CN109737884B - 一种轴类零件静动态形变量在线监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轴类零件静动态形变量在线监测装置及方法，包括基座(1)，伺服电机(2)，联轴器(3)，转速传感器(4)，被测轴类零件(5)，末端活动支撑(6)，限位导向板(7)，激光测距传感器阵列(8)，丝杠(9)，步进电机(10)，滑块(11)，滑动平台(12)，滑动导轨(13)等。本发明可以用来测量两类形变：1、动态时，即伺服电机带动被测轴类零件高速转动时，用来测量被测轴类零件横截面处由于动不平衡载荷作用下产生的形变大小；2、静态时，测量被测轴类零件在任意横截面处偏移其原轴心的距离和角度；实用性好。
Description
技术领域
本发明涉及在线监测技术领域，尤其涉及一种轴类零件静动态形变量在线监测装置及方法。
背景技术
随着机械行业朝着越来越精细化的方向发展，如何在对机械构件产生影响最小的情况下精确且快速测量其静态形变量，以及在运行状态下的动态形变量已成为重要课题，在工程和实践中具有重要意义。目前针对轴类零件形变量主要有三种测量方法：第一种是采用百分表等测量工具逐点测量的方法，第二种种是对于受载荷构件贴应变片的方法，第三种是将差动传感器安装在可动工作台上，并保证其测头在同一个垂直于回转轴线的平面内，测量线夹角为光电编码盘分辨率角度的整数倍；这种三种方法操作都较繁琐，且受人为影响因素较大，自动化程度低，且难以有效覆盖整个被测构件。本发明提出了一种针对轴类零件，能够在静态和动态监测轴类零件形变量的装置及方法，能在不接触被测试件的情况下，准确测量出试件主要形变的轴向的分布情况以及形变量的大小，具有适用范围广、测量准确、效率高等优点。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种轴类零件静动态形变量在线监测装置及方法。
本发明采用的技术方案是：
一种轴类零件静动态形变量在线监测装置，其特征在于，包括有基座，基座的一侧两端分别设有伺服电机、末端活动支撑，被测轴类零件转动安装在伺服电机与末端活动支撑之间，伺服电机的输出轴与被测轴类零件轴间用联轴器连接；所述基座的另一侧设有滑动平台，滑动平台的下部设有与被测轴类零件轴线方向垂直的滑动导轨，滑动平台可在滑动导轨上滑动，所述滑动平台上设置有丝杠、步进电机，丝杠上罩设有限位导向板，丝杠上配合安装有滑块，滑块上固定有激光测距传感器阵列，滑块的上端与限位导向板的上部导向端滑动连接，丝杠的一端与限位导向板的一限位端转动连接，丝杠的另一端贯穿限位导向板的另一限位端与步进电机连接，通过步进电机带动丝杠转动，使激光测距传感器阵列沿被测轴类零件轴线方向进行直线移动。
所述的一种轴类零件静动态形变量在线监测装置，其特征在于，所述伺服电机由伺服系统控制，转速可调节，从而实现静、动两种工作状态下所需的工作转速。伺服电机与被测轴类零件之间加装有转速传感器，用以监测实时转速。
所述的一种轴类零件静动态形变量在线监测装置，其特征在于，所述激光测距传感器阵列由一系列相同规格的激光测距传感器排列而成，构成一个整体，其目的在于将被测轴类零件划分成若干个区域，每个激光测距传感器的激光测距传感器负责该区域内的形变量测量，可大大减少扫描测量整个被测轴类零件所花的时间；激光测距传感器采集的数据输送到计算机，相关的数字处理、数学运算由计算机完成。
所述的一种轴类零件静动态形变量在线监测装置，其特征在于，针对不同长度的被测轴类零件，可以选取与其长度相适配数量的激光测距传感器阵列数目，同时对被测轴类零件起支撑、稳定作用的末端活动支撑的位置也可以通过基座调节，实现不同长度的被测轴类零件的装夹，被测轴类零件与末端活动支撑之间采用装油轴承连接。
