婁志峰， 魏 超， 張 鋒

(大連理工大學 精密與特種加工教育部重點實驗室，遼寧 大連 116023)

轉子質心微位移精密調整裝置*

婁志峰， 魏 超， 張 鋒

(大連理工大學 精密與特種加工教育部重點實驗室，遼寧 大連 116023)

研制的陀螺動平衡調整裝置通過協(xié)同調整轉子質心在兩個相互垂直方向上的位置實現(xiàn)質心任意方向的微調整。裝置測量模塊采用兩個測頭分別測量轉子和殼體的位置，通過計算兩者的位移差值與初始差值對比即可得到質心的調整位移量，從而消除彈性變形對測量結果的影響。調整時減小緊固螺釘旋緊扭矩可有效降低爬行現(xiàn)象的影響，提高調整成功率。為了控制調整方向，調整時在非調整方向施加一定的預緊力，可減小轉子在非調整方向的位移量。采用上述調整策略可以達到±0.5 μm的調整精度，提高了調整的成功率，滿足了設計要求。

陀螺轉子； 質心調整； 微位移； 動平衡

0 引 言

陀螺儀傳感器作為慣性導航中的主要部件之一, 廣泛地運用于航海、航空、航天、軍事等領域。由于陀螺儀的工作轉速高達10 000轉以上，故而對其動平衡精度要求極高，常用的加減重的方式無法實現(xiàn)[1]。目前陀螺儀的動平衡調整多采用人工手動的調整方式，調整的效率和一致性無法得到保證。因此，研制了一種用于陀螺轉子質心位置精密調整的自動設備，利用質心位置平移法實現(xiàn)動平衡調整的裝置具有十分重要的意義。

陀螺轉子質心位置調整屬于組件間微小位移調整。近些年來，隨著精密超精密加工技術、微機電系統(tǒng)、生物醫(yī)學工程、航空航天等技術的發(fā)展，對精密機械和儀器的精度要求越來越高，而微位移機構作為其中的難點和核心技術，越來越受到國內外學者的重視[2～4]。微位移機構既可以用于定位機構的微進給，也可以作為精密調整的核心部分。

常見微位移機構根據(jù)其驅動方式的不同可分為機械傳動式、壓電陶瓷式、柔性鉸鏈式和形狀記憶合金式等微位移機構。針對三維微位移工作臺的耦合問題，沈健等人[5]設計了一種驅動器固定的三維對稱微位移工作臺，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稱一體化結構，解決了空間3個方向運動耦合問題，定位精度高。于保軍等人[6]設計的基于顯微視覺的宏微雙驅動微動平臺，采用混合式步進電機驅動宏動平臺，位于宏動平臺的微動平臺采用壓電陶瓷驅動。王剛[7]采用電磁伸縮器件作為驅動原件設計了一套微位移操作器，X，Y方向采用雙側對稱式平行4桿機構，Z方向采用八桿對稱機構，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)的響應速度。許輝焱等人[9]設計的基于六維微位移傳感器的并聯(lián)微操作臺通過對位姿差的閉環(huán)控制實現(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法設計了一套Scott-Russell柔性鉸鏈結構，分析了柔性鉸鏈的方向和偏移對該機構位移放大和運動直線性的影響。Ji H W[11]針對壓電陶瓷器件驅動時存在的遲滯、位移非線性等問題，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。

在機械陀螺中，轉子端面受到壓力作用與轉動軸承內圈緊密連接在一起，調整過程中端面受到界面間的摩擦力作用，且轉子處于非固定狀態(tài)，調整過程中存在爬行、實際調整方向不易控制等問題。上述問題是解決轉子質心位置精密調整的關鍵。

1 陀螺轉子動平衡調整系統(tǒng)

本實驗裝置所要調整的陀螺儀如圖1所示，撓性桿上均布12個螺紋孔，作為調整轉子動平衡時使用。螺紋孔下方為細長軸頸，安裝在軸承內圈之中，兩者為間隙配合。緊固螺釘與轉子之間為螺紋配合，通過轉子下端面與軸承端面之間的摩擦力實現(xiàn)固定連接，由此實現(xiàn)電機驅動轉子高速旋轉。轉子圓盤上標有零刻度線，是動平衡測試中的角度基準。

