CN107843377B - 一种二维电磁激励器的力标定装置 - Google Patents

Abstract

一种二维电磁激励器的力标定装置具有基座，基座上设置水平向标定单元和竖直向标定单元；水平向标定单元包括水平滑块和一对水平向导轨，基座上设置有监测水平滑块水平位移的水平向激光位移传感器、对水平向位置进行调节的水平向弹性件及其调节装置、用于测量水平向作用力的力传感器；竖直向标定单元包括吊装支架、吊装弹性件、力传感器和一对竖直向导轨，竖直向导轨同样包含左右导轨且分别垂直固定在水平向滑块上；吊装支架分别与竖直向左右导轨的延伸段固定，吊装弹性件上端与吊装支架固定，且中间同样串联安装力传感器；基座上设置竖直向激光位移传感器。本发明具有能对二维电磁激励器的力与电流及相对位置间的关系进行标定的优点。

Description

一种二维电磁激励器的力标定装置

技术领域

本发明涉及一种二维电磁激励器的力标定装置。

背景技术

随着科技的发展，人类对于外太空的探索不断延伸，而力在所有探索活动中是必不可少的，其在完成指定动作、主动隔振、激振等方面都起到直接而关键的作用。基于安培力原理的电磁激励器由于具有高速响应、输出力平滑、体积小、易于嵌入到控制对象等优点，越来越受到空间科学任务的青睐。

一种能在正交的两个方向输出力的二维电磁激励器，其由定子部和动子部两个部分组成，定子部和动子部间通过电磁作用无接触连接，且相互间可同时产生两个正交互不干涉的二维作用力。但目前没有能在地面模拟太空微重力无摩擦环境对上述二维电磁激励器的二维输出作用力进行精确标定的装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二维电磁激励器力标定装置，以满足在地面对激励器的作用力、相对位置及激励电流这三个关键参数间的相互关系进行标定，获得二维电磁激励器在不同电流作用下，闭合磁路所构成的动子部和激励线圈所构成的定子部处于不同相对位置时所产生的二维作用力的大小。

一种二维电磁激励器的力标定装置具有基座，基座上设置水平向标定单元和竖直向标定单元；

水平向标定单元包括水平滑块和一对水平向导轨，水平滑块的左右两侧分别***水平向导轨的左右引导槽内，水平滑块上设有允许二维电磁激励器定子部穿过的过孔；基座上设置有监测水平滑块水平位移的水平向激光位移传感器，即激光位移传感器的激光头及检测装置均安装在基座上，激光头所射出的光垂直照射在水平滑块上；

竖直向标定单元包括吊装支架、吊装弹性件和一对竖直向导轨，竖直向导轨同样包含左右导轨且分别垂直固定在水平滑块上；吊装支架分别与竖直向左右导轨的延伸段固定，吊装弹性件上端与吊装支架固定，下端用于与待标定的二维电磁激励器动子部固定；基座上设置竖直向激光位移传感器。

水平滑块与水平向导轨之间作无摩擦滑动，二维电磁激励器动子部与竖直向导轨之间同样作无摩擦滑动，即水平滑块与水平向导轨之间、二维电磁激励器动子部与竖直向导轨之间均由气膜或油膜支撑以实现无摩擦滑动。

二维电磁激励器的控制电流由双路精密恒流源提供，二维电磁激励器的定子部与基座即水平向导轨固定，二维电磁激励器的动子部被吊装弹性件悬挂于吊装支架，且动子部位于竖直向导轨内。二维电磁激励器输出二维力时（以水平向为X轴向，竖直向为Z轴向为例），X轴向力推动水平滑块沿水平向平移，水平向激光位移传感器测量水平滑块即电磁激励器动子部在水平向的位移。水平滑块带着竖直向导轨作水平向平移的同时，Z轴向力使二维电磁激励器的动子部沿竖直向上下平移，竖直向激光位移传感器监测二维电磁激励器动子部在竖直方向的位移。

进一步，水平滑块的前后两端分别设置水平向弹性件，两个水平向弹性件位于同一直线上，每根水平向弹性件分别一端与水平滑块固定，另一端与固定块固定，其中一个固定块和水平向弹性件之间还串联有水平向力传感器。假设水平滑块两端设置的水平向弹性件在自然条件下长度一样，刚度相同，则激励器所产生水平向作用力的大小为水平向力传感器示值的两倍。吊装弹性件和吊装支架之间串联有竖直向力传感器，激励器在竖直方向的输出力大小即为竖直向力传感的示值。

