CN104764605A - 静压空气轴承动态参数的在线测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静压空气轴承动态参数在线测试方法，其系统设备包括位移传感器、信号调理器、数据采集卡、数据处理单元和工控机，通过位移传感器对静态空气轴承径向位移进行检测，然后通过数据处理单元对位移信号进行分析计算得到静压空气轴承的动态参数。本发明静压空气轴承动态参数在线测试方法能够实时测量静压空气轴承实际工作状态下的动态参数，真实反映静压空气轴承的动力学特性；测试系统组成简单，成本低，可做成便携式系统；测试系统安装简单，安装误差对测量结果没有影响。

Description

静压空气轴承动态参数的在线测试方法

技术领域

本发明涉及一种静压空气轴承参数测试方法，尤其涉及一种静压空气轴承动态参数在线测试方法。

背景技术

静压空气轴承因其具有摩阻极低、噪音和振动小、回转精度高、适用转速范围大、适用温度范围广、使用寿命长等优点，在高速磨头、精密离心机、光学平台、陀螺仪表等高精度仪器设备被广泛应用。

目前在静压空气轴承刚度测试方面，一般是通过加载静态载荷进行静刚度的测试，或者通过人工激励下的模态试验进行动刚度辨识，但这两种方法都存在静压空气轴承测试状态与实际工作状态不同，而不同状态下静压空气轴承的刚度是不同的，因此无法获得静压空气轴承在工作状态下的实际刚度。在静压空气轴承回转误差在线测试方面，目前有两点法、三点法等方法，均需要多个传感器进行同步测量，并通过算法将回转误差和静压空气轴承测量面形状误差分离，测试系统较复杂，对安装精度的要求较高。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种可在工作状态下对静压空气轴承的动刚度和回转误差进行测量的静压空气轴承动态参数在线测试方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种静压空气轴承动态参数的在线测试方法，包括以下步骤：

(1)安装位移传感器并与测试系统设备连接；

(2)驱动静压空气轴承主轴以两个不同的角速率Ω₁和Ω₂转动，并通过位移传感器测量两个角速率下静压空气轴承的径向位移信号x₁和x₂；

(3)然后将信号x₁和x₂通过信号调理器和数据采集卡传输至数据处理单元内，数据处理单元再根据动态参数识别算法分析计算得到静压空气轴承动态参数。

其中，所述动态参数识别算法中计算静压空气轴承回转误差的计算式为：

|U(f)|＝|X₁(f)-X₂(f)|/π

式中：

f——转速频率；

|U(f)|——回转误差；

|X₁(f)|——位移信号x₁频谱；

|X₂(f)|——位移信号x₂频谱；

其中，所述动态参数识别算法中计算静压空气轴承动刚度的计算式为：

$\left|k\right|=\frac{\mathrm{me}{\mathrm{\Ω}}^2}{\left|U\left(f\right)\right|}$

式中：

|k|——动刚度；

me——剩余动不平衡量；

Ω——转动角速率。

具体地，所述测试系统设备包括信号调理器、数据采集卡、数据处理单元和工控机，所述数据处理单元和所述数据采集卡设置在所述工控机内，所述位移传感器、所述信号调理器、所述数据采集卡和所述数据处理单元顺序连接，且所述位移传感器的探测头与所述静压空气轴承的轴承测试面垂直。

具体地，所述位移传感器为电容测微仪，用于测量不同转速下所述静压空气轴承沿所述位移传感器轴向的动态位移；

所述信号调理器为所述位移传感器的信号处理单元，用于对所述位移传感器信号进行放大、变换及抗阻匹配处理；

所述数据采集卡为模拟信号采集记录仪，用于对所述信号调理器中的模拟信号进行模数转换、采集和记录；

所述工控机为所述数据采集卡和数据处理单元的载体；

所述数据处理单元，用于对不同转速下的所述位移传感器测量的信号进行处理和分析，并根据步骤(3)中的动态参数识别算法的计算式计算出所述静压空气轴承的动刚度和回转误差。

本发明的有益效果在于：

本发明静压空气轴承动态参数在线测试方法能够实时测量静压空气轴承实际工作状态下的动态参数，反映静压空气轴承的真实特性；测试系统组成简单，成本低，可做成便携式系统；测试系统安装简单，安装误差对测量结果没有影响。

