专利名称：用于测量磁悬浮轴承轴向、径向刚度的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种磁悬浮轴承的刚度测量装置，特别为一种盘状磁悬浮轴承的永磁刚度和开环电流刚度的测量装置。
背景技术：
随着现代旋转机械转速的大幅度提高，支承对转子系统的稳定性、动态特性、旋转精度等的影响越来越大，在许多场合几乎支配着整个系统的稳定性。而对轴承的支承特性进行研究，无论轴承是应用何种原理与方法，归根结底都是对它的支承刚度和支承阻尼进行研究，只有符合一定标准的刚度才能使系统稳定运行。因此对磁悬浮轴承的刚度测量，是保证其正常稳定工作的必要步骤。磁悬浮轴承沿某方向的刚度定义为沿此方向的单位位移所需要的此方向力的增量。现有测量方法大致有如下两种(一)临界电流测量法如附图la、Ib所示，转子3与保护轴承1中心重合时单边间隙为δ 0。未通电时转子静止状态如附图Ib所示，转子在竖直方向上具有偏心位移％ = - S『设通入绕组电流为I2m，将Ian值由0开始增加，产生沿Y正向的可控磁悬浮力，通过安装在X轴与Y轴方向上的传感器，寻找使转子悬浮的临界值。此时转子的水平方向X 合力为零，竖直方向Y的受力状态为Fc+Fe = G ；式中F。为可控磁悬浮力；Fe为转子偏心引起的磁拉力；G为转子自重。且已知Fc = KcI2ffl, Fe = KeY0 ；其中K。和K。为电流刚度和位移刚度。所以，G = KcI2ffl+Key0 ；改变转子偏心位移值(设由yQ变为yi)和沿Y向的可控磁悬浮力(设绕组电流由 I2m变为I2ffll)，可得G = ΚεΙ2ω1+ΚεΥι ；进而求出K。和K—(二)直接测量法图2(a)为两磁环正对时轴向力的测定原理图。测定两磁环正对轴向间距变化的轴向力时，先把固定厚度的调整环6置于两永磁环5、8之间，并使两磁环紧密相吸，测出这时两磁环间的轴向间距lz。然后如图所示施加拉力T，逐渐增加拉力T的值，直到上面的动磁环刚好被拉动时，即可认为此时的拉力T与轴向吸引力Fz相等。测量径向力时，当偏心距较小时，动磁环5受到的径向力较小而轴向因此在静摩擦力的力很大，在静摩擦力的作用下，动磁环5可保持不动。这时保持调整环6和中间的隔板 与静磁环8位置不变，在偏心距相同的位置，分别向左和向右各拉一次动磁环，当上面的磁环刚好被拉动时的拉力分别记为T1和T2。在这两种情况下动磁环的拉力情况如图2 (b)，用表示动磁环受到的静摩擦力，向左刚好拉动磁环时，有Fj^T1 = Fft;向右刚好拉动磁环时，有Fx+f 静=T2 ；由上两式可得径向力的值Fx = 1/2 (T2-T1)。但是，当偏心距逐渐增大时，静摩擦力会由于轴向力的减小而减小，同时径向力也会增加。当径向力的值增大到大于静摩擦力的值时，即使不向左拉，上面的磁环也会向左移动。在这种情况下，如图2(c)所示，先施加一定的拉力使上面的磁环能保持不动，然后逐渐增大拉力，直到上面的磁环刚好向右移动时记下这时的拉力为T2 ；然后又逐渐减小拉力，直到上面的磁环刚好向左移动时记下这时的拉力为T2’。当动磁环刚好向右移动时，有Fx+f 静=T2当动磁环刚好向左移动时，有T2，+f 静=Fx由上两式可得这个位置上的径向力Fx = 1/2(T2+V )。由以上叙述可发现上述方法存在以下问题1.临界电流法需判断转子是否处于临界点，而上述的直接测量法也需要找到施力的临界点，由于临界点不易找到，仅仅依靠不断地试验才能寻找到；且处于临界点的物体不稳定，因此两种方法的操作难度大，不易测量任意位置和任意方向的磁悬浮轴承刚度，且测量的刚度精度都不高；2.上述的直接测量法引进静摩擦力，测量过程不易控制，测量精度不高；3.上述两种测量方法仅仅只能测量轴承的径向刚度，无法测量轴向刚度；4.上述两种测量方法自动化程度非常低。

