CN108106559B - 一种精密轴系径向回转精度激光测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精密轴系径向回转精度激光测量系统及方法，该测量系统由转子振动平台、光源连接与发射部分、光学信息测量部分以及径向回转精度激光测量方法组成，在光源连接与发射部分设计了一种联轴器装置，将转轴、光源以及电源连为一体，实现转轴和激光头连接、紧固以及对心；测量部分采用位置敏感探测器进行光信号的采集，以便获得转轴的回转精度信息。本发明能够方便、快速、准确测量转轴回转精度，克服了以往测量系统中回转精度易受被测件形状轮廓误差影响的缺点，相比于传统的回转精度测量系统，能够实现回转精度的快速测量与处理，并且具有更高的精确度以及抗干扰性。

Description

一种精密轴系径向回转精度激光测量系统及方法

技术领域

本发明涉及物体特征参数测量领域，具体涉及一种基于位置敏感探测器的转轴回转精度测量系统及方法。

背景技术

在机械加工过程当中，影响加工精度的因素有很多，而其中机床主轴的回转精度对工件加工精度影响较大。

机床工作性能直接影响了零件的加工精度，机床主轴是工件或刀具的位置基准和运动基准，实验结果表明：精密车削的圆度误差约有30％～70％是由于主轴的回转精度较差引起的，且机床精度越高，所占比例也越大，通过回转轴运动精度的测定，可对机床进行状态监测和故障诊断，预测机床在理想加工条件下所能达到的最小形状误差和粗糙度，还可用于机床加工补偿控制和评价主轴的工作精度，以及判断误差产生的原因。因此，主轴回转精度的测量非常重要。

现在比较成熟的主轴回转精度的测量方法包括单向测量法、反向法、三点法、多点法等，都能取得比较好的测量效果。但是这些传统的测量方法一般是用电容或电感涡流传感器对安装在主轴上的标准球进行单点或多点测量，采集的数据包含主轴回转精度、标准球的安装偏心和形状误差三项，必须对数据进行误差分离才能得到回转精度，现有的回转精度测量是建立在误差分离技术上的，由于误差分离的不彻底，造成测量结果中包含有被测标准球的形状误差等分量，测量精度受到很大的影响。

位置敏感探测器是一种基于横向光电效应的位置敏感光电探测器件。科技的飞速发展使得位置敏感探测器的使用范围迅速扩大，现在位置敏感探测器已经被广泛的应用到了科技和商用的各个领域当中，特别是电子信息工程、自动控制、机械工程等领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种方便、快速、准确测量转轴回转精度的装置及方法，克服以往测量系统中回转精度易受被测件形状轮廓误差影响的缺点，相比于传统的回转精度测量系统，能够实现回转精度的快速测量与处理，并且具有更高的精确度以及抗干扰性。

本发明的技术方案是：一种精密轴系径向回转精度激光测量系统，包括支撑底座，所述支撑底座上固定有电机，所述电机的输出轴通过第一联轴器与转轴的左端连接，所述转轴通过轴承架设于所述支撑底座上，转轴的右端通过第二联轴器与激光头连接，同时，所述第二联轴器将转轴与激光头对中，以确保在转轴旋转过程中激光头与转轴紧密结合且不会发生倾斜及不对中现象；所述激光头沿转轴的中心轴向右发射激光，所述支撑底座上位于激光头右侧设有位置敏感探测器，所述激光头发射的激光垂直照射到该位置敏感探测器的探测面上，将转轴的振动信号转化为位置敏感探测器采集到的光信号；所述位置敏感探测器与数字采集卡信号连接，数字采集卡与上位机信号连接，激光头发射的激光束照射到位置敏感探测器的探测面中心，位置敏感探测器将采集到的光信号传送给数字采集卡，转化为电信号后发送至上位机，进而从上位机得到振动数据；所述激光头与供电电池电连接。

