轉(zhuǎn)子質(zhì)心微位移精密調(diào)整裝置*

婁志峰， 魏 超， 張 鋒

(大連理工大學(xué) 精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023)

轉(zhuǎn)子質(zhì)心微位移精密調(diào)整裝置*

婁志峰， 魏 超， 張 鋒

(大連理工大學(xué) 精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023)

研制的陀螺動(dòng)平衡調(diào)整裝置通過(guò)協(xié)同調(diào)整轉(zhuǎn)子質(zhì)心在兩個(gè)相互垂直方向上的位置實(shí)現(xiàn)質(zhì)心任意方向的微調(diào)整。裝置測(cè)量模塊采用兩個(gè)測(cè)頭分別測(cè)量轉(zhuǎn)子和殼體的位置，通過(guò)計(jì)算兩者的位移差值與初始差值對(duì)比即可得到質(zhì)心的調(diào)整位移量，從而消除彈性變形對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。調(diào)整時(shí)減小緊固螺釘旋緊扭矩可有效降低爬行現(xiàn)象的影響，提高調(diào)整成功率。為了控制調(diào)整方向，調(diào)整時(shí)在非調(diào)整方向施加一定的預(yù)緊力，可減小轉(zhuǎn)子在非調(diào)整方向的位移量。采用上述調(diào)整策略可以達(dá)到±0.5 μm的調(diào)整精度，提高了調(diào)整的成功率，滿足了設(shè)計(jì)要求。

陀螺轉(zhuǎn)子； 質(zhì)心調(diào)整； 微位移； 動(dòng)平衡

0 引 言

陀螺儀傳感器作為慣性導(dǎo)航中的主要部件之一, 廣泛地運(yùn)用于航海、航空、航天、軍事等領(lǐng)域。由于陀螺儀的工作轉(zhuǎn)速高達(dá)10 000轉(zhuǎn)以上，故而對(duì)其動(dòng)平衡精度要求極高，常用的加減重的方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)[1]。目前陀螺儀的動(dòng)平衡調(diào)整多采用人工手動(dòng)的調(diào)整方式，調(diào)整的效率和一致性無(wú)法得到保證。因此，研制了一種用于陀螺轉(zhuǎn)子質(zhì)心位置精密調(diào)整的自動(dòng)設(shè)備，利用質(zhì)心位置平移法實(shí)現(xiàn)動(dòng)平衡調(diào)整的裝置具有十分重要的意義。

陀螺轉(zhuǎn)子質(zhì)心位置調(diào)整屬于組件間微小位移調(diào)整。近些年來(lái)，隨著精密超精密加工技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)、生物醫(yī)學(xué)工程、航空航天等技術(shù)的發(fā)展，對(duì)精密機(jī)械和儀器的精度要求越來(lái)越高，而微位移機(jī)構(gòu)作為其中的難點(diǎn)和核心技術(shù)，越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視[2～4]。微位移機(jī)構(gòu)既可以用于定位機(jī)構(gòu)的微進(jìn)給，也可以作為精密調(diào)整的核心部分。

常見(jiàn)微位移機(jī)構(gòu)根據(jù)其驅(qū)動(dòng)方式的不同可分為機(jī)械傳動(dòng)式、壓電陶瓷式、柔性鉸鏈?zhǔn)胶托螤钣洃浐辖鹗降任⑽灰茩C(jī)構(gòu)。針對(duì)三維微位移工作臺(tái)的耦合問(wèn)題，沈健等人[5]設(shè)計(jì)了一種驅(qū)動(dòng)器固定的三維對(duì)稱(chēng)微位移工作臺(tái)，采用空間柔性鉸鏈桿和平面柔性鉸鏈桿形成雙層柔性鉸鏈桿對(duì)稱(chēng)一體化結(jié)構(gòu)，解決了空間3個(gè)方向運(yùn)動(dòng)耦合問(wèn)題，定位精度高。于保軍等人[6]設(shè)計(jì)的基于顯微視覺(jué)的宏微雙驅(qū)動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)，采用混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)宏動(dòng)平臺(tái)，位于宏動(dòng)平臺(tái)的微動(dòng)平臺(tái)采用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)。王剛[7]采用電磁伸縮器件作為驅(qū)動(dòng)原件設(shè)計(jì)了一套微位移操作器，X，Y方向采用雙側(cè)對(duì)稱(chēng)式平行4桿機(jī)構(gòu)，Z方向采用八桿對(duì)稱(chēng)機(jī)構(gòu)，并加

