专利名称：随动式气浮磁动无摩擦悬吊装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于模态试验设备领域，尤其涉及一种随动式气浮磁动无摩擦悬吊 装置。(二) 背景技术在航天及某些特殊要求试件的模态试验时，必须有专门的低频悬吊装置模拟 试件的失重状态，即通过特殊的悬挂系统来模拟其固支-自由或自由-自由边界条 件。为了减少悬吊装置对试件的附加刚度、附加质量及附加摩擦力与力矩的影响， 悬挂系统应满足频率准则和稳定性准则，即要求试件悬挂时，其刚体悬挂频率应 低于试件本身弹性固有频率的1/3~1/5。目前，国内进行超低频试件模态试验时，采用橡皮绳悬吊等方法，当试件的 基频很低时，如小于0.1HZ时，悬吊高度达15米仍无法满足频率准则要求，而 且这时橡皮绳的附加质量、非线性影响也比较大，测试出来的结果误差较大。由 于缺少必要的手段，对科研已产生了很大的影响，现有测试手段已不能适应研制 的需求。(三) 发明内容为了克服已有悬挂系统的在超低频率时无法满足频率准则要求、附加质量、 非线性影响大、测量结果误差大等不足,本实用新型提供一种在超低频时也能满足 频率准则、附加质量足够小、非线性影响小，测试精度高的随动式气浮磁动无摩 擦悬吊装置。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是一种随动式气浮磁动无摩擦悬吊装置，所述无摩擦悬吊装置包括安装框架、 移动横梁、导向杆、同步补偿供气系统、气浮系统和磁动系统，所述气浮系统包 括两个无摩擦气缸、两个相同的储气罐、无摩擦气缸连接气管、精密减压阀、气 源进气管；所述磁动系统包括长行程动圈、激振器铁芯；两个无摩擦气缸对称地 安装在安装框架底板的上方，无摩擦气缸与储气罐间由与气缸内孔直径相等的无 摩擦气缸连接气管连接，压縮气源通过精密减压阀、气源进气管连接储气罐，无摩擦气缸的活塞杆与移动横梁通过连接铰连接，移动横梁两端通过空气轴承安装 在导向杆上，空气轴承与导向杆可滑动地连接，所述导向杆固定安装在安装框架 上，移动横梁内的气路连接空气轴承，移动横梁的下方固定有一根用于悬挂试件 的悬挂杆。进一步，长行程动圈的内孔可上下运动地套在激振器铁芯上，激振器铁芯安 装在安装框架的底板与顶板间，上下运动的长行程动圈与移动横梁距离保持一致, 长行程动圈内孔与激振器铁芯间的间隙一致。再进一步，所述同步补偿供气系统包括伺服电机、滚珠丝杠、同步补偿气缸 驱动架、同步补偿气缸、连接气管、空气轴承同步进气管；伺服电机安装在安装 框架的顶板上，伺服电机与滚珠丝杠固定连接，同步补偿气缸驱动架一端固定在 与移动横梁同步移动的滚珠丝杠螺母上，另一端连接同步补偿气缸的活塞杆，同 步补偿气缸固定在安装框架顶板的下方，同步补偿气缸的上腔由连接气管分别与 两个储气罐连接，与压缩空气气源连接的空气轴承同步进气管固定在滚珠丝杠螺 母上，另一端连接空气轴承的进气口，同步补偿气缸的缸径截面积等于两个无摩 擦气缸缸径截面积之和。更进一步，所述无摩擦悬吊装置包括检测传感器系统，检测传感器系统包括 基准气压缸、压差传感器、空气轴承、位移传感器、加速度传感器、长行程动圈 力传感器、负载力传感器、压差传感器连接气管；基准气压缸固定在安装框架的 底板上，压差传感器一端与无摩擦气缸内腔连接，另一端通过压差传感器连接气 管与基准气压缸连接；位移传感器活动部件与固定在移动横梁上的支架固定，位 移传感器的固定部件固定在安装框架的顶板下方；加速度传感器固定在在移动横 梁上的支架上；长行程动圈力传感器一面固定在移动横梁的侧面，另一面连接长 行程动圈安装支架；负载力传感器固定在移动横梁悬挂杆上，另一端连接悬挂钢 缆。