CN106767555B - 一种轴系晃动与跳动的复合检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种轴系晃动与跳动的复合检测装置及方法，其中，轴系晃动与跳动的复合检测装置包括待测轴系、平面反射镜、角度测量装置和距离测量装置，而通过角度测量装置直接测量待测轴系的晃动量，结合距离测量装置的数据，得到待测轴系的端面跳量，从而通过计算得到待测轴系的跳动量，本发明提供的轴系晃动与跳动的复合检测方法，无需像现有技术中一样寻找圆球的顶点，通过多次角度数据记录和距离数据记录，计算得到待测轴系的跳动量，使得该检测方法的检测精度高，从而能够有效分离出待测轴系的晃动量和跳动量，得到更加精确地待测轴系的跳动量。

Description

一种轴系晃动与跳动的复合检测装置及方法

技术领域

本发明属于光电测量技术领域，涉及一种轴系晃动与跳动的复合检测装置及方法。

背景技术

在精密仪器中，轴系的角晃动误差属于微小角度变化，轴系的跳动误差属于微小位移变化，角度测量和位移测量是几何计量技术的重要组成部分。微角度测量和微位移测量广泛应用于国防建设、工业制造和日常生活中。特别是在精密仪器应用方面，对轴系的晃动和跳动都有很高的要求，能够精密、定量检测轴系的晃动量和跳动量对精密仪器的功能、性能提升有重要的意义，特别是对仪器故障定位、故障原因分析、系统的建模及数据补偿等有非常重要的意义。

现有技术主要测量轴系的晃动量，或者是把轴系的晃动量和跳动量综合为轴系的跳动量来测量。轴系的晃动量主要是利用水平仪测量或者是利用自准直光管测量，还有是测量轴系端面的位移变化来体现晃动量。

测量轴系的跳动量的方法较少，现有的方法是在待测量轴系的端面放置一圆球，测量圆球顶点的位移变化，这种方法要求准确找到圆球的顶点，同时这种测量方法的测量结果也会受到轴系的晃动影响，同时，现有技术中轴系的晃动量和跳动量的测量方法单一，给测量系统的建模、数据补偿、测量误差分析、过程检测等带来了困难。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种轴系晃动与跳动的复合检测装置及方法，以解决现有技术中轴系的跳动量测量误差较大，而且角晃动量和跳动量的测量单一的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种轴系晃动与跳动复合检测装置，包括：

待测轴系；

位于所述待测轴系一端的平面反射镜，所述平面反射镜的反射面背离所述待测轴系的端面；

位于所述平面反射镜反射面侧的角度测量装置，所述角度测量装置的轴线与所述待测轴系的轴线平行，且当所述平面反射镜绕所述待测轴系的轴线旋转一周后，所述角度测量装置在所述平面反射镜中的像均位于所述角度测量装置的视场内；

位于所述平面反射镜反射面侧的距离测量装置，所述距离测量装置的测量方向与所述待测轴系的轴线平行，且当所述平面反射镜绕所述待测轴系的轴线旋转一周后，所述距离测量装置沿所述待测轴系的轴线方向，在所述平面反射镜所在平面的投影位于所述平面反射镜上。

优选地，所述角度测量装置为自准直光管，所述距离测量装置为激光测距仪。

优选地，所述自准直光管设置有同步控制端；所述激光测距仪设置有同步控制端；所述轴系晃动与跳动的复合检测装置还包括计算机，所述计算机分别与所述自准直光管的同步控制端和所述激光测距仪的同步控制端相连，用于控制所述自准直光管和所述激光测距仪同步记录数据。

