CN111075898B - 低阻尼转动装置及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低阻尼转动装置及其操作方法，所述低阻尼转动装置包括转动部及固定部，其中：所述转动部包括一垂直放置的转动轴和固定于所述转动轴上的磁铁模块；所述固定部包括位于所述转动轴上方的第一永磁体和第一宝石轴承，以及位于所述转动轴下方的第二宝石轴承；所述转动轴被所述第一宝石轴承和所述第二宝石轴承夹持转动；所述磁铁模块与所述第一永磁体产生吸引力，通过调节所述第一永磁体的垂直位置，以调节所述转动轴对所述第二宝石轴承的压力。

Description

低阻尼转动装置及其操作方法

技术领域

本发明涉及精密力学技术领域，特别涉及一种低阻尼转动装置及其操作方法。

背景技术

低阻尼转动装置，如轴承、超导磁悬浮等较多应用于精密机械、航空航天等领域，其发展对降低能耗，高精度加工、提升测试设备性能等方面有重要作用。

常用的低阻尼转动装置通常采用接触式的传统转动轴承或非接触式的如超导磁悬浮转动机构来实现。传统轴承通过滚动体的自转或公转运动，降低旋转物体与固定体之间的相对摩擦阻力，来达到减少能量损耗的目的。使用该类轴承时，旋转物体与固定体之间的摩擦阻力矩难以下降至1μN·m以下的水平。使用非接触式的轴承装置，如超导磁悬浮轴承时，可以达到相对较小的摩擦阻力水平，如一般超导磁悬浮转动装置的阻尼可低至数十μN·m甚至1μN·m以下。然而，超导磁悬浮转动装置中产生强磁的超导线圈需工作在数十开尔文的低温条件下，因而需要配套液氦等低温冷却装置，使得装置整体结构复杂、制造及使用成本较高。因此，在对摩擦阻尼的要求小于1μN·m的应用领域，常规的转动轴承和超导磁悬浮轴承都有较为明显的不足，需研发新的低阻尼的转动装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低阻尼转动装置及其操作方法，以解决现有的低阻尼转动装置难以实现的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种低阻尼转动装置，所述低阻尼转动装置包括转动部及固定部，其中：

所述转动部包括一垂直放置的转动轴和固定于所述转动轴上的磁铁模块；

所述固定部包括位于所述转动轴上方的第一永磁体和第一宝石轴承，以及位于所述转动轴下方的第二宝石轴承；

所述转动轴被所述第一宝石轴承和所述第二宝石轴承夹持转动；

所述磁铁模块与所述第一永磁体产生吸引力，通过调节所述第一永磁体的垂直位置，以调节所述转动轴对所述第二宝石轴承的压力。

可选的，在所述的低阻尼转动装置中，所述低阻尼转动装置还包括喷气装置，其中：

所述喷气装置用于触发所述转动部和所述固定部之间发生相对位移。

可选的，在所述的低阻尼转动装置中，所述低阻尼转动装置还包括位置传感器，其中：

所述位置传感器用于测量所述转动部和所述固定部之间相对位移的状态。

可选的，在所述的低阻尼转动装置中，所述转动部还包括固定于所述转动轴上的靶材夹持装置和配平滑块，其中：

所述靶材夹持装置通过螺栓紧固所述配平滑块与靶材，并使所述配平滑块与所述靶材分别位于所述转动轴的两侧，以所述转动轴为重心保持平衡。

可选的，在所述的低阻尼转动装置中，所述第一宝石轴承和所述第二宝石轴承均具有一转轴支撑凹面，所述转动轴的两端均具有针尖，所述针尖在所述转轴支撑凹面内滑动；

所述第一宝石轴承和所述第二宝石轴承为红宝石或石英玻璃制成的凹面镜、凹透镜或凹面轴承。

可选的，在所述的低阻尼转动装置中，所述固定部还包括第一位移平台、第一金属夹具、第二金属夹具和弹性垫片，其中：

所述第一位移平台用于调节所述第一永磁体的位置，并夹持所述第一永磁体；

所述第一金属夹具用于固定所述第一宝石轴承，所述第二金属夹具用于固定所述第二宝石轴承；

所述第一宝石轴承和所述第二宝石轴承的相对高度发生变化时，所述弹性垫片用于对所述第一宝石轴承产生沿垂直方向的弹性作用力，以调节所述转动轴与所述第一宝石轴承之间压力。