圖1 機械陀螺儀結構圖

陀螺儀在調整前安裝于專用的夾具內，通過旋轉調整螺釘調整轉子相對于軸承內圈位置來實現(xiàn)質心位置的調整。

本裝置采用模塊化設計，其結構如圖2所示，陀螺儀夾持模塊位于整個調整裝置的中間部位,用于固定陀螺儀。升降臺的上下運動可實現(xiàn)螺紋孔高度的調整。陀螺夾具下方的步進電機帶動陀螺旋轉，實現(xiàn)螺紋孔與調整螺釘?shù)膶省?/p>

圖2 動平衡調整裝置結構圖

轉子調整模塊中步進電機和調整螺釘整體通過下方的導軌帶動實現(xiàn)前后運動，為了實現(xiàn)調整螺釘旋轉與導軌進給運動匹配，避免螺釘及陀螺損壞，導軌滑塊和上方的步進電機之間安裝雙滑塊導軌。

轉子調整模塊中，為減小調整螺釘?shù)奶鴦印⒈ＷC螺釘旋入螺紋孔，為此所設計的調整螺釘如圖3所示，連接桿通過撓性聯(lián)軸器與步進電機聯(lián)接為調整螺釘提供動力，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部分的設計保證了調整螺釘和套筒的同軸度,通過A，B兩部分的設計成功保證了同軸度要求，有效減小了螺釘?shù)奶鴦印?/p>

圖3 調整螺釘結構

測量模塊中采用了上下2個分辨率為0.2 μm位移傳感器分別測量轉子和殼體的位置變化量，通過計算機處理獲得兩個測頭的差值，再與調整前的差值進行比較，即可獲得轉子質心位置的實際位移量。

視覺對準模塊通過采集螺紋孔圖像，獲得螺紋孔的圓心坐標，然后與標定的圓心坐標比較，得到調整螺釘與轉子螺紋孔的對準所需要的高度和角度。

2 轉子質心調整影響因素分析

2.1 緊固螺釘旋緊扭矩

陀螺儀緊固螺釘旋緊扭矩對調整的成功率有非常大的影響。雖然扭矩較小時容易調整，但旋緊扭矩又不可過小，這是由于動平衡測量中轉子旋轉時啟動加速度較大，扭矩過小時陀螺轉子和殼體會出現(xiàn)相對滑動，影響陀螺的動平衡精度；旋緊扭矩過大，當轉子軸頸和軸承端面間的摩擦力變大，質心調整時便會發(fā)生爬行現(xiàn)象，導致調整的成功率下降。

為了研究旋緊扭矩和爬行之間的聯(lián)系，在2個不同的旋緊扭矩下進行5 μm調整實驗，調整時的位移曲線如圖4所示，2組實驗均經過4次調整，其中A為螺釘旋入螺紋孔進行質心調整，B為螺釘旋出螺紋孔計算調整的位移量。差值曲線中兩段斜率不同的部分分別對應快速調整和慢速調整2個過程。2組實驗前3次的調整曲線中的慢速調整部分都比較平滑，但曲線均在最后一次調整中產生較大變化，出現(xiàn)爬行現(xiàn)象導致過調整。其中,a組實驗中爬行量為4.8 μm，b組實驗爬行量為14.1 μm。由此可見，爬行距離隨著旋緊扭矩的增大而增大。

圖4 實驗位移曲線圖

由于旋緊扭矩過大時會出現(xiàn)爬行的現(xiàn)象，而扭矩較小時容易調整。對此提出采用小旋緊扭矩進行調整，調整結束后增大扭矩確保動平衡測試的方案。只要在增大或者減小旋緊扭矩的過程中，轉子的位置不發(fā)生移動上述方案便具有可行性。

