CN101639395B - 一种改进的高速主轴全息动平衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进的高速主轴全息动平衡方法。其特征是将三点法误差分离技术与全息谱相结合，通过三点法误差分离技术对振动信号进行圆度误差分离，通过全息谱动平衡理论对主轴实际轴心轨迹进行动平衡识别，有效排除了平衡过程中被测截面圆度误差对失衡量计算带来的干扰，提高了平衡的精度和效率。相比于传统的“转子全息动平衡方法”，本发明能够用于表面存在圆度误差，运行速度存在波动的主轴故障的定性分离、不平衡故障的识别、主轴不平衡量的衡量与估计以及配重方案的制定，对提高现场故障排查的效率、减少反复平衡操作的盲目性等有极高的应用价值。

Description

一种改进的高速主轴全息动平衡方法

技术领域

本发明涉及旋转机械故障诊断与控制方法，特别涉及一种基于三点法误差分离技术的全息动平衡方法，该方法能够用于表面存在圆度误差，运行速度存在波动的主轴故障的定性分离、不平衡故障的识别、主轴不平衡量的衡量与估计以及配重方案的制定。

背景技术

“转子全息动平衡方法”(中国发明专利ZL97108694.X)公开了一种利用全息谱信息融合的原理，采用旋转机械振动信号对转子进行运行状态监测诊断的方法，该方法是基于测量面截面形状是理想圆这一假设条件，主轴的测量截面一方面匀速自转，另一方面中心沿着振动轨迹运动，截面中心绕轨迹运动一周，转子截面也自转了360°。相对于某一传感器来说，测量截面上的各点依次通过传感器，当测量截面是理想的圆时，传感器的输出信号就是测量截面中心点的信号。

目前“转子全息动平衡方法”技术在汽轮机、离心式压缩机、燃气轮机、风机等大型旋转机械故障监测领域得到广泛应用，对于这一类设备，其转子的轴心轨迹远远大于被测截面圆度误差，可以将被测截面假设为理想圆。而在高精密加工领域中，作为工作母机的数控机床主轴转子轴心轨迹通常与圆度误差处于同一个量级，在某些场合，甚至比圆度误差还要小得多。因此，如果采用传统的全息动平衡方法对高速主轴系统进行监测，由于测量面上存在不可忽略的圆度误差，由该误差引起的虚假信号会叠加到转子的真实振动信号上，严重时会引起监测中的虚警或导致错误的诊断结论。

误差分离技术经过多年的发展，已有多种基于误差分离技术的圆度测量模型和分离算法，其中三点法误差分离技术具有安装方便，适合在线测量等优势，其利用被测轮廓不变这一基本特征，采用一定的数学方法和算法将传感器输出的、包含被测工件的圆度误差以及测量机构轴心轨迹的信号予以处理，最终将被测工件的圆度误差和测量机构的轴心轨迹区分开，实现测量机构轴心轨迹的精密测量。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种改进的高速主轴全息动平衡方法，即将基于三点法的误差分离技术与全息谱动平衡技术有效结合，相比较于背景技术的“转子全息动平衡方法”，能剔除主轴被测截面圆度误差导致的干扰，有效提高动平衡分析的精度，以实现旋转机械全息动平衡方法的拓展，扩大应用范围。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种改进的高速主轴全息动平衡方法，其特征在于：包括下述步骤：

步骤一，采集故障高速主轴平衡转速下两个以上测试截面的原始振动信号；

步骤二，根据三点法误差分离法对高速主轴各截面的原始振动信号进行圆度误差分离，得到剔除圆度误差之后的实际轴心轨迹；

步骤三，根据信息融合法，针对步骤二中获取的轴心轨迹的x、y分量得到各测试截面的工频二维全息谱图；判断高速主轴的振动主导故障源是否为不平衡；获得各测试截面的工频椭圆初相矢；

