，会因金属其形状、面积和光洁度等差异造成灵敏度的偏差；论文：刘胜春，基于双测头的动压马达气膜刚度的测量技术研究，硕士学位论文，哈尔滨工程大学，2013年3月.中使用电容传感器时，由于动压马达轴向测量端面很小，在轴向位移测量时，电容极板会产生边缘效应；论文kevinradil,dellacorte,chris.“theroleofradialclearanceontheperformanceoffoilairbearings”,tribologytransactions,v45,n4,p485-490,2002.王京锋，陀螺电机动压气体轴承间隙误差分析与改进，中国惯性技术学报，2015年12月.和黄德等在申请的专利“一种半球型动压马达轴承间隙测量装置及方法”中国发明专利，公开号：cn105203018a，公开日期：2015年12月30日.等均是使用电感测微仪测量被测件相对运动的大小即求得微小间隙。

由上述可知，现有的基于电感测微仪进行间隙测量的装置原理简单、操作方便、价格较低，适合单件、小批量的测量。但由于上述装置均是采用单个电感测微仪进行测量，可能会存在一定的局限性。如黄德等人申请的专利中以径向测量为例：用测头来检测转子体在额定力作用下的位移，以此求得间隙值，为保证测量结果的准确性需要定子组件在力的作用下不发生位移，即两端的固定装置要有着很好的刚度，还需保证两端固定装置的中心线重合，且在测量间隙的过程中需要更换夹具。

技术实现要素：

本发明要解决的问题是克服现有技术的缺陷，发明了一种气浮转子陀螺仪动压马达间隙自动测量装置，可以实现间隙的准确、高效的测量。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种气浮转子动压马达间隙自动测量装置，所述的气浮转子动压马达间隙自动测量装置包括光学平台、固定装置、施力装置、夹持装置、轴向间隙测量模块、径向间隙测量模块和控制回路。

所述的固定装置包括支撑架立板3、支撑架底板4、支撑架上板6、轴端固定支架底板7、柔性联轴节8、轴端套20、轴端固定座9和气缸a17。支撑架底板4固定在光学平台1上，支撑架立板3安装在支撑架底板7上，支撑架上板6固定在支撑架立板3上，轴端固定支架底板7安装在支撑架上板6上，轴端固定座9通过柔性联轴节8与轴端固定支架底板7相连，柔性联轴节8能够在转子体和定子组件接触瞬间起到缓冲作用。气缸a17固定在轴端固定座9上，通过气缸施加的力将轴端套20固定在轴端固定座9上，动压马达19转子体两端的伸长轴分别插到两侧固定装置的轴端套20里，并由螺钉固定拧紧。

所述的施力装置包括三轴精密位移平台和三轴力传感器22。三轴精密位移平台包括z轴精密位移平台27、y轴精密位移平台26和x轴精密位移平台5；z轴精密位移平台27固定安装在光学平台1上，x轴精密位移平台5固连在z轴精密位移平台27的上端面；y轴精密位移平台26的下端与x轴精密位移平台5的上端部固连。x轴精密位移平台5、y轴精密位移平台26和z轴精密位移平台27在运动方向上两两垂直，构成笛卡尔直角坐标系。三轴力传感器22安装在y轴精密位移滑台26的上方。内六角螺钉25用于固定径向测量y轴精密位移平台26。

所述的夹持装置是包括气缸b21和夹指体18。所述的气缸b21安装在三轴力传感器22的上方；所述的夹指体18固定在气缸b21上端的滑块上，通过闭合夹指体18实现对动压马达19的夹紧。

所述的轴向间隙测量模块包括轴向电感测微仪测头10、轴向测头固定夹具11、立柱及其辅助件12、轴向测头安装角座13、轴向测量x轴精密位移平台14、导轨连接底板15、轴向测量z轴精密位移平台16；立柱及其辅助件12固定在光学平台1上，导轨连接底板15固定在两根立柱之间，轴向测量x轴精密位移平台14安装到导轨连接底板15，轴向测量z轴精密位移平台16安装到轴向测量x轴精密位移平台14上，轴向测头安装角座13用于安装轴向测头固定夹具11，轴向测头固定夹具11安装在轴向测量z轴精密位移平台16上，轴向电感测微仪测头10穿过轴向测头固定夹具11中，并由螺钉夹紧固定。