同时在固定块和吊装支架上还分别设置有调节装置，分别用于调节水平滑块在水平方向的位置和二维电磁激励器动子部在竖直方向的位置。调节装置包括螺杆和螺母，螺杆上有限制其转动的限位件，弹性件与螺杆固定。转动螺母，螺杆在限位件的作用下平动，使弹性件被压紧或被拉伸。

标定时，通过调节水平向弹性件和吊装弹性件使得二维电磁激励器的动子部相对定子部处于指定的相对位置，然后分别记录下此时竖直向和水平向线圈所通电流大小、所在的相对位置及各力传感器的示值。重复上述各步骤，便可以标定在不同相对位置、不同电流作用下，激励器在两个方向分别输出作用力的大小。

进一步，水平滑块的过孔呈十字形。二维电磁激励器的定子部穿过过孔的前后向切口与基座相对固定，过孔的左右向切口与二维电磁激励器的动子部对应，目的是使二维电磁激励器的动子部能够在竖直向上下运动时穿过水平滑块而不产生干涉。

进一步，竖直向导轨和水平向导轨均为气浮导轨。

进一步，两个水平向导轨分别由上导轨安装块和下导轨安装块构成，两个水平向导轨的下导轨安装块为一个整体，且与基座固定，上导轨安装块分别固定于下导轨安装块的两侧，每个上导轨安装块分别和下导轨安装块围成“”形，进而两个水平向导轨形成“”型导轨结构。。上导轨安装块和下导轨安装块中均设置有节流孔和通气孔，通气孔与高压气源相连接。高压气体通过节流孔进入水平向导轨与水平滑块之间的空间，使水平向导轨与水平滑块之间有四个面形成均匀气膜，进而使水平滑块悬浮在水平向导轨内，且仅能沿水平向导轨的轴向进行单自由度平移。二维电磁激励器的定子部固定在下导轨安装块上，下导轨安装块设置与定子部适配的凹槽。

进一步，竖直向导轨同样由两部分构成，均为“”形结构，左右两部分共同作用形成“/>”型结构，竖直向导轨均与水平滑块固定。左右两部分竖直向导轨的三个面同样均设置有节流孔和通气孔，并与高压气源相连接，当电磁激励器的动子部放置于该导轨内时，同样会在动子部与导轨间的四个作用面上形成均匀气膜，从而使得动子部除了与水平滑块一起作水平运动外，仅有竖直向单自由度平动。

进一步，两个竖直向导轨的顶端分别具有向上延伸段，水平吊装块的两端分别与两个延伸段固定，水平吊装块和延伸段构成吊装支架，吊装弹性件固定于水平吊装块，竖直向力传感器位于水平吊装块与吊装弹性件之间。

通过上述水平向导轨及竖直向导轨，二维电磁激励器的动子部与定子部仅能沿水平和竖直2个自由度方向进行相互运动。同时激励器在两个方向所产生的作用力的大小同时通过两个方向的力传感器分别测量处理后得到。

本发明的技术构思：利用水平及竖直向导轨对电磁激励器的动子部进行支撑和导向，既避免了运动过程中的摩擦力同时也确定了相对位移方向。其具体工作过程如下：首先利用双路精密恒流源向定子部提供两路相应大小的控制电流。根据安培力原理F=BIL ，由永磁体及“∩”型磁轭所构成的闭合磁路动子部便会相对激励线圈定子部产生水平和竖直向的作用力。通过调节水平向的调节装置及竖直向的调节装置使得激励器的动子部相对定子部处于指定的相对位置。然后分别记录下此时竖直向和水平向线圈所通电流大小、所在的相对位置及各力传感器的示值。重复上述各步骤，便可以标定在不同相对位置、不同电流作用下，激励器在两个方向分别输出作用力的大小。

本发明的有益效果：利用气浮导轨对二维电磁激励器在两个运动方向进行精确导向和支撑，使得输出力不受摩擦力影响，模拟了太空环境。同时通过在不同电流及不同相对位置情况下对电流、位置及力的精确测量实现了对激励器输出力及各要素的标定，因此本发明可以克服重力及摩擦力影响，模拟外太空中零重力环境下对二维电磁激励器的输出力进行精确标定。