可选的，在所述的低阻尼转动装置中，所述磁铁模块包括第二永磁体和磁性杆，其中：

所述第二永磁体和所述磁性杆构成所述转动轴的一部分，所述第二永磁体对所述磁性杆进行磁化，以使所述磁性杆具有磁性，并与所述第一永磁体产生吸引力。

可选的，在所述的低阻尼转动装置中，所述固定部还包括第二位移平台，所述第二宝石轴承安装在所述第二位移平台上，在所述第一永磁体与所述磁铁模块产生的吸引力保持不变时，通过调节所述第二位移平台以控制所述转动轴与所述第一宝石轴承和所述第二宝石轴承的压力。

本发明还提供一种如上所述的低阻尼转动装置的操作方法，包括：

所述低阻尼转动装置放置于大气环境中，在所述转动部静止状态下，所述喷气装置喷出的气流吹向所述转动部，所述气流产生的力矩使所述转动部开始旋转，获得所述转动部的初始角速度；或

所述低阻尼转动装置放置于真空室中，所述喷气装置包括高压气瓶、电磁截止阀及软质气管，将所述高压气瓶的出气口连接电磁截止阀，使所述电磁截止阀连接所述软质气管，所述软质气管连接所述真空室，所述软质气管与所述真空室的连接处为喷气口；

在所述转动部静止状态下，所述高压气瓶的出气口喷出气流，所述气流通过所述电磁截止阀后，经过所述软质气管进入所述真空室，在所述真空室内，通过所述喷气口对所述转动部进行脉冲式喷气或连续喷气，使所述气流推动所述转动部达到所需的初始旋转角速度。

本发明还提供一种如上所述的低阻尼转动装置的操作方法，包括：

激光传感器测量所述转动部的转速；

使所述激光传感器的探测光路平行于所述转动轴；

所述转动轴旋转时，使所述靶材夹持装置或靶材穿过所述探测光路；

当所述靶材转动至能够遮挡所述探测光路的位置时，所述激光传感器的输出信号发生改变；

所述激光传感器记录输出信号发生改变的时间，得到改变时间，由所述激光传感器输出所述改变时间的变化情况，以得到所述转动部在不同时刻的位置、角速度及角加速度信息。

在本发明提供的低阻尼转动装置及其操作方法中，通过转动轴上的磁铁模块与转动轴上方固定部的第一永磁体产生吸引力，且精密调节第一永磁体的垂直位置，可减小转动部对第一宝石轴承的转轴支撑凹面的压力，从而达到减小转动摩擦阻力矩的目的。

本发明提供的低阻尼转动装置可用于测量航天推进器的微小冲量，如激光、离子和冷气推进器μN·s量级的冲量。本发明利用具有光滑表面的硬质凹面体(如红宝石凹面轴承、石英玻璃或其它硬质材料制成的凹面镜或凹透镜，本说明书中后续测试选用了红宝石凹面轴承)作为转轴支撑凹面，成为固定部与转动部的转轴顶端相接触，通过减少转动轴与固定部的接触面积，降低固定部对转动轴的摩擦阻尼。此外，本发明利用转动轴上方的第一永磁体对转动部产生的磁吸力抵消转动部的重力，从而减小沿转动轴轴线方向施加在第二宝石轴承上的压力，减小第二宝石轴承对转动轴的摩擦阻力。使用本发明提出的低阻尼转动装置时，摩擦阻力矩可以低至0.01μN·m量级，达到与超导磁悬浮转动机构的低阻尼水平，远低于现有技术的接触式轴承装置的摩擦阻尼。该装置可能应用于对航天微推力器μN·s量级微冲量的高精度测量。