附图说明

图1是本发明所述静压空气轴承动态参数在线测试方法的系统设备示意图；

图2是本发明静压空气轴承测量面形状误差图；

图3是本发明300r/min时位移传感器时域信号图；

图4是本发明300r/min时位移传感器频域信号图；

图5是本发明600r/min时位移传感器时域信号图；

图6是本发明600r/min时位移传感器频域信号图；

图7是本发明的回转误差信号频谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明静压空气轴承动态参数在线测试方法的系统设备包括位移传感器、信号调理器、数据采集卡、数据处理单元和工控机，所述数据处理单元和所述数据采集卡设置在所述工控机内，所述位移传感器、所述信号调理器、所述数据采集卡和所述数据处理单元顺序连接，且所述位移传感器的探测头与所述静压空气轴承的轴承测试面垂直。

本发明测试方法包括以下步骤：

(4)安装位移传感器并与测试系统设备连接；

(5)驱动静压轴承主轴以两个不同的角速率Ω₁和Ω₂，并获得位移传感器测量信号x₁和x₂；

(6)然后将信号通过信号调理器和数据采集卡传输至数据处理单元内，数据处理单元再根据动态参数识别算法进行分析计算。

所述的动态参数识别算法推导过程及结果如下：

位移传感器的测量信号x(t)中既包含了静压空气轴承回转误差u(t)，还包含了静压空气轴承测量面的形状误差r(t)，测量信号可表示为：

x(t)＝r(t)+u(t)          (1)

其中回转误差u(t)与转动系统的不平衡力f(t)、静压空气轴承的动刚度k有关，三者关系可表示为：

f(t)＝ku(t)         (2)

不平衡力与转动系统剩余不平衡量为me和旋转角速率Ω相关，则可表示为：

f(t)＝meΩ²sin(Ωt+α)            (3)

由式(2)和式(3)式，可得：

u(t)＝meΩ²sin(Ωt+α)/k             (4)

对式(1)和式(4)进行傅里叶变换，可得：

X(ω)＝R(ω)+U(ω)               (5)

$\begin{array}{c}U\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{\mathrm{me}{\mathrm{\Ω}}^2}{k}F\left[\sin (\mathrm{\Ωt}+\mathrm{\α})\right]\\ =\frac{\mathrm{me}{\mathrm{\Ω}}^2}{k}\·\mathrm{j\π}[\mathrm{\δ}(\mathrm{\ω}+\mathrm{\Ω})-\mathrm{\δ}(\mathrm{\ω}-\mathrm{\Ω})]e^{\frac{\mathrm{j\α\ω}}{\mathrm{\Ω}}}\end{array}---\left(6\right)$

根据式(5)和式(6)，在角速率分别为Ω₁、Ω₂时(Ω₁≠Ω₂)，可得：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_1\left({\mathrm{\Ω}}_1\right)=R_1\left({\mathrm{\Ω}}_1\right)+U_1\left({\mathrm{\Ω}}_1\right)\\ X_1\left({\mathrm{\Ω}}_2\right)=R_1\left({\mathrm{\Ω}}_2\right)+U_1\left({\mathrm{\Ω}}_2\right)\\ X_2\left({\mathrm{\Ω}}_1\right)=R_2\left({\mathrm{\Ω}}_1\right)+U_2\left({\mathrm{\Ω}}_1\right)\\ X_2\left({\mathrm{\Ω}}_2\right)=R_2\left({\mathrm{\Ω}}_2\right)+U_2\left({\mathrm{\Ω}}_2\right)\\ U_1\left({\mathrm{\Ω}}_1\right)=-\frac{\mathrm{me}{{\mathrm{\Ω}}_1}^2}{k}\·\mathrm{j\π\δ}\left(0\right)e^{\mathrm{j\α}}\\ U_1\left({\mathrm{\Ω}}_2\right)=0\\ U_2\left({\mathrm{\Ω}}_2\right)=-\frac{\mathrm{me}{{\mathrm{\Ω}}_2}^2}{k}\·\mathrm{j\π\δ}\left(0\right)e^{\mathrm{j\α}}\\ U_2\left({\mathrm{\Ω}}_1\right)=0\end{array}\right.---\left(7\right)$

由于静压空气轴承形状误差与角速率无关，故有：

R₁(Ω₁)＝R₂(Ω₁)＝R(Ω₁)             (8)

R₁(Ω₂)＝R₂(Ω₂)＝R(Ω₂)              (9)

由式(7)、式(8)和式(9)可得：

U₁(Ω₁)＝X₁(Ω₁)-X₂(Ω₁)         (10)

U₂(Ω₂)＝X₂(Ω₂)-X₁(Ω₂)       (11)

