本發(fā)明涉及一種測量高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承懸浮特性的裝置。

背景技術(shù)：

高溫超導(dǎo)飛輪儲能系統(tǒng)可應(yīng)用于電力儲能、電磁彈射、太空衛(wèi)星的姿態(tài)調(diào)整等關(guān)鍵領(lǐng)域，高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承是高溫超導(dǎo)飛輪儲能系統(tǒng)的核心部件之一，因此在設(shè)計(jì)高溫超導(dǎo)飛輪儲能系統(tǒng)時(shí)，必須對高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承的載荷能力及剛度等懸浮特性進(jìn)行詳細(xì)的研究和測量。

高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承的懸浮力及其剛度是磁懸浮軸承的重要指標(biāo)。高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承懸浮力分為垂直懸浮力和徑向回復(fù)力。垂直懸浮力直接決定了磁懸浮軸承的載荷能力，即高溫超導(dǎo)飛輪儲能系統(tǒng)的額定容量；徑向回復(fù)力(通常測量橫向和縱向兩個徑向位置)則決定了磁懸浮軸承在運(yùn)行過程中的振幅，即徑向約束力；垂直懸浮力及徑向回復(fù)力剛度皆表征磁懸浮軸承能夠自穩(wěn)定懸浮的能力。因此，精確地測量高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承的懸浮力及其剛度，對于高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承的理論研究和仿真設(shè)計(jì)具有驗(yàn)證和指導(dǎo)意義，能夠推動高溫超導(dǎo)飛輪儲能系統(tǒng)的商業(yè)化進(jìn)程。

目前，由于受到條件的限制及各科研院所研究的高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承的結(jié)構(gòu)不同，尚未有一套通用的高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承懸浮特性三維測量裝置。在已有的測量裝置中，有的或僅能測量懸浮力而無法測量徑向回復(fù)力，有的或僅能針對理論研究進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室小樣機(jī)的測量，有的或針對高溫超導(dǎo)磁懸浮軌道進(jìn)行測量，有的或永磁轉(zhuǎn)子采用電磁線圈代替，并未真正體現(xiàn)高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承的性能。

如“ybco超導(dǎo)塊的懸浮力及其測量(低溫物理學(xué)報(bào)，vol.21，no.4，aug.，1999年8月，第21卷第4期，vol.21，no.4，aug.，1999)，，肖玲，任洪濤，焦玉磊等”中給出的磁浮力測量裝置為北京有色金屬研究院研制的高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承懸浮力測量裝置，上端為步進(jìn)電機(jī)主軸連接永磁轉(zhuǎn)子，下端將低溫杜瓦與傳感器固定連接，低溫杜瓦內(nèi)固定超導(dǎo)定子，裝置可測量軸向型和徑向型超導(dǎo)磁懸浮軸承懸浮力，但僅能測量垂直懸浮力，且裝置結(jié)構(gòu)固定測量能力有限，僅能適用于教學(xué)及原理樣機(jī)測量，不能測量較大直徑和高度的工程應(yīng)用裝置；專利cn200610114637.9為公開的高溫超導(dǎo)磁懸浮或電機(jī)準(zhǔn)靜態(tài)力測試裝置，上端通過垂直方向伺服電機(jī)連接低溫杜瓦，低溫杜瓦內(nèi)固定超導(dǎo)定子，下端為三相交流線圈代替永磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生磁場，三相交流線圈與水平方向伺服電機(jī)連接，該裝置能同時(shí)測量垂直懸浮力和徑向回復(fù)力，但由于三項(xiàng)交流線圈僅能在杜瓦外壁即超導(dǎo)定子外表面移動，該裝置僅適用于軸向型超導(dǎo)軸承的特性研究，僅能在二維空間控制超導(dǎo)定子與交流線圈的相對移動，且采用交流線圈代替永磁轉(zhuǎn)子，不能適用于采用永磁轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)；專利cn200610021654.8的高溫超導(dǎo)磁懸浮測量裝置，采用立式結(jié)構(gòu)，上端通過水平和垂直兩個方向伺服電機(jī)連接低溫杜瓦，低溫杜瓦內(nèi)固定超導(dǎo)定子，垂直和水平測力傳感器與杜瓦連接，下端固定永磁軌道，該裝置可測量垂直懸浮力和徑向回復(fù)力，但該裝置采用2個伺服電機(jī)，僅能在平面二維空間內(nèi)控制超導(dǎo)定子與永磁軌道的相對位移，且該裝置主要應(yīng)用于高溫超導(dǎo)磁懸浮軌道列車的特性研究，能適用于軸向型高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承的特性測量，但不適用于徑向型高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承。鑒于以上測量裝置的局限性，需要作出改進(jìn)以設(shè)計(jì)一種通用型的測量裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承懸浮特性測量裝置的缺點(diǎn)，提出一種高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承懸浮特性三維測量裝置。本發(fā)明能夠在任意三維空間精確測量高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承的垂直懸浮力、徑向回復(fù)力及其剛度，同時(shí)適用于軸向型高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承和徑向型高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承，能夠通過簡單操作自適用于不同直徑大小不同高度的高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承懸浮特性三維測量裝置，由支架、三軸運(yùn)動機(jī)械手、永磁轉(zhuǎn)子固定裝置、雙層低溫杜瓦、測力傳感器、傳感器固定裝置、機(jī)械手運(yùn)動控制系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)組成。

所述的支架由無磁不銹鋼材料焊接而成，構(gòu)成整個測量裝置的主體框架結(jié)構(gòu)。支架的上橫梁上安裝三軸運(yùn)動機(jī)械手，永磁轉(zhuǎn)子固定裝置安裝在三軸運(yùn)動機(jī)械手垂直機(jī)械臂的滑塊的上端面，永磁轉(zhuǎn)子固定裝置的背面與垂向機(jī)械臂滑塊的上端面貼合，永磁轉(zhuǎn)子固定裝置帶螺紋孔的下端面與垂向機(jī)械臂滑塊的上端面垂直。雙層低溫杜瓦位于支架內(nèi)的中心位置，包括杜瓦和支撐杜瓦的杜瓦支撐裝置。多個測力傳感器分別位于杜瓦的底面或沿圓周方向布置在杜瓦的外壁。測力傳感器的一端與杜瓦連接，測力傳感器的另一端固定在傳感器固定裝置上。所述的測力傳感器包括垂直測力傳感器、橫向測力傳感器和縱向測力傳感器，橫向測力傳感器和縱向測力傳感器合稱為水平測力傳感器。傳感器固定裝置分為垂直測力傳感器固定裝置和水平測力傳感器固定裝置，垂直測力傳感器固定裝置位于杜瓦的底部；水平測力傳感器固定裝置沿圓周方向布置在杜瓦的外壁。機(jī)械手運(yùn)動控制系統(tǒng)的3個交流伺服放大器的電源輸出端口通過3路電源電纜分別與三軸運(yùn)動機(jī)械手的3個交流伺服電機(jī)的電源輸入端口連接，機(jī)械手運(yùn)動控制系統(tǒng)的3個交流伺服放大器的控制輸出端口通過3路控制電纜分別與三軸運(yùn)動機(jī)械手的3個交流伺服電機(jī)的控制輸入端口相連。自動控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡的信號輸入端通過3路控制電纜分別與3個測力傳感器的信號輸出端相連，數(shù)據(jù)采集卡的輸出端通過通訊電纜與上位機(jī)串口相連，自動控制系統(tǒng)的電機(jī)運(yùn)動控制卡的控制輸出端通過3路控制電纜分別與三軸運(yùn)動機(jī)械手3個交流伺服放大器的控制輸入端口連接，電機(jī)運(yùn)動控制卡的輸入/輸出端口與上位機(jī)連接。

所述的支架包括支架橫梁、支架立柱和地面固定裝置。支架由無磁不銹鋼材料焊接而成，能夠保證足夠強(qiáng)度，并避免材料的鐵磁特性對懸浮力的測量精度造成影響。4根支架立柱布置于支架的4個角，和支架上橫梁、支架下橫梁組成框架?？蚣艿牡撞亢附佑袌A形的地面固定裝置，每個地面固定裝置有4個通孔，可通過螺栓將支架與地面固定連接，保證測量裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

所述的三軸運(yùn)動機(jī)械手由1個垂向機(jī)械臂、1個橫向機(jī)械臂和2個縱向機(jī)械臂組成。三個機(jī)械臂上均裝有滑塊。2個縱向機(jī)械臂分別位于支架兩側(cè)的支架上橫梁的上端面，縱向機(jī)械臂的兩端與支架上橫梁的兩端對齊，縱向機(jī)械臂的側(cè)面與支架上橫梁的側(cè)面對齊。橫向機(jī)械臂橫跨于縱向機(jī)械臂的上部，為側(cè)立式安裝，橫向機(jī)械臂的兩端與縱向機(jī)械臂的側(cè)面對齊，橫向機(jī)械臂的側(cè)面與縱向機(jī)械臂上的滑塊固定連接。垂向機(jī)械臂直立式安裝于橫向機(jī)械臂的滑塊的上端面，垂向機(jī)械臂的下端與橫向機(jī)械臂的側(cè)面對齊，垂向機(jī)械臂的背面與橫向機(jī)械臂上的滑塊上端面貼合且二者固定連接。

所述的雙層低溫杜瓦位于支架內(nèi)部的中心位置，包括杜瓦和支撐杜瓦的杜瓦支撐裝置。所述的杜瓦支撐裝置由4個萬向球、4根支撐螺桿、4個螺桿緊固裝置、2個支撐橫梁、4根支撐立柱及4個手輪組成。測量徑向回復(fù)力時(shí)，4個萬向球和4根支撐螺桿安裝在杜瓦的底部，根據(jù)杜瓦直徑大小在支撐立柱上距離支撐橫梁橫向中心線位置兩側(cè)距離相等的4個位置調(diào)整通孔安裝4根支撐螺桿，每根支撐螺桿的上端安裝一個萬向球，萬向球與支撐螺桿通過螺紋連接，萬向球的球面與杜瓦底面相切，支撐螺桿的另一端通過與位置調(diào)整通孔螺紋配合固定于支撐橫梁上，并且在支撐橫梁下端面通過螺母將支撐螺桿鎖緊。測量垂直懸浮力時(shí)，4個萬向球和4個支撐螺桿安裝在杜瓦的圓周方向外壁，根據(jù)所測量的高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承超導(dǎo)定子的高度在4根支撐立柱上的位置調(diào)整通孔安裝螺桿緊固裝置，4根支撐螺桿通過螺桿緊固裝置固定于4根支撐立柱上，每根支撐螺桿的一端與1個萬向球固定連接，萬向球的球面與杜瓦圓周方向外壁相切，支撐螺桿的另一端穿過螺桿緊固裝置的中心螺紋通孔與位于支架外的手輪連接。

所述的測力傳感器包括垂直測力傳感器、橫向測力傳感器和縱向測力傳感器，橫向測力傳感器和縱向測力傳感器合稱為水平測力傳感器。

所述的傳感器固定裝置包括傳感器過度頭、2根傳感器支撐螺桿和支撐底板。測量垂直懸浮力時(shí)傳感器固定裝置的傳感器過度頭安裝于杜瓦的底部，支撐底板焊接于杜瓦支撐裝置的支撐橫梁上；測量徑向回復(fù)力時(shí)，傳感器過度頭安裝于杜瓦的圓周方向外壁，2根傳感器支撐螺桿固定于杜瓦支撐裝置的螺桿緊固裝置上。

