一、 引言

自1852 年付科制造出世界第一台陀螺仪以来 , 陀螺仪器应用范围十分广阔 。在航空、航海 、宇航、矿山隧道领域广泛地利用陀螺的定轴性 、进动性, 制造成各类用于方位 、姿态、轨道测量和控制的陀螺仪表。同时利用陀螺力矩特性 , 用于减小和稳定船舶 、舰艇和坦克的摇摆和颠簸, 将其制成各类安装精密仪器的稳定平台 。然而 , 利用陀螺进动效应进行测力称重则是由西德 J . Wohrl 教授于七十年代末提出的 〔1〕 , 应用这种新颖原理制成的测力传感器,具有准确度高、稳定性好、动态响应快等特点,受到人们的普遍关注。作者通过陀螺测力传感器和陀螺地上衡的研制, 设计了应用二自由度框架陀螺进行测力 、称重的内 、 外加载系统, 解决了测力称重关键技术 , 在国内首次通过技术鉴定。

二 、 测量原理

用于测力称重的陀螺是二自由度的框架陀螺 。

 由文献〔2〕可知, 当选择内环坐标系 o x yz 为动坐标系, 如忽略二阶微量 ,二自由度框架陀螺的力学方程由下式表示:

式中, J _y 、 J _z 分别为陀螺绕y 、z 轴的转动惯量;H 为转子的角动量; M _y 、M _z 分别为外力矩在y 、z 轴上投影 ; θ′_y、θ′_z分别为陀螺绕y 、z 轴转动的角速度 ; θ″_y、θ″_z 分别为绕y 、z 轴转动的角加速度。

其中 J _yθ″_y、J _zθ″_z为非陀螺效应项, Hθ′_z、-Hθ′_y 在运动中体现陀螺效应, 即分别为外环绕z 轴、内环绕 y 轴的进动 。

如果只有一个常力矩 M y 作用于框架陀螺内环的y 轴上,则式( 1) 将变成:

设初始条件 : t = 0 时, θ′_y =θ′_z =0 , θ_y =θ_z= 0, 求解微分方程组( 2) 可得:

式( 3) 表明陀螺的运动是绕 Z 轴的进动θ′_z =M _y / H 与频率为 ω_n 、幅度分别为 θ_y =J _z M _y / H ² 、θ _z =（ J _y J _z ）^1/2M _y / H ² 章动的组合。由于 H>>（ J _y J _z ）^1/2 , 章动频率很高 , 振幅却极小, 同时存在空气阻力等因素, 使章动很快衰减, 这时陀螺框架主要体现在与 M _y 成正比的绕Z 轴的进动。

传统的框架陀螺要能成为测力称重装置,从加荷结构上必须解决下列技术难点:

1.设法使被测载荷作为常力 F 作用于工作时始终进动的内环上, 其产生的外力矩 M _y在内环动坐标系中保持不变 ^〔3 〕 。

2.利用陀螺进行测力称重时整个陀螺框架将绕垂直轴 Z 不停地进动, 于是不可避免地存在支承轴承间的摩擦力。由陀螺正交进动原理 ,作用于外环轴 Z 上的摩擦力矩 M _zf 将会引起内环的偏转进动 ,因此测力陀螺必须设计外环摩擦力矩反馈补偿系统, 以不断地进行瞬间补偿 ,使内环保持在水平状态。实际测量过程中 ,陀螺框架内环在随着绕垂直 Z 轴进动的同时 , 始终在水平位置上下小角度地不断波动,其产生的摩擦力矩将会叠加到测量负荷中去。这样结构对加载机构的铰链设计十分重要, 铰链产生的摩擦力矩过大或不稳定, 轻则影响测量准确度, 进而会使陀螺失去测力功能。

3.陀螺测力装置用于称重时 ,需配置机械杠杆放大系统 。测量时整个框架陀螺不停地绕垂直Z 轴转动且负荷越大转速越高 , 故应设计有效地运动隔离机构使旋转运动不传递到机械杠杆系统, 以保证被测载荷以静态方式准确地传递到测力陀螺上去 。

三、 加载机构的设计

1.陀螺自转电机 ; 2.水平内环框架; 3.轴承 ;4.垂直外环框架 ; 5.轴承; 6.加载杠杆; 7.杠杆水平框架铰链; 8.杠杆垂直框架铰链; 9.端面隔离轴承 ; 10.水平位移检测器; 11.扭矩电机; 12. 反馈扭矩控制器。内加载机构杠杆的一端通过铰链和内环与自转轴交点 7 相连 ,另一端用铰链和外框架延伸端 8 相连。载荷 F通过止推轴承以静态方式作用杠杆中点 ,直接施于通过框架陀螺的旋转中心垂直轴 Z 上 。这种内加载机构使载荷 F 以常力矩M y =Fa/2施于不停转动的内环, 同时载荷 F 的质量并不参与陀螺框架的进动 ,从而避免了载荷质量运动所产生的惯性干扰。 其为弓形杠杆— — —叉簧弹性支承内加载机构 。1.弓形杠杆 ; 2.叉簧弹性支承; 3. 运动隔离机构; 4.壳体; 5.水平内环框架; 6. 垂直外环框架。
 

