本發明涉及航天慣性器件精密檢測技術領域，特別涉及用于氣浮轉子陀螺儀動壓馬達間隙測量的自動施力和調心技術。

背景技術：

動壓氣浮陀螺馬達的結構不同于一般的小功率驅動馬達和框架陀螺馬達，在其飛輪狀轉子的內部球腔與固定殼體的球體之間有一個很小的間隙，屬于典型的易變形器件。轉子在馬達的驅動下作高速運動時，間隙中會產生動壓力(懸浮力)，使轉子同球體脫離接觸。合適的間隙中產生的動壓力會使得轉子在自重或加速度過載作用下，在空間保持穩定。實際的間隙大小，應根據零部件加工和裝配誤差以及轉子的振動等確定。因此，動壓馬達間隙的測量對提高動壓馬達工作時的精度和穩定性有重大意義。

現在較為普及的易變形器件微小間隙的測量方法是：使存在間隙的兩個零部件產生相對運動，通過測得相對運動大小進而獲得被測間隙。該方法中，首先需要某種施力裝置，使轉子體和定子組件產生相對運動。由于被測對象(動壓馬達)易變形，且轉子體和定子組件的相對位移量較小(μm級)，難以使用傳統的液壓、氣壓和螺旋進給等施力方式。目前，在對易變形零件的測量中，常用鉤掛重物(砝碼)的方式構建施力裝置，如論文kevinradil,dellacorte,chris.“theroleofradialclearanceontheperformanceoffoilairbearings”,tribologytransactions,v45,n4,p485-490,2002.和黃德等申請的專利“一種半球型動壓馬達軸承間隙測量裝置及方法”中國發明專利，公開號：cn105203018a，公開日期：2015年12月30日。另外，王京鋒，陀螺電機動壓氣體軸承間隙誤差分析與改進，中國慣性技術學報，2015年12月.中利用杠桿原理進行施力，一端為被測件，另一端為重物的方式作為施力裝置。

由上述可知，現有的測量易變形零件微小間隙的施力裝置多利用重物本身的重力，原理簡單，實現方便。但在實際應用中，在更換、增減重物時，會造成施加力不連續。同時由于施力點位置的不確定性，可能引起測頭軸線和施力方向不重合，導致測量結果的不準確。以鉤掛砝碼為例：由于掛繩與轉子體接觸位置的不確定性，容易引起轉子體的傾斜，如圖1(a)/(b)所示，測得間隙值為d3，偏離真實值d1。此外，該施力過程由人工完成，自動化程度低，不適合快速批量測量。

技術實現要素：

為克服現有施力裝置的缺陷，發明了一種用于測量氣浮轉子陀螺儀動壓馬達間隙的自動施力裝置，可以實現力的連續可控加載，并基于本裝置實現被測件的自動調心。

本發明的技術方案如下：

一種用于氣浮轉子陀螺儀動壓馬達間隙測量的自動施力裝置，包括三軸精密位移平臺、控制回路、力傳感器安裝板12、動壓馬達8、左側固定裝置、右側固定裝置、平板1、中間夾持裝置。

所述的三軸精密位移平臺包括z軸精密位移平臺2、y軸精密位移平臺3和x軸精密位移平臺13；z軸精密位移平臺2固定安裝在平板1上，x軸精密位移平臺13安裝在z軸精密位移平臺2的端部上方，y軸精密位移平臺3的一端固定在x軸精密位移平臺13的端部上方，三個精密位移平臺在運動方向上兩兩垂直，構成笛卡爾直角坐標系。

所述的控制回路包括三軸力傳感器11、信號放大器、數據采集卡、三軸力傳感器過載保護電路、異常保護電路、運動控制卡、步進電機驅動器、精密位移平臺。所述的力傳感器安裝板12固定到三軸精密位移平臺的y軸精密位移平臺3上，三軸力傳感器11安裝到力傳感器安裝板12上；

所述的三軸力傳感器11是由導線與信號放大器進行連接；所述的數據采集卡是通過導線分別與信號放大器和pc客戶端相連，三軸力傳感器11通過信號放大器將采集到的數據分別送到三軸力傳感器過載保護電路和數據采集卡，經數據采集卡上傳到pc客戶端，各模塊通過導線連接；pc客戶端、異常保護電路和三軸力傳感器過載保護電路將信號傳遞到運動控制卡，運動控制卡通過控制步進電機驅動器調節精密位移平臺移動，各模塊通過導線連接。

所述的中間夾持裝置包括夾指體9和氣缸10。氣缸10下端安裝在三軸力傳感器11上；夾指體9下端與氣缸10上端的滑臺螺釘固定連接；通過閉合夾指體9實現對動壓馬達8的夾緊。

