一种基于双自由度气浮导轨与气浮轴承的免解耦微空间力精确测量装置及测量方法

1.本发明属于力值测量领域，具体是一种基于双自由度气浮导轨与气浮轴承的免解耦微空间力精确测量装置。

背景技术：

2.空间力指的是指向三维空间中任意方向的力，并且可以分解到三个正交方向。空间力大小与方向的精确测量在航空、气动、仿生、生物等领域有种重要需求，对于指导相关领域基础研究和设计优化有重要意义。而其中一个难点在于同时实现空间力力值大小和方向的精确测量。过去，为了实现空间力的测量，研究人员选择专门设计加工的机械结构，在其表面某些位置粘贴应变片，并在几个正交方向进行力的标定，施加空间力时对应变片数据进行分析解耦得到正交方向的受力，最终合成空间力，由此确定合力大小和方向；也有研究人员使用气压、液压等间接方法计算获取几个正交方向的力值。总之，通过多个正交力合成空间力的方法是通俗且合理的。上述通过应变信号换算力值的方法在应变片的标定方向上，尤其是当力沿着标定方向施加时可以实现较好的测量精度，但很难在标定方向外其他较大范围的方向内实现精确测量，同时，正交方向之间的测量结果存在相互干扰的情况，容易引入系统误差；以气压、液压等信号间接计算合力的方法可以实现较好的正交独立性，即正交方向之间的测量结果干扰较小，该方法甚至可以免去解耦过程，但是受制于原理，测量精度很难提高，且气压、液压的波动会增加测量不确定度。

技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种新式的基于双自由度气浮导轨与气浮轴承的免解耦微空间力精确测量装置，其结构简单，操作便捷，通过独立测量测试对象在三个正交方向的受力大小最终合成空间力。该发明可以实现微空间力力值和方向的精确测量，且正交方向之间力值互不干扰，测量结果无需解耦，大大简化数据处理。
4.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
5.一种基于双自由度气浮导轨与气浮轴承的免解耦微空间力精确测量装置，包括双自由度气浮导轨(1)、支架(2)、工作平板(3)、轴承(4)、轴承卡块(5)、转轴(6)、横梁(7)、探头(8)、微分头(9)、微分头支架(10)、横梁螺柱(20)、安装臂(21)、气浮轴承(22)、力传感器(23)、气浮轴承架(24)、气浮轴承卡块(25)、传感器支架(26)、悬臂梁(27)、梁间支架(28)、气浮导轨底座(29)、光学平板(30)；
6.所述双自由度气浮导轨(1)通过气浮导轨底座(29)安装在光学平板(30)上，气浮导轨(1)顶部依次安装支架(2)和工作平板(3)，工作平板(3)上卡装一对轴承(4)，通过轴承卡块(5)固定，轴承间穿过转轴(6)，横梁(7)卡装在转轴上，在无约束状态下横梁(7)可以自由转动。
7.所述双自由度气浮导轨(1)包括下层气浮导轨(11)、上层气浮导轨(12)、管用快速
接头(13)；
8.所述下层气浮导轨(11)包括导轨(111)，滑块(112)、滑块(113)、滑块(114)、滑块(115)，滑块(112)～(115)安装好后内侧形成矩形开口的空腔，导轨(111)插装在空腔内，所述上层气浮导轨(12)包括导轨(121)，滑块(122)、滑块(123)、滑块(124)、滑块(125)，滑块(122)～(125)安装好后内侧形成矩形开口的空腔，导轨(121)插装在空腔内，所述导轨(111)与导轨(121)与其四周安装的滑块之间的距离约为50-100μm。
