CN104180842B - 一种宽频带大位移角振动台 - Google Patents

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Abstract

一种宽频带大位移角振动台包括外壳、工作台面、主轴、动圈组件、磁路组件、抱闸组件、电机及其闭环控制组件、电粘弹性反馈控制组件、空气轴承和角位移传感器；动圈组件包括动圈基体和线圈，动圈基体与主轴固定；磁路组件包括导磁环、中心磁极以及磁钢，由导磁环、中心磁极、磁钢和气隙形成闭合磁回路；中心磁极位于导磁环内，磁钢位于导磁环与中心磁极之间，磁钢吸附于中心磁极上；外壳有抱闸组件，抱闸组件包括制动衬套、配油套和带活塞的油缸，制动衬套和配油套围成液压油容腔，液压油从油缸压入液压油容腔时，磁路组件制动；液压油回流到油缸时，磁路组件随电机转子转动。本发明具有能实现中频和低频切换，输出波形失真小的优点。

Description

一种宽频带大位移角振动台
技术领域
本发明涉及一种宽频带大位移角振动台，特别是一种用于角振动传感器标定的、可输出低频大位移振动的角振动台。
技术背景
角振动台不仅广泛地用于标定各式角振动(角位移、角速度、角加速度)传感器的动态特性，还可用于对各种产品进行角振动环境试验。
目前，角位移超过180°的大位移角振动台一般采用基于无刷电动机的结构。彭军，何群，薛景锋和孙浩于2005年第25卷第6期的《计测技术》杂志中发表了名为低频标准角振动台的论文。低频角振动台主要由机械系统、控制系统、测量系统和信号处理系统。机械系统主要由主轴、台面、空气轴承、光栅和电机组成。被校传感器安装于台面，电机作为驱动主轴旋转的驱动元件，空气轴承利用气膜产生的均化效应，达到提高回转精度，降低摩擦力的目的。控制系统主要由力矩电机，控制器，放大电路组成。在控制器中设有电流回路、转换回路、速度回路和位置回路来提高控制性能。利用计算机控制DAC产生不同频率和幅值的电压信号送给控制系统，驱动角振动台产生一定频率和振幅的正弦角运动。测量系统以圆光栅测量的角运动量作为进行控制的反馈量，使用多通道数据采集模块用于采集光栅和被校传感器的电信号。最后信号处理系统根据圆光栅测量的角运动量计算获得被校传感器的灵敏度和相移。该系统最大输出角位移(单峰值)达到180°以上。
这种低频角振动台的缺点在于：
1、受电机响应时间的限制，该角振动台只能产生低频振动。
2、这种角振动台由于受电机本身齿槽效应的影响导致转矩波动，即使采用无刷直流力矩电机也会对角振动台的输出波形产生不利影响。若采用有刷直流力矩电机，加上电机本身摩擦力的影响，将更加恶化角振动台输出的波形。
发明内容
为了克服现有的角振动台只能输出低频振动和波形失真度大的缺点和不足，本发明提供了一种能够输出波形失真度低的宽频带大位移角振动台。
一种宽频带大位移角振动台包括外壳、工作台面、带动工作台面旋转的主轴、动圈组件、磁路组件、抱闸组件、带动磁路组件旋转的电机及其闭环控制组件、电粘弹性反馈控制组件、空气轴承和角位移传感器；
其特征在于：主轴与动圈组件固定连接，磁路组件通过连接件与电机转子固定连接；
动圈组件包括与主轴连接的动圈基体和缠绕在动圈基体上的线圈，动圈基体与主轴固定连接；
磁路组件包括导磁环、中心磁极以及磁钢，并由导磁环、中心磁极、磁钢和气隙形成闭合磁回路；中心磁极位于导磁环内，导磁环与中心磁极同轴，磁钢位于导磁环与中心磁极之间，磁钢吸附于中心磁极上；动圈组件位于磁钢和导磁环之间，动圈组件与导磁环同轴；
外壳上设有使磁路组件制动的抱闸组件，抱闸组件包括制动衬套、配油套和带活塞的油缸，制动衬套包括环形的薄壁形变部和分别位于薄壁形变部两端的上连接部和下连接部，上连接部和下连接部凸出于薄壁形变部，上连接部和下连接部分别与配油套通过密封圈进行密封连接，制动衬套和配油套围成液压油容腔，配油套设有连通油缸与液压油容腔的连接通道，配油套与油缸之间设置有密封圈；液压油从油缸压入液压油容腔时，薄壁形变部贴紧导磁环，磁路组件制动；液压油回流到油缸时，薄壁形变部与导磁环之间有间隙，磁路组件可随电机转子转动。
当工作台面输出的角位移量（峰峰值）与动圈的有效导线（有效导线是指位于磁场中的轴向导线）所占角度之和大于磁钢扇形角时，角振动台处于大位移低频工作状态，抱闸组件的薄壁形变部与导磁环之间有间隙，电机带动磁路组件与动圈组件同步转动，从而保证了动圈组件中的有效导线始终位于磁路组件形成的有效磁场区域中。在现有技术中，由于磁路位置固定，动圈组件无法超出由单个磁钢扇形角的最大角度——180°，因此最大角位移只能小于180°；而本发明中，电机带动磁路组件转动时，磁路组件与动圈组件同步运动，即动圈组件与磁路组件保持相对静止时，有效导线始终处于磁钢覆盖的有效磁场区域内，从而能够实现动圈组件输出的角位移量超过180°，实现角振动台的大位移输出；此外，动圈组件在单极磁场中运动，避免了采用常规电机驱动实现大位移角振动时的换向转矩脉动和电磁转矩脉动，因此能输出低失真度的运动波形。