所述的径向测量模块包括径向测量x轴精密位移平台2、径向测量y轴精密位移平台26、径向安装角座24和径向电感测微仪测头23；径向测量x轴精密位移平台2安装到光学平台上，径向测量y轴精密位移平台26安装到径向测量x轴精密位移平台2上，将径向安装角座24固定在径向测量y轴精密位移平台26上，径向电感测微仪测头23穿过径向安装角座24，并由螺钉拧紧固定。

所述的控制回路是包括pc机、数据采集卡、信号放大器、三轴力传感器、三轴力传感器保护电路、电感测微仪机盒、轴向测头、径向测头、运动控制卡、步进电机驱动器、精密位移平台、扩展卡、二位五通电磁阀、两个二位三通电磁阀以及异常保护电路。

所述的数据采集卡、运动控制卡位于pc机中；所述的信号放大器通过导线分别与三轴力传感器和数据采集卡连接；所述的电感测微仪机盒与pc机相连；所述的轴向测头和径向测头分别与电感测微仪机盒相连；所述的步进电机驱动器通过导线分别与运动控制卡和精密位移平台相连；所述的扩展卡通过导线分别与运动控制卡和二位五通电磁阀和两个二位三通电磁阀相连。

控制回路还可以设置三轴力传感器保护电路，与三轴力传感器连接对其进行电路保护；还可以设置异常保护电路，与运动控制卡连接，当发生异常情况时，会令运动控制卡停止发送脉冲，进而使得精密位移滑台停止运动。

其测量原理：

固定装置将被测马达定子组件两端固定，被测马达转子体通过夹持装置实现与施力装置的连接；用于固定的轴端套带有缺口，通过气缸压紧轴端套，轴端套由于缺口的存在将收缩，用以夹紧动压马达两端伸出的轴，固定定子组件；由施力装置进行调心对中，使被测件转子体和定子组件的轴线重合，并由施力装置在指定方向施加力，转子体和定子组件在力的作用下产生位移，并排布置的双测头分别检测转子体和定子组件位移的大小，再将数据由控制回路传到pc机，自动求得位移的差值，即相对应方向的间隙值。

上述气浮转子陀螺仪动压马达间隙自动测量装置进行自动测量的方法，包括以下步骤：

第一步，两端固定

将动压马达两端的伸长轴插入轴端套内，通过气缸压紧轴端套，轴端套收缩夹紧动压马达两端伸出的轴，固定定子组件，通过控制电磁阀的通断控制气缸的通气与否；

第二步，中间夹紧

用气缸控制夹指体的松开与闭合，实现对动压马达的夹紧；

第三步，调心对中和自动施力

通过施力装置实现调心对中和自动施力，即由三轴位移平台带动被测件移动，使动压马达19的转子体和定子组件在对应方向相互接触，利用三轴力传感器检测接触力的大小，通过程序实现对位移平台的负反馈控制，进而实现对施力大小的控制；

第四步，轴向测量

在进行轴向测量时通过程序控制轴向测量x轴精密位移平台14和轴向测量z轴精密位移平台16运动，使并列排布的两个轴向测头10分别抵到轴端套20和动压马达19的转子体待测端的端面位置，待示数稳定后，分别读取轴向测头10的示数并保存；接下来控制施力装置施力，使三轴精密位移平台带动动压马达19的转子体向靠近轴向测头10的方向移动，直至达到指定的施力大小时，停止运动；分别读取此时的两个轴向测头10的示数，并分别求得动压马达19的转子体和定子组件的位移，进而求得相对运动的大小，即轴向的间隙值；

在进行径向测量前，需将轴向测头10和三轴位移平台还原至轴向测量前的位置；

第五步，径向测量

在进行径向测量时需用程序控制径向测量x轴精密位移平台2和径向测量y轴精密位移平台26运动，使并列排布的两个径向测头23分别抵到轴端套20和动压马达19的转子体与径向测头23轴线在同一水平面的母线位置，待示数稳定后，分别读取径向测头23的示数并保存；接下来控制施力装置施力，使三轴精密位移平台带动动压马达19的转子体向靠近径向测头23的方向移动，直至达到指定的施力大小时，停止运动；分别读取此时的两个径向测头23的示数，并分别求得动压马达19的转子体和定子组件的位移，进而求得相对运动的大小，即径向的间隙值。