所述的左側固定裝置和右側固定裝置結構相同，兩個固定裝置對稱放置；分別包括兩個基座14、兩個立柱4、橫梁5、軸端套6以及螺釘7。所述的兩個基座14通過螺釘固定在平板1上，基座14位于z軸精密位移平臺2的兩側。立柱4通過螺釘緊固在基座14上，橫梁5套接在兩個立柱4之間，并通過螺釘進行固定；軸端套6穿過橫梁中間的孔，兩個軸端套6同心，用于固定動壓馬達8轉子體兩端的伸長軸，動壓馬達8轉子體兩端的伸長軸分別插到兩側固定裝置的軸端套6里，并由螺釘固定擰緊，在螺釘擰緊前，軸端套的位置相對于橫梁是可以移動的，用于保證夾指體9位于動壓馬達8的中心位置。所述的動壓馬達8由轉子體和定子組件構成，定子組件兩端有兩個伸長軸。

所述的自動施力裝置用于測量氣浮轉子陀螺儀動壓馬達間隙的方法，包括兩端固定及中間夾緊、自動調心、自動施力步驟。

其中進行調心的原理是：以測量徑向間隙為例，測量開始時被測件應處于圖2(a)所示正常位置，施加徑向力f使轉子體移動并與定子組件接觸，如圖2(b)所示，此時測量得到徑向間隙d1；當被測件夾緊后可能出現隨機的位置偏差，如圖2(c)所示，此時施加徑向力f之后，定子組件與轉子體接觸狀態如圖2(d)所示，測量得到的徑向間隙為d2，偏離實際值。因此，在測量之前，應該對被測件位置調整(調心)，使其處于正常的初始位置。

具體施力步驟如下：

第一步，兩端固定及中間夾緊

將動壓馬達8的定子組件的兩端伸長軸分別插入兩側固定裝置的軸端套6，并用螺釘擰緊固定；移動軸端套6，使夾指體9在動壓馬達8的轉子體的中間位置，并用螺釘擰緊，實現定子組件的兩端固定；閉合夾指體9，實現動壓馬達8的轉子體的夾緊。

第二步，自動調心

對y方向調心，首先在pc客戶端預設一個力，通過三軸精密位移平臺帶動夾指體9向y正方向移動，進而帶動動壓馬達8的轉子體移動，當動壓馬達8的轉子體在y方向與動壓馬達8的定子組件接觸時會產生接觸力，當三軸力傳感器11測得的力等于預設力時，位移平臺向y負方向移動，直至測得同樣大小的接觸力。記錄兩次導軌運動極限位置，其中間位置即為y方向的中心位置。所述的力大小為2n。

對z方向調心，需要先對三軸力傳感器清零，消除夾持裝置和被測件重力的影響，其它過程與前述y方向調心過程一致。經過調心工作后，可以保證定子組件軸心和轉子體軸心重合。

第三步，自動施力

對軸向(x方向)自動施力：與調心過程類似，首先在pc客戶端設置一個預設力，作為閾值；三軸精密位移平臺帶動動壓馬達8的轉子體沿x方向移動，當動壓馬達8的轉子體與動壓馬達8的定子組件在x方向接觸時產生接觸力。數據采集卡采集三軸力傳感器11的測量信號，與預設力進行比較，實現負反饋控制，直至滿足預設力條件，精密位移平臺停止移動，并保持當前施力大小。所述的預設力的大小根據測量任務確定。

對y方向自動施力過程與對x方向施力過程一致。

本發明具有以下增益效果：(1)除上料外，測量過程可由程序實現自動化控制，提高測量效率并避免了人工參與而產生誤差。(2)測量中，施力大小在力傳感器量程范圍內連續、可控。(3)具有自動調心功能，且可以實現閉環控制。

附圖說明

圖1為測頭軸線和施力方向不重合的誤差產生示意圖；(a)為未施力時的位置；(b)為施力后的位置；

圖2為自動調心原因示意圖；(a)為夾緊后理想位置；(b)為調心后對動壓馬達轉子體施力的位置；(c)夾緊后動壓馬達轉子體非正常狀態位置分布；(d)為未調心施力后動壓馬達轉子體的位置。

圖3為被測件的內部結構示意圖；

圖4為被測件的外形示意圖；

圖5為本發明裝置的結構示意圖；

圖中：1平板；2z軸精密位移平臺；3y軸精密位移平臺；4立柱；5橫梁；6軸端套；7螺釘；8動壓馬達；9夾指體；10氣缸；11三軸力傳感器；12力傳感器安裝板；13x軸精密位移平臺；14基座。

圖6為控制回路框圖。

具體實施方式

一種用于氣浮轉子陀螺儀動壓馬達間隙測量的自動施力裝置，包括三軸精密位移平臺、控制回路、力傳感器安裝板12、動壓馬達8、左側固定裝置、右側固定裝置、平板1、中間夾持裝置。

所述的三軸精密位移平臺包括z軸精密位移平臺2、y軸精密位移平臺3和x軸精密位移平臺13；z軸精密位移平臺2固定安裝在平板1上，x軸精密位移平臺13固定安裝在平板1上，并與z軸精密位移平臺2的端部上方連接；y軸精密位移平臺3的一端與x軸精密位移平臺13的端部相連并固定在x軸精密位移平臺13的上表面。上述三個精密位移平臺在運動方向上兩兩垂直，構成笛卡爾直角坐標系。

