CN108801179A - 一种远距离非接触轴同轴度测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种远距离非接触轴同轴度测量装置及方法,属于精密机械误差测量领域。测量装置包括激光器模块、四象限探测器模块、基准轴、待测轴和光学平台。通过分别旋转安装在基准轴上的激光器模块和安装在待测轴上的四象限探测器模块,根据四象限探测器上激光光斑扫描形成轨迹圆的圆心和半径信息,即可准确、快速并简便的测量出两远距离非接触轴的同轴度误差,且测量装置采用模块化设计的思想,将激光器模块和四象限探测器模块安装到其他具有远距离非接触轴结构的精密机械中,同样可实现其同轴度的测量。
Description
技术领域
本发明属于精密机械误差测量领域,具体涉及一种测量远距离非接触轴同轴度的装置及方法。
背景技术
当连接的两旋转轴之间存在较大同轴度误差时,会使机器在运行过程中产生振动、噪声、加速轴承磨损,缩短机器寿命,甚至产生机械故障。因此,设备安装运行和维护过程中,很有必要测量两旋转轴的同轴度。同轴度测量技术又称轴对中技术,主要用于测量两轴轴线的平行偏差和倾斜偏差。目前常用的方法有打表法、综合量规法和三坐标仪法等。
打表法受自身尺寸因素限制,不适用于远距离非接触轴同轴度测量;综合量规法同样存在测量范围小、量规易损坏的缺点;三坐标仪法测量设备体积大、价格昂贵、对测量环境要求高、且需将被测设备拆卸后置于其操作台上才能进行测量。
发明内容
为克服上述方法在测量远距离非接触轴过程中存在的问题,本发明提出一种测量远距离非接触轴同轴度的装置及方法。
具体技术方案为:
一种远距离非接触轴同轴度测量装置,包括激光器模块、四象限探测器模块、基准轴(1)、待测轴(13)和光学平台(7);其中激光器模块包括密珠轴套(3)、激光器旋转套筒(2)、激光器夹具(4)、半导体激光器(6)、调整螺钉(5);半导体激光器通过间隙配合固定在激光器夹具内孔中,激光器夹具外圆柱面上均匀布置调整螺钉,用于固定激光器并调整激光器的俯仰角和偏摆角,激光器夹具通过螺栓与激光器旋转套筒连接,激光器旋转套筒与基准轴通过密珠轴套连接;四象限探测器模块包括四象限光电探测器(8)、四象限固定夹具(9)、微位移调整平台(10)、四象限旋转套筒(11)、密珠轴套(12);四象限探测器设置于微位移调整平台和四象限固定夹具之间,通过拧紧四象限固定夹具和微位移调整平台之间的连接螺栓,固定四象限探测器,微位移调整平台与四象限旋转套筒通过螺栓连接,四象限旋转套筒通过密珠轴套与待测轴连接。
采用上述装置的远距离非接触轴同轴度测量方法,所述同轴度的测量包括倾斜偏差和平行偏差的测量,具体步骤如下:
第一步,如图2所示,保持四象限探测器模块在待测轴上位置不动,将激光器模块放置于基准轴上位置A处,绕基准轴旋转激光器模块,位于四象限探测器上的激光光斑扫描形成以O1为圆心,d1为半径的圆;然后沿基准轴轴线方向移动激光器模块到位置C,再次旋转激光器模块,激光光斑扫描形成以O1为圆心,d2为半径的圆,根据测量数据,利用最小二乘法拟合得到两轨迹圆半径d1和d2的值,根据公式其中LAC为位置A与C之间的距离,计算得到激光器光束与基准轴轴线的夹角;根据计算得到的夹角α,利用公式δ=15×tanα计算调整螺钉需调整的位移δ,利用δ调整激光器的俯仰角和偏摆角,调整完后再次重复上述测量过程,直至计算得到的夹角α<5角秒,完成激光器的调整;
第二步,如图3所示,将激光器模块放置在基准轴上位置D处并保持不动,将四象限探测器模块置于待测轴上位置E处,绕待测轴旋转四象限探测器模块,激光光斑扫描形成以O3为圆心,d3为半径的圆,然后,沿待测轴轴线方向移动四象限探测器模块到位置F,再次旋转四象限探测器模块,激光光斑扫描形成以O4为圆心,d4为半径的圆,根据测量数据,利用最小二乘法拟合得到圆心O3和O4的坐标值(x3,y3)和(x4,y4),结合移动距离LEF的大小,利用公式计算得到待测轴轴线和基准轴轴线的倾斜偏差;