所述的機(jī)械手運(yùn)動控制系統(tǒng)包括供電電源和3個交流伺服放大器。供電電源和3個交流伺服放大器安裝于配電箱內(nèi)，供電電源通過配電箱外部的端口與公共電源連接。供電電源連接至3個交流伺服放大器電源的輸入端口，3個交流伺服放大器的電源輸出端口通過3路電源電纜分別連接至三軸運(yùn)動機(jī)械手3個交流伺服電機(jī)的電源輸入端口，3個伺服放大器的控制信號輸出端口通過3路控制電纜分別連接至三軸運(yùn)動機(jī)械手3個交流伺服電機(jī)的控制輸入端口，3個交流伺服放大器的控制信號輸入端口通過3路控制電纜連接至自動控制系統(tǒng)電機(jī)運(yùn)動控制卡的控制輸出端口。機(jī)械手運(yùn)動控制系統(tǒng)接收電機(jī)運(yùn)動控制卡輸出的脈沖信號，可精確控制三軸運(yùn)動機(jī)械手的電機(jī)速度、電機(jī)加速度、電機(jī)轉(zhuǎn)角、機(jī)械臂位移，從而精確控制永磁轉(zhuǎn)子的空間位置。

所述的永磁轉(zhuǎn)子固定裝置與三軸運(yùn)動機(jī)械手垂向機(jī)械臂的滑塊固定連接。永磁轉(zhuǎn)子固定裝置的背面與垂向機(jī)械臂滑塊的上端面貼合，永磁轉(zhuǎn)子固定裝置帶螺紋孔的下端面與滑塊上端面垂直。垂向機(jī)械臂的上端裝有垂向伺服電機(jī)，垂向機(jī)械臂內(nèi)裝有滾珠絲杠，滾珠絲杠的一端固定于垂向機(jī)械臂的下端部，滾珠絲杠的另一端通過彈性聯(lián)軸器與垂向伺服電機(jī)的主軸連接。垂向機(jī)械臂的兩個側(cè)面裝有導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上裝有滑塊，滑塊的上端面位于垂向機(jī)械臂的端面上部且與垂向機(jī)械臂的端面平行，滑塊可沿導(dǎo)軌移動，滑塊與滾珠絲杠的滾珠螺母連接固定，垂向伺服電機(jī)驅(qū)動滾珠絲桿轉(zhuǎn)動，則滾珠螺母帶動滑塊沿垂向機(jī)械臂的導(dǎo)軌移動。橫向機(jī)械臂的上端部裝有橫向伺服電機(jī)，橫向機(jī)械臂內(nèi)裝有滾珠絲杠，滾珠絲杠的一端固定于橫向機(jī)械臂下端部，滾珠絲杠的另一端通過彈性聯(lián)軸器與橫向伺服電機(jī)的主軸連接。橫向機(jī)械臂的兩個側(cè)面裝有導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上裝有滑塊，滑塊的上端面位于橫向機(jī)械臂的端面上部且與橫向機(jī)械臂的端面平行，滑塊可沿導(dǎo)軌移動，滑塊與滾珠絲杠的滾珠螺母連接固定，橫向伺服電機(jī)驅(qū)動滾珠絲桿轉(zhuǎn)動，則滾珠螺母帶動滑塊沿橫向機(jī)械臂的導(dǎo)軌移動。2個縱向機(jī)械臂構(gòu)成一個整體，其中第一縱向機(jī)械臂的上端部裝有縱向伺服電機(jī)，第一縱向機(jī)械臂內(nèi)裝有滾珠絲杠，滾珠絲杠的一端固定于第一縱向機(jī)械臂下端部，滾珠絲杠的另一端直接通過彈性聯(lián)軸器與縱向伺服電機(jī)主軸連接。第二縱向機(jī)械臂的上端部不安裝縱向伺服電機(jī)，第二縱向機(jī)械臂內(nèi)裝有滾珠絲杠，滾珠絲杠的一端固定于第二縱向機(jī)械臂下端部，滾珠絲杠的另一端通過聯(lián)軸器與電機(jī)主軸同步裝置連接，電機(jī)主軸同步裝置與縱向伺服電機(jī)主軸連接?？v向機(jī)械臂的兩個側(cè)面裝有導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上裝有滑塊，滑塊的上端面位于縱向機(jī)械臂的端面上部且與縱向機(jī)械臂的端面平行，滑塊可沿導(dǎo)軌移動，滑塊與滾珠絲杠的滾珠螺母連接固定，縱向伺服電機(jī)主軸轉(zhuǎn)動，直接驅(qū)動一個滾珠絲桿轉(zhuǎn)動，通過電機(jī)主軸同步裝置可同步驅(qū)動另一個滾珠絲桿轉(zhuǎn)動，從而保證兩個滾珠螺母分別帶動兩個滑塊沿縱向機(jī)械臂的導(dǎo)軌同步移動。

永磁轉(zhuǎn)子通過螺母固定于垂向機(jī)械臂上的永磁轉(zhuǎn)子固定裝置上，通過三個機(jī)械臂的移動可精確控制永磁轉(zhuǎn)子在三維空間的任意位移，進(jìn)而保證可在三維空間進(jìn)行高溫超導(dǎo)軸承懸浮特性的測量。

高溫超導(dǎo)軸承的超導(dǎo)定子固定于杜瓦內(nèi)部，通過螺母固定于杜瓦內(nèi)底面，可避免測力時(shí)超導(dǎo)定子晃動對測量精度造成影響。杜瓦采用雙層結(jié)構(gòu)，兩層結(jié)構(gòu)之間的間隙為真空夾層，極大地削弱了杜瓦外壁與空氣的熱對流，有效地保持了液氮的低溫制冷效果，同時(shí)在杜瓦直徑確定的情況下，增大杜瓦的高度，保持杜瓦的高度直徑比率大于等于3。本發(fā)明采用這種高度直徑比較大的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可有效地減小液氮的揮發(fā)，極大地縮短了超導(dǎo)材料的冷卻時(shí)間，同時(shí)降低了液氮的消耗。杜瓦沿圓周方向的外壁留有真空接頭，將真空泵與真空接頭連接將夾層抽為真空，再將真空接頭閥門關(guān)閉。

杜瓦支撐裝置的2個支撐橫梁縱向焊接在支架下端的2個支架下橫梁之間。2個支撐橫梁的端面與支架下橫梁端面平行且位于同一平面，支撐橫梁位于支架下橫梁所在平面的中心位置，即2個支撐橫梁中心線分別距離兩側(cè)支架下橫梁中心線的距離相等，每個支撐橫梁上開有6個位置調(diào)整通孔。2個支撐橫梁之間留有間隙，2個支撐橫梁間隙的中心位置安裝傳感器固定裝置的支撐底板，支撐底板的兩條側(cè)邊與支撐橫梁焊接固定，支撐底板的端面與支撐橫梁的端面位于同一平面。

杜瓦支撐裝置的4根支撐立柱焊接在支架4個側(cè)面的中心位置，每個支撐立柱由2根不銹鋼立柱組成，2根不銹鋼立柱之間留有間隙。支撐立柱的兩端分別與支架的支架上橫梁和支架下橫梁焊接，支撐立柱的端面與支架橫梁的側(cè)面位于同一平面，每根立柱上開有等間距的位置調(diào)整通孔。

杜瓦通過杜瓦支撐裝置支撐。測量高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承橫向和縱向即徑向回復(fù)力時(shí)，水平測力傳感器，即橫向測力傳感器和縱向測力傳感器位于杜瓦沿圓周方向的外壁，并通過螺母與杜瓦外壁安裝固定。4根支撐螺桿固定于2個支撐橫梁上，每個支撐橫梁上固定2根支撐螺桿。每個支撐橫梁上有6個位置調(diào)整通孔，測量時(shí)可以根據(jù)杜瓦直徑大小，在支撐橫梁上選擇距離支撐橫梁橫向中心線位置兩側(cè)距離相等的4個位置調(diào)整通孔安裝支撐螺桿，每根支撐螺桿的上端安裝一個萬向球，萬向球與支撐螺桿通過螺紋連接，為可拆卸式。支撐螺桿的另一端通過與位置調(diào)整通孔螺紋配合固定于支撐橫梁上，并且在支撐橫梁下端面通過螺母將支撐螺桿鎖緊。所述萬向球的球面與杜瓦底面相切，萬向球通過滾動接觸方式支撐杜瓦。測量時(shí)選擇支撐橫梁上的位置調(diào)整通孔安裝支撐螺桿，再將萬向球與支撐螺桿連接，以支撐不同直徑大小的杜瓦，進(jìn)而適應(yīng)不同直徑大小的高溫超導(dǎo)軸承的超導(dǎo)定子的測量。通過調(diào)節(jié)支撐螺桿的高度可保證橫向測力傳感器和縱向測力傳感器位于超導(dǎo)軸承高度的中心位置，從而保證水平位置徑向回復(fù)力的測量精度。測量高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承垂直懸浮力時(shí)，僅有垂直測力傳感器位于支撐底板的中心位置，并通過螺母與支撐底板固定連接。4根支撐螺桿固定于4根支撐立柱上，每根支撐螺桿一端固定一個萬向球，4個萬向球的中心位于同一水平面，萬向球的球面與杜瓦沿圓周方向外壁相切，通過滾動接觸方式支撐杜瓦。每根支撐立柱同一水平面的兩個位置調(diào)整通孔安裝2個螺桿緊固裝置，2個螺桿緊固裝置相對，且2個螺桿緊固裝置同軸。支撐螺桿的另一端依次穿過2個螺桿緊固裝置的中心螺紋通孔及1個螺母，與位于支架外部且與支撐螺桿同心的手輪螺紋連接，支撐螺桿與中心螺紋通孔為螺紋配合。測量高溫超導(dǎo)軸承垂直懸浮力時(shí)，根據(jù)超導(dǎo)軸承超導(dǎo)定子的高度選擇支撐立柱上的位置調(diào)整通孔安裝螺桿緊固裝置，再安裝萬向球和支撐螺桿，確保萬向球的中心位于超導(dǎo)軸承高度的中心位置，通過手輪調(diào)整支撐螺桿在杜瓦圓周方向外壁和支撐立柱之間的長度，確保萬向球與杜瓦圓周方向外壁相切，以適應(yīng)對不同直徑大小的杜瓦進(jìn)行穩(wěn)定支撐，進(jìn)而適應(yīng)不同直徑大小的高溫超導(dǎo)軸承的超導(dǎo)定子，待支撐螺桿長度調(diào)整好后將螺母擰緊，使其端面與螺桿緊固裝置中心螺紋通孔端面貼合將支撐螺桿鎖緊防止其在測力過程中晃動影響測力精度。

