CN107576485B - 一种测量换向器动态片间误差的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种测量换向器动态片间误差的装置，工作台上设有电主轴电机、用于测量换向器位移的左位移传感器和用于测量电主轴电机的主轴位移的右位移传感器；换向器设于电主轴电机的主轴上，且位于左、右位移传感器之间；热风机的管道出风口设于换向器前侧，且热风机的管道出风口处设有红外测温探头；上位机控制单元连接左、右位移传感器和红外测温探头。本发明还提供了一种测量换向器动态片间误差的方法。本发明在满足换向器实际工作时的额定转速和实际工作温度两个前提条件下，测量换向器的片间误差值；可以不考虑换向器和电机主轴的采样位置，轻松的实现去除电机主轴误差的功能；提高了换向器动态测量的准确性，保证了测量结果的真实可靠。

Description

一种测量换向器动态片间误差的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种测量换向器在实际工况下的片间误差值的装置及方法，属于自动控制测量技术领域。

背景技术

换向器一般由几十片铜排、云母槽(片间云母)、压圈、云母套环等不同材料加工制成，机构复杂，工艺严格。换向器每两片相邻铜排之间的高低距离差，我们称为静态片间误差，而在高速旋转和高温时，铜排之间还可能发生弹性形变(速度减慢后可以恢复原状)和非弹性形变(永久变形)，这就是动态片间误差，又称动态片间跳动误差。

换向器需要安装到电机主轴上才能高速旋转，从而测量动态片间误差，但是电机主轴在高速旋转时，电机的轴系不可避免的存在径向跳动。这主轴的轴系径向跳动会叠加在换向器的动态片间误差里，属于矢量叠加，而对最终测量结果造成影响。

传统的换向器动态片间误差测试仪，往往忽略了高速电机本身的主轴径向跳动，都是安装一个位移传感器。传统的测量方式分两种，具体如下：

1、只测量换向器而不测量电机主轴，这样的测量方式，由于电机主轴本身的跳动误差存在，影响了换向器动态片间误差测量的真实性。有时为了测试，还对换向器进行动态切削，这样无疑破坏了换向器本身，测量结果也无法反应换向器的真实性。

2、分两次测量换向器和电机主轴，然后把两者相减，得到最终结果。这样的测量方式，第一，操作繁琐，第二，由于电机主轴的误差与换向器动态误差分开采样，在高速旋转的情况下，采样数据的初相位无法一致，由于两者都是矢量相互叠加，相减后不能有效的分离电机主轴的径向跳动误差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：换向器动态测量时，如何避免由于电机主轴系统引起的矢量叠加偏差所造成的最终测试结果的失真问题，以提高换向器动态测量的准确性，保证测量结果的真实可靠。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种测量换向器动态片间误差的装置，其特征在于：包括工作台，工作台上设有用于带动换向器运转的电主轴电机、用于测量换向器位移的左位移传感器和用于测量电主轴电机的主轴位移的右位移传感器，换向器设于电主轴电机的主轴上，且换向器位于左位移传感器、右位移传感器之间；还包括用于对换向器表面进行加热的热风机，热风机的管道出风口设于换向器前侧，且热风机的管道出风口处设有红外测温探头；

上位机控制单元连接左位移传感器、右位移传感器和红外测温探头。

优选地，所述左位移传感器、右位移传感器分别设于左、右两个精密三维调节平台上，精密三维调节平台上设于工作台上。

优选地，防护罩固定在工作台上，并将所述电主轴电机、换向器、左位移传感器、右位移传感器罩住。

优选地，还包括用于对电主轴电机进行水循环冷却的冷却水循环系统；冷却水循环系统连接电主轴电机的水冷管路。

优选地，所述上位机控制单元包括工控机，工控机内部设有数据采集卡，数据采集卡连接所述左位移传感器、右位移传感器和红外测温探头；工控机还和触摸显示屏相连；变频器连接工控机和电主轴电机；温控模块连接工控机和热风机。

优选地，所述数据采集卡，用于接受左位移传感器、右位移传感器和红外测温探头采样的信号和数据，对采样的信号数据分析处理；所述触摸显示屏，即人机交互界面，用于过程显示和处理结果显示，同时接受操作人员的指令发送到工控机；所述变频器，由工控机控制，实现对电主轴电机的转速调整。

优选地，还包括温控模块，温控模块连接工控机和热风机；温控模块接受工控机的指令，对热风机的输出温度实现控制。

优选地，所述左位移传感器、右位移传感器相对180度安装。

优选地，所述左位移传感器、右位移传感器均为激光位移传感器。

本发明还提供了一种测量换向器动态片间误差的方法，其特征在于：采用上述的测量换向器动态片间误差的装置，步骤为：

步骤1：使左位移传感器、右位移传感器相对180度安装；

步骤2：使电主轴电机旋转到设定转速，同时通过热风机将换向器表面加热到设定温度后，同时采集左位移传感器、右位移传感器的数据；采集的数据范围是360度，即一个圆周内发生的位移变化；左、右位移传感器采集的起点任意，但始终相差180度；