附图说明

图1是本发明一实施例的低阻尼转动装置示意图；

图2～3是本发明一实施例的低阻尼转动装置转动部的角速度随时间下降曲线示意图；

图4～5是本发明一实施例的低阻尼转动装置转动部的摩擦力矩随时间变化曲线示意图；

图中所示：1-第一位移平台；2-第一永磁体；3-第一金属夹具；4-弹性垫片；5-第一宝石轴承；6-第二永磁体；7-转动轴；8-靶材夹持装置；9-配平滑块；10-靶材；11-第二宝石轴承；12-第二位移平台。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的低阻尼转动装置及其操作方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于提供一种低阻尼转动装置及其操作方法，以解决现有的低阻尼转动装置难以实现的问题。

为实现上述思想，本发明提供了一种低阻尼转动装置及其操作方法，所述低阻尼转动装置包括转动部及固定部，其中：所述转动部包括一垂直放置的转动轴和固定于所述转动轴上的磁铁模块；所述固定部包括位于所述转动轴上方的第一永磁体和第一宝石轴承，以及位于所述转动轴下方的第二宝石轴承；所述转动轴被所述第一宝石轴承和所述第二宝石轴承夹持转动；所述磁铁模块与所述第一永磁体产生吸引力，通过调节所述第一永磁体的垂直位置，以调节所述转动轴对所述第二宝石轴承的压力。

<实施例一>

本实施例提供一种低阻尼转动装置，如图1所示，所述低阻尼转动装置包括转动部及固定部，其中：所述转动部包括一垂直放置的转动轴7和固定于所述转动轴7上的磁铁模块；所述固定部包括位于所述转动轴7上方的第一永磁体2和第一宝石轴承5，以及位于所述转动轴7下方的第二宝石轴承11；所述转动轴7被所述第一宝石轴承5和所述第二宝石轴承11夹持转动；所述磁铁模块与所述第一永磁体2产生吸引力，通过调节所述第一永磁体2的垂直位置，以调节所述转动轴7对所述第二宝石轴承11的压力。其中：转动轴7上的磁铁模块与上方固定部布置的第一永磁体2产生吸引力，通过精密调节第一永磁体2的垂直位置，可减小转动部对转轴支撑凹面的压力，从而达到减小转动摩擦阻力矩的目的。

具体的，在所述的低阻尼转动装置中，所述低阻尼转动装置还包括喷气装置，其中：所述喷气装置用于触发所述转动部和所述固定部之间发生相对位移。在所述的低阻尼转动装置中，所述低阻尼转动装置还包括位置传感器，其中：所述位置传感器用于测量所述转动部和所述固定部之间相对位移的状态。

进一步的，在所述的低阻尼转动装置中，所述转动部还包括固定于所述转动轴7上的靶材夹持装置8和配平滑块9，其中：所述靶材夹持装置8通过螺栓紧固所述配平滑块9与靶材10，并使所述配平滑块9与所述靶材10分别位于所述转动轴7的两侧，以所述转动轴7为重心保持平衡。在所述的低阻尼转动装置中，所述第一宝石轴承5和所述第二宝石轴承11均具有一转轴支撑凹面，所述转动轴7的两端均具有针尖，所述针尖在所述转轴支撑凹面内滑动；所述第一宝石轴承5和所述第二宝石轴承11为红宝石或石英玻璃制成的凹面镜、凹透镜或凹面轴承。轴承内的凹面结构使得转动轴与第一(二)宝石轴承的接触位置保持固定。