入了隔振器，其微位移最大為15 μm，分辨率為0.1 μm。韓同鵬等人[8]利用建立的Duhem遲滯模型作為PID反饋控制的前饋環(huán)節(jié)進(jìn)行閉環(huán)精密定位控制，有效降低了壓電執(zhí)行器的非線性和遲滯特性，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。許輝焱等人[9]設(shè)計(jì)的基于六維微位移傳感器的并聯(lián)微操作臺(tái)通過(guò)對(duì)位姿差的閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)了0.01 μm的位置誤差和0.005°的姿態(tài)誤差的定位精度。Ha J等人[10]采用Taguchi法設(shè)計(jì)了一套Scott-Russell柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)，分析了柔性鉸鏈的方向和偏移對(duì)該機(jī)構(gòu)位移放大和運(yùn)動(dòng)直線性的影響。Ji H W[11]針對(duì)壓電陶瓷器件驅(qū)動(dòng)時(shí)存在的遲滯、位移非線性等問(wèn)題，采用Preisach模型作為前饋控制器、PID反饋控制器作為閉環(huán)控制，提高了壓電器件的控制精度，其最大誤差為0.13 μm。

在機(jī)械陀螺中，轉(zhuǎn)子端面受到壓力作用與轉(zhuǎn)動(dòng)軸承內(nèi)圈緊密連接在一起，調(diào)整過(guò)程中端面受到界面間的摩擦力作用，且轉(zhuǎn)子處于非固定狀態(tài)，調(diào)整過(guò)程中存在爬行、實(shí)際調(diào)整方向不易控制等問(wèn)題。上述問(wèn)題是解決轉(zhuǎn)子質(zhì)心位置精密調(diào)整的關(guān)鍵。

1 陀螺轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡調(diào)整系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)裝置所要調(diào)整的陀螺儀如圖1所示，撓性桿上均布12個(gè)螺紋孔，作為調(diào)整轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡時(shí)使用。螺紋孔下方為細(xì)長(zhǎng)軸頸，安裝在軸承內(nèi)圈之中，兩者為間隙配合。緊固螺釘與轉(zhuǎn)子之間為螺紋配合，通過(guò)轉(zhuǎn)子下端面與軸承端面之間的摩擦力實(shí)現(xiàn)固定連接，由此實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子圓盤(pán)上標(biāo)有零刻度線，是動(dòng)平衡測(cè)試中的角度基準(zhǔn)。

圖1 機(jī)械陀螺儀結(jié)構(gòu)圖

陀螺儀在調(diào)整前安裝于專(zhuān)用的夾具內(nèi)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)調(diào)整螺釘調(diào)整轉(zhuǎn)子相對(duì)于軸承內(nèi)圈位置來(lái)實(shí)現(xiàn)質(zhì)心位置的調(diào)整。

本裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，陀螺儀夾持模塊位于整個(gè)調(diào)整裝置的中間部位,用于固定陀螺儀。升降臺(tái)的上下運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)螺紋孔高度的調(diào)整。陀螺夾具下方的步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)陀螺旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)螺紋孔與調(diào)整螺釘?shù)膶?duì)準(zhǔn)。

圖2 動(dòng)平衡調(diào)整裝置結(jié)構(gòu)圖

轉(zhuǎn)子調(diào)整模塊中步進(jìn)電機(jī)和調(diào)整螺釘整體通過(guò)下方的導(dǎo)軌帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)前后運(yùn)動(dòng)，為了實(shí)現(xiàn)調(diào)整螺釘旋轉(zhuǎn)與導(dǎo)軌進(jìn)給運(yùn)動(dòng)匹配，避免螺釘及陀螺損壞，導(dǎo)軌滑塊和上方的步進(jìn)電機(jī)之間安裝雙滑塊導(dǎo)軌。

轉(zhuǎn)子調(diào)整模塊中，為減小調(diào)整螺釘?shù)奶鴦?dòng)、保證螺釘旋入螺紋孔，為此所設(shè)計(jì)的調(diào)整螺釘如圖3所示，連接桿通過(guò)撓性聯(lián)軸器與步進(jìn)電機(jī)聯(lián)接為調(diào)整螺釘提供動(dòng)力，法蘭和連接桿之間的連接部位A采用了10 μm的小間隙配合，套筒中B部分的設(shè)計(jì)保證了調(diào)整螺釘和套筒的同軸度,通過(guò)A，B兩部分的設(shè)計(jì)成功保證了同軸度要求，有效減小了螺釘?shù)奶鴦?dòng)。