当工作台面输出的角位移量（峰峰值）与动圈有效导线所占角度之和小于或等于磁钢扇形角时，使角振动台处于小位移高频工作状态，此时电机关闭处于非工作状态，磁路组件通过抱闸组件锁紧，磁路组件被制动，从而避免了在角振动台输出大加速度时，磁路组件的振动对输出角振动波形的影响，进一步改善了角振动台高频大加速度振动输出时的波形失真度。
进一步，连接件包括旋转组件和连接环，旋转组件包括固定于底座中央的芯轴和可转动的安装于芯轴上的转体，芯轴与转体之间设有滚动轴承。
芯轴起到定位作用，转体绕着芯轴旋转；电机转子，转体，连接环，中心磁极，磁钢和导磁环形成一个同步转动的旋转体；电机转子作为动力源，带动整个旋转体转动。导磁环的尺寸大于转体的尺寸，因此，将连接环设置呈上大下小的形状，如两段式圆柱环；连接环的大端与导磁环固定，连接环的小端与转体固定。
转体包括与中心磁极固定的第一连接部，与电机转子固定的第二连接部和与连接环固定的第三连接部；连接环一端与导磁环固定，另一端与第三连接部固定
由于中心磁极、电机转子和连接环的尺寸和位置不同，为了将中心磁极、电机转子和连接环全部固定于一个转体上，进一步限定转体的形状和结构为：转体包括上圆柱环段、下圆柱环段和连接上圆柱环段与下圆柱环段的连接段，连接段成下大上小的圆锥形，上圆柱环段与中心磁极固定形成第一连接部，下圆柱环段的外壁上设有向外延伸的环形翼板，该环形翼板与电机转子固定形成第二连接部，连接段上设有托持连接环的台阶，台阶面与连接环固定形成第三连接部，转体一体成型。
进一步，芯轴和转体之间设有上滚动轴承和下滚动轴承，转体的上圆柱环段的内表面设有托持上滚动轴承外圈的上台阶，芯轴上设有压紧上滚动轴承内圈的圆螺母，圆螺母与上滚动轴承之间设有垫片，转体的下圆柱环段的底部设有压紧下滚动轴承外圈的下台阶，芯轴的底部设有托持下滚动轴承内圈的托台。
电机的角位移通过角位移传感器进行检测，进一步，连接环上设有第一圆光栅，压板上设有第一读数头及其安装架，第一圆光栅和第一读数头形成检测电机运动的第一角位移传感器，压板固定于电机支承座上，同时压板压在电机定子上起到固定电机定子的作用，压板为一圆环形的连接板。
为了使电机在工作时及时散热，进一步限定，电机定子的外侧面上开设有螺旋冷却槽，电机定子与电机支承座围成密封的螺旋冷却腔，电机定子与电机支承座之间设有阻止冷却液外泄的密封圈。螺旋冷却腔的上端和下端分别设有上密封圈和下密封圈，分别容纳密封圈的两个密封槽开设于电机定子上，电机支承座上设有冷却液进入通道和冷却液排出通道。
进一步，抱闸组件的油缸活塞与制动气缸的推杆固定连接，抱闸组件的油缸包括缸体、与缸体内腔适配的活塞和设置于缸体上的密封件和密封调节件，密封件与活塞密封配合，缸体设有容纳密封件和密封调节件的容纳槽，容纳槽与缸体的上部分形成托持密封件的台阶，密封调节件通过台阶将密封件压紧，密封调节件用于调节密封件的松紧程度。
当制动气缸的推杆下压时，液压油从油缸压入液压油容腔，薄壁形变部贴紧导磁环，磁路组件制动。制动气缸复位时，液压油回流到油缸时，薄壁形变部恢复形变，薄壁形变部与导磁环之间存在间隙。
电粘弹性反馈组件包括第二角位移传感器、反馈单元、信号发生器、减法器、PID控制器、功率放大器、角振动台；第二角位移传感器由第二读数头和第二圆光栅两部分组成，第二圆光栅安装在工作台面上，第二读数头通过安装架固定在空气轴承的轴承座上；第二角位移传感器用于检测动圈组件和工作台面输出的角位移信号，该角位移信号被输入到反馈单元，反馈单元将输入的信号放大获得第一输出信号、并将输入的信号先微分处理后再放大获得第二输出信号、再将第一输出信号与第二输出信号叠加获得反馈单元输出信号，反馈单元输出信号与信号发生器输出的标准信号经减法器求差，得到偏差信号，接着偏差信号经过PID调节器处理后输出给功率放大器，驱动角振动台运动，从而实现角振动台转动部件的电粘弹性反馈控制。
由于机械弹簧在大角位移时，存在非线性问题，严重影响了角振动台输出的角运动量波形的失真度，而电粘弹性反馈控制组件相当于一个刚度和阻尼系数线性可调节的弹簧，因此能改善和降低角振动台输出运动量波形的失真度。
控制电机运动的闭环控制组件由检测动圈组件运动的第二角位移传感器、减法器、电机控制器、电机驱动器、电机和检测电机角位移的第一角位移传感器组成；其实现过程为：第一角位移传感器检测电机的角位移，将检测到的角位移信号输入给减法器，与第二角位移传感器输出的角位移信号进行求差运算，得到的偏差信号经电机控制器处理后输入给电机驱动器，然后驱动电机运转，这样能保证动圈组件与电机带动磁路组件同步转动。
进一步，空气轴承包括轴承座和轴承本体，主轴套接于轴承本体内，轴承本体套接于轴承座内，轴承座与轴承本体固定，主轴底部设有与轴承本体配合的台阶；
轴承本体的外表面设有圆环形的进气凹槽，轴承座上设有与进气凹槽连通的进气孔，轴承本体上设有将气体导向轴承本体与主轴之间的径向导气孔，将气体导向轴承本体与工作台面之间的上轴向导气孔和将气体导向轴承本体与主轴的台阶之间的下轴向导气孔，径向导气孔、上轴向导气孔和下轴向导气孔的出气端分别设有节流孔，且沿圆周方向均匀分布。
