CN113739818B - 一种高精度陀螺加速度计浮子组件惯性张量测试装置 - Google Patents
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Abstract
一种高精度陀螺加速度计浮子组件惯性张量测试装置，该测试装置包括转子体组件、用于支撑转子体的气浮轴承套筒组件、组合式传感器、平衡螺母、左/右端盖、限位挡钉、左/右罩、挡尘网、安装盘。将陀螺加速度计的浮子组件放入转子组合体内；转子组合体放入气浮轴承套筒组件内；轴承套筒侧面安装有充气嘴，通过高压气体支撑转子组合体，减小摩擦阻力矩；左/右端盖起到支撑转子组合体的作用，并且将功能组合式传感器定子安装在左端盖上，转子安装在转子体组件上；功能组合式传感器既能够采集浮子组件转动角度位置信息，又能够提供平衡力矩；气浮轴承套筒组件通过法兰固定在安装盘上；包括安装盘在内的组合体固定在速率转台上，实现转动状态。
Description
技术领域
本发明涉及一种高精度陀螺加速度计浮子组件惯性张量测试装置，用于陀螺加速度计浮子组件惯性张量标定与精度测试，属于惯性仪表测试领域。
背景技术
随着惯性技术的不断开发和应用，惯性平台导航系统的精度要求越来越高，作为惯性平台导航系统的重要组成部分的陀螺加速度计也在向着更高精度、更长寿命和高可靠性的目标迈进。摆式积分陀螺加速度计(PIGA)是高精度惯性导航系统中的核心仪表，随着PIGA精度的不断提升，其非线性误差的影响愈来愈显著，已成为制约惯导系统精度进一步提升的瓶颈。
为高精度摆式积分陀螺加速度计的非线性误差标定测试提供更有效的方式，研发高精度陀螺加速度计的非线性误差标定测试系统，愈发变得十分必要。
目前还没有有效的测量手段对陀螺加速度计浮子组件的惯性张量(非线性误差)进行标定，浮子组件的质心主要是通过设计、机加和装配来提前控制，而无法精确标定实际装配完成的浮子组件质心的位置，更无法对浮子组件的惯性张量进行标定和补偿。因此，亟需发明一种高精度陀螺加速度计浮子组件惯性张量的测试和标定装置。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种高精度陀螺加速度计浮子组件惯性张量测试装置，该测试装置包括转子体组件、用于支撑转子体的气浮轴承套筒组件、组合式传感器(角度传感器和力矩器耦合在一起)、平衡螺母、左/右端盖、限位挡钉、左/右罩、挡尘网、安装盘。将陀螺加速度计的浮子组件放入转子组合体内；转子组合体放入气浮轴承套筒组件内；轴承套筒侧面安装有充气嘴，通过高压气体支撑转子组合体，减小摩擦阻力矩；左/右端盖起到支撑转子组合体的作用，并且将功能组合式传感器定子安装在左端盖上，转子安装在转子体组件上；功能组合式传感器既能够采集浮子组件转动角度位置信息，又能够提供平衡力矩；气浮轴承套筒组件通过法兰固定在安装盘上；包括安装盘在内的组合体固定在速率转台上，实现转动状态。本发明实现了浮子组件沿外环轴或浮子轴旋转，在浮子组件惯性张量的作用下，浮子组件绕浮子轴或外环轴产生转动力矩，获得陀螺加速度计浮子组件的惯性张量数值。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
本发明实施例提供一种高精度陀螺加速度计浮子组件惯性张量测试装置，包括安装盘、平衡螺母、左罩、组合式传感器、左端盖、气浮轴承套筒组件、右端盖、右罩、转子体组件、挡尘网、限位挡钉；
安装盘作为基座，竖直放置时，将安装盘的左侧或右侧作为安装基准面，假设将右侧作为安装基准面，安装基准面上设有贯通孔；气浮轴承套筒组件安装在所述贯通孔内，并使气浮轴承套筒组件上的气嘴位于顶部，且气嘴的开口方向向右与外部气源连接；
转子体组件安装在气浮轴承套筒组件内；转子体组件包括内浮筒、以及套装在内浮筒外部的外浮筒；外浮筒和内浮筒接触的圆周部位均匀点胶并固化；内浮筒的圆柱端位于气浮轴承套筒组件的左侧；
