专利名称：一种用于陀螺位标器转轴的静平衡测试方法
技术领域：
本发明涉及一种用于陀螺位标器转轴的静平衡测试方法，属于陀螺位标器自动检测与标定技术领域。
背景技术：
陀螺位标器是实现导弹导引系统目标探测、光轴稳定、随动和跟踪的核心组件，一般是由机械平台、三轴框架、陀螺转子、伺服电机、力矩器以及控制电路等组成的。通常由于设计误差、材料缺陷、加工与装配误差等原因会造成陀螺位标器的内环轴、中环轴、外环轴产生质量偏心，从而引起位标器静不平衡，不平衡量如果太大，其附加的动压力不但会加速轴承损坏，而且会引起整个导引头的振动，加速位标器的机械磨损，甚至使导引头系统失去控制，因此，对位标器陀螺转轴的静不平衡量及静不平衡位置特性进行研究尤为重要。 传统的滚动法、称重平衡法、静压支撑法虽然也巧妙地解决了位标器陀螺转轴静平衡测试的问题，但是这些方法在测试过程中都存在着较大的摩擦力，难以达到很高的平衡精度，灵敏度难以保证，而且当配合面上有划痕、凸起、锈迹、污物时，一方面会造成被测的位标器污损，另一方面在测量过程中装拆工作烦琐，配重过程复杂；光学调整法虽说在很大程度上克服了上述方法的不足之处，但它对测试环境要求较高，而且适应性差、操作过程麻烦，测试效率难以提高。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种操作简单、适应性较好、测试速度快的陀螺位标器转轴静平衡测试方法。一种用于陀螺位标器转轴的静平衡测试方法，具体包括以下几个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。本发明的优点在于(I)在本发明中，使用水平轴角位置转台装卡被测陀螺位标器，通过改变安装夹具的方向就能使陀螺位标器三个轴中的任意一个被测轴与转台轴平行，转台驱动器接收测控系统(上位机)发出的角位置控制信号，可以以不同的控制模式到达不同角位置锁定，角位置控制精度较高，转角范围不小于360° ；(2)本发明测试方法使用多功能、高精度、高速率的数据采集卡，保证了测控系统不但能快速记录陀螺位标器各个轴运动的角度、角速度、驱动电压、电流，而且具有较高的测试精度指标；(3)本发明使用多功能数据采集卡自带的四个定时器输出口中的三个输出PWM信号，通过I/O 口输出方向、起停信号分别用于陀螺位标器各个轴电机的伺服控制，极大地降低了软硬件设计的难度；(4)本发明测试方法简单，一方面不会造成被测的陀螺位标器污损，另一方面它对测试环境要求不高，适应性较好、测试效率容易提高；(5)本发明测试方法依据位标器陀螺转轴的机械结构、性能特点和静平衡测试的要求，以刚体静力学理论为基础，通过对被测轴周期性变化的电流在其变化整周期上的积分来求解静不平衡量的值，所以测试数据处理简单，计算量较小。(6)本发明测试方法的软件采用图形化编程软件Lab VIEW语言作为开发工具，以动画、图表、曲线和虚拟面板的形式完成测试所需的所有功能，管理检测设备的供电，具有较高的可靠性、较快的运行效率和较直观的软件操作界面。
图I为本发明的测试方法所采用系统的结构组成示意图；图2为本发明的方法流程图；图3为本发明步骤一所述测量被测轴转矩常数的方法流程图；图4为本发明步骤一所述在正转方向时被测轴转矩常数实验测定方法的示意图；图5为本发明步骤一所述在反转方向时被测轴转矩常数实验测定方法的示意图；图6为本发明步骤二所述陀螺位标器转轴静平衡测试的电流积分方法流程图；图7为本发明步骤二所述，在水平轴角位置转台的每一个锁定角位置Θ i处，陀螺位标器被测轴进行正弦小角度振动时，采集回来的角位移信号与时间的对应关系曲线示意图；图8为本发明步骤二所述，在水平轴角位置转台的每一个锁定角位置Θ i处，陀螺位标器被测轴进行正弦小角度振动时采集回来的驱动电流信号与时间的对应关系曲线示意图；图9为本发明步骤二所述，陀螺位标器被测轴的静不平衡力矩Λ4,与水平轴角位置转台每个锁定角位置Qi的对应关系曲线示意图。
具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。本发明涉及一种用于陀螺位标器转轴的静平衡测试方法，所采用系统的结构组成示意图如图I所示，整个系统主要是由被测陀螺位标器、水平轴角位置转台、各类夹具和测控系统组成的，静平衡测试的对象为陀螺位标器的外环、中环、内环三个转动轴，系统测试时，先用各类夹具将陀螺位标器装卡到水平轴角位置转台上，通过改变安装夹具的方向调整陀螺位标器三个轴中的任意一个被测轴与转台水平轴平行，在测控系统上位机上运行采用Lab VIEW编制的系统监控软件，通过键盘和鼠标向测控系统输入各种命令参数，系统的运行状态和数据处理过程就可以以动画、图表、曲线和虚拟面板的形式在显示器上直观的显示。信号调理适配器主要用于完成被测陀螺位标器与多功能数据采集卡之间的信号连接，实现各类信号的标度变换和滤波功能。因为三个被测轴各自配有独立的驱动检测机构且为单一顺序进行测试，所以当选定其中任一个作为被测轴进行测试时，先通过测控系统控制多功能数据采集卡的I/O 口和定时器分别向其他两个未被作为被测轴的转轴驱动检测机构发送伺服控制信号，并采用Al 口实时采集这两个轴的角位置、角速度信号使这两个轴的驱动电机通过位置、速度双闭环PID控制策略，各自处于锁定状态，只留被测轴处于工作状态，然后由测控系统(上位机)向水平轴角位置转台控制器发送控制信号使其驱动水平轴角位置转台到达不同的角位置锁定，在水平轴角位置转台的每一个不同的锁定角位置处，再由测控系统控制多功能数据采集卡通过其上集成的I/O 口和定时器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，驱动被测轴进行正弦小角度振动，Al 口实时的采集被测轴的角位置、角速度、驱动电流和驱动电压信号，通过对驱动电流的多周期积分就可以求得静不平衡量的值，通过对驱动电流和角位置信号的观察并结合水平轴角位置转台的转动角度就可以得出静不平衡量的分布位置。