CN112946472A - 一种动压气浮马达健康状态评估装置及方法 - Google Patents

一种动压气浮马达健康状态评估装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种动压气浮马达健康状态评估装置及方法，装置包括测试平台以及设置在测试平台上的驱动电源、线路切换单元、动压气浮马达、信号预处理单元以及工控计算机，驱动电源和信号预处理单元分别通过线路切换单元与动压气浮马达电性连接，线路切换单元用于导通驱动电源与动压气浮马达之间的线路或者导通信号预处理单元与动压气浮马达之间的线路；信号预处理单元与工控计算机通信连接；动压气浮马达上设置有振动加速度传感器，振动加速度传感器与信号预处理单元电性连接。本发明结构简单，使用方便，能够通过线路切换单元实现驱动工作状态和惯性运动状态的线路切换，获得动压气浮马达的时间状态特性，进而为进行健康状态评估提供依据。

Description

一种动压气浮马达健康状态评估装置及方法
技术领域
本发明涉及惯性仪表技术领域，特别是涉及一种动压气浮马达健康状态评估装置及方法。
背景技术
现有技术中，关于动压气浮马达的技术有北京航天控制仪器研究的申茂冬等人提出的发明专利“一种三浮惯性仪表浮子跑合设备”，专利号201910636015.X，采用自动化控制的手段取代人工操作，实现了跑合的定时自动启动与停止、跑合过程数据的自动采集与记录；2017年哈尔滨工业大学的杨光伟在他的博士论文“陀螺仪气浮轴承-转子系统动力学特性研究”中，设计了半球和球形螺旋槽动压轴承的试验方案，完成了半球和球形螺旋槽轴承实验台的结构设计、试验件的加工和测试系统的搭建，测试了半球螺旋槽轴承在不同转速和起浮高度下的承载力，对球形螺旋槽轴承在自重条件下起浮高度和转速的关系进行了测量；2011年哈尔滨工业大学的刘晶石在博士论文“气浮陀螺仪干扰力矩影响因素研究”中，分析了气浮陀螺仪涡流力矩影响因素，包括加工误差、装配误差、表面粗糙度、压力和结构尺寸等因素，提出了控制气浮陀螺仪涡流力矩的技术方法以及各个影响因素的合理取值范围，研究了变化温度场中热应力和热变形对气浮陀螺仪浮子组件质心稳定性的影响规律，并对装配预紧力进行优化，以确保浮子组件质心的热稳定性，其研究方法及结果对于气浮陀螺仪的设计、加工和性能预测具有一定的指导意义。此外，北京航天控制仪器研究所的赵旺升等人，在专利“一种陀螺马达转子径向质心轨迹测试装置及测试方法”，专申请号201610080963.6，提供了一种陀螺马达转子径向质心轨迹测试裝置及测试方法；陕西玉航电子有限公司的郝青提出的发明专利“动压陀螺马达力矩测量系统”，申请号201711175887.8，利用力矩测量传感器以及转速测量传感器对动压陀螺马达力矩进行测量。
综上，目前已有的技术研究都是围绕对动压马达跑合工作技术、轴承间隙、转子径向质心轨迹、力矩测量等方面开展的，尚未有人利用统计规律针对动压马达的健康状态进行评估。
发明内容
本发明的目的是提供一种动压气浮马达健康状态评估装置及方法，结构简单，使用方便，能够通过线路切换单元实现驱动工作状态和惯性运动状态的线路切换，能够获得动压气浮马达的时间状态特性，进而为进行健康状态评估提供依据。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种动压气浮马达健康状态评估装置，包括测试平台以及设置在测试平台上的驱动电源、线路切换单元、动压气浮马达、信号预处理单元以及工控计算机，所述驱动电源和信号预处理单元分别通过所述线路切换单元与所述动压气浮马达电性连接，所述线路切换单元用于导通所述驱动电源与所述动压气浮马达之间的线路或者导通所述信号预处理单元与所述动压气浮马达之间的线路；所述信号预处理单元与所述工控计算机通信连接；所述动压气浮马达上设置有振动加速度传感器，所述振动加速度传感器与所述信号预处理单元电性连接。
进一步的，所述信号预处理单元包括控制信号光耦隔离模块、反向电动势有效值变换放大电路模块以及恒流源驱动测量模块，所述控制信号光耦隔离模块用于将工控计算机的控制信号转换为信号预处理单元的控制信号，所述反向电动势有效值变换放大电路模块用于对所述动压气浮马达的反向电动势进行滤波、放大处理，所述恒流源驱动测量模块用于获取所述振动加速度传感器采集的数据。