測量高溫超導(dǎo)軸承垂直懸浮力時(shí)，杜瓦底部僅垂直安裝垂直測力傳感器，不安裝萬向球及支撐螺桿。垂直測力傳感器位于杜瓦底部與支架下部的支撐底板之間，垂直測力傳感器對杜瓦在垂直方向起到穩(wěn)定支撐。垂直測力傳感器的上端通過傳感器過度頭與杜瓦底部螺紋連接，垂直測力傳感器的下端與支撐底板螺紋連接。垂直測力傳感器、杜瓦、支撐底板三者的中心位于杜瓦的中心線上。傳感器過度頭采用一半尼龍一半不銹鋼材料相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，目的是利用尼龍材料較低的導(dǎo)熱性以避免杜瓦外壁低溫?fù)p壞傳感器。測量高溫超導(dǎo)軸承橫向和縱向即徑向回復(fù)力時(shí)，沿杜瓦圓周方向外壁互成90°僅安裝1個橫向測力傳感器和1個縱向測力傳感器，橫向測力傳感器和縱向測力傳感器組成為水平測力傳感器。杜瓦圓周方向外壁互成90°的2個位置焊接有螺母，并且在該互成90°的2個位置沿杜瓦圓周方向外壁高度方向按照等間距焊接4個螺母，以保證水平方向相同間隔距離位置的2個螺母處于同一水平面。水平測力傳感器的一端通過傳感器過度頭與杜瓦圓周方向外壁的螺母連接，水平測力傳感器的另一端與傳感器支撐螺桿通過螺紋連接。傳感器支撐螺桿通過螺桿緊固裝置固定于支撐立柱上。支架4個側(cè)面的中心位置均焊接有支撐立柱，每根支撐立柱由2根不銹鋼立柱組成，2根不銹鋼立柱之間留有間隙。支撐立柱的兩端分別與支架的支架上橫梁和支架下橫梁焊接，支撐立柱的端面與支架橫梁的側(cè)面位于同一平面，每根立柱上開有等間距的位置調(diào)整通孔。每個支撐立柱同一水平面的兩個位置調(diào)整通孔上安裝2個螺桿緊固裝置，2個螺桿緊固裝置相對，且2個螺桿緊固裝置同軸。螺桿緊固裝置的中心有一螺紋通孔，沿螺桿緊固裝置端面圓周方向互成180°位置有2個通孔，螺桿緊固裝置的通孔與支撐立柱上的位置調(diào)整通孔位置對應(yīng)并通過螺栓固定。選擇與水平測力傳感器相應(yīng)位置的支撐立柱和螺桿緊固裝置固定傳感器支撐螺桿。傳感器支撐螺桿的一端與測力傳感器螺紋連接，傳感器支撐螺桿的另一端依次穿過2個螺桿緊固裝置的中心螺紋通孔及1個螺母與位于支架外部且與支撐螺桿同心的手輪螺紋連接，傳感器支撐螺桿與中心螺紋通孔為螺紋配合。傳感器支撐螺桿、螺桿緊固裝置及手輪位于同一中心線上，相互配合共同對水平測力傳感器支撐固定。根據(jù)超導(dǎo)軸承的高度調(diào)整水平測力傳感器與杜瓦圓周方向外壁的螺母安裝位置、螺桿緊固裝置及支撐立柱上位置調(diào)整通孔的對應(yīng)位置，以保證水平測力傳感器位于超導(dǎo)軸承高度的中心位置，避免測力傳感器位置偏離中心測力不準(zhǔn)或受力位置不一致造成杜瓦傾斜等；可通過手輪調(diào)整杜瓦圓周方向外壁與支撐立柱之間傳感器支撐螺桿的長度，保證水平測力傳感器與杜瓦圓周方向外壁的穩(wěn)固連接，以滿足不同直徑時(shí)超導(dǎo)軸承水平測力的需求。待傳感器支撐螺桿長度調(diào)整好后將螺母擰緊，使螺母端面與螺桿緊固裝置中心螺紋通孔端面貼合將支撐螺桿鎖緊防止其在測力過程中晃動影響測力精度。

自動控制系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)采集卡和電機(jī)運(yùn)動控制卡。數(shù)據(jù)采集卡的信號輸入端通過3路控制電纜分別與垂直測力傳感器、橫向測力傳感器、縱向測力傳感器的信號輸出端連接，數(shù)據(jù)采集卡輸出端通過通訊電纜與上位機(jī)串口相連。電機(jī)運(yùn)動控制卡安裝于上位機(jī)主機(jī)箱內(nèi)，電機(jī)運(yùn)動控制卡雙向控制輸入/輸出端口以pci接口形式與上位機(jī)板卡連接，電機(jī)運(yùn)動控制卡控制輸出端口通過3路控制電纜分別與三軸運(yùn)動機(jī)械手的3個伺服放大器的控制輸入端口連接。數(shù)據(jù)采集卡采集測力傳感器的輸出信號并通過串口通訊協(xié)議傳送上位機(jī)，上位機(jī)通過數(shù)據(jù)處理將測力傳感器輸出信號轉(zhuǎn)換為測力數(shù)值實(shí)時(shí)顯示并儲存，上位機(jī)根據(jù)需求選擇機(jī)械手伺服電機(jī)運(yùn)動模式，設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)加速度、位移等參數(shù)，并將指令下發(fā)至電機(jī)運(yùn)動控制卡，電機(jī)運(yùn)動控制卡接收上位機(jī)指令發(fā)出脈沖信號，機(jī)械手運(yùn)動控制系統(tǒng)的3個交流伺服放大器接收脈沖信號控制交流伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)三軸運(yùn)動機(jī)械手在三維空間的精確定位，電機(jī)運(yùn)動控制卡將電機(jī)運(yùn)動的實(shí)際位置、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)角等參數(shù)實(shí)時(shí)反饋至上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)永磁轉(zhuǎn)子的位移和測力傳感器的數(shù)值計(jì)算懸浮力剛度，并繪制位移—懸浮力特性曲線和位移—剛度特性曲線。

本發(fā)明測量裝置測量高溫超導(dǎo)軸承垂直懸浮特性和橫向、縱向即徑向懸浮特性時(shí)，共同的組件為三軸運(yùn)動機(jī)械手、支架、杜瓦、支撐立柱、支撐橫梁、支撐底板、螺桿緊固裝置及手輪，但傳感器的安裝位置，杜瓦支撐裝置及傳感器固定裝置的組件及結(jié)構(gòu)有所區(qū)別。

測量高溫超導(dǎo)軸承垂直懸浮特性時(shí)，杜瓦的底部僅與垂直測力傳感器固定，垂直測力傳感器通過螺母固定在支撐底板的中心位置。4個萬向球沿杜瓦圓周方向外壁間隔90°分布并與杜瓦圓周方向外壁相切，支撐螺桿的一端與萬向球連接，支撐螺桿通過支撐立柱上的螺桿緊固裝置的中心螺紋通孔固定于支撐立柱上，支撐螺桿的另一端與手輪連接。4個萬向球?qū)Χ磐咚椒较蚱鸬街巫饔?，杜瓦可通過與萬向球的滾動接觸做垂直方向的移動。通過手輪調(diào)節(jié)萬向球與支撐立柱之間支撐螺桿的長度，從而確保高溫超導(dǎo)軸承不同直徑時(shí)萬向球與杜瓦圓周方向外壁相切對杜瓦進(jìn)行穩(wěn)定支撐。

測量高溫超導(dǎo)軸承橫向和縱向即徑向懸浮特性時(shí)，杜瓦圓周方向外壁互成90°的2個螺母位置分別安裝1個橫向測力傳感器和1個縱向測力傳感器。測力傳感器的一端與傳感器過度頭連接，傳感器過度頭與杜瓦圓周方向外壁的螺母連接，測力傳感器的另一端與傳感器支撐螺桿連接，傳感器支撐螺桿穿過螺桿緊固裝置的中心通孔與支撐立柱固定，傳感器支撐螺桿另一端與手輪連接。杜瓦底部通過4個萬向球支撐，根據(jù)杜瓦直徑大小選擇支撐底板橫向中心線兩側(cè)距離相等的4個位置調(diào)整通孔安裝支撐螺桿，4個支撐螺桿上端與4個萬向球連接，4個萬向球沿杜瓦底面均勻分布并與杜瓦底面相切，實(shí)現(xiàn)對杜瓦垂直方向的穩(wěn)固支撐，測量高溫超導(dǎo)軸承橫向和縱向即徑向懸浮特性時(shí)杜瓦通過與萬向球的滾動接觸做橫向和縱向移動。

本發(fā)明測量裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明測量裝置杜瓦位于支架內(nèi)部的中心位置，超導(dǎo)軸承定子固定于杜瓦內(nèi)部，永磁轉(zhuǎn)子固定于垂向機(jī)械臂的永磁轉(zhuǎn)子固定裝置，未采用電磁線圈代替永磁轉(zhuǎn)子，能夠?qū)ν暾某瑢?dǎo)磁懸浮軸承懸浮力進(jìn)行測量，體現(xiàn)超導(dǎo)磁懸浮軸承的真正懸浮性能。本發(fā)明采用三軸運(yùn)動機(jī)械手，通過電機(jī)運(yùn)動控制卡及交流伺服放大器驅(qū)動伺服電機(jī)，使永磁轉(zhuǎn)子能夠在三維空間任意位置精確移動，因此能夠在三維空間測量高溫超導(dǎo)軸承的垂直懸浮特性和徑向懸浮特性。

本發(fā)明測量裝置中，永磁轉(zhuǎn)子固定于垂向機(jī)械臂的永磁轉(zhuǎn)子固定裝置，杜瓦通過杜瓦支撐裝置固定于支架內(nèi)部的中心位置，永磁軸承位于上端，超導(dǎo)定子位于下端，杜瓦上端為開口狀，永磁轉(zhuǎn)子不僅可以在杜瓦外部移動，而且可進(jìn)入杜瓦內(nèi)部做垂向和水平方向移動，因此本測量裝置既可以測量軸向型高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承，還可以測量徑向型高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承。

本發(fā)明杜瓦支撐裝置的支撐橫梁上有多個位置調(diào)整通孔，根據(jù)超導(dǎo)磁懸浮軸承直徑的大小選擇不同的位置安裝支撐螺桿，在杜瓦底面均勻分布以實(shí)現(xiàn)對杜瓦垂直方向的穩(wěn)定支撐，同時(shí)位置調(diào)整通孔與支撐螺桿為螺紋連接，可根據(jù)超導(dǎo)磁懸浮軸承的高度調(diào)整杜瓦底部與支撐橫梁之間的長度，調(diào)節(jié)杜瓦在垂直方向的位置。支撐立柱上有多個位置調(diào)整通孔，根據(jù)超導(dǎo)磁懸浮軸承的不同高度選擇不同的通孔位置固定萬向球或測力傳感器，與杜瓦底部支撐螺桿的輔助高度調(diào)節(jié)相配合，保證測力傳感器或萬向球位于超導(dǎo)磁軸承高度的中心位置，避免萬向球偏離中心位置支撐不穩(wěn)引起擺動，測力傳感器偏離中心測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)或水平測力傳感器與超導(dǎo)軸承受力方位不一致造成杜瓦傾斜等。杜瓦圓周方向外壁的支撐螺桿與支撐立柱上位置調(diào)整通孔為螺紋連接，根據(jù)杜瓦直徑的不同即超導(dǎo)軸承超導(dǎo)定子直徑的不同，通過手輪調(diào)節(jié)杜瓦圓周方向外壁與支撐立柱之間支撐螺桿的長度，保證萬向球或測力傳感器與杜瓦圓周方向外壁的良好接觸。本測量裝置可對不同直徑大小不同高度的高溫超導(dǎo)軸承的懸浮力進(jìn)行測量，通過對裝置進(jìn)行簡單的調(diào)節(jié)可保證垂直懸浮力和橫向、縱向即徑向回復(fù)力的測量精度；同時(shí)又避免了因超導(dǎo)軸承載荷能力不同測量裝置重復(fù)設(shè)計(jì)重復(fù)加工制作造成的浪費(fèi)，既可用于理論研究及實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)的測量，又能用于工程樣機(jī)性能的檢驗(yàn)；同時(shí)在結(jié)構(gòu)上采用支撐橫梁、支撐立柱而未采用整塊鋼板，在保證機(jī)械強(qiáng)度的前提下節(jié)省材料，減輕了重量。