上述第二联轴器包括轴体，所述轴体的左端开设有用于套接所述转轴右端的圆柱状凹槽，且轴体左端的侧壁上设有将转轴和轴体紧固在一起的顶紧螺栓；所述轴体的右端开设有用于插入所述激光头的激光头插孔，所述轴体右端的侧壁上沿其周向开设有多个定位螺孔，各定位螺孔内均螺纹连接有一微调螺栓，该多个微调螺栓用于将激光头固定于激光头插孔内，并用于激光头对中时的微调；所述轴体的中部开设有电池槽，所述电池槽用于安装对激光头提供工作电源的供电电池。

上述电机通过电机底座和电机固定架固定在支撑底座上，其中电机底座固定于支撑底座上，电机固定架固定于电机底座上。

上述支撑底座上等间隔开设有标准螺纹孔，以便电机、轴承沿转轴的纵向方向对齐固定于支撑底座上。

上述轴承通过轴承座设于所述支撑底座上。

上述位置敏感探测器通过探测器支架固定于支撑底座上。

一种精密轴系径向回转精度激光测量方法，包括如下步骤：

步骤一、低速旋转转轴，同时采集激光光束在位置敏感探测器上的信息，利用微调螺栓调整激光头的安装位置，使激光光束与转轴回转中心重合；

步骤二、将转子振动平台运行至某一稳定转速，采集位置敏感探测器信号，通过灵敏度换算得到未经修正的径向回转精度信息；

步骤三、根据转子振动平台的几何参数，包括轴承位置、转轴长度、转轴半径，构建转子系统动力学模型，进而计算转子在该转速下的振动响应，得到激光光源处的转子振动曲线的斜率；

步骤四、根据步骤三中得到的转轴末端的转子振动曲线的斜率以及转轴末端与位置敏感探测器之间的直线距离，计算得到位置敏感探测器中径向回转精度的实际放大倍数；

步骤五、根据步骤四中得到的径向回转精度的实际放大倍数，对步骤二中得到的未经修正的径向回转精度信息进行修正，得到准确的精密轴系径向回转精度信息。

上述步骤三中，构建转子系统动力学模型以得到激光光源处的转子振动曲线的斜率，包括以下步骤：

步骤1、基于轴承内部滚动体的离心效应与陀螺效应，对由滚动体的几何约束方程与力平衡方程组成的非线性方程组进行求解，得到轴承的刚度；

步骤2、由Hamilton(哈密顿)原理得到梁模型的运动微分方程，采用有限元方法中的伽辽金法对方程进行求解，得到梁单元的质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵和单元力列向量；

步骤3、将得到的轴承刚度矩阵与梁单元的矩阵进行组集后，得到五自由度的转子系统动力学模型；

步骤4、通过转子系统动力学模型的齐次方程，解出系统固有频率，通过给动力学模型施加正弦激励，得到系统位移频响曲线；

步骤5、根据实验得到的系统固有频率及频响曲线，调整步骤1、步骤2中的质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵等矩阵参数，修正步骤3中得到的转子系统动力学模型；

步骤6、基于步骤5中得到的转子系统动力学模型，通过直接积分法求解给定转速下转子振动响应；

步骤7、根据转子不同位置处的振动响应，绘制转子振动曲线，得出转轴末端的振动曲线斜率。

本发明的有益效果：本发明能够方便、快速、准确测量转轴回转精度，克服了以往测量系统中回转精度易受被测件形状轮廓误差影响的缺点，相比于传统的回转精度测量系统，能够实现回转精度的快速测量与处理，并且具有更高的精确度以及抗干扰性。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述。

附图说明

图1是本发明整个测量系统的结构示意图。

图2是本发明第二联轴器的结构示意图。

图3是本发明测量系统的信号传输示意图。

图4是本发明实施方式的过程框图。

图5是本发明建模仿真得到的转轴振动响应。

图6是本发明计算放大倍数参考的转轴末端振动模型。

图7是本发明测量系统的测量结果。

附图标记说明：1、支撑底座；2、电机；3、电机端盖；4、电机支座；5、第一联轴器；6、转轴；7、轴承；8、第二联轴器；9、上位机；10、探测器支架；11、数字采集卡；12、顶紧螺栓；13、轴体；14、电池槽；15、微调螺栓；16、激光头插孔；