如图1所示，在所述的低阻尼转动装置中，所述固定部还包括第一位移平台1、第一金属夹具3、第二金属夹具和弹性垫片4，其中：所述第一位移平台1用于调节所述第一永磁体2的位置，并夹持所述第一永磁体2；所述第一金属夹具3用于固定所述第一宝石轴承5，所述第二金属夹具用于固定所述第二宝石轴承11；所述第一宝石轴承5和所述第二宝石轴承11的相对高度发生变化时，所述弹性垫片4用于对所述第一宝石轴承5产生沿垂直方向的弹性作用力，以调节所述转动轴7与所述第一宝石轴承5之间压力。在所述的低阻尼转动装置中，所述磁铁模块包括第二永磁体6和磁性杆，其中：所述第二永磁体6和所述磁性杆构成所述转动轴7的一部分，所述第二永磁体6对所述磁性杆进行磁化，以使所述磁性杆具有磁性，并与所述第一永磁体2产生吸引力。

使用该弹性垫片4，当调节第一(二)宝石轴承相对高度时，第一宝石轴承在转动轴7的支撑力作用下沿竖直方向发生微小位移。弹性垫片对第一宝石轴承产生沿竖直方向的，对应该微小位移的弹性作用力，实现对转轴与轴承之间压力的连续可调，从而可在较大范围内控制转动轴与第一宝石轴承间的摩擦阻力矩，调节转动装置的阻尼。

另外，在所述的低阻尼转动装置中，所述固定部还包括第二位移平台12，所述第二宝石轴承11安装在所述第二位移平台12上，在所述第一永磁体2与所述磁铁模块产生的吸引力保持不变时，通过调节所述第二位移平台12以控制所述转动轴7与所述第一宝石轴承5和所述第二宝石轴承11的压力。在第一永磁体产生的磁吸力一定时，通过调节第二位移平台(三维移动平台)可控制转动轴与上下转轴支撑凹面间的压力，进而实现对转动装置阻尼力矩的精确控制。

在本发明提供的低阻尼转动装置及其操作方法中，通过转动轴7上的磁铁模块与转动轴7上方固定部的第一永磁体2产生吸引力，且精密调节第一永磁体2的垂直位置，可减小转动部对第一宝石轴承5的转轴支撑凹面的压力，从而达到减小转动摩擦阻力矩的目的。

本发明提供的低阻尼转动装置可用于测量航天推进器的微小冲量，如激光、离子和冷气推进器μN·s量级的冲量。本发明利用具有光滑表面的硬质凹面体(如红宝石凹面轴承、石英玻璃或其它硬质材料制成的凹面镜或凹透镜，本说明书中后续测试选用了红宝石凹面轴承)作为转轴支撑凹面，成为固定部与转动部的转轴顶端相接触，通过减少转动轴7与固定部的接触面积，降低固定部对转动轴7的摩擦阻尼。此外，本发明利用转动轴7上方的第一永磁体2对转动部产生的磁吸力抵消转动部的重力，从而减小沿转动轴7轴线方向施加在第二宝石轴承11上的压力，减小第二宝石轴承11对转动轴7的摩擦阻力。使用本发明提出的低阻尼转动装置时，摩擦阻力矩可以低至0.01μN·m量级，达到与超导磁悬浮转动机构的低阻尼水平，远低于现有技术的接触式轴承装置的摩擦阻尼。该装置可能应用于对航天微推力器μN·s量级微冲量的高精度测量。

综上，上述实施例对低阻尼转动装置的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。

<实施例二>

本实施例提供一种如上一实施例所述的低阻尼转动装置的操作方法，包括：根据实际需求安装靶材10，并通过螺钉旋钮与靶材夹持装置8紧固，调节配平滑块9的位置使靶材夹持装置8重量分配平衡。转动轴7安装在第一宝石轴承5和第二宝石轴承11之间后，通过调节第一永磁体2的上下位置使得第一永磁体2对转动轴7的吸引力能较好的抵消转动部自身的重力，减少转动阻尼。

进一步的，所述低阻尼转动装置放置于大气环境中，在所述转动部静止状态下，所述喷气装置喷出的气流吹向所述转动部，所述气流产生的力矩使所述转动部开始旋转，获得所述转动部的初始角速度；或所述低阻尼转动装置放置于真空室中，所述喷气装置包括高压气瓶、电磁截止阀及软质气管，将所述高压气瓶的出气口连接电磁截止阀，使所述电磁截止阀连接所述软质气管，所述软质气管连接所述真空室，所述软质气管与所述真空室的连接处为喷气口；在所述转动部静止状态下，所述高压气瓶的出气口喷出气流，所述气流通过所述电磁截止阀后，经过所述软质气管进入所述真空室，在所述真空室内，通过所述喷气口对所述转动部进行脉冲式喷气或连续喷气，使所述气流推动所述转动部达到所需的初始旋转角速度。