所述的一种轴类零件静动态形变量在线监测装置，其特征在于，所述基座的下部设有滑动导轨，滑动导轨上装配有滑动平台，可以调节激光位移传感器阵列与被测轴类零件之间的距离，从而实现对于不同体量的被测轴类零件都能调整到合适的测量位置实现精确测量。
一种轴类零件静动态形变量在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、测量被测轴类零件的动态形变量，即伺服电机带动被测轴类零件高速转动时，测量被测轴类零件各横截面处由于动不平衡载荷作用下产生的形变大小，具体如下：
伺服电机带动被测轴类零件高速转动，位于基座上的激光测距传感器阵列以采样频率f测量各激光测距传感器与被测轴类零件表面间的距离L，取激光测距传感器在同一位置测得的L中的最小值Lmin；
代入算式：δ＝R-r-Lmin，即可得到被测轴类零件在该被测截面处偏离原轴线的距离δ,其中R为激光测距传感器与伺服电机主轴轴线的距离，r为被测轴类零件的截面半径；
一个截面的位移量测量结束后，得到被测轴类零件的形变的具体位置和形变位移δ的大小；
在测量完成一个截面的所有位置数据后，步进电机带动激光测距传感器阵列位移一个单位，进入下一个测量周期，继续在该位置测量被测轴类零件的形变量；一轮测量结束后，即可得到主要形变在被测件上的分布位置；
二、测量被测轴类零件的静态形变量，即测量被测轴类零件在任意横截面处偏移其原轴心的距离和角度，具体如下：
首先建立坐标系，沿伺服电机主轴方向建立z轴，激光测距传感器阵列测量的起始截面定为z＝0，该截面上规定铅垂向下为θ＝0，由此建立柱坐标系，被测轴类零件表面的点可由坐标：(r，θ，z)表示；
伺服电机带动被测轴类零件以较低的转速n0绕主轴转动；同时侧面的激光测距传感器阵列的以采样频率f向被测轴类零件发射光脉冲，不断测量该截面处激光测距传感器到被测轴类零件表面的距离L；不难得出，被测轴类零件转过一周激光测距传感器采集的数据次数：n＝60f/n0；
然后构建被测轴类零件表面各点在规定坐标系中的坐标，方法如下：将z＝zk截面z轴为圆心的圆周n等分，用矢量rk的端点表示旋转体的表面坐标，测得的n个激光测距传感器与被测轴类零件表面距离数据Lk,构造向量L＝(L1，L2，…,Ln),同时有如下关系：R＝rk+Lk，R表示激光测距传感器与z轴的距离，通过滑动平台在导轨上滑动调节，工作时为定值；则在截面z＝zk处被测轴类零件表面各点在规定坐标系下的坐标可以构成矩阵：
矩阵中每个三维列向量表示一个点的坐标；
其次进行数据处理、图形绘制，将矩阵P内柱坐标转换为直角坐标，
而后可对于截面zk处的形变量可以用如下算式描述：
其中(x0，y0)为形变之前形心的坐标；
在测量完成一个截面的所有位置数据后，步进电机带动激光测距传感器阵列位移一个单位，进入下一个测量周期。
本发明的优点是：
本发明可以用来测量两类形变：1、动态时，即伺服电机带动被测轴类零件高速转动时，用来测量被测轴类零件横截面处由于动不平衡载荷作用下产生的形变大小；静态时，测量被测轴类零件在任意横截面处偏移其原轴心的距离和角度；实用性好。
附图说明
图1为测量被测轴类零件的静态形变量时建立坐标系的示意图。
图2为被测轴类零件表面各点在坐标系中的坐标示意图。
图3为一种轴类零件静动态形变量在线监测装置的示意图。
图中：1-基座，2-伺服电机，3-联轴器，4-转速传感器，5-被测轴类零件，6-末端活动支撑，7-限位导向板，8-激光测距传感器阵列，9-丝杠，10-步进电机，11-滑块，12-滑动平台，13-滑动导轨。
图4为末端活动支撑的结构示意图。
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。
实施例。
