CN101710016B - 光电式双刀口支承静平衡测量仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

光电式双刀口支承静平衡测量仪及测量方法，涉及一体化的静平衡测量技术领域，克服了现有技术的静平衡测量方法测量精度低、操作不便和难以实现自动化的缺陷，包括三个升降机构、三个支柱、底座、外刀承座、一对内刀承座、一对粗刀口、一对细刀口、支承、托架体、测量反射镜和光电准直光管，将被测转子放置在托架体的支承上，利用光电准直光管接收到的测量反射镜的发射光，对被测转子的质量不平衡量进行粗测；再对被测转子的质量不平衡量进行精测。本发明是一种非接触的光电测量技术，测量精度高、测量范围较大、使用安全可靠、操作方便、使用寿命长、智能化水平高，有利于提高测量自动化水平，适用于对转子不平衡量进行测量和校正的各领域。

Description

光电式双刀口支承静平衡测量仪及测量方法

技术领域

本发明涉及静平衡测量技术领域，具体涉及旋转机械与光电技术结合的静平衡测量领域。

背景技术

旋转机械广泛应用于电力、石化、冶金、航空、航天、机械制造等领域，他们大部分属动机械，又属于工厂中的关键设备。大量的工程实践表明，旋转机械设备的过大振动将导致严重后果，会产生噪声，降低工作效率，引起配合松动和元件断裂，从而导致事故发生。

转子的不平衡是旋转机械的主要激振源，也是许多种自激振动的触发因素，因此，研究转子的不平衡问题，已经成为消除旋转机械振动问题的重要手段。转子的不平衡可分为两类，静不平衡和动不平衡。转子的不平衡是因为其质心位置不在回转轴上，且不平衡现象在转子静止时就能显示出来，称为静不平衡，其平衡条件为：不平衡惯性力的矢量和为0。若转子的不平衡除了存在静不平衡外，还存在力偶的不平衡，则为动不平衡。

通常，平衡测量仪是将转子的不平衡力矩用感应元件转化为电信号输出，并经处理后显示出不平衡量的大小和位置。一般而言，对转子的平衡化处理包括不平衡量的测量和校正两个步骤，平衡机主要用于不平衡的测量，而不平衡量的校正则要借助于钻床、铣床和点焊机等完成。

目前对于高精度转子的主要测试手段为刀口式静平衡测量法。刀口式静平衡测量仪由机械敏感部分和电气测量显示部分组成。被测转子安装在可活动的框架中，支撑于测量仪的玛瑙刀承座上，被测转子的不平衡质量所形成的不平衡力矩带动框架一起偏转。通过传感器测出框架上的偏转角度，并转化成电信号输出，经处理显示不平衡量的大小和方向，以此来修正被测转子的不平衡质量，使其达到所要求的静平衡精度。但是现有的静平衡测量仪存在测量精度低、测量范围小、自动化程度低、效率低下和使用寿命短的问题。

发明内容

本发明克服了现有刀口式的静平衡测量方法测量精度低、测量范围小、自动化程度低、效率低下和使用寿命短的问题，提出一种光电式双刀口支承静平衡测量仪及测量方法。

光电式双刀口支承静平衡测量仪，它包括第一升降机构、第二升降机构、第三升降机构、第一支柱、第二支柱、第三支柱、底座、一对外刀承座、一对内刀承座、一对粗刀口、一对细刀口、支承、托架体、测量反射镜和光电准直光管，所述第一支柱、第二支柱和第三支柱分别设置在第一升降机构、第二升降机构和第三升降机构上，第一支柱和第三支柱左右对称支承在托架体的下端，第二支柱支承在所述一对外刀承座之间的中心的下端，所述一对内刀承座左右对称的设置在底座上，所述一对细刀口和一对粗刀口左右对称固定在托架体的下表面，并且一对细刀口正下方为一对内刀承座，一对粗刀口的正下方为一对外刀承座，一对粗刀口和一对细刀口的刀刃线与支承的中心线共线，所述测量反射镜垂直于托架体的上表面，并且测量反射镜在支承的中心线所在的竖直面内，所述光电准直光管由光源、聚光镜、分划板、分光镜、物镜和线阵CCD组成，所述的光源、聚光镜、分划板、分光镜和物镜共轴且依次从左至右排列，分划板放置在光源经聚光镜的物点上，线阵CCD设置在分光镜的正下方物镜的焦平面上，使经分光镜反射的光聚焦于线阵CCD的表面，光电准直光管出射光水平并能够射到测量反射镜上，线阵CCD的信号输出端与计算机的输入端口连接；