本发明的测试方法，流程如图2所示，具体包括以下几个步骤步骤一测量被测轴转矩常数，流程如图3所示，被测轴转矩常数的测定方法具体包括 (I)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、过冲和振动等情况，而且定位精度能达到至少1°的要求后使水平轴角位置转台回到初始基准零位锁定(水平轴角位置转台台面转盘上布有刻度，这里指的是零刻度线位置);(2)陀螺位标器有外环轴、中环轴和内环轴三个被测轴，对其测试没有严格的顺序要求，选择其中一个作为被测轴进行测试，进入步骤(3)，本发明中可以首先选择测试外环轴，然后再测试中环轴，最后测试内环轴；(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Al 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。(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�。�(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Mli，被测轴因受砝码Mli重力矩作用，将以O1的角速度开始顺时针方向转动，转动角度θπ后使其停止，其示意图如图4所示，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 π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�。沟霉┤氲缌鞯拇笮「蘸寐愕北徊庵岬幕剂阄幌咦皆吹某跏蓟剂阄槐昙窍呶恢�(即θ π变为O)时，被测轴静止不动，记录此时刻被测轴的驱动电流值为Ili，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Kni = Mli · R/In (I)其中KTli表示陀螺位标器被测轴在正转方向的转矩常数，Mli表示被测轴在正转方向时所挂破码的重量，R表不被测轴半径，Ili表不被测轴在正转方向勻速运动时，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Kni ；(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M2i，被测轴因受砝码M2i重力矩作用，将以Q1的角速度开始逆时针方向转动，转动角度Θ 2i后使其停止，其示意图如图5所示，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G2i变为O)时，被测轴静止不动，记录此时刻被测轴的驱动电流值为I2i，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KT2i = M2i · R/I2i (2)其中KT2i表示陀螺位标器被测轴在反转方向的轴转矩常数，M2i表示被测轴在反转方向时所挂破码的重量，R表不被测轴半径，I2i表不被测轴在反转方向勻速运动时，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KT2i ；(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Kni与N个KT2i相加，利用公式(3)求其平均值
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— IN'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，测试流程如图6所示，陀螺位标器转轴静平衡测试的电流积分方法具体包括I)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)，本发明中L取为36，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θρ( =1，2，···Λ，)则锁定角位置Qi的取值依次为 360X1/L，360。X2/L，360。X3/L, —,360° X 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(状态良好是指水平轴角位置转台接受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、过冲和振动等情况，而且定位精度能达到至少1°的要求)，是则进行以下第3)步骤，否则返回第I)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Al 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Qi ( =ι，2，···Λ，)处，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 = Θ sin(cot)进行正弦小角度振动的同时，并采用其Al 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。