本实施例还提供一种如上一实施例所述的低阻尼转动装置的操作方法，包括：激光传感器测量所述转动部的转速；使所述激光传感器的探测光路平行于所述转动轴7；所述转动轴7旋转时，使所述靶材夹持装置8或靶材穿过所述探测光路；当所述靶材转动至能够遮挡所述探测光路的位置时，所述激光传感器的输出信号发生改变；所述激光传感器记录输出信号发生改变的时间，得到改变时间，由所述激光传感器输出所述改变时间的变化情况，以得到所述转动部在不同时刻的位置、角速度及角加速度信息。

经计算该转动部的转动惯量为7.3×10-7kg·m2，在真空实验(气压小于10-2Pa)环境下，由图2～5可见，测量得到的转动部转速由2.93转/秒下降至2.43转/秒所需的时间约为900秒，对应的摩擦阻力矩为0.0026μN·m；转动部转速由2.36转/秒下降至2.15转/秒所需时间为420秒，对应的摩擦阻力矩为0.0023μN·m。

其中，图2为转速由2.93转/秒下降至2.43转/秒的角速度-时间变化关系，图3为转速由2.36转/秒下降至2.15转/秒的角速度-时间变化关系，粗线为传感器实测值，细线为速度的线性拟合曲线；图4为转速由2.93转/秒下降至2.43转/秒的摩擦力矩-时间变化关系，图5为转速由2.36转/秒下降至2.15转/秒的摩擦力矩-时间变化关系，数据点为传感器实测值，直线为摩擦力矩的线性拟合值。

本发明提出的低阻尼转动装置的摩擦阻力矩极小，可达到0.01μN·m量级，远低于已报道的其他类型的机械式转动装置。图2～3所示的是利用激光传感器测量得到的数据，计算出转动部每转相邻两周的时间差，得出当前时刻的角速度。图4～5是利用角速度随时间变化拟合出的直线的斜率及转动部分的转动惯量，可计算出装置在转动过程中受到的摩擦阻力矩。

本发明提出的低阻尼转动装置的转动摩擦阻力可连续调节。通过上下移动支撑转动轴的三维升降平台，可以压缩弹性垫片4，从而连续调节转动轴7与第一宝石轴承5之间的压力大小，实现对转动轴与第一宝石轴承之间的摩擦阻尼力矩的连续控制。

本发明提出的低阻尼转动装置相对于超导磁悬浮转动装置，对使用环境要求不高，不需要复杂的低温冷却设备，结构简单，制造成本低，易于安装和维护。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种低阻尼转动装置，其特征在于，所述低阻尼转动装置包括转动部及固定部，其中：

所述转动部包括一垂直放置的转动轴和固定于所述转动轴上的磁铁模块；

所述固定部包括位于所述转动轴上方的第一永磁体和第一宝石轴承，以及位于所述转动轴下方的第二宝石轴承；

所述转动轴被所述第一宝石轴承和所述第二宝石轴承夹持转动；

所述磁铁模块与所述第一永磁体产生吸引力，通过调节所述第一永磁体的垂直位置，以调节所述转动轴对所述第二宝石轴承的压力，所述固定部还包括弹性垫片，其中：

所述第一宝石轴承和所述第二宝石轴承的相对高度发生变化时，所述弹性垫片用于对所述第一宝石轴承产生沿垂直方向的弹性作用力，以调节所述转动轴与所述第一宝石轴承之间压力；

用于测量航天推进器的微小冲量，包括激光、离子和冷气推进器μN·s量级的冲量，摩擦阻力矩低至0.01μN·m量级，达到与超导磁悬浮转动机构的低阻尼水平，以低于现有技术的接触式轴承装置的摩擦阻尼，应用于对航天微推力器μN·s量级微冲量的高精度测量。