优选地，所述平面反射镜为圆形，且所述平面反射镜的直径大于或等于150mm。

优选地，所述平面反射镜的圆心位于所述待测轴系的轴线上。

优选地，所述自准直光管的轴线与所述平面镜反射镜的相交点位于所述平面反射镜上以所述平面反射镜的圆心为圆心，半径为0.5mm的圆区域内。

优选地，还包括工装，所述工装位于所述待测轴系和所述平面反射镜之间，用于将所述平面反射镜固定安装在所述待测轴系的端面上。

本发明还同时提供一种轴系晃动与跳动的复合检测方法，应用于上面所述的轴系晃动与跳动的复合检测装置，所述轴系晃动与跳动的复合检测方法包括：

选取待测轴系的任意位置状态为零点位置；

将角度测量装置置零，并记录距离测量装置的第零距离值；

以所述零点位置为起点，绕所述待测轴系的轴线旋转180°，记录所述角度测量装置的第一角度值和所述距离测量装置的第一距离值；

基于所述第零距离值、所述第一角度值、所述第一距离值，计算得到所述平面反射镜与所述角度测量装置的垂直误差角，及所述距离测量装置与所述平面反射镜之间的平均距离；

基于所述垂直误差角和所述第零距离值、所述第一距离值，计算得到所述距离测量装置所测量的点距离所述平面反射镜与所述待测轴系的轴线的交叉点之间的距离；

以所述零点位置为起点，调整n次所述待测轴系绕其轴线的旋转角度，旋转一周后，得到n组所述角度测量装置的角度值和所述距离测量装置的距离值；

基于n组所述角度值和n组所述距离值，以及所述垂直误差角、所述平均距离、所述距离测量装置所测量的点距离所述平面反射镜与所述待测轴系的轴线的交叉点之间的距离，计算得到所述待测轴系的晃动量和跳动量。

优选地，在所述基于所述所述第零距离值、第一角度值、第一距离值，计算得到所述平面反射镜与所述角度测量装置的垂直误差角，及所述距离测量装置与所述平面反射镜之间的平均距离之前还包括：

判断所述第一角度值是否等于零以及所述第零距离值和所述第一距离值是否相等；

若所述第一角度值等于零和/或所述第零距离值与所述第一距离值相等，则重新选取所述待测轴系的其他位置状态作为零点位置。

经由上述的技术方案可知，本发明提供的轴系晃动与跳动复合检测装置，包括待测轴系、平面反射镜、角度测量装置和距离测量装置，而通过角度测量装置直接测量待测轴系的晃动量，结合距离测量装置的数据，得到待测轴系的端面跳量，从而通过计算得到待测轴系的跳动量，本发明提供的轴系晃动与跳动的复合检测方法，无需像现有技术中一样寻找圆球的顶点，通过多次角度数据记录和距离数据记录，计算得到待测轴系的跳动量，使得该检测方法的检测精度高，从而能够有效分离出待测轴系的晃动量和跳动量，得到更加精确地待测轴系的跳动量。

进一步地，本发明提供的轴系晃动与跳动复合检测方法，不仅能够测量待测轴系的晃动量和跳动量，还能够同时测量出待测轴系在旋转过程中某一点的角晃动量和跳动量，及旋转一周后待测轴系的角晃动量和跳动量最大值、最小值及最大值和最小值之间的相关性等信息，为测量系统的建模、数据补偿、测量误差分析、过程检测等提供了方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种轴系晃动与跳动复合检测装置立体图；

图2为图1所示轴系晃动与跳动复合检测装置沿AA’的截面图；

图3为本发明实施例提供的一种轴系晃动与跳动复合检测方法流程图；

图4为本发明零点位置与旋转轴系转动180°后角度和距离的变化量示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有技术中提供的轴系跳动量测量方法较少，且通过轴系端面上放置圆球实现测量的方法，由于受到轴系角晃动误差的影响，得到的轴系跳动误差的测量误差较大，且现有技术中提供的轴系角晃动量和跳动量的测量方式单一，不能同时测量出待测轴系在旋转过程中某一点的角晃动量和跳动量，及旋转一周后待测轴系的角晃动量和跳动量最大值、最小值及最大值和最小值之间的相关性等信息。这对测量系统的建模、数据补偿、测量误差分析、过程检测等带来了困难。