圖3 調(diào)整螺釘結(jié)構(gòu)

測(cè)量模塊中采用了上下2個(gè)分辨率為0.2 μm位移傳感器分別測(cè)量轉(zhuǎn)子和殼體的位置變化量，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理獲得兩個(gè)測(cè)頭的差值，再與調(diào)整前的差值進(jìn)行比較，即可獲得轉(zhuǎn)子質(zhì)心位置的實(shí)際位移量。

視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)模塊通過(guò)采集螺紋孔圖像，獲得螺紋孔的圓心坐標(biāo)，然后與標(biāo)定的圓心坐標(biāo)比較，得到調(diào)整螺釘與轉(zhuǎn)子螺紋孔的對(duì)準(zhǔn)所需要的高度和角度。

2 轉(zhuǎn)子質(zhì)心調(diào)整影響因素分析

2.1 緊固螺釘旋緊扭矩

陀螺儀緊固螺釘旋緊扭矩對(duì)調(diào)整的成功率有非常大的影響。雖然扭矩較小時(shí)容易調(diào)整，但旋緊扭矩又不可過(guò)小，這是由于動(dòng)平衡測(cè)量中轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)啟動(dòng)加速度較大，扭矩過(guò)小時(shí)陀螺轉(zhuǎn)子和殼體會(huì)出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)，影響陀螺的動(dòng)平衡精度；旋緊扭矩過(guò)大，當(dāng)轉(zhuǎn)子軸頸和軸承端面間的摩擦力變大，質(zhì)心調(diào)整時(shí)便會(huì)發(fā)生爬行現(xiàn)象，導(dǎo)致調(diào)整的成功率下降。

為了研究旋緊扭矩和爬行之間的聯(lián)系，在2個(gè)不同的旋緊扭矩下進(jìn)行5 μm調(diào)整實(shí)驗(yàn)，調(diào)整時(shí)的位移曲線如圖4所示，2組實(shí)驗(yàn)均經(jīng)過(guò)4次調(diào)整，其中A為螺釘旋入螺紋孔進(jìn)行質(zhì)心調(diào)整，B為螺釘旋出螺紋孔計(jì)算調(diào)整的位移量。差值曲線中兩段斜率不同的部分分別對(duì)應(yīng)快速調(diào)整和慢速調(diào)整2個(gè)過(guò)程。2組實(shí)驗(yàn)前3次的調(diào)整曲線中的慢速調(diào)整部分都比較平滑，但曲線均在最后一次調(diào)整中產(chǎn)生較大變化，出現(xiàn)爬行現(xiàn)象導(dǎo)致過(guò)調(diào)整。其中,a組實(shí)驗(yàn)中爬行量為4.8 μm，b組實(shí)驗(yàn)爬行量為14.1 μm。由此可見(jiàn)，爬行距離隨著旋緊扭矩的增大而增大。

圖4 實(shí)驗(yàn)位移曲線圖

由于旋緊扭矩過(guò)大時(shí)會(huì)出現(xiàn)爬行的現(xiàn)象，而扭矩較小時(shí)容易調(diào)整。對(duì)此提出采用小旋緊扭矩進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整結(jié)束后增大扭矩確保動(dòng)平衡測(cè)試的方案。只要在增大或者減小旋緊扭矩的過(guò)程中，轉(zhuǎn)子的位置不發(fā)生移動(dòng)上述方案便具有可行性。

轉(zhuǎn)子軸頸與緊固螺釘通過(guò)螺紋連接在一起，而其螺紋聯(lián)接的受力可簡(jiǎn)化為圖5所示的模型，示意圖中將轉(zhuǎn)子軸頸簡(jiǎn)化為滑塊，當(dāng)勻速放松緊固螺釘時(shí)，轉(zhuǎn)子的受力如圖所示，主要有調(diào)整螺釘?shù)睦、徑向力Ft、正壓力FN以及摩擦力Ff。

圖5 螺紋連接受力示意圖

由圖5可知

Ft=Ftan(ρ-β)

(1)

F=FNcosβ+Ffsinβ

(2)

式中ρ為摩擦角；β為螺紋升角。

緊固螺釘與轉(zhuǎn)子軸頸處的力矩T1及轉(zhuǎn)子與軸承內(nèi)圈之間的力矩T2分別為

(3)

(4)