附圖說明

圖1本發(fā)明高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承懸浮特性三維測量裝置的正視圖；

圖2本發(fā)明高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承懸浮特性三維測量裝置的左視圖；

圖3本發(fā)明的高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承懸浮特性三維測量裝置的仰視圖；

圖4杜瓦的正視圖；

圖5杜瓦的俯視圖；

圖6位于杜瓦圓周方向外壁的杜瓦支撐裝置結(jié)構(gòu)正視圖；

圖7位于杜瓦圓周方向外壁的杜瓦支撐裝置結(jié)構(gòu)左視圖；

圖8位于杜瓦底部的杜瓦支撐裝置結(jié)構(gòu)正視圖；

圖9位于杜瓦底部的杜瓦支撐裝置結(jié)構(gòu)左視圖；

圖10位于杜瓦底部的杜瓦支撐裝置結(jié)構(gòu)俯視圖；

圖11位于杜瓦底部的傳感器固定裝置結(jié)構(gòu)正視圖；

圖12位于杜瓦底部的傳感器固定裝置結(jié)構(gòu)俯視圖；

圖13位于杜瓦圓周方向外壁的傳感器固定裝置結(jié)構(gòu)正視圖；

圖14位于杜瓦圓周方向外壁的傳感器固定裝置結(jié)構(gòu)俯視圖；

圖15位于杜瓦圓周方向外壁的傳感器固定裝置結(jié)構(gòu)左視圖；

圖16為測量垂直懸浮特性的裝置裝配圖正視圖；

圖17為測量垂直懸浮特性的裝置裝配圖左視圖；

圖18為測量橫向和縱向懸浮特性的裝置裝配圖正視圖；

圖19為測量橫向和縱向懸浮特性的裝置裝配圖左視圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式進(jìn)一步說明本發(fā)明。

如圖1、圖2、圖3所示，本發(fā)明高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承懸浮特性三維測量裝置由支架、三軸運(yùn)動機(jī)械手、永磁轉(zhuǎn)子固定裝置13、雙層低溫杜瓦、測力傳感器、傳感器固定裝置、機(jī)械手運(yùn)動控制系統(tǒng)以及自動控制系統(tǒng)組成。

所述的支架由無磁不銹鋼材料焊接而成，構(gòu)成整個測量裝置的主體框架結(jié)構(gòu)。支架的上橫梁2上安裝三軸運(yùn)動機(jī)械手，永磁轉(zhuǎn)子固定裝置13安裝在三軸運(yùn)動機(jī)械手垂向機(jī)械臂6的滑塊30的上端面，永磁轉(zhuǎn)子固定裝置13的背面與垂向機(jī)械臂6滑塊30的上端面貼合，永磁轉(zhuǎn)子固定裝置13帶螺紋孔的下端面與垂向機(jī)械臂6滑塊30的上端面垂直。雙層低溫杜瓦位于支架的內(nèi)部的中心位置，包括杜瓦14和支撐杜瓦14的杜瓦支撐裝置。多個測力傳感器分別位于杜瓦14的圓周方向外壁或底面，測力傳感器的一端與杜瓦14連接，測力傳感器的另一端固定在傳感器固定裝置上。傳感器固定裝置分為垂直測力傳感器固定裝置和水平測力傳感器固定裝置，垂直測力傳感器固定裝置位于杜瓦14的底部；水平測力傳感器固定裝置位于杜瓦14的圓周方向外壁。機(jī)械手運(yùn)動控制系統(tǒng)的3個伺服放大器的電源輸出端口通過3路電源電纜分別與三軸運(yùn)動機(jī)械手的3個交流伺服電機(jī)的電源輸入端口連接，機(jī)械手運(yùn)動控制系統(tǒng)的3個伺服放大器的控制輸出端口通過3路控制電纜分別與三軸運(yùn)動機(jī)械手的3個交流伺服電機(jī)的控制輸入端口相連。自動控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡的信號輸入端通過3路控制電纜分別與3個測力傳感器的信號輸出端相連，數(shù)據(jù)采集卡的輸出端通過通訊電纜與上位機(jī)串口相連，自動控制系統(tǒng)的電機(jī)運(yùn)動控制卡的控制輸出端通過3路控制電纜分別與機(jī)械手運(yùn)動控制系統(tǒng)3個交流伺服放大器的控制輸入端口連接，電機(jī)運(yùn)動控制卡的輸入/輸出端口與上位機(jī)連接。

所述的支架包括支架橫梁2、支架立柱1和地面固定裝置3。支架由無磁不銹鋼材料焊接而成，能夠保證足夠強(qiáng)度并避免材料的鐵磁特性對懸浮力的測量精度造成影響。4根支架立柱1布置于支架的4個角，和支架上橫梁2、支架下橫梁2組成框架。框架的底部焊接有圓形的地面固定裝置3，每個地面固定裝置3有4個通孔，可通過螺栓將支架與地面固定連接，保證測量裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

所述的三軸運(yùn)動機(jī)械手由1個垂向機(jī)械臂6、1個橫向機(jī)械臂4和2個縱向機(jī)械臂5組成。三個機(jī)械臂上均裝有滑塊。2個縱向機(jī)械臂5分別位于支架兩側(cè)的支架上橫梁2的上端面，縱向機(jī)械臂5的兩端與支架上橫梁2的兩端對齊，縱向機(jī)械臂5的側(cè)面與支架上橫梁2的側(cè)面對齊。橫向機(jī)械臂4橫跨于縱向機(jī)械臂5的上部，為側(cè)立式安裝，橫向機(jī)械臂4的兩端與縱向機(jī)械臂5的側(cè)面對齊，橫向機(jī)械臂4的側(cè)面與縱向機(jī)械臂5上的滑塊固定連接。垂向機(jī)械臂6直立式安裝于橫向機(jī)械臂4的滑塊的上端面，垂向機(jī)械臂6的下端與橫向機(jī)械臂4的側(cè)面對齊，垂向機(jī)械臂6的背面與橫向機(jī)械臂4上的滑塊11上端面貼合且二者固定連接。

所述的雙層低溫杜瓦位于支架內(nèi)部的中心位置，包括杜瓦14和杜瓦支撐裝置。所述的杜瓦支撐裝置由4個萬向球、4根支撐螺桿、4個螺桿緊固裝置、2個支撐橫梁、4根支撐立柱及4個手輪組成。測量徑向回復(fù)力時(shí)，4個萬向球和4根支撐螺桿安裝在杜瓦的底部，根據(jù)杜瓦直徑大小在支撐橫梁上選擇距離支撐橫梁橫向中心線位置兩側(cè)距離相等的4個位置調(diào)整通孔安裝4根支撐螺桿，每根支撐螺桿的上端安裝一個萬向球，萬向球與支撐螺桿通過螺紋連接，萬向球的球面與杜瓦底面相切，支撐螺桿的另一端通過與位置調(diào)整通孔螺紋配合固定于支撐橫梁上，并且在支撐橫梁下端面通過螺母將支撐螺桿鎖緊。測量垂直懸浮力時(shí)，4個萬向球和4個支撐螺桿安裝在杜瓦的圓周方向外壁，根據(jù)所測量的高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承超導(dǎo)定子的高度選擇4根支撐立柱上的位置調(diào)整通孔安裝螺桿緊固裝置，4根支撐螺桿通過螺桿緊固裝置固定于4根支撐立柱上，每根支撐螺桿的一端與1個萬向球固定連接，萬向球的球面與杜瓦14的圓周方向外壁相切，支撐螺桿的另一端穿過螺桿緊固裝置的中心螺紋通孔與位于支架外的手輪連接。

所述的測力傳感器包括垂直測力傳感器19、橫向測力傳感器20和縱向測力傳感器21，橫向測力傳感器20和縱向測力傳感器21合稱為水平測力傳感器。

所述的傳感器固定裝置包括傳感器過度頭22、兩根傳感器支撐螺桿和支撐底板27。測量垂直懸浮力時(shí)，傳感器固定裝置的傳感器過度頭22安裝于杜瓦14的底部，支撐底板27焊接于杜瓦支撐裝置的支撐橫梁18上；測量徑向回復(fù)力時(shí)，傳感器過度頭22安裝于杜瓦14的圓周方向外壁，2根傳感器支撐螺桿固定于杜瓦支撐裝置的螺桿緊固裝置23上。

所述的機(jī)械手運(yùn)動控制系統(tǒng)包括供電電源和3個交流伺服放大器。供電電源和3個交流伺服放大器安裝于配電箱內(nèi)，供電電源通過配電箱外部的端口與公共電源連接。供電電源連接至3個交流伺服放大器的電源輸入端口，3個交流伺服放大器的電源輸出端口通過3路電源電纜分別連接至三軸運(yùn)動機(jī)械手3個交流伺服電機(jī)電源的輸入端口，3個交流伺服放大器的控制信號輸出端口通過3路控制電纜分別連接至三軸運(yùn)動機(jī)械手3個交流伺服電機(jī)的控制輸入端口，3個交流伺服放大器的控制信號輸入端口通過3路控制電纜連接至自動控制系統(tǒng)電機(jī)運(yùn)動控制卡的控制輸出端口。機(jī)械手運(yùn)動控制系統(tǒng)接收電機(jī)運(yùn)動控制卡輸出的脈沖信號，可精確控制三軸運(yùn)動機(jī)械手的電機(jī)速度、電機(jī)加速度、電機(jī)轉(zhuǎn)角、機(jī)械臂位移，從而精確控制永磁轉(zhuǎn)子的空間位置。

所述的永磁轉(zhuǎn)子固定裝置13固定在與三軸運(yùn)動機(jī)械手垂向機(jī)械臂6的第二滑塊30上。永磁轉(zhuǎn)子固定裝置13的背面與所述第二滑塊30的上端面貼合，永磁轉(zhuǎn)子固定裝置13帶螺紋孔的下端面與所述第二滑塊30的上端面垂直。垂向機(jī)械臂6的上端裝有垂向伺服電機(jī)9，垂向機(jī)械臂6內(nèi)裝有滾珠絲杠，滾珠絲杠的一端固定于垂向機(jī)械臂6的下端部，滾珠絲杠的另一端通過彈性聯(lián)軸器與垂向伺服電機(jī)9的主軸連接。垂向機(jī)械臂6的兩個側(cè)面裝有第三導(dǎo)軌32，第三導(dǎo)軌32上裝有第三滑塊30，第三滑塊30的上端面位于垂向機(jī)械臂6的端面上部且與垂向機(jī)械臂6的端面平行，第三滑塊30可沿第三導(dǎo)軌32移動，第三滑塊30與滾珠絲杠的滾珠螺母連接固定。垂向伺服電機(jī)9驅(qū)動滾珠絲桿轉(zhuǎn)動，則滾珠螺母帶動第三滑塊30沿垂向機(jī)械臂6的第三導(dǎo)軌32移動。橫向機(jī)械臂4的上端部裝有橫向伺服電機(jī)7，橫向機(jī)械臂4內(nèi)裝有滾珠絲杠，滾珠絲杠的一端固定于橫向機(jī)械臂4下端部，滾珠絲杠的另一端通過彈性聯(lián)軸器與橫向伺服電機(jī)7的主軸連接。橫向機(jī)械臂4的兩個側(cè)面裝有第一導(dǎo)軌10，第一導(dǎo)軌10上裝有第一滑塊11，第一滑塊11的上端面位于橫向機(jī)械臂4的端面上部，且與橫向機(jī)械臂4的端面平行，第一滑塊11可沿第一導(dǎo)軌10移動。第一滑塊11與滾珠絲杠的滾珠螺母連接固定，橫向伺服電機(jī)7驅(qū)動滾珠絲桿轉(zhuǎn)動，則滾珠螺母帶動第一滑塊11沿橫向機(jī)械臂4的第一導(dǎo)軌10移動。2個縱向機(jī)械臂5構(gòu)成一個整體，其中第一縱向機(jī)械臂5-1的上端部裝有縱向伺服電機(jī)8，第一縱向機(jī)械臂5-1內(nèi)裝有滾珠絲杠。滾珠絲杠的一端固定于第一縱向機(jī)械臂5-1下端部，滾珠絲杠的另一端直接通過彈性聯(lián)軸器與縱向伺服電機(jī)8主軸連接。第二縱向機(jī)械臂5-2的上端部不安裝縱向伺服電機(jī)，第二縱向機(jī)械臂5-2內(nèi)裝有滾珠絲杠，滾珠絲杠的一端固定于第二縱向機(jī)械臂5-2下端部，滾珠絲杠的另一端通過聯(lián)軸器與電機(jī)主軸同步裝置28連接，電機(jī)主軸同步裝置28與縱向伺服電機(jī)8主軸連接。每個縱向機(jī)械臂5的兩個側(cè)面均裝有第二導(dǎo)軌31，第二導(dǎo)軌31上裝有第二滑塊29，第二滑塊29的上端面位于縱向機(jī)械臂5的端面上部且與縱向機(jī)械臂5的端面平行，第二滑塊29可沿導(dǎo)軌31移動。第二滑塊29與滾珠絲杠的滾珠螺母連接固定，縱向伺服電機(jī)8主軸轉(zhuǎn)動，直接驅(qū)動一個滾珠絲桿轉(zhuǎn)動，通過電機(jī)主軸同步裝置28可同步驅(qū)動另一個滾珠絲桿轉(zhuǎn)動，從而保證兩個滾珠螺母分別帶動兩個第二滑塊29沿2個縱向機(jī)械臂5的導(dǎo)軌同步移動。