基于此，本发明提供一种轴系晃动与跳动复合检测装置，请参见图1和图2，其中，图1为本发明实施例提供的一种轴系晃动与跳动复合检测装置立体图；图2为图1所示轴系晃动与跳动复合检测装置沿AA’的截面图。所述轴系晃动与跳动复合检测装置包括：待测轴系1；位于待测轴系1一端的平面反射镜2，平面反射镜2的反射面背离待测轴系1的端面；位于平面反射镜2反射面侧的角度测量装置3，角度测量装置3的轴线与待测轴系的轴线平行，且当平面反射镜2绕待测轴系1的轴线旋转一周后，角度测量装置3在平面反射镜2中的像均位于角度测量装置3的视场内；位于平面反射镜2反射面侧的距离测量装置4，距离测量装置4的测量方向与待测轴系1的轴线平行，且当平面反射镜2绕待测轴系1的轴线旋转一周后，距离测量装置4沿待测轴系1的轴线方向，在平面反射镜2所在平面的投影位于平面反射镜2上。

请参见图2，本发明实施例中,角度测量装置3通过测量平面反射镜2中其自身成像发射出的光线，通过旋转待测轴系1的位置，从而得到不同的角度值α，通过多组角度值α_n得到其中最大值α_max和最小值α_min，则待测轴系1的晃动量为α_max-α_min。距离测量装置4通过测量待测轴系1的不同位置时的距离d，结合角度测量装置得到的角度数据，通过计算机计算得到待测轴系1的跳动量。

需要说明的是，本发明实施例中不限定所述角度测量装置和所述距离测量装置的具体结构，只要能够实现角度的测量和距离测量，且满足本发明中轴系晃动和跳动复合检测的精度即可，为提高测量的精度，本发明实施例中可选的，所述角度测量装置为自准直光管，所述距离测量装置为激光测距仪，其中所述激光测距仪的测量精度小于1μm。

在角度测量和距离测量过程中，待测轴系到一个位置后，记录角度值和距离值，本实施例中可以分别记录待测轴系在某个位置时，自准直光管的角度值和激光测距仪的距离值，还可以通过计算机同步记录自准直光管的角度值和激光测距仪的距离值，本实施例中可选地，所述自准直光管设置有同步控制端；所述激光测距仪设置有同步控制端；所述轴系晃动与跳动的复合检测装置还包括计算机(附图中未示出)，所述计算机分别与所述自准直光管的同步控制端和所述激光测距仪的同步控制端相连，用于控制所述自准直光管和所述激光测距仪同步记录数据。

由于自准直光管与激光测距仪的尺寸较大，为保证待测轴系旋转一周后，自准直光管的像都能够位于自准直光管的视场内，且激光测距仪所测量的点位于平面反射镜上，本实施例中可选地，自准直光管的轴线与平面镜反射镜的相交点位于平面反射镜上以平面反射镜的圆心为圆心，半径为0.5mm的圆区域内，同时，激光测距仪的位置靠近平面反射镜的边缘部分。更为可选地，本实施例中平面反射镜的直径大于或等于150mm，以便于所述自准直光管和激光测距仪均能够满足测量。本实施例中将平面反射镜的圆心设置在所述待测轴系的轴线上，使得平面反射镜随待测轴系旋转过程中，激光测距仪的测量点距离边缘位置相对稳定。

需要说明的是，本发明实施例提供的轴系晃动与跳动复合检测装置还可以包括工装(图中未示出)，所述工装位于平面反射镜与待测轴系之间，用于将平面反射镜固定安装在待测轴系的端面上。

