CN104776862A - 一种动态精密离心机系统及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态精密离心机系统及其测试方法，包括机壳、精密离心机、测控计算机、旋转伺服电机、两个试件安装平台和两个用于检测试件安装平台位置的位移反馈器，精密离心机的转盘上固定安装有整流罩，旋转伺服电机安装在精密离心机的转盘中心，旋转伺服电机通过集流环连接有伺服驱动器，伺服驱动器与测控计算机连接，旋转伺服电机两端的转矩输出轴对称连接有螺旋方向相反的滚珠丝杠副，两个试件安装平台分别安装在旋转伺服电机两端的滚珠丝杠副上，试件安装平台与滚珠丝杠副螺旋传动连接。本发明具有动态精密离心实验能力，能够简单的实现动态精密离心实验所要求的加速度场动态精密输出过程。

Description

一种动态精密离心机系统及其测试方法

技术领域

本发明涉及离心机加速度实验技术领域，尤其涉及一种通过精确调节旋转半径实现动态过载输出的动态精密离心机系统及其测试方法。

背景技术

精密离心机是用于惯导加速度计标定和校准的稳态惯导测试仪器之一。精密离心机利用精密电机驱动大惯量转臂或转台(相较于电机驱动能力)产生高精度稳速转动输出精确的向心加速度，从而向被测惯导加速度计提供高稳定性的加速度场环境。

动态离心机是用于惯性元器件性能测试与可靠性考核的动态惯导测试仪器之一。动态离心机利用大扭矩拖动电机驱动小惯量转臂或转台(相较于电机驱动能力)实现离心机转速的高动态变化，从而向被测惯性元器件提供高变化率的加速度场环境。

传统上精密离心机与动态离心机分别用于开展不同类型的离心加速度实验。传统精密离心机是典型的稳态离心实验设备，能够提供高稳定度的加速度场环境，主要关注其输出稳态加速度场的精度及不确定度指标，但拖动电机驱动能力较低，缺乏动态加速度曲线跟踪实验能力。传统动态离心机则是典型的动态离心实验设备，能够产生高变化率的加速度场环境，加速度动态变化率和加速度动态跟踪精度是其所关注的主要技术指标，但由于受限于其结构特点，自身旋转惯量较小，难以满足高精度的稳态离心加速度实验需求。传统的精密离心机与动态离心机都仅能通过控制系统转速完成加速度输出调整；精密离心机为了实现高精度的加速度输出，一般采用大惯量的圆盘式转台提升转速稳定性，其旋转惯量(单位：kg·m²)与拖动系统额定扭矩(单位：N·m)之比一般大于3，在10^-5以上精度量级的精密离心机中这一比值甚至接近10，考虑风阻影响与精密离心机较小的有效旋转半径(≤1m)后，精密离心机系统的转速最大变化率一般都在0.1rad/s²～0.3rad/s²之间，这使得精密离心机的加速度输出变化率难以超过0.5g/s，相较于开展动态离心实验所要求的加速度变化率(＞5g/s)要低至少一个数量级；动态离心机的设计思路与精密离心机相反，为了获得开展动态离心实验所要求的加速度高变化率，需要快速改变系统转速，动态离心机的旋转惯量(单位：kg·m²)与拖动系统额定扭矩(单位：N·m)之比一般小于1，由此拖动电机的固有转矩脉动与伺服驱动系统的扭矩输出偏差将对离心机系统转速稳定度造成更大影响，这使得传统动态离心机的稳态精度一般都劣于0.2％，同时，要提升动态离心机的加速度动态跟踪精度，需要系统实现精确的扭矩环控制，由于伺服系统中的位置——转速——电流(扭矩)三层闭环控制结构中，电流(扭矩)环的控制精度是最低的，因此，传统动态离心机的加速度动态跟踪精度一般仅能达到5％。

