CN112033275A - 一种基于质心加载的马达轴向间隙测量装置与测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于质心加载的马达轴向间隙测量装置与测量方法，该装置包括测量工装(10)、马达加载机构、径向测量机构、径向微调机构、轴向测量机构(7)、马达轴向旋转机构(11)和马达姿态翻转机构(12)。通过设置马达加载机构，在测量的过程中保证了加载力通过马达的质心；通过对马达径向间隙的测量和精确调整，保证了轴向间隙测量前径向姿态的准确；最终利用重力作用实现了马达轴向间隙的高精度测量，提高了马达生产过程中轴肩环零件的修研合格率和生产效率。本发明中测量装置与测量方法一次装夹操作即可完成轴向间隙测量，实现马达间隙的自动加载、转位和重复测量的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于质心加载的马达轴向间隙测量装置与测量方法，属于航天惯性器件精密检测技术领域。
背景技术
半球型动压气体轴承陀螺电机(半球马达)作为高精度、长寿命陀螺仪表的心脏，其定子组件和转子体之间存在间隙且表面存在沟槽，当转子体旋转时会将外界空气吸入间隙内形成动压力，使转子体表面与定子组件表面脱离接触。其轴承的承载能力主要取决于轴承工作间隙，一般轴向间隙和径向间隙要求2～4μm。装配过程中，通过不断修研马达轴轴肩环的长度来达到调整马达球碗和球头间隙的目的。图1示出半球马达轴向间隙的结构示意图。
目前马达生产过程中，缺乏高精度的轴向间隙测量手段，当测量不准确，带来轴肩环修研过量时造成零件报废。当前的一种方法是依靠高精度三坐标测试仪，对轴承偶件半球和球碗分别进行检测，但存在测量误差较大，且测量周期较长，需要专业检测人员操作等缺点。另一种方法是采用人工的方法针对轴向间隙钩挂砝码，使用电容传感器进行测量，详见中国发明专利“一种半球型动压马达轴承间隙测量装置及方法”，但该专利技术存在加载精度差、测量步骤繁琐等问题。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种基于质心加载的马达轴向间隙测量装置与测量方法，通过设置马达加载机构，在测量的过程中保证了加载力通过马达的质心；通过对马达径向间隙的测量和精确调整，保证了轴向间隙测量前径向姿态的准确；最终利用重力作用实现了马达轴向间隙的高精度测量，提高了马达生产过程中轴肩环零件的修研合格率和生产效率；该装置和方法一次装夹操作即可完成轴向间隙测量，实现马达间隙的自动加载、转位和重复测量的目的，从而完成本发明。
本发明提供了的技术方案如下：
第一方面，一种基于质心加载的马达轴向间隙测量装置，该测量装置包括测量工装、马达加载机构、径向测量机构、径向微调机构、轴向测量机构、马达轴向旋转机构和马达姿态翻转机构；其中，
测量工装为壳体结构，在其内部轴向固定马达，并在壳体上负载马达加载机构、径向测量机构、径向微调机构和轴向测量机构；
马达加载机构包括右重力块和左重力块，右重力块和左重力块为圆环柱体，分别沿马达轴线布置于其右侧和左侧，定位于马达外圆周且与马达间隙配合；
径向测量机构用于测量马达的径向间隙；
径向微调机构用于根据径向测量机构的测量结果调整马达的姿态；
轴向测量机构沿马达的轴线布置，用于测量马达的轴向间隙；
测量工装固定于马达轴向旋转机构上，并由马达轴向旋转机构带动，沿着马达的轴线旋转；
马达轴向旋转机构固定于马达姿态旋转机构上，并由马达姿态旋转机构带动，绕垂直于马达轴线的方向进行旋转。
第二方面，一种基于质心加载的马达轴向间隙测量方法，通过上述第一方面所述的测量装置实施，该测量方法包括以下步骤：
步骤1，将待测量马达装夹在测量工装上，旋转所述马达姿态翻转机构，使马达轴线水平；
步骤2，旋转马达轴向旋转机构，使径向测量机构处于马达轴的正下方，读取数据X1；旋转马达轴向旋转机构，使径向测量机构处于马达轴的正上方，读取数据X2；调整径向微调机构，使得径向测量机构处于马达轴的正下方时，位置数据为(X1+X2)/2±△，其中△为误差允许值，此时完成马达的径向姿态调整；
步骤3，旋转马达姿态翻转机构，使轴向测量机构处于马达轴的轴线正下方，读取数据Z1；旋转马达姿态翻转机构，使轴向测量机构处于马达轴的轴线正上方，读取数据Z2，则Z2-Z1为轴向间隙的测量值。
根据本发明提供的一种基于质心加载的马达轴向间隙测量装置与测量方法，具有以下有益效果：