本发明具的有益效果是：(1)除上料外，其余工作均可以实现自动化操作，避免人为因素的不利影响，提高工作效率；(2)采用双测头差动测量，减弱了单测头测量不确定性的影响，同时弥补了因引入柔性联轴节造成固定装置刚度不足的缺陷。

附图说明

图1被测件的内部结构示意图

图2被测件的外形图

图3(a)为整体结构示意图；

图3(b)为左右两侧固定装置结构示意图；

图3(c)为轴向测量模块结构示意图；

图3(d)为径向测量模块结构示意图。

图4控制回路框图。

图中：1光学平台；2径向测量x轴精密位移平台；3支撑架立板；4支撑架底板；5x轴精密位移平台；6支撑架上板；7轴端固定支架底板；8柔性联轴节；9轴端固定座；10轴向电感测微仪测头；11轴向测头固定夹具；12立柱及其辅助件；13轴向测头安装角座；14轴向测量x轴精密位移平台；15导轨连接底板；16轴向测量z轴精密位移平台；17气缸a；18夹指体；19动压马达；20轴端套；21气缸b；22三轴力传感器；23径向电感测微仪测头；24径向安装角座；25内六角螺钉；26径向测量y轴精密位移平台；27z轴精密位移平台。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

气浮转子动压马达间隙自动测量装置，包括光学平台、固定装置、施力装置、夹持装置、轴向间隙测量模块和径向间隙测量模块如图3(a)所示，其控制回路如图4所示。

所述的固定装置如图3(b)是由支撑架立板3、支撑架底板4、支撑架上板6、轴端固定支架底板7、柔性联轴节8、轴端套20、轴端固定座9和气缸a17构成，支撑架底板4通过螺钉固定在光学平台1上，支撑架立板3下端安装在支撑架底板7上，支撑架上板6固定在支撑架立板上端，轴端固定支架底板7安装在支撑架上板6上，轴端固定座9通过柔性联轴节8与轴端固定支架底板7相连，既可以避免两端固定装置中心线不重合时，可能对测量结果造成的影响；又可以在施力装置施力时，转子体和定子组件接触瞬间，起到缓冲作用。气缸a17固定在轴端固定座9上，通过气缸施加的力将轴端套20固定在轴端固定座9上，动压马达19转子体两端的伸长轴分别插到两侧固定装置的轴端套20里，并由螺钉固定拧紧。

所述的施力装置包括三轴精密位移平台和三轴力传感器22。三轴精密位移平台包括z轴精密位移平台27、y轴精密位移平台26和x轴精密位移平台5；z轴精密位移平台27固定安装在光学平台1上，x轴精密位移平台5固连在z轴精密位移平台27的上端面；y轴精密位移平台26的下端与x轴精密位移平台5的上端部固连。x轴精密位移平台5、y轴精密位移平台26和z轴精密位移平台27在运动方向上两两垂直，构成笛卡尔直角坐标系。三轴力传感器22安装在y轴精密位移滑台26的上方。

所述的夹持装置是由气缸b21和夹指体18构成。所述的气缸b21安装在三轴力传感器22的上方；所述的夹指体18固定在气缸上端的滑块上，通过闭合夹指体18实现对动压马达19的夹紧

所述的轴向间隙测量模块如图3(c)是由轴向电感测微仪测头10、轴向测头固定夹具11、立柱及其辅助件12、轴向测头安装角座3、轴向x轴精密位移平台14、导轨连接底板15、轴向z轴精密位移平台16构成，立柱及其辅助件12由螺钉固定在光学平台上，导轨连接底板15通过螺钉固定在两根立柱上，轴向x轴精密位移平台14安装到导轨连接底板15，轴向z轴精密位移平台16安装到轴向x轴精密位移平台14上，轴向测头固定夹具11安装在轴向z轴精密位移平台16，轴向电感测微仪测头10穿过轴向测头固定夹具11中，并由螺钉夹紧固定。