实用新型内容本实用新型的目的在于解决上述的技术问题，提供一种不受临界点限制的、能测量任意位置和任意方向的磁悬浮轴承刚度的高精度测量装置。本实用新型的目的，将通过以下技术方案得以实现—种用于测量磁悬浮轴承轴向、径向刚度的装置，包括相互垂直设置、其运动方向亦相互垂直的三个位移台，分别为X、Y、Z方向精密电控位移台；以及分别用于测量所述X、 Y、Z方向精密电控位移台位移的激光位移传感器，分别为X、Y、Z方向激光位移传感器；所述Y方向精密电控位移台通过一固定于所述X方向精密电控位移台上的X方向载物台相对可移动地设置于所述X方向精密电控位移台上；所述Y方向精密电控位移台上固定有Y方向载物台，所述Y方向载物台上枢轴设有一个旋转台，所述旋转台用于固定所述磁悬浮轴承的定子；所述Z方向精密电控位移台通过固定于其上的Z方向载物台与一直角固定架的侧面紧密连接，所述直角固定架的底面通过一安装转换器固定一力/力矩传感器，所述力/力矩传感器通过一工具装换器固定所述磁悬浮轴承的转子。优选的，所述Y方向精密电控位移台上设有一个与所述X方向激光位移传感器配合的X方向参考测量面，以及一个与所述Y方向激光位移传感器配合的Y方向参考测量面； 所述X方向参考测量面与所述X方向激光位移传感器的激光发射方向垂直，所述Y方向参考测量面与所述Y方向激光位移传感器的激光发射方向垂直。优选的，所述力/力矩传感器为六自由度力/力矩传感器。优选的，所述X、Y、Z方向精密电控位移台，以及X、Y、Z方向激光位移传感器，以及力/力矩传感器的控制端均连接于一控制中心。本实用新型的有益效果体现在1、测量精度高；2、可测量磁悬浮轴承任意位置和任意方向的刚度——灵活；3、可全部由PC机操控测量——自动化程度高、操控性好。

图Ia为临界电流测量法中磁悬浮轴承刚度系数实测平台主视图；图Ib为临界电流测量法中磁悬浮轴承刚度系数实测平台的保护轴承与转子初始位置示意图；图加为直接测量法的轴向力测定；图2b为直接测量法偏心距较小时的径向力测定；图2c为直接测量法偏心距较大时的径向力测定；图3a为磁悬浮轴承刚度测量装置整体结构图；图北为磁悬浮转子至直角固定架的装配体爆炸视图；图4-图7为四种测量点与拟合曲线的示意图。其中1-保护轴承；2-定子；3-转子；4-绕组；5-动磁环；6-调整环；7-隔板；8-静磁环；9-Z方向精密电控位移台；IO-Z方向精密电控位移台的载物台；11-直角固定架；12-六自由度力/力矩传感器；13-磁悬浮轴承转子；14-Y方向激光位移传感器；15-Z方向激光位移传感器(粗实线为激光)；[0071]16-Y方向参考测量面；17-X方向激光位移传感器；18-X方向参考测量面；19-Y方向精密电控位移台的载物台；20-磁悬浮轴承定子；21-旋转台；22-X方向精密电控位移台的载物台；23-Y方向精密电控位移台；M-X方向精密电控位移台；25-安装转换器；26-工具转换器。
具体实施方式
本实用新型提供了一种用于测量磁悬浮轴承轴向、径向刚度的装置，如图3a、3b 所示，包括相互垂直设置、其运动方向亦相互垂直的三个位移台，分别为X方向精密电控位移台M、Y方向精密电控位移台23、Z方向精密电控位移台9 ；以及分别用于测量所述X、Y、 Z方向精密电控位移台位移的激光位移传感器(粗实线为激光)，分别为X方向激光位移传感器17、Y方向激光位移传感器14、Z方向激光位移传感器15 ；所述Y方向精密电控位移台23通过一固定于所述X方向精密电控位移台M上的 X方向载物台22相对可移动地设置于所述X方向精密电控位移台上M ；—般在Y方向精密电控位移台23与X方向载物台22之间设有滑槽和滑块。所述Y方向精密电控位移台23上固定有Y方向载物台19，所述Y方向载物台19 上枢轴设有一个旋转台21，所述旋转台21用于固定所述磁悬浮轴承的定子20 ；所述Z方向精密电控位移台9通过固定于其上的Z方向载物台10固定一直角固定架11的侧面，所述直角固定架11的底面通过一安装转换器25固定一个六自由度力/力矩传感器12，所述六自由度力/力矩传感器12通过一工具装换器沈固定所述磁悬浮轴承的转子13。