具体实施方式

本发明提供了一种精密轴系径向回转精度激光测量系统及方法，参见图1，本发明系统包括支撑底座1，所述支撑底座1上固定有电机2，所述电机2的输出轴通过第一联轴器5与转轴6的左端连接，所述转轴6通过轴承7架设于所述支撑底座1上，转轴6的右端通过第二联轴器8与激光头连接，同时，所述第二联轴器8将转轴6与激光头对中，以确保在转轴6旋转过程中激光头与转轴6紧密结合且不会发生倾斜及不对中现象；所述激光头沿转轴6的中心轴向右发射激光，所述支撑底座1上位于激光头右侧设有位置敏感探测器，所述激光头发射的激光垂直照射到该位置敏感探测器的探测面上，将转轴6的振动信号转化为位置敏感探测器采集到的光信号；所述位置敏感探测器与数字采集卡11信号连接，数字采集卡11与上位机9信号连接，激光头发射的激光束照射到位置敏感探测器的探测面中心，位置敏感探测器将采集到的光信号传送给数字采集卡11，转化为电信号后发送至上位机，进而从上位机9得到振动数据；所述激光头与供电电池电连接。

所述第二联轴器8包括轴体13，所述轴体13的左端开设有用于套接所述转轴6右端的圆柱状凹槽，且轴体13左端的侧壁上设有将转轴6和轴体13紧固在一起的顶紧螺栓12；所述轴体13的右端开设有用于插入所述激光头的激光头插孔16，所述轴体13右端的侧壁上沿其周向开设有多个定位螺孔，各定位螺孔内均螺纹连接有一微调螺栓15，该多个微调螺栓15用于将激光头固定于激光头插孔16内，并用于激光头对中时的微调；所述轴体13的中部开设有电池槽14，所述电池槽14用于安装对激光头提供工作电源的供电电池。参见图2，所述第二联轴器将转轴与激光头连接并且对中，保证在旋转过程中激光头与转轴紧密结合且不会发生倾斜与不对中现象；所述的测量部分，参见图3，即基于位置敏感探测器进行回转精度测量，包括位置探测器芯片及其调理电路、数据采集卡和上位机；将位置敏感探测器芯片置于转轴末端，固定在转轴末端的激光头垂直照射到位置敏感探测器芯片表面，激光光源的振动情况反映在位置敏感探测器芯片的输出信号中，该信号通过数据采集卡采集、传输至上位机中。

所述电机2通过电机底座和电机固定架4固定在支撑底座1上，其中电机底座固定于支撑底座1上，电机固定架4固定于电机底座上。通过电机端盖3将电机紧卡固定在电机固定架4上。

所述支撑底座1上等间隔开设有标准M5螺纹孔，以便电机2、轴承7沿转轴6的纵向方向对齐固定于支撑底座1上。

所述轴承7通过轴承座设于所述支撑底座1上。

所述位置敏感探测器通过探测器支架10固定于支撑底座1上。

本发明提供的精密轴系径向回转精度激光测量方法，包括如下步骤：

步骤一、低速旋转转轴，同时采集激光光束在位置敏感探测器上的信息，利用微调螺栓15调整激光头的安装位置，使激光光束与转轴回转中心重合；

步骤二、将转子振动平台运行至某一稳定转速，采集位置敏感探测器信号，通过灵敏度换算得到未经修正的径向回转精度信息；

步骤三、根据转子振动平台的几何参数，包括轴承位置、转轴长度、转轴半径，构建转子系统动力学模型，进而计算转子在该转速下的振动响应，得到激光光源处的转子振动曲线的斜率；

步骤四、根据步骤三中得到的转轴末端的转子振动曲线的斜率以及转轴末端与位置敏感探测器之间的直线距离，计算得到位置敏感探测器中径向回转精度的实际放大倍数；

步骤五、根据步骤四中得到的径向回转精度的实际放大倍数，对步骤二中得到的未经修正的径向回转精度信息进行修正，得到准确的精密轴系径向回转精度信息。

进一步地，步骤三中，构建转子系统动力学模型以得到激光光源处的转子振动曲线的斜率，包括以下步骤：

步骤1、基于轴承内部滚动体的离心效应与陀螺效应，对由滚动体的几何约束方程与力平衡方程组成的非线性方程组进行求解，得到轴承的刚度；

步骤2、由Hamilton(哈密顿)原理得到梁模型的运动微分方程，采用有限元方法中的伽辽金法对方程进行求解，得到梁单元的质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵和单元力列向量；