9.滑块(112)上表面中心(116)位置加工一条竖直贯穿的直径为d＝2～4mm的导气孔，并在上表面(117)处以导气孔为圆心加工两条密封槽，用来在下层气浮导轨(11)与上层气浮导轨(12)安装时填入橡胶垫圈，滑块(113)～(115)内部均为实心结构，导轨(111)内部加工多条直径为d＝2～4mm的导气孔，以入口位置为起点呈发散状通到上下前后四个面(z轴和y轴所穿过的面)上，每个面上的导气孔出口数量不少于两个，所述入口位置攻丝并安装管用快速接头(13)，所述出口位置安装直径为a＝0.1～0.2mm的节流小孔，除此以外，在导轨(111)上表面中心加工一条竖直贯穿导轨的直径为d＝2～4mm的导气孔。
10.滑块(122)～(125)内部加工直径为d的导气孔，每个滑块内部导气孔的形状呈“井”字形，这些“井”字形导气孔在滑块(122)～(125)安装好后可以相互连通，每个“井”字形导气孔有四个气孔交点，在交点(126等)位置上向导轨(121)一侧开直径为d＝2～4mm通孔，并在所述通孔末端安装直径为a＝0.1～0.2mm的节流小孔，除此以外，滑块(125)下表面中心(127)位置多加工一条联通其内部“井”字形导气孔的直径为d＝2～4mm的单独导气孔，所述导气孔不贯通滑块，除上述用于安装节流小孔和滑块(125)中心加工的单独导气孔外，其余由于加工便利性、设计便利性等不得不加工但暴露在大气环境中的导气孔末端(128等)均攻丝并安装螺柱堵死，导轨(121)内部掏空用以减重，作为本领域科研人员应当知晓，所述导轨(111)中呈发散状的导气孔或滑块(122)～(125)中呈“井”字形的导气孔，其目的是为了让导气孔分布并延展到合理的位置，不能作为限制本发明的依据：。
11.所述节流小孔的主要作用是产生压力和流量稳定的气流，在导轨与滑块之间形成气膜。
12.所述上层气浮导轨(12)与下层气浮导轨(11)连接后，导轨(111)中心的导气孔、滑块(112)中心的导气孔，滑块(125)中心的导气孔基本位于同一轴线，管用快速接头(13)连接空压机，高压气体通入气浮导轨(11)内部之后随即进入气浮导轨(12)内部，气体压力可以在导气孔间迅速传递，即所述双自由度气浮导轨(1)可以实现一个固定的进气口同时向上下两个气浮导轨系统供气实现气体润滑，此时，下层导轨(111)静止在光学平板(30)上，滑块(112)～(115)及其上装配的零部件可以相对于导轨(111)做直线运动(x方向)，上层导轨(121)及其上装配的零部件可以相对于滑块(122)～(125)做直线运动(y方向)，所以上层导轨(121)及其上装配的零部件可以相对于光学平板(30)做水平平面(x-y)内的自由运动，所述相对运动的部件之间的阻力在气体润滑作用下可忽略不计。
13.所述气浮轴承(22)有两个，第一个通过气浮轴承架(24)和气浮轴承卡块(25)卡紧后安装在一对悬臂梁(27)之间，第二个以同样的卡装方式安装在光学平板(30)上，一对安装臂(21)从上下两个位置钳住气浮轴承(22)的转子并互相固定，微分头支架(10)与组合后的安装臂(21)连接，微分头支架(10)端部对顶安装两个微分头(9)，调整微分头的长度，使其刚好可以对顶卡紧探头(8)，所述前一个气浮轴承转子轴心与微分头轴心间最短距离为dy
，后一个气浮轴承转子轴心与微分头轴心间最短距离为d
x
，所述气浮轴承(22)通入高压气体时在内部形成气体润滑，内部转子可以极低的摩擦力绕外壳转动，相应的，与转子连接的安装臂(21)、微分头支架(10)亦可以绕外壳转动。
14.所述探头(8)共有两个，其中一个安装在滑块(114)上或者与滑块(114)固接的其他结构上，附图中安装在悬臂梁(27)上，另一个安装在上层导轨(121)上或者与上层导轨(121)固接的其他结构上，附图中安装在工作平板(3)侧面，所述悬臂梁(27)之间安装多个梁间支架(28)以增加悬臂梁刚度；