进气孔、进气凹槽、径向导气孔、上轴向导气孔和下轴向导气孔组成进气通道，进气孔与高压气源连接。
上轴向导气孔与第一径向导气孔连通形成上T型气道，下轴向导气孔与第二径向导气孔连通形成下T型气道，上T型气道和下T型气道对称设置，第一径向导气孔和第二径向导气孔与进气凹槽连通。
轴承本体的上端面与工作台面的下端面之间形成气膜，该气膜称为上止推部气膜；轴承本体的下端面与主轴的台阶的上端面之间形成气膜，该气膜称为下止推部气膜；轴承本体的内表面与主轴的外表面之间形成气膜，该气膜称为轴颈部气膜；上止推部气膜，下止推部气膜和轴颈部气膜使主轴与轴承本体之间不直接接触，从而降低了摩擦力，降低了输出波形的失真度。
为了优化空气轴承的排气性能，保持气膜的均匀稳定，进一步限定：主轴中空形成排气腔，主轴的上端设有将轴承本体与工作台面之间的气体引入排气腔的第一排气通道，轴承本体上设有将主轴与轴承本体之间的气体向外排出的第二排气通道，第二排气通道的排气口位于主轴的台阶之外，第二排气通道均匀分布于轴承本体上，第二排气通道与进气凹槽相互隔离。
第一排气通道包括设置于主轴上端面的圆周槽，将轴承本体与工作台面之间的气体排入圆周槽的毛细孔和将圆周槽内的气体排入排气腔的轴向孔；毛细孔有多个，毛细孔沿圆周槽均匀分布；轴向孔有多个，轴向孔沿圆周槽均匀分布；毛细孔沿主轴上端面的径向开设，轴向孔沿主轴轴向开设。
第二排气通道包括径向排气孔和轴向排气孔，径向排气孔一端与轴承本体和主轴之间的气膜连通，另一端与轴向排气孔连通；轴向排气孔的出气口作为第二排气通道的排气口；径向排气孔将轴颈部气膜的气体引入轴向排气孔，再由轴向排气孔将气体向外排出。
径向排气孔贯穿轴承本体，径向排气孔与进气凹槽连通的一端设有堵头，从而避免第二排气通道的气体进入进气凹槽内，使第二排气通道与进气凹槽相互独立，且方便径向排气孔的加工。
进一步，外壳包括与底座固定的筒体和与空气轴承的轴承座固定的减震块，抱闸组件位于筒体与减震块之间；排气腔和动圈组件与中心磁极、磁钢之间的空间连通；第一排气通道将上止推部气膜的气体排入排气腔内，排气腔将气体排入中心磁极、磁钢和动圈组件之间，起到冷却动圈组件的作用；第二排气通道和减震块与动圈组件之间的空间连通；第二排气通道将轴颈部气膜的气体排入动圈组件与减震块之间，也起到冷却动圈组件的作用；第一排气通道和第二排气通道的气体除了流经动圈组件外，最后通过中心磁极、芯轴、底座的中心孔以及底座底面上的排气槽组成的排气通道将气体排入大气中。
进一步，动圈组件的线圈覆盖于动圈基体的外侧面，线圈包括线圈绕组和绝缘层，线圈绕组和绝缘层间隔设置，线圈绕组至少具有一层，绝缘层由环氧树脂胶和玻璃布制成，绝缘层完全覆盖其内的线圈绕组；
每个线圈绕组包括第一线圈和第二线圈，第一线圈逆时针从内向外绕线，第二线圈顺时针从外向内绕线，第一线圈和第二线圈处于同一层，第一线圈和第二线圈分别绕制多匝，每匝分别由有效导线段和连接导线段组成，通电的有效导线段在磁场内产生安培力，连接导线段在磁场外；
等间隔分布的有效导线段组成一个安培力发生部，安培力发生部的数量是线圈绕组个数的两倍，各个安培力发生部包含的有效导线段数量相同，线圈绕组的每匝导线之间填充有环氧树脂胶，线圈绕组之间串联或并联连接。
制作线圈绕组时，先制作能恰好包围动圈基体外侧面的平面铜板，再在平面铜板上用线切割或者雕刻的方式加工出线圈绕组的走线形状和走线方式，然后将平面铜板线圈缠绕固定在动圈基体的外侧面上，同时在线圈绕组的外侧面和中间挖空区域缠绕玻璃布，并灌注环氧树脂胶，一边缠绕，一边灌注，等环氧固化后，采用车削工艺加工使得当前层的线圈绕组与动圈基体形成新的光滑平整的圆柱动圈基体。制作下一层线圈绕组时，以新的动圈基体的外侧面为参照制备平面铜板，新增加层的线圈绕组与第一层线圈绕组的缠绕方式相同，并确保每个线圈绕组的安培力发生部位置相互对齐重叠，制作其他层线圈绕组时，规律依次类推。
线圈绕组中的有效导线段和连接导线段的拐角处通过圆角过渡，避免线圈绕组加工和固定时应力集中和损伤。
由于绕制动圈时相邻安培力发生部导线的电流方向相反，为了能使安培力相叠加，对磁钢做以下限定：磁钢沿中心磁极的圆周均匀分布；磁钢的充磁方向为径向，相邻的磁钢充磁方向相反，磁钢固定于中心磁极上。
本发明的优点在于：
1、本发明通过设置抱闸组件和电机实现了宽频带大位移角振动，当抱闸组件使磁路组件制动且电机处于非工作状态时，系统的动态特性仅取决于角振动台中以动圈为主体的旋转运动组件，具有较高的工作频率，角振动台处于小位移高频工作状态；当抱闸组件与磁路组件之间有间隙且电机处于工作状态时，角振动台的旋转运动组件可输出大位移，角振动台处于大位移低频工作状态。
2、本发明当台面输出的角位移量（峰峰值）与动圈有效导线所占角度之和大于磁钢扇形角时，使角振动台处于大位移低频工作状态，采用电机带动磁路组件转动，保证磁路组件与动圈组件同步转动，且响应快、定位准、性能好；角振动台输出角位移量（单峰值）可达到180°以上，满足了低频大角位移角振动传感器标定的需求。