本实施例中还提供上面所述轴系晃动与跳动复合检测装置组装方法，可选地，采用如下方法进行组装：

1)把圆形平面反射镜安装在待测轴系的旋转端面上，其中平面反射镜的直径不小于150mm，且平面反射镜的中心位于所述待测轴系的轴线上；

2)把能够自动记录数据的平行自准直光管放置在平面镜的中心位置附近，本实施例中，可选地，自准直光管带有外部触发的同步控制端，计算机通过所述同步控制端控制光管记录数据；

3)旋转待测轴系转动一周，观察自准直光管在平面反射镜中所成的像是否都在自准直光管的视场内，如果有出视场的情况，调整自准直光管的位置，直到所成的像都在视场内；

4)把激光测距仪放置于平面反射镜的反射面侧，且处于平面镜的边缘附近，本实施例中，所述激光测距仪的测量精度小于1μm，带有外部触发的同步控制端，计算机通过所述同步控制端控制激光测距仪记录数据，调整激光测距仪与平面镜之间的距离，使激光测距仪处于测量范围内；

5)旋转待测轴系转动一周，观察激光测距仪测量的点是否都在平面反射镜上，如果有出平面镜的测量点，调整激光测距仪的位置，直到激光测距仪测量点都在平面反射镜内。

6)采用计算机通过同步控制端控制自准直光管与激光测距仪以便同时记录数据。

本发明实施例提供的轴系晃动与跳动复合检测装置结构简单，且操作简单，便于实现轴系的晃动和跳动测量，能够直接测量得到待测轴系的晃动量，以及端面跳动量，以便于后续计算得到待测轴系的跳动量。

本实施例中所述轴系晃动与跳动复合检测装置包括：自准直光管、激光测距仪、计算机、平面反射镜和待测轴系。基于上述轴系晃动与跳动复合检测装置，本实施例中提供一种轴系晃动与跳动复合检测方法，如图3所示，图3为本实施例提供的轴系晃动与跳动复合检测方法流程图；该方法包括以下步骤：

步骤S101：选取待测轴系的任意位置状态为零点位置；

需要说明的，本发明中所述的待测轴系的零点位置定义为：当待测轴系绕待测轴系的轴线旋转180°后，角度测量装置的测量值发生了变化且激光测距仪的测量值也发生了变化的位置。当角度测量装置的测量值和/或激光测距仪的测量值未发生变化，则需要重新选择零点位置。

步骤S102：将角度测量装置置零，并记录距离测量装置的第零距离值；

本实施例中，可选地，所述角度测量装置为自准直光管，所述距离测量装置为激光测距仪。请参见图4，图4为本发明实施例提供的测量示意图；其中A为水平面；B位置为所述待测轴系的零点位置。在待测轴系的零点位置B时，将角度测量装置置零，并记录距离测量装置的第零距离值d₀。

步骤S103：以所述零点位置为起点，绕所述待测轴系的轴线旋转180°，记录所述角度测量装置的第一角度值和所述距离测量装置的第一距离值；

请继续参见图4，以B位置状态为起点，将所述待测轴系绕所述待测轴系的轴线旋转180°，到达180°位置，如图4中C位置所示，此时，记录自准直光管的第一角度值α₁和激光测距仪的第一距离值d₁；

需要说明的是，进行下一步骤之前，需要根据上述数据检测所述零点位置是否满足零点位置的定义，检测零点位置的步骤包括：

a)判断所述第一角度值α₁是否等于零以及所述第零距离值d₀和所述第一距离值d₁是否相等；

b)若所述第一角度值α₁等于零和/或所述第零距离值d₀与所述第一距离值相等d₁，即，α₁＝0和/或d₀＝d₁，则重新选取所述待测轴系的其他位置状态作为零点位置。

当零点位置满足定义后，进行下面步骤：

步骤S104：基于所述第零距离值、所述第一角度值、所述第一距离值，计算得到所述平面反射镜与所述角度测量装置的垂直误差角，及所述距离测量装置与所述平面反射镜之间的平均距离；