15.所述力传感器(23)共有3个，前两个力传感器的安装方式相同，均为一端安装在传感器支架(26)上，另一端通过螺柱安装在安装臂(21)外侧，所述两螺柱轴心与气浮轴承转子轴心最短距离分别为d
x
，dy，第三个力传感器一端安装在工作平板(3)上表面上，传感器另一端安装横梁螺柱(20)，横梁螺柱(20)顶在横梁转轴(6)外侧下方，横梁螺柱(20)轴心与横梁转轴(6)轴心的最短距离为dz，所述传感器支架(26)卡装在气浮轴承外轴面上；
16.所述横梁(7)前端和末端均加工通孔，前端的通孔用来安装测试对象或安装便于测试对象装夹的辅助工具，末端通孔安装配重，用来平衡横梁上的力矩，避免横梁(7)下方的力传感器上受力过大超过量程，所述横梁(7)前端安装的测试对象对横梁施加一个空间力f，该空间力f的作用点距离横梁(7)转轴的最短距离为dz。
17.基于上述装置进行空间力精确测量的方法，其过程如下：
18.所述空间力f施加在横梁(7)前端时，可以被分解xyz三个反向，其中x方向的分力f
x
使上层导轨(121)有x方向运动的趋势并产生微小位移，该微小的位移会使连接微分头(9)的微分头支架(10)、安装臂(21)以气浮轴承转子为轴心产生微小偏转，而安装臂(21)另一侧的力传感器(23)因偏转受到拉伸或压缩从而反馈其上受力f
x
的大小，根据杠杆原理，平衡状态下x方向真实的受力f
x
通过如下方法计算：
[0019][0020]
施加f前后x方向真实力值大小的变化为：
[0021][0022]
其中f
x1
和f
x0
分别为施加f前后x方向真实的受力大小，其值通过施加f前后力传感器读数f
x1
和f
x0
计算；
[0023]
同理，y和z方向力值变化的大小为δfy和δfz，
[0024]
故合力大小f为：
[0025][0026]
合力与x方向的夹角为：
[0027][0028]
合力与其余方向的夹角同理计算；
[0029]
所述力传感器(23)的分辨率为δ，经杠杆放大后测量装置在x方向的力值分辨率为：
[0030][0031]
y，z两方向的分辨率换算同理，杠杆作用使测量装置的分辨率较传感器分辨率进一步提高。
[0032]
本发明的有益作用是：1.可以实现微空间力大小与方向的精确测量。同时测准空间力在正交方向分量是一个重要问题，使用传统手段测量时，各正交方向之间往往会相互影响给测量结果引入误差，本发明提出基于双自由度气浮导轨和气浮轴承的测量方法，将一个空间力分解到三个正交的自由度上，且各分解后各分量之间不相互影响，且都可以被单独准确测量，避免了繁琐的标定和解耦过程。
[0033]
2.使用双自由度气浮导轨与气浮轴承测量微空间力，所述气浮导轨由导轨和滑块组成，气浮轴承由中心的转子和外圈的定子组成。气浮导轨通过管用快速接头向导轨与滑块接触的四个面之间的缝隙注入高压气体，可以使缝隙中形成承载能力极强的均匀气膜，气体润滑下导轨与滑块可以认为是无接触的装配，二者的直接接触阻力可以忽略，仅存在气膜形成的气动阻尼力，在低速运动过程中，该阻尼力也可以忽略，气浮轴承同理。故气浮的测力方法可以使内阻将至极低，近似为零，其提供的测量环境非常有利于实现力的高分辨力测量。
[0034]
3.测量过程中，气浮导轨中的气膜和气浮轴承中的气膜均可以一定程度上隔离振动，有利于提高测量装置的精度。
附图说明
[0035]
图1为本发明装置的正等轴测图；
[0036]
图2为本发明装置的主视图；
[0037]
图3为本发明装置的左视图；
[0038]
图4为本发明装置的俯视图；
[0039]
图中，1.双自由度气浮导轨，2.支架，3.工作平板，4.轴承，5.轴承卡块，6.转轴，7.横梁，8.探头，9.微分头，10.微分头支架，20.横梁螺柱，21.安装臂，22.气浮轴承，23.力传感器，24.气浮轴承架，25.气浮轴承卡块，26.传感器支架，27.悬臂梁，28.梁间支架，29.气浮导轨底座30.光学平板。
