[发明专利]一种用于陀螺位标器转轴的静平衡测试方法

摘要

本发明公开了一种用于陀螺位标器转轴的静平衡测试方法，使用水平轴角位置转台装卡被测陀螺位标器，通过调整安装夹具的方向使陀螺位标器的任意一个被测轴与转台水平轴平行，在转台的每一个锁定角位置，测控系统驱动被测轴进行正弦小角度振动，通过对被测轴驱动电流周期测量量的积分就可以求得静不平衡量的值，通过对其驱动电流和角位置信号的观察并结合水平转台的转角就可以得出静不平衡量的位置。具体测试过程包括以下步骤：步骤一：测量被测轴转矩常数，步骤二：陀螺位标器转轴静平衡测试，步骤三：选取陀螺位标器其余的测试轴进行测试，确定被测轴后，重复步骤一和步骤二，最终，外环轴、中环轴和内环轴三个被测轴均测试完毕，本发明结束。

主权项

1.一种用于陀螺位标器转轴的静平衡测试方法，其特征在于，具体包括以下几个步骤：步骤一：测量被测轴转矩常数，被测轴转矩常数的测定方法具体包括：（1）通过测控系统发送控制命令到转台控制器，调节水平轴角位置转台转动到任意设定的角位置锁定，确定水平轴角位置转台接收测控系统上位机发送的控制命令在其运行过程中没有发生失步、过冲和振动情况，而且定位精度能达到1°的要求后使水平轴角位置转台回到初始基准零位锁定；（2）陀螺位标器有外环轴、中环轴和内环轴三个被测轴，选择其中一个作为被测轴进行测试，进入步骤（3）；（3）选定被测轴后，通过夹具将被测陀螺位标器安装在水平轴角位置转台上，并保持陀螺位标器被测轴与水平轴角位置转台的水平轴平行；（4）在水平轴角位置转台的初始基准零位处，测控系统控制多功能数据采集卡的I/O口和定时器分别向除被测轴之外的另两个转轴驱动检测机构发送伺服控制信号，并采用AI口实时采集这两个轴的角位移、角速度信号使这两个轴的驱动机构在对被测轴测试的过程中，通过位置、速度双闭环PID控制策略，各自始终处于锁定状态，只留被测轴处于工作状态；（5）记录被测轴转动的初始基准零位，然后对被测轴用砝码进行静不平衡量的配平；（6）被测轴电机驱动经过用砝码进行静不平衡量配平之后的被测轴在其所能转动的最大机械角度范围内匀速转动，测控系统实时采集并记录被测轴的角位移信号和驱动电流信号，得到被测轴转动的角位置和驱动电流大小；（7）判断被测轴匀速运动时驱动电流大小是否有变化，如果有变化，则返回步骤（5），否者进入步骤（8）；（8）由测控系统控制多功能数据采集卡的I/O口和定时器分别向被测轴的驱动电机发送伺服控制信号，使被测轴转动的初始基准零位重合于水平轴角位置转台的初始基准零位或与其重合于相对固定的标记位置；（9）进行陀螺位标器被测轴正转方向的轴转矩常数测量；去掉陀螺位标器被测轴所加的工作电压并在其正转方向的A点挂砝码M_1i，被测轴因受砝码M_1i重力矩作用，将以ω₁的角速度开始顺时针方向转动，转动角度θ_1i后使其停止，获取此时被测轴基准零位线的停止位置与其初始基准零位标记线之间的夹角θ_1i角的位移量、所挂砝码的重量，最后对被测轴驱动电机供入它所能承受范围内的一个驱动电流使其逆时针方向往回转，并不断调节这个电流的大小，使得供入电流的大小刚好满足当被测轴的基准零位线转动到原来的初始基准零位标记线位置，即θ_1i变为0时，被测轴静止不动，记录此时刻被测轴的驱动电流值为I_1i，根据力矩平衡和电机转矩理论得出陀螺位标器被测轴在正转方向的转矩常数：L_T1i＝M_1i·R/I_1i    (1)其中：K_T1i表示陀螺位标器被测轴在正转方向的转矩常数，M_1i表示被测轴在正转方向时所挂砝码的重量，R表示被测轴半径，I_1i表示被测轴在正转方向匀速运动时，电机供入的驱动电流；按照上述方式，重复进行步骤（8）、（9），在A点挂其它不同重量的砝码N次，共得到N个陀螺位标器被测轴在正转方向时的轴转矩常数K_T1i；（10）进行陀螺位标器被测轴反转方向的轴转矩常数测量；重新进行步骤（8），然后再按照步骤（9）的测试方法，去掉陀螺位标器被测轴所加的工作电压并在其反转方向的B点挂砝码M_2i，被测轴因受砝码M_2i重力矩作用，将以ω₁的角速度开始逆时针方向转动，转动角度θ_2i后使其停止，获取此时被测轴的基准零位线停止位置与其初始基准零位标记线之间的夹角θ_2i角的位移量、所挂砝码的重量，最后对被测轴驱动电机供入它所能承受范围内的一个驱动电流使其顺时针方向往回转，并不断调节这个电流的大小，使得供入电流的大小刚好满足当被测轴的基准零位线转动到原来的初始基准零位标记线位置，即θ_2i变为0时，被测轴静止不动，记录此时刻被测轴的驱动电流值为I_2i，根据力矩平衡的原理和电机转矩理论得出陀螺位标器被测轴在反转方向的转矩常数：K_T2i＝M_2i·R/I_2i    （2）其中：K_T2i表示陀螺位标器被测轴在反转方向的轴转矩常数，M_2i表示被测轴在反转方向时所挂砝码的重量，R表示被测轴半径，I_2i表示被测轴在反转方向匀速运动时，电机供入的驱动电流；按照上述方式，重复进行步骤（8）、（10），在B点挂其它不同重量的砝码N次，共得到N个在反转方向时的陀螺位标器被测轴转矩常数K_T2i；（11）获取陀螺位标器被测轴转矩常数；为了提高测试的精度，将步骤（9）、步骤（10）分别得到的N个K_T1i与N个K_T2i相加，利用公式（3）求其平均值：K‾=Σi=1NKT1i+Σi=1NKT2i2N---(3)]]>其中：表示通过测量与计算得到的陀螺位标器被测轴转矩常数；步骤二：陀螺位标器转轴静平衡测试，陀螺位标器转轴静平衡测试的电流积分方法具体包括：1）去掉陀螺位标器被测轴在步骤一中所加的全部砝码，由测控系统重新向转台驱动电机发送控制命令，调节水平轴角位置转台回到初始基准零位锁定，设定水平轴角位置转台转动的总段数L，L属于自然数且是360的约数，记第i次转动后的锁定角位置距离初始基准零位的角度为θ_i，i＝1,2,…,L，则锁定角位置θ_i的取值依次为360×1/L，360×2/L，360×3/L，…，360°×i/L，…，360°；2）观察水平轴角位置转台是否能平稳地回到初始基准零位并锁定状态良好，是则进行以下第3）步骤，否则返回第1)步骤；3）选定步骤一中刚测试完转矩常数的那个轴作为被测轴继续对其进行静平衡测试；在水平轴角位置转台的初始基准零位处，测控系统控制多功能数据采集卡的I/O口和定时器分别向除被测轴之外的另两个转轴驱动检测机构发送伺服控制信号，并采用AI口实时采集这两个轴的角位移、角速度信号使这两个轴的驱动电机在对被测轴测试的过程中，通过位置、速度双闭环PID控制策略，各自始终处于锁定状态，只留被测轴处于工作状态；4）重新标记陀螺位标器被测轴的初始基准零位，并使其与水平轴角位置转台的初始基准零位重合或与其重合于相对固定的标记位置；5）水平轴角位置转台驱动电机接收测控系统发送的运转控制命令，驱动水平轴角位置转台依次锁定在预先设定的每一个锁定角位置θ_i处，i=1,2,…，L，然后等待陀螺位标器被测轴进行正弦小角度振动，测试完成后，又转至下一个锁定角位置处；6）在水平轴角位置转台的每一个锁定角位置θ_i处，测控系统均控制多功能数据采集卡通过其I/O口和定时器分别向这个作为被测轴的转轴驱动检测机构发送伺服控制信号，驱动被测轴在[-θ°,+θ°]的角度范围内以y＝θsin(ωt)进行正弦小角度振动的同时，并采用其AI口实时的采集被测轴的角位移、角速度、驱动电流和驱动电压信号，采集回来的角位移、角速度信号主要用于完成被测轴的位置、速度双闭环PID控制，采集回来的驱动电压信号主要是用于检测驱动电机工作状态是否正常，采集回来的驱动电流值主要是用于完成被测轴静不平衡量的计算，其中，ω表示对被测轴所加信号的角速度，t表示被测轴振动所用的时间，y表示转角位置，y∈[-θ，+θ]，这里θ的范围由被测轴的机械特性及静平衡测试的精度决定；7）在步骤3）与步骤6）中分别是采用信号适配器电路板上设计的差分运算放大电路实现对经旋转变压器或电位器采集到的角位移信号，陀螺仪采集到的角速度信号，精密电阻采集得到