请继续参见图4，根据第零距离值d₀，第一角度值α₁，第一距离值d₁，计算平面反射镜与自准直光管垂直误差角β，及激光测距仪与平面镜的距离均值d；

其中，具体计算过程如下：

由自准直光管的测量原理可得如下公式：

其中，h如图4所示。

由公式(2)及图4中关系可以得到激光测距仪4与平面反射镜之间的平均距离为：

d＝d₀+h…………………………(3)

步骤S105：基于所述垂直误差角和所述第零距离值、所述第一距离值，计算得到所述距离测量装置所测量的点距离所述平面反射镜与所述待测轴系的轴线的交叉点之间的距离；

根据第零距离值d₀，第一距离值d₁以及垂直误差角β，计算出激光测距仪测量的点距离旋转中心的距离r，如图4所示，根据公式(1)和公式(2)以及三角函数可得：

步骤S106：以所述零点位置为起点，调整n次所述待测轴系绕其轴线的旋转角度，旋转一周后，得到n组所述角度测量装置的角度值和所述距离测量装置的距离值；

本发明实施例中，由于可以自准直光管可以直接测量角度值，激光测距仪可以直接测量距离值，因此，在待测轴系的任意位置，均可以得到该位置对应的角度值和距离值。也即本发明提供的轴系晃动和跳动复合检测装置能够同时测量出待测轴系在旋转过程中某一点的角晃动量和跳动量，及旋转一周后待测轴系的角晃动量和跳动量最大值、最小值及最大值和最小值之间的相关性等信息。

需要说明的是，本实施例中n组角度值α_n和距离值d_n的测量位置可以均匀分布的，如在零点位置记录一次角度值和距离值，绕待测轴系的轴线旋转10°后再记录一次角度值和距离值，绕待测轴系的轴线旋转20°后再记录一次角度值和距离值……依次类推；n组角度值和距离值的测量位置也可以是随机分布的，本实施例中对此不做限定，可选为均匀分布，本实施例中记录数据的间隔根据实际需要可通过调整轴系旋转的速度和采样时间间隔进行调控。

步骤S107：基于n组所述角度值和n组所述距离值，以及所述垂直误差角、所述平均距离、所述距离测量装置所测量的点距离所述平面反射镜与所述待测轴系的轴线的交叉点之间的距离，计算得到所述待测轴系的晃动量和跳动量。

对n组自准直光管数据α_n进行数据处理，得到n组数据的最大值α_max和最小值α_min，则轴系的晃动量为α_max-α_min。

根据公式(1)、公式(2)、公式(3)和公式(4)可得在某一点的轴系跳动量t可表示为如下：

根据公式(5)，对n组自准直光管的数据α_n，激光测距仪的数据d_n进行处理可得待测轴系的跳动量t的最大值t_max和最小值t_min，则轴系的跳动量为t_max-t_min。

本发明实施例中提供的轴系晃动与跳动复合检测方法，通过角度测量装置直接测量待测轴系的晃动量，结合距离测量装置的数据，得到待测轴系的端面跳量，从而通过计算得到待测轴系的跳动量，本发明提供的轴系晃动与跳动的复合检测方法，无需像现有技术中一样寻找圆球的顶点，通过多次角度数据记录和距离数据记录，使得该检测方法的检测精度高，从而能够有效分离出待测轴系的晃动量和跳动量，得到更加精确地待测轴系的跳动量。同时，该方法还能够同时测量出待测轴系在旋转过程中某一点的角晃动量和跳动量，及旋转一周后待测轴系的角晃动量和跳动量最大值、最小值及最大值和最小值之间的相关性等信息，为测量系统的建模、数据补偿、测量误差分析、过程检测等提供了方便。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种轴系晃动与跳动复合检测装置，其特征在于，包括：