(1)本发明通过设置重力块加载机构，在测量的过程中保证了加载力通过马达的质心，避免了加载力方向不通过质心，带来的马达倾斜，从而导致的测量结果不准确的问题；
(2)本发明通过对马达径向间隙的测量和精确调整，保证了轴向间隙测量前径向姿态的准确，从而大大提高了轴向间隙的测量精度；
(3)本发明通过改变马达的空间位置，利用重力作用实现了马达轴向间隙的高精度测量，提高了马达生产过程中轴肩环零件的修研合格率和生产效率。
附图说明
图1为本发明待测量半球马达轴向间隙的结构示意图；
图2为本发明一种优选实施方式中测量装置的整体结构示意图；
图3为本发明一种优选实施方式中核心部件空间分布图；
图4为本发明一种优选实施方式中测量工装结构示意图；
图5为本发明一种优选实施方式中径向微调机构剖视图；
图6为本发明一种优选实施方式中马达轴向旋转机构示意图。
附图标号说明
1-右重力块、2-左重力块、3-A径向微调机构、30-微调柱、31-旋转调节螺母、32-螺纹传动块、33-轴向滑动块、34-固定及自锁块、35-锥形抱紧轴套、36-轴向锁紧螺母、4-马达、5-X径向测量机构、6-B径向微调机构、7-轴向测量机构、8-Y径向测量机构、9-C径向微调机构、10-测量工装、101-固定座、102-盖板、11-马达轴向旋转机构、12-马达姿态翻转机构、13-结构平台。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
根据本发明的第一方面，如图2和图3所示，提供了一种基于质心加载的马达轴向间隙测量装置，该测量装置包括测量工装10、马达加载机构、径向测量机构、径向微调机构、轴向测量机构7、马达轴向旋转机构11和马达姿态翻转机构12；其中，
测量工装10为壳体结构，在其内部轴向固定马达4，并在壳体上负载马达加载机构、径向测量机构、径向微调机构和轴向测量机构7；
马达加载机构包括右重力块1和左重力块2，右重力块1和左重力块2为圆环柱体，分别沿马达4轴线布置于其右侧和左侧，定位于马达4外圆周且与马达4间隙配合；
径向测量机构用于测量马达4的径向间隙；
径向微调机构用于根据径向测量机构的测量结果调整马达4的姿态；
轴向测量机构7沿马达4的轴线布置，用于测量马达4的轴向间隙；
测量工装10固定于马达轴向旋转机构11上，并由马达轴向旋转机构11带动，沿着马达4的轴线旋转；
马达轴向旋转机构11固定于马达姿态旋转机构12上，并由马达姿态旋转机构12带动，绕垂直于马达4轴线的方向进行旋转。
在本发明中，如图4所示，测量工装10为分体式壳体结构，包括固定座101和盖板102，固定座101为具有开口结构的壳体，固定座101具有两相对侧壁且该侧壁为开设V型槽的V型块，V型槽用于固定马达4的马达轴；盖板102封闭或部分封闭固定座101的开口；固定座101和盖板102的外壁上固定径向测量机构、径向微调机构、轴向测量机构7。
在本发明中，所述径向测量机构包括X径向测量机构5和Y径向测量机构8，均沿马达4的径向(即垂直于马达4圆周的方向)布置。
进一步地，所述径向测量机构可以选择电感测微仪，电感测微仪的测头固定在测量工装10上，进行马达4径向间隙的测量。
更进一步地，所述径向测量机构的测量分辨率为0.1μm-0.01μm。
在本发明中，所述轴向测量机构7可以选择电感测微仪，电感测微仪的测头固定在测量工装10上，进行马达4轴向间隙的测量。
进一步地，所述轴向测量机构7的测量分辨率为0.1μm-0.01μm。
在本发明中，如图2和图3所示，所述径向微调机构包括A径向微调机构3、B径向微调机构6、以及C径向微调机构9，均沿马达4的径向(即垂直于马达4圆周的方向)布置。
进一步地，A径向微调机构3、B径向微调机构6、以及C径向微调机构9之间的夹角相同/相近。
在发明中，如图5所示，径向微调机构包括微调柱30、旋转调节螺母31、螺纹传动块32、轴向滑动块33、固定及自锁块34、锥形抱紧轴套35和轴向锁紧螺母36；其中，
固定及自锁块34为径向微调机构的中空壳体，用于将径向微调机构固定在测量工装10上，与测量工装10接触端不封闭，另一端收缩成端孔；
螺纹传动块32外壁加工有凸环，固定及自锁块34的端孔搭接在凸环上沿；
螺纹传动块32的凸环上段套设有旋转调节螺母31，两者在侧面通过顶丝固定；
螺纹传动块32的凸环下端开设螺纹，轴向滑动块33的上端开设凹槽，凹槽内壁带螺纹，螺纹传动块32插入轴向滑动块33的凹槽中与其螺纹连接；