左端盖、右端盖分别安装在气浮轴承套筒组件的左端和右端；组合式传感器安装在左端盖上，用于测量转子体组件的位置信息，并为转子体组件提供平衡力矩；限位挡钉安装在右端盖上，用于限制转子体组件非工作时的旋转角度；
左罩安装在左端盖上；右罩安装在右端盖上；左罩和右罩上均设有用于导引气浮轴承中气体排出的通孔；
挡尘网安装在右罩的通孔上。
本发明一实施例中，安装盘为T型基座，且贯通孔的周围设有与气浮轴承套筒组件连接的螺纹孔。
本发明一实施例中，内浮筒的内壁面为具有1:100的圆锥度的内壁面，内壁的大端面向右；转子体组件的质心与浮子组件的质心相对。
本发明一实施例中，挡尘网与右罩之间涂敷缩醛胶用于粘接。
本发明一实施例中，挡尘网用于防尘，同时用于气浮轴承气体排出的导流。
本发明一实施例中，左端盖与气浮轴承套筒组件左端的螺纹孔通过螺钉实现定位和连接；右端盖与气浮轴承套筒组件右端的螺纹孔通过螺钉实现定位和连接。
本发明一实施例中，组合式传感器的转子体安装在转子体组件的圆柱段上；平衡螺母安装在转子体组件的螺纹段，并且通过施加预紧力，实现对组合式传感器转子体的固定；
本发明一实施例中，组合式传感器的定子组件安装在左端盖上，通过螺纹孔实现定位和连接。
本发明实施例提供一种高精度陀螺加速度计浮子组件惯性张量的测试方法，其特征在于，采用上述的测试装置，包括如下步骤：
将陀螺加速度计的浮子组件放置在转子体组件内，利用气源向气浮轴承套筒组件提供压缩空气；
将所述测试装置安装在速率转台上，并使浮子组件的z轴竖直向下；
利用速率转台使惯性张量测试装置绕x’轴旋转，x’轴与浮子组件的x轴平行且两轴相隔一定距离；
当浮子组件随着所述测试装置一起绕x’轴转动时，惯性张量产生的离心力使浮子组件绕浮子组件的y轴转动；
测量浮子组件的转动角度，然后计算浮子组件的的惯性张量。
本发明一实施例中，两轴相隔距离L的取值范围为10cm～50cm。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)本发明提出了一种高精度陀螺加速度计浮子组件惯性张量测试装置，可用于对陀螺加速度计浮子组件的惯性张量(非线性误差)进行测试，解决了浮子组件惯性张量无法标定和补偿的问题，实现了高精度陀螺加速度计精度的进一步提高，能够有效抑制非线性误差的出现。
(2)本发明测试装置可以真实有效的实现浮子组件在陀螺加速度计上工作时的工作状态，安装简单方便，测试精度高，能够准确反映浮子组件的惯性张量参数。
(3)本发明将陀螺加速度计的浮子组件放置在转子体组件内，采用气浮轴承支撑，在一定转动角速度输入条件下测试输出轴的力矩，气浮轴承组件的轴系对准精度高、浮子组件支撑干扰力矩小，并且能够实现较宽的转动角速度输入。
(4)本发明中转子体组件质心位置沿浮子轴向偏离轴承中心距离小，在高转速条件下，转子体组件轴向过载较小，从而降低轴承刚度使用要求。
(5)本发明中转子体组件中内浮筒设计为开口向右，并且具有一定的锥度，当浮子组件的质心位于外环轴(x轴)或浮子轴(z轴)左侧，转子体组件在旋转过程中，浮子组件能够满足自锁紧要求，而不需要额外的固定措施。
(6)本发明中组合式传感器将角度传感器和力矩器在空间结构上耦合在一起，能够同时实现转子体组件转动角度位置信息的采集和提供平衡力矩的功能，节省空间，结构设计简单、操作方便。
(7)本发明中高压气源选用压缩空气、高速旋转接头与气浮轴承上的气嘴采用高压软管连接，成本低廉，制备方便。
(8)本发明中通过调整惯性张量测试装置在速率转台的姿态实现浮子组件绕x轴、z轴旋转，当浮子组件绕x轴或z轴转动时，惯性张量产生的离心力使浮子绕内环轴y轴转动，通过角度传感器测得浮子转动角度，然后计算浮子组件的惯性张量，并以此为依据对浮子组件进行修配或去重，去除浮子组件在x轴和z轴上的不对称质量。
附图说明
图1为本发明陀螺加速度计浮子组件惯性张量的测试装置结构示意图；
图2为图1的A向视图；
