CN103213033A - 分离主轴回转误差的电跳动在位测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明所设计的一种主轴回转误差的电跳动在位测量装置，在被测回转体外侧设有激光位移传感器、第一电涡流传感器和第二电涡流传感器，第一电涡流传感器、第二电涡流传感器和激光位移传感器设置在同一圆周上，且其所在的圆周与被测回转体同轴，在第二电涡流传感器的轴向位置紧靠设有一个角度传感器，上述所有传感器均与控制模块连接，控制模块将信号输出给采集模块，采集模块再与上机位连接。主轴回转误差的电跳动在位测量方法，通过调节装置使各个传感器处于合适位置；测量时，被测回转体旋转，转速固定不变，在测量软件中设置测量参数，启动传感器开始进行测量及数据采集，计算机对传输进来的数据进行分析处理，最后输出测量处理结果。

Description

分离主轴回转误差的电跳动在位测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及精密在位测量技术领域，尤其是一种分离主轴回转误差的电跳动在位测量装置及测量方法。

背景技术

电跳动（Electrical Runout,ERO）表征精密回转体零件（如透平机、发电机、内燃机、机床主轴等及其它大型转子）材料电磁性质的不均匀性，影响机器的振动及运行可靠性，是转子加工质量的一项重要评价指标。美国石油学会标准API612、API617对电跳动等跳动误差作了明确限制，要求转子综合跳动不超过振动峰峰值的25%或者6.3μ。综合跳动是电跳动与机械跳动的总和，机械跳动反映的是零件的机械加工误差。机械跳动量的测量方法较多，机械跳动误差的控制比较容易。电跳动量的检测主要采用电涡流传感器来进行，需要与机械跳动量配合同步测量，由于机床主轴回转误差的存在，很难达到精密测量的高精度要求。目前，对机床主轴回转误差进行分离，在位测量电跳动、机械跳动等跳动误差尚无十分成熟有效的方法和仪器。

20世纪60年代发展起来的误差分离技术（Error Separation Technique,EST），能够将被测回转体形状误差与机床主轴回转误差分离开。由此可以在不提高测量仪器原制造精度的前提下，大幅度提高测量精度。目前，常用的回转误差分离方法有两点法、三点法、转位法等。在大型轴类零件在位测量的场合，由于结构及安装空间的限制，安装过多探头势必导致安装调整困难。而转位法在实施过程中操作繁琐、测量周期长，还存在谐波抑制等问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术的不足而提供一种精度高，效率高的分离主轴回转误差的电跳动在位测量装置及测量方法。

为了达到上述目的，本发明所设计的分离主轴回转误差的电跳动在位测量装置，它主要包括激光位移传感器、电涡流传感器和角度传感器，在被测回转体外侧设有激光位移传感器、第一电涡流传感器和第二电涡流传感器，激光位移传感器设置在第一电涡流传感器和第二电涡流传感器中间位置，第一电涡流传感器、第二电涡流传感器和激光位移传感器设置在同一圆周上，且第一电涡流传感器、第二电涡流传感器与激光位移传感器所在的圆周与被测回转体同轴，角度传感器与第二电涡流传感器在轴向上紧靠设置。角度传感器、第一电涡流传感器、第二电涡流传感器和激光位移传感器均与控制模块连接，控制模块将信号输出给采集模块，采集模块再与上机位连接。

在与激光位移传感器同一轴向位置设有霍尔传感器，在与霍尔传感器对应位置的被测回转体截面上设有能被霍尔传感器识别的标记磁体。

上述所有的传感器均安装在可沿径向移动和与在测量截面偏转摆动的调节装置上，调节装置设置在测量支架上，调节装置由精密位移台和角位移台组成。

在上述所以传感器的侧边均连接有阻止传感器接触被测回转体表面的保护装置，保护装置为凸起圆形件，并连接在传感器外壳上。

三只位移传感器也可以是一只电涡流位移传感器和二只激光位移传感器组合，即第二电涡流传感器用第二激光位移传感器替代；同时所述的激光位移传感器用压敏位移传感器替代。

分离主轴回转误差的电跳动在位测量方法，测量前，被测回转体停转，安装测量支架，开启设备，通过调节装置使各个传感器处于合适位置；测量时，被测回转体旋转，转速固定不变，在测量软件中设置测量参数，启动传感器开始进行测量及数据采集，激光位移传感器、第一电涡流传感器、第二电涡流传感器、角度传感器采集的模拟信号，经过采集卡进行A/D转换，最后成为数字信号传入上位机，霍尔传感器采集的脉冲信号传送至PLC进行计数处理并传送至上位机，计算机对传输进来的数据进行分析处理，分离机床主轴回转误差，得到电跳动和机械跳动的跳动误差测量结果，最后输出测量处理结果。

