用於測量磁懸浮軸承軸向、徑向剛度的裝置的製作方法

2023-06-04 10:57:01

專利名稱：用於測量磁懸浮軸承軸向、徑向剛度的裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種磁懸浮軸承的剛度測量裝置，特別為一種盤狀磁懸浮軸承的永磁剛度和開環電流剛度的測量裝置。
背景技術：
隨著現代旋轉機械轉速的大幅度提高，支承對轉子系統的穩定性、動態特性、旋轉精度等的影響越來越大，在許多場合幾乎支配著整個系統的穩定性。而對軸承的支承特性進行研究，無論軸承是應用何種原理與方法，歸根結底都是對它的支承剛度和支承阻尼進行研究，只有符合一定標準的剛度才能使系統穩定運行。因此對磁懸浮軸承的剛度測量，是保證其正常穩定工作的必要步驟。磁懸浮軸承沿某方向的剛度定義為沿此方向的單位位移所需要的此方向力的增量。現有測量方法大致有如下兩種(一)臨界電流測量法如附圖la、Ib所示，轉子3與保護軸承1中心重合時單邊間隙為δ 0。未通電時轉子靜止狀態如附圖Ib所示，轉子在豎直方向上具有偏心位移％ = - S『設通入繞組電流為I2m，將Ian值由0開始增加，產生沿Y正向的可控磁懸浮力，通過安裝在X軸與Y軸方向上的傳感器，尋找使轉子懸浮的臨界值。此時轉子的水平方向X 合力為零，豎直方向Y的受力狀態為Fc+Fe = G ；式中F。為可控磁懸浮力；Fe為轉子偏心引起的磁拉力；G為轉子自重。且已知Fc = KcI2ffl, Fe = KeY0 ；其中K。和K。為電流剛度和位移剛度。所以，G = KcI2ffl+Key0 ；改變轉子偏心位移值(設由yQ變為yi)和沿Y向的可控磁懸浮力(設繞組電流由 I2m變為I2ffll)，可得G = ΚεΙ2ω1+ΚεΥι ；進而求出K。和K—(二)直接測量法圖2(a)為兩磁環正對時軸向力的測定原理圖。測定兩磁環正對軸向間距變化的軸向力時，先把固定厚度的調整環6置於兩永磁環5、8之間，並使兩磁環緊密相吸，測出這時兩磁環間的軸向間距lz。然後如圖所示施加拉力T，逐漸增加拉力T的值，直到上面的動磁環剛好被拉動時，即可認為此時的拉力T與軸向吸引力Fz相等。測量徑向力時，當偏心距較小時，動磁環5受到的徑向力較小而軸向因此在靜摩擦力的力很大，在靜摩擦力的作用下，動磁環5可保持不動。這時保持調整環6和中間的隔板 與靜磁環8位置不變，在偏心距相同的位置，分別向左和向右各拉一次動磁環，當上面的磁環剛好被拉動時的拉力分別記為T1和T2。在這兩種情況下動磁環的拉力情況如圖2 (b)，用表示動磁環受到的靜摩擦力，向左剛好拉動磁環時，有Fj^T1 = Fft;向右剛好拉動磁環時，有Fx+f 靜=T2 ；由上兩式可得徑向力的值Fx = 1/2 (T2-T1)。但是，當偏心距逐漸增大時，靜摩擦力會由於軸向力的減小而減小，同時徑向力也會增加。當徑向力的值增大到大於靜摩擦力的值時，即使不向左拉，上面的磁環也會向左移動。在這種情況下，如圖2(c)所示，先施加一定的拉力使上面的磁環能保持不動，然後逐漸增大拉力，直到上面的磁環剛好向右移動時記下這時的拉力為T2 ；然後又逐漸減小拉力，直到上面的磁環剛好向左移動時記下這時的拉力為T2』。