永磁轉(zhuǎn)子通過螺母固定在垂向機(jī)械臂6上的永磁轉(zhuǎn)子固定裝置13上，通過三個機(jī)械臂的移動可精確控制永磁轉(zhuǎn)子在三維空間的任意位移，進(jìn)而保證可在三維空間進(jìn)行高溫超導(dǎo)軸承懸浮特性的測量。

高溫超導(dǎo)軸承的超導(dǎo)定子固定于杜瓦14內(nèi)部，通過螺母固定于杜瓦14的內(nèi)底面，可避免測力時(shí)超導(dǎo)定子晃動對測量精度造成影響。杜瓦14采用雙層結(jié)構(gòu)，兩層結(jié)構(gòu)之間的間隙為真空夾層，極大地削弱了杜瓦14外壁與空氣的熱對流，有效地保持了液氮的低溫制冷效果，同時(shí)在杜瓦14直徑確定的情況下，增大杜瓦14的高度，保持杜瓦14的高度直徑比率大于等于3。本發(fā)明采用這種高度直徑比較大的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可有效地減小液氮的揮發(fā)，極大地縮短了超導(dǎo)材料的冷卻時(shí)間，同時(shí)降低了液氮的消耗。杜瓦14的圓周方向外壁留有真空接頭，將真空泵與真空接頭連接將夾層抽為真空，再將真空接頭閥門關(guān)閉。杜瓦14的外壁焊接有螺母，測量徑向回復(fù)力時(shí)可通過螺母將測力傳感器沿圓周固定在杜瓦外壁。

杜瓦支撐裝置的2個支撐橫梁18縱向焊接在支架下端的2個支架下橫梁2之間。2個支撐橫梁18的端面與支架下橫梁2端面平行且位于同一平面。支撐橫梁18位于支架下橫梁2所在平面的中心位置，即2個支撐橫梁18中心線分別距離兩側(cè)支架下橫梁2中心線的距離相等。每個支撐橫梁18上開有6個位置調(diào)整通孔。2個支撐橫梁18之間留有間隙，2個支撐橫梁18間隙的中心位置安裝傳感器固定裝置的支撐底板27，支撐底板27的兩條側(cè)邊與支撐橫梁18焊接固定，支撐底板27的端面與支撐橫梁18的端面位于同一平面。

杜瓦支撐裝置的4根支撐立柱分別焊接在支架4個側(cè)面的中心位置，每個支撐立柱由2根不銹鋼立柱組成，2根不銹鋼立柱之間留有間隙。支撐立柱的兩端分別與支架的支架上橫梁2和支架下橫梁2焊接，支撐立柱的端面與支架橫梁2的側(cè)面位于同一平面，每根立柱上開有等間距的位置調(diào)整通孔24。

杜瓦14通過杜瓦支撐裝置支撐。測量高溫超導(dǎo)軸承橫向和縱向即徑向回復(fù)力時(shí)，水平測力傳感器，即橫向測力傳感器20和縱向測力傳感器21位于杜瓦14的圓周方向外壁，并通過螺母與杜瓦的圓周方向外壁固定。4個支撐螺桿分別固定于2個支撐橫梁18上。每根支撐橫梁18上有6個位置調(diào)整通孔24，測量時(shí)可以根據(jù)杜瓦直徑大小，選擇距離支撐橫梁18橫向中心線位置兩側(cè)距離相等的4個位置調(diào)整通孔24安裝支撐螺桿，每個支撐螺桿的上端安裝一個萬向球，萬向球與支撐螺桿通過螺紋連接，為可拆卸式。支撐螺桿的另一端通過與位置調(diào)整通孔螺紋配合固定于支撐橫梁上，并且在支撐橫梁下端面通過螺母將支撐螺桿鎖緊。所述萬向球的球面與杜瓦14底面相切，萬向球通過滾動接觸方式支撐杜瓦14。測量時(shí)選擇支撐橫梁18上的位置調(diào)整通孔24安裝支撐螺桿，再將萬向球與支撐螺桿連接，以支撐不同直徑大小的杜瓦14，進(jìn)而適應(yīng)不同直徑大小的高溫超導(dǎo)軸承的超導(dǎo)定子的測量。通過調(diào)節(jié)支撐螺桿17的高度可保證橫向測力傳感器20和縱向測力傳感器21位于超導(dǎo)軸承高度的中心位置，從而保證水平位置徑向回復(fù)力的測量精度。4根支撐螺桿固定于4根支撐立柱上，每根支撐螺桿一端固定一個萬向球，4個萬向球的中心位于同一水平面，萬向球的球面與杜瓦14圓周方向外壁相切，通過滾動接觸方式支撐杜瓦14。每根支撐立柱同一水平面的兩個位置調(diào)整通孔安裝2個螺桿緊固裝置，2個螺桿緊固裝置23相對，且2個螺桿緊固裝置23同軸。支撐螺桿的另一端依次穿過2個螺桿緊固裝置的中心螺紋通孔及1個螺母，與位于支架外部且與支撐螺桿17同心的手輪26螺紋連接，支撐螺桿17與中心螺紋通孔為螺紋配合。測量高溫超導(dǎo)軸承垂直懸浮力時(shí)，根據(jù)超導(dǎo)軸承超導(dǎo)定子的高度選擇支撐立柱25上相應(yīng)的位置調(diào)整通孔25安裝螺桿緊固裝置23，再安裝萬向球16和支撐螺桿17，確保萬向球16的中心位于超導(dǎo)軸承高度的中心位置，通過手輪26調(diào)整支撐螺桿17在杜瓦14圓周方向外壁和支撐立柱25之間的長度，確保萬向球16與杜瓦14圓周方向外壁相切，以適應(yīng)對不同直徑大小的杜瓦14進(jìn)行穩(wěn)定支撐的要求，進(jìn)而適應(yīng)不同直徑大小的高溫超導(dǎo)軸承的超導(dǎo)定子。待支撐螺桿長度調(diào)整好后將螺母擰緊，使其端面與螺桿緊固裝置中心螺紋通孔端面貼合將支撐螺桿鎖緊防止其在測力過程中晃動影響測力精度。

測量高溫超導(dǎo)軸承垂直懸浮力時(shí)，杜瓦14的底部僅垂直安裝垂直測力傳感器19，不安裝萬向球及支撐螺桿。垂直測力傳感器19位于杜瓦14底部與支架底下部的支撐底板27之間，并通過螺母與支撐底板27固定連接。垂直測力傳感器19對杜瓦14在垂直方向起到穩(wěn)定支撐。垂直測力傳感器19的上端通過傳感器過度頭22與杜瓦14底部螺紋連接，垂直測力傳感器19的下端與支撐底板27螺紋連接。垂直測力傳感器19、杜瓦14、支撐底板27三者的中心位于杜瓦14的中心線上。傳感器過度頭22-3采用一半尼龍一半不銹鋼材料相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，目的是利用尼龍材料較低的導(dǎo)熱性以避免杜瓦外壁低溫?fù)p壞傳感器。測量高溫超導(dǎo)軸承橫向和縱向即徑向回復(fù)力時(shí)，沿杜瓦14圓周方向外壁互成90°僅安裝1個橫向測力傳感器20和1個縱向測力傳感器21，橫向測力傳感器20和縱向測力傳感器21組成為水平測力傳感器。杜瓦14圓周方向外壁互成90°的2個位置焊接有螺母，并且在該互成90°的2個位置沿杜瓦圓周方向外壁的高度方向等間距焊接4個螺母，以保證水平方向相同間隔距離位置的2個螺母處于同一水平面。水平測力傳感器的一端通過傳感器過度頭22與杜瓦圓周方向外壁的螺母固定，水平測力傳感器的另一端與傳感器支撐螺桿12螺紋連接。支架4個側(cè)面的中心位置均焊接有支撐立柱25，每根支撐立柱25由2根不銹鋼立柱組成，2根不銹鋼立柱之間留有間隙。支撐立柱25的兩端分別與支架的支架上橫梁和支架下橫梁焊接，支撐立柱25的端面與支架橫梁2的側(cè)面位于同一平面，每根立柱上開有等間距的位置調(diào)整通孔。每個支撐立柱25同一水平面的兩個位置調(diào)整通孔24上安裝2個螺桿緊固裝置，2個螺桿緊固裝置相對，且2個螺桿緊固裝置同軸。螺桿緊固裝置23的中心有一螺紋通孔，沿螺桿緊固裝置23端面的圓周方向互成180°位置有2個通孔，螺桿緊固裝置23的通孔與支撐立柱25上的位置調(diào)整通孔24位置對應(yīng)并通過螺栓固定。選擇與水平測力傳感器相應(yīng)位置的支撐立柱和螺桿緊固裝置固定傳感器支撐螺桿。傳感器支撐螺桿12的另一端依次穿過2個螺桿緊固裝置的中心螺紋通孔24與位于支架外部的杜瓦支撐裝置的手輪26螺紋連接。傳感器支撐螺桿12、螺桿緊固裝置23及手輪26位于同一中心線上，相互配合共同對水平測力傳感器支撐固定。根據(jù)超導(dǎo)軸承的高度調(diào)整水平測力傳感器與杜瓦14圓周方向外壁的螺母安裝位置、螺桿緊固裝置23及支撐立柱25上位置調(diào)整通孔的對應(yīng)位置，以保證水平測力傳感器位于超導(dǎo)軸承高度的中心位置，避免測力傳感器位置偏離中心測力不準(zhǔn)或受力位置不一致造成杜瓦傾斜等；可通過手輪26調(diào)整杜瓦14方向外壁與支撐立柱25之間的傳感器支撐螺桿12的長度，保證水平測力傳感器與杜瓦14外壁的穩(wěn)固連接，以滿足不同直徑時(shí)超導(dǎo)軸承水平測力的需求。待傳感器支撐螺桿長度調(diào)整好后將螺母擰緊，使螺母端面與螺桿緊固裝置中心螺紋通孔端面貼合將支撐螺桿鎖緊防止其在測力過程中晃動影響測力精度。