第三步,如图4所示,将激光器模块置于基准轴上位置P处,四象限探测器模块置于位置T处,首先保持激光器模块位置不动,绕待测轴旋转四象限探测器模块,位于四象限探测器上的激光光斑扫描形成以O5为圆心,d5为半径的圆,然后,保持四象限探测器模块不动,绕基准轴旋转激光器模块,位于四象限探测器上的激光光斑扫描形成以O6为圆心,d6为半径的圆,根据测量数据,利用最小二乘法拟合得到轨迹圆的圆心O5和O6的坐标值(x5,y5),(x6,y6),并利用公式计算得到基准轴轴线和待测轴轴线的平行偏差l。
基于上述测量装置及方法,即可实现远距离非接触轴的同轴度测量。
本发明的有益效果是通过分别旋转安装在基准轴上的激光器模块和安装在待测轴上的四象限探测器模块,根据四象限探测器上激光光斑扫描形成轨迹圆的圆心和半径信息,即可准确、快速并简便的测量出两远距离非接触轴的同轴度误差,且测量装置采用模块化设计的思想,将激光器模块和四象限探测器模块安装到其他具有远距离非接触轴结构的精密机械中,同样可实现其同轴度的测量。
附图说明
图1为测量装置示意图。
图2(a)为激光光束调平原理示意图,(b)为四象限探测器上激光光斑运动轨迹示意图
图3(a)为倾斜偏差测量原理示意图,(b)为四象限探测器上激光光斑运动轨迹示意图。
图4(a)为平行偏差测量原理示意图,(b)为四象限探测器上激光光斑运动轨迹示意图。
图中:1基准轴;2激光器旋转套筒;3密珠轴套;4激光器夹具;5调整螺钉;6半导体激光器;7光学平台;8四象限光电探测器;9四象限固定夹具;10微位移调整平台;11四象限旋转套筒;12密珠轴套;13待测轴;14激光光束;15激光光斑。
具体实施方式
本发明提出了一种远距离非接触轴的同轴度测量装置及方法,以下结合技术方案和说明书附图详细叙述本发明的具体实施方式:
一种远距离非接触轴的同轴度测量装置及方法,测量装置主要包括激光器模块、四象限探测器模块、基准轴、待测轴、光学平台。其中:激光器旋转套筒2、密珠轴套3、激光器夹具4、调整螺钉5、半导体激光器6组成测量装置的激光器模块;四象限光电探测器8、四象限固定夹具9、微位移调整平台10、四象限旋转套筒11、密珠轴套12组成测量装置的四象限探测器模块,所述测量装置还包括基准轴1、光学平台7和待测轴13。
所述测量装置激光器模块具体实施方式如下:半导体激光器6通过间隙配合方式安装在激光器夹具4的内孔中,并在激光器夹具4外圆柱面上安装8个调整螺钉5,用于固定半导体激光器6并调节半导体激光器6的俯仰角和偏摆角,激光器夹具4通过螺栓连接方式与激光器旋转套筒2连接,同时,通过密珠轴套3连接激光器旋转套筒2和基准轴1,从而实现激光器模块绕基准轴1的旋转运动;所述四象限探测器模块具体实施方式如下:四象限探测器8放置于四象限固定夹具9和微位移调整平台10之间,通过拧紧连接四象限固定夹具9和微位移调整平台10螺钉,固定四象限探测器,微位移调整平台10通过螺栓连接和四象限旋转套筒11连接在一起,为实现四象限探测器模块绕待测轴的旋转运动,利用密珠轴套12将四象限旋转套筒11和待测轴13连接。
基于上述测量装置,结合技术方案和说明书附图,详细叙述远距离非接触轴同轴度测量方法的具体实施方式:
第一步,激光光束调平。如图2所示,将四象限探测器模块放置于待测轴1上位置B处并保持不动,先将激光器模块放置于基准轴上位置A处,旋转激光器模块,位于四象限探测器上的激光光斑15扫描形成以O1为圆心,半径为d1的圆,利用最小二乘法拟合得到轨迹圆的半径d1为273.1998μm,然后,沿基准轴轴线方向移动10mm,使激光器模块处于位置C,再次旋转激光器模块,激光光斑扫描形成以O1位圆心,d2为半径的圆,利用最小二乘法拟合得到轨迹圆的半径d2为240.147μm,通过公式计算得到激光器的倾斜角α=0.1891°,根据夹角α,利用公式15×tanα计算调整螺钉5需要调整的位移δ=49.056μm,根据该位移调整激光器的俯仰角和偏摆角,调整完成后再次重复上述测量过程,直至激光器的倾斜角α<5角秒,完成激光光束的调平。
第二步,倾斜偏差测量。如图3所示,将激光器模块放置于基准轴1上位置D处并保持激光器模块不动,先将四象限探测器模块放置于待测轴13上的位置E处,旋转激光器模块,激光光斑15扫描出以O3为圆心,d3为半径的圆,利用最小二乘法拟合得到圆心O3的坐标值为(-513.686μm,-259.922μm),半径d3为594.1987μm,然后,沿待测轴轴线方向移动20mm,使四象限探测器模块处于位置F,再次旋转四象限探测器模块,激光光斑15扫描出以O4为圆心,d4为半径的圆,利用最小二乘法拟合得到圆心O4的坐标值为(-298.153μm,-141.127μm),半径d4为298.6658μm,利用公式将得到的各数值代入公式,计算得到基准轴和待测轴轴线的倾斜偏差β=0.7047°。