轉子軸頸與緊固螺釘通過螺紋連接在一起，而其螺紋聯(lián)接的受力可簡化為圖5所示的模型，示意圖中將轉子軸頸簡化為滑塊，當勻速放松緊固螺釘時，轉子的受力如圖所示，主要有調整螺釘?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。

緊固螺釘與轉子軸頸處的力矩T1及轉子與軸承內圈之間的力矩T2分別為

(3)

(4)

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

為了保證轉子的位置固定不動，只要轉子與軸承內圈之間的力矩T2大于緊固螺釘與轉子軸頸處的力矩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。經測量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子質心位置不會發(fā)生移動，方案的可行性得到驗證。

2.2 調整方向的控制

在調整過程中，由于轉子螺紋孔加工誤差、調整螺釘安裝誤差等影響因素的存在，調整螺釘軸線和螺紋孔軸線將不可避免的存在一定夾角，這會導致在某一個方向調整時，非調整方向也會產生位移，且位移的大小和方向也具有隨機性。為了減小螺釘和螺紋孔軸線夾角對調整過程的影響，保證調整過程的一致性，調整時在非調整方向施加預緊力，適當改變預緊力的大小，以此達到通過該預緊力來抵消轉子在非調整方向上的力。

為了驗證方案的可行性，通過采用圖6所示的方式將y方向調整螺釘放置到一個與所需調整方向成30°夾角的位置，在x方向施加預緊力，當轉子質心向著轉子在非調整方向向x正方向移動，則此時減小F1確保在此后的調整中轉子在x正方向的位移不會繼續(xù)增大；反之則增大F1確保在此后的調整中轉子在x負方向的位移不會繼續(xù)增大。

圖6 調整示意圖

對比方案中，調整方向螺釘與y軸的夾角為0°，x方向不施加預緊力。兩種方案的最終結果如表1，表中正數(shù)表示質心向調整螺釘一側移動，負數(shù)表示質心向傳感器測頭一側移動。兩種方案均可達到±0.5μm的調整精度。與對比方案相比，目標方案中非調整方向的移動距離大小和方向一致性更好，可以更好地控制調整方向。

表1 陀螺轉子質心調整實驗結果

注：調整距離為8 μm，旋緊扭矩為0.03 N·m。

3 陀螺動平衡調整實驗

陀螺儀的動平衡測試采用的是依靠自身的驅動電機將轉子的轉速提高到工作轉速。調整最終要達到的動平衡精度為G0.4，即0.4 mm/s。轉子的動平衡精度為

(7)

則不平衡度

(8)

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

許用不平衡量

Uper=Me

(9)

式中 M為轉子質量，g。

所要調整的陀螺轉子質量M為60.6g，工作轉速n為14 400r/min，最終允許剩余不平衡量Uper為16.1mg·mm。

動平衡調整實驗結果如表2，由實驗結果可以看出，經過4次調整不平衡量為7.9mg·mm，小于許余不平衡量Uper，達到精度要求。第1次調整中調整位移量過大導致相位角由原來的270°變成反方向的78°，接下來的2次調整其調整的位移量由于未超過轉子質心的實際偏移量，所以其相位角便幾乎沒有變化。當動平衡量小于一定值之后相位角的變化呈現(xiàn)出隨機性。

表2 動平衡調整實驗

注：旋緊螺釘扭矩為0.03 N·m。

4 結 論

本文針對某型號陀螺儀研制了一種轉子質心微小位移調整裝置，針對調整螺釘?shù)奶鴦訂栴}進行了優(yōu)化設計，降低了調整螺釘?shù)奶鴦樱岣吡伺c螺紋孔的對準精度。通過調整緊固螺釘?shù)男o扭矩進行小旋緊扭矩調整、大旋緊扭矩動平衡測量，減少了爬行現(xiàn)象的出現(xiàn)，提高了調整成功率。通過在在非調整方向施加預緊力的方法，保證了單方向調整精度±0.5 μm的同時有效地控制了轉子移動方向。

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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

國家科技重大專項資助項目(2013ZX04001091)

TP 273

A

1000—9787(2017)05—0130—04

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