待测轴系；

位于所述待测轴系一端的平面反射镜，所述平面反射镜的反射面背离所述待测轴系的端面；

位于所述平面反射镜反射面侧的角度测量装置，所述角度测量装置的轴线与所述待测轴系的轴线平行，且当所述平面反射镜绕所述待测轴系的轴线旋转一周后，所述角度测量装置在所述平面反射镜中的像均位于所述角度测量装置的视场内；

位于所述平面反射镜反射面侧的距离测量装置，所述距离测量装置的测量方向与所述待测轴系的轴线平行，且当所述平面反射镜绕所述待测轴系的轴线旋转一周后，所述距离测量装置沿所述待测轴系的轴线方向，在所述平面反射镜所在平面的投影位于所述平面反射镜上。

2.根据权利要求1所述的轴系晃动与跳动的复合检测装置，其特征在于，所述角度测量装置为自准直光管，所述距离测量装置为激光测距仪。

3.根据权利要求2所述的轴系晃动与跳动的复合检测装置，其特征在于，所述自准直光管设置有同步控制端；所述激光测距仪设置有同步控制端；所述轴系晃动与跳动的复合检测装置还包括计算机，所述计算机分别与所述自准直光管的同步控制端和所述激光测距仪的同步控制端相连，用于控制所述自准直光管和所述激光测距仪同步记录数据。

4.根据权利要求3所述的轴系晃动与跳动的复合检测装置，其特征在于，所述平面反射镜为圆形，且所述平面反射镜的直径大于或等于150mm。

5.根据权利要求4所述的轴系晃动与跳动的复合检测装置，其特征在于，所述平面反射镜的圆心位于所述待测轴系的轴线上。

6.根据权利要求5所述的轴系晃动与跳动的复合检测装置，其特征在于，所述自准直光管的轴线与所述平面镜反射镜的相交点位于所述平面反射镜上以所述平面反射镜的圆心为圆心，半径为0.5mm的圆区域内。

7.根据权利要求1所述的轴系晃动与跳动的复合检测装置，其特征在于，还包括工装，所述工装位于所述待测轴系和所述平面反射镜之间，用于将所述平面反射镜固定安装在所述待测轴系的端面上。

8.一种轴系晃动与跳动的复合检测方法，其特征在于，应用于权利要求1-7任意一项所述的轴系晃动与跳动的复合检测装置，所述轴系晃动与跳动的复合检测方法包括：

选取待测轴系的任意位置状态为零点位置；

将角度测量装置置零，并记录距离测量装置的初始值；

以所述零点位置为起点，绕所述待测轴系的轴线旋转180°，到达180°位置，记录所述角度测量装置的第一角度值和所述距离测量装置的第一距离值；

基于所述初始值、所述第一角度值、所述第一距离值，计算得到所述平面反射镜与所述角度测量装置的垂直误差角，及所述距离测量装置与所述平面反射镜之间的平均距离；

基于所述垂直误差角和所述初始值、所述第一距离值，计算得到所述距离测量装置所测量的点距离所述平面反射镜与所述待测轴系的轴线的交叉点之间的距离；

以所述零点位置为起点，调整n次所述待测轴系绕其轴线的旋转角度，旋转一周后，得到n组所述角度测量装置的角度值和所述距离测量装置的距离值；

基于n组所述角度值和n组所述距离值，以及所述垂直误差角、所述平均距离、所述距离测量装置所测量的点距离所述平面反射镜与所述待测轴系的轴线的交叉点之间的距离，计算得到所述待测轴系的晃动量和跳动量。

9.根据权利要求8所述的轴系晃动与跳动的复合检测方法，其特征在于，在所述基于所述初始值、第一角度值、第一距离值，计算得到所述平面反射镜与所述角度测量装置的垂直误差角，及所述距离测量装置与所述平面反射镜之间的平均距离之前还包括：

判断所述第一角度值是否等于零以及所述初始值和所述第一距离值是否相等；

若所述第一角度值等于零和/或所述初始值与所述第一距离值相等，则重新选取所述待测轴系的其他位置状态作为零点位置。