所述的径向测量模块如图3(d)是由径向测量x轴精密位移平台2、径向y轴精密位移平台26、径向安装角座24和径向电感测微仪测头23构成，径向测量x轴精密位移平台2安装到光学平台上，径向y轴精密位移平台26安装到径向x轴精密位移平台2上，将径向安装角座24固定在径向y轴精密位移平台26上，径向电感测微仪测头23穿过径向安装角座24，并由螺钉拧紧固定；

所述的控制回路是由pc机、数据采集卡、信号放大器、三轴力传感器、三轴力传感器保护电路、电感测微仪机盒、轴向测头、径向测头、运动控制卡、步进电机驱动器、精密位移平台、扩展卡、二位五通电磁阀、两个二位三通电磁阀以及异常保护电路构成。所述的数据采集卡插入pc机的pci插槽中；所述的信号放大器通过导线分别与三轴力传感器和数据采集卡相连；所述的电感测微仪机盒通过usb线与pc机相连；所述的轴向测头和径向测头通过导线分别与电感测微仪机盒相连；所述的运动控制卡插入pc机的pci插槽中；所述的步进电机驱动器通过导线分别与运动控制卡和精密位移平台相连；所述的扩展卡通过导线分别与运动控制卡和二位五通电磁阀和两个二位三通电磁阀相连。

其测量原理：

固定装置将被测马达定子组件两端固定，被测马达转子体通过夹持装置实现与施力装置的连接；用于固定的轴端套带有缺口，通过气缸压紧轴端套，轴端套由于缺口的存在将收缩，用以夹紧动压马达两端伸出的轴，固定定子组件；由施力装置进行调心对中，使被测件转子体和定子组件的轴线重合，并由施力装置在指定方向施加力，转子体和定子组件在力的作用下产生位移，并排布置的双测头分别检测转子体和定子组件位移的大小，再将数据由控制回路传到pc机，自动求得位移的差值，即相对应方向的间隙值。

上述气浮转子陀螺仪动压马达间隙自动测量装置进行自动测量的方法，包括以下步骤：

第一步，两端固定：将动压马达两端的伸长轴插入轴端套内，通过气缸压紧轴端套，轴端套由于缺口的存在将收缩，用以夹紧动压马达两端伸出的轴，固定定子组件，由程序控制电磁阀的通断，进而控制气缸的通气与否。

第二步，中间夹紧：用气缸控制夹指体的松开与闭合，来实现对动压马达的夹紧。

第三步，调心对中和自动施力：均是通过施力装置实现的，即由三轴位移平台带动被测件移动，使动压马达19的转子体和定子组件在对应方向相互接触，利用三轴力传感器检测接触力的大小，通过程序实现对位移平台的负反馈控制，进而实现对施力大小的控制。

第四步，轴向测量：在进行轴向测量时需用程序控制轴向测量x轴精密位移平台14和轴向测量z轴精密位移平台16运动，使并列排布的两个轴向测头10分别抵到轴端套20和动压马达19的转子体待测端的端面位置，待示数稳定后，分别读取轴向测头10的示数并保存；接下来控制施力装置施力，使三轴精密位移平台带动动压马达19的转子体向靠近轴向测头10的方向移动，直至达到指定的施力大小时，停止运动；分别读取此时的两个轴向测头10的示数，并分别求得动压马达19的转子体和定子组件的位移，进而求得相对运动的大小，即轴向的间隙值。

在进行径向测量前，需将轴向测头10和三轴位移平台还原至轴向测量前的位置。

第五步，径向测量：在进行径向测量时需用程序控制径向测量x轴精密位移平台2和径向测量y轴精密位移平台26运动，使并列排布的两个径向测头23分别抵到轴端套20和动压马达19的转子体与径向测头23轴线在同一水平面的母线位置，待示数稳定后，分别读取径向测头23的示数并保存；接下来控制施力装置施力，使三轴精密位移平台带动动压马达19的转子体向靠近径向测头23的方向移动，直至达到指定的施力大小时，停止运动；分别读取此时的两个径向测头23的示数，并分别求得动压马达19的转子体和定子组件的位移，进而求得相对运动的大小，即径向的间隙值。