所述光电式双刀口支承静平衡测量仪还包括标定架、第一平衡块和第二平衡块，所述两个平衡块对称的设置在托架体的左右两端，所述标定架设置在托架体的上表面。

利用上述光电式双刀口支承静平衡测量仪的测量方法的具体步骤如下：

步骤A、在放置被测转子之前，通过两个平衡块的作用将托体架的重心位置调整到托体架的中心位置；而标定架用于建立静不平衡量与托架体偏转角度之间的关系；

将被测转子的轴颈放置在托架体的支承上，一对粗刀口支承在外刀承座上，被测转子的质量不平衡引起托架体绕粗刀口的刀刃线偏摆，光电准直光管通过接收来自测量反射镜的发射光，对被测转子的质量不平衡量进行粗测；

步骤B、在第二升降机构的作用下，第二支柱与外刀承座一同下降，外刀承座与一对粗刀口脱离，一对细刀口与内刀承座接触，被测转子的质量不平衡引起托架体绕细刀口的刀刃线偏摆，光电准直光管通过接收来自测量反射镜的发射光，对被测转子的质量不平衡量进行精测。

本发明的光电式双刀口支承静平衡测量仪，在不平衡量较大时用刀口半径较大的粗刀口支承；当平衡到一定精度范围时切换到精刀口支承，提高了测量灵敏度和测量精度。本发明利用粗刀口支承刀口的较大接触面积，既扩大了量程，又减少了刀口的磨损，延长了测量仪的使用寿命；利用细刀口支承保证静平衡测量仪具有较高的精度和灵敏度，本发明是一种非接触的光电测量技术，测量精度高、测量范围较大、使用安全可靠、操作方便、使用寿命长、智能化水平高，有利于提高测量自动化水平，适用于对转子不平衡量进行测量和校正的各领域。

附图说明

图1为光电式双刀口支承静平衡测量仪结构示意图。图2为光电式双刀口支承静平衡测量仪的A向结构示意图。图3为光电式双刀口支承静平衡测量仪的B-B向剖面图。图4为光电式双刀口支承静平衡测量仪的C-C向剖面图。图5为粗刀口7和细刀口8的局部放大图。图6为光电准直光管14的内部结构示意图。图7为V形支承的结构示意图。图8为平面支承的结构示意图。图9为锥形支承的结构示意图。图10起升组件15与支柱的连接结构示意图。图11为图10的俯视图。图12为线阵CCD14-6输出信号示意图。图13为静平衡测量原理图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2、图3、图4和图5说明本实施方式，光电式双刀口支承静平衡测量仪，它包括第一升降机构1-1、第二升降机构1-2、第三升降机构1-3、第一支柱2-1、第二支柱2-2、第三支柱2-3、底座3、一对外刀承座4、一对内刀承座5、一对粗刀口7、一对细刀口8、支承10、托架体12、测量反射镜13和光电准直光管14，所述第一支柱2-1、第二支柱2-2和第三支柱2-3分别设置在第一升降机构1-1、第二升降机构1-2和第三升降机构1-3上，第一支柱2-1和第三支柱2-3左右对称支承在托架体12的下端，第二支柱2-2支承在外刀承座4中心的下端，所述一对内刀承座5左右对称的设置在底座3上，所述一对细刀口8和一对粗刀口7左右对称固定在托架体12的下表面，并且一对细刀口8正下方为一对内刀承座5，一对粗刀口7的正下方为一对外刀承座4，一对粗刀口7和一对细刀口8的刀刃线与支承10的中心线共线，所述测量反射镜13垂直于托架体12的上表面，并且测量反射镜13在支承10的中心线所在的竖直面内，所述光电准直光管14由光源14-1、聚光镜14-2、分划板14-3、分光镜14-4、物镜14-5和线阵CCD14-6组成，所述的光源14-1、聚光镜14-2、分划板14-3、分光镜14-4和物镜14-5共轴且依次从左至右排列，分划板14-3放置在光源经聚光镜14-2的物点上，线阵CCD14-6设置在分光镜14-4的正下方物镜14-5的焦平面上，使经分光镜14-4反射的光聚焦于线阵CCD14-6的表面，光电准直光管14出射光水平并能够射到测量反射镜13上，线阵CCD14-6的信号输出端与计算机16的输入端口连接。

具体实施方式二：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一的不同之处在于光电式双刀口支承静平衡测量仪还包括标定架9、第一平衡块6-1和第二平衡块6-2，所述两个平衡块对称的设置在托架体12的左右两端，所述标定架9设置在托架体12的上表面。

