一种动态精密离心机系统及其测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及离心机加速度实验技术领域，尤其涉及一种通过精确调节旋转半径实 现动态过载输出的动态精密离心机系统及其测试方法。
【背景技术】
[0002] 精密离心机是用于惯导加速度计标定和校准的稳态惯导测试仪器之一。精密离心 机利用精密电机驱动大惯量转臂或转台（相较于电机驱动能力）产生高精度稳速转动输出 精确的向心加速度，从而向被测惯导加速度计提供高稳定性的加速度场环境。
[0003] 动态离心机是用于惯性元器件性能测试与可靠性考核的动态惯导测试仪器之一。 动态离心机利用大扭矩拖动电机驱动小惯量转臂或转台（相较于电机驱动能力）实现离心 机转速的高动态变化，从而向被测惯性元器件提供高变化率的加速度场环境。
[0004] 传统上精密离心机与动态离心机分别用于开展不同类型的离心加速度实验。传 统精密离心机是典型的稳态离心实验设备，能够提供高稳定度的加速度场环境，主要关注 其输出稳态加速度场的精度及不确定度指标，但拖动电机驱动能力较低，缺乏动态加速度 曲线跟踪实验能力。传统动态离心机则是典型的动态离心实验设备，能够产生高变化率的 加速度场环境，加速度动态变化率和加速度动态跟踪精度是其所关注的主要技术指标，但 由于受限于其结构特点，自身旋转惯量较小，难以满足高精度的稳态离心加速度实验需求。 传统的精密离心机与动态离心机都仅能通过控制系统转速完成加速度输出调整；精密离心 机为了实现高精度的加速度输出，一般采用大惯量的圆盘式转台提升转速稳定性，其旋转 惯量（单位：kg · m2)与拖动系统额定扭矩（单位：Ν · m)之比一般大于3,在KT5以上精度 量级的精密离心机中这一比值甚至接近10,考虑风阻影响与精密离心机较小的有效旋转半 径（< Im)后，精密离心机系统的转速最大变化率一般都在0. lrad/s2~0. 3rad/s 2之间， 这使得精密离心机的加速度输出变化率难以超过0. 5g/s，相较于开展动态离心实验所要求 的加速度变化率（> 5g/s)要低至少一个数量级；动态离心机的设计思路与精密离心机相 反，为了获得开展动态离心实验所要求的加速度高变化率，需要快速改变系统转速，动态离 心机的旋转惯量（单位：kg · m2)与拖动系统额定扭矩（单位：N · m)之比一般小于1，由此 拖动电机的固有转矩脉动与伺服驱动系统的扭矩输出偏差将对离心机系统转速稳定度造 成更大影响，这使得传统动态离心机的稳态精度一般都劣于〇. 2%，同时，要提升动态离心 机的加速度动态跟踪精度，需要系统实现精确的扭矩环控制，由于伺服系统中的位置一一 转速一一电流（扭矩）三层闭环控制结构中，电流（扭矩）环的控制精度是最低的，因此， 传统动态离心机的加速度动态跟踪精度一般仅能达到5%。
[0005] 传统精密离心机只能输出低变化率的加速度场环境，难以满足开展动态离心实验 的需求；传统动态离心机只能产生较低精度的稳态加速度场环境，且其加速度动态跟踪精 度直接受限于伺服驱动系统的力矩环控制精度，难以满足高精度离心加速度实验的需求； 综上，传统的精密离心机与动态离心机都无法提供用于开展动态精密离心实验的加速度场 环境。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种通过精确调节旋转半径实现 动态过载输出的动态精密离心机系统及其测试方法。
[0007] 本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
