用于气浮转子陀螺仪动压马达间隙测量的自动施力装置及方法与流程

本发明涉及航天惯性器件精密检测技术领域，特别涉及用于气浮转子陀螺仪动压马达间隙测量的自动施力和调心技术。

背景技术：

动压气浮陀螺马达的结构不同于一般的小功率驱动马达和框架陀螺马达，在其飞轮状转子的内部球腔与固定壳体的球体之间有一个很小的间隙，属于典型的易变形器件。转子在马达的驱动下作高速运动时，间隙中会产生动压力(悬浮力)，使转子同球体脱离接触。合适的间隙中产生的动压力会使得转子在自重或加速度过载作用下，在空间保持稳定。实际的间隙大小，应根据零部件加工和装配误差以及转子的振动等确定。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。

现在较为普及的易变形器件微小间隙的测量方法是：使存在间隙的两个零部件产生相对运动，通过测得相对运动大小进而获得被测间隙。该方法中，首先需要某种施力装置，使转子体和定子组件产生相对运动。由于被测对象(动压马达)易变形，且转子体和定子组件的相对位移量较小(μm级)，难以使用传统的液压、气压和螺旋进给等施力方式。目前，在对易变形零件的测量中，常用钩挂重物(砝码)的方式构建施力装置，如论文kevinradil,dellacorte,chris.“theroleofradialclearanceontheperformanceoffoilairbearings”,tribologytransactions,v45,n4,p485-490,2002.和黄德等申请的专利“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。另外，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.中利用杠杆原理进行施力，一端为被测件，另一端为重物的方式作为施力装置。

由上述可知，现有的测量易变形零件微小间隙的施力装置多利用重物本身的重力，原理简单，实现方便。但在实际应用中，在更换、增减重物时，会造成施加力不连续。同时由于施力点位置的不确定性，可能引起测头轴线和施力方向不重合，导致测量结果的不准确。以钩挂砝码为例：由于挂绳与转子体接触位置的不确定性，容易引起转子体的倾斜，如图1(a)/(b)所示，测得间隙值为d3，偏离真实值d1。此外，该施力过程由人工完成，自动化程度低，不适合快速批量测量。

技术实现要素：

为克服现有施力装置的缺陷，发明了一种用于测量气浮转子陀螺仪动压马达间隙的自动施力装置，可以实现力的连续可控加载，并基于本装置实现被测件的自动调心。

本发明的技术方案如下：

一种用于气浮转子陀螺仪动压马达间隙测量的自动施力装置，包括三轴精密位移平台、控制回路、力传感器安装板12、动压马达8、左侧固定装置、右侧固定装置、平板1、中间夹持装置。

所述的三轴精密位移平台包括z轴精密位移平台2、y轴精密位移平台3和x轴精密位移平台13；z轴精密位移平台2固定安装在平板1上，x轴精密位移平台13安装在z轴精密位移平台2的端部上方，y轴精密位移平台3的一端固定在x轴精密位移平台13的端部上方，三个精密位移平台在运动方向上两两垂直，构成笛卡尔直角坐标系。

所述的控制回路包括三轴力传感器11、信号放大器、数据采集卡、三轴力传感器过载保护电路、异常保护电路、运动控制卡、步进电机驱动器、精密位移平台。所述的力传感器安装板12固定到三轴精密位移平台的y轴精密位移平台3上，三轴力传感器11安装到力传感器安装板12上；

所述的三轴力传感器11是由导线与信号放大器进行连接；所述的数据采集卡是通过导线分别与信号放大器和pc客户端相连，三轴力传感器11通过信号放大器将采集到的数据分别送到三轴力传感器过载保护电路和数据采集卡，经数据采集卡上传到pc客户端，各模块通过导线连接；pc客户端、异常保护电路和三轴力传感器过载保护电路将信号传递到运动控制卡，运动控制卡通过控制步进电机驱动器调节精密位移平台移动，各模块通过导线连接。

所述的中间夹持装置包括夹指体9和气缸10。气缸10下端安装在三轴力传感器11上；夹指体9下端与气缸10上端的滑台螺钉固定连接；通过闭合夹指体9实现对动压马达8的夹紧。