3、本发明当台面输出的角位移量（峰峰值）与动圈有效导线所占角度之和小于或等于磁钢扇形角时，使角振动台处于小位移高频工作状态，导磁环通过抱闸组件锁紧，采用气缸作为动力源，气源与空气轴承气源为同一支路，具有锁紧平稳、结构简单、操作方便等优点。
4、本发明采用永磁式磁路结构，省去了励磁线圈，减小励磁系统的损耗，提高能量转换效率，磁路结构简单、紧凑、运行可靠。
5、本发明采用空气轴承支撑，形成的上止推部气膜、下止推部气膜、轴颈部气膜完成对动圈转动部件的轴向和径向支撑，转动部件和静止零件通过气膜实现无接触支撑，无摩擦或摩擦力小，运行平稳，提高转动部件的回转精度，改善角振动台输出波形失真度以及减小横向摆动量的优点。
6、动圈组件的线圈绕组通过线切割或雕刻形成，布线均匀，受力均匀，同时降低了线圈绕组的绕线难度，简化绕线工艺。
7、本发明采用电粘弹簧反馈控制转动部件的平衡位置，传统的机械弹簧具有非线性、时变、迟滞等缺陷，影响角振动台输出运动量波形的失真度，而电粘弹簧反馈控制可控性好，具有线性、非时变、无迟滞的优点，降低输出运动量波形的失真度。
附图说明
图1是角振动台的总体结构示意图。
图2是电机带动磁路结构系统示意图。
图3是转体的示意图。
图4是磁路组件的示意图。
图5是抱闸组件的示意图。
图6是制动衬套的示意图。
图7是电粘弹性反馈控制组件的原理图。
图8是电机闭环控制组件的原理图。
图9是空气轴承的示意图。
图10是动圈组件的立体示意图。
图11是线圈绕组和绝缘层的分布示意图。
图12是线圈绕组的二维绕线图。
具体实施方式
实施例1
参照图1-8
一种宽频带大位移角振动台包括外壳、工作台面B-1、带动工作台面B-1旋转的主轴B-2、动圈组件、磁路组件、抱闸组件、带动磁路组件旋转的电机及其闭环控制组件、电粘弹性反馈控制组件、空气轴承和角位移传感器；
主轴B-2与动圈组件固定连接，磁路组件通过连接件与电机转子E-6固定连接；
动圈组件包括与主轴B-2连接的动圈基体B-3和缠绕在动圈基体B-3上的线圈B-4，动圈基体B-3与主轴B-2固定连接；
磁路组件包括导磁环E-1、中心磁极E-2以及磁钢E-3，并由导磁环E-1、中心磁极E-2、磁钢E-3和气隙形成的闭合磁回路；中心磁极E-2位于导磁环E-1内，导磁环E-1与中心磁极E-2同轴，磁钢E-3位于导磁环E-1与中心磁极E-2之间，磁钢E-3吸附于中心磁极E-2上；动圈组件位于磁钢E-3和导磁环E-1之间，动圈组件与导磁环E-1同轴；当向动圈组件的线圈内通入交变电流时，在磁场的作用下，动圈组件将绕平衡位置来回振动。
外壳上设有使磁路组件制动的抱闸组件，抱闸组件包括制动衬套D-8、配油套D-7和带活塞D-5的油缸，制动衬套D-8包括环形的薄壁形变部D-8-B和分别位于薄壁形变部两端的上连接部D-8-A和下连接部D-8-C，上连接部D-8-A和下连接部D-8-C凸出于薄壁形变部D-8-B，上连接部D-8-A和下连接部D-8-C分别与配油套D-7通过密封圈D-10进行密封连接，制动衬套D-8和配油套D-7围成液压油容腔，配油套D-7设有连通油缸与液压油容腔的连接通道，配油套D-7与油缸之间设置有密封圈D-9；液压油从油缸压入液压油容腔时，薄壁形变部D-8-B贴紧导磁环E-1，磁路组件制动；液压油回流到油缸时，薄壁形变部D-8-B与导磁环E-1之间有间隙，磁路组件可随电机转子转动。
当工作台面B-1输出的角位移量（峰峰值）与动圈组件的有效导线（有效导线是指位于磁场中的轴向导线）所占角度之和大于磁钢E-3扇形角时，角振动台处于大位移低频工作状态，此时电机处于工作状体，抱闸组件的薄壁形变部与导磁环之间有间隙，电机带动磁路组件与动圈组件同步转动，从而保证了动圈组件中的有效导线始终位于磁路组件形成的有效磁场区域中。在现有技术中，由于磁路位置固定，动圈组件无法超出由单个磁钢扇形角的最大角度——180°，因此最大角位移只能小于180°；而本发明中，电机带动磁路组件转动时，磁路组件与动圈组件同步运动，即动圈组件与磁路组件保持相对静止时，有效导线始终处于磁钢覆盖的有效磁场区域内，从而能够实现动圈组件输出的角位移量超过180°，实现角振动台的大位移输出；此外，动圈组件在单极磁场中运动，避免了采用常规电机驱动实现大位移角振动时的换向转矩脉动和电磁转矩脉动，因此能输出低失真度的运动波形。
当工作台面B-1输出的角位移量（峰峰值）与动圈有效导线所占角度之和小于或等于磁钢扇形角时，使角振动台处于小位移高频工作状态，此时电机关闭处于非工作状态，磁路组件通过抱闸组件锁紧，磁路组件制动，从而避免了在角振动台输出大加速度时，磁路组件的振动对输出角振动波形的影响，进一步改善了角振动台高频大加速度振动输出时的波形失真度。
连接件包括旋转组件和连接环E-5，旋转组件包括固定于底座F-2中央的芯轴E-10和可转动的安装于芯轴E-10上的转体E-4，芯轴E-10与转体E-4之间设有滚动轴承。