微调柱30包括接触头和杆身，接触头依次穿过螺纹传动块32和轴向滑动块33的轴心；
轴向滑动块33的末端通过插入轴向滑动块33的锥形抱紧轴套35将其与微调柱30紧密连接，并通过套设在轴向滑动块33末端且与其螺纹连接的轴向锁紧螺母36固紧，这样通过旋转调节螺母31，联动至微调柱30，对马达壳体中心实施微调，保证轴向间隙测量过程中壳体的同轴度。
在一种优选的实施方式中，径向微调机构可以为一组微调柱30、旋转调节螺母31、螺纹传动块32、轴向滑动块33、固定及自锁块34、锥形抱紧轴套35和轴向锁紧螺母36连接而成的机构，或者两组微调柱30、旋转调节螺母31、螺纹传动块32、轴向滑动块33、固定及自锁块34、锥形抱紧轴套35和轴向锁紧螺母36连接而成的机构，优选为两组微调柱30、旋转调节螺母31、螺纹传动块32、轴向滑动块33、固定及自锁块34、锥形抱紧轴套35和轴向锁紧螺母36连接而成的机构，两个微调柱30分别对应于右重力块1和左重力块2，利于准确调节马达姿态。
在一种优选的实施方式中，固定及自锁块34为分体式结构，以多块体组合方式将微调柱30、螺纹传动块32、轴向滑动块33、固定及自锁块34、锥形抱紧轴套35和轴向锁紧螺母36抱紧在其内部，块体之间通过螺纹连接件连接。
在一种优选的实施方式中，所述径向微调机构微调柱30的前端接触头为圆柱式或圆珠式.。
在本发明中，如图2和图6所示，马达轴向旋转机构11包括对称的U形框架、两段转轴、同轴电机和轴承，U形框架两端通过轴承分别连接两段转轴，两段转轴的另一端均固定在测量工装10上，两转轴与马达轴平行，同轴电机与其中一段转轴连接，通过转轴转动带动测量工装10和测量工装10内的马达4沿其轴线旋转。
在一种优选的实施方式中，如图6所示，由于轴向测量机构7需要沿马达4的轴线布置，以测量马达4的轴向间隙，为节约空间且便于安装，一段/两段转轴连接测量工装10的一端沿其长度方向上开设有容纳轴向测量机构7探测部件(测头)的槽体，便于轴向测量机构7的测头安装在测量工装10上。
在本发明中，如图2所示，马达姿态翻转机构12为三爪卡盘结构。
在本发明中，所述马达轴线间隙的测量装置还包括结构平台13，结构平台13包括承重台和带动马达姿态翻转机构12旋转的电机，承重台用于支撑该装置的其他结构，电机安装在承重台上设定高度，使马达姿态旋转机构12翻转时不受承重台结构干扰。
在本发明中，所述马达轴线间隙的测量装置还包括控制系统，该控制系统用于实现测量装置的自动化功能，控制系统控制径向微调机构对马达进行自动化加载，控制马达轴向旋转机构11和马达姿态翻转机构12实施径向测量机构和轴向测量机构7的位姿自动调整，并实施测试过程和测量结果的数据记录。
根据本发明的第二方面，提供了一种基于质心加载的马达轴向间隙测量方法，通过上述第一方面所述的测量装置实施，该测量方法包括以下步骤：
步骤1，将待测量马达4装夹在测量工装10上，旋转所述马达姿态翻转机构12，使马达4轴线水平；
步骤2，旋转马达轴向旋转机构11，使径向测量机构处于马达轴的正下方，读取数据X1；旋转马达轴向旋转机构11，使径向测量机构处于马达轴的正上方，读取数据X2；调整径向微调机构，使得径向测量机构处于马达轴的正下方时，位置数据为(X1+X2)/2±△，其中△为误差允许值，此时完成马达4的径向姿态调整；
步骤3，旋转马达姿态翻转机构12，使轴向测量机构7处于马达轴的轴线正下方，读取数据Z1；旋转马达姿态翻转机构12，使轴向测量机构7处于马达轴的轴线正上方，读取数据Z2，则Z2-Z1为轴向间隙的测量值。
步骤4，测量完毕，将待测量马达4从测量工装10上取下。
在本发明中，当径向测量机构包括X径向测量机构5和Y径向测量机构8，且均沿马达4的径向布置时，步骤2包括如下子步骤：
子步骤2-1，旋转马达轴向旋转机构11，使X径向测量机构5处于马达轴的正下方，读取数据X1；旋转马达轴向旋转机构11，使X径向测量机构5处于马达轴的正上方，读取数据X2；调整径向微调机构，使得X径向测量机构5处于马达轴的正下方时，位置数据为(X1+X2)/2±△，其中△为误差允许值；
子步骤2-2，旋转马达轴向旋转机构11，使Y径向测量机构8处于马达轴的正下方，读取数据Y1；旋转马达轴向旋转机构11，使Y径向测量机构8处于所述的半球马达轴的正上方，读取数据Y2；调整径向微调机构，使得Y径向测量机构8处于马达轴的正下方时，位置数据为(Y1+Y2)/2±△，其中△为误差允许值，此时完成马达4的径向姿态调整。