一种轴类零件静动态形变量在线监测装置，包括有基座1，基座1的一侧两端分别设有伺服电机2、末端活动支撑6，被测轴类零件5转动安装在伺服电机2与末端活动支撑6之间，伺服电机2的输出轴与被测轴类零件5轴间用联轴器3连接；所述基座1的另一侧设有滑动平台12，滑动平台12的下部设有与被测轴类零件5轴线方向垂直的滑动导轨13，滑动平台12可在滑动导轨13上滑动，所述滑动平台12上设置有丝杠9、步进电机10，丝杠9上罩设有限位导向板7，丝杠9上配合安装有滑块11，滑块11上固定有激光测距传感器阵列8，滑块11的上端与限位导向板7的上部导向端滑动连接，丝杠9的一端与限位导向板7的一限位端转动连接，丝杠9的另一端贯穿限位导向板7的另一限位端与步进电机10连接，通过步进电机10带动丝杠9转动，使激光测距传感器阵列8沿被测轴类零件5轴线方向进行直线移动。
伺服电机2由伺服系统控制，转速可调节，从而实现静、动两种工作状态下所需的工作转速。伺服电机2与被测轴类零件5之间加装有转速传感器3，用以监测实时转速。
激光测距传感器阵列8由一系列相同规格的激光测距传感器排列而成，构成一个整体，其目的在于将被测轴类零件5划分成数个区域，每个激光测距传感器的激光测距传感器负责该区域内的形变量测量，可大大减少扫描测量完整个被测轴类零件5所花的时间；激光测距传感器采集的数据输送到计算机，相关的数字处理、数学运算由计算机完成。
针对不同长度的被测轴类零件5，可以选取与其长度相适配数量的激光测距传感器阵列8数目，同时对被测轴类零件5起支撑、稳定作用的末端活动支撑6的位置也可以通过基座1调节，实现不同长度的被测轴类零件5的装夹，被测轴类零件5与末端活动支撑6之间采用装油轴承连接，如附图4所示。
所述基座1的下部设有滑动导轨，滑动导轨上装配有滑动平台12，可以调节激光位移传感器阵列8与被测轴类零件5之间的距离，从而实现对于不同体量的被测轴类零件5都能调整到合适的测量位置实现精确测量。
一种轴类零件静动态形变量在线监测方法，包括以下步骤：
一、测量被测轴类零件5的动态形变量，即伺服电机2带动被测轴类零件5高速转动时，测量被测轴类零件5各横截面处由于动不平衡载荷作用下产生的形变大小，具体如下：
(1)伺服电机带动被测轴类零件5高速转动，位于基座上的激光测距传感器阵列8以采样频率f测量各激光测距传感器与被测轴类零件5表面间的距离L，取激光测距传感器在同一位置测得的L中的最小值Lmin；
(2)代入算式：δ＝R-r-Lmin，即可得到被测轴类零件5在该被测截面处偏离原轴线的距离δ,其中R为激光测距传感器与伺服电机2主轴轴线的距离，r为被测轴类零件5的截面半径；
(3)一个截面的位移量测量结束后，得到被测轴类零件5的形变的具体位置和形变位移δ的大小；
(4)在测量完成一个截面的所有位置数据后，步进电机10带动激光测距传感器阵列8位移一个单位，进入下一个测量周期，继续在该位置测量被测轴类零件5的形变量；一轮测量结束后，即可得到主要形变在被测件上的分布位置；
二、测量被测轴类零件5的静态形变量，即测量被测轴类零件5在任意横截面处偏移其原轴心的距离和角度，具体如下：
(1)首先建立坐标系，沿伺服电机2主轴方向建立z轴，激光测距传感器阵列8测量的起始截面定为z＝0，该截面上规定铅垂向下为θ＝0，由此建立柱坐标系，被测轴类零件5表面的点可由坐标：(r，θ，z)表示；
(2)伺服电机2带动被测轴类零件5以较低的转速n0绕主轴转动；同时侧面的激光测距传感器阵列8的以采样频率f向被测轴类零件5发射光脉冲，不断测量该截面处激光测距传感器到被测轴类零件5表面的距离L；不难得出，被测轴类零件5转过一周激光测距传感器采集的数据次数：n＝60f/n0；
(3)然后构建被测轴类零件5表面各点在规定坐标系中的坐标，方法如下：将z＝zk截面z轴为圆心的圆周n等分，用矢量rk的端点表示旋转体的表面坐标，测得的n个激光测距传感器与被测轴类零件表面距离数据Lk,构造向量L＝(L1，L2，…,Ln),同时有如下关系：R＝rk+Lk，R表示激光测距传感器与z轴的距离，通过滑动平台在导轨上滑动调节，工作时为定值；则在截面z＝zk处被测轴类零件5表面各点在规定坐标系下的坐标可以构成矩阵：