[0040]
图5为双自由度气浮导轨1的正等轴测图；
[0041]
图6为双自由度气浮导轨1的部分剖视正等轴测图；
[0042]
图7为上层导轨12的1/4剖视正等轴测图；
[0043]
图8为下层导轨11仰视视角下的正等轴测图；
[0044]
图中，11.下层气浮导轨，12.上层气浮导轨，13.管用快速接头，111.下层导轨，112.滑块，113.滑块，114.滑块，115.滑块，121上层导轨，122.滑块，123.滑块，124.滑块，125.滑块。
具体实施方案：
[0045]
本实施例中基于双自由度气浮导轨与气浮轴承的免解耦微空间力精确测量装置，整体尺寸为35cm
×
35cm
×
35cm包括双自由度气浮导轨，尺寸为35cm
×
35cm
×
35cm、支架、工
作平板、轴承、轴承卡块、转轴、横梁、探头、微分头、微分头支架、横梁螺柱、安装臂、气浮轴承、力传感器、气浮轴承架、气浮轴承卡块、传感器支架、悬臂梁、梁间支架、气浮导轨底座、光学平板；
[0046]
气浮导轨通过气浮导轨底座安装在光学平板上，气浮导轨顶部依次安装支架和工作平板，工作平板上可以卡装一对轴承，通过轴承卡块固定，轴承间穿过转轴，横梁卡装在转轴上，在无约束状态下横梁可以自由转动。
[0047]
双自由度气浮导轨包括下层气浮导轨、上层气浮导、管用快速接头；
[0048]
下层气浮导轨包括下层导轨和与其装配的四个滑块，滑块安装好后内侧形成矩形开口的空腔，下层导轨可以插装在空腔内，所述上层气浮导轨包括上层导轨和与其装配的另四个滑块，同样滑块安装好后内侧形成矩形开口的空腔，上层导轨可以插装在空腔内，所述两导轨与其四周安装的滑块之间的距离约为100μm。
[0049]
下层导轨上滑块上表面中心位置加工一条竖直贯穿的直径为3mm的导气孔，并在上表面处以导气孔为圆心加工两条密封槽，用来在下层气浮导轨与上层气浮导轨安装时填入橡胶垫圈，下层导轨的其余滑块内部均为实心结构，下层导轨内部加工多条直径为3mm的导气孔，以入口位置为起点呈发散状通到上下前后四个面(z轴和y轴所穿过的面)上，每个面上的导气孔出口数量不少于两个，入口位置攻丝并安装管用快速接头，出口位置安装直径为a的节流小孔，除此以外，在下层导轨上表面中心加工一条竖直贯穿导轨的直径为3mm的导气孔。
[0050]
上层气浮导轨的滑块内部加工直径为3mm的导气孔，每个滑块内部导气孔的形状呈“井”字形，这些“井”字形导气孔在前述滑块安装好后可以相互连通，每个“井”字形导气孔有四个气孔交点，在交点位置上向导轨一侧开通孔，并在所述通孔末端安装直径为0.16mm的节流小孔，除此以外，上层气浮导轨下滑块下表面中心位置多加工一条联通其内部“井”字形导气孔的直径为3mm的单独导气孔，所述导气孔不贯通滑块，除上述用于安装节流小孔和下滑块滑块中心加工的单独导气孔外，其余由于加工便利性、设计便利性等不得不加工但暴露在大气环境中的导气孔末端均攻丝并安装螺柱堵死，导轨内部掏空用以减重。
[0051]
节流小孔的主要作用是产生压力和流量稳定的气流，在导轨与滑块之间形成气膜。
[0052]
上层气浮导轨与下层气浮导轨连接后，下层导轨中心的导气孔、下层气浮导轨上滑块中心的导气孔和上层气浮导轨下滑块中心的导气孔基本位于同一轴线，管用快速接头连接空压机，高压气体通入气浮导轨内部之后随即进入气浮导轨内部，气体压力可以在导气孔间迅速传递，即所述双自由度气浮导轨可以实现一个固定的进气口同时向上下两个气浮导轨系统供气实现气体润滑，此时，下层导轨静止在光学平板上，下层导轨的滑块及其上装配的零部件可以相对于下层导轨做直线运动(x方向)，上层导轨及其上装配的零部件可以相对于其上滑块做直线运动(y方向)，所以上层导轨及其上装配的零部件可以相对于光学平板做水平平面(x-y)内的自由运动，所述相对运动的部件之间的阻力在气体润滑作用下可忽略不计。