芯轴E-10起到定位作用，转体E-4绕着芯轴E-10旋转；电机转子E-6，转体E-4，连接环E-5，中心磁极E-2，磁钢E-3和导磁环E-1形成一个同步转动的旋转体；电机转子作为动力源，带动整个旋转体转动。
导磁环E-1的尺寸大于转体E-4的尺寸，因此，将连接环E-5设置呈上大下小的形状，如两段式圆柱环；连接环E-5的大端与导磁环E-1固定，连接环E-5的小端与转体E-4固定。
如图3所示，转体E-4包括与中心磁极E-2固定的第一连接部E-4-A，与电机转子E-6固定的第二连接部E-4-B，和与连接环E-5固定的第三连接部E-4-C；连接环E-5一端与导磁环E-1固定，另一端与第三连接部E-4-C固定。
由于中心磁极E-2、电机转子E-6和连接环E-5的尺寸和位置不同，为了将中心磁极E-2、电机转子E-6和连接环E-5全部固定于一个转体上，限定转体E-4的形状和结构为：转体E-4包括上圆柱环段、下圆柱环段和连接上圆柱环段与下圆柱环段的连接段，连接段成下大上小的圆锥形，上圆柱环段与中心磁极E-2固定形成第一连接部E-4-A，下圆柱环段的外壁上设有向外延伸的环形翼板，该环形翼板与电机转子E-6固定形成第二连接部E-4-B，连接段上设有托持连接环E-5的台阶，台阶面与连接环E-5固定形成第三连接部E-4-C，转体一体成型。
芯轴E-10和转体E-4之间设有上滚动轴承E-11-A和下滚动轴承E-11-B，转体E-4的上圆柱环段的内表面设有托持上滚动轴承外圈的上台阶，芯轴E-10上设有压紧上滚动轴承E-11-A内圈的圆螺母E-12，圆螺母E-12与上滚动轴承E-11-A之间设有垫片E-13；转体E-4的下圆柱环段的底部设有压紧下滚动轴承E-11-B外圈的下台阶，芯轴E-10的底部设有托持下滚动轴承E-11-B内圈的托台。
连接环E-5上设有第一圆光栅E-14，压板E-8上设有第一读数头E-15及其安装架E-16，第一圆光栅E-14和第一读数头E-15形成检测电机运动的第一角位移传感器，压板E-8固定于电机支承座E-9上，同时压板E-8压在电机定子E-7上起到固定电机定子E-7的作用，压板E-8为一圆环形的连接板。
电机定子E-7的外侧面上开设有螺旋冷却槽E-71，电机定子E-7与电机支承座E-9围成密封的螺旋冷却腔，电机定子E-7与电机支承座E-9之间设有阻止冷却液外泄的密封圈E-72。螺旋冷却腔的上端和下端分别设有上密封圈和下密封圈，分别容纳密封圈E-72的两个密封槽开设于电机定子E-7上，电机支承座E-9上设有冷却液进入通道E-91和冷却液排出通道E-92。
抱闸组件的油缸活塞D-5与制动气缸D-1的推杆D-2固定连接，抱闸组件的油缸包括缸体D-6、与缸体D-6内腔适配的活塞D-5和设置于缸体D-6上的密封件D-4和密封调节件D-3，密封件D-4与活塞D-5密封配合，密封件D-4为一环形套筒；缸体D-6设有容纳密封件D-4和密封调节件D-3的容纳槽，容纳槽与缸体D-6上部分形成托持密封件D-4的台阶，密封调节件D-3通过台阶将密封件D-4压紧，密封调节件D-3-用于调节密封件D-4的松紧程度。当制动气缸D-1的推杆D-2下压时，液压油从油缸压入液压油容腔，薄壁形变部D-8-B贴紧导磁环E-1，磁路组件制动。制动气缸D-1复位时，液压油回流到油缸时，薄壁形变部D-8-B恢复形变，薄壁形变部D-8-B与导磁环E-1之间存在间隙。
电粘弹性反馈组件包括第二角位移传感器、反馈单元、信号发生器、减法器、PID控制器、功率放大器、角振动台；第二角位移传感器由第二读数头A-2和第二圆光栅A-1两部分组成，第二圆光栅A-1安装在工作台面B-1上，第二读数头A-2通过安装架A-3固定在空气轴承的轴承座C-1上；第二角位移传感器用于检测动圈组件和工作台面B-1输出的角位移信号，该角位移信号被输入到反馈控制单元，反馈单元将输入的信号放大获得第一输出信号、并将输入的信号先微分处理后再放大获得第二输出信号、再将第一输出信号与第二输出信号叠加获得反馈单元输出信号；反馈单元输出信号与信号发生器输出的标准信号经减法器求差，得到偏差信号，接着偏差信号经过PID调节器处理后输出给功率放大器，驱动角振动台运动，从而实现角振动台转动部件的电粘弹性反馈控制。
由于机械弹簧在大角位移时，存在非线性问题，严重影响了角振动台输出的角运动量波形的失真度，而电粘弹性反馈控制组件相当于一个刚度和阻尼系数线性可调节的弹簧，因此能改善和降低角振动台输出运动量波形的失真度。
控制电机运动的闭环控制组件由检测动圈组件运动的第二角位移传感器、减法器、电机控制器、电机驱动器、电机和检测电机角位移的第一角位移传感器组成；其实现过程为：第一角位移传感器检测电机的角位移，将检测到的角位移信号输入给减法器，与第二角位移传感器输出的角位移信号进行求差运算，得到的偏差信号经电机控制器处理后输入给电机驱动器，然后驱动电机运转，这样能保证动圈组件与电机带动磁路组件同步转动。
外壳包括与底座F-2固定的筒体F-3和与空气轴承的轴承座C-1固定的减震块F-1，抱闸组件位于筒体F-3与减震块F-1之间。