传统精密离心机只能输出低变化率的加速度场环境，难以满足开展动态离心实验的需求；传统动态离心机只能产生较低精度的稳态加速度场环境，且其加速度动态跟踪精度直接受限于伺服驱动系统的力矩环控制精度，难以满足高精度离心加速度实验的需求；综上，传统的精密离心机与动态离心机都无法提供用于开展动态精密离心实验的加速度场环境。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种通过精确调节旋转半径实现动态过载输出的动态精密离心机系统及其测试方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种动态精密离心机系统，包括机壳、精密离心机、测控计算机、旋转伺服电机、两个试件安装平台和两个用于检测所述试件安装平台位置的位移反馈器，所述精密离心机的转盘上固定安装有整流罩，所述旋转伺服电机安装在所述精密离心机的转盘中心，所述旋转伺服电机通过集流环连接有伺服驱动器，所述伺服驱动器与所述测控计算机连接，所述旋转伺服电机两端的转矩输出轴对称连接有螺旋方向相反的滚珠丝杠副，两个所述试件安装平台分别安装在所述旋转伺服电机两端的所述滚珠丝杠副上，所述试件安装平台与所述滚珠丝杠副螺旋传动连接。

进一步地，所述旋转伺服电机、所述滚珠丝杠副、所述位移反馈器和所述试件安装平台均置于所述整流罩内，所述集流环的固定端固定安装在所述机壳上，所述集流环的转动端与所述整流罩的中心固定连接，所述整流罩、所述集流环的转动端和所述精密离心机的转盘一起转动或静止。

优选地，所述旋转伺服电机为双轴输出电机。

进一步地，所述测控计算机和所述伺服驱动器均布置在地面。

优选地，所述位移反馈器为直线光栅尺，所述直线光栅尺平铺在所述精密离心机的转盘上并位于所述滚珠丝杠副的下方，所述直线光栅尺与所述滚珠丝杠副的传动方向平行，两个所述试件安装平台分别对应一根所述直线光栅尺，两根所述直线光栅尺的光栅读数头分别设置在两个所述试件安装平台上，两个所述光栅读数头的位移数据输出端分别与所述集流环的两个位移数据输入端连接，所述整流罩顶部的内侧壁设置有用于布置所述光栅读数头的通信线的线管。

优选地，所述位移反馈器为激光位移传感器，两个所述试件安装平台分别对应一个所述激光位移传感器，两个所述激光位移传感器的激光探头均安装在所述旋转伺服电机上，两个所述激光位移传感器的反射板分别安装在两个所述试件安装平台上，每个所述激光位移传感器的激光探头和反射板均对正。

一种动态精密离心机系统的测试方法，包括以下步骤：

A1：将两个被测试件分别安装在两个所述试件安装平台上，并利用专用安装夹具进行固定，测量试件中心与位移反馈器反馈点的距离，以便在其后实验过程中基于该测量结果对位移反馈器所得位移反馈量进行补偿，获得被测试件的真实旋转半径；

A2：根据动态精密离心实验所要求的加速度曲线，设定所述精密离心机的工作转速，确保系统通过调整被测试件的旋转半径使加载到被测试件上的加速度范围能够覆盖动态精密离心实验所要求的加速度曲线；

A3：驱动所述精密离心机按照预定工作转速运行；

A4：根据动态精密离心实验所要求的加速度曲线a(t)，计算出对应的被测试件旋转半径变化曲线R(t)，以此作为所述旋转伺服电机和所述滚珠丝杠副构成的传动系统的位移指令；

A5：通过控制所述旋转伺服电机的旋转驱动丝杠副系统按照被测试件旋转半径变化曲线R(t)完成被测试件的旋转半径调节，从而得到动态精密离心实验所要求的加速度曲线a(t)。

进一步地，确保加速度范围能够覆盖动态精密离心实验所要求的加速度曲线的方法包括以下步骤：

B1：根据动态精密离心实验所要求的加速度曲线确定试件所受的最大离心加速度值a_max；

B2：根据动态精密离心实验系统所能达到的最大有效工作半径R_max计算出离心机系统所需要的工作转速

本发明的有益效果在于：

1、以传统的转盘式精密离心机为基础，具有传统精密离心机不具备的动态离心实验能力，也具备远优于传统动态离心机的转速控制精度；

2、采用本专利技术方法，完成动态离心实验不再需要如传统动态离心机所采用的大扭矩拖动电机，使用一台低扭矩精密伺服电机配合一套小型高速电机——高速丝杠副系统即可实现动态离心实验所要求的加速度场动态输出；

3、与传统的动态离心机相比，本专利技术方法将离心机系统的加速度场输出调节方式由转速控制变为被测试件旋转半径控制，由此将控制目标(系统转速、旋转半径)与加速度场的对应关系从2次平方的非线性关系转变为了1次乘积的线性关系，有助于加速度场控制精度的提高；