[0053]
气浮轴承有两个，第一个通过气浮轴承架和气浮轴承卡块卡紧后安装在一对悬臂梁之间，第二个以同样的卡装方式安装在光学平板上，一对安装臂从上下两个位置钳住气
浮轴承的转子并互相固定，微分头支架与组合后的安装臂连接，微分头支架端部对顶安装两个微分头，调整微分头的长度，使其刚好可以对顶卡紧探头，前一个气浮轴承转子轴心与微分头轴心间最短距离为dy＝203mm，后一个气浮轴承转子轴心与微分头轴心间最短距离为d
x
＝203mm，气浮轴承通入高压气体时在内部形成气体润滑，内部转子可以极低的摩擦力绕外壳转动，相应的，与转子连接的安装臂、微分头支架亦可以绕外壳转动。
[0054]
所述探头共有两个，其中一个安装下层导轨的侧滑块上或者与侧滑块固接的其他结构上，附图中安装在悬臂梁上，另一个安装在上层导轨上或者与上层导轨固接的其他结构上，附图中安装在工作平板侧面，悬臂梁之间安装多个梁间支架以增加悬臂梁刚度。
[0055]
力传感器共有3个，前两个力传感器的安装方式相同，均为一端安装在传感器支架上，另一端通过螺柱安装在安装臂外侧，所述两螺柱轴心与气浮轴承转子轴心最短距离分别为d
x
＝9mm，dy＝9mm，第三个力传感器一端安装在工作平板上表面上，传感器另一端安装横梁螺柱，横梁螺柱顶在横梁转轴外侧下方，横梁螺柱轴心与横梁转轴轴心的最短距离为dz＝17mm，所述传感器支架卡装在气浮轴承外轴面上；
[0056]
横梁前端和末端均加工通孔，前端的通孔用来安装测试对象或安装便于测试对象装夹的辅助工具，末端通孔安装配重，用来平衡横梁上的力矩，避免横梁下方的力传感器上受力过大超过量。横梁前端安装的测试对象对横梁施加一个空间力f，该空间力f的作用点距离横梁转轴的最短距离为dz＝300mm。
[0057]
空间力f施加在横梁前端时，可以被分解xyz三个反向，其中x方向的分力f
x
使上层导轨有x方向运动的趋势并产生微小位移，该微小的位移会使连接微分头的微分头支架、安装臂以气浮轴承转子为轴心产生微小偏转，而安装臂另一侧的力传感器会因偏转受到拉伸或压缩从而反馈其上受力f
x
的大小，
[0058]
根据杠杆原理，平衡状态下x方向真实的受力f
x
可以通过如下方法计算：
[0059][0060][0061][0062]
施加f前后x方向真实力值大小的变化为：
[0063][0064]
其中f
x1
和f
x0
分别为施加f前后x方向真实的受力大小，其值可通过施加f前后力传感器读数f
x1
和f
x0
计算，同理，y和z方向力值变化的大小为δfy和δfz，
[0065]
故合力大小f为：
[0066][0067]
合力与x方向的夹角为：
[0068]
[0069]
合力与其余方向的夹角同理计算；
[0070]
所述力传感器(23)的分辨率为δ，经杠杆放大后测量装置在x方向的力值分辨率为：
[0071][0072]
本发明中使用的商业传感器的分辨率为δ＝0.002n,经过杠杆放大本发明在x方向的分辨率为δ
mx
＝0.000088n。
[0073]
y，z两方向的分辨率换算同理，杠杆作用使测量装置的分辨率较传感器分辨率进一步提高。

技术特征：