當動磁環剛好向右移動時，有Fx+f 靜=T2當動磁環剛好向左移動時，有T2，+f 靜=Fx由上兩式可得這個位置上的徑向力Fx = 1/2(T2+V )。由以上敘述可發現上述方法存在以下問題1.臨界電流法需判斷轉子是否處於臨界點，而上述的直接測量法也需要找到施力的臨界點，由於臨界點不易找到，僅僅依靠不斷地試驗才能尋找到；且處於臨界點的物體不穩定，因此兩種方法的操作難度大，不易測量任意位置和任意方向的磁懸浮軸承剛度，且測量的剛度精度都不高；2.上述的直接測量法引進靜摩擦力，測量過程不易控制，測量精度不高；3.上述兩種測量方法僅僅只能測量軸承的徑向剛度，無法測量軸向剛度；4.上述兩種測量方法自動化程度非常低。

實用新型內容本實用新型的目的在於解決上述的技術問題，提供一種不受臨界點限制的、能測量任意位置和任意方向的磁懸浮軸承剛度的高精度測量裝置。本實用新型的目的，將通過以下技術方案得以實現—種用於測量磁懸浮軸承軸向、徑向剛度的裝置，包括相互垂直設置、其運動方向亦相互垂直的三個位移臺，分別為X、Y、Z方向精密電控位移臺；以及分別用於測量所述X、 Y、Z方向精密電控位移臺位移的雷射位移傳感器，分別為X、Y、Z方向雷射位移傳感器；所述Y方向精密電控位移臺通過一固定於所述X方向精密電控位移臺上的X方向載物臺相對可移動地設置於所述X方向精密電控位移臺上；所述Y方向精密電控位移臺上固定有Y方向載物臺，所述Y方向載物臺上樞軸設有一個旋轉臺，所述旋轉臺用於固定所述磁懸浮軸承的定子；所述Z方向精密電控位移臺通過固定於其上的Z方向載物臺與一直角固定架的側面緊密連接，所述直角固定架的底面通過一安裝轉換器固定一力/力矩傳感器，所述力/力矩傳感器通過一工具裝換器固定所述磁懸浮軸承的轉子。優選的，所述Y方向精密電控位移臺上設有一個與所述X方向雷射位移傳感器配合的X方向參考測量面，以及一個與所述Y方向雷射位移傳感器配合的Y方向參考測量面； 所述X方向參考測量面與所述X方向雷射位移傳感器的雷射發射方向垂直，所述Y方向參考測量面與所述Y方向雷射位移傳感器的雷射發射方向垂直。優選的，所述力/力矩傳感器為六自由度力/力矩傳感器。優選的，所述X、Y、Z方向精密電控位移臺，以及X、Y、Z方向雷射位移傳感器，以及力/力矩傳感器的控制端均連接於一控制中心。本實用新型的有益效果體現在1、測量精度高；2、可測量磁懸浮軸承任意位置和任意方向的剛度——靈活；3、可全部由PC機操控測量——自動化程度高、操控性好。

圖Ia為臨界電流測量法中磁懸浮軸承剛度係數實測平臺主視圖；圖Ib為臨界電流測量法中磁懸浮軸承剛度係數實測平臺的保護軸承與轉子初始位置示意圖；圖加為直接測量法的軸向力測定；圖2b為直接測量法偏心距較小時的徑向力測定；圖2c為直接測量法偏心距較大時的徑向力測定；圖3a為磁懸浮軸承剛度測量裝置整體結構圖；圖北為磁懸浮轉子至直角固定架的裝配體爆炸視圖；圖4-圖7為四種測量點與擬合曲線的示意圖。其中1-保護軸承；2-定子；3-轉子；4-繞組；5-動磁環；6-調整環；7-隔板；8-靜磁環；9-Z方向精密電控位移臺；IO-Z方向精密電控位移臺的載物臺；11-直角固定架；12-六自由度力/力矩傳感器；13-磁懸浮軸承轉子；14-Y方向雷射位移傳感器；15-Z方向雷射位移傳感器(粗實線為雷射)；[0071]16-Y方向參考測量面；17-X方向雷射位移傳感器；18-X方向參考測量面；19-Y方向精密電控位移臺的載物臺；20-磁懸浮軸承定子；21-旋轉臺；22-X方向精密電控位移臺的載物臺；23-Y方向精密電控位移臺；M-X方向精密電控位移臺；25-安裝轉換器；26-工具轉換器。