所述移动横梁上安装有四个空气轴承，移动横梁内的气路连接四个空气轴承， 四个空气轴承活动连接两根平行安装在安装框架底板与顶板间的导向杆。本实用新型的技术构思为由气浮系统、磁动系统、同步补偿供气系统、检 测传感器系统、安装框架、移动横梁、连接铰、悬挂钢缆、导向杆构成。气浮系 统又称为被动子系统，磁动系统又称为主动子系统。气浮系统由无摩擦气缸一活 塞、外部储气罐、精密减压阀等构成。气浮系统提供恒定的悬挂力以平衡试件的重力，悬挂力的大小为作用在活塞上的气压和活塞面积的乘积。气压用精密减压 阀调节。由于采用无摩擦气缸一活塞装置，使得活塞在气缸的垂直方向的任何位 置，空气弹簧力总是和试件重力平衡。把气缸通过大口径的气管连接到储气罐使 得储气罐的容积成为气缸容积。这样空气弹簧的刚度变得非常小，同时保持承受 大载荷试件的能力。精密减压阀使得气缸的平均压力稳定在设定值，间接地使得 无摩擦气缸一活塞的悬挂力稳定。主动子系统由定制的长行程动圈激振器和检测传感器系统及控制器等构成。磁动系统根据检测传感器系统提供的信息在控制器控制下提供非接触的电磁 力。以满足悬吊装置对微小力的各种需求。同步补偿供气系统作用之一为同步向运动中的空气轴承提供压縮空气，作用 之二为减小因无摩擦气缸活塞运动而导致的气压波动。本实用新型的有益效果主要表现在1、由于采用无摩擦气缸及空气轴承，可 模拟试件的失重状态，并且由于摩擦力相对其它影响振动试验的动态约束力是非 线性和非重复性的，采用无摩擦气缸及空气轴承后摩擦阻力极小，因此不影响振 型测试；2、由于采用储气罐和无摩擦气缸的压縮空气的气弹簧，故弹簧刚度可做 得很小，以满足0.1HZ以下频率试件的振型测试；3、由于采用了同步补偿供气 系统，在满足压力波动范围的前提下，使储气罐的体积可大大减小，以较小的储 气罐得到刚体悬挂频率低于0.03Hz; 4、由于采用了磁动系统，根据检测传感器 系统提供的信息在控制器控制下可对随动系统的附加质量进行抑制，使其控制在600g以下成为可能，并且能调节悬挂高度和保持垂直方向中心位置，补偿压力波动；5、由于采用了压差传感器，使无摩擦气缸缸内压力与基准气压缸间压差控制在很小的范围内，从而大大提高了传感器的检测精度。(四)
图1是随动式气浮磁动无摩擦悬吊装置的结构图。图2是图1的侧面结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步描述。参照图1、图2， 一种随动式气浮磁动无摩擦悬吊装置，所述无摩擦悬吊装置 包括安装框架4、移动横梁5、导向杆22、气浮系统和磁动系统，所述气浮系统 包括两个无摩擦气缸8、两个相同的储气罐12、无摩擦气缸连接气管21、精密减压阀20、气源进气管24;所述磁动系统包括长行程动圈16、激振器铁芯17;两个无摩擦气缸8对称地安装在安装框架4底板的上方，无摩擦气缸8与储气罐12 间由与气缸内孔直径相等的无摩擦气缸连接气管21连接，压縮气源通过精密减压 阀20、气源进气管24连接储气罐12，无摩擦气缸8的活塞杆与移动横梁5通过 连接铰9连接，移动横梁5两端通过空气轴承10安装在导向杆22上，空气轴承 10与导向杆22可滑动地连接，所述导向杆22固定安装在安装框架4上，移动横 梁5内的气路连接空气轴承10，移动横梁5的下方固定有一根用于悬挂试件的悬 挂杆。长行程动圈16的内孔可上下运动地套在激振器铁芯17上，激振器铁芯17 安装在安装框架4的底板与顶板间，上下运动的长行程动圈16与移动横梁5距离 保持一致，长行程动圈16内孔与激振器铁芯17间的间隙一致。