所述的左侧固定装置和右侧固定装置结构相同，两个固定装置对称放置；分别包括两个基座14、两个立柱4、横梁5、轴端套6以及螺钉7。所述的两个基座14通过螺钉固定在平板1上，基座14位于z轴精密位移平台2的两侧。立柱4通过螺钉紧固在基座14上，横梁5套接在两个立柱4之间，并通过螺钉进行固定；轴端套6穿过横梁中间的孔，两个轴端套6同心，用于固定动压马达8转子体两端的伸长轴，动压马达8转子体两端的伸长轴分别插到两侧固定装置的轴端套6里，并由螺钉固定拧紧，在螺钉拧紧前，轴端套的位置相对于横梁是可以移动的，用于保证夹指体9位于动压马达8的中心位置。所述的动压马达8由转子体和定子组件构成，定子组件两端有两个伸长轴。

所述的自动施力装置用于测量气浮转子陀螺仪动压马达间隙的方法，包括两端固定及中间夹紧、自动调心、自动施力步骤。

其中进行调心的原理是：以测量径向间隙为例，测量开始时被测件应处于图2(a)所示正常位置，施加径向力f使转子体移动并与定子组件接触，如图2(b)所示，此时测量得到径向间隙d1；当被测件夹紧后可能出现随机的位置偏差，如图2(c)所示，此时施加径向力f之后，定子组件与转子体接触状态如图2(d)所示，测量得到的径向间隙为d2，偏离实际值。因此，在测量之前，应该对被测件位置调整(调心)，使其处于正常的初始位置。

具体施力步骤如下：

第一步，两端固定及中间夹紧

将动压马达8的定子组件的两端伸长轴分别插入两侧固定装置的轴端套6，并用螺钉拧紧固定；移动轴端套6，使夹指体9在动压马达8的转子体的中间位置，并用螺钉拧紧，实现定子组件的两端固定；闭合夹指体9，实现动压马达8的转子体的夹紧。

第二步，自动调心

对y方向调心，首先在pc客户端预设一个力，通过三轴精密位移平台带动夹指体9向y正方向移动，进而带动动压马达8的转子体移动，当动压马达8的转子体在y方向与动压马达8的定子组件接触时会产生接触力，当三轴力传感器11测得的力等于预设力时，位移平台向y负方向移动，直至测得同样大小的接触力。记录两次导轨运动极限位置，其中间位置即为y方向的中心位置。所述的力大小为2n。

对z方向调心，需要先对三轴力传感器清零，消除夹持装置和被测件重力的影响，其它过程与前述y方向调心过程一致。经过调心工作后，可以保证定子组件轴心和转子体轴心重合。

第三步，自动施力

对轴向(x方向)自动施力：与调心过程类似，首先在pc客户端设置一个预设力，作为阈值；三轴精密位移平台带动动压马达8的转子体沿x方向移动，当动压马达8的转子体与动压马达8的定子组件在x方向接触时产生接触力。数据采集卡采集三轴力传感器11的测量信号，与预设力进行比较，实现负反馈控制，直至满足预设力条件，精密位移平台停止移动，并保持当前施力大小。所述的预设力的大小根据测量任务确定。

对y方向自动施力过程与对x方向施力过程一致。

本发明具有以下增益效果：(1)除上料外，测量过程可由程序实现自动化控制，提高测量效率并避免了人工参与而产生误差。(2)测量中，施力大小在力传感器量程范围内连续、可控。(3)具有自动调心功能，且可以实现闭环控制。

附图说明

图1为测头轴线和施力方向不重合的误差产生示意图；(a)为未施力时的位置；(b)为施力后的位置；

图2为自动调心原因示意图；(a)为夹紧后理想位置；(b)为调心后对动压马达转子体施力的位置；(c)夹紧后动压马达转子体非正常状态位置分布；(d)为未调心施力后动压马达转子体的位置。

图3为被测件的内部结构示意图；

图4为被测件的外形示意图；

图5为本发明装置的结构示意图；

图中：1平板；2z轴精密位移平台；3y轴精密位移平台；4立柱；5横梁；6轴端套；7螺钉；8动压马达；9夹指体；10气缸；11三轴力传感器；12力传感器安装板；13x轴精密位移平台；14基座。

图6为控制回路框图。

具体实施方式

一种用于气浮转子陀螺仪动压马达间隙测量的自动施力装置，包括三轴精密位移平台、控制回路、力传感器安装板12、动压马达8、左侧固定装置、右侧固定装置、平板1、中间夹持装置。

所述的三轴精密位移平台包括z轴精密位移平台2、y轴精密位移平台3和x轴精密位移平台13；z轴精密位移平台2固定安装在平板1上，x轴精密位移平台13固定安装在平板1上，并与z轴精密位移平台2的端部上方连接；y轴精密位移平台3的一端与x轴精密位移平台13的端部相连并固定在x轴精密位移平台13的上表面。上述三个精密位移平台在运动方向上两两垂直，构成笛卡尔直角坐标系。