具體實施方式
本實用新型提供了一種用於測量磁懸浮軸承軸向、徑向剛度的裝置，如圖3a、3b 所示，包括相互垂直設置、其運動方向亦相互垂直的三個位移臺，分別為X方向精密電控位移臺M、Y方向精密電控位移臺23、Z方向精密電控位移臺9 ；以及分別用於測量所述X、Y、 Z方向精密電控位移臺位移的雷射位移傳感器(粗實線為雷射)，分別為X方向雷射位移傳感器17、Y方向雷射位移傳感器14、Z方向雷射位移傳感器15 ；所述Y方向精密電控位移臺23通過一固定於所述X方向精密電控位移臺M上的 X方向載物臺22相對可移動地設置於所述X方向精密電控位移臺上M ；—般在Y方向精密電控位移臺23與X方向載物臺22之間設有滑槽和滑塊。所述Y方向精密電控位移臺23上固定有Y方向載物臺19，所述Y方向載物臺19 上樞軸設有一個旋轉臺21，所述旋轉臺21用於固定所述磁懸浮軸承的定子20 ；所述Z方向精密電控位移臺9通過固定於其上的Z方向載物臺10固定一直角固定架11的側面，所述直角固定架11的底面通過一安裝轉換器25固定一個六自由度力/力矩傳感器12，所述六自由度力/力矩傳感器12通過一工具裝換器沈固定所述磁懸浮軸承的轉子13。優選的，所述Y方向精密電控位移臺23上設有一個與所述X方向雷射位移傳感器 17配合的X方向參考測量面18，以及一個與所述Y方向雷射位移傳感器14配合的Y方向參考測量面16 ；所述X方向參考測量面18與所述X方向雷射位移傳感器17的雷射發射方向垂直，所述Y方向參考測量面16與所述Y方向雷射位移傳感器14的雷射發射方向垂直。優選的，所述X、Y、Z方向精密電控位移臺，以及X、Y、Z方向雷射位移傳感器，以及力/力矩傳感器的控制端均連接於一控制中心，這樣全程自動化控制，操控性好。本實用新型裝置的具體連接方式如下1、將磁懸浮軸承轉子13通過工具轉換器沈固定在六自由度力/力矩傳感器12 的測量面上；2、將六自由度力/力矩傳感器的安裝面通過安裝轉換器25固定在直角固定架11 上；3、將直角固定架11安裝在Z方向電控精密位移臺9的載物臺10上；[0092]4、將磁懸浮軸承定子20與旋轉臺21連接，再將旋轉臺固定在Y方向電控精密位移臺23的載物臺19上；5、將Y方向電控精密位移臺安裝在X方向精密電控位移臺M的載物臺22上，並使兩位移臺的移動方向垂直；6、在Y方向電控精密位移臺的載物臺上安裝X方向和Y方向的參考測量面18和 16 ；7、本裝置中所涉及的控制量——主動移動電控位移臺的移動給進量、測量量—— 六自由度力/力矩傳感器測量的力和雷射位移傳感器測量的位移量，均可使用PC機進行編程控制和讀取，從而實現自動化測量。