4、本专利技术方法的加速度场稳态精度、加速度场动态变化率、以及加速度场曲线的动态跟踪精度由伺服电机——丝杠副系统的位移环、转速环控制精度决定，在控制精度上要高于传统的动态离心机中所要求的转速环、力矩环(电流环)控制精度。

附图说明

图1是本发明所述动态精密离心机系统安装有直线光栅尺时的结构示意图；

图2是本发明所述动态精密离心机系统安装有激光位移传感器的结构示意图；

图3是本发明所述激光位移传感器、所述试件安装平台、所述旋转伺服电机和所述滚珠丝杠副之间的位置结构示意图；

图中：1-精密离心机、2-旋转伺服电机、3-集流环、4-滚珠丝杠副、5-直线光栅尺、6-光栅读数头、7-试件、8-试件安装平台、9-线管、10-伺服驱动器、11-测控计算机、12-机壳、13-整流罩、14-激光探头、15-反射板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1、图2和图3所示，本发明包括机壳12、精密离心机1、测控计算机11、旋转伺服电机2、两个试件安装平台8和两个用于检测试件安装平台8位置的位移反馈器，精密离心机1的转盘上固定安装有整流罩13，旋转伺服电机2安装在精密离心机1的转盘中心，旋转伺服电机2通过集流环3连接有伺服驱动器10，伺服驱动器10与测控计算机11连接，旋转伺服电机2两端的转矩输出轴对称连接有螺旋方向相反的滚珠丝杠副4，两个试件安装平台8分别安装在旋转伺服电机2两端的滚珠丝杠副4上，试件安装平台8与滚珠丝杠副4螺旋传动连接。

本发明应根据动态精密离心实验的技术指标要求选择相应精度等级的精密离心机1，以精密离心机1为基础，系统能够实现高精度的稳速旋转。旋转伺服电机2为双轴输出电机，旋转伺服电机2通过集流环3实现与伺服驱动器10的动力电连接，两端的滚珠丝杠副4分别以顺时针和逆时针方式相向安装，以确保旋转伺服电机2运转时两部滚珠丝杠副4能够产生方向相反的推动力。在旋转伺服电机2运转时两个试件安装平台8将做反向同步运动，从而确保离心机系统的动平衡。

旋转伺服电机2、滚珠丝杠副4、位移反馈器和试件安装平台8均置于整流罩13内，集流环3的固定端固定安装在机壳12上，集流环3的转动端与整流罩13的中心固定连接，整流罩13、集流环3的转动端和精密离心机1的转盘一起转动或静止。安装整流罩13可以降低系统所受风阻，并避免调整精密离心机1有效工作半径时由于试件安装平台8迎风面旋转半径改变所造成的风阻变化。

测控计算机11和伺服驱动器10均布置在地面，根据位移反馈器反馈的试件安装平台8位移量对旋转伺服电机2进行控制，完成对精密离心机1有效工作半径，即试件7到精密离心机1旋转主轴的实时调节，实现试件7所受加速度场的动态变化。

实施例1：位移反馈器为直线光栅尺5，直线光栅尺5平铺在精密离心机1的转盘上并位于滚珠丝杠副4的下方，直线光栅尺5与滚珠丝杠副4的传动方向平行，两个试件安装平台8分别对应一根直线光栅尺5，两根直线光栅尺5的光栅读数头6分别设置在两个试件安装平台8上，两个光栅读数头6的位移数据输出端分别与集流环3的两个位移数据输入端连接，整流罩13顶部的内侧壁设置有用于布置光栅读数头6的通信线的线管9。光栅读数头6进行数据读取操作，所得位移反馈经集流环3传递到伺服驱动器10中完成伺服闭环。

实施例2：位移反馈器为激光位移传感器，两个试件安装平台8分别对应一个激光位移传感器，两个激光位移传感器的激光探头14均安装在旋转伺服电机2上，两个激光位移传感器的反射板15分别安装在两个试件安装平台8上，每个激光位移传感器的激光探头14和反射板15均对正，激光位移传感器所得位移反馈同样经集流环3传递给伺服驱动器10。