在放置被测转子11之前，托体架12需要重心调整，两个平衡块的作用将托体架12的重心位置调整到托体架12的中心位置。

标定架9的作用是建立静不平衡量与托架体12偏转角度之间的关系。

具体实施方式三：结合图7、图8、图9、图10和图11说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一或二的不同之处在于光电式双刀口支承静平衡测量仪还包括三个起升组件15，每个所述起升组件15由支板15-2和三个支承15-1组成，三个起升组件15分别设置在第一支柱2-1上端、第二支柱2-2上端和第三支柱2-3上端，所述三个支承15-1两两间等距离设置在支板15-2上，三个支承15-1分别为V形支承、平面支承和锥形支承，托架体12与V形支承或锥形支承接触的部分设置相应的V形凸起或锥形凸起，使起升组件15和托架体12能够紧密结合。

起升组件15是托架体12的稳定装置，在托架体12的下方，以保证托架体12在升降过程中，运行平稳，无摆动。

设计结构采用V形支承、平面支承和锥形支承三种支承，它们可以限制自由度，起到定位的作用。

三种支承分别起到不同的作用：V形支承限制托架体12只能沿V形槽移动，以保证托架体12在竖直方向上的位置不变；锥形支承限制托架体12只能作旋转运动而不能平移；平面支承用做其余两个支承的水平基准，调整支柱高度，使整个托架体12水平，以保证托架体12在水平方向上位置不变。这样当三种支承共同作用时，对自由度进行了限制，托架体12既不能旋转，也不能平移，在进行升降运动后，避免了前后左右摆动，保证了起升后位置的准确定位，起到稳定托架体12的作用，另一方面也使三支柱受力均匀。

这样当三种支承共同作用时，托架体12既不能旋转，也不能平移，只能进行升降运动，也不会前后左右摆动，起到稳定托架体12的作用。

具体实施方式四：结合图5说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一、二或三的不同之处在于粗刀口7的刀刃曲率半径为30～50μm，细刀口8的刀刃曲率半径为2～3μm。

具体实施方式五：利用上述光电式双刀口支承静平衡测量仪的测量方法的具体步骤如下：

步骤A、将被测转子11的轴颈放置在托架体12的支承10上，一对粗刀口7支承在外刀承座4上，被测转子11的质量不平衡引起托架体12绕粗刀口7的刀刃线偏摆，光电准直光管14通过接收来自测量反射镜13的发射光，对被测转子11的质量不平衡量进行粗测；

步骤B、在升降机构1-2的作用下，支柱2-2与外刀承座4一同下降，外刀承座4与一对粗刀口7脱离，一对细刀口7与内刀承座4接触，被测转子11的质量不平衡引起托架体12绕细刀口8的刀刃线偏摆，光电准直光管14通过接收来自测量反射镜13的发射光，对被测转子11的质量不平衡量进行精测。

具体实施方式六：结合图12和图13说明本实施方式，本实施方式是对步骤A和步骤B中利用光电准直光管14测量被测转子11的质量不平衡量的近一步说明：

步骤a、将标准转子11放置在支承10上，分划板14-3成像落在线阵CCD14-6上，线阵CCD14-6的读数为x₀；

步骤b、将被测转子11以一定角度放置在支承10上，分划板14-3成像落在线阵CCD14-6上，线阵CCD14-6的读数为x₁；

步骤c、利用步骤a和步骤b的读数计算测量反射镜13的转角α₁

${\mathrm{\α}}_1={\tan }^{-1}\frac{x_1-x_0}{2f},$

其中f为物镜14-5的焦距；

步骤d、由步骤c获得的测量反射镜13的转角α₁，根据关系式M₁＝k·α₁，计算被测转子11的不平衡力矩M₁，其中k是灵敏度系数，可用校正的方法求出；

步骤e、将被测转子11旋转180度，分划板14-3成像落在线阵CCD14-6上，线阵CCD14-6的读数为x₂；

步骤f、利用步骤a和步骤e的读数计算测量反射镜13的转角α₂

${\mathrm{\α}}_2={\tan }^{-1}\frac{x_2-x_0}{2f},$

其中f为物镜14-5的焦距；

步骤g、由步骤f获得的测量反射镜13的转角α₂，根据关系式M₂＝k·α₂，计算被测转子11的不平衡力矩M₂；

步骤h、由步骤d和步骤g获得的不平衡力矩M₁和M₂计算被测转子11的重心到支承10中心线的距离Δ₁，即偏心距离：根据静平衡测量原理计算被测转子11在原始位置和旋转180°时的不平衡力矩M₁和M₂：