本实施例的优点在于：
1、本发明通过设置抱闸组件和电机实现了宽频带大位移角振动，当抱闸组件使磁路组件制动且电机处于非工作状态时，系统的动态特性仅取决于角振动台中以动圈为主体的旋转运动组件，具有较高的工作频率，角振动台处于小位移高频工作状态；当抱闸组件与磁路组件之间有间隙且电机处于工作状态时，角振动台的旋转运动组件可输出大位移，角振动台处于大位移低频工作状态。
2、本发明当台面输出的角位移量（峰峰值）与动圈有效导线所占角度之和大于磁钢扇形角时，使角振动台处于大位移低频工作状态，采用电机带动磁路组件转动，保证磁路组件与动圈组件同步转动，且响应快、定位准、性能好；角振动台输出角位移量（单峰值）可达到180°以上，满足了低频大角位移角振动传感器标定的需求。
3、本发明当台面输出的角位移量（峰峰值）与动圈有效导线所占角度之和小于或等于磁钢扇形角时，使角振动台处于小位移高频工作状态，导磁环通过抱闸组件锁紧，采用气缸作为动力源，气源与空气轴承气源为同一支路，具有锁紧平稳、结构简单、操作方便等优点。
4、本发明采用永磁式磁路结构，省去了励磁线圈，减小励磁系统的损耗，提高能量转换效率，磁路结构简单、紧凑、运行可靠。
5、本发明采用电粘弹簧反馈控制转动部件的平衡位置，传统的机械弹簧具有非线性、时变、迟滞等缺陷，影响角振动台输出运动量波形的失真度，而电粘弹簧反馈控制可控性好，具有线性、非时变、无迟滞的优点，降低输出运动量波形的失真度。
实施例2
参照图9
本实施例与实施例一的区别在于空气轴承的具体结构，除空气轴承以外的其他组件结构均与实施例1相同。
具体来说：空气轴承包括轴承座C-1和轴承本体C-2，主轴B-2套接于轴承本体C-2内，轴承本体C-2套接于轴承座C-1内，轴承座C-1与轴承本体C-2固定，主轴B-2底部设有与轴承本体C-2配合的台阶；
轴承本体C-2的外表面设有圆环形的进气凹槽C-21，轴承座C-1上设有与进气凹槽C-21连通的进气孔C-11，轴承本体C-2上设有将气体导向轴承本体C-2与主轴B-2之间的径向导气孔，将气体导向轴承本体C-2与工作台面B-1之间的上轴向导气孔和将气体导向轴承本体C-2与主轴B-2的台阶之间的下轴向导气孔，径向导气孔、上轴向导气孔和下轴向导气孔的出气端分别设有节流孔C-3，且沿圆周方向均匀分布。
进气孔C-11、进气凹槽C-21、径向导气孔、上轴向导气孔和下轴向导气孔组成进气通道，进气孔C-11与高压气源连接。
上轴向导气孔与第一径向导气孔连通形成上T型气道C-22，下轴向导气孔与第二径向导气孔连通形成下T型气道C-23，上T型气道C-22和下T型气道C-23对称设置，第一径向导气孔和第二径向导气孔与进气凹槽C-21连通。
轴承本体C-2的上端面与工作台面B-1的下端面之间形成气膜，该气膜称为上止推部气膜；轴承本体C-2的下端面与主轴的台阶的上端面之间形成气膜，该气膜称为下止推部气膜；轴承本体C-2的内表面与主轴B-2的外表面之间形成气膜，该气膜称为轴颈部气膜；上止推部气膜，下止推部气膜和轴颈部气膜使主轴与轴承本体之间不直接接触，从而降低了摩擦力，降低了输出波形的失真度。
为了优化空气轴承的排气性能，保持气膜的均匀稳定，限定：主轴B-2中空形成排气腔B-24，主轴B-2的上端设有将轴承本体C-2与工作台面B-1之间的气体引入排气腔B-24的第一排气通道，轴承本体C-2上设有将主轴B-2与轴承本体C-2之间的气体向外排出的第二排气通道，第二排气通道的排气口位于主轴B-2的台阶之外，第二排气通道均匀分布于轴承本体C-2上，第二排气通道与进气凹槽C-21相互隔离。
第一排气通道包括设置于主轴B-2上端面的圆周槽B-22，将轴承本体C-2与工作台面B-1之间的气体排入圆周槽B-22的毛细孔B-21和将圆周槽B-22内的气体排入排气腔B-24的轴向孔B-23；毛细孔B-21有多个，毛细孔B-21沿圆周槽B-22均匀分布；轴向孔B-23有多个，轴向孔B-23沿圆周槽B-22均匀分布；毛细孔B-21沿主轴B-2上端面的径向开设，轴向孔B-23沿主轴B-2轴向开设。
第二排气通道包括径向排气孔C-26和轴向排气孔C-27，径向排气孔C-26一端与轴承本体C-2和主轴B-2之间的气膜连通，另一端与轴向排气孔C-27连通；轴向排气孔C-27的出气口作为第二排气通道的排气口；径向排气孔C-26将轴颈部气膜的气体引入轴向排气孔C-27，再由轴向排气孔C-27将气体向外排出。
径向排气孔C-26贯穿轴承本体C-2，径向排气孔C-26与进气凹槽C-21连通的一端设有堵头C-4，从而避免第二排气通道的气体进入进气凹槽C-21内，使第二排气通道与进气凹槽C-21相互独立，且方便径向排气孔C-26的加工。