本发明所述动态精密离心机系统及其测试方法，其中精密离心机1、旋转伺服电机2、滚珠丝杠副4、位移反馈器、集流环3(动力滑环与信号滑环)、伺服驱动器10、测控计算机11等设备部件均为不同领域的公开仪器与设备，将这些设备以圆盘式精密离心机1为结构基础，组装成本发明的动态精密离心机系统。针对不同精度等级要求的惯导加速度计或惯性元器件标定，所选用的仪器设备与设计制造的结构部件应满足相应等级指标要求。

本发明所述动态精密离心机系统及其测试方法，影响系统性能的主要因素如下：

1)精密离心机1最大转速ω_max；(rad/s)

2)试件7最小旋转半径R_min、最大旋转半径R_max；(m)

3)旋转伺服电机2——滚珠丝杠副4系统的最大运动速度V_max；(m/s)

4)旋转伺服电机2——滚珠丝杠副4系统的最大加速度a_max；(m/s²)

5)旋转伺服电机2——滚珠丝杠副4系统的位移控制分辨率u_S；(m)

6)旋转伺服电机2——滚珠丝杠副4系统的线速度控制分辨率u_V；(m/s)

7)旋转伺服电机2——滚珠丝杠副4系统的最大出力F_max；(N)

8)单边试件安装平台8及夹具质量m。(kg)

对应的系统主要性能指标如下：

1)系统加速度最大输出范围：(调整精密离心机1转速可获得不同的系统加速度输出范围)；

2)系统输出加速度最大增率：(调整精密离心机1转速可获得不同的系统输出加速度最大增率)；

3)系统输出加速度曲线的最大曲率：(调整精密离心机1转速可获得不同的系统输出加速度曲线的最大曲率)；

4)系统输出加速度的相对分辨率：u_S/(R_max-R_min)；

5)系统输出加速度增率的相对分辨率：u_V/V_max；

6)系统可安装的单边试件极限质量：(为确保系统具备足够的动态加速度加载能力，应确保一定的系统出力冗余度)。

本发明所述动态精密离心机系统的测试方法包括以下步骤：

A1：将两个被测试件7分别安装在两个试件安装平台8上，并利用专用安装夹具进行固定，测量试件中心与位移反馈器反馈点的距离，以便在其后实验过程中基于该测量结果对位移反馈器所得位移反馈量进行补偿，获得被测试件的真实旋转半径；

A2：根据动态精密离心实验所要求的加速度曲线，设定精密离心机1的工作转速，确保系统通过调整被测试件7的旋转半径使加载到被测试件上的加速度范围能够覆盖动态精密离心实验所要求的加速度曲线；

A3：驱动精密离心机1按照预定工作转速运行；

A4：根据动态精密离心实验所要求的加速度曲线a(t)，计算出对应的被测试件7旋转半径变化曲线R(t)，以此作为旋转伺服电机2和滚珠丝杠副4构成的传动系统的位移指令；

A5：通过控制旋转伺服电机2的旋转驱动丝杠副系统按照被测试件7旋转半径变化曲线R(t)完成被测试件的旋转半径调节，从而得到动态精密离心实验所要求的加速度曲线a(t)。

其中确保加速度范围能够覆盖动态精密离心实验所要求的加速度曲线的方法包括以下步骤：

B1：根据动态精密离心实验所要求的加速度曲线确定试件所受的最大离心加速度值a_max；

B2：根据动态精密离心实验系统所能达到的最大有效工作半径R_max计算出离心机系统所需要的工作转速

如果位移反馈器选用直线光栅尺5，则由于直线光栅尺5会因加速度场的影响产生形变，要消除形变影响，可采用已标定好的高精度加速度传感器在特定转速下，通过加速度及离心机转速实测值反算试件安装半径的方法得到直线光栅尺5在加速度场环境下的形变放大系数，并通过补偿修正尽可能降低直线光栅尺5在加速度场环境下的形变影响。

本发明所述动态精密离心机系统及其测试方法的关键点如下：

1)在传统的精密离心机1上增加被测试件7有效旋转半径调节机构，在开展动态精密离心实验过程中精密离心机1转速保持不变，仅通过调节被测试件7的有效旋转半径来获取实验要求的加速度曲线；

2)将离心机系统的加速度场调节方式由传统的控制转速变为控制被测试件7有效旋转半径，由此将控制目标(系统转速、旋转半径)与加速度场的对应关系从2次平方的非线性关系转变为1次乘积的线性关系；