这里，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，ye [-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，本发明取θ=5°;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，因为系统采用的是位置速度双闭环PID控制策略，外环为位置环，所以根据第6)步骤中所加的角位移控制信号，这里绘出的被测轴角位移采样值与时间的对应关系曲线也应该也为一条正弦曲线。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tM,从tM时刻起,记波形恰好重现N次(N为自然数)的时刻为tNi,这里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。理想情况下，被测轴振动时采集回来的角位移信号与时间对应曲线如图7所示，图中，tM为测试过程中，当观察到被测轴的角位移信号过零点时，选定的数据记录有效起始时刻，选定主要是为了确定采样周期数N (N为自然数)，方便对电流测量量的多周期积分。tNi为测试过程相对，经过N个采样周期的时刻点；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，因为匀速情况下排除加速力矩的影响，小角度范围内，静不平衡力矩可以认为是常值，而其它力矩不变，所以由刚体力学和电机理论知道，绘出的被测轴驱动电流变化曲应该为一条关于时间轴不对称的正弦曲线。绘出如图8所示的被测轴驱动电流变化曲线示意图；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tNi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Qi处时，被测轴的静不平衡力距
权利要求
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Al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�。� (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Mli，被测轴因受砝码Mli重力矩作用，将以O1的角速度开始顺时针方向转动，转动角度θπ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 π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�。沟霉┤氲缌鞯拇笮「蘸寐愕北徊庵岬幕剂阄幌咦皆吹某跏蓟剂阄槐昙窍呶恢茫处� π变为O时，被测轴静止不动，记录此时刻被测轴的驱动电流值为Ili，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Lni = Mli · R/In (I) 其中KTli表陀螺位标器被测轴在正转方向的转矩常数，Mli表被测轴在正转方向时所挂破码的重量，R表不被测轴半径，Ili表不被测轴在正转方向勻速运动时，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KTli ； (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M2i，被测轴因受砝码M2i重力矩作用，将以Co1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�。沟霉┤氲缌鞯拇笮「蘸寐愕北徊庵岬幕剂阄幌咦皆吹某跏蓟剂阄槐昙窍呶恢茫处� 2i变为O时，被测轴静止不动，记录此时刻被测轴的驱动电流值为I2i，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KT2i = M2i · R/I2i (2) 其中KT2i表陀螺位标器被测轴在反转方向的轴转矩常数，M2i表被测轴在反转方向时所挂破码的重量，R表不被测轴半径，I2i表不被测轴在反转方向勻速运动时，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KT2i ； (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Kni与N个KT2i相加，利用公式(3)求其平均值
2.根据权利要求I所述的一种用于陀螺位标器转轴的静平衡测试方法，其特征在于，所述的L取为36。
3.根据权利要求I所述的一种用于陀螺位标器转轴的静平衡测试方法，其特征在于，所述的Θ = 5°。
全文摘要
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。
文档编号G01C19/5663GK102679970SQ201210146239
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月11日 优先权日2012年5月11日
发明者吴发林, 杨辉, 王志龙, 赵剡, 野超 申请人:北京航空航天大学
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