平面气浮台不平衡力和不平衡力矩测量仪

摘要

平面气浮台不平衡力和不平衡力矩测量仪，它涉及一种测量仪器，以解决现有技术无法实现平面三自由度或二自由度悬浮平台微不平衡力和微不平衡力矩测量以及难以对平面三自由度或二自由度悬浮台平动和转动进行解耦的问题，它包括四根导轨、四个张力计、四个平面滑台和多个支撑座；四根导轨构成一个方形框架结构，四根导轨安装在多个支撑座上，每个导轨上安装有能沿该导轨滑动的一个平面滑台，每个平面滑台上安装有一个张力计。本发明用于平面气浮台不平衡力和不平衡力矩测量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量仪器，具体涉及一种能够测量平面三自由度或二自由度气浮台不 平衡力和不平衡力矩的测量仪器。

背景技术

平面三自由度或二自由度悬浮平台是用于模拟微阻尼、微摩擦的一种装置，通常使用 多个气浮平面轴承(或者其他悬浮装置)为支撑件，当高压气体进入轴承后，形成一层高 压气膜，使得整个台体悬浮于基座上，与其他物体没有物理连接。由于空气的摩擦系数和 阻尼系数都很低，整个台体将形成微阻尼和微摩擦的力学环境。但由于气浮轴承加工、安 装的误差以及台体的重力偏载，台体自身会出现一定的不平衡力和不平衡力矩，一般使用 人工目测粗调，但难以对调节后的残余力和力矩进行评估。

目前尚无此类微力和微力矩测量仪的研究，其难度在于台体的不平衡力矩和力数值较 小，使用目前常见的力传感器或者力矩传感器，难以对平面三自由度(二自由度平动、转 动)悬浮台平动和转动进行解耦。

发明内容

本发明为解决现有技术无法实现平面三自由度或二自由度悬浮平台微不平衡力和微不 平衡力矩测量以及难以对平面三自由度或二自由度悬浮台平动和转动进行解耦的问题，进 而提供一种平面气浮台不平衡力和不平衡力矩测量仪。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明的平面气浮台不平衡力和不平衡力 矩测量仪，它包括四根导轨、四个张力计、四个平面滑台和多个支撑座；四根导轨构成一 个方形框架结构，四根导轨安装在多个支撑座上，每个导轨上安装有能沿该导轨滑动的一 个平面滑台，每个平面滑台上安装有一个张力计。

本发明的有益效果是：本发明平面三自由度或二自由度气浮平台不平衡力和不平衡力 矩测量仪，使用简单的张力计即可测量微小不平衡力和不平衡力矩，并且解决了力和力矩 的耦合问题，本发明张力计原理简单，方便实用，成本低。

附图说明

图1为本发明的整体结构俯视图，图2为安装有被测平面气浮台的本发明整体结构俯 视图，图3为图2的主视图，图4为利用本发明测量被测平面气浮台不平衡力和不平衡力 矩的原理示意图，图5为气浮轴承通气后利用本发明测量被测平面气浮台不平衡力和不平 衡力矩的原理示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图5说明，本实施方式的平面气浮台不平衡力和不平衡力 矩测量仪，它包括四根导轨1、四个张力计5、四个平面滑台3和多个支撑座10；四根导轨 1构成一个方形框架结构，四根导轨1安装在多个支撑座10上，每个导轨1上安装有能沿 该导轨1滑动的一个平面滑台3，每个平面滑台3上安装有一个张力计5。

测量仪的使用方法包括以下步骤：将测量滑块安装到被测平面气浮台上；调节张力计 位置，使四个张力计均以相同状态接触到被测滑块(接触位置相同，读数绝对值相同，且 左侧张力计与右侧张力计读数方向相反，上方张力计与下方张力计读数方向相反)；气浮轴 承通气，使被测平面气浮台处于浮起状态；读取四个张力计数值，计算不平衡力矩和不平 衡力。

具体实施方式二：结合图1和图2说明，本实施方式的张力计5为单针张力计。如此 设置，结构简单，设计合理，满足实际需要和设计要求，优选用型号为HTS-10，量程10g， 分辨率0.2g的横向张力计。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1和图2说明，本实施方式的方形框架为正方形框架。如此 设置，结构简单，有利于力的平衡的布置。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1和图2说明，本实施方式的每个导轨1上沿导轨的长度方 向加工有一个长条滑槽1-1，平面滑台3下表面加工有与长条滑槽相配合设置的凸棱，平面 滑台3通过锁紧螺钉2安装在导轨1上。如此设置，结构简单，便于平面滑台在导轨上滑 动。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1和图2说明，本实施方式的长条滑槽1-1为矩形滑槽。如 此设置，加工使用方便，满足实际需要。其它与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图1和图2说明，本实施方式的支撑座10的数量为4个，方形 框架的四个拐角处各安装有一个支撑座10。如此设置，满足设计要求和实际需要。其它与 具体实施方式一、二、四或五相同。

具体实施方式七：结合图1和图2说明，本实施方式的所述测量仪还包括四个安装座4， 安装座4安装在平面滑台3上，张力计5安装在安装座4上。如此设置，张力计安装方便 稳定可靠。其它与具体实施方式六相同。

工作过程：首先将图1所示测量仪安装好并将支撑座静置于一个平台上；然后将被测 平面气浮台放置与测量仪方形框架中央(平台和被测平面气浮台中心重合)，并置于气浮轴 承8上，如图2所示；安装四个测量滑块11到被测平面气浮台6上，注意，左右两个测量 滑块11位置沿被测平面气浮台平台中心对称，上下两个测量滑块11位置沿被测平面气浮 台6中心对称；调节张力计位置，使张力计的表针头部或触针臂与测量滑块11侧边缘接触 (测量滑块为矩形滑块，接触位置相同，读数绝对值相同，且左侧张力计与右侧张力计读 数方向相反，上方张力计与下方张力计读数方向相反)，并滑动平面滑台3使张力计5施加 一定预紧力F，如图4所示，(通常使F₁＝F₃＝F₂＝F₄)，然后使用锁紧螺钉2固定张力计5 位置；给气浮轴承8通气，使得被测平面气浮台6浮起，此时被测平面气浮台将会自动达 到一个新的平衡，记录张力计5的数值F₁'、F₂'、F₃'和F₄'，如图5所示，忽略气浮轴承8的 摩擦力(非常小)，此时被测平面气浮台6所受外力为张力计所施加的力和自身的不平衡力 及不平衡力矩，根据力平衡和力矩平衡原则，可计算被测平面气浮台的不平衡力和不平衡 力矩：

F_Y＝F₁'-F₃'(1)

F_X＝F₄'-F₂'(2)

M＝(F₁'+F₂'+F₃'+F₄')×R(3)

其中，R为张力计的力臂，F_Y为Y轴方向不平衡力，F_X为X轴方向不平衡力。

F₁'，F₂'，F₃'和F₄'分别为被测平面气浮台浮起达到一个新平衡后对应的张力计测得的 张力；图5中右方代表X轴正坐标，上方代表Y轴正坐标。