$\left\{\begin{array}{c}{M}_1=P({\mathrm{\Δ}}_1-l_1)=P{\mathrm{\Δ}}_1-P{l}_1\\ M_2=-P({\mathrm{\Δ}}_1+l_1)=-P{\mathrm{\Δ}}_1-P{l}_1\end{array}\right.$

对上述方程组进行求解：

${\mathrm{\Δ}}_1=\frac{M_1-M_2}{2P}$

步骤i、将被测转子11旋转角度β，返回执行步骤B-H，直至实现对被测转子不同方位测量。

图13中A为支承10的中心线位置，即为被测转子11中心线位置，B为被测转子11以一定角度放置时重心的位置，B’为被测转子11在旋转180度后重心的位置，O为粗刀口7或细刀口8的刀刃线位置，1₁为支承10中心线与粗刀口7或细刀口8刀刃线的偏移距离，Δ₁为被测转子11的重心到支承10中心线的距离，P为被测转子的重量。

可以看出求解出的Δ₁不含有1₁，所以采用本发明的方法测量被测转子11的重心到支承10中心线的距离Δ₁为可以消除支承10中心线与粗刀口7或细刀口8刀刃线不共线带来的影响。

采用多个位置(例如0°，45°，90°，135°)测量的目的是通过数据处理准确找出偏心距离Δ₁，仅采用转动测量(被测转子11转动180°)是为了消除安装时，被测转子11轴线与粗刀口7或细刀口8的刀刃不共线带来的误差。

本发明的对静平衡测量的精度可达到±0.4mg·cm，测量范围可达200mg·cm。刀口使用寿命长，有利于提高检测效率，使用安全可靠，智能化水平高。

Claims (5)

1.光电式双刀口支承静平衡测量仪，其特征在于它包括第一升降机构(1-1)、第二升降机构(1-2)、第三升降机构(1-3)、第一支柱(2-1)、第二支柱(2-2)、第三支柱(2-3)、底座(3)、一对外刀承座(4)、一对内刀承座(5)、一对粗刀口(7)、一对细刀口(8)、支承(10)、托架体(12)、测量反射镜(13)和光电准直光管(14)，所述第一支柱(2-1)、第二支柱(2-2)和第三支柱(2-3)分别设置在第一升降机构(1-1)、第二升降机构(1-2)和第三升降机构(1-3)上，第一支柱(2-1)和第三支柱(2-3)左右对称支承在托架体(12)的下端，第二支柱(2-2)支承在所述一对外刀承座(4)之间的中心的下端，所述一对内刀承座(5)左右对称的设置在底座(3)上，所述一对细刀口(8)和一对粗刀口(7)左右对称固定在托架体(12)的下表面，并且一对细刀口(8)正下方为一对内刀承座(5)，一对粗刀口(7)的正下方为一对外刀承座(4)，一对粗刀口(7)和一对细刀口(8)的刀刃线与支承(10)的中心线共线，所述测量反射镜(13)垂直于托架体(12)的上表面，并且测量反射镜(13)在支承(10)的中心线所在的竖直面内，所述光电准直光管(14)由光源(14-1)、聚光镜(14-2)、分划板(14-3)、分光镜(14-4)、物镜(14-5)和线阵CCD(14-6)组成，所述的光源(14-1)、聚光镜(14-2)、分划板(14-3)、分光镜(14-4)和物镜(14-5)共轴且依次从左至右排列，分划板(14-3)放置在光源经聚光镜(14-2)的物点上，线阵CCD(14-6)设置在分光镜(14-4)的正下方物镜(14-5)的焦平面上，使经分光镜(14-4)反射的光聚焦于线阵CCD(14-6)的表面，光电准直光管(14)出射光水平并能够射到测量反射镜(13)上，线阵CCD(14-6)的信号输出端与计算机(16)的输入端口连接；

所述光电式双刀口支承静平衡测量仪还包括标定架(9)、第一平衡块(6-1)和第二平衡块(6-2)，所述两个平衡块对称的设置在托架体(12)的左右两端，所述标定架(9)设置在托架体(12)的上表面。