优选的，所述Y方向精密电控位移台23上设有一个与所述X方向激光位移传感器 17配合的X方向参考测量面18，以及一个与所述Y方向激光位移传感器14配合的Y方向参考测量面16 ；所述X方向参考测量面18与所述X方向激光位移传感器17的激光发射方向垂直，所述Y方向参考测量面16与所述Y方向激光位移传感器14的激光发射方向垂直。优选的，所述X、Y、Z方向精密电控位移台，以及X、Y、Z方向激光位移传感器，以及力/力矩传感器的控制端均连接于一控制中心，这样全程自动化控制，操控性好。本实用新型装置的具体连接方式如下1、将磁悬浮轴承转子13通过工具转换器沈固定在六自由度力/力矩传感器12 的测量面上；2、将六自由度力/力矩传感器的安装面通过安装转换器25固定在直角固定架11 上；3、将直角固定架11安装在Z方向电控精密位移台9的载物台10上；[0092]4、将磁悬浮轴承定子20与旋转台21连接，再将旋转台固定在Y方向电控精密位移台23的载物台19上；5、将Y方向电控精密位移台安装在X方向精密电控位移台M的载物台22上，并使两位移台的移动方向垂直；6、在Y方向电控精密位移台的载物台上安装X方向和Y方向的参考测量面18和 16 ；7、本装置中所涉及的控制量——主动移动电控位移台的移动给进量、测量量—— 六自由度力/力矩传感器测量的力和激光位移传感器测量的位移量，均可使用PC机进行编程控制和读取，从而实现自动化测量。本实用新型还揭示了一种用于测量磁悬浮轴承轴向、径向刚度的装置的测量方法，包括如下步骤第一，将所述磁悬浮轴承的定子装夹于所述旋转台上，将所述磁悬浮轴承的转子装夹于所述工具装换器上；第二，将所述磁悬浮轴承的定子和转子调整到初始平衡位置；具体为，移动Z方向电控精密位移台的载物台，使磁悬浮轴承转子在Z方向移动；在X方向和Y方向移动电控精密位移台的载物台，使磁悬浮轴承定子在水平面内移动；慢慢将磁悬浮轴承转子落入磁悬浮轴承定子内，再调整磁悬浮轴承转子和定子的相对位置以找到磁悬浮轴承转子合力为零的位置。第三，测量径向刚度时，固定转子，在水平面内旋转定子，使欲测量的方向与定子移动方向相同；第四，在水平面内沿X方向(Y方向)以一定的步长移动定子，测量每一步转子所受的磁力及此时定子相对于平衡点的位移；第五，根据第四步骤得到的数据，先绘制定子的力-位移曲线，选择合适的拟合模型将力表达成位移的函数，即F = f(x) (F = f (y))，其中F为力，x(y)为位移；第六，对第五步骤的拟合模型F = f(x) (F = f(y))两边对位移x(y)求导，得到该方向上的刚度与该方向位移的函数关系；具体测量径向磁悬浮轴承力-位移曲线的过程为转动所述旋转台，调整磁悬浮轴承的定子方向，使欲测量的磁悬浮轴承刚度方向与X方向(Y方向)平行；固定磁悬浮轴承转子，令X方向(Y方向)电控位移台的载物台沿X负向(Y负向)移动大约450μπι，再以 IOOym为步进沿X正向(Y正向)移动，大约移动9步至X正向(Y正向)450 μ m处；用六自由度的力/力矩传感器测量每一步磁悬浮转子所受的X方向(Y方向)的力，并用X方向 (Y方向)激光位移传感器测量与之对应的X方向(Y方向)参考测量面的位移作为磁悬浮轴承定子在X方向(Y方向)的位移；得到X方向(Y方向)的磁悬浮轴承力-位移曲线。其中，当测量X方向和Y方向的磁悬浮轴承力-位移曲线时，所测量的位移是磁悬浮轴承定子的位移，所以要对测量的位移量取负，得到磁悬浮轴承转子的位移量。第七，测量轴向刚度时，固定定子，在Z方向上以一定步长移动转子，测量每一点转子所受的磁力及此时转子相对于平衡点的位移；第八，重复第四至第六步骤，先绘制转子的力-位移曲线；再选择合适的拟合模型将力表达成位移的函数；进而求导得到刚度与Z方向位移的函数关系。[0107]具体测量轴向磁悬浮轴承力-位移曲线的过程为固定磁悬浮轴承定子，令Z方向电控位移台载物台沿Z负向移动大约500 μ m，再以100 μ m为步进沿Z正向移动，大约移动 10步至Z正向500 μ m处；用六自由度的力/力矩传感器测量每一步的磁悬浮转子所受的Z 方向力，并用Z方向激光位移传感器测量三角固定架的位移作为磁悬浮轴承转子在Z方向的位移；得到Z方向的磁悬浮轴承力-位移曲线。