步骤3：将所采集的位移数据送至上位机控制单元进行处理，通过180度初相位偏移，实现换向器位移和电主轴电机主轴位移对应角度的幅值相减，从而剔除叠加在换向器圆周上的轴系跳动误差，最终得到准确真实的测量结果。

本发明提供的装置克服了现有技术的不足，在满足换向器实际工作时的额定转速和实际工作温度两个前提条件下，测量换向器的片间误差值；并提出了分离主轴跳动的方法，可以不考虑换向器和电机主轴的采样位置，轻松的实现去除电机主轴误差的功能；提高了换向器动态测量的准确性，保证了测量结果的真实可靠。

附图说明

图1为本实施例提供的测量换向器动态片间误差的装置示意图；

图2为本实施例提供的换向器动态片间误差测试控制方法原理图；

图3为包含轴系跳动误差的采样曲线图；

图4为分离轴系跳动误差后的换向器圆周图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

测量换向器的动态片间误差，关键技术是如何分离电机主轴轴系的径向跳动。电机高速旋转时，主轴的径向跳动是叠加在换向器的动态误差内，而且两者成矢量相互影响。换向器360度圆周上采集的位移数据，每一个角度都是换向器误差和电机主轴误差的矢量叠加的反应，本发明要解决的难点问题是换向器误差和主轴误差之间的初相位存在差异和不确定性。

首先，换向器高速旋转到几万转，稳定后才能开始采集位移数据，这时无论是测量换向器或者电机主轴，采集到的数据起点，即初相位都是不确定的。

其次，换向器安装到电机主轴上的相对位置不同，也会造成两者位移数据的初相位差异。

为了能够有效的分离，必须对换向器和电机主轴分别测量。但是，由于两者都是矢量，分别测量的结果必须初相位一致才能实现正确的分离。也就是说，分离电机主轴径向跳动误差的前提必须是两者采集数据的初相位一致。

用什么方法可以有效地实现两者的初相位一致，就是关键问题的核心。本发明提供了一种测量换向器动态片间误差的装置，图1为本实施例提供的测量换向器动态片间误差的装置示意图，所述的测量换向器动态片间误差的装置由上位机控制单元、数据采样单元、执行运作单元组成。上位机控制单元包括工控机、数据采集卡、触摸显示屏、变频器；数据采集单元包括位移传感器(分为左、右两个)、红外测温探头和温控模块；执行运作单元包括热风机、电主轴电机、冷却水循环系统。

结合图2，在工作台1上，设置有电主轴电机5和左右两个精密三维调节平台9，换向器4(被测工件)被安装在电主轴电机5的主轴上，左位移传感器7、右位移传感器3分别设置在左、右两个精密三维调节平台上，且换向器4位于左位移传感器7、右位移传感器3之间。工作台1底部设置有热风机8，热风机8的管道出风口2穿过工作台1至工作台1上方，并位于换向器4前侧；热风机8的管道出风口2处设置红外测温探头。防护罩6固定在工作台1上，并将电主轴电机5、换向器4、左位移传感器7、右位移传感器3罩住。

工控机内部安装数据采集卡，数据采集卡连接左位移传感器7、右位移传感器3和红外测温探头；工控机直接和触摸显示屏相连；变频器连接工控机和电主轴电机5。温控模块连接工控机和热风机8。

电主轴电机5，换向器4被安装在电主轴电机的主轴上，带动换向器高速运转。热风机8，通过加装管道，对换向器4表面加热。冷却水循环系统，用于对电主轴电机进行水循环冷却。

左位移传感器7，用于测量换向器4的位移，得到的数据叠加了电主轴电机的主轴误差。右位移传感器3，用于测量电主轴电机的主轴的位移，得到主轴径向跳动误差。温控模块，接受上位机控制单元的指令，对热风机的输出温度实现PID控制。

数据采集卡，安装在工控机内部，采样速度2MHz，用于接受左右位移传感器和红外测温探头采样的信号和数据，对采样的信号数据分析处理。触摸显示屏，即人机交互界面，用于过程显示和处理结果显示，同时接受操作人员的指令发送到上位机控制单元。变频器，由工控机控制，实现对电主轴电机的转速调整。

动态片面误差测试对位移传感器的要求比较高，不但在精度方面需要满足测试要求，响应频率也是关键要素，一般电涡流的位移传感器响应频率最高只有10KHz，本实施例选用激光位移传感器，测量精度高，而且响应速度可以达到392KHz，适合在高速旋转情况下测量动态误差。在装配方式上需要把左位移传感器(测换向器)和右位移传感器(测电机主轴)相对180度安装，两个位移传感器中间放置高速的电机，在电机主轴上安装换向器。为了保证安装位置的准确性，在两个位移传感器的下方安装精密三维调节平台进行微调。