同步补偿供气系统包括伺服电机2、滚珠丝杠25、同步补偿气缸驱动架26、 同步补偿气缸l、连接气管ll、空气轴承同步进气管3;伺服电机2安装在安装 框架4的顶板上，伺服电机2与滚珠丝杠25固定连接，同步补偿气缸驱动架26 一端固定在与移动横梁5同步移动的滚珠丝杠25螺母上，另一端连接同步补偿气 缸1的活塞杆，同步补偿气缸1固定在安装框架4顶板的下方，同步补偿气缸1 的上腔由连接气管11分别与两个储气罐12连接，与压縮空气气源连接的空气轴 承同步进气管3固定在滚珠丝杠螺母上，另一端连接空气轴承10的进气口，同步 补偿气缸1的缸径截面积等于两个无摩擦气缸8缸径截面积之和。所述无摩擦悬吊装置包括检测传感器系统，检测传感器系统包括基准气压缸 6、压差传感器7、位移传感器13、加速度传感器14、长行程动圈力传感器15、 负载力传感器18、压差传感器连接气管23;基准气压缸6固定在安装框架4的底 板上，压差传感器7—端与无摩擦气缸8内腔连接，另一端通过压差传感器连接 气管23与基准气压缸6连接；位移传感器13活动部件与固定在移动横梁5上的 支架固定，位移传感器13的固定部件固定在安装框架4的顶板下方；加速度传感 器14固定在在移动横梁5上的支架上；长行程动圈力传感器15 —面固定在移动 横梁5的侧面，另一面连接长行程动圈16安装支架；负载力传感器18固定在移 动横梁5悬挂杆上，另一端连接悬挂钢缆19。由轻合金材料制造的移动横梁5上安装有四个空气轴承10，移动横梁5内的 气路连接四个空气轴承10，四个空气轴承10活动连接两根平行安装在安装框架底板与顶板间的导向杆22。本实施例的工作过程为在测试前，先向空气轴承10通入压縮空气，使空气轴 承10内孔与导向杆22间形成有刚度的气膜，从而使导向杆22在运动时摩擦力基本 为0，然后在钢缆19上悬挂被测试件，接着通过精密减压阀20向储气罐12通入压 縮空气，储气罐12内的压縮空气通过与气缸内孔直径相等的无摩擦气缸连接气管21 进入无摩擦气缸8，气缸内压縮空气对无摩擦气缸活塞的压力通过活塞杆、连接铰9、 移动横梁5、悬挂杆、负载力传感器18、悬挂钢缆19作用于被测试件；调整精密减 压阀20，使无摩擦气缸8内压力与被测试件及气浮磁动无摩擦悬吊装置的随动部件 重力平衡时，通过控制系统调整磁动系统长行程动圈16内电流，使被测试件处于振 动平衡中心位置；由于移动横梁5上的安装在空气轴承内的两个导向杆22限制了移 动横梁只能做上下平动，而不能转动，长行程动圈16通过长行程动圈安装支架、长 行程动圈力传感器15固定在移动横梁的侧面，因而只要保证激振器铁芯17安装时 与移动横梁5的侧面平行，就能保证在运动中长行程动圈16内孔与激振器铁芯17 间的间隙即磁隙始终保持一致；当被测试件受到外界强迫激振力时，由于气浮系统 提供的力始终等于重力，所以可模拟失重状态，而被测试件悬挂在悬挂钢缆19下， 所以可做三个自由度的自由-自由边界条件下的运动，进行被测试件的振型测试；检 测传感器系统包括压差传感器7、位移传感器13、加速度传感器14、长行程动圈力 传感器15、负载力传感器18;在测试过程中，分别向控制系统提供气浮磁动无摩擦 悬吊装置随动部件的位移和加速度信息、无摩擦气缸8与基准气压缸6间压差波动 信息、被测试件受力信息及长行程动圈16作用于随动部件的作用力信息，以便对长 行程动圈16的电流进行调整，提供合适的电磁力。在移动横梁5做上下平动时，控 制系统根据位移传感器13提供的位移信息，控制步进电机使滚珠丝杠螺母与移动横 梁同步运动，从而保证连接气管与空气轴承保持相对静止，消除由连接气管带来的 附加力波动，同时保持无摩擦气缸活塞运动与同步补偿气缸的活塞同步运动，由于 同步补偿气缸1活塞的截面等于无摩擦气缸8活塞截面的2倍，并且运动方向相反， 所以使无摩擦气缸活塞运动时，储气罐12、无摩擦气缸8、同步补偿气缸l内的总 容积基本保持不变，从而最大限度地抑制了气压波动。