优选的，所述第二步骤的初始平衡位置为转子在定子中所受合力为零的位置。具体来说，也可以是所述合力为零的初始平衡位置为所述六自由度力/力矩传感器在各个方向上的测量值的绝对值小于设定的阈值。第三步骤中，当定子与转子的相对位置进入到所述定子与转子之间有相互作用力的监控区后，通过比较该当前时刻和前一时刻的力传感器测得的转子受力数据，并根据前一时刻定子的位移方向，判断当前定子的位移方向若该时刻力传感器测量的力的绝对值小于前一时刻力传感器测量的力的绝对值，且两次测量的力的方向相同，则定子该当前时刻的位移方向应与上一时刻的位移方向相同；若该时刻力传感器测量力的绝对值大于前一时刻力传感器测量力的绝对值，或两次测量的力的方向相反，则定子该当前时刻的位移方向应与上一时刻的位移方向相反。可根据需要，选择测量的方向，即可以只测量轴向的刚度，或只测量径向的刚度； 也可以任意调整轴向刚度测量和径向刚度测量的顺序。其中，拟合模型要根据具体的测量数据选定，例如力与位移近似成线性关系，即可用位移的一次多项式拟合力；若成曲线关系，可用位移的多项式、指数、对数或正弦等形式拟合力。下面举例说明拟合模型的选取过程(一)线性拟合。测量数据见表1，将测量数据画在横坐标为位移、纵坐标为力的二维图中，可观测到测量的力与位移近似呈线性关系，因此选取直线(线性)拟合，测量的点和拟合曲线如图4所示。表1测量数据
权利要求1.一种用于测量磁悬浮轴承轴向、径向刚度的装置，其特征在于包括相互垂直设置、 其运动方向亦相互垂直的三个位移台，分别为X、Y、Z方向精密电控位移台；以及分别用于测量所述x、Y、z方向精密电控位移台位移的激光位移传感器，分别为X、Y、Z方向激光位移传感器；所述Y方向精密电控位移台通过一固定于所述X方向精密电控位移台上的X方向载物台相对可移动地设置于所述X方向精密电控位移台上；所述Y方向精密电控位移台上固定有Y方向载物台，所述Y方向载物台上枢轴设有一个旋转台，所述旋转台用于固定所述磁悬浮轴承的定子；所述Z方向精密电控位移台通过固定于其上的Z方向载物台与一直角固定架的侧面紧密连接，所述直角固定架的底面通过一安装转换器固定一力/力矩传感器，所述力/力矩传感器通过一工具装换器固定所述磁悬浮轴承的转子。
2.根据权利要求1所述的用于测量磁悬浮轴承轴向、径向刚度的装置，其特征在于所述Y方向精密电控位移台上设有一个与所述X方向激光位移传感器配合的X方向参考测量面，以及一个与所述Y方向激光位移传感器配合的Y方向参考测量面；所述X方向参考测量面与所述X方向激光位移传感器的激光发射方向垂直，所述Y方向参考测量面与所述Y方向激光位移传感器的激光发射方向垂直。
3.根据权利要求1所述的用于测量磁悬浮轴承轴向、径向刚度的装置，其特征在于所述力/力矩传感器为六自由度力/力矩传感器。
4.根据权利要求1所述的用于测量磁悬浮轴承轴向、径向刚度的装置，其特征在于所述X、Y、Z方向精密电控位移台，以及X、Y、Z方向激光位移传感器，以及力/力矩传感器的控制端均连接于一控制中心。
专利摘要本实用新型揭示了一种磁浮轴承的刚度测量装置，包括三个精密电控位移台、一个旋转台、三个激光位移传感器、一个六自由度的力/力矩传感器、工具转换器、安装转换器、直角固定架、参考测量平面及磁浮轴承，并通过PC机控制三个精密电控位移台，使磁浮轴承的定子在水平面内某一方向移动，使磁浮轴承的转子在竖直方向上移动，通过测量转子在某一步进点的受力及此时定子或转子相对于平衡点的位移，得到力-位移数据，通过选择的拟合模型对所述数据进行相关处理得到此方向不同位置处的刚度。本实用新型具有精度高、测量灵活、自动化程度高、操控性好等优点。
文档编号G01M13/04GK202229921SQ20112032433
公开日2012年5月23日 申请日期2011年8月31日 优先权日2011年8月31日
发明者尹成科, 张亦柯, 陈琛, 马骁 申请人:苏州同心医疗器械有限公司