2.如权利要求1所述的低阻尼转动装置，其特征在于，所述低阻尼转动装置还包括喷气装置，其中：

所述喷气装置用于触发所述转动部和所述固定部之间发生相对位移。

3.如权利要求1所述的低阻尼转动装置，其特征在于，所述低阻尼转动装置还包括位置传感器，其中：

所述位置传感器用于测量所述转动部和所述固定部之间相对位移的状态。

4.如权利要求3所述的低阻尼转动装置，其特征在于，所述转动部还包括固定于所述转动轴上的靶材夹持装置和配平滑块，其中：

所述靶材夹持装置通过螺栓紧固所述配平滑块与靶材，并使所述配平滑块与所述靶材分别位于所述转动轴的两侧，以所述转动轴为重心保持平衡。

5.如权利要求1所述的低阻尼转动装置，其特征在于，所述第一宝石轴承和所述第二宝石轴承均具有一转轴支撑凹面，所述转动轴的两端均具有针尖，所述针尖在所述转轴支撑凹面内滑动；

所述第一宝石轴承和所述第二宝石轴承为红宝石或石英玻璃制成的凹面镜、凹透镜或凹面轴承。

6.如权利要求1所述的低阻尼转动装置，其特征在于，所述固定部还包括第一位移平台、第一金属夹具、第二金属夹具，其中：

所述第一位移平台用于调节所述第一永磁体的位置，并夹持所述第一永磁体；

所述第一金属夹具用于固定所述第一宝石轴承，所述第二金属夹具用于固定所述第二宝石轴承。

7.如权利要求1所述的低阻尼转动装置，其特征在于，所述磁铁模块包括第二永磁体和磁性杆，其中：

所述第二永磁体和所述磁性杆构成所述转动轴的一部分，所述第二永磁体对所述磁性杆进行磁化，以使所述磁性杆具有磁性，并与所述第一永磁体产生吸引力。

8.如权利要求1所述的低阻尼转动装置，其特征在于，所述固定部还包括第二位移平台，所述第二宝石轴承安装在所述第二位移平台上，在所述第一永磁体与所述磁铁模块产生的吸引力保持不变时，通过调节所述第二位移平台以控制所述转动轴与所述第一宝石轴承和所述第二宝石轴承的压力。

9.一种权利要求2所述的低阻尼转动装置的操作方法，其特征在于，包括：

所述低阻尼转动装置放置于大气环境中，在所述转动部静止状态下，所述喷气装置喷出的气流吹向所述转动部，所述气流产生的力矩使所述转动部开始旋转，获得所述转动部的初始角速度；或

所述低阻尼转动装置放置于真空室中，所述喷气装置包括高压气瓶、电磁截止阀及软质气管，将所述高压气瓶的出气口连接电磁截止阀，使所述电磁截止阀连接所述软质气管，所述软质气管连接所述真空室，所述软质气管与所述真空室的连接处为喷气口；

在所述转动部静止状态下，所述高压气瓶的出气口喷出气流，所述气流通过所述电磁截止阀后，经过所述软质气管进入所述真空室，在所述真空室内，通过所述喷气口对所述转动部进行脉冲式喷气或连续喷气，使所述气流推动所述转动部达到所需的初始旋转角速度。

10.一种权利要求4所述的低阻尼转动装置的操作方法，其特征在于，包括：

激光传感器测量所述转动部的转速；

使所述激光传感器的探测光路平行于所述转动轴；

所述转动轴旋转时，使所述靶材夹持装置或靶材穿过所述探测光路；

当所述靶材转动至能够遮挡所述探测光路的位置时，所述激光传感器的输出信号发生改变；

所述激光传感器记录输出信号发生改变的时间，得到改变时间，由所述激光传感器输出所述改变时间的变化情况，以得到所述转动部在不同时刻的位置、角速度及角加速度信息。

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