1.一种基于双自由度气浮导轨与气浮轴承的免解耦微空间力精确测量装置，其特征在于，包括双自由度气浮导轨(1)、支架(2)、工作平板(3)、轴承(4)、轴承卡块(5)、转轴(6)、横梁(7)、探头(8)、微分头(9)、微分头支架(10)、横梁螺柱(20)、安装臂(21)、气浮轴承(22)、力传感器(23)、气浮轴承架(24)、气浮轴承卡块(25)、传感器支架(26)、悬臂梁(27)、梁间支架(28)、气浮导轨底座(29)、光学平板(30)；所述双自由度气浮导轨(1)通过气浮导轨底座(29)安装在光学平板(30)上，气浮导轨(1)顶部依次安装支架(2)和工作平板(3)，工作平板(3)上卡装一对轴承(4)，通过轴承卡块(5)固定，轴承间穿过转轴(6)，横梁(7)卡装在转轴上，在无约束状态下横梁(7)可以自由转动；所述双自由度气浮导轨(1)包括下层气浮导轨(11)、上层气浮导轨(12)、管用快速接头(13)；所述下层气浮导轨(11)包括导轨(111)，滑块(112)、滑块(113)、滑块(114)、滑块(115)，滑块(112)～(115)安装好后内侧形成矩形开口的空腔，导轨(111)插装在空腔内，所述上层气浮导轨(12)包括导轨(121)，滑块(122)、滑块(123)、滑块(124)、滑块(125)，滑块(122)～(125)安装好后内侧形成矩形开口的空腔，导轨(121)插装在空腔内，所述导轨(111)与导轨(121)与其四周安装的滑块之间的距离约为50-100μm；滑块(112)上表面中心(116)位置加工一条竖直贯穿的直径为d＝2～4mm的导气孔，并在上表面(117)处以导气孔为圆心加工两条密封槽，用来在下层气浮导轨(11)与上层气浮导轨(12)安装时填入橡胶垫圈，滑块(113)～(115)内部均为实心结构，导轨(111)内部加工多条直径为d＝2～4mm的导气孔，以入口位置为起点呈发散状通到上下前后四个面(z轴和y轴所穿过的面)上，每个面上的导气孔出口数量不少于两个，所述入口位置攻丝并安装管用快速接头(13)，所述出口位置安装直径为a＝0.1～0.2mm的节流小孔，除此以外，在导轨(111)上表面中心加工一条竖直贯穿导轨的直径为d＝2～4mm的导气孔；滑块(122)～(125)内部加工直径为d的导气孔，每个滑块内部导气孔的形状呈“井”字形，这些“井”字形导气孔在滑块(122)～(125)安装好后可以相互连通，每个“井”字形导气孔有四个气孔交点，在交点(126等)位置上向导轨(121)一侧开直径为d＝2～4mm通孔，并在所述通孔末端安装直径为a＝0.1～0.2mm的节流小孔，除此以外，滑块(125)下表面中心(127)位置多加工一条联通其内部“井”字形导气孔的直径为d＝2～4mm的单独导气孔，所述导气孔不贯通滑块，除上述用于安装节流小孔和滑块(125)中心加工的单独导气孔外，其余由于加工便利性、设计便利性等不得不加工但暴露在大气环境中的导气孔末端(128等)均攻丝并安装螺柱堵死，导轨(121)内部掏空用以减重，作为本领域科研人员应当知晓，所述导轨(111)中呈发散状的导气孔或滑块(122)～(125)中呈“井”字形的导气孔，其目的是为了让导气孔分布并延展到合理的位置，不能作为限制本发明的依据：；所述节流小孔的主要作用是产生压力和流量稳定的气流，在导轨与滑块之间形成气膜；所述上层气浮导轨(12)与下层气浮导轨(11)连接后，导轨(111)中心的导气孔、滑块(112)中心的导气孔，滑块(125)中心的导气孔基本位于同一轴线，管用快速接头(13)连接空压机，高压气体通入气浮导轨(11)内部之后随即进入气浮导轨(12)内部，气体压力可以在导气孔间迅速传递，即所述双自由度气浮导轨(1)可以实现一个固定的进气口同时向上
