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一、 引言

自1852 年付科制造出世界第一臺(tái)陀螺儀以來 , 陀螺儀器應(yīng)用范圍十分廣闊 。在航空、航海 、宇航、礦山隧道領(lǐng)域廣泛地利用陀螺的定軸性 、進(jìn)動(dòng)性, 制造成各類用于方位 、姿態(tài)、軌道測(cè)量和控制的陀螺儀表。同時(shí)利用陀螺力矩特性 , 用于減小和穩(wěn)定船舶 、艦艇和坦克的搖擺和顛簸, 將其制成各類安裝精密儀器的穩(wěn)定平臺(tái) 。然而 , 利用陀螺進(jìn)動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行測(cè)力稱重則是由西德 J . Wohrl 教授于七十年代末提出的 〔1〕 , 應(yīng)用這種新穎原理制成的測(cè)力傳感器,具有準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等特點(diǎn),受到人們的普遍關(guān)注。作者通過陀螺測(cè)力傳感器和陀螺地上衡的研制, 設(shè)計(jì)了應(yīng)用二自由度框架陀螺進(jìn)行測(cè)力 、稱重的內(nèi) 、 外加載系統(tǒng), 解決了測(cè)力稱重關(guān)鍵技術(shù) , 在國內(nèi)首次通過技術(shù)鑒定。

二 、 測(cè)量原理

用于測(cè)力稱重的陀螺是二自由度的框架陀螺 。

 由文獻(xiàn)〔2〕可知, 當(dāng)選擇內(nèi)環(huán)坐標(biāo)系 o x yz 為動(dòng)坐標(biāo)系, 如忽略二階微量 ,二自由度框架陀螺的力學(xué)方程由下式表示:

式中, J _y 、 J _z 分別為陀螺繞y 、z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;H 為轉(zhuǎn)子的角動(dòng)量; M _y 、M _z 分別為外力矩在y 、z 軸上投影 ; θ′_y、θ′_z分別為陀螺繞y 、z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度 ; θ″_y、θ″_z 分別為繞y 、z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度。

其中 J _yθ″_y、J _zθ″_z為非陀螺效應(yīng)項(xiàng), Hθ′_z、-Hθ′_y 在運(yùn)動(dòng)中體現(xiàn)陀螺效應(yīng), 即分別為外環(huán)繞z 軸、內(nèi)環(huán)繞 y 軸的進(jìn)動(dòng) 。

如果只有一個(gè)常力矩 M y 作用于框架陀螺內(nèi)環(huán)的y 軸上,則式( 1) 將變成:

設(shè)初始條件 : t = 0 時(shí), θ′_y =θ′_z =0 , θ_y =θ_z= 0, 求解微分方程組( 2) 可得:

式( 3) 表明陀螺的運(yùn)動(dòng)是繞 Z 軸的進(jìn)動(dòng)θ′_z =M _y / H 與頻率為 ω_n 、幅度分別為 θ_y =J _z M _y / H ² 、θ _z =（ J _y J _z ）^1/2M _y / H ² 章動(dòng)的組合。由于 H>>（ J _y J _z ）^1/2 , 章動(dòng)頻率很高 , 振幅卻極小, 同時(shí)存在空氣阻力等因素, 使章動(dòng)很快衰減, 這時(shí)陀螺框架主要體現(xiàn)在與 M _y 成正比的繞Z 軸的進(jìn)動(dòng)。

傳統(tǒng)的框架陀螺要能成為測(cè)力稱重裝置,從加荷結(jié)構(gòu)上必須解決下列技術(shù)難點(diǎn):

1.設(shè)法使被測(cè)載荷作為常力 F 作用于工作時(shí)始終進(jìn)動(dòng)的內(nèi)環(huán)上, 其產(chǎn)生的外力矩 M _y在內(nèi)環(huán)動(dòng)坐標(biāo)系中保持不變 ^〔3 〕 。