步骤四，根据主轴实际振动情况确定试重添加的大小及相位，然后添加试重并测量主轴加载试重后的振动情况，对所获数据再次按步骤二和步骤三进行处理；

步骤五，根据获得的各测试截面的原始振动信号及试重振动信号，以各截面工频椭圆的初相矢为平衡目标，进行平衡校正计算；

步骤六，根据平衡校正计算得到的结果，在主轴上添加平衡配重，测试配重后的主轴振动情况；对测试所得数据仍按步骤二和步骤三进行处理，记录添加平衡配重后各测试截面振动数据及工频椭圆初相矢；

步骤七，根据步骤六所得各测试截面振动信号，判断平衡操作是否已经将主轴振动降至预期值；如果振动情况降至预期值，平衡操作结束；否则，以步骤六平衡操作后的振动为原始振动，从步骤四开始进行精细平衡，如果主轴振动降至预期值，完成平衡操作。

上述方案中，所述振动信号原始采集及试重、配重测量过程中，在高速主轴两端安排2个测试截面及配重盘，在每个测量截面圆周上安排3个电涡流位移传感器，各传感器测头与x轴的夹角分别为

所述电涡流位移传感器采集的测量信号，通过一个电压信号调理模块调理放大后，输出至一个高速数据采集卡，该高速数据采集卡通过PCI数据总线，将数据传输至工业计算机。在高速主轴其中一个轴承内侧还可安装一个磁栅编码器，磁栅编码器输出零相位信号和与编码器线数对应的圆周正弦波信号，通过一个正弦波调理模块，将正弦波信号转化成方波信号输出，该正弦波调理模块输出的方波信号，输入到一个同步计数卡中，该同步计数卡对圆周方波信号进行倍频或分频，零相位信号通过同步计数卡控制倍频或分频后的圆周方波信号的输出，再触发高速数据采集卡同步采集电涡流位移传感器数据。

本发明的高速主轴全息动平衡方法，具有以下优点：

1.将三点法圆度误差分离技术应用于全息动平衡方法中，有效排除了平衡过程中被测截面圆度误差对失衡量估计带来的干扰，提高全息动平衡方法的精度。

2.基于三点法圆度误差分离技术的全息动平衡方法在高速主轴上的应用，拓展了“转子全息动平衡方法”的应用范围。

3.提出由电涡流位移传感器、磁栅编码器、高速数据采集卡、工业计算机组成的测试系统，可实现间隔精确角度采样，避免了由于主轴转速波动引入的干扰，造成在利用三点法误差分离技术时采样位置重复性不高的问题，提高了三点法的分离精度。

4.提出了一种采用磁栅编码器和同步计数卡控制数据采集时机的采样方式，可在主轴圆周方向上灵活配置采样点数，并将电涡流位移信号与零相位信号精确对应，提高全息动平衡计算中获取的不平衡量相位的精度。

相比于传统的“转子全息动平衡方法”，本发明能够用于表面存在圆度误差，运行速度存在波动的主轴故障的定性分离、不平衡故障的识别、主轴不平衡量的衡量与估计以及配重方案的制定，对提高现场故障排查的效率、减少反复平衡操作的盲目性等有极高的应用价值。

附图说明

图1为本发明方法的步骤流程图。

图2为本发明方法的测试系统结构图。

图3为本发明三点法原理图。

图4为二维全息谱图。

图5为三维全息谱图。

具体实施方式

为了更清楚的理解本发明，以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

图1所示，本发明方法的具体平衡步骤为：

步骤一，采集故障主轴平衡转速下两个测试截面的原始振动信号；

步骤二，根据三点法误差分离技术对主轴两端两个截面的振动信号进行圆度误差分离，得到剔除圆度误差之后的实际轴心轨迹；

步骤三，根据信息融合技术，针对步骤二中获取的轴心轨迹的x、y分量得到各测试截面的工频二维全息谱图；判断主轴的振动主导故障源是否为不平衡；获得各测试截面的工频椭圆初相矢；

