基于LabVIEW的磁悬浮轴承的静态刚度测量系统

　　0 引言

　　磁悬浮轴承具有无磨损、高转速、低耗能、无需润滑、无油污染和可靠性高等突出优点[1]，被广泛应用于工业加工、空间技术、超净技术和生命科学等领域。同时随着现代旋转机械转速的大幅度提高，支承对转子系统的稳定性、动态特性、旋转精度等影响也越来越大，在许多场合几乎支配着整个系统的稳定性。而对轴承的支承特性进行研究，无论轴承是应用何种原理与方法，都是对它的支承刚度和支承阻尼进行研究[2]。

　　为研究磁悬浮轴承在开环控制下的静态刚度特性，利用LabVIEW 软件开发平台，搭建一套能测量磁悬浮轴承任意位置和任意方向的静态刚度测量平台，实现刚度的自动测量功能。

　　1 测量系统

　　测量系统如图1 所示，工控机通过“测量程序”向位移台、电控箱和电流源发出命令，移动定子或转子并向定子线圈中通入电流，力传感器、位移传感器和电流表分别测量转子受力、转子与定子的相对位移和定子线圈中的电流，并通过“测量程序”自动采集和存储测量数据，对测量数据进行处理和运算，求出混合盘状磁浮轴承的刚度 - 位移曲线。

　　1. 1 系统硬件设计

　　1. 1. 1 测量设备和仪器

　　( 1) 3 个精密电控位移台和电控箱配合使用，使磁悬浮轴承转子与定子在三维空间产生相对位移。精密电控位移台和电控箱具有高分辨率、高定位精度、高运动直线度和中心负载大等优点，能很好满足实验要求。上位机通过 RS -232 标准串行通讯接口与其进行通信，控制位移量。主要参数见表1。

　　( 2) 六自由度的力/力矩传感器测量磁悬浮轴承转子在磁场中受到的磁力，为 Six - Axis Force/ Torque Delta Transducer。将转子与六自由度力传感器刚性连接，根据牛顿第三定律和虎克定律将力在设定的正交坐标系中分解，坐标及其设置如图2 所示。

　　此型号力传感器使用的传感元件为半导体应变片。当半导体应变片受到力或力矩的拉压或扭转时，其等效的应变敏感阻抗发生变化，使得输出的电压随之发生变化。选用 USB -6251 型数据采集卡向传感器供电并采集传感器输出的电压信号，上位机通过 USB 口从采集卡读取数据，再通过相应的算法将采集的数据转变为力/力矩值。

　　在 16 位数字 DAQ 系统进行采集的条件下，力传感器的主要性能参数见表2。此型号的力传感器虽然测量范围较大、精度较高，但由于半导体应变片会随温度的变化而发生较大的形变，从而影响测量结果。因此，在测量时应使测量环境的温度保持恒定，以免影响测量结果的准确性。