2.利用陀螺進(jìn)行測(cè)力稱重時(shí)整個(gè)陀螺框架將繞垂直軸 Z 不停地進(jìn)動(dòng), 于是不可避免地存在支承軸承間的摩擦力。由陀螺正交進(jìn)動(dòng)原理 ,作用于外環(huán)軸 Z 上的摩擦力矩 M _zf 將會(huì)引起內(nèi)環(huán)的偏轉(zhuǎn)進(jìn)動(dòng) ,因此測(cè)力陀螺必須設(shè)計(jì)外環(huán)摩擦力矩反饋補(bǔ)償系統(tǒng), 以不斷地進(jìn)行瞬間補(bǔ)償 ,使內(nèi)環(huán)保持在水平狀態(tài)。實(shí)際測(cè)量過程中 ,陀螺框架內(nèi)環(huán)在隨著繞垂直 Z 軸進(jìn)動(dòng)的同時(shí) , 始終在水平位置上下小角度地不斷波動(dòng),其產(chǎn)生的摩擦力矩將會(huì)疊加到測(cè)量負(fù)荷中去。這樣結(jié)構(gòu)對(duì)加載機(jī)構(gòu)的鉸鏈設(shè)計(jì)十分重要, 鉸鏈產(chǎn)生的摩擦力矩過大或不穩(wěn)定, 輕則影響測(cè)量準(zhǔn)確度, 進(jìn)而會(huì)使陀螺失去測(cè)力功能。

3.陀螺測(cè)力裝置用于稱重時(shí) ,需配置機(jī)械杠桿放大系統(tǒng) 。測(cè)量時(shí)整個(gè)框架陀螺不停地繞垂直Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)且負(fù)荷越大轉(zhuǎn)速越高 , 故應(yīng)設(shè)計(jì)有效地運(yùn)動(dòng)隔離機(jī)構(gòu)使旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)不傳遞到機(jī)械杠桿系統(tǒng), 以保證被測(cè)載荷以靜態(tài)方式準(zhǔn)確地傳遞到測(cè)力陀螺上去 。

三、 加載機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.陀螺自轉(zhuǎn)電機(jī) ; 2.水平內(nèi)環(huán)框架; 3.軸承 ;4.垂直外環(huán)框架 ; 5.軸承; 6.加載杠桿; 7.杠桿水平框架鉸鏈; 8.杠桿垂直框架鉸鏈; 9.端面隔離軸承 ; 10.水平位移檢測(cè)器; 11.扭矩電機(jī); 12. 反饋扭矩控制器。內(nèi)加載機(jī)構(gòu)杠桿的一端通過鉸鏈和內(nèi)環(huán)與自轉(zhuǎn)軸交點(diǎn) 7 相連 ,另一端用鉸鏈和外框架延伸端 8 相連。載荷 F通過止推軸承以靜態(tài)方式作用杠桿中點(diǎn) ,直接施于通過框架陀螺的旋轉(zhuǎn)中心垂直軸 Z 上 。這種內(nèi)加載機(jī)構(gòu)使載荷 F 以常力矩M y =Fa/2施于不停轉(zhuǎn)動(dòng)的內(nèi)環(huán), 同時(shí)載荷 F 的質(zhì)量并不參與陀螺框架的進(jìn)動(dòng) ,從而避免了載荷質(zhì)量運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的慣性干擾。 其為弓形杠桿— — —叉簧彈性支承內(nèi)加載機(jī)構(gòu) 。1.弓形杠桿 ; 2.叉簧彈性支承; 3. 運(yùn)動(dòng)隔離機(jī)構(gòu); 4.殼體; 5.水平內(nèi)環(huán)框架; 6. 垂直外環(huán)框架。
 

鑒于上述加載機(jī)構(gòu)鉸鏈選擇的重要性 ,研制的內(nèi)加載機(jī)構(gòu)對(duì)鉸鏈應(yīng)滿足下列要求 :

( 1) 使陀螺加載機(jī)構(gòu)鉸鏈在動(dòng)坐標(biāo)系能繞垂直于 xoy 平面的轉(zhuǎn)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn) 。

( 2) 在 xoz 平面內(nèi)可設(shè)計(jì)成具有較小剛度, 以適應(yīng)小角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) , 鉸鏈摩擦力矩能控制在規(guī)定的允差之內(nèi)。

( 3) 在平行于 xoy 平面內(nèi)具有足夠的剛度,以能夠傳遞因施加載荷產(chǎn)生的力矩 M y 所引起的旋轉(zhuǎn)進(jìn)動(dòng)。