本實用新型還揭示了一種用於測量磁懸浮軸承軸向、徑向剛度的裝置的測量方法，包括如下步驟第一，將所述磁懸浮軸承的定子裝夾於所述旋轉臺上，將所述磁懸浮軸承的轉子裝夾於所述工具裝換器上；第二，將所述磁懸浮軸承的定子和轉子調整到初始平衡位置；具體為，移動Z方向電控精密位移臺的載物臺，使磁懸浮軸承轉子在Z方向移動；在X方向和Y方向移動電控精密位移臺的載物臺，使磁懸浮軸承定子在水平面內移動；慢慢將磁懸浮軸承轉子落入磁懸浮軸承定子內，再調整磁懸浮軸承轉子和定子的相對位置以找到磁懸浮軸承轉子合力為零的位置。第三，測量徑向剛度時，固定轉子，在水平面內旋轉定子，使欲測量的方向與定子移動方向相同；第四，在水平面內沿X方向(Y方向)以一定的步長移動定子，測量每一步轉子所受的磁力及此時定子相對於平衡點的位移；第五，根據第四步驟得到的數據，先繪製定子的力-位移曲線，選擇合適的擬合模型將力表達成位移的函數，即F = f(x) (F = f (y))，其中F為力，x(y)為位移；第六，對第五步驟的擬合模型F = f(x) (F = f(y))兩邊對位移x(y)求導，得到該方向上的剛度與該方向位移的函數關係；具體測量徑向磁懸浮軸承力-位移曲線的過程為轉動所述旋轉臺，調整磁懸浮軸承的定子方向，使欲測量的磁懸浮軸承剛度方向與X方向(Y方向)平行；固定磁懸浮軸承轉子，令X方向(Y方向)電控位移臺的載物臺沿X負向(Y負向)移動大約450μπι，再以 IOOym為步進沿X正向(Y正向)移動，大約移動9步至X正向(Y正向)450 μ m處；用六自由度的力/力矩傳感器測量每一步磁懸浮轉子所受的X方向(Y方向)的力，並用X方向 (Y方向)雷射位移傳感器測量與之對應的X方向(Y方向)參考測量面的位移作為磁懸浮軸承定子在X方向(Y方向)的位移；得到X方向(Y方向)的磁懸浮軸承力-位移曲線。其中，當測量X方向和Y方向的磁懸浮軸承力-位移曲線時，所測量的位移是磁懸浮軸承定子的位移，所以要對測量的位移量取負，得到磁懸浮軸承轉子的位移量。第七，測量軸向剛度時，固定定子，在Z方向上以一定步長移動轉子，測量每一點轉子所受的磁力及此時轉子相對於平衡點的位移；第八，重複第四至第六步驟，先繪製轉子的力-位移曲線；再選擇合適的擬合模型將力表達成位移的函數；進而求導得到剛度與Z方向位移的函數關係。[0107]具體測量軸向磁懸浮軸承力-位移曲線的過程為固定磁懸浮軸承定子，令Z方向電控位移臺載物臺沿Z負向移動大約500 μ m，再以100 μ m為步進沿Z正向移動，大約移動 10步至Z正向500 μ m處；用六自由度的力/力矩傳感器測量每一步的磁懸浮轉子所受的Z 方向力，並用Z方向雷射位移傳感器測量三角固定架的位移作為磁懸浮軸承轉子在Z方向的位移；得到Z方向的磁懸浮軸承力-位移曲線。優選的，所述第二步驟的初始平衡位置為轉子在定子中所受合力為零的位置。具體來說，也可以是所述合力為零的初始平衡位置為所述六自由度力/力矩傳感器在各個方向上的測量值的絕對值小於設定的閾值。第三步驟中，當定子與轉子的相對位置進入到所述定子與轉子之間有相互作用力的監控區後，通過比較該當前時刻和前一時刻的力傳感器測得的轉子受力數據，並根據前一時刻定子的位移方向，判斷當前定子的位移方向若該時刻力傳感器測量的力的絕對值小於前一時刻力傳感器測量的力的絕對值，且兩次測量的力的方向相同，則定子該當前時刻的位移方向應與上一時刻的位移方向相同；若該時刻力傳感器測量力的絕對值大於前一時刻力傳感器測量力的絕對值，或兩次測量的力的方向相反，則定子該當前時刻的位移方向應與上一時刻的位移方向相反。