的驱动电流、电压信号的标度变换，然后通过RC滤波电路，再将滤波处理后的信号经过隔离放大器输入到数据采集卡的AD转化通道进行采样并记录测试数据的；8）在水平轴角位置转台的每一个锁定角位置θ_i处，观察步骤6）中被测轴角位移采样值的变化情况，然后绘制被测轴角位移采样值与时间的对应关系曲线；对应曲线，当某时刻观察到被测轴的角位移信号过零点时，选定该时刻为数据记录的有效起始时刻，记为t_0i，从t_0i时刻起，记波形恰好重现N次的时刻为t_Ni，N为选定的积分区间所包含的角位移采值重现波形的周期数；9）观察步骤8）中被测轴角位移采样值与各个标定时间点的关系，找出在步骤6）中得到的与之对应的被测轴驱动电流采样值，然后绘制被测轴驱动电流采样值与各个标定时间点的对应关系曲线；10）确定被测轴驱动电流采样值重现波形的周期个数N，也即确定t_Ni的值，然后根据以下公式（4）通过对电流测量量的多周期积分就可以计算出当水平轴角位置转台处于角位置θ_i处时，被测轴的静不平衡力距：Mθi=∫t0itNiK‾·Iidt∫t0itNidt---(4)]]>其中：为待测的被测轴在水平轴角位置转台处于角位置θ_i处时，计算得到的静不平衡力距，为步骤一中测得的被测轴转矩常数，I_i为波形重现N个周期时间内，被测轴在做正弦小角度振动时驱动电流测量值；t_0i与t_Ni分别为被测轴在水平轴角位置转台处于角位置θ_i处时，电流测量量多周期积分时所取的积分上下限；11）重新确定第10）步骤中被测轴驱动电流采样值波形重现的周期个数N，也即重新确定t_Ni的值，并实时采集对应积分时间段上的驱动电流值I_ki，重复步骤10）W次测算，共得到W个被测轴的静不平衡力距，利用（5）式相加求其平均值：Mθi=Σk=1WMθkiW---(5)]]>其中：表示在水平轴角位置转台处于角位置θ_i处时，陀螺位标器被测轴被重新第K次确定第10）步骤中的测试周期个数后，通过（4）式计算得到的静不平衡力矩；表示在水平轴角位置转台处于角位置θ_i处时，陀螺位标器被测轴的静不平衡力矩，I_ki表示第K次确定了第10）步骤中周期个数的时间内，被测轴在做正弦小角度振动时驱动电流测量值；12）在水平轴角位置转台处于角位置θ_i处，完成陀螺位标器被测轴的静不平衡力矩的测试和计算后，通过测控系统控制水平轴角位置转台锁定在预先设定的θ_i的下一个锁定角位置θ_i+1处，重复进行步骤6）到11），直到步骤1）中设定的水平轴角位置转台转动的总段数L全部转完（也即完成在水平轴角位置转台依次取值为360°×1/L，360°×2/L，360°×3/L，…，360°×i/L，…，360°的锁定角位置θ_i处，陀螺位标器被测轴的静不平衡力矩的测试和计算）。总段数L全部转完之后，总共得到L个陀螺位标器被测轴的静不平衡力矩此时表示被测轴静不平衡力矩的一个测试周期完成；13）把第12）步骤得到的L个陀螺位标器被测轴的静不平衡力矩的值，按照与水平轴角位置转台每个锁定角位置θ_i的对应关系在坐标平面上作图；14）观察陀螺位标器被测轴的静不平衡力矩与水平轴角位置转台每个锁定角位置θ_i的对应关系曲线或者采样值，找出陀螺位标器被测轴测得静不平衡力矩最大值处所对应的水平轴角位置转台的锁定角位置θ_i，如果在步骤4）中，标记的陀螺位标器被测轴的初始基准零位与水平轴角位置转台的初始基准零位重合，那么，此时水平轴角位置转台的锁定角位置θ_i也就是陀螺位标器被测轴的静不平衡量相对于初始基准零位分布的角位置；如果在步骤4）中，标记的陀螺位标器被测轴的初始基准零位与水平轴角位置转台的初始基准零位不重合，但与其重合于相对固定的标记位置，那么，此时水平轴角位置转台的锁定角位置θ_i加上不重合时候标记的那个相对固定的标记值即为陀螺位标器被测轴的静不平衡量相对于其初始基准零位分布的角位置；步骤三：选取陀螺位标器其余的测试轴进行测试，确定被测轴后，重复步骤一和步骤二，最终，外环轴、中环轴和内环轴三个被测轴均测试完毕，本发明结束。