自動控制系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)采集卡和電機(jī)運(yùn)動控制卡。數(shù)據(jù)采集卡的信號輸入端通過3路控制電纜分別與垂直測力傳感器19、橫向測力傳感器20、縱向測力傳感器21的信號輸出端連接，數(shù)據(jù)采集卡輸出端通過通訊電纜與上位機(jī)串口相連。電機(jī)運(yùn)動控制卡安裝于上位機(jī)主機(jī)箱內(nèi)，電機(jī)運(yùn)動控制卡雙向控制輸入/輸出端口以pci接口形式與上位機(jī)板卡連接，電機(jī)運(yùn)動控制卡控制輸出端口通過3路控制電纜分別與三軸運(yùn)動機(jī)械手的3個伺服放大器的控制輸入端口連接。數(shù)據(jù)采集卡采集測力傳感器的輸出信號并通過串口通訊協(xié)議傳送上位機(jī)，上位機(jī)通過數(shù)據(jù)處理將測力傳感器輸出信號轉(zhuǎn)換為測力數(shù)值實(shí)時(shí)顯示并儲存，上位機(jī)根據(jù)需求選擇機(jī)械手伺服電機(jī)運(yùn)動模式，設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)加速度、位移等參數(shù)，并將指令下發(fā)至電機(jī)運(yùn)動控制卡，電機(jī)運(yùn)動控制卡接收上位機(jī)指令發(fā)出脈沖信號，電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)的3個交流伺服放大器接收脈沖信號控制交流伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)三軸運(yùn)動機(jī)械手在三維空間的精確定位，電機(jī)運(yùn)動控制卡將電機(jī)運(yùn)動的實(shí)際位置、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)角等參數(shù)實(shí)時(shí)反饋至上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)永磁轉(zhuǎn)子的位移和測力傳感器的數(shù)值計(jì)算懸浮力剛度，并繪制位移—懸浮力特性曲線和位移—剛度特性曲線。

如圖4、圖5所示，杜瓦14兩層結(jié)構(gòu)之間的間隙為真空夾層，杜瓦14圓周方向外壁的中心高度位置留有真空接頭15，沿杜瓦14圓周方向外壁互成90°的2個位置焊接有螺母，且在杜瓦圓周方向外壁互成90°的2個位置沿高度方向焊接有等間距的4個螺母。通過真空接頭15將杜瓦14的夾層抽為真空。測量徑向回復(fù)力時(shí)，根據(jù)超導(dǎo)軸承超導(dǎo)定子的高度選擇同一水平位置的2個螺母將水平測力傳感器與杜瓦14圓周方向外壁固定。

如圖6、圖7所示，支撐立柱25由2根不銹鋼立柱組成，2根不銹鋼立柱之間留有間隙，每根不銹鋼立柱上開有等間距的位置調(diào)整通孔24。2個螺桿緊固裝置23安裝在支撐立柱25同一水平面的兩個位置調(diào)整通孔25中，2個螺桿緊固裝置23相對，且2個螺桿緊固裝置23同軸。螺桿緊固裝置23的中心有一螺紋通孔，沿螺桿緊固裝置端面圓周方向互成180°位置有2個通孔，螺桿緊固裝置23的通孔與支撐立柱25上的位置調(diào)整通孔位置對應(yīng)并通過螺栓固定。萬向球16的球面與杜瓦14的圓周方向外壁相切，萬向球16的另一端與支撐螺桿17的一端連接，支撐螺桿17的另一端依次穿過2個螺桿緊固裝置23的中心螺紋通孔及一個螺母，與位于支架外部的手輪26螺紋連接固定，手輪26與支撐螺桿17同心。待支撐螺桿17調(diào)整完畢后擰緊螺母將支撐螺桿17鎖緊，防止支撐螺桿晃動影響測量精度。

如圖8、圖9、圖10所示，支撐螺桿17固定在支撐橫梁18上，支撐橫梁18上有位置調(diào)整通孔24。萬向球16的球面與杜瓦14的底面相切，萬向球16的另一端與支撐螺桿17的一端通過螺紋連接，為可拆卸式。支撐螺桿17的另一端通過與位置調(diào)整通孔24螺紋配合固定于支撐橫梁18上，并且在支撐橫梁18下端面通過螺母將支撐螺桿鎖緊，防止支撐螺桿17晃動影響測量精度。

圖11為位于杜瓦底部的傳感器固定裝置結(jié)構(gòu)正視圖。圖12為位于杜瓦底部的傳感器固定裝置結(jié)構(gòu)俯視圖。所述的傳感器固定裝置包括傳感器過度頭22、2根傳感器支撐螺桿和支撐底板27，垂直測力傳感器19位于杜瓦14底部與支架底下部的支撐底板27之間，支撐底板27焊接于杜瓦支撐裝置的2個支撐橫梁18間隙的中心位置，支撐底板27的端面與支撐橫梁18的端面位于同一平面。垂直測力傳感器19的上端通過傳感器過度頭22與杜瓦14底部螺紋連接，垂直測力傳感器19的下端與支撐底板27螺紋連接。垂直測力傳感器19、杜瓦14、支撐底板27的中心位于杜瓦14的中心線上。

圖13為位于杜瓦圓周方向外壁的傳感器固定裝置結(jié)構(gòu)正視圖。圖14為位于杜瓦圓周方向外壁的傳感器固定裝置結(jié)構(gòu)俯視圖。圖15為位于杜瓦圓周方向外壁的傳感器固定裝置結(jié)構(gòu)左視圖。如圖3杜瓦14圓周方向外壁互成90°的2個位置沿高度方向焊接有多個螺母，根據(jù)超導(dǎo)軸承超導(dǎo)定子的高度選擇同一水平位置的兩個螺母固定水平測力傳感器。水平測力傳感器的一端通過傳感器過度頭22與杜瓦圓周方向外壁的螺母固定，水平測力傳感器的另一端與傳感器支撐螺桿12螺紋連接。選擇與水平測力傳感器相應(yīng)位置的支撐立柱和螺桿緊固裝置固定傳感器支撐螺桿。杜瓦支撐裝置支撐立柱25的位置調(diào)整通孔24上分別安裝有螺桿緊固裝置23，2個螺桿緊固裝置23相對，且2個螺桿緊固裝置23同軸。傳感器支撐螺桿12的另一端依次穿過2個螺桿緊固裝置的中心螺紋通孔24及一個螺母，與位于支架外部的杜瓦支撐裝置的手輪26螺紋連接。待傳感器支撐螺桿12調(diào)整完畢后擰緊螺母將傳感器支撐螺桿12鎖緊，防止傳感器支撐螺桿12晃動影響測量精度。

懸浮特性測量包括橫向和縱向即徑向懸浮特性測量及垂直懸浮特性測量。兩種測量方法采用的測量裝置的結(jié)構(gòu)及組件有所不同。

如圖16，圖17所示，本發(fā)明測量垂直懸浮特性的裝置中：

三軸運(yùn)動機(jī)械手由1個垂向機(jī)械臂6、1個橫向機(jī)械臂4和2個縱向機(jī)械臂5組成。三個機(jī)械臂上均裝有滑塊。2個縱向機(jī)械臂5分別位于支架兩側(cè)的支架上橫梁2的上端面，縱向機(jī)械臂5的兩端與支架上橫梁2的兩端對齊，縱向機(jī)械臂5的側(cè)面與支架上橫梁2的側(cè)面對齊。橫向機(jī)械臂4橫跨于縱向機(jī)械臂5的上部，為側(cè)立式安裝，橫向機(jī)械臂4的兩端與縱向機(jī)械臂5的側(cè)面對齊，橫向機(jī)械臂4的側(cè)面與縱向機(jī)械臂5上的滑塊固定連接。垂向機(jī)械臂6直立式安裝于橫向機(jī)械臂4的滑塊11的上端面，垂向機(jī)械臂6的下端與橫向機(jī)械臂4的側(cè)面對齊，垂向機(jī)械臂6的背面與橫向機(jī)械臂4上的滑塊11上端面貼合且二者固定連接。

永磁轉(zhuǎn)子固定裝置13與三軸運(yùn)動機(jī)械手垂向機(jī)械臂6的滑塊30固定連接。永磁轉(zhuǎn)子固定裝置13的背面與垂向機(jī)械臂6滑塊30的上端面貼合，永磁轉(zhuǎn)子固定裝置13帶螺紋孔的下端面與垂向機(jī)械臂6滑塊30上端面垂直。垂向機(jī)械臂6的上端裝有垂向伺服電機(jī)9，垂向機(jī)械臂6內(nèi)裝有滾珠絲杠，滾珠絲杠的一端固定于垂向機(jī)械臂6的下端部，滾珠絲杠的另一端通過彈性聯(lián)軸器與垂向伺服電機(jī)9的主軸連接。垂向機(jī)械臂6的兩個側(cè)面裝有導(dǎo)軌32，導(dǎo)軌32上裝有滑塊30，滑塊30的上端面位于垂向機(jī)械臂6的端面上部且與垂向機(jī)械臂6的端面平行，滑塊30可沿導(dǎo)軌32移動，滑塊30與滾珠絲杠的滾珠螺母連接固定，垂向伺服電機(jī)9驅(qū)動滾珠絲桿轉(zhuǎn)動，則滾珠螺母帶動滑塊30沿垂向機(jī)械臂6的導(dǎo)軌32移動。橫向機(jī)械臂4的上端部裝有橫向伺服電機(jī)7，橫向機(jī)械臂4內(nèi)裝有滾珠絲杠，滾珠絲杠的一端固定于橫向機(jī)械臂4下端部，滾珠絲杠的另一端通過彈性聯(lián)軸器與橫向伺服電機(jī)7的主軸連接。橫向機(jī)械臂4的兩個側(cè)面裝有導(dǎo)軌10，導(dǎo)軌10上裝有滑塊11，滑塊11的上端面位于橫向機(jī)械臂4的端面上部且與橫向機(jī)械臂4的端面平行，滑塊11可沿導(dǎo)軌10移動，滑塊11與滾珠絲杠的滾珠螺母連接固定，橫向伺服電機(jī)7驅(qū)動滾珠絲桿轉(zhuǎn)動，則滾珠螺母帶動滑塊11沿橫向機(jī)械臂4的導(dǎo)軌10移動。2個縱向機(jī)械臂5構(gòu)成一個整體，其中第一縱向機(jī)械臂5-1的上端部裝有縱向伺服電機(jī)8，第一縱向機(jī)械臂5-1內(nèi)部裝有滾珠絲杠，滾珠絲杠的一端固定于第一縱向機(jī)械臂5-1下端部，滾珠絲杠的另一端直接通過彈性聯(lián)軸器與縱向伺服電機(jī)8主軸連接，第二縱向機(jī)械臂5-2的上端部不安裝縱向伺服電機(jī)，第二縱向機(jī)械臂5-2內(nèi)裝有滾珠絲杠，滾珠絲杠的一端固定于第二縱向機(jī)械臂5-2下端部，滾珠絲杠的另一端通過聯(lián)軸器與電機(jī)主軸同步裝置28連接，電機(jī)主軸同步裝置28與縱向伺服電機(jī)8主軸連接。縱向機(jī)械臂5的兩個側(cè)面裝有導(dǎo)軌31，導(dǎo)軌31上裝有滑塊29，滑塊29的上端面位于縱向機(jī)械臂5的端面上部且與縱向機(jī)械臂5的端面平行，滑塊29可沿導(dǎo)軌31移動，滑塊29與滾珠絲杠的滾珠螺母連接固定，縱向伺服電機(jī)8主軸轉(zhuǎn)動，直接驅(qū)動一個滾珠絲桿轉(zhuǎn)動，通過電機(jī)主軸同步裝置28可同步驅(qū)動另一個滾珠絲桿轉(zhuǎn)動，從而保證兩個滾珠螺母分別帶動兩個滑塊29沿縱向機(jī)械臂的導(dǎo)軌同步移動。

機(jī)械手運(yùn)動控制系統(tǒng)的3個交流伺服放大器的電源輸出端口通過3路電源電纜分別與三軸運(yùn)動機(jī)械手的3個交流伺服電機(jī)的電源輸入端口連接，機(jī)械手運(yùn)動控制系統(tǒng)的3個交流伺服放大器的控制輸出端口通過3路控制電纜分別與三軸運(yùn)動機(jī)械手的3個交流伺服電機(jī)的控制輸入端口相連。自動控制系統(tǒng)采集采集測力傳感器的輸出信號傳送上位機(jī)，接收上位機(jī)的控制指令控制交流伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)三軸運(yùn)動機(jī)械手在三維空間的精確定位。