可根據需要，選擇測量的方向，即可以只測量軸向的剛度，或只測量徑向的剛度； 也可以任意調整軸向剛度測量和徑向剛度測量的順序。其中，擬合模型要根據具體的測量數據選定，例如力與位移近似成線性關係，即可用位移的一次多項式擬合力；若成曲線關係，可用位移的多項式、指數、對數或正弦等形式擬合力。下面舉例說明擬合模型的選取過程(一)線性擬合。測量數據見表1，將測量數據畫在橫坐標為位移、縱坐標為力的二維圖中，可觀測到測量的力與位移近似呈線性關係，因此選取直線(線性)擬合，測量的點和擬合曲線如圖4所示。表1測量數據
權利要求1.一種用於測量磁懸浮軸承軸向、徑向剛度的裝置，其特徵在於包括相互垂直設置、 其運動方向亦相互垂直的三個位移臺，分別為X、Y、Z方向精密電控位移臺；以及分別用於測量所述x、Y、z方向精密電控位移臺位移的雷射位移傳感器，分別為X、Y、Z方向雷射位移傳感器；所述Y方向精密電控位移臺通過一固定於所述X方向精密電控位移臺上的X方向載物臺相對可移動地設置於所述X方向精密電控位移臺上；所述Y方向精密電控位移臺上固定有Y方向載物臺，所述Y方向載物臺上樞軸設有一個旋轉臺，所述旋轉臺用於固定所述磁懸浮軸承的定子；所述Z方向精密電控位移臺通過固定於其上的Z方向載物臺與一直角固定架的側面緊密連接，所述直角固定架的底面通過一安裝轉換器固定一力/力矩傳感器，所述力/力矩傳感器通過一工具裝換器固定所述磁懸浮軸承的轉子。
2.根據權利要求1所述的用於測量磁懸浮軸承軸向、徑向剛度的裝置，其特徵在於所述Y方向精密電控位移臺上設有一個與所述X方向雷射位移傳感器配合的X方向參考測量面，以及一個與所述Y方向雷射位移傳感器配合的Y方向參考測量面；所述X方向參考測量面與所述X方向雷射位移傳感器的雷射發射方向垂直，所述Y方向參考測量面與所述Y方向雷射位移傳感器的雷射發射方向垂直。
3.根據權利要求1所述的用於測量磁懸浮軸承軸向、徑向剛度的裝置，其特徵在於所述力/力矩傳感器為六自由度力/力矩傳感器。
4.根據權利要求1所述的用於測量磁懸浮軸承軸向、徑向剛度的裝置，其特徵在於所述X、Y、Z方向精密電控位移臺，以及X、Y、Z方向雷射位移傳感器，以及力/力矩傳感器的控制端均連接於一控制中心。
專利摘要本實用新型揭示了一種磁浮軸承的剛度測量裝置，包括三個精密電控位移臺、一個旋轉臺、三個雷射位移傳感器、一個六自由度的力/力矩傳感器、工具轉換器、安裝轉換器、直角固定架、參考測量平面及磁浮軸承，並通過PC機控制三個精密電控位移臺，使磁浮軸承的定子在水平面內某一方向移動，使磁浮軸承的轉子在豎直方向上移動，通過測量轉子在某一步進點的受力及此時定子或轉子相對於平衡點的位移，得到力-位移數據，通過選擇的擬合模型對所述數據進行相關處理得到此方向不同位置處的剛度。本實用新型具有精度高、測量靈活、自動化程度高、操控性好等優點。
文檔編號G01M13/04GK202229921SQ20112032433
公開日2012年5月23日 申請日期2011年8月31日 優先權日2011年8月31日
發明者尹成科, 張亦柯, 陳琛, 馬驍 申請人:蘇州同心醫療器械有限公司