进一步的，所述测试平台采用大理石测试平台，厚度大于等于10cm，所述测试平台的工作面的平面波动量达到1级16μm平整度要求。
进一步的，所述驱动电源为三相输出电压，所述三相输出电压的调节范围5-65V，输出电流达到3A。
进一步的，所述线路切换单元设置于所述动压气浮马达与信号预处理单元之间的三相电采集线路上，并通过第一通信电缆与所述信号预处理单元通信连接，所述信号预处理单元控制所述线路切换单元的切换动作。
进一步的，所述振动加速度传感器底部涂抹工业胶水，粘接在所述动压气浮马达表面，通过同轴信号线缆与所述信号预处理单元连接，所述振动加速度传感器用于测量动压气浮马达由于轴心运动误差引起的气膜冲击振动数据。
进一步的，所述信号预处理单元通过第二通信电缆与所述工控计算机连接。
本发明还提供了一种动压气浮马达健康状态评估方法，应用于上述的动压气浮马达健康状态评估装置，包括以下步骤：
S1，初始工作时，工控计算机记录测试初始时间T0，同时控制线路切换单元接通驱动电源与动压气浮马达连接，并且根据动压气浮马达规格不同设置特定的驱动电压进行驱动；
S2，初始工作开始后，工控计算机内部NI采集板卡一直采集并记录经信号预处理单元处理后的振动加速度传感器的数据；
S3，待动压气浮马达工作稳定设定时间后，记录其初始数据有效功率P0、线电压Vab0、Vbc0、Vca0、相电流Ia、Ib、Ic；同时，工控计算机记录当前时间T1并发出指令，通过信号预处理单元控制线路切换单元断开驱动电源与动压气浮马达连接，切换到动压气浮马达与信号预处理单元连接；
S4，信号预处理单元采集动压气浮马达的反向电动势电压Vab1、Vbc1、Vca1，待动压气浮马达停转后，记录停止时间T2，由此得到动压气浮马达的运行参数，进行动压气浮马达健康状态评估。
进一步的，所述步骤S3中还包括：统计同一驱动电压下，动压气浮马达稳定工作状态的有效功率P0、线电压Vab0、Vbc0、Vca0、相电流Ia、Ib、Ic参数，利用统计学的方法初步筛选出有缺陷的动压气浮马达。
进一步的，所述步骤S4中还包括：利用测量的反向感生电压Vab1、Vbc1、Vca1参数、开始时间T1与结束时间T2、动压气浮马达转子质量计算出其断电后惯性运动摩擦力矩，并结合振动加速度传感器的数据进行动压气浮马达健康状态评估。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的动压气浮马达健康状态评估装置及方法，结构简单，设置线路切换单元为程控切换电路，负责切换动压气浮马达的A、B、C输入节点的连接对象，能够先给动压气浮马达通电，之后断开驱动电源与动压气浮马达连接，切换动压气浮马达与信号预处理单元连接，实现动压气浮马达反向电动势电压的测量，通过得到动压气浮马达整个工作周期内的时间状态特性；此外，设置振动加速度传感器测量动压气浮马达由于轴心运动误差引起的气膜冲击振动数据进行动压气浮马达健康状态评估。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明动压气浮马达健康状态评估装置的结构示意图；
图2为本发明线路切换单元的电路结构示意图；
图3为本发明控制信号光耦隔离模块的电路结构示意图；
图4为本发明反向电动势有效值变换放大电路模块的电路结构示意图；
图5为本发明实施例动压气浮马达电源驱动功率图；
图6为本发明实施例动压气浮马达运行参数图；
图7为本发明实施例动压气浮马达运行振动参数图；