图3为安装盘的结构示意图；
图4为转子体组件的结构示意图；
图5为左端盖结构示意图；
图6为右端盖结构示意图；
图7为限位挡钉的结构示意图；
图8为平衡螺母的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
实施例1：
一种高精度陀螺加速度计浮子组件的惯性张量测试装置，包括安装盘1、平衡螺母2、左罩3、组合式传感器4、左端盖5、气浮轴承套筒组件6、气嘴7、右端盖8、右罩9、转子体组件10、挡尘网11、限位挡钉12、速率转台、高压空气压缩设备。
所述的安装盘1为T型基座，右侧面为安装基准面，基准面上有一个贯通中心孔，贯通中心孔的周围有贯通的螺纹孔，并且均匀的分布在同心圆上；
安装盘的底部贯通孔具有1:30的锥度(大端口向下)，该孔安装同锥度的圆销，实现安装盘与速率转台之间的中心位置相重合，安装操作简便；
贯通中心孔内安装有气浮轴承套筒组件6，气浮轴承套筒组件6上的法兰通过安装盘1右侧面的螺纹孔实现定位和连接，气浮轴承套筒组件6在安装过程中，保证气嘴7位于气浮轴承套筒组件6的顶部，并且气嘴开口方向向右；
转子体组件10包括内浮筒和外浮筒，位于气浮轴承套筒组件6的内部，并且通过左端盖5和右端盖8实现定位和约束，并且内浮筒的圆柱端位于气浮轴承套筒组件6的左端；
转子体组件10质心位置沿浮子轴向(y轴，x轴、y轴、z轴符合右手定则)偏离轴承中心(轴承中心位于速率转台的支撑中心线上，即图1中两条虚线交点)2mm，在200r/min转速条件下，转子体组件10轴向过载约为0.09g0，能够满足轴承刚度承载使用要求。
转子体组件10中内浮筒内壁设计为开口向右、具有一定锥度的结构，当浮子组件的质心位于外环轴(x轴)或浮子轴(z轴)左侧，转子体组件在旋转过程中，浮子组件依靠自身惯性满足自锁紧要求；
左端盖5与气浮轴承套筒组件6左端的螺纹孔通过螺钉实现定位和连接；
右端盖8与气浮轴承套筒组件6右端的螺纹孔通过螺钉实现定位和连接；
组合式传感器4的转子体安装在转子体组件10左端的圆柱段上，平衡螺母2安装在转子体组件10左端的螺纹段，并且通过施加预紧力，实现对组合式传感器4转子的固定作用；
组合式传感器4的定子组件安装在左端盖5上，通过对应的螺纹孔实现定位和连接；
在转动测试过程中，陀螺加速度计的浮子组件安装在转子体组件10内部，组合式传感器4的作用有两个方面：(一)提供转子体组件10的转动角度信息，(二)在伺服回路中为转子体组件10提供平衡力矩；
两个限位挡钉12位于右端盖8上，水平对称分布在右端盖8两侧，通过右端盖上对应的螺钉孔实现定位和固定，限位挡钉12的作用是限制转子体组件10非工作时的旋转角度，保证组合式传感器4的转子处于正常工作角度范围内；
左罩3安装在左端盖5上，与左端盖5上对应的螺纹孔通过螺钉实现定位和连接，左罩3内部的中心孔的作用是导流气浮轴承中高压气体的排出；
右罩9安装在右端盖8上，与右端盖8上对应的螺纹孔通过螺钉实现定位和连接，右罩9内部的中心孔的作用是导流气浮轴承中高压气体的排出；
挡尘网11位于右罩9的内侧，其主要作用有两个：(一)防止空气中的灰尘和颗粒等进入到转子体组件10内，保持转子体组件10和内部安装的浮子组件的干净和清洁，(二)起到调节气浮轴承右端气流的作用，实现气浮轴承两端高压气流的均衡和稳定；
外部高压气源向气浮轴承套筒组件提供压缩空气，通过高速旋转接头相连接，高速旋转接头与气浮轴承上的气嘴采用高压软管连接，高速旋转接头转速最高可达5000r/min；
高压空气压缩设备的气压最高可以达到5MPa(50个大气压)，为气浮轴承的转子体提供气浮支撑，速率转台能够提供的最高转速大于3000r/min。
实施例2：