外壳包括与底座F-2固定的筒体F-3和与空气轴承的轴承座C-1固定的减震块F-1，抱闸组件位于筒体F-3与减震块F-1之间；排气腔B-24和动圈组件与中心磁极E-2、磁钢E-3之间的空间连通，第二排气通道和减震块F-1与动圈组件之间的空间连通；第一排气通道将上止推部气膜的气体排入排气腔B-24内，排气腔B-24将气体排入中心磁极E-2、磁钢E-3和动圈组件之间，起到冷却动圈组件的作用；第二排气通道将轴颈部气膜的气体排入动圈组件与减震块F-1之间，也起到冷却动圈组件的作用；第一排气通道和第二排气通道的气体除了流经动圈组件外，最后通过中心磁极E-2、芯轴E-10、底座F-2的中心孔以及底座F-2底面上的排气槽F-21组成的排气通道将气体排入大气中。
本实施例的优点在于：采用空气轴承支撑，形成的上止推部气膜、下止推部气膜、轴颈部气膜完成对动圈转动部件的轴向和径向支撑，转动部件和静止零件通过气膜实现无接触支撑，无摩擦或摩擦力小，运行平稳，提高转动部件的回转精度，改善角振动台输出波形失真度以及减小横向摆动量的优点。并且，空气轴承的气膜中溢出的气体还可以起到冷却动圈组件的作用。
实施例3
参照图10、11、12
本实施例与实施例1的区别之处在于动圈组件的线圈，除线圈以外的其他组件结构均与实施例1相同。
如图10所示，动圈组件的线圈B-4覆盖于动圈基体B-3的外侧面。如图11所示，线圈包括线圈绕组B-4-1和绝缘层B-4-3，线圈绕组B-4-1和绝缘层B-4-3间隔设置，线圈绕组B-4-1至少具有一层，绝缘层B-4-3由环氧树脂胶和玻璃布制成，绝缘层完全覆盖其内的线圈绕组B-4-1。如图12所示，线圈绕组包括第一线圈B-4-1-1和第二线圈B-4-1-2，第一线圈B-4-1-1逆时针从内向外绕线，第二线圈B-4-1-2顺时针从外向内绕线，第一线圈B-4-1-1和第二线圈B-4-1-2处于同一层，第一线圈B-4-1-1和第二线圈B-4-1-2分别绕制多匝，每匝分别由有效导线段B-4-11和连接导线段B-4-12组成，通电的有效导线段B-4-11在磁场内产生安培力，连接导线段B-4-12在磁场外。
等间隔分布的有效导线段B-4-11组成一个安培力发生部B-4-1-3，安培力发生部B-4-1-3的数量是线圈绕组B-4-1个数的两倍，各个安培力发生部B-4-1-3包含的有效导线段B-4-11数量相同，线圈绕组B-4-1的每匝导线之间填充有环氧树脂胶，线圈绕组B-4-1之间串联或并联连接。
制作线圈绕组B-4-1时，先制作能恰好包围动圈基体B-3外侧面的平面铜板，再在平面铜板上用线切割或者雕刻的方式加工出线圈绕组B-4-1的如图12的走线形状和走线方式，然后将平面铜板线圈缠绕固定在动圈基体B-3的外侧面上，同时在线圈绕组B-4-1的外侧面和中间挖空区域缠绕玻璃布，并灌注环氧树脂胶，一边缠绕，一边灌注，等环氧固化后，采用车削工艺加工使得当前层的线圈绕组B-4-1与动圈基体B-3形成新的光滑平整的圆柱动圈基体B-3。制作下一层线圈绕组B-4-1时，以新的动圈基体B-3的外侧面为参照制备平面铜板，新增加层的线圈绕组B-4-1与第一层线圈绕组B-4-1的缠绕方式相同，并保证每个线圈绕组B-4-1的安培力发生部位置相互对齐重叠，制作其他层线圈绕组B-4-1时，规律依次类推。
线圈绕组B-4-1中的有效导线段B-4-11和连接导线段B-4-12的拐角处通过圆角过渡，避免线圈绕组B-4-1加工和固定时应力集中和损伤。
由于绕制动圈时相邻安培力发生部导线的电流方向相反，为了能使安培力相叠加，对磁钢E-3做以下限定：磁钢E-3沿中心磁极E-2的圆周均匀分布；磁钢E-3的充磁方向为径向，相邻的磁钢E-3充磁方向相反，磁钢E-3固定于中心磁极E-2上。
本实施例的优点在于：线圈绕组通过线切割或雕刻形成，布线均匀，受力均匀，同时降低了线圈绕组的绕线难度，简化绕线工艺。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (10)

1.一种宽频带大位移角振动台，包括外壳、工作台面、带动工作台面旋转的主轴、动圈组件、磁路组件、抱闸组件、带动磁路组件旋转的电机及其闭环控制组件、电粘弹性反馈控制组件、空气轴承和角位移传感器；
其特征在于：主轴与动圈组件固定连接，磁路组件通过连接件与电机转子固定连接；
动圈组件包括与主轴连接的动圈基体和缠绕在动圈基体上的线圈，动圈基体与主轴固定连接；
磁路组件包括导磁环、中心磁极以及磁钢，并由导磁环、中心磁极、磁钢和气隙形成闭合磁回路；中心磁极位于导磁环内，导磁环与中心磁极同轴，磁钢位于导磁环与中心磁极之间，磁钢吸附于中心磁极上；动圈组件位于磁钢和导磁环之间，动圈组件与导磁环同轴；
外壳上设有使磁路组件制动的抱闸组件，抱闸组件包括制动衬套、配油套和带活塞的油缸，制动衬套包括环形的薄壁形变部和分别位于薄壁形变部两端的上连接部和下连接部，上连接部和下连接部凸出于薄壁形变部，上连接部和下连接部分别与配油套通过密封圈进行密封连接，制动衬套和配油套围成液压油容腔，配油套设有连通油缸与液压油容腔的连接通道，配油套与油缸之间设置有密封圈；液压油从油缸压入液压油容腔时，磁路组件制动；液压油回流到油缸时，磁路组件随电机转子转动。
2.如权利要求1所述的宽频带大位移角振动台，其特征在于：连接件包括旋转组件和连接环，旋转组件包括固定于底座中央的芯轴和可转动的安装于芯轴上的转体，芯轴与转体之间设有滚动轴承。