步骤四，根据现场条件和主轴实际振动情况确定试重添加的大小及方位，添加试重并测量加载试重后的振动情况，对所获数据再按步骤二和步骤三进行处理；

步骤五，根据获得的两个测试截面的原始振动信号及试重振动信号，以各截面工频椭圆的初相矢为平衡目标，进行平衡校正计算；

步骤六，根据计算得到的校正结果，在主轴上添加平衡配重，测试配重后的主轴振动情况；对振动数据仍按步骤二和步骤三进行处理，记录配重后各测试截面振动数据及工频椭圆初相矢；

步骤七，根据各测试截面振动信号判断平衡操作是否已经将主轴振动降至预期值；如果振动小于等于预期值，平衡操作结束；否则，以上一次平衡操作后的振动为原始振动，从步骤四开始进行精细平衡，如果振动小于等于预期值，即可完成平衡操作。

以下分别对本发明方法中所测试平台搭建、数据采集系统搭建、三点法圆度误差分离处理、全息动平衡处理进行详细描述。

(1)测试平台搭建

如图2、图3所示，测试平台的高速主轴1采用卧式，通过安装法兰安装在主轴定位座上。在高速主轴1其中一个轴承内侧安装磁栅编码器3，在主轴两端安排2个测试截面，每个测量截面圆周上安排3个电涡流位移传感器4，左侧测量截面圆周上安排电涡流位移传感器S1-S3；右侧测量截面圆周上安排电涡流位移传感器S4-S6；位移传感器4通过分度盘安装在工作台上。分度盘是在一个圆截面内加工三个螺纹孔，其与x轴的夹角分别满足

此实验台采用双面平衡的方式，在高速电主轴两端安排2个配重盘2。

(2)数据采集系统搭建

如图2所示，位移传感器4选用米铱Micro-Epsilon电涡流系列精密位移传感器，获取主轴1被测截面径向跳动信息，由一个电压信号调理模块调理放大后，输出至一个研华PCI系列高速数据采集卡，该高速数据采集卡通过PCI数据总线，将数据传输至工业计算机。同时，将磁栅编码器3输出的零相位信号和与编码器线数对应的周期性圆周方波信号输入到一个多功能同步计数卡，零相位信号通过同步计数卡控制倍频或分频后的圆周方波信号的输出，通过该输出信号触发高速数据采集卡完成同步采集操作，将被调理放大后的模拟位移信号转换为数字信号，并传输至工业计算机。结合自主开发的测控软件，进行传感器数据标定、粗大误差处理、数据滤波等前处理操作，减小了由于测试系统设计、硬件性能和环境干扰引入的误差。

(3)三点法圆度误差分离处理

如图3所示，以一个测试截面为例：在高速主轴测试基准圆周上布置i个测头S_i(i＝1，2，3)，各传感器测头与x轴的夹角分别为传感器测头距回转轴心的距离为R_i，测试基准径向圆度误差为r(θ)，轴心轨迹为e(θ)，其在x，y方向的分量分别为e_x(θ)，e_y(θ)。θ为采样点，θ＝2πn/N，(n＝0，1，…，N-1)。

使用三个传感器时(i＝1，2，3)，则各传感器输出可表示为：

构造下列信号组合：

S(θ)＝a₁S₁(θ)+a₂S₂(θ)+a₃S₃(θ)(2)

设

为有效分离出圆度误差，a_i取值如下：

为了计算方便，将S(θ)中的直流分量去除，最后可得到变形之后的组号信号：

对公式(4)两侧做FFT变化，将其从时域变换到频域：

FS(ω)＝FFT[s(θ)]＝R(ω)H(ω)(5)

其中R(ω)为圆度误差函数r(θ)在频域表达式，H(ω)为传递函数，可表达为：

于是，通过IFFT变换，我们可以得到圆度误差r(θ)：

r(θ)＝IFFT[FS(ω)/H(ω)](7)