权利要求1、一种随动式气浮磁动无摩擦悬吊装置，其特征在于所述无摩擦悬吊装置包括安装框架、移动横梁、导向杆、同步补偿供气系统、气浮系统和磁动系统，所述气浮系统包括两个无摩擦气缸、两个相同的储气罐、无摩擦气缸连接气管、精密减压阀、气源进气管；所述磁动系统包括长行程动圈、激振器铁芯；两个无摩擦气缸对称地安装在安装框架底板的上方，无摩擦气缸与储气罐间由与气缸内孔直径相等的无摩擦气缸连接气管连接，压缩气源通过精密减压阀、气源进气管连接储气罐，无摩擦气缸的活塞杆与移动横梁通过连接铰连接，移动横梁两端通过空气轴承安装在导向杆上，空气轴承与导向杆可滑动地连接，所述导向杆固定安装在安装框架上，移动横梁内的气路连接空气轴承，移动横梁的下方固定有一根用于悬挂试件的悬挂杆。
2、 如权利要求l所述的随动式气浮磁动无摩擦悬吊装置，其特征在于长行程动 圈的内孔可上下运动地套在激振器铁芯上，激振器铁芯安装在安装框架的底板与 顶板间，上下运动的长行程动圈与移动横梁距离保持一致，长行程动圈内孔与激 振器铁芯间的间隙一致。
3、 如权利要求1或2所述的随动式气浮磁动无摩擦悬吊装置，其特征在于所述 同步补偿供气系统包括伺服电机、滚珠丝杠、同步补偿气缸驱动架、同步补偿气 缸、连接气管、空气轴承同步进气管；伺服电机安装在安装框架的顶板上，伺服 电机与滚珠丝杠固定连接，同步补偿气缸驱动架一端固定在与移动横梁同步移动 的滚珠丝杠螺母上，另一端连接同步补偿气缸的活塞杆，同步补偿气缸固定在安 装框架顶板的下方，同步补偿气缸的上腔由连接气管分别与两个储气罐连接，与 压縮空气气源连接的空气轴承同步进气管固定在滚珠丝杠螺母上，另一端连接空 气轴承的进气口 ，同步补偿气缸的缸径截面积等于两个无摩擦气缸缸径截面积之和。
4、 如权利要求3所述的随动式气浮磁动无摩擦悬吊装置，其特征在于所述无摩 擦悬吊装置包括检测传感器系统，检测传感器系统包括基准气压缸、压差传感器、 空气轴承、位移传感器、加速度传感器、长行程动圈力传感器、负载力传感器、 压差传感器连接气管；基准气压缸固定在安装框架的底板上，压差传感器一端与 无摩擦气缸内腔连接，另一端通过压差传感器连接气管与基准气压缸连接；位移 传感器活动部件与固定在移动横梁上的支架固定，位移传感器的固定部件固定在 安装框架的顶板下方；加速度传感器固定在移动横梁上的支架上；长行程动圈力 传感器一面固定在移动横梁的侧面，另一面连接长行程动圈安装支架；负载力传 感器固定在移动横梁悬挂杆上，另一端连接悬挂钢缆。
5、 如权利要求4所述的随动式气浮磁动无摩擦悬吊装置，其特征在于所述移动 横梁上安装有四个空气轴承，移动横梁内的气路连接四个空气轴承，四个空气轴 承活动连接两根平行安装在安装框架底板与顶板间的导向杆。
专利摘要一种随动式气浮磁动无摩擦悬吊装置，包括安装框架、移动横梁、导向杆、气浮系统和磁动系统，气浮系统包括两个无摩擦气缸、两个储气罐、无摩擦气缸连接气管、精密减压阀、气源进气管；磁动系统包括长行程动圈、激振器铁芯；两个无摩擦气缸对称地安装在安装框架底板的上方，无摩擦气缸与储气罐间由无摩擦气缸连接气管连接，压缩气源通过精密减压阀、气源进气管连接储气罐，无摩擦气缸的活塞杆与移动横梁通过连接铰连接，移动横梁两端通过空气轴承安装在导向杆上，导向杆固定安装在安装框架上，移动横梁内的气路连接空气轴承，移动横梁的下方固定有一根悬挂杆。本实用新型在超低频时也能满足频率准则、附加质量足够小、非线性影响小，测试精度高。
文档编号G01M99/00GK201096633SQ200720115290
公开日2008年8月6日 申请日期2007年9月21日 优先权日2007年9月21日
发明者单晓杭, 孙建辉, 王杨渝, 赵国军, 郑欣荣 申请人:浙江工业大学