采用常規(guī)的滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承都存在較大的摩擦 ,研制的陀螺測(cè)力內(nèi)加載機(jī)構(gòu)應(yīng)用了叉簧彈性支承, 該類支承有以下顯著特點(diǎn)符合上述要求:

( 1) 彈性支承是利用彈性元件的彈性變形進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng), 其摩擦性質(zhì)是分子內(nèi)摩擦 。因此運(yùn)動(dòng)件和承載件之間幾乎沒有摩擦, 只是極小的彈性摩擦 。

( 2) 叉簧彈性支承在非工作方向有很大剛度, 而在工作方向可設(shè)計(jì)成零剛度, 以保證運(yùn)動(dòng)部件在給定平面內(nèi)運(yùn)動(dòng) 。

( 3) 支承中無間隙,不會(huì)給傳動(dòng)帶來空回 。

( 4) 支承中無相對(duì)滑動(dòng)或滾動(dòng) , 沒有機(jī)械摩擦, 勿需施加潤滑劑, 維護(hù)簡單, 使用壽命長。

使用的叉簧彈性支承和采用一般的滾動(dòng)軸承相比 ,摩擦力矩可小一個(gè)數(shù)量級(jí)。

在測(cè)量過程中 ,整個(gè)陀螺繞垂直 Z 軸不停地轉(zhuǎn)動(dòng)。雖然通過隔離軸承, 但滾動(dòng)軸承內(nèi)部機(jī)械摩擦仍影響載荷的水平晃動(dòng)。研制的 SLS- 5000 型陀螺地上衡采用了十字刀口刀承懸掛機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)微動(dòng)隔離機(jī)構(gòu)組成的外加載系統(tǒng)。采用的十字刀口刀承機(jī)構(gòu)中, 負(fù)荷傳遞的力作用點(diǎn)被集中到十字刀口刀承上 , 因其只能傳遞垂直方向的載荷 ,可盡量減小非主軸方向干擾載荷的影響 。1.螺母; 2.下塊; 3. 螺桿 ;4.刀承座; 5. 刀承; 6.螺桿; 7.螺母; 8. 上塊 ;9.定位鎖 ; 10.螺釘; 11.鋼珠墊; 12.鋼珠 ;13. 鋼珠 。機(jī)構(gòu)由刀口 、 刀承副和二組滾珠 、 球形鋼座副組成 。該機(jī)構(gòu)允許和陀螺測(cè)力裝置聯(lián)接的末級(jí)杠桿可上下微量擺動(dòng), 同時(shí)滾珠球形鋼座副機(jī)構(gòu)允許與其配裝的上、下支承橫梁在水平面內(nèi)可微幅轉(zhuǎn)動(dòng) ,使殘剩的旋轉(zhuǎn)摩擦力矩不影響裝有末級(jí)杠桿的刀承與框架陀螺輸出端的刀口始終穩(wěn)定接觸, 以達(dá)到準(zhǔn)確地傳遞被測(cè)載荷 。

四、 應(yīng)用和測(cè)試結(jié)果

上述研制的內(nèi) 、 外加載系統(tǒng)已應(yīng)用于陀螺測(cè)力傳感器和陀螺地上衡 。測(cè)試結(jié)果如下:

TLG - 1 型測(cè)力傳感器: 額定負(fù)荷: 200N ; 相對(duì)誤差: ≤±0. 03%FS ; 不穩(wěn)定度: ≤±0. 01%FS/年。SLS -5000 型陀螺地上衡: 額定載荷:5000kg ,檢定分度數(shù) n : 8000,滿足達(dá) 8000 分度值國際商用( Ⅲ) 秤的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo) 。

五、 結(jié)論

弓形杠桿 ———叉簧彈性支承內(nèi)加載系統(tǒng)正確巧妙地應(yīng)用了陀螺測(cè)力原理, 使框架陀螺能夠成為實(shí)際使用的測(cè)力傳感器; 而十字刀口、 刀承機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)微動(dòng)隔離機(jī)構(gòu)組成的外加載系統(tǒng)有效地解決了陀螺測(cè)力傳感器在稱重衡器中應(yīng)用的難點(diǎn) 。陀螺加載系統(tǒng)已使用多年,運(yùn)行效果良好。

參考文獻(xiàn)

[ 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, 陳云相編著. 《陀螺儀理論及應(yīng)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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