步骤3、将得到的轴承刚度矩阵与梁单元的矩阵进行组集后，得到五自由度的转子系统动力学模型；

步骤4、通过转子系统动力学模型的齐次方程，解出系统固有频率，通过给动力学模型施加正弦激励，得到系统位移频响曲线；

步骤5、根据实验得到的系统固有频率及频响曲线，调整步骤1、步骤2中的质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵等矩阵参数，修正步骤3中得到的转子系统动力学模型；

步骤6、基于步骤5中得到的转子系统动力学模型，通过直接积分法求解给定转速下转子振动响应；

步骤7、根据转子不同位置处的振动响应，绘制转子振动曲线，得出转轴末端的振动曲线斜率。

本发明方法进行转轴回转精度测量时，首先低速旋转转子，利用位置传感器得到转轴回转信息，利用微调螺栓调整激光光源的安装位置，使激光光束与转子回转中心重合；将转子振动平台运行至给定转速，采集位置敏感探测器信号，通过灵敏度换算得到未经修正的径向回转精度信息；

根据转子振动平台几何参数，构建转子系统动力学模型，进而计算转子在指定转速下的振动响应，根据转子不同位置处的振动响应绘制转子振动曲线，参见图5；随后，根据转轴末端不同位置处的振动响应拟合得到转轴末端的转子振动曲线，进一步得到转轴末端的曲线斜率，参见图6，即B点处的斜率，可以看出，转轴末端实际振幅AB与位置敏感探测器测量结果CD成比例关系；根据转轴末端振动曲线的斜率以及转轴末端与位置敏感探测器之间的直线距离，计算得到位置敏感探测器中径向回转精度相对转轴末端实际回转精度的放大倍数；结合位置探测器未经修正的回转精度信息与放大倍数，得到实际的转轴回转精度,参见图7(a)和图7(b)所示。

本发明的具体工作过程如下：参见图4，首先确定整个系统各个器件的对心与紧固，随后对激光头进行通电，并使转轴达到某一转速，通过激光头将转轴的振动信号转化为光信号，通过位置敏感探测器对光信号进行采集并转化为电信号，再经由数字采集卡进行采集后发送到上位机；另一方面，对转子系统进行建模得到转轴末端振动曲线进而得到放大倍数，结合上位机得到的振动信息计算出转子系统实际的振动情况。

综上，本发明能够方便、快速、准确测量转轴回转精度，克服了以往测量系统中回转精度易受被测件形状轮廓误差影响的缺点，相比于传统的回转精度测量系统，能够实现回转精度的快速测量与处理，并且具有更高的精确度以及抗干扰性。

Claims (6)

1.一种精密轴系径向回转精度激光测量方法，其特征在于，该方法采用的精密轴系径向回转精度激光测量系统包括支撑底座（1），所述支撑底座（1）上固定有电机（2），所述电机（2）的输出轴通过第一联轴器（5）与转轴（6）的左端连接，所述转轴（6）通过轴承（7）架设于所述支撑底座（1）上，转轴（6）的右端通过第二联轴器（8）与激光头连接，同时，所述第二联轴器（8）将转轴（6）与激光头对中，以确保在转轴（6）旋转过程中激光头与转轴（6）紧密结合且不会发生倾斜及不对中现象；所述激光头沿转轴（6）的中心轴向右发射激光，所述支撑底座（1）上位于激光头右侧设有位置敏感探测器，所述激光头发射的激光垂直照射到该位置敏感探测器的探测面上，将转轴（6）的振动信号转化为位置敏感探测器采集到的光信号；所述位置敏感探测器与数字采集卡（11）信号连接，数字采集卡（11）与上位机（9）信号连接，激光头发射的激光束照射到位置敏感探测器的探测面中心，位置敏感探测器将采集到的光信号传送给数字采集卡（11），转化为电信号后发送至上位机，进而从上位机（9）得到振动数据；所述激光头与供电电池电连接；所述第二联轴器（8）包括轴体（13），所述轴体（13）的左端开设有用于套接所述转轴（6）右端的圆柱状凹槽，且轴体（13）左端的侧壁上设有将转轴（6）和轴体（13）紧固在一起的顶紧螺栓（12）；所述轴体（13）的右端开设有用于插入所述激光头的激光头插孔（16），所述轴体（13）右端的侧壁上沿其周向开设有多个定位螺孔，各定位螺孔内均螺纹连接有一微调螺栓（15），该多个微调螺栓（15）用于将激光头固定于激光头插孔（16）内，并用于激光头对中时的微调；所述轴体（13）的中部开设有电池槽（14），所述电池槽（14）用于安装对激光头提供工作电源的供电电池；