3.如权利要求2所述的宽频带大位移角振动台，其特征在于：转体包括与中心磁极固定的第一连接部，与电机转子固定的第二连接部和与连接环固定的第三连接部；连接环一端与导磁环固定，另一端与第三连接部固定。
4.如权利要求3所述的宽频带大位移角振动台，其特征在于：连接环上设有第一圆光栅，压板上设有第一读数头及其安装架，第一圆光栅和第一读数头形成检测电机运动的第一角位移传感器，压板固定于电机支承座上，压板为一圆环形的连接板。
5.如权利要求4所述的宽频带大位移角振动台，其特征在于：抱闸组件的油缸活塞与制动气缸的推杆固定连接，抱闸组件的油缸包括缸体、与缸体内腔适配的活塞和设置于缸体上的密封件和密封调节件，密封件与活塞密封配合，缸体设有容纳密封件和密封调节件的容纳槽，容纳槽与缸体的上部分形成托持密封件的台阶，密封调节件通过台阶将密封件压紧。
6.如权利要求5所述的宽频带大位移角振动台，其特征在于：电粘弹性反馈组件包括第二角位移传感器、反馈单元、信号发生器、减法器、PID控制器、功率放大器、角振动台；第二角位移传感器由第二读数头和第二圆光栅两部分组成，第二圆光栅安装在工作台面上，第二读数头通过安装架固定在空气轴承的轴承座上；第二角位移传感器用于检测动圈组件和工作台面输出的角位移信号，该角位移信号被输入到反馈单元，反馈单元将输入的信号放大获得第一输出信号、并将输入的信号先微分处理后再放大获得第二输出信号、再将第一输出信号与第二输出信号叠加获得反馈单元输出信号，反馈单元输出信号与信号发生器输出的标准信号经减法器求差，得到偏差信号，接着偏差信号经过PID调节器处理后输出给功率放大器，驱动角振动台运动，从而实现角振动台转动部件的电粘弹性反馈控制；
控制电机运动的闭环控制组件由检测动圈组件运动的第二角位移传感器、减法器、电机控制器、电机驱动器、电机和检测电机角位移的第一角位移传感器组成；第一角位移传感器检测电机的角位移，将检测到的角位移信号输入给减法器，与第二角位移传感器输出的角位移信号进行求差运算，得到的偏差信号经电机控制器处理后输入给电机驱动器，然后驱动电机运转，这样能保证动圈组件与电机带动磁路组件同步转动。
7.如权利要求1-6之一所述的宽频带大位移角振动台，其特征在于：空气轴承包括轴承座和轴承本体，主轴套接于轴承本体内，轴承本体套接于轴承座内，轴承座与轴承本体固定，主轴底部设有与轴承本体配合的台阶；
轴承本体的外表面设有圆环形的进气凹槽，轴承座上设有与进气凹槽连通的进气孔，轴承本体上设有将气体导向轴承本体与主轴之间的径向导气孔，将气体导向轴承本体与工作台面之间的上轴向导气孔和将气体导向轴承本体与主轴的台阶之间的下轴向导气孔，径向导气孔、上轴向导气孔和下轴向导气孔的出气端分别设有节流孔，且沿圆周方向均匀分布。
8.如权利要求7所述的宽频带大位移角振动台，其特征在于：主轴中空形成排气腔，主轴的上端设有将轴承本体与工作台面之间的气体引入排气腔的第一排气通道，轴承本体上设有将主轴与轴承本体之间的气体向外排出的第二排气通道，第二排气通道的排气口位于主轴的台阶之外，第二排气通道均匀分布于轴承本体上，第二排气通道与进气凹槽相互隔离；
第一排气通道包括设置于主轴上端面的圆周槽，将轴承本体与工作台面之间的气体排入圆周槽的毛细孔和将圆周槽内的气体排入排气腔的轴向孔；毛细孔有多个，毛细孔沿圆周槽均匀分布；轴向孔有多个，轴向孔沿圆周槽均匀分布；毛细孔沿主轴上端面的径向开设，轴向孔沿主轴轴向开设；
第二排气通道包括径向排气孔和轴向排气孔，径向排气孔一端与轴承本体和主轴之间的气膜连通，另一端与轴向排气孔连通；轴向排气孔的出气口作为第二排气通道的排气口；径向排气孔将轴颈部气膜的气体引入轴向排气孔，再由轴向排气孔将气体向外排出；
径向排气孔贯穿轴承本体，径向排气孔与进气凹槽连通的一端设有堵头。
9.如权利要求8所述的宽频带大位移角振动台，其特征在于：外壳包括与底座固定的筒体和与空气轴承的轴承座固定的减震块，抱闸组件位于筒体与减震块之间；排气腔和动圈组件与中心磁极、磁钢之间的空间连通。
10.如权利要求9所述的宽频带大位移角振动台，其特征在于：动圈组件的线圈覆盖于动圈基体的外侧面，线圈包括线圈绕组和绝缘层，线圈绕组和绝缘层间隔设置，线圈绕组至少具有一层，绝缘层由环氧树脂胶和玻璃布制成，绝缘层完全覆盖其内的线圈绕组；
每个线圈绕组包括第一线圈和第二线圈，第一线圈逆时针从内向外绕线，第二线圈顺时针从外向内绕线，第一线圈和第二线圈处于同一层，第一线圈和第二线圈分别绕制多匝，每匝分别由有效导线段和连接导线段组成，通电的有效导线段在磁场内产生安培力，连接导线段在磁场外；
等间隔分布的有效导线段组成一个安培力发生部，安培力发生部的数量是线圈绕组个数的两倍，各个安培力发生部包含的有效导线段数量相同，线圈绕组的每匝导线之间填充有环氧树脂胶，线圈绕组之间串联或并联连接。
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