$k=-\frac{\mathrm{me}{\mathrm{\Ω}}_1^2}{X_1\left({\mathrm{\Ω}}_1\right)-X_2\left({\mathrm{\Ω}}_1\right)}\mathrm{j\π\δ}\left(0\right)e^{\mathrm{j\α}}---\left(12\right)$

对式(10)(11)(12)取模可得：

|U(ω)|＝|X₁(ω)-X₂(ω)|         (13)

$\left|k\right|=\frac{\mathrm{\πme}{\mathrm{\Ω}}^2}{\left|U\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}---\left(14\right)$

由于ω＝2πf，f为转速频率，则静压空气轴承动刚度为：

|U(f)|＝|X₁(f)-X₂(f)|/π        (15)

静压空气轴承回转误差为：

$\left|k\right|=\frac{\mathrm{\πme}{\mathrm{\Ω}}^2}{\left|U\left(f\right)\right|}---\left(16\right)$

式中|U(f)|为单边谱。

下面通过具体实施例对本发明测试方法进行描述，并对方法的正确性进行验证。

假设静压空气轴承在300r/min时的回转误差理论值为0.5um，在600r/min时的回转误差理论值为2um，通过采用本发明测试方法对回转误差和动刚度进行分析，并与理论值对比验证测试方法。

静压空气轴承测量面形状误差由若干正弦信号和随机信号叠加而成，如(17)式和图2所示。

r(t)＝sin(6πt)+sin(10πt+π/3)+0.5×sin(30πt)+0.3×sin(40πt+π/2)+0.1×random(0,1)  (17)

当静压空气轴承以300r/min(即f₁＝5Hz)旋转时，位移传感器测试信号x₁(t)及频谱|U₁(f)|如图3和图4所示。

当静压空气轴承以600r/min(即f₂＝10Hz)旋转时，位移传感器测试信号x₂(t)及频谱|U₂(f)|如图5和图6所示。

则根据上述式(15)即可得出图7，从从图7可以看出，在5Hz时，回转误差幅值为0.500um，在10Hz时回转误差幅值为1.967um,与理论值的误差小于2％，可满足工程测量的要求。

进一步，当转速系统剩余动不平衡量me为0.1kg·m，根据上述(16)式计算出静压空气轴承动刚度为200N/um。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种静压空气轴承动态参数的在线测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)安装位移传感器并与测试系统设备连接；

(2)驱动静压空气轴承主轴以两个不同的角速率Ω₁和Ω₂转动，并通过位移传感器测量两个角速率下静压空气轴承的径向位移信号x₁和x₂；

(3)然后将信号x₁和x₂通过信号调理器和数据采集卡传输至数据处理单元内，数据处理单元再根据动态参数识别算法分析计算得到静压空气轴承动态参数。

所述动态参数识别算法中计算静压空气轴承回转误差的计算式为：

|U(f)|＝|X₁(f)-X₂(f)|/π

式中：

f——转速频率；

|U(f)|——回转误差；

|X₁(f)|——位移信号x₁频谱；

|X₂(f)|——位移信号x₂频谱；

所述动态参数识别算法中计算静压空气轴承动刚度的计算式为：

$\left|k\right|=\frac{\mathrm{me}{\mathrm{\Ω}}^2}{\left|U\left(f\right)\right|}$

式中：

|k|——动刚度；

me——剩余动不平衡量；

Ω——转动角速率。

2.根据权利要求1所述的静压空气轴承动态参数的在线测试方法，其特征在于：所述测试系统设备包括信号调理器、数据采集卡、数据处理单元和工控机，所述数据处理单元和所述数据采集卡设置在所述工控机内，所述位移传感器、所述信号调理器、所述数据采集卡和所述数据处理单元顺序连接，且所述位移传感器的探测头与所述静压空气轴承的轴承测试面垂直。

3.根据权利要求2所述的静压空气轴承动态参数的在线测试方法，其特征在于：

所述位移传感器为电容测微仪，用于测量不同转速下所述静压空气轴承沿所述位移传感器轴向的动态位移；

所述信号调理器为所述位移传感器的信号处理单元，用于对所述位移传感器信号进行放大、变换及抗阻匹配处理；

所述数据采集卡为模拟信号采集记录仪，用于对所述信号调理器中的模拟信号进行模数转换、采集和记录；

所述工控机为所述数据采集卡和数据处理单元的载体；

所述数据处理单元，用于对不同转速下的所述位移传感器测量的信号进行处理和分析，并根据步骤(3)中的动态参数识别算法的计算式计算出所述静压空气轴承的动刚度和回转误差。