采用本发明提供的马达轴向间隙的测量装置及方法可以实现半球马达的轴向间隙测量，如对于直径30mm半球马达，可以实现2-4μm微小间隙测量。具体参数，左重力块质量50g，右重力块质量50g，X径向测量机构和Y径向测量机构测量精度0.1μm，马达姿态翻转机构分度精度为±50′，马达轴向旋转机构分度精度为±50′，轴向测量机构测头分辨率0.01μm，最终轴向间隙的测量重复性可以达到±0.2μm。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (16)
1.一种基于质心加载的马达轴向间隙测量装置，其特征在于，该测量装置包括测量工装(10)、马达加载机构、径向测量机构、径向微调机构、轴向测量机构(7)、马达轴向旋转机构(11)和马达姿态翻转机构(12)；其中，
测量工装(10)为壳体结构，在其内部轴向固定马达(4)，并在壳体上负载马达加载机构、径向测量机构、径向微调机构和轴向测量机构(7)；
马达加载机构包括右重力块(1)和左重力块(2)，右重力块(1)和左重力块(2)为圆环柱体，分别沿马达(4)轴线布置于其右侧和左侧，定位于马达(4)外圆周且与马达(4)间隙配合；
径向测量机构用于测量马达(4)的径向间隙；
径向微调机构用于根据径向测量机构的测量结果调整马达(4)的姿态；
轴向测量机构(7)沿马达(4)的轴线布置，用于测量马达(4)的轴向间隙；
测量工装(10)固定于马达轴向旋转机构(11)上，并由马达轴向旋转机构(11)带动，沿着马达(4)的轴线旋转；
马达轴向旋转机构(11)固定于马达姿态旋转机构(12)上，并由马达姿态旋转机构(12)带动，绕垂直于马达(4)轴线的方向进行旋转。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，测量工装(10)为分体式壳体结构，包括固定座(101)和盖板(102)，固定座(101)为具有开口结构的壳体，固定座(101)具有两相对侧壁且该侧壁为开设V型槽的V型块，V型槽用于固定马达(4)的马达轴；盖板(102)封闭或部分封闭固定座(101)的开口；固定座(101)和盖板(102)的外壁上固定径向测量机构、径向微调机构、轴向测量机构(7)。
3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述径向测量机构包括X径向测量机构(5)和Y径向测量机构(8)，均沿马达(4)的径向布置；
X径向测量机构(5)和Y径向测量机构(8)均选用电感测微仪，电感测微仪的测头固定在测量工装(10)上，进行马达(4)径向间隙的测量。
4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述径向微调机构包括A径向微调机构(3)、B径向微调机构(6)、以及C径向微调机构(9)，均沿马达(4)的径向布置。
5.根据权利要求4所述的测量装置，其特征在于，A径向微调机构(3)、B径向微调机构(6)、以及C径向微调机构(9)之间的夹角相同。
6.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，径向微调机构包括微调柱(30)、旋转调节螺母(31)、螺纹传动块(32)、轴向滑动块(33)、固定及自锁块(34)、锥形抱紧轴套(35)和轴向锁紧螺母(36)；其中，
固定及自锁块(34)为径向微调机构的中空壳体，用于将径向微调机构固定在测量工装(10)上，与测量工装(10)接触端不封闭，另一端收缩成端孔；
螺纹传动块(32)外壁加工有凸环，固定及自锁块(34)的端孔搭接在凸环上沿；
螺纹传动块(32)的凸环上段套设有旋转调节螺母(31)，两者在侧面通过顶丝固定；
螺纹传动块(32)的凸环下端开设螺纹，轴向滑动块(33)的上端开设凹槽，凹槽内壁带螺纹，螺纹传动块(32)插入轴向滑动块(33)的凹槽中与其螺纹连接；
微调柱(30)包括接触头和杆身，接触头依次穿过螺纹传动块(32)和轴向滑动块(33)的轴心；
轴向滑动块(33)的末端通过插入轴向滑动块(33)的锥形抱紧轴套(35)将其与微调柱(30)紧密连接，并通过套设在轴向滑动块(33)末端且与其螺纹连接的轴向锁紧螺母(36)固紧，这样通过旋转调节螺母(31)，联动至微调柱(30)，对马达壳体中心实施微调。