3)运动组件沿精密离心机1转盘中轴线对称布置，两部丝杠副组件反向安装，系统仅用一台旋转伺服电机2驱动即可同步控制两个试件安装平台8的位移运动，从而始终保持系统的配平状态。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种动态精密离心机系统，包括机壳、精密离心机和测控计算机，其特征在于：还包括旋转伺服电机、两个试件安装平台和两个用于检测所述试件安装平台位置的位移反馈器，所述精密离心机的转盘上固定安装有整流罩，所述旋转伺服电机安装在所述精密离心机的转盘中心，所述旋转伺服电机通过集流环连接有伺服驱动器，所述伺服驱动器与所述测控计算机连接，所述旋转伺服电机两端的转矩输出轴对称连接有螺旋方向相反的滚珠丝杠副，两个所述试件安装平台分别安装在所述旋转伺服电机两端的所述滚珠丝杠副上，所述试件安装平台与所述滚珠丝杠副螺旋传动连接。

2.根据权利要求1所述的动态精密离心机系统，其特征在于：所述旋转伺服电机、所述滚珠丝杠副、所述位移反馈器和所述试件安装平台均置于所述整流罩内，所述集流环的固定端固定安装在所述机壳上，所述集流环的转动端与所述整流罩的中心固定连接，所述整流罩、所述集流环的转动端和所述精密离心机的转盘一起转动或静止。

3.根据权利要求1所述的动态精密离心机系统，其特征在于：所述旋转伺服电机为双轴输出电机。

4.根据权利要求1所述的动态精密离心机系统，其特征在于：所述测控计算机和所述伺服驱动器均布置在地面。

5.根据权利要求1所述的动态精密离心机系统，其特征在于：所述位移反馈器为直线光栅尺，所述直线光栅尺平铺在所述精密离心机的转盘上并位于所述滚珠丝杠副的下方，所述直线光栅尺与所述滚珠丝杠副的传动方向平行，两个所述试件安装平台分别对应一根所述直线光栅尺，两根所述直线光栅尺的光栅读数头分别设置在两个所述试件安装平台上，两个所述光栅读数头的位移数据输出端分别与所述集流环的两个位移数据输入端连接，所述整流罩顶部的内侧壁设置有用于布置所述光栅读数头的通信线的线管。

6.根据权利要求1所述的动态精密离心机系统，其特征在于：所述位移反馈器为激光位移传感器，两个所述试件安装平台分别对应一个所述激光位移传感器，两个所述激光位移传感器的激光探头均安装在所述旋转伺服电机上，两个所述激光位移传感器的反射板分别安装在两个所述试件安装平台上，每个所述激光位移传感器的激光探头和反射板均对正。

7.一种动态精密离心机系统的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

A1：将两个被测试件分别安装在两个所述试件安装平台上，并利用专用安装夹具进行固定，测量试件中心与位移反馈器反馈点的距离，以便在其后实验过程中基于该测量结果对位移反馈器所得位移反馈量进行补偿，获得被测试件的真实旋转半径；

A2：根据动态精密离心实验所要求的加速度曲线，设定所述精密离心机的工作转速，确保系统通过调整被测试件的旋转半径使加载到被测试件上的加速度范围能够覆盖动态精密离心实验所要求的加速度曲线；

A3：驱动所述精密离心机按照预定工作转速运行；

A4：根据动态精密离心实验所要求的加速度曲线a(t)，计算出对应的被测试件旋转半径变化曲线R(t)，以此作为所述旋转伺服电机和所述滚珠丝杠副构成的传动系统的位移指令；

A5：通过控制所述旋转伺服电机的旋转驱动丝杠副系统按照被测试件旋转半径变化曲线R(t)完成被测试件的旋转半径调节，从而得到动态精密离心实验所要求的加速度曲线a(t)。

8.根据权利要求7所述的动态精密离心机系统，其特征在于：确保加速度范围能够覆盖动态精密离心实验所要求的加速度曲线的方法包括以下步骤：

B1：根据动态精密离心实验所要求的加速度曲线确定试件所受的最大离心加速度值a_max；

B2：根据动态精密离心实验系统所能达到的最大有效工作半径R_max计算出离心机系统所需要的工作转速