式中 fc為轉(zhuǎn)子與軸承接觸面之間摩擦系數(shù)；D0,d0為轉(zhuǎn)子與軸承接觸面的大徑和小徑；d2為緊固螺釘螺紋中徑。

為了保證轉(zhuǎn)子的位置固定不動(dòng)，只要轉(zhuǎn)子與軸承內(nèi)圈之間的力矩T2大于緊固螺釘與轉(zhuǎn)子軸頸處的力矩T1即可，即

(5)

將式(1)代入上式中，即

(6)

式中只要各參數(shù)滿足上式即可。經(jīng)測(cè)量D0=7.3mm，d0=4.3mm，d2=1.838mm，fc=0.13，ρ=10.3°，β=2.5°代入上式后恒成立。勻速放松或擰緊緊固螺釘轉(zhuǎn)子質(zhì)心位置不會(huì)發(fā)生移動(dòng)，方案的可行性得到驗(yàn)證。

2.2 調(diào)整方向的控制

在調(diào)整過(guò)程中，由于轉(zhuǎn)子螺紋孔加工誤差、調(diào)整螺釘安裝誤差等影響因素的存在，調(diào)整螺釘軸線和螺紋孔軸線將不可避免的存在一定夾角，這會(huì)導(dǎo)致在某一個(gè)方向調(diào)整時(shí)，非調(diào)整方向也會(huì)產(chǎn)生位移，且位移的大小和方向也具有隨機(jī)性。為了減小螺釘和螺紋孔軸線夾角對(duì)調(diào)整過(guò)程的影響，保證調(diào)整過(guò)程的一致性，調(diào)整時(shí)在非調(diào)整方向施加預(yù)緊力，適當(dāng)改變預(yù)緊力的大小，以此達(dá)到通過(guò)該預(yù)緊力來(lái)抵消轉(zhuǎn)子在非調(diào)整方向上的力。

為了驗(yàn)證方案的可行性，通過(guò)采用圖6所示的方式將y方向調(diào)整螺釘放置到一個(gè)與所需調(diào)整方向成30°夾角的位置，在x方向施加預(yù)緊力，當(dāng)轉(zhuǎn)子質(zhì)心向著轉(zhuǎn)子在非調(diào)整方向向x正方向移動(dòng)，則此時(shí)減小F1確保在此后的調(diào)整中轉(zhuǎn)子在x正方向的位移不會(huì)繼續(xù)增大；反之則增大F1確保在此后的調(diào)整中轉(zhuǎn)子在x負(fù)方向的位移不會(huì)繼續(xù)增大。

圖6 調(diào)整示意圖

對(duì)比方案中，調(diào)整方向螺釘與y軸的夾角為0°，x方向不施加預(yù)緊力。兩種方案的最終結(jié)果如表1，表中正數(shù)表示質(zhì)心向調(diào)整螺釘一側(cè)移動(dòng)，負(fù)數(shù)表示質(zhì)心向傳感器測(cè)頭一側(cè)移動(dòng)。兩種方案均可達(dá)到±0.5μm的調(diào)整精度。與對(duì)比方案相比，目標(biāo)方案中非調(diào)整方向的移動(dòng)距離大小和方向一致性更好，可以更好地控制調(diào)整方向。

表1 陀螺轉(zhuǎn)子質(zhì)心調(diào)整實(shí)驗(yàn)結(jié)果

注：調(diào)整距離為8 μm，旋緊扭矩為0.03 N·m。

3 陀螺動(dòng)平衡調(diào)整實(shí)驗(yàn)

陀螺儀的動(dòng)平衡測(cè)試采用的是依靠自身的驅(qū)動(dòng)電機(jī)將轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速提高到工作轉(zhuǎn)速。調(diào)整最終要達(dá)到的動(dòng)平衡精度為G0.4，即0.4 mm/s。轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡精度為

(7)

則不平衡度

(8)

式中 e為不平衡度，μm；G為平衡精度等級(jí)，mm/s；n為工作轉(zhuǎn)速，r/min。

許用不平衡量

Uper=Me

(9)

式中 M為轉(zhuǎn)子質(zhì)量，g。

所要調(diào)整的陀螺轉(zhuǎn)子質(zhì)量M為60.6g，工作轉(zhuǎn)速n為14 400r/min，最終允許剩余不平衡量Uper為16.1mg·mm。