测量时，采用初相位偏移叠加矢量分离技术，具体实施过程主要分为以下几步：

步骤1：使左、右两个位移传感器相对180度安装，如图1里的左位移传感器7和右位移传感器3；

步骤2：电主轴电机5高速旋转到指定转速，同时换向器4表面加热到指定温度后，由上位机发采样指令，通过多通道数据采集卡同时采集左位移传感器(测换向器)和右位移传感器(测电机主轴)的数据，采集的数据范围是360度，即一个圆周内发生的位移变化，也可以一次采集数个圆周的数据。两个位移传感器采集的起点任意，但始终相差180度。

步骤3：把采样的位移数据送上位机控制单元进行处理，通过180度初相位偏移，就可以轻松的实现两者对应角度的幅值相减，从而剔除叠加在换向器圆周上的轴系跳动误差，最终得到准确真实的测量效果。

换向器圆周上采样的，包含电机轴系误差的效果详见图3，经过上述方法的处理，把电机的轴系误差分离后的效果详见图4，就是真实的换向器圆周数据了。

通过以上具体实施过程，本发明对换向器动态误差测量领域，实现了电机主轴系统误差的有效分离，提高了测量结果的真实性和准确性。从而反馈到换向器的制造工艺上，对换向器的材料和结构改善提供了真实有效的技术指标。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种测量换向器动态片间误差的方法，其特征在于：采用测量换向器动态片间误差的装置，所述测量换向器动态片间误差的装置包括工作台(1)，工作台(1)上设有用于带动换向器(4)运转的电主轴电机(5)、用于测量换向器(4)位移的左位移传感器(7)和用于测量电主轴电机(5)的主轴位移的右位移传感器(3)，换向器(4)设于电主轴电机(5)的主轴上，且换向器(4)位于左位移传感器(7)、右位移传感器(3)之间；还包括用于对换向器(4)表面进行加热的热风机(8)，热风机(8)的管道出风口(2)设于换向器(4)前侧，且热风机(8)的管道出风口(2)处设有红外测温探头；

上位机控制单元连接左位移传感器(7)、右位移传感器(3)和红外测温探头；

所述方法的步骤为：

步骤1：使左位移传感器(7)、右位移传感器(3)相对180度安装；

步骤2：使电主轴电机(5)旋转到设定转速，同时通过热风机(8)将换向器(4)表面加热到设定温度后，同时采集左位移传感器(7)、右位移传感器(3)的数据；采集的数据范围是360度，即一个圆周内发生的位移变化；左、右位移传感器采集的起点任意，但始终相差180度；

步骤3：将所采集的位移数据送至上位机控制单元进行处理，通过180度初相位偏移，实现换向器(4)位移和电主轴电机(5)主轴位移对应角度的幅值相减，从而剔除叠加在换向器(4)圆周上的轴系跳动误差，最终得到准确真实的测量结果。

2.如权利要求1所述的一种测量换向器动态片间误差的方法，其特征在于：所述左位移传感器(7)、右位移传感器(3)分别设于左、右两个精密三维调节平台上，精密三维调节平台设于工作台(1)上。

3.如权利要求1所述的一种测量换向器动态片间误差的方法，其特征在于：防护罩(6)固定在工作台(1)上，并将所述电主轴电机(5)、换向器(4)、左位移传感器(7)、右位移传感器(3)罩住。

4.如权利要求1所述的一种测量换向器动态片间误差的方法，其特征在于：还包括用于对电主轴电机(5)进行水循环冷却的冷却水循环系统；冷却水循环系统连接电主轴电机(5)的水冷管路。

5.如权利要求1所述的一种测量换向器动态片间误差的方法，其特征在于：所述上位机控制单元包括工控机，工控机内部设有数据采集卡，数据采集卡连接所述左位移传感器(7)、右位移传感器(3)和红外测温探头；工控机还和触摸显示屏相连；变频器连接工控机和电主轴电机(5)；温控模块连接工控机和热风机(8)。

6.如权利要求5所述的一种测量换向器动态片间误差的方法，其特征在于：所述数据采集卡，用于接受左位移传感器(7)、右位移传感器(3)和红外测温探头采样的信号和数据，对采样的信号数据分析处理；所述触摸显示屏，即人机交互界面，用于过程显示和处理结果显示，同时接受操作人员的指令发送到工控机；所述变频器，由工控机控制，实现对电主轴电机(5)的转速调整。

7.如权利要求5或6所述的一种测量换向器动态片间误差的方法，其特征在于：还包括温控模块，温控模块连接工控机和热风机(8)；温控模块接受工控机的指令，对热风机(8)的输出温度实现控制。

8.如权利要求1所述的一种测量换向器动态片间误差的方法，其特征在于：所述左位移传感器(7)、右位移传感器(3)相对180度安装。

9.如权利要求1或8所述的一种测量换向器动态片间误差的方法，其特征在于：所述左位移传感器(7)、右位移传感器(3)均为激光位移传感器。