图1是本发明实施例中的一种陀螺加速度计浮子组件惯性张量测试装置的装配图，该测试设备可用于对陀螺加速度计浮子组件的惯性张量(非线性误差)进行标定，为浮子组件的机加和装配补偿提供依据。参考图1和图2，本实施例提供的一种陀螺加速度计浮子组件的测试装置，包括安装盘1、平衡螺母2、左罩3、组合式传感器4、左端盖5、气浮轴承套筒组件6、气嘴7、右端盖8、右罩9、转子体组件10、挡尘网11、限位挡钉12、速率转台、压缩空气气源设备。
如图3所示，所述的安装盘为T型基座，右侧面为安装基准面，基准面内部有一个贯通的中心圆孔，贯通孔的周围有3个小的贯通螺纹孔，均匀的分布在同一个同心圆周上；
如图2所示，所述的空气轴承套筒组件6放置在安装盘上大的贯通中心孔内，气浮轴承套筒组件6上的3个法兰与安装盘1右侧面的3个小的螺纹孔通过螺纹实现定位和连接，气浮轴承套筒组件6在安装过程中，保证气嘴7位于气浮轴承套筒组件6的顶部，并且气嘴7开口方向向右，能够与外部气源的气管顺畅连接；
如图4所示，所述的转子体组件10包括外浮筒13和内浮筒14，在内外浮筒接触的圆周部位均匀点胶并固化，起到粘接和固定的作用，并且内浮筒14的内壁加工成具有1:100的圆锥度的内壁面，当浮子组件质心位于外环轴(x轴)或浮子轴(z轴)左侧时，转子体组件在旋转过程中，浮子组件能够满足自锁紧要求，而不需要额外的固定措施；
所述的转子体组件10安装在气浮轴承套筒组件6内部，保证内浮筒14的圆柱端位于气浮轴承套筒组件6的左端；
如图5所示，所述的左端盖5安装在气浮轴承套筒组件6的左端，并且通过对应的8个螺纹孔实现定位和连接；
如图6所示，所述的右端盖8安装在气浮轴承套筒组件6的右端，并且通过对应的8个螺纹孔实现定位和连接；
如图1和图8所示，所述的JCZ型组合式传感器4的转子体安装在内浮筒14左端的圆柱段，平衡螺母2安装在内浮筒14左端的螺纹段，并且通过施加预紧力，对JCZ型组合式传感器4的转子进行固定；
所述的JCZ型组合式传感器4的定子安装在左端盖5上，通过左端盖上对应的3个螺纹孔实现定位和紧固；
所述的JCZ型组合式传感器4在测试过程中，能够提供转子体组件的位置信息，并且通过伺服回路调节系统，为转子体组件提供平衡力矩；
如图2和图7所示，所述的两个限位挡钉12位于右端盖8上，水平对称分布在内浮筒14两侧，通过右端盖8上对应的4个螺钉孔实现定位和固定，限位挡钉12的作用是限制转子体组件非工作时的旋转角度，保证传感器转子处于正常工作角度范围内；
所述的左罩3安装在左端盖5上，与左端盖5上对应的4个螺纹孔通过螺钉实现定位和紧固，左罩3中心位置的通孔作用是导引气浮轴承中气体的排出；
所述的右罩9安装在右端盖8上，与右端盖8上对应的4个螺纹孔通过螺钉实现定位和连接，右罩9中心位置的通孔作用是导引气浮轴承中气体的排出；
所述的挡尘网11位于右罩9中心位置的通孔内侧，挡尘网选用300目规格的网筛，挡尘网11与右罩9之间涂敷少量缩醛胶粘接，挡尘网11主要作用有两个：(一)防止空气中的灰尘和颗粒等进入到转子体组件内，保持转子体组件的干净和清洁，(二)起到导引气浮轴承右端气流的作用，达到气浮轴承两端气流的均衡和稳定。
一种高精度陀螺加速度计浮子组件惯性张量的测试方法，采用上述的测试装置，将陀螺加速度计的浮子组件放置在转子体组件10内，利用气源向气浮轴承套筒组件6提供压缩空气，在一定转动角速度输入条件下测试输出轴的力矩。
具体的，将惯性张量测试装置按照图中所示方式竖直安装在速率转台上，并且调整速率转台外环轴的位置，使得浮子组件z轴竖直向下，惯性张量测试装置绕平行于x轴且相距L距离的x’轴旋转；浮子组件随着惯性张量测试装置一起绕x’轴转动时，惯性张量产生的离心力使浮子绕内环轴y轴转动；通过组合式传感器4的角度传感器功能测得浮子转动角度；然后计算出浮子组件相应的惯性张量；并以此为依据对浮子进行去重，去除浮子在x轴和z轴向的不对称质量。也可以通过调整惯性张量测试装置在速率转台的姿态实现浮子组件绕z轴旋转，实现对浮子在x轴和z轴上的不对称质量。