所述的控制回路包括三軸力傳感器11、信號放大器、數據采集卡、三軸力傳感器過載保護電路、異常保護電路、運動控制卡、步進電機驅動器、精密位移平臺。所述的力傳感器安裝板12固定到三軸精密位移平臺的y軸精密位移平臺3上，三軸力傳感器11安裝到力傳感器安裝板12上；

所述的三軸力傳感器11是由導線與信號放大器進行連接；所述的數據采集卡是通過導線分別與信號放大器和pc客戶端相連，三軸力傳感器11通過信號放大器將采集到的數據分別送到三軸力傳感器過載保護電路和數據采集卡，經數據采集卡上傳到pc客戶端，各模塊通過導線連接；pc客戶端、異常保護電路和三軸力傳感器過載保護電路將信號傳遞到運動控制卡，運動控制卡通過控制步進電機驅動器調節精密位移平臺移動，各模塊通過導線連接。

所述的中間夾持裝置包括夾指體9和氣缸10。氣缸10下端通過螺釘與三軸力傳感器11相連；夾指體9下端通過螺釘與氣缸10上端的滑臺螺釘連接；通過閉合夾指體9實現對動壓馬達8的夾緊。

所述的左側固定裝置和右側固定裝置結構相同，兩個固定裝置對稱放置；分別包括兩個基座14、兩個立柱4、橫梁5、軸端套6以及螺釘7。所述的兩個基座14通過螺釘固定在平板1上，基座14位于z軸精密位移平臺2的兩側。立柱4通過螺釘緊固在基座14上，橫梁5套接在兩個立柱4之間，并通過螺釘進行固定；軸端套6穿過橫梁中間的孔，兩個軸端套6同心，用于固定動壓馬達8轉子體兩端的伸長軸，動壓馬達8轉子體兩端的伸長軸分別插到兩側固定裝置的軸端套6里，并由螺釘固定擰緊，在螺釘擰緊前，軸端套的位置相對于橫梁是可以移動的，用于保證夾指體9位于動壓馬達8的中心位置。所述的動壓馬達8由轉子體和定子組件構成，定子組件兩端有兩個伸長軸。

所述的自動施力裝置用于測量氣浮轉子陀螺儀動壓馬達間隙的方法，包括兩端固定及中間夾緊、自動調心、自動施力步驟。

其中進行調心的原理是：以測量徑向間隙為例，測量開始時被測件應處于圖2(a)所示正常位置，施加徑向力f使轉子體移動并與定子組件接觸，如圖2(b)所示，此時測量得到徑向間隙d1；當被測件夾緊后可能出現隨機的位置偏差，如圖2(c)所示，此時施加徑向力f之后，定子組件與轉子體接觸狀態如圖2(d)所示，測量得到的徑向間隙為d2，偏離實際值。因此，在測量之前，應該對被測件位置調整(調心)，使其處于正常的初始位置。

具體施力步驟如下：

第一步，兩端固定及中間夾緊

將動壓馬達8的定子組件的兩端伸長軸分別插入兩側固定裝置的軸端套6，并用螺釘擰緊固定；移動軸端套6，使夾指體9在動壓馬達8的轉子體的中間位置，并用螺釘擰緊，實現定子組件的兩端固定；閉合夾指體9，實現動壓馬達8的轉子體的夾緊。

第二步，自動調心

對y方向調心，首先在pc客戶端設置一個預設力，通過三軸精密位移平臺帶動夾指體9向y正方向移動，進而帶動動壓馬達8的轉子體移動，當動壓馬達8的轉子體在y方向與動壓馬達8的定子組件接觸時會產生接觸力，當三軸力傳感器11測得的力等于預設力時，位移平臺向y負方向移動，直至測得同樣大小的接觸力。記錄兩次導軌運動極限位置，其中間位置即為y方向的中心位置。所述的預設力大小為2n。

對z方向調心，需要先對三軸力傳感器清零，消除夾持裝置和被測件重力的影響，其它過程與前述y方向調心過程一致。經過調心工作后，可以保證定子組件軸心和轉子體軸心重合。

第三步，自動施力

對軸向(x方向)自動施力：與調心過程類似，首先在pc客戶端預設一個力，作為閾值，三軸精密位移平臺帶動動壓馬達8的轉子體沿x方向移動，當動壓馬達8的轉子體與動壓馬達8的定子組件在x方向接觸時，會產生接觸力。數據采集卡采集三軸力傳感器11的測量信號，與預設力進行比較，實現負反饋控制，直至滿足預設條件，精密位移平臺停止，并保持當前施力大小。當測量任務變化而需要更改施力大小時，由程序控制改變預設力即可，測量系統不需硬件調整。

對y方向自動施力過程與對x方向施力過程一致。