本发明所得到的分离主轴回转误差的电跳动在位测量装置及测量方法，其具有以下优点：

1.测量精度高。本发明采用传感器混合法进行了机床主轴回转误差的分离，有效解决了谐波抑制问题，避免了在位测量机床工具本身精度对测量结果的影响。另外，本发明采用的激光位移传感器在测量范围±0.5mm的情况下线性误差可达±0.05%F.S.，因而该传感器测量的机械跳动量的线性误差为±0.5μ。电涡流传感器测得的综合跳动量的线性误差为±1μ。分析计算得出的电跳动量线性误差为±1.1μ，具有很小的系统误差。

2.在位高效测量。本发明的测量支架可以方便地固定在车床刀架上，随刀架进给移动，可以实现方便、高效的在位测量，为加工过程提供有效的指导。

3.柔性高。本发明采用的测量方法可以适用于各种尺寸被测回转体类零件的检测，且测量探头拆装灵活、通用性高，测量方法具有很高的柔性。

附图说明

图1为本发明的测量构架图；

图2为本发明的传感器安装示意图；

图3为本发明的激光位移传感器和霍尔传感器的安装示意图；

图4为本发明的回转误差分离原理图。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图对本发明作进一步的描述。

实施例1：

如图1、图2、图3、图4所示，本实施例描述的分离主轴回转误差的电跳动在位测量装置，它主要包括激光位移传感器2、第一电涡流传感器3、第二电涡流传感器4和角度传感器5，在被测回转体1外侧设有激光位移传感器2、第一电涡流传感器3和第二电涡流传感器4，激光位移传感器2设置在第一电涡流传感器3和第二电涡流传感器4中间位置，第一电涡流传感器3、第二电涡流传感器4和激光位移传感器2设置在同一圆周上，且第一电涡流传感器3、第二电涡流传感器4与激光位移传感器2所在的圆周与被测回转体1同轴，角度传感器5与第二电涡流传感器4在轴向上紧靠布置。角度传感器5、第一电涡流传感器3、第二电涡流传感器4和激光位移传感器2均与控制模块12连接，控制模块12将信号输出给采集模块13，采集模块13再与上机位14连接。

在与激光位移传感器2同一轴向位置设有霍尔传感器6，在与霍尔传感器6对应位置的被测回转体1上设有能被霍尔传感器6识别的标记磁体7。

上述所有的传感器均安装在可沿径向移动和与在测量截面偏转摆动的调节装置11上，调节装置11设置在测量支架10上，调节装置11由精密位移台a和角位移台b组成。

在上述所以传感器的侧边均连接有阻止传感器接触被测回转体1表面的保护装置8，保护装置8为凸起圆形件，并连接在传感器外壳9上。

分离主轴回转误差的电跳动在位测量方法，测量前，被测回转体1停转，安装测量支架10，开启设备，通过调节装置11使各个传感器处于合适位置；测量时，被测回转体1旋转，转速固定不变，在测量软件中设置测量参数，启动传感器开始进行测量及数据采集，激光位移传感器2、第一电涡流传感器3、第二电涡流传感器4、角度传感器5采集的模拟信号，经过采集卡进行A/D转换，最后成为数字信号传入上位机，霍尔传感器6采集的脉冲信号传送至PLC进行计数处理并传送至上位机，计算机对传输进来的数据进行分析处理，分离机床主轴回转误差，得到电跳动和机械跳动的跳动误差测量结果，最后输出测量处理结果。

具体实施方法：误差分离混合法是使用第一电涡流传感器3、第二电涡流传感器4和一个角度传感器5实现对形位误差和主轴回转误差的测试分离，并且能够准确测量出所要求的高频成分。

在电跳动提取方法中已有第一电涡流传感器3，再增加第二电涡流传感器4同截面分布，增加一支角度传感器5与第二电涡流传感器4轴向紧靠分布即可实现这种误差分离法。设O为坐标原点，P为回转体上一点，包括机械跳动、电跳动在内的工件形位误差用r(θ)表示，θ是测量点P与X轴夹角，两传感器之间夹角为α=90°。