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。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种高精度陀螺加速度计浮子组件惯性张量测试装置，其特征在于，包括安装盘(1)、平衡螺母(2)、左罩(3)、组合式传感器(4)、左端盖(5)、气浮轴承套筒组件(6)、右端盖(8)、右罩(9)、转子体组件(10)、挡尘网(11)、限位挡钉(12)；
安装盘作为基座，竖直放置时，将安装盘的左侧或右侧作为安装基准面，假设将右侧作为安装基准面，安装基准面上设有贯通孔；气浮轴承套筒组件(6)安装在所述贯通孔内，并使气浮轴承套筒组件(6)上的气嘴(7)位于顶部，且气嘴(7)的开口方向向右与外部气源连接；
转子体组件(10)安装在气浮轴承套筒组件(6)内；转子体组件(10)包括内浮筒(14)、以及套装在内浮筒(14)外部的外浮筒(13)；外浮筒(13)和内浮筒(14)接触的圆周部位均匀点胶并固化；内浮筒(14)的圆柱端位于气浮轴承套筒组件(6)的左侧；
左端盖(5)、右端盖(8)分别安装在气浮轴承套筒组件(6)的左端和右端；组合式传感器(4)安装在左端盖(5)上，用于测量转子体组件(10)的位置信息，并为转子体组件(10)提供平衡力矩；限位挡钉(12)安装在右端盖(8)上，用于限制转子体组件(10)非工作时的旋转角度；
左罩(3)安装在左端盖(5)上；右罩(9)安装在右端盖(8)上；左罩(3)和右罩(9)上均设有用于导引气浮轴承中气体排出的通孔；
挡尘网(11)安装在右罩(9)的通孔上。
2.根据权利要求1所述的高精度陀螺加速度计浮子组件惯性张量测试装置，其特征在于，安装盘为T型基座，且贯通孔的周围设有与气浮轴承套筒组件(6)连接的螺纹孔。
3.根据权利要求1所述的高精度陀螺加速度计浮子组件惯性张量测试装置，其特征在于，内浮筒(14)的内壁面为具有1:100的圆锥度的内壁面，内壁的大端面向右；转子体组件(10)的质心与浮子组件的质心相对。
4.根据权利要求1所述的高精度陀螺加速度计浮子组件惯性张量测试装置，其特征在于，挡尘网(11)与右罩(9)之间涂敷缩醛胶用于粘接。
5.根据权利要求1所述的高精度陀螺加速度计浮子组件惯性张量测试装置，其特征在于，挡尘网(11)用于防尘，同时用于气浮轴承气体排出的导流。
6.根据权利要求1所述的高精度陀螺加速度计浮子组件惯性张量测试装置，其特征在于，左端盖(5)与气浮轴承套筒组件(6)左端的螺纹孔通过螺钉实现定位和连接；右端盖(8)与气浮轴承套筒组件(6)右端的螺纹孔通过螺钉实现定位和连接。
7.根据权利要求1所述的高精度陀螺加速度计浮子组件惯性张量测试装置，其特征在于，组合式传感器(4)的转子体安装在转子体组件(10)的圆柱段上；平衡螺母(2)安装在转子体组件(10)的螺纹段，并且通过施加预紧力，实现对组合式传感器(4)转子体的固定。
8.根据权利要求1所述的高精度陀螺加速度计浮子组件惯性张量测试装置，其特征在于，组合式传感器(4)的定子组件安装在左端盖(5)上，通过螺纹孔实现定位和连接。
9.一种高精度陀螺加速度计浮子组件惯性张量的测试方法，其特征在于，采用权利要求1至8中任一项所述的测试装置，包括如下步骤：
将陀螺加速度计的浮子组件放置在转子体组件(10)内，利用气源向气浮轴承套筒组件(6)提供压缩空气；
将所述测试装置安装在速率转台上，并使浮子组件的z轴竖直向下；
利用速率转台使惯性张量测试装置绕x’轴旋转，x’轴与浮子组件的x轴平行且两轴相隔一定距离；
当浮子组件随着所述测试装置一起绕x’轴转动时，惯性张量产生的离心力使浮子组件绕浮子组件的y轴转动；
测量浮子组件的转动角度，然后计算浮子组件的惯性张量。
10.根据权利要求9所述的测试方法，其特征在于，两轴相隔距离L的取值范围为10cm～50cm。
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