附图说明

图1是二维电磁激励器力标定装置示意图。

图2是二维电磁激励器及其力输出方向示意图。

图3是左水平向导轨出气方向示意图。

图4是左竖直向导轨出气方向示意图。

图5是水平滑块示意图。

图6是二维电磁激励器力标定***图。

具体实施方式

如图1所示，一种二维电磁激励器力标定装置，包括基座13、左上导轨安装块7、下导轨安装块8和右上导轨安装块16、左竖直向导轨5和右竖直向导轨20、双路精密恒流源、位置测量模块以及力测量模块。位置测量模块由水平向激光位移传感器10和竖直向激光位移传感器1组成。

二维电磁激励器安装于力标定装置内部，其控制电流由双路精密恒流源提供；力标定装置包含有水平向导轨和竖直向导轨，使得二维激励器的动子部可以在水平和竖直方向***；并且可同时在两个运动方向上分别对力、相对位置和电流进行测量。根据二维电磁激励器工作原理，其动子部与定子部在双路恒流源控制下可产生相互独立的水平向相互作用力F2和竖直向相互作用力F1。其中动子部包含了“∩”型磁轭4和永磁体6、19，激励线圈所在的定子部为印刷电路板15，如图2所示。

如图1所示，力标定装置的基座13为整个装置的基础，且力标定装置的水平向导轨固定在基座13上。水平向导轨为气浮导轨，包括相互配合使用的左水平向导轨和右水平向导轨，左右水平向导轨共用下导轨安装块8。下导轨安装块8固定在基座13上，下导轨安装块上分布有多个导气孔。

如图3所示，左水平向导轨由下导轨安装块8和左上导轨安装块7构成，且相互间通过螺栓固定连接，形成“”型结构。右水平向导轨由下导轨安装块8和右上导轨安装块16构成，相互间通过螺栓固定连接，形成“/>”型结构。左上导轨安装块7和右上导轨安装块16内部同样具有导气孔。当左水平向导轨和右水平向导轨各自固定安装后，如图3所示在各导轨的内部三个面均有高压导气孔，因此通过内部的导气孔可以对处于其中的长方体形滑块的四个面施加作用力，使得处于其中的长方体形滑块悬浮于空中，仅有单个方向的平动自由度。

力标定装置包含有水平滑块14，该水平滑块14的厚度与左右水平向导轨的导轨高度成间隙配合，水平滑块14的宽度与左右水平向导轨所形成的“”型导轨的宽度亦成间隙配合。当水平滑块14安装到水平向导轨上以后，水平滑块在水平向导轨高压气体作用下漂浮于水平向导轨所确定的空间内，且仅能沿导轨长度方向进行单自由度运动。

竖直向导轨安装于水平滑块14上，因此当水平滑块14前后运动时，竖直向导轨亦跟随前后运动，反之亦然。竖直向导轨同样包括相互配合使用的左竖直向导轨5和右竖直向导轨20。

左竖直向导轨和右竖直向导轨同样分别设置成“”型结构和“/>”型结构，如图4所示，在其内部的三个侧面均布置有导气孔。当左右竖直向导轨配合安装后，由于导轨的间隙及左右导轨的距离均与激励器的“∩”型磁轭4相配合，因此除了与水平滑块一起作水平运动外，“∩”型磁轭4仅能沿竖直方向运动。

左竖直向导轨和右竖直向导轨均向上延伸有凸台，在凸台的上部设置有电磁激励器动子部水平吊装块3。水平吊装块3与左竖直向导轨和右竖直向导轨固定连接，形成一个“∩”型结构。二维电磁激励器的闭环磁路动子部通过吊装弹性件21及竖直向力传感器22串联吊装在水平吊装块3下方。在竖直向导轨的作用下，电磁激励器的闭环磁路动子部仅能在竖直方向上运动，且由于气浮作用几乎没有任何摩擦力。竖直向力传感器22用于测量电磁激励器在竖直方向上所产生力的大小，力传感器的示值即为激励器在竖直方向的输出力。吊装弹性件21用于吊装闭合磁路动子部，使得动子部可以在力的作用下在竖直方向运动，同时吊装弹性件21上还设置有调节装置，使得动子部在竖直方向的位置除了激励力作用外还可进行适当的上下调节。