角度传感器5是利用激光自准直原理，通过光电探测器上光斑的变化来计算入射光转角变化，从而进行角度测量的。角度传感器5测量的是被测回转体1测点表面偏角A(θ),假设无回转误差时，其与形位误差r(θ)有关系

将回转误差存在时第二电涡流传感器4的位移输出值和角度传感器5的角度输出值分别表示为D₁(θ)和A₁(θ),则有

D₁(θ)=r(θ)+e_x(θ)

$A_1\left(\mathrm{\θ}\right)=\left(\frac{\mathrm{dr}\left(\mathrm{\θ}\right)}{\mathrm{d\θ}}\right)/R+e_y\left(\mathrm{\θ}\right)/R$ 其中R为被测回转体1半径。第一电涡流传感器3的位移输出值为

D₂(θ)=r(θ-α)+e_y(θ)

用上述方程可以解出三个未知量：形位误差r(θ)和主轴回转误差分量e_x(θ)、e_y(θ)，达到误差分离的目的。

对于第一电涡流传感器3而言，在使用传感器实际测距前，用测量材料对传感器测距与输出电压V进行标定，获得标定数据并拟合成直线，测量过程中被测回转体1材料电磁性质变化产生的电压变化混入真实物理偏移产生的电压输出。在分离了机床主轴回转误差之后，用第一电涡流传感器3的位移信号去除激光位移传感器2测得的真实物理偏差，分析获得不包含机床主轴回转误差的电跳动量。

Claims (8)

1.一种分离主轴回转误差的电跳动在位测量装置，它主要包括激光位移传感器、电涡流传感器和角度传感器，其特征是在被测回转体外侧设有激光位移传感器、第一电涡流传感器和第二电涡流传感器，激光位移传感器设置在第一电涡流传感器和第二电涡流传感器中间位置，第一电涡流传感器、第二电涡流传感器和激光位移传感器设置在同一圆周上，且第一电涡流传感器、第二电涡流传感器与激光位移传感器所在的圆周与被测回转体同轴，角度传感器与第二电涡流传感器在轴向上紧靠布置。角度传感器、第一电涡流传感器、第二电涡流传感器和激光位移传感器均与控制模块连接，控制模块将信号输出给采集模块，采集模块再与上机位连接。

2.根据权利要求1所述的分离主轴回转误差的电跳动在位测量装置，其特征是在与激光位移传感器同一轴向位置设有霍尔传感器，在与霍尔传感器对应位置的被测回转体上设有能被霍尔传感器识别的标记磁体。

3.根据权利要求1或2所述的分离主轴回转误差的电跳动在位测量装置，其特征是上述所有的传感器均安装在可沿径向移动和与在测量截面偏转摆动的调节装置上，调节装置设置在测量支架上，调节装置由精密位移台和角位移台组成。

4.根据权利要求1或2所述的分离主轴回转误差的电跳动在位测量装置，其特征是在上述所以传感器的侧边均连接有阻止传感器接触被测回转体表面的保护装置。

5.根据权利要求4所述的分离主轴回转误差的电跳动在位测量装置，其特征是保护装置为凸起圆形件，并连接在传感器外壳上。

6.根据权利要求5所述的分离主轴回转误差的电跳动在位测量装置，其特征是所述的第二电涡流传感器用第二激光位移传感器替代。

7.根据权利要求5所述的分离主轴回转误差的电跳动在位测量装置，其特征是所述的激光位移传感器用压敏位移传感器替代。

8.一种分离主轴回转误差的电跳动在位测量方法，其特征是：测量前，被测回转体停转，安装测量支架，开启设备，通过调节装置使各个传感器处于合适位置；测量时，被测回转体旋转，转速固定不变，在测量软件中设置测量参数，启动传感器开始进行测量及数据采集，激光位移传感器、第一电涡流传感器、第二电涡流传感器、角度传感器采集的模拟信号，经过采集卡进行A/D转换，最后成为数字信号传入上位机，霍尔传感器采集的脉冲信号传送至PLC进行计数处理并传送至上位机，计算机对传输进来的数据进行分析处理，分离机床主轴回转误差，得到电跳动和机械跳动的跳动误差测量结果，最后输出测量处理结果。

Images