下两个气浮导轨系统供气实现气体润滑，此时，下层导轨(111)静止在光学平板(30)上，滑块(112)～(115)及其上装配的零部件可以相对于导轨(111)做直线运动(x方向)，上层导轨(121)及其上装配的零部件可以相对于滑块(122)～(125)做直线运动(y方向)，所以上层导轨(121)及其上装配的零部件可以相对于光学平板(30)做水平平面(x-y)内的自由运动，所述相对运动的部件之间的阻力在气体润滑作用下可忽略不计；所述气浮轴承(22)有两个，第一个通过气浮轴承架(24)和气浮轴承卡块(25)卡紧后安装在一对悬臂梁(27)之间，第二个以同样的卡装方式安装在光学平板(30)上，一对安装臂(21)从上下两个位置钳住气浮轴承(22)的转子并互相固定，微分头支架(10)与组合后的安装臂(21)连接，微分头支架(10)端部对顶安装两个微分头(9)，调整微分头的长度，使其刚好可以对顶卡紧探头(8)，所述前一个气浮轴承转子轴心与微分头轴心间最短距离为d
y
，后一个气浮轴承转子轴心与微分头轴心间最短距离为d
x
，所述气浮轴承(22)通入高压气体时在内部形成气体润滑，内部转子可以极低的摩擦力绕外壳转动，相应的，与转子连接的安装臂(21)、微分头支架(10)亦可以绕外壳转动；所述探头(8)共有两个，其中一个安装在滑块(114)上或者与滑块(114)固接的其他结构上，附图中安装在悬臂梁(27)上，另一个安装在上层导轨(121)上或者与上层导轨(121)固接的其他结构上，附图中安装在工作平板(3)侧面，所述悬臂梁(27)之间安装多个梁间支架(28)以增加悬臂梁刚度；所述力传感器(23)共有3个，前两个力传感器的安装方式相同，均为一端安装在传感器支架(26)上，另一端通过螺柱安装在安装臂(21)外侧，所述两螺柱轴心与气浮轴承转子轴心最短距离分别为d
x
，d
y
，第三个力传感器一端安装在工作平板(3)上表面上，传感器另一端安装横梁螺柱(20)，横梁螺柱(20)顶在横梁转轴(6)外侧下方，横梁螺柱(20)轴心与横梁转轴(6)轴心的最短距离为d
z
，所述传感器支架(26)卡装在气浮轴承外轴面上；所述横梁(7)前端和末端均加工通孔，前端的通孔用来安装测试对象或安装便于测试对象装夹的辅助工具，末端通孔安装配重，用来平衡横梁上的力矩，避免横梁(7)下方的力传感器上受力过大超过量程，所述横梁(7)前端安装的测试对象对横梁施加一个空间力f，该空间力f的作用点距离横梁(7)转轴的最短距离为d
z
。2.基于如权利要求1所述装置进行空间力精确测量的方法，其特征在于，过程如下：所述空间力f施加在横梁(7)前端时，可以被分解xyz三个反向，其中x方向的分力f
x
使上层导轨(121)有x方向运动的趋势并产生微小位移，该微小的位移会使连接微分头(9)的微分头支架(10)、安装臂(21)以气浮轴承转子为轴心产生微小偏转，而安装臂(21)另一侧的力传感器(23)因偏转受到拉伸或压缩从而反馈其上受力f
x
的大小，根据杠杆原理，平衡状态下x方向真实的受力f
x
通过如下方法计算：施加f前后x方向真实力值大小的变化为：其中f
x1
和f
x0
分别为施加f前后x方向真实的受力大小，其值通过施加f前后力传感器读数f
x1
和f
x0
计算；
同理，y和z方向力值变化的大小为δf
y
和δf
z
，故合力大小f为：合力与x方向的夹角为：合力与其余方向的夹角同理计算。

技术总结

本发明属于力值测量领域，具体是一种基于双自由度气浮导轨与气浮轴承的免解耦微空间力精确测量装置和测量方法。该装置使用双自由度气浮导轨与气浮轴承测量微空间力，所述气浮导轨由导轨和滑块组成，气浮轴承由中心的转子和外圈的定子组成。气浮导轨通过管用快速接头向导轨与滑块接触的四个面之间的缝隙注入高压气体，可以使缝隙中形成承载能力极强的均匀气膜，气体润滑下导轨与滑块可以认为是无接触的装配，气浮轴承同理。故气浮的测力方法可以使内阻将至极低，近似为零，其提供的测量环境非常有利于实现力的高分辨力测量。测量过程中，气浮导轨中的气膜和气浮轴承中的气膜均可以一定程度上隔离振动，有利于提高测量装置的精度。精度。精度。