[0008] 一种动态精密离心机系统，包括机壳、精密离心机、测控计算机、旋转伺服电机、两 个试件安装平台和两个用于检测所述试件安装平台位置的位移反馈器，所述精密离心机的 转盘上固定安装有整流罩，所述旋转伺服电机安装在所述精密离心机的转盘中心，所述旋 转伺服电机通过集流环连接有伺服驱动器，所述伺服驱动器与所述测控计算机连接，所述 旋转伺服电机两端的转矩输出轴对称连接有螺旋方向相反的滚珠丝杠副，两个所述试件安 装平台分别安装在所述旋转伺服电机两端的所述滚珠丝杠副上，所述试件安装平台与所述 滚珠丝杠副螺旋传动连接。
[0009] 进一步地，所述旋转伺服电机、所述滚珠丝杠副、所述位移反馈器和所述试件安装 平台均置于所述整流罩内，所述集流环的固定端固定安装在所述机壳上，所述集流环的转 动端与所述整流罩的中心固定连接，所述整流罩、所述集流环的转动端和所述精密离心机 的转盘一起转动或静止。
[0010] 优选地，所述旋转伺服电机为双轴输出电机。
[0011] 进一步地，所述测控计算机和所述伺服驱动器均布置在地面。
[0012] 优选地，所述位移反馈器为直线光栅尺，所述直线光栅尺平铺在所述精密离心机 的转盘上并位于所述滚珠丝杠副的下方，所述直线光栅尺与所述滚珠丝杠副的传动方向平 行，两个所述试件安装平台分别对应一根所述直线光栅尺，两根所述直线光栅尺的光栅读 数头分别设置在两个所述试件安装平台上，两个所述光栅读数头的位移数据输出端分别与 所述集流环的两个位移数据输入端连接，所述整流罩顶部的内侧壁设置有用于布置所述光 栅读数头的通信线的线管。
[0013] 优选地，所述位移反馈器为激光位移传感器，两个所述试件安装平台分别对应一 个所述激光位移传感器，两个所述激光位移传感器的激光探头均安装在所述旋转伺服电机 上，两个所述激光位移传感器的反射板分别安装在两个所述试件安装平台上，每个所述激 光位移传感器的激光探头和反射板均对正。
[0014] 一种动态精密离心机系统的测试方法，包括以下步骤：
[0015] Al :将两个被测试件分别安装在两个所述试件安装平台上，并利用专用安装夹具 进行固定，测量试件中心与位移反馈器反馈点的距离，以便在其后实验过程中基于该测量 结果对位移反馈器所得位移反馈量进行补偿，获得被测试件的真实旋转半径；
[0016] A2 :根据动态精密离心实验所要求的加速度曲线，设定所述精密离心机的工作转 速，确保系统通过调整被测试件的旋转半径使加载到被测试件上的加速度范围能够覆盖动 态精密离心实验所要求的加速度曲线；
[0017] A3 :驱动所述精密离心机按照预定工作转速运行；
[0018] A4 :根据动态精密离心实验所要求的加速度曲线a(t)，计算出对应的被测试件旋 转半径变化曲线R(t)，以此作为所述旋转伺服电机和所述滚珠丝杠副构成的传动系统的位 移指令；
[0019] A5:通过控制所述旋转伺服电机的旋转驱动丝杠副系统按照被测试件旋转半径变 化曲线R(t)完成被测试件的旋转半径调节，从而得到动态精密离心实验所要求的加速度 曲线a(t)。
[0020] 进一步地，确保加速度范围能够覆盖动态精密离心实验所要求的加速度曲线的方 法包括以下步骤：
[0021] Bl :根据动态精密离心实验所要求的加速度曲线确定试件所受的最大离心加速度 值 amax;
[0022] B2 :根据动态精密离心实验系统所能达到的最大有效工作半径Rmax计算出离心机 系统所需要的工作转速》=如腿/ R-。
[0023] 本发明的有益效果在于：
[0024] 1、以传统的转盘式精密离心机为基础，具有传统精密离心机不具备的动态离心实 验能力，也具备远优于传统动态离心机的转速控制精度；
[0025] 2、采用本专利技术方法，完成动态离心实验不再