鉴于上述加载机构铰链选择的重要性 ,研制的内加载机构对铰链应满足下列要求 :

( 1) 使陀螺加载机构铰链在动坐标系能绕垂直于 xoy 平面的转动轴旋转 。

( 2) 在 xoz 平面内可设计成具有较小刚度, 以适应小角度范围内转动时 , 铰链摩擦力矩能控制在规定的允差之内。

( 3) 在平行于 xoy 平面内具有足够的刚度,以能够传递因施加载荷产生的力矩 M y 所引起的旋转进动。

采用常规的滚动轴承和滑动轴承都存在较大的摩擦 ,研制的陀螺测力内加载机构应用了叉簧弹性支承, 该类支承有以下显著特点符合上述要求:

( 1) 弹性支承是利用弹性元件的弹性变形进行转动, 其摩擦性质是分子内摩擦 。因此运动件和承载件之间几乎没有摩擦, 只是极小的弹性摩擦 。

( 2) 叉簧弹性支承在非工作方向有很大刚度, 而在工作方向可设计成零刚度, 以保证运动部件在给定平面内运动 。

( 3) 支承中无间隙,不会给传动带来空回 。

( 4) 支承中无相对滑动或滚动 , 没有机械摩擦, 勿需施加润滑剂, 维护简单, 使用寿命长。

使用的叉簧弹性支承和采用一般的滚动轴承相比 ,摩擦力矩可小一个数量级。

在测量过程中 ,整个陀螺绕垂直 Z 轴不停地转动。虽然通过隔离轴承, 但滚动轴承内部机械摩擦仍影响载荷的水平晃动。研制的 SLS- 5000 型陀螺地上衡采用了十字刀口刀承悬挂机构和旋转微动隔离机构组成的外加载系统。采用的十字刀口刀承机构中, 负荷传递的力作用点被集中到十字刀口刀承上 , 因其只能传递垂直方向的载荷 ,可尽量减小非主轴方向干扰载荷的影响 。1.螺母; 2.下块; 3. 螺杆 ;4.刀承座; 5. 刀承; 6.螺杆; 7.螺母; 8. 上块 ;9.定位锁 ; 10.螺钉; 11.钢珠垫; 12.钢珠 ;13. 钢珠 。机构由刀口 、 刀承副和二组滚珠 、 球形钢座副组成 。该机构允许和陀螺测力装置联接的末级杠杆可上下微量摆动, 同时滚珠球形钢座副机构允许与其配装的上、下支承横梁在水平面内可微幅转动 ,使残剩的旋转摩擦力矩不影响装有末级杠杆的刀承与框架陀螺输出端的刀口始终稳定接触, 以达到准确地传递被测载荷 。

四、 应用和测试结果

上述研制的内 、 外加载系统已应用于陀螺测力传感器和陀螺地上衡 。测试结果如下:

TLG - 1 型测力传感器: 额定负荷: 200N ; 相对误差: ≤±0. 03%FS ; 不稳定度: ≤±0. 01%FS/年。SLS -5000 型陀螺地上衡: 额定载荷:5000kg ,检定分度数 n : 8000,满足达 8000 分度值国际商用( Ⅲ) 秤的各项技术指标 。

五、 结论

弓形杠杆 ———叉簧弹性支承内加载系统正确巧妙地应用了陀螺测力原理, 使框架陀螺能够成为实际使用的测力传感器; 而十字刀口、 刀承机构和旋转微动隔离机构组成的外加载系统有效地解决了陀螺测力传感器在称重衡器中应用的难点 。陀螺加载系统已使用多年,运行效果良好。

参考文献

[ 1] R. A. Lolley , “A Gy roscopic method of force measurement and its suitability for weighing” , Measurement and Control,Vol. 12, No. 9. ( 1979)

[ 2] 郭秀中, 于波, 陈云相编著. 《陀螺仪理论及应用》.航空出版社, 1987.

[ 3] Yang Jianghui,“Studying and fabricating of Model TLG -1 gyroscop force measurement transducer with high accuracy ( GFMT) ” ACTA IMEKO 1991, p286～ p291.

 

 

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