杜瓦14位于支架的中心位置，杜瓦14底部與垂直測力傳感器19固定，杜瓦14的圓周方向外壁通過固定在杜瓦支撐裝置支撐立柱25上的4個萬向球和4根支撐螺桿穩(wěn)定支撐。高溫超導(dǎo)軸承的超導(dǎo)定子固定于杜瓦14內(nèi)部，通過螺母固定于杜瓦14內(nèi)底面。杜瓦14的圓周方向外壁中心位置留有真空接頭15，將真空泵與真空接頭15連接將夾層抽為真空，再將真空接頭閥門關(guān)閉。杜瓦14圓周方向外壁間隔90°的4個位置均有萬向球16與杜瓦14圓周方向外壁相切，4個萬向球?qū)Χ磐?4起到支撐作用，并保證杜瓦14沿垂直方向僅有較小的滾動摩擦，以保證垂直測力的精確性。4個萬向球的中心位于同一水平面。萬向球16的球面與杜瓦14圓周方向外壁相切，萬向球16的另一端與支撐螺桿17通過螺紋連接。支撐立柱25同一水平面的兩個位置調(diào)整通孔24安裝2個螺桿緊固裝置23，2個螺桿緊固裝置23相對安裝，且2個螺桿緊固裝置23同軸。支撐螺桿的另一端依次穿過2個螺桿緊固裝置的中心螺紋通孔及1個螺母，與位于支架外部且與支撐螺桿17同心的手輪26螺紋連接。通過手輪26可分別調(diào)節(jié)4個支撐螺桿17在杜瓦14圓周方向外壁與支撐立柱25之間的長度，達(dá)到與4個萬向球16與杜瓦14的圓周方向外壁相切，在水平方向?qū)Χ磐?4穩(wěn)固支撐。當(dāng)支撐螺桿17長度調(diào)整好后擰緊螺母將支撐螺桿17鎖緊防止測力時(shí)杜瓦14徑向擺動影響測力精度。

測量測量高溫超導(dǎo)軸承垂直懸浮力時(shí)，通過自動控制系統(tǒng)調(diào)整永磁轉(zhuǎn)子做垂直運(yùn)動，超導(dǎo)定子受力后帶動杜瓦14通過與萬向球16的滾動接觸做垂向移動，同時(shí)萬向球16的支撐作用可限制杜瓦14的水平擺動，垂直測力傳感器19受力后輸出信號，則通過數(shù)據(jù)采集卡將垂直測力傳感器輸出信號上傳至上位機(jī)，電機(jī)運(yùn)動控制卡將永磁轉(zhuǎn)子位移反饋至上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)位移和測力數(shù)值計(jì)算垂直懸浮力剛度，繪制垂直懸浮力—位移特性曲線及垂直懸浮力剛度—位移特性曲線。

如圖18、圖19所示，本發(fā)明測量橫向和縱向懸浮特性的裝置中：

三軸運(yùn)動機(jī)械手由1個垂向機(jī)械臂6、1個橫向機(jī)械臂4和2個縱向機(jī)械臂5組成。三個機(jī)械臂上均裝有滑塊。2個縱向機(jī)械臂5分別位于支架兩側(cè)的支架上橫梁2的上端面，縱向機(jī)械臂5的兩端與支架上橫梁2的兩端對齊，縱向機(jī)械臂5的側(cè)面與支架上橫梁2的側(cè)面對齊。橫向機(jī)械臂4橫跨于縱向機(jī)械臂5的上部，為側(cè)立式安裝，橫向機(jī)械臂4的兩端與縱向機(jī)械臂5的側(cè)面對齊，橫向機(jī)械臂4的側(cè)面與縱向機(jī)械臂5上的滑塊固定連接。垂向機(jī)械臂6直立式安裝于橫向機(jī)械臂4的滑塊11的上端面，垂向機(jī)械臂6的下端與橫向機(jī)械臂4的側(cè)面對齊，垂向機(jī)械臂6的背面與橫向機(jī)械臂4上的滑塊11上端面貼合且二者固定連接。

永磁轉(zhuǎn)子固定裝置13與三軸運(yùn)動機(jī)械手垂向機(jī)械臂6的滑塊30固定連接。永磁轉(zhuǎn)子固定裝置13的背面與垂向機(jī)械臂6滑塊30的上端面貼合，永磁轉(zhuǎn)子固定裝置13帶螺紋孔的下端面與垂向機(jī)械臂6滑塊30上端面垂直。垂向機(jī)械臂6的上端裝有垂向伺服電機(jī)9，垂向機(jī)械臂6內(nèi)裝有滾珠絲杠，滾珠絲杠的一端固定于垂向機(jī)械臂6的下端部，滾珠絲杠的另一端通過彈性聯(lián)軸器與垂向伺服電機(jī)9的主軸連接。垂向機(jī)械臂6的兩個側(cè)面裝有導(dǎo)軌32，導(dǎo)軌32上裝有滑塊30，滑塊30的上端面位于垂向機(jī)械臂6的端面上部且與垂向機(jī)械臂6的端面平行，滑塊30可沿導(dǎo)軌32移動，滑塊30與滾珠絲杠的滾珠螺母連接固定，垂向伺服電機(jī)9驅(qū)動滾珠絲桿轉(zhuǎn)動，則滾珠螺母帶動滑塊30沿垂向機(jī)械臂6的導(dǎo)軌32移動。橫向機(jī)械臂4的上端部裝有橫向伺服電機(jī)7，橫向機(jī)械臂4內(nèi)裝有滾珠絲杠，滾珠絲杠的一端固定于橫向機(jī)械臂4下端部，滾珠絲杠的另一端通過彈性聯(lián)軸器與橫向伺服電機(jī)7的主軸連接。橫向機(jī)械臂4的兩個側(cè)面裝有導(dǎo)軌10，導(dǎo)軌10上裝有滑塊11，滑塊11的上端面位于橫向機(jī)械臂4的端面上部且與橫向機(jī)械臂4的端面平行，滑塊11可沿導(dǎo)軌10移動，滑塊11與滾珠絲杠的滾珠螺母連接固定，橫向伺服電機(jī)7驅(qū)動滾珠絲桿轉(zhuǎn)動，則滾珠螺母帶動滑塊11沿橫向機(jī)械臂4的導(dǎo)軌10移動。2個縱向機(jī)械臂5構(gòu)成一個整體，其中第一縱向機(jī)械臂5-1的上端部裝有縱向伺服電機(jī)8，第一縱向機(jī)械臂5-1內(nèi)部裝有滾珠絲杠，滾珠絲杠的一端固定于第一縱向機(jī)械臂5-1下端部，滾珠絲杠的另一端直接通過彈性聯(lián)軸器與縱向伺服電機(jī)8主軸連接，第二縱向機(jī)械臂5-2的上端部不安裝縱向伺服電機(jī)，第二縱向機(jī)械臂5-2內(nèi)裝有滾珠絲杠，滾珠絲杠的一端固定于第二縱向機(jī)械臂5-2下端部，滾珠絲杠的另一端通過聯(lián)軸器與電機(jī)主軸同步裝置28連接，電機(jī)主軸同步裝置28與縱向伺服電機(jī)8主軸連接?？v向機(jī)械臂5的兩個側(cè)面裝有導(dǎo)軌31，導(dǎo)軌31上裝有滑塊29，滑塊29的上端面位于縱向機(jī)械臂5的端面上部且與縱向機(jī)械臂5的端面平行，滑塊29可沿導(dǎo)軌31移動，滑塊29與滾珠絲杠的滾珠螺母連接固定，縱向伺服電機(jī)8主軸轉(zhuǎn)動，直接驅(qū)動一個滾珠絲桿轉(zhuǎn)動，通過電機(jī)主軸同步裝置28可同步驅(qū)動另一個滾珠絲桿轉(zhuǎn)動，從而保證兩個滾珠螺母分別帶動兩個滑塊29沿縱向機(jī)械臂的導(dǎo)軌同步移動。

機(jī)械手運(yùn)動控制系統(tǒng)的3個交流伺服放大器的電源輸出端口通過3路電源電纜分別與三軸運(yùn)動機(jī)械手的3個交流伺服電機(jī)的電源輸入端口連接，機(jī)械手運(yùn)動控制系統(tǒng)的3個交流伺服放大器的控制輸出端口通過3路控制電纜分別與三軸運(yùn)動機(jī)械手的3個交流伺服電機(jī)的控制輸入端口相連。自動控制系統(tǒng)采集采集測力傳感器的輸出信號傳送上位機(jī)，接收上位機(jī)的控制指令控制交流伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)三軸運(yùn)動機(jī)械手在三維空間的精確定位。

杜瓦14位于支架的中心位置，沿杜瓦14圓周方向外壁互成90°方向安裝一個橫向測力傳感器20和一個縱向測力傳感器21，杜瓦14底部通過安裝于杜瓦支撐裝置支撐橫梁18上的4個萬向球16和4個支撐螺桿17在垂直方向穩(wěn)定支撐。高溫超導(dǎo)軸承的超導(dǎo)定子固定于杜瓦14容器內(nèi)部，通過螺母固定于杜瓦14內(nèi)底面。杜瓦14的圓周方向外壁中心位置留有真空接頭15，將真空泵與真空接頭15連接將夾層抽為真空，再將真空接頭閥門關(guān)閉。杜瓦14圓周方向外壁互成90°的2個位置安裝1個橫向測力傳感器20和1個縱向測力傳感器21，橫向測力傳感器20和縱向測力傳感器21組成為水平測力傳感器。杜瓦14圓周方向外壁互成90°的2個徑向位置沿高度方向焊接有多個螺母，根據(jù)超導(dǎo)軸承超導(dǎo)定子的高度選擇合適的螺母位置安裝水平測力傳感器，保證水平測力傳感器位于超導(dǎo)軸承超導(dǎo)定子高度的中心位置。水平測力傳感器的一端通過傳感器過度頭22與杜瓦圓周方向外壁的螺母固定，水平測力傳感器的另一端與傳感器支撐螺桿12螺紋連接。選擇與水平測力傳感器相應(yīng)位置的支撐立柱和螺桿緊固裝置固定傳感器支撐螺桿12。杜瓦支撐裝置支撐立柱25的位置調(diào)整通孔24上分別安裝有2個螺桿緊固裝置23，2個螺桿緊固裝置23相對，且2個螺桿緊固裝置23同軸。傳感器支撐螺桿12的另一端依次穿過2個螺桿緊固裝置的中心螺紋通孔24及一個螺母，與位于支架外部的杜瓦支撐裝置的手輪26螺紋連接。通過手輪26可調(diào)節(jié)傳感器支撐螺桿12在杜瓦14外壁與支撐立柱25之間的長度，使傳感器支撐螺桿12與水平測力傳感器良好配合進(jìn)而穩(wěn)定支撐水平測力傳感器。待傳感器支撐螺桿12調(diào)整完畢后擰緊螺母將傳感器支撐螺桿12鎖緊，防止傳感器支撐螺桿12晃動影響測量精度。