2.根据权利要求1所述的光电式双刀口支承静平衡测量仪，其特征在于光电式双刀口支承静平衡测量仪还包括三个起升组件(15)，每个所述起升组件(15)由支板(15-2)和三个支承(15-1)组成，三个起升组件(15)分别设置在第一支柱(2-1)上端、第二支柱(2-2)上端和第三支柱(2-3)上端，所述三个支承(15-1)两两间等距离设置在支板(15-2)上，三个支承(15-1)分别为V形支承、平面支承和锥形支承，托架体(12)与V形支承或锥形支承接触的部分设置相应的V形凸起或锥形凸起，使起升组件(15)和托架体(12)能够紧密结合。

3.根据权利要求1所述的光电式双刀口支承静平衡测量仪，其特征在于粗刀口(7)的刀刃曲率半径为30～50μm，细刀口(8)的刀刃曲率半径为2～3μm。

4.利用权利要求1所述的光电式双刀口支承静平衡测量仪的测量方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤A、在放置被测转子(11)之前，通过两个平衡块的作用将托体架(12)的重心位置调整到托体架(12)的中心位置；而标定架(9)用于建立静不平衡量与托架体(12)偏转角度之间的关系；

将被测转子(11)的轴颈放置在托架体(12)的支承(10)上，一对粗刀口(7)支承在外刀承座(4)上，被测转子(11)的质量不平衡引起托架体(12)绕粗刀口(7)的刀刃线偏摆，光电准直光管(14)通过接收来自测量反射镜(13)的发射光，对被测转子(11)的质量不平衡量进行粗测；

步骤B、在第二升降机构(1-2)的作用下，第二支柱(2-2)与外刀承座(4)一同下降，外刀承座(4)与一对粗刀口(7)脱离，一对细刀口(7)与内刀承座(4)接触，被测转子(11)的质量不平衡引起托架体(12)绕细刀口(8)的刀刃线偏摆，光电准直光管(14)通过接收来自测量反射镜(13)的发射光，对被测转子(11)的质量不平衡量进行精测。

5.根据权利要求4所述的光电式双刀口支承静平衡测量仪的测量方法，其特征在于步骤A和步骤B中利用光电准直光管(14)测量被测转子(11)的质量不平衡量的具体步骤如下：

步骤a、将标准转子(11)放置在支承(10)上，分划板(14-3)成像落在线阵CCD(14-6)上，线阵CCD(14-6)的读数为x₀；

步骤b、将被测转子(11)以一定角度放置在支承(10)上，分划板(14-3)成像落在线阵CCD(14-6)上，线阵CCD(14-6)的读数为x₁；

步骤c、利用步骤a和步骤b的读数计算测量反射镜(13)的转角α₁

${\mathrm{\α}}_1={\tan }^{-1}\frac{x_1-x_0}{2f},$

其中f为物镜(14-5)的焦距；

步骤d、由步骤c获得的测量反射镜(13)的转角α₁，根据关系式M₁＝k·α₁，计算被测转子(11)的不平衡力矩(M₁)，其中k是灵敏度系数，可用校正的方法求出；

步骤e、将被测转子(11)旋转180度，分划板(14-3)成像落在线阵CCD(14-6)上，线阵CCD(14-6)的读数为x₂；

步骤f、利用步骤a和步骤e的读数计算测量反射镜13的转角α₂

${\mathrm{\α}}_2={\tan }^{-1}\frac{x_2-x_0}{2f},$

其中f为物镜(14-5)的焦距；

步骤g、由步骤f获得的测量反射镜(13)的转角α₂，根据关系式M₂＝k·α₂，计算被测转子(11)的不平衡力矩M₂；

步骤h、由步骤d和步骤g获得的不平衡力矩M₁和M₂计算被测转子(11)的重心到支承(10)中心线的距离Δ₁，即偏心距离：根据静平衡测量原理计算被测转子(11)在原始位置和旋转180°时的不平衡力矩M₁和M₂：

$\left\{\begin{array}{c}{M}_1=P({\mathrm{\Δ}}_1-l_1)=P{\mathrm{\Δ}}_1-P{l}_1\\ M_2=-P({\mathrm{\Δ}}_1+l_1)=-P{\mathrm{\Δ}}_1-P{l}_1\end{array}\right.$

对上述方程组进行求解：

${\mathrm{\Δ}}_1=\frac{M_1-M_2}{2P}$

其中l₁为支承(10)中心线与粗刀口(7)或细刀口(8)刀刃线的偏移距离，Δ₁为被测转子(11)的重心到支承(10)中心线的距离，P为被测转子的重量；

步骤i、将被测转子(11)旋转角度β，返回执行步骤B-H，直至实现对被测转子不同方位测量。

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