附图标记：1、测试平台；2、驱动电源；3、线路切换单元；4、动压气浮马达；5、振动加速度传感器；6、信号预处理单元；7、工控计算机；L1、第一通信电缆；L2、同轴信号线缆；L3、第二通信电缆。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的提供一种动压气浮马达健康状态评估装置及方法，结构简单，使用方便，能够通过线路切换单元实现驱动工作状态和惯性运动状态的线路切换，能够获得动压气浮马达的时间状态特性，进而为进行健康状态评估提供依据。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供的一种动压气浮马达健康状态评估装置，包括测试平台1以及设置在测试平台1上的驱动电源2、线路切换单元3、动压气浮马达4、信号预处理单元6以及工控计算机7，所述驱动电源2和信号预处理单元6分别通过所述线路切换单元3与所述动压气浮马达4电性连接，所述线路切换单元3用于导通所述驱动电源2与所述动压气浮马达4之间的线路或者导通所述信号预处理单元6与所述动压气浮马达4之间的线路；所述信号预处理单元6与所述工控计算机7通信连接；所述动压气浮马达4上设置有振动加速度传感器5，所述振动加速度传感器5与所述信号预处理单元6电性连接。
所述信号预处理单元6包括控制信号光耦隔离模块、反向电动势有效值变换放大电路模块以及恒流源驱动测量模块，如图3所示，所述控制信号光耦隔离模块通过高速光耦U1将工业计算机7的控制信号转换为信号预处理单元6的控制信号S1，避免工业计算机NI采集卡I/O受到过冲；如图4所示，所述反向电动势有效值变换放大电路模块用于对所述动压气浮马达的反向电动势进行滤波、放大处理，具体见图中U6为动压气浮马达，A、B、C管脚为供电与反向电动势节点测试点，U6-A、U6-C连接至变压器T1输入端，输出信号为A、C两相线电压，经过二极管D1进行半波整流后经过运放AR1进行电压转换，输出电压信号经过有效值电路U2处理后再经过滤波器电路U3进行低通滤波，最终将得到的信号Uca送工控计算机处理，A、B两相线电压与B、C两相线电压经过同样处理流程输出Uab，Ubc送送工控计算机处理；通过变压器T1、T2、T3进行衰减半波整流后，经过运放电路AR1、AR2、AR3进行信号调整，送有效值变换放大电路模块U2、U4、U7处理并经过U3、U5、U8滤波器模块进行低通滤波，最终线电压有效值信号峰值幅值控制在-5V～+5V，经过第二通信电缆L3送工控计算机7采集卡采集。工控计算机7内部安装NI采集板卡，负责采集经由第二通信电缆L3传输的电压信号。
所述恒流源驱动测量模块振动加速度传感器5配套，用于获取所述振动加速度传感器5采集的数据。
所述测试平台1采用大理石测试平台，水平安装，厚度大于等于10cm，所述测试平台的工作面的平面波动量达到1级16μm平整度要求。
所述驱动电源2为三相输出电压，所述三相输出电压的调节范围5-65V，输出电流达到3A。驱动电源2为测试驱动电源，通过电源线A、B、C为动压气浮马达4供电，A、B、C为三相相位差120°的方波，相位精度控制在±0.1°内，频率在0.5kHz～5kHz范围内任意编程设置，精度控制在±0.1Hz内。电源本身具备温度补偿功能，满足宽温域稳定频率输出需求，其精度和稳定度达到0.1ppm以内。驱动电源2自身具备精准采集三相有效功率、频率、线电压、相电流功能。
所述线路切换单元3设置于所述动压气浮马达4与信号预处理单元6之间的三相电采集线路上，并通过第一通信电缆L1与所述信号预处理单元6通信连接，所述信号预处理单元6控制所述线路切换单元3的切换动作。如图2所示，线路切换单元3为程控切换电路，负责切换动压气浮马达4的A、B、C输入节点的连接对象，初始开机测试时，线路切换单元3的继电器K1、K2、K3常闭触点默认状态为驱动电源2的A、B、C相分别连接动压气浮马达4的A、B、C相。动压气浮马达4状态稳定后，线路切换单元3受控断开驱动电源2与动压气浮马达4连接，切换动压气浮马达4与信号预处理单元6连接，开始进行动压气浮马达惯性运行特性测量。见附图2中信号预处理单元6的控制信号S1为高电平，BG1、BG2、BG3三极管导通，继电器K1、K2、K3线圈吸合，继电器触点切换连接，信号处理单元6的A、B、C相分别连接动压气浮马达4的A、B、C相。D1、D2、D3为继电器续流二极管,保护电子元件不被感应电压击穿或烧坏。
所述振动加速度传感器5底部涂抹工业胶水，粘接在所述动压气浮马达4表面，通过同轴信号线缆L2与所述信号预处理单元6连接，所述振动加速度传感器5用于测量动压气浮马达4由于轴心运动误差引起的气膜冲击振动数据。所述振动加速度传感器5为一种压电式加速度传感器，内部集成电荷放大电路，采用二线制形式(导线屏蔽层为地芯线是恒流电源入与信号输出共用)，传感器灵敏度200mv/g,测量范围12g,测量频率范围0.5～4000Hz,输出电压幅度-5V～+5V。