杜瓦14底部沿底面均勻分布4個萬向球16，4個萬向球16位于雙杜瓦14底部與支撐橫梁18之間，4個萬向球16對杜瓦14垂直方向起到支撐作用，并保證杜瓦14沿橫向和縱向方向移動時(shí)僅有較小的滾動摩擦，以保證橫向和縱向測力的精確性。根據(jù)杜瓦直徑大小選擇距離支撐橫梁18橫向中心線位置兩側(cè)距離相等的4個位置調(diào)整通孔24位置安裝萬向球16。萬向球16的球面與杜瓦14底面相切，萬向球16的另一端與支撐螺桿17通過螺紋連接，支撐螺桿17通過與位置調(diào)整通孔24螺紋配合固定于支撐橫梁18上，并且在支撐橫梁18下端面通過螺母將支撐螺桿鎖緊，防止支撐螺桿17晃動影響測量精度。根據(jù)超導(dǎo)軸承超導(dǎo)定子的高度調(diào)節(jié)杜瓦14底部與支撐橫梁18之間的支撐螺桿17的高度，對水平測力傳感器與杜瓦14圓周方向外壁的螺母安裝位置起到輔助調(diào)節(jié)作用，最終保證水平測力傳感器位于超導(dǎo)軸承高度的中心位置，從而保證水平位置徑向回復(fù)力的測量精度。在測量橫向及縱向懸浮特性時(shí)，高溫超導(dǎo)永磁軸承位于杜瓦14內(nèi)的中心位置，沿互成90°的橫向和縱向直線移動，高溫超導(dǎo)永磁軸承的超導(dǎo)定子受力后帶動杜瓦14做水平移動，杜瓦14底部通過與萬向球16的滾動接觸水平移動，具有較小的滾動摩擦，同時(shí)萬向球16對杜瓦14垂直方向起到穩(wěn)固支撐，垂直測力傳感器19受力后輸出信號，自動控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡將橫向和縱向測力傳感器的輸出信號上傳至上位機(jī)，自動控制系統(tǒng)的電機(jī)運(yùn)動控制卡將永磁轉(zhuǎn)子位移反饋至上位機(jī)，并接收上位機(jī)的控制指令控制交流伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)三軸運(yùn)動機(jī)械手在三維空間的精確定位。上位機(jī)根據(jù)位移和測力數(shù)值計(jì)算橫向和縱向回復(fù)力剛度，繪制橫向回復(fù)力—位移特性曲線、縱向回復(fù)力—位移特性曲線、橫向回復(fù)力剛度—位移特性曲線、縱向回復(fù)力剛度—位移特性曲線。

本發(fā)明測量裝置測量高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承垂直懸浮特性和橫向、縱向懸浮特性的工作過程如下：

一、測量高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承垂直懸浮特性采用圖2所示的測量裝置，過程如下：

1)永磁轉(zhuǎn)子定位：通過上位機(jī)設(shè)定三軸運(yùn)動機(jī)械手交流伺服電機(jī)的運(yùn)動模式、轉(zhuǎn)速、加速度、位移等參數(shù)，通過自動控制系統(tǒng)的電機(jī)運(yùn)動控制卡發(fā)出控制脈沖信號，通過縱向機(jī)械臂5的縱向伺服電機(jī)8驅(qū)動其內(nèi)部的滾珠絲杠，帶動縱向機(jī)械臂5的滑塊29及橫向機(jī)械臂4沿縱向機(jī)械臂導(dǎo)軌31在縱向精確定位，使永磁轉(zhuǎn)子的橫向中心線與超導(dǎo)定子的橫向中心線位于同一平面。通過橫向機(jī)械臂4的橫向伺服電機(jī)7驅(qū)動其內(nèi)部的滾珠絲杠，帶動橫向機(jī)械臂4的滑塊11及垂向機(jī)械臂6沿橫向機(jī)械臂導(dǎo)軌10在橫向精確定位，使永磁轉(zhuǎn)子的縱向中心線與超導(dǎo)定子的縱向中心線位于同一平面。通過垂向機(jī)械臂6的垂向伺服電機(jī)9驅(qū)動其內(nèi)部的滾珠絲杠，帶動垂向機(jī)械臂6的滑塊30及永磁轉(zhuǎn)子沿垂向機(jī)械臂導(dǎo)軌32在垂向精確移動，使永磁轉(zhuǎn)子在垂直方向某一高度位置的精確定位；

2)永磁轉(zhuǎn)子的移動：待高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承的超導(dǎo)定子冷卻后，通過上位機(jī)選擇往復(fù)運(yùn)動模式，通過自動控制系統(tǒng)的電機(jī)運(yùn)動控制卡控制垂向機(jī)械臂6的垂向伺服電機(jī)9驅(qū)動滾珠絲杠，帶動永磁轉(zhuǎn)子沿垂向機(jī)械臂6的導(dǎo)軌32在垂直方向移動一段距離后自動返回至初始位置，在永磁轉(zhuǎn)子移動過程中上位機(jī)能夠?qū)崟r(shí)顯示電機(jī)移動距離、電機(jī)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)方向、電機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)，并且能夠?qū)崟r(shí)對電機(jī)運(yùn)動做出調(diào)整；永磁轉(zhuǎn)子沿垂直方向移動過程中，固定于杜瓦14內(nèi)的超導(dǎo)定子受到垂直懸浮力將沿垂直方向移動，對杜瓦14產(chǎn)生垂直作用力，杜瓦14與超導(dǎo)定子將同時(shí)沿垂直方向移動，經(jīng)過力的傳遞最終作用于垂直測力傳感器19；永磁轉(zhuǎn)子沿垂直方向移動的過程中，位于杜瓦14外壁與支撐立柱25之間4個位置的萬向球16、支撐螺桿17、螺桿緊固裝置23、支撐立柱25共同對杜瓦14進(jìn)行穩(wěn)固支撐，限制了杜瓦14的徑向擺動，同時(shí)杜瓦14在垂直方向移動時(shí)，萬向球16與杜瓦14外壁為較小的滾動摩擦，能夠保證垂直懸浮力測量的精度；

3)垂直懸浮特性的測量：在永磁轉(zhuǎn)子垂向移動的過程中，位于杜瓦14外底面與支撐底板27之間的垂直測力傳感器19實(shí)時(shí)測量杜瓦14的垂直受力，自動控制系統(tǒng)將輸出信號通過數(shù)據(jù)采集卡上傳至上位機(jī)，上位機(jī)結(jié)合電機(jī)運(yùn)動控制卡反饋的位移數(shù)據(jù)，計(jì)算得到對應(yīng)位移下高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承垂直懸浮力的剛度，并繪制垂直懸浮力—位移特性曲線及垂直懸浮力剛度—位移特性曲線。

二、測量高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承橫向和縱向懸浮特性采用圖3所示的測量裝置，工作過程如下：

1)永磁轉(zhuǎn)子定位：通過上位機(jī)設(shè)定三軸運(yùn)動機(jī)械手交流伺服電機(jī)的運(yùn)動模式、轉(zhuǎn)速、加速度、位移等參數(shù)，通過自動控制系統(tǒng)的電機(jī)運(yùn)動控制卡發(fā)出控制脈沖信號，通過縱向機(jī)械臂5的縱向伺服電機(jī)8驅(qū)動其內(nèi)部滾珠絲杠，帶動縱向機(jī)械臂5的滑塊29及橫向機(jī)械臂4沿縱向機(jī)械臂導(dǎo)軌31在縱向精確定位，使永磁轉(zhuǎn)子的橫向中心線與超導(dǎo)定子的橫向中心線位于同一平面；通過橫向機(jī)械臂4的橫向伺服電機(jī)7驅(qū)動其內(nèi)部滾珠絲杠，帶動橫向機(jī)械臂4的滑塊11及垂向機(jī)械臂6沿橫向機(jī)械臂導(dǎo)軌10在橫向精確定位，使永磁轉(zhuǎn)子的縱向中心線與超導(dǎo)定子的縱向中心線位于同一平面；通過垂向機(jī)械臂6的垂向伺服電機(jī)9驅(qū)動其內(nèi)部的滾珠絲杠，帶動垂向機(jī)械臂6的滑塊30及永磁轉(zhuǎn)子沿垂向機(jī)械臂導(dǎo)軌32在垂向精確移動，使永磁轉(zhuǎn)子在垂直方向某一高度位置的精確定位；

2)永磁轉(zhuǎn)子的移動：待超導(dǎo)定子冷卻結(jié)束后，通過上位機(jī)選擇往復(fù)運(yùn)動模式，通過自動控制系統(tǒng)的電機(jī)運(yùn)動控制卡控制橫向機(jī)械臂4的橫向伺服電機(jī)7驅(qū)動滾珠絲杠，帶動永磁轉(zhuǎn)子沿橫向機(jī)械臂4的導(dǎo)軌10在水平方向移動一段距離后自動返回至初始位置，在永磁轉(zhuǎn)子移動過程中上位機(jī)能夠?qū)崟r(shí)顯示電機(jī)移動距離、電機(jī)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)方向、電機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)，并且能夠?qū)崟r(shí)對電機(jī)運(yùn)動做出調(diào)整。永磁轉(zhuǎn)子橫向移動的過程中，固定于杜瓦14內(nèi)的超導(dǎo)定子受到橫向?qū)蛄?，根?jù)力的相互作用永磁轉(zhuǎn)子受到橫向回復(fù)力，二者大小相等，超導(dǎo)定子將沿水平方向橫向移動，對杜瓦14產(chǎn)生橫向?qū)蛄?，杜?4和超導(dǎo)定子將同時(shí)沿水平方向橫向移動，經(jīng)過力的傳遞作用最終作用于橫向測力傳感器上20；同理通過電機(jī)運(yùn)動控制卡控制縱向機(jī)械臂5的縱向伺服電機(jī)5驅(qū)動滾珠絲杠，帶動永磁轉(zhuǎn)子沿縱向機(jī)械臂5的導(dǎo)軌31在水平方向移動一段距離后自動返回至初始位置，超導(dǎo)定子受到的縱向?qū)蛄ψ罱K通過杜瓦14作用于縱向測力傳感器上21；永磁轉(zhuǎn)子沿水平方向橫向和縱向移動的過程中，位于杜瓦14外底面與支撐橫梁18之間沿杜瓦底面4個位置均勻分布的萬向球16、支撐螺桿17、支撐橫梁18共同對杜瓦14在垂直方向進(jìn)行穩(wěn)定支撐，同時(shí)杜瓦沿水平方向橫向或縱向移動過程中，萬向球與杜瓦14外底面為較小的滾動摩擦，能夠保證水平方向橫向和縱向回復(fù)力的測量精度；位于杜瓦14外壁與支撐立柱25之間的支撐螺桿17、螺桿緊固裝置23、支撐立柱25共同對杜瓦14水平方向橫向和縱向進(jìn)行穩(wěn)定支撐，實(shí)現(xiàn)橫向測力傳感器20和縱向測力傳感器21與杜瓦14外壁安裝牢固，保證測力精度；

3)橫向和縱向懸浮特性的測量：在永磁轉(zhuǎn)子沿水平方向橫向移動的過程中，位于杜瓦14外壁與支撐螺桿17之間的橫向測力傳感器20實(shí)時(shí)測量杜瓦14的橫向?qū)蛄?，并將輸出信號通過自動控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡上傳至上位機(jī)；同理在永磁轉(zhuǎn)子沿水平方向縱向移動的過程中，位于杜瓦14外壁與支撐螺桿17之間的縱向測力傳感器21實(shí)時(shí)測量杜瓦14的縱向?qū)蛄Γ⑤敵鲂盘柾ㄟ^自動控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡上傳至上位機(jī)，橫向和縱向?qū)蛄υ跀?shù)值上即為橫向和縱向回復(fù)力；上位機(jī)結(jié)合電機(jī)運(yùn)動控制卡反饋的位移數(shù)據(jù)，計(jì)算得到對應(yīng)位移下高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承橫向和縱向回復(fù)力的剛度，并繪制橫向回復(fù)力—位移特性曲線、縱向回復(fù)力—位移特性曲線、橫向回復(fù)力剛度—位移特性曲線、縱向回復(fù)力剛度—位移特性曲線。