7.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于，径向微调机构为一组微调柱(30)、旋转调节螺母(31)、螺纹传动块(32)、轴向滑动块(33)、固定及自锁块(34)、锥形抱紧轴套(35)和轴向锁紧螺母(36)连接而成的机构。
8.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于，径向微调机构为两组微调柱(30)、旋转调节螺母(31)、螺纹传动块(32)、轴向滑动块(33)、固定及自锁块(34)、锥形抱紧轴套(35)和轴向锁紧螺母(36)连接而成的机构，两个微调柱(30)分别对应于右重力块(1)和左重力块(2)。
9.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于，所述径向微调机构微调柱(30)的前端接触头为圆柱式或圆珠式。
10.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，马达轴向旋转机构(11)包括对称的U形框架、两段转轴、同轴电机和轴承，U形框架两端通过轴承分别连接两段转轴，两段转轴的另一端均固定在测量工装(10)上，两转轴与马达轴平行，同轴电机与其中一段转轴连接，通过转轴转送带动测量工装(10)和测量工装(10)内的马达(4)沿其轴线旋转。
11.根据权利要求10所述的测量装置，其特征在于，转轴连接测量工装(10)的一端沿其长度方向上开设有容纳轴向测量机构(7)探测部件的槽体。
12.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，马达姿态翻转机构(12)为三爪卡盘结构。
13.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述马达轴线间隙的测量装置还包括结构平台(13)，结构平台(13)包括承重台和带动马达姿态翻转机构(12)旋转的电机，承重台用于支撑该装置的其他结构，电机安装在承重台上设定高度。
14.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述马达轴线间隙的测量装置还包括控制系统，该控制系统控制径向微调机构对马达进行自动化加载，控制马达轴向旋转机构(11)和马达姿态翻转机构(12)实施径向测量机构和轴向测量机构(7)的位姿自动调整，并实施测试过程和测量结果的数据记录。
15.一种基于质心加载的马达轴向间隙测量方法，其特征在于，通过上述权利要求1至14之一所述的测量装置实施，包括以下步骤：
步骤1，将待测量马达(4)装夹在测量工装(10)上，旋转所述马达姿态翻转机构(12)，使马达(4)轴线水平；
步骤2，旋转马达轴向旋转机构(11)，使径向测量机构处于马达轴的正下方，读取数据X1；旋转马达轴向旋转机构(11)，使径向测量机构处于马达轴的正上方，读取数据X2；调整径向微调机构，使得径向测量机构处于马达轴的正下方时，位置数据为(X1+X2)/2±△，其中△为误差允许值，此时完成马达(4)的径向姿态调整；
步骤3，旋转马达姿态翻转机构(12)，使轴向测量机构(7)处于马达轴的轴线正下方，读取数据Z1；旋转马达姿态翻转机构(12)，使轴向测量机构(7)处于马达轴的轴线正上方，读取数据Z2，则Z2-Z1为轴向间隙的测量值。
16.根据权利要求15所述的测量方法，其特征在于，当径向测量机构包括X径向测量机构(5)和Y径向测量机构(8)，且均沿马达(4)的径向布置时，步骤2包括如下子步骤：
子步骤2-1，旋转马达轴向旋转机构(11)，使X径向测量机构(5)处于马达轴的正下方，读取数据X1；旋转马达轴向旋转机构(11)，使X径向测量机构(5)处于马达轴的正上方，读取数据X2；调整径向微调机构，使得X径向测量机构(5)处于马达轴的正下方时，位置数据为(X1+X2)/2±△，其中△为误差允许值；
子步骤2-2，旋转马达轴向旋转机构(11)，使Y径向测量机构(8)处于马达轴的正下方，读取数据Y1；旋转马达轴向旋转机构(11)，使Y径向测量机构(8)处于所述的半球马达轴的正上方，读取数据Y2；调整径向微调机构，使得Y径向测量机构(8)处于马达轴的正下方时，位置数据为(Y1+Y2)/2±△，其中△为误差允许值，此时完成马达(4)的径向姿态调整。
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