所述信号预处理单元6通过第二通信电缆L3与所述工控计算机7连接。
本发明还提供了一种动压气浮马达健康状态评估方法，应用于上述的动压气浮马达健康状态评估装置，包括以下步骤：
S1，初始工作时，工控计算机记录测试初始时间T0，同时控制线路切换单元接通驱动电源与动压气浮马达连接，并且根据动压气浮马达规格不同设置特定的驱动电压进行驱动；
S2，初始工作开始后，工控计算机内部NI采集板卡一直采集并记录经信号预处理单元处理后的振动加速度传感器的数据；
S3，待动压气浮马达工作稳定设定时间(例如1分钟)后，记录其初始数据有效功率P0、线电压Vab0、Vbc0、Vca0、相电流Ia、Ib、Ic；同时，工控计算机记录当前时间T1并发出指令，通过信号预处理单元控制线路切换单元断开驱动电源与动压气浮马达连接，切换到动压气浮马达与信号预处理单元连接；
S4，信号预处理单元采集动压气浮马达的反向电动势电压Vab1、Vbc1、Vca1，待动压气浮马达停转后，记录停止时间T2，由此得到动压气浮马达的运行参数，进行动压气浮马达健康状态评估。
所述步骤S3中还包括：统计同一驱动电压下，动压气浮马达稳定工作状态的有效功率P0、线电压Vab0、Vbc0、Vca0、相电流Ia、Ib、Ic参数，利用统计学的方法初步筛选出有缺陷的动压气浮马达。
所述步骤S4中，切换动压气浮马达4与信号预处理单元6连接后，即动压气浮马达4切断电源驱动后，由于惯性继续转动，动压气浮马达4转子线圈切割磁场产生反向电动势，在A、B、C端点处测量反向电动势电压Vab1、Vbc1、Vca1，惯性转动受到摩擦力作用逐渐减慢直至停止，反向电动势趋于0V，受限于采集卡精度以及噪声影响规定反向电动势达到0.05V认为动压气浮马达4停转，记录停止时间T2。利用测量的反向感生电压Vab1、Vbc1、Vca1参数、开始时间T1与结束时间T2、动压气浮马达转子质量计算出其断电后惯性运动摩擦力矩，并结合振动加速度传感器的数据进行动压气浮马达健康状态评估。
如图5动压气浮马达电源驱动功率图中，P0max与P0min为同一规格型号多只动压气浮马达功率统计最大值与最小值，若被测动压气浮马达4功率值在P0max与P0min之间则视为正常，偏大或者偏小为异常；如图6动压气浮马达运行参数图中，测量记录电源驱动阶段动压气浮马达线电压Uab、Ubc、Uca有效值，记录停止电源驱动T1时间，测量记录惯性运行阶段动压气浮马达反向电动势Vab1、Vbc1、Vca1有效值，并且记录停转时间T2。附图6中Umax与Umin为同一规格型号多只动压气浮马达驱动电压最大值与最小值，若被测动压气浮马达4驱动电压值Uab、Ubc、Uca在Umax与Umin之间则视为正常，偏大或者偏小为异常。附图2中Tmin与Tmax同一规格型号多只动压气浮马达停止时间最大值与最小值，若被测动压气浮马达4停止时间在Tmin与Tmax之间则视为正常，偏大或者偏小为异常。
本发明中，动压气浮马达4为被测单元，其机械加工误差、装配误差、表面粗糙度、结构尺寸存在一致性偏差，导致其初始精度与预期寿命各有不同，且经过一定时间跑合测试后，其状态有所变化。可以按照本发明提供的方法过程进行动压气浮马达4健康状态评估。通过测量动压气浮马达4有电源驱动过程、无驱动后惯性运动过程的电压、电流数据，以及完整工作过程中气浮马达旋转导致的气膜冲击引起的振动参数，可以评判动压气浮马达4初始精度并进行健康状态评估。
本发明提供的动压气浮马达健康状态评估装置及方法，结构简单，设置线路切换单元为程控切换电路，负责切换动压气浮马达的A、B、C输入节点的连接对象，能够先给动压气浮马达通电，之后断开驱动电源与动压气浮马达连接，切换动压气浮马达与信号预处理单元连接，实现动压气浮马达反向电动势电压的测量，通过得到动压气浮马达整个工作周期内的时间状态特性；此外，设置振动加速度传感器测量动压气浮马达由于轴心运动误差引起的气膜冲击振动数据进行动压气浮马达健康状态评估。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。