水平滑块14的中间设置有一个十字型切口。其中十字型切口的前后向切口用于安装电磁激励器的激励线圈定子部，激励线圈即印刷电路板15穿过该切口安装于下导轨安装块8。

水平向导轨的下导轨安装块8的中间设置有一个凹槽，印刷电路板可安装在该凹槽内。水平滑块14十字切口的左右向切口仅为动子部在竖直向运动预留一定行程。

在基座13上设置有两个水平固定块，即前水平固定块9和后水平固定块17。水平滑块14通过前水平向弹性件12和后水平向弹性件18及水平向力传感器11串联固定在前固定块与后固定块中间。假设水平滑块两端设置的水平向弹性件12和18在自然条件下长度一样，刚度相同，因此激励器所产生水平向作用力的大小为水平向力传感器11示值的两倍。同时在固定块上还设置有调节装置，用于调节水平滑块14的平衡位置。

调节装置包括螺杆和螺母，螺杆上有限制其转动的限位件，弹性件与螺杆固定。转动螺母，螺杆在限位件的作用下平动。当弹性件为橡皮绳时，弹性件被放松或拉紧。当弹性件为弹簧时，弹性件被螺杆压紧或拉伸。

通过上述水平向导轨及竖直向导轨，二维电磁激励器的动子与定子可以在水平向导轨及竖直向导轨的引导下作二维运动。同时激励器产生的作用力大小也可以通过力传感器分别测量处理后得到。

在标定装置上沿导轨的水平方向上安装水平向激光位移传感器，在竖直方向上安装竖直向激光位移传感器。其中水平向激光位移传感器10与基座13固定，其激光束沿水平向垂直照射在水平滑块14的侧面上，用于精确测量水平滑块14在水平向的位移，即电磁激励器动子部相对于定子部在水平向的位移。

竖直向激光位移传感器1安装在水平吊装块3的上方，且在水平吊装3块上设置有竖直照射孔，竖直向激光位移传感器1所射出的激光束2沿竖直向导轨方向垂直照射在“∩”型磁轭4顶部，从而精确测量动子部相对于定子部在竖直方向的位移。

本发明的技术构思：利用水平及竖直向导轨对电磁激励器的动子部进行支撑和导向，既避免了运动过程中的摩擦力同时也确定了相对位移方向。如图6所示，其具体工作过程如下：首先利用双路精密恒流源向印刷线路板15内的两独立线圈分别提供相应大小的控制电流，根据安培力原理F=BIL ，由永磁体6、19及“∩”型磁轭4所构成的闭合磁路动子部便会相对激励线圈定子部产生水平和竖直向的作用力；通过调节固定块及吊装弹性件上的调节旋钮使得激励器的动子部相对定子部处于指定的相对位置，然后分别记录下此时竖直向和水平向线圈所通电流大小、所在的相对位置及各力传感器的示值。重复上述各步骤，便可以标定在不同相对位置、不同电流作用下，激励器在两个方向分别输出作用力的大小。

本发明的有益效果：利用气浮导轨对二维电磁激励器的两个运动方向进行精确导向和支撑，使得输出力不受摩擦力影响，模拟了太空环境。同时通过在不同电流及不同相对位置情况下对电流、位置及力的精确测量构成了完整的标定***，因此本发明可以克服重力及摩擦力影响，模拟外太空零重力环境下对二维电磁激励器进行输出力的精确标定。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (1)

1.一种二维电磁激励器的力标定装置，具有基座，其特征在于：基座上设置水平向标定单元和竖直向标定单元；水平向标定单元包括水平滑块和一对水平向导轨，水平滑块的左右两侧分别***水平向导轨的左右引导槽内，水平滑块上设有允许二维电磁激励器定子部穿过的过孔；基座上设置有监测水平滑块水平位移的水平向激光位移传感器；竖直向标定单元包括吊装支架、吊装弹性件和一对竖直向导轨，竖直向导轨同样包含左右导轨且分别垂直固定在水平滑块上；吊装支架分别与竖直向左右导轨的延伸段固定，吊装弹性件上端与吊装支架固定，下端用于与待标定的二维电磁激励器动子部固定；基座上设置竖直向激光位移传感器；

水平滑块的前后两端分别设置水平向弹性件，两个水平向弹性件位于同一直线上，每根水平向弹性件分别一端与水平滑块固定，另一端与固定块固定，其中一个固定块和水平向弹性件之间串联有水平向力传感器；吊装弹性件和吊装支架之间串联有竖直向力传感器；

水平滑块的过孔呈十字形；

竖直向导轨和水平向导轨均为气浮导轨；

两个竖直向导轨的顶端分别具有向上延伸段，水平吊装块的两端分别与两个延伸段固定，水平吊装块和延伸段构成吊装支架，吊装弹性件固定于水平吊装块，竖直向力传感器位于水平吊装块与吊装弹性件之间。