所述的控制回路包括三轴力传感器11、信号放大器、数据采集卡、三轴力传感器过载保护电路、异常保护电路、运动控制卡、步进电机驱动器、精密位移平台。所述的力传感器安装板12固定到三轴精密位移平台的y轴精密位移平台3上，三轴力传感器11安装到力传感器安装板12上；

所述的三轴力传感器11是由导线与信号放大器进行连接；所述的数据采集卡是通过导线分别与信号放大器和pc客户端相连，三轴力传感器11通过信号放大器将采集到的数据分别送到三轴力传感器过载保护电路和数据采集卡，经数据采集卡上传到pc客户端，各模块通过导线连接；pc客户端、异常保护电路和三轴力传感器过载保护电路将信号传递到运动控制卡，运动控制卡通过控制步进电机驱动器调节精密位移平台移动，各模块通过导线连接。

所述的中间夹持装置包括夹指体9和气缸10。气缸10下端通过螺钉与三轴力传感器11相连；夹指体9下端通过螺钉与气缸10上端的滑台螺钉连接；通过闭合夹指体9实现对动压马达8的夹紧。

所述的左侧固定装置和右侧固定装置结构相同，两个固定装置对称放置；分别包括两个基座14、两个立柱4、横梁5、轴端套6以及螺钉7。所述的两个基座14通过螺钉固定在平板1上，基座14位于z轴精密位移平台2的两侧。立柱4通过螺钉紧固在基座14上，横梁5套接在两个立柱4之间，并通过螺钉进行固定；轴端套6穿过横梁中间的孔，两个轴端套6同心，用于固定动压马达8转子体两端的伸长轴，动压马达8转子体两端的伸长轴分别插到两侧固定装置的轴端套6里，并由螺钉固定拧紧，在螺钉拧紧前，轴端套的位置相对于横梁是可以移动的，用于保证夹指体9位于动压马达8的中心位置。所述的动压马达8由转子体和定子组件构成，定子组件两端有两个伸长轴。

所述的自动施力装置用于测量气浮转子陀螺仪动压马达间隙的方法，包括两端固定及中间夹紧、自动调心、自动施力步骤。

其中进行调心的原理是：以测量径向间隙为例，测量开始时被测件应处于图2(a)所示正常位置，施加径向力f使转子体移动并与定子组件接触，如图2(b)所示，此时测量得到径向间隙d1；当被测件夹紧后可能出现随机的位置偏差，如图2(c)所示，此时施加径向力f之后，定子组件与转子体接触状态如图2(d)所示，测量得到的径向间隙为d2，偏离实际值。因此，在测量之前，应该对被测件位置调整(调心)，使其处于正常的初始位置。

具体施力步骤如下：

第一步，两端固定及中间夹紧

将动压马达8的定子组件的两端伸长轴分别插入两侧固定装置的轴端套6，并用螺钉拧紧固定；移动轴端套6，使夹指体9在动压马达8的转子体的中间位置，并用螺钉拧紧，实现定子组件的两端固定；闭合夹指体9，实现动压马达8的转子体的夹紧。

第二步，自动调心

对y方向调心，首先在pc客户端设置一个预设力，通过三轴精密位移平台带动夹指体9向y正方向移动，进而带动动压马达8的转子体移动，当动压马达8的转子体在y方向与动压马达8的定子组件接触时会产生接触力，当三轴力传感器11测得的力等于预设力时，位移平台向y负方向移动，直至测得同样大小的接触力。记录两次导轨运动极限位置，其中间位置即为y方向的中心位置。所述的预设力大小为2n。

对z方向调心，需要先对三轴力传感器清零，消除夹持装置和被测件重力的影响，其它过程与前述y方向调心过程一致。经过调心工作后，可以保证定子组件轴心和转子体轴心重合。

第三步，自动施力

对轴向(x方向)自动施力：与调心过程类似，首先在pc客户端预设一个力，作为阈值，三轴精密位移平台带动动压马达8的转子体沿x方向移动，当动压马达8的转子体与动压马达8的定子组件在x方向接触时，会产生接触力。数据采集卡采集三轴力传感器11的测量信号，与预设力进行比较，实现负反馈控制，直至满足预设条件，精密位移平台停止，并保持当前施力大小。当测量任务变化而需要更改施力大小时，由程序控制改变预设力即可，测量系统不需硬件调整。

对y方向自动施力过程与对x方向施力过程一致。