動(dòng)平衡調(diào)整實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，經(jīng)過(guò)4次調(diào)整不平衡量為7.9mg·mm，小于許余不平衡量Uper，達(dá)到精度要求。第1次調(diào)整中調(diào)整位移量過(guò)大導(dǎo)致相位角由原來(lái)的270°變成反方向的78°，接下來(lái)的2次調(diào)整其調(diào)整的位移量由于未超過(guò)轉(zhuǎn)子質(zhì)心的實(shí)際偏移量，所以其相位角便幾乎沒(méi)有變化。當(dāng)動(dòng)平衡量小于一定值之后相位角的變化呈現(xiàn)出隨機(jī)性。

表2 動(dòng)平衡調(diào)整實(shí)驗(yàn)

注：旋緊螺釘扭矩為0.03 N·m。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)某型號(hào)陀螺儀研制了一種轉(zhuǎn)子質(zhì)心微小位移調(diào)整裝置，針對(duì)調(diào)整螺釘?shù)奶鴦?dòng)問(wèn)題進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低了調(diào)整螺釘?shù)奶鴦?dòng)，提高了與螺紋孔的對(duì)準(zhǔn)精度。通過(guò)調(diào)整緊固螺釘?shù)男o扭矩進(jìn)行小旋緊扭矩調(diào)整、大旋緊扭矩動(dòng)平衡測(cè)量，減少了爬行現(xiàn)象的出現(xiàn)，提高了調(diào)整成功率。通過(guò)在在非調(diào)整方向施加預(yù)緊力的方法，保證了單方向調(diào)整精度±0.5 μm的同時(shí)有效地控制了轉(zhuǎn)子移動(dòng)方向。

[1] 張廣威.陀螺轉(zhuǎn)子質(zhì)心位置精密調(diào)整方法與實(shí)驗(yàn)研究[D].大連：大連理工大學(xué),2015.

[2] 李圣怡，黃長(zhǎng)征，王貴林.微位移機(jī)構(gòu)研究[J]. 航空精密制造技術(shù)，2000(4):5-9.

[3] 劉登云，楊志剛，程光明，等.微位移機(jī)構(gòu)的現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007(1):156-158.

[4] 榮烈潤(rùn).微位移機(jī)構(gòu)綜述[J].機(jī)電一體化， 2005(2):6-11.

[5] 沈 健，黃盼龍，張海巖.一種新型三維微位移工作臺(tái)的設(shè)計(jì)和分析[J].納米技術(shù)與精密工程，2014(6):441-444.

[6] 于保軍，楊志剛，齊會(huì)良，等.基于顯微視覺(jué)的宏/微雙驅(qū)動(dòng)微動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008(2):125-129.

[7] 王 剛，徐 穎，張傳英.一種三維微位移操作器[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2000(5):35-37.

[8] 韓同鵬，李國(guó)平，沈 杰.基于壓電陶瓷微位移執(zhí)行器的精密定位技術(shù)研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2010，29(2):51-53.

[9] 許輝焱，趙現(xiàn)朝，高 峰，等.基于六維微位移傳感器的并聯(lián)微操作臺(tái)全閉環(huán)控制[J].傳感器與微系統(tǒng)，2009，28(4):117-120.

[10] Ha J,Kung Y,Hu S,et al.Optimal design of a micro-positioning Scott-Russell mechanism by Taguchi method[J].Sensors and Actuators A:Physical，2006,125(2):565-572.

[11] Ji H W,Wen Y Q,Fu C M.Feedback control of a flexible micro-displacement manipulator[J].Key Engineering Materials,2011,480-481:1167-1172.

Rotor centroid micro displacement precise adjustment device*

LOU Zhi-feng, WEI Chao, ZHANG Feng

(Key Laboratory for Precision & Non-traditional Machining of Ministry of Education,Dalian University of Technology,Dalian 116023,China)

Dynamic balancing adjustment device is developed by translating the rotor centroid.Adjustment is carried out in two directions to adjust the position of the rotor centroid to any angle. In order to reduce the influence of the elastic deformation,two probes are used in the measurement module.Adjustment distance is obtained by calculating difference between the two probes.Preload of fastening screw is reduced before adjustment to improve the success rate of adjustment and reducing creeping phenomenon.When adjusting,in order to control adjustment direction,applying a certain preload in direction of non-adjusting.By adopting a reasonable policy,the device can achieve adjustment precision of ±0.5 μm in a higher success rate,and meet the requirements of design.

gyroscope rotor; centroid adjustment ; micro displacement; dynamic balancing

10.13873/J.1000—9787(2017)05—0130—04

2016—05—12

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目(2013ZX04001091)

TP 273

A

1000—9787(2017)05—0130—04

婁志峰(1978-)，男，副教授，主要從事幾何測(cè)量與微小組件精密裝配等研究工作。