将公式(7)代入传感器输出信号公式(1)中，可以得到剔除圆度误差的实际轴心轨迹在x，y方向的信号e_x(θ)、e_y(θ)。

三点法误差分离技术能将主轴圆度误差和轴心轨迹有效分离。

(4)全息动平衡处理

对e_x(θ)、e_y(θ)进行FFT变换，将变换后得到的频谱利用内插算法确定各频率分量的精确频率、幅值和相位，最后合成得到一个测量面的二维全息谱，如图4所示。

其转频椭圆运动方程为

$\left\{\begin{array}{c}x=a\×\sin (\mathrm{\ωt}+A)\\ y=b\×\sin (\mathrm{\ωt}+B)\end{array}\right.---\left(9\right)$

或

$\left\{\begin{array}{c}x=\mathrm{sx}\×\sin \mathrm{\ωt}+\mathrm{cx}\×\cos \mathrm{\ωt}\\ y=\mathrm{sy}\×\sin \mathrm{\ωt}+\mathrm{cy}\×\cos \mathrm{\ωt}\end{array}\right.---\left(10\right)$

整个轴系的转频椭圆可以用系数矩阵表示

[sx_i cx_i sy_i cy_i]；i＝1，…，n    (11)

其中：n：测量截面的总数。

将主轴上全部测试截面的转频椭圆串连起来，形成三维全息谱。如图5所示。其基本组成是转频椭圆、转频椭圆上的初相点和连接各个转频椭圆的创成线。由三维全息谱可获得各测试截面的工频椭圆初相矢作为平衡对象。

Claims (2)

1.一种改进的高速主轴全息动平衡方法，其特征在于：包括下述步骤：

步骤一，采集故障高速主轴平衡转速下两个以上测试截面的原始振动信号；

步骤二，根据三点法误差分离法对高速主轴各截面的原始振动信号进行圆度误差分离，得到剔除圆度误差之后的实际轴心轨迹；

步骤三，根据信息融合法，针对步骤二中获取的轴心轨迹的x、y分量得到各测试截面的工频二维全息谱图；判断高速主轴的振动主导故障源是否为不平衡；获得各测试截面的工频椭圆初相矢；

步骤四，根据主轴实际振动情况确定试重添加的大小及相位，然后添加试重并测量主轴加载试重后的振动情况，对所获数据再次按步骤二和步骤三进行处理；

步骤五，根据获得的各测试截面的原始振动信号及试重振动信号，以各截面工频椭圆的初相矢为平衡目标，进行平衡校正计算；

步骤六，根据平衡校正计算得到的结果，在主轴上添加平衡配重，测试配重后的主轴振动情况；对测试所得数据仍按步骤二和步骤三进行处理，记录添加平衡配重后各测试截面振动数据及工频椭圆初相矢；

步骤七，根据步骤六所得各测试截面振动信号，判断平衡操作是否已经将主轴振动降至预期值；如果振动情况降至预期值，平衡操作结束；否则，以步骤六平衡操作后的振动为原始振动，从步骤四开始进行精细平衡，如果主轴振动降至预期值，完成平衡操作；

所述振动信号原始采集及试重、配重测量过程中，在高速主轴两端安排2个测试截面及配重盘，在每个测量截面圆周上安排3个电涡流位移传感器，各传感器测头与x轴的夹角分别为

所述电涡流位移传感器采集的测量信号，通过一个电压信号调理模块调理放大后，输出至一个高速数据采集卡，该高速数据采集卡通过PCI数据总线，将数据传输至工业计算机；

在高速主轴其中一个轴承内侧还安装有一个磁栅编码器，磁栅编码器输出零相位信号和与编码器线数对应的圆周正弦波信号，通过一个正弦波调理模块，将正弦波信号转化成方波信号输出，触发高速数据采集卡同步采集电涡流位移传感器的信号。

2.根据权利要求1所述一种改进的高速主轴全息动平衡方法，其特征在于：所述正弦波调理模块输出的方波信号，输入到一个同步计数卡中，该同步计数卡对圆周方波信号进行倍频或分频，零相位信号通过同步计数卡控制倍频或分频后的圆周方波信号的输出，再触发高速数据采集卡同步采集电涡流位移传感器数据。

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