该方法包括如下步骤：

步骤一、慢速旋转转轴，同时采集激光光束在位置敏感探测器上的信息，利用微调螺栓（15）调整激光头的安装位置，使激光光束与转轴回转中心重合；

步骤二、将转子振动平台运行至某一稳定转速，采集位置敏感探测器信号，通过灵敏度换算得到未经修正的径向回转精度信息；

步骤三、根据转子振动平台的几何参数，包括轴承位置、转轴长度、转轴半径，构建转子系统动力学模型，进而计算转子在该转速下的振动响应，得到激光光源处的转子振动曲线的斜率；

步骤四、根据步骤三中得到的转轴末端的转子振动曲线的斜率以及转轴末端与位置敏感探测器之间的直线距离，计算得到位置敏感探测器中径向回转精度的实际放大倍数；

步骤五、根据步骤四中得到的径向回转精度的实际放大倍数，对步骤二中得到的未经修正的径向回转精度信息进行修正，得到准确的精密轴系径向回转精度信息。

2.根据权利要求1所述的一种精密轴系径向回转精度激光测量方法，其特征在于，步骤三中，构建转子系统动力学模型以得到激光光源处的转子振动曲线的斜率，包括以下步骤：

步骤1、基于轴承内部滚动体的离心效应与陀螺效应，对由滚动体的几何约束方程与力平衡方程组成的非线性方程组进行求解，得到轴承的刚度；

步骤2、由Hamilton原理得到梁模型的运动微分方程，采用有限元方法中的伽辽金法对方程进行求解，得到梁单元的质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵和单元力列向量；

步骤3、将得到的轴承刚度矩阵与梁单元的矩阵进行组集后，得到五自由度的转子系统动力学模型；

步骤4、通过转子系统动力学模型的齐次方程，解出系统固有频率，通过给动力学模型施加正弦激励，得到系统位移频响曲线；

步骤5、根据实验得到的系统固有频率及频响曲线，调整步骤1、步骤2中的质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵的矩阵参数，修正步骤3中得到的转子系统动力学模型；

步骤6、基于步骤5中得到的转子系统动力学模型，通过直接积分法求解给定转速下转子振动响应；

步骤7、根据转子不同位置处的振动响应，绘制转子振动曲线，得出转轴末端的振动曲线斜率。

3.如权利要求1所述的一种精密轴系径向回转精度激光测量方法，其特征在于，所述电机（2）通过电机底座和电机固定架（4）固定在支撑底座（1）上，其中电机底座固定于支撑底座（1）上，电机固定架（4）固定于电机底座上。

4.如权利要求1所述的一种精密轴系径向回转精度激光测量方法，其特征在于，所述支撑底座（1）上等间隔开设有标准螺纹孔，以便电机（2）、轴承（7）沿转轴（6）的纵向方向对齐固定于支撑底座（1）上。

5.如权利要求1所述的一种精密轴系径向回转精度激光测量方法，其特征在于，所述轴承（7）通过轴承座设于所述支撑底座（1）上。

6.如权利要求1所述的一种精密轴系径向回转精度激光测量方法，其特征在于，所述位置敏感探测器通过探测器支架（10）固定于支撑底座（1）上。