第三步,平行偏差测量。如图4所示:将激光器模块放置于基准轴1上位置P处,将四象限模块放置于待测轴13上的位置T处,首先保持激光器不动,绕待测轴13旋转四象限探测器模块,激光光斑扫描形成以O5为圆心,d5为半径的圆,利用最小二乘法拟合得到圆心O5的坐标值为(-103.136μm,-110.191μm),半径d5为77.766μm,然后,保持四象限探测器模块不动,绕基准轴1旋转激光器模块,激光光斑15扫描形成以O6为圆心,d6为半径的圆,利用最小二乘法拟合得到圆心O6的坐标值为(-517.068μm,-261.757μm),半径d6为597.7173μm,则两轴轴线的平行偏差l为将各数值代入公式,得到平行偏差l为440.8083μm。
依据上述三个测量步骤,利用激光光斑扫描形成不同轨迹圆的圆心和半径信息,计算即可得到基准轴轴线和待测轴轴线的倾斜偏差和平行偏差。
Claims (2)
1.一种远距离非接触轴同轴度测量装置,其特征在于,包括激光器模块、四象限探测器模块、基准轴(1)、待测轴(13)和光学平台(7);其中激光器模块包括密珠轴套(3)、激光器旋转套筒(2)、激光器夹具(4)、半导体激光器(6)、调整螺钉(5);半导体激光器通过间隙配合固定在激光器夹具内孔中,激光器夹具外圆柱面上均匀布置调整螺钉,用于固定激光器并调整激光器的俯仰角和偏摆角,激光器夹具通过螺栓与激光器旋转套筒连接,激光器旋转套筒与基准轴通过密珠轴套连接;四象限探测器模块包括四象限光电探测器(8)、四象限固定夹具(9)、微位移调整平台(10)、四象限旋转套筒(11)、密珠轴套(12);四象限探测器设置于微位移调整平台和四象限固定夹具之间,通过拧紧四象限固定夹具和微位移调整平台之间的连接螺栓,固定四象限探测器,微位移调整平台与四象限旋转套筒通过螺栓连接,四象限旋转套筒通过密珠轴套与待测轴连接。
2.采用权利要求1所述装置的远距离非接触轴同轴度测量方法,其特征在于,包括如下步骤:
第一步,保持四象限探测器模块在待测轴上位置不动,将激光器模块放置于基准轴上位置A处,绕基准轴旋转激光器模块,位于四象限探测器上的激光光斑扫描形成以O1为圆心,d1为半径的圆;然后沿基准轴轴线方向移动激光器模块到位置C,再次旋转激光器模块,激光光斑扫描形成以O1为圆心,d2为半径的圆,根据测量数据,利用最小二乘法拟合得到两轨迹圆半径d1和d2的值,根据公式其中LAC为位置A与C之间的距离,计算得到激光器光束与基准轴轴线的夹角;根据计算得到的夹角α,利用公式δ=15×tanα计算调整螺钉需调整的位移δ,利用δ调整激光器的俯仰角和偏摆角,调整完后再次重复上述测量过程,直至计算得到的夹角α<5角秒,完成激光器的调整;
第二步,将激光器模块放置在基准轴上位置D处并保持不动,将四象限探测器模块置于待测轴上位置E处,绕待测轴旋转四象限探测器模块,激光光斑扫描形成以O3为圆心,d3为半径的圆,然后,沿待测轴轴线方向移动四象限探测器模块到位置F,再次旋转四象限探测器模块,激光光斑扫描形成以O4为圆心,d4为半径的圆,根据测量数据,利用最小二乘法拟合得到圆心O3和O4的坐标值(x3,y3)和(x4,y4),结合移动距离LEF的大小,利用公式计算得到待测轴轴线和基准轴轴线的倾斜偏差;
第三步,将激光器模块置于基准轴上位置P处,四象限探测器模块置于位置T处,首先保持激光器模块位置不动,绕待测轴旋转四象限探测器模块,位于四象限探测器上的激光光斑扫描形成以O5为圆心,d5为半径的圆,然后,保持四象限探测器模块不动,绕基准轴旋转激光器模块,位于四象限探测器上的激光光斑扫描形成以O6为圆心,d6为半径的圆,根据测量数据,利用最小二乘法拟合得到轨迹圆的圆心O5和O6的坐标值(x5,y5),(x6,y6),并利用公式计算得到基准轴轴线和待测轴轴线的平行偏差l。
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