本文中应用了具体特例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种动压气浮马达健康状态评估装置，其特征在于，包括：测试平台以及设置在测试平台上的驱动电源、线路切换单元、动压气浮马达、信号预处理单元和工控计算机，所述驱动电源和信号预处理单元分别通过所述线路切换单元与所述动压气浮马达电性连接，所述线路切换单元用于导通所述驱动电源与所述动压气浮马达之间的线路或者导通所述信号预处理单元与所述动压气浮马达之间的线路；所述信号预处理单元与所述工控计算机通信连接；所述动压气浮马达上设置有振动加速度传感器，所述振动加速度传感器与所述信号预处理单元电性连接。
2.根据权利要求1所述的动压气浮马达健康状态评估装置，其特征在于，所述信号预处理单元包括控制信号光耦隔离模块、反向电动势有效值变换放大电路模块以及恒流源驱动测量模块，所述控制信号光耦隔离模块用于将工控计算机的控制信号转换为信号预处理单元的控制信号，所述反向电动势有效值变换放大电路模块用于对所述动压气浮马达的反向电动势进行滤波、放大处理，所述恒流源驱动测量模块用于获取所述振动加速度传感器采集的数据。
3.根据权利要求1所述的动压气浮马达健康状态评估装置，其特征在于，所述测试平台采用大理石测试平台，厚度大于等于10cm，所述测试平台的工作面的平面波动量达到1级16μm平整度要求。
4.根据权利要求1所述的动压气浮马达健康状态评估装置，其特征在于，所述驱动电源为三相输出电压，所述三相输出电压的调节范围5-65V，输出电流达到3A。
5.根据权利要求1所述的动压气浮马达健康状态评估装置，其特征在于，所述线路切换单元设置于所述动压气浮马达与信号预处理单元之间的三相电采集线路上，并通过第一通信电缆与所述信号预处理单元通信连接，所述信号预处理单元控制所述线路切换单元的切换动作。
6.根据权利要求1所述的动压气浮马达健康状态评估装置，其特征在于，所述振动加速度传感器底部涂抹工业胶水，粘接在所述动压气浮马达表面，并通过同轴信号线缆与所述信号预处理单元连接，所述振动加速度传感器用于测量动压气浮马达由于轴心运动误差引起的气膜冲击振动数据。
7.根据权利要求1所述的动压气浮马达健康状态评估装置，其特征在于，所述信号预处理单元通过第二通信电缆与所述工控计算机连接。
8.一种动压气浮马达健康状态评估方法，应用于权利要求1-7任一所述的动压气浮马达健康状态评估装置，其特征在于，包括以下步骤：
S1，初始工作时，工控计算机记录测试初始时间T0，同时控制线路切换单元接通驱动电源与动压气浮马达连接，并且根据动压气浮马达规格不同设置特定的驱动电压进行驱动；
S2，初始工作开始后，工控计算机内部NI采集板卡一直采集并记录经信号预处理单元处理后的振动加速度传感器的数据；
S3，待动压气浮马达工作稳定设定时间后，记录其初始数据有效功率P0、线电压Vab0、Vbc0、Vca0、相电流Ia、Ib、Ic；同时，工控计算机记录当前时间T1并发出指令，通过信号预处理单元控制线路切换单元断开驱动电源与动压气浮马达连接，切换到动压气浮马达与信号预处理单元连接；
S4，信号预处理单元采集动压气浮马达的反向电动势电压Vab1、Vbc1、Vca1，待动压气浮马达停转后，记录停止时间T2，由此得到动压气浮马达的运行参数，进行动压气浮马达健康状态评估。
9.根据权利要求8所述的动压气浮马达健康状态评估方法，其特征在于，所述步骤S3中还包括：统计同一驱动电压下，动压气浮马达稳定工作状态的有效功率P0、线电压Vab0、Vbc0、Vca0、相电流Ia、Ib、Ic参数，利用统计学的方法初步筛选出有缺陷的动压气浮马达。
10.根据权利要求8所述的动压气浮马达健康状态评估方法，其特征在于，所述步骤S4中还包括：利用测量的反向感生电压Vab1、Vbc1、Vca1参数、开始时间T1与结束时间T2、动压气浮马达转子质量计算出动压气浮马达断电后惯性运动摩擦力矩，并结合振动加速度传感器的数据进行动压气浮马达健康状态评估。
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