矩阵中每个三维列向量表示一个点的坐标；
(4)其次进行数据处理、图形绘制，将矩阵P内柱坐标转换为直角坐标，
而后可对于截面zk处的形变量可以用如下算式描述：
其中(x0，y0)为形变之前形心的坐标；
(5)在测量完成一个截面的所有位置数据后，步进电机10带动激光测距传感器阵列8位移一个单位，进入下一个测量周期。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种轴类零件静动态形变量在线监测方法，其特征在于，包括轴类零件静动态形变量在线监测装置，所述轴类零件静动态形变量在线监测装置包括有基座(1)，基座(1)的一侧两端分别设有伺服电机(2)、末端活动支撑(6)，被测轴类零件(5)转动安装在伺服电机(2)与末端活动支撑(6)之间，伺服电机(2)的输出轴与被测轴类零件(5)轴间用联轴器(3)连接；所述基座(1)的另一侧设有滑动平台(12)，滑动平台(12)的下部设有与被测轴类零件(5)轴线方向垂直的滑动导轨(13)，滑动平台(12)可在滑动导轨(13)上滑动，所述滑动平台(12)上设置有丝杠(9)、步进电机(10)，丝杠(9)上罩设有限位导向板(7)，丝杠(9)上配合安装有滑块(11)，滑块(11)上固定有激光测距传感器阵列(8)，滑块(11)的上端与限位导向板(7)的上部导向端滑动连接，丝杠(9)的一端与限位导向板(7)的一限位端转动连接，丝杠(9)的另一端贯穿限位导向板(7)的另一限位端与步进电机(10)连接，通过步进电机(10)带动丝杠(9)转动，使激光测距传感器阵列(8)沿被测轴类零件(5)轴线方向进行直线移动；所述在线监测方法包括以下步骤：
一、测量被测轴类零件(5)的动态形变量，即伺服电机(2)带动被测轴类零件(5)高速转动时，测量被测轴类零件(5)各横截面处由于动不平衡载荷作用下产生的形变大小，具体如下：
(1)伺服电机带动被测轴类零件(5)高速转动，位于基座上的激光测距传感器阵列(8)以采样频率f测量各激光测距传感器与被测轴类零件(5)表面间的距离L，取激光测距传感器在同一位置测得的L中的最小值Lmin；
(2)代入算式：δ＝R-r-Lmin，即可得到被测轴类零件(5)在该被测截面处偏离原轴线的距离δ,其中R为激光测距传感器与伺服电机(2)主轴轴线的距离，r为被测轴类零件(5)的截面半径；
(3)一个截面的位移量测量结束后，得到被测轴类零件(5)的形变的具体位置和形变位移δ的大小；
(4)在测量完成一个截面的所有位置数据后，步进电机(10)带动激光测距传感器阵列(8)位移一个单位，进入下一个测量周期，继续在该位置测量被测轴类零件(5)的形变量；一轮测量结束后，即可得到主要形变在被测件上的分布位置；
二、测量被测轴类零件(5)的静态形变量，即测量被测轴类零件(5)在任意横截面处偏移其原轴心的距离和角度，具体如下：
(1)首先建立坐标系，沿伺服电机(2)主轴方向建立z轴，激光测距传感器阵列(8)测量的起始截面定为z＝0，该截面上规定铅垂向下为θ＝0，由此建立柱坐标系，被测轴类零件(5)表面的点可由坐标：(r，θ，z)表示；
(2)伺服电机(2)带动被测轴类零件(5)以较低的转速n0绕主轴转动；同时侧面的激光测距传感器阵列(8)的以采样频率f向被测轴类零件(5)发射光脉冲，不断测量该截面处激光测距传感器到被测轴类零件(5)表面的距离L；不难得出，被测轴类零件(5)转过一周激光测距传感器采集的数据次数：n＝60f/n0；其中采用频率f的单位是Hz，转速的单位是r/min；
(3)然后构建被测轴类零件(5)表面各点在规定坐标系中的坐标，方法如下：将z＝zk截面z轴为圆心的圆周n等分，用矢量rk的端点表示旋转体的表面坐标，测得的n个激光测距传感器与被测轴类零件(5)表面距离数据Lk,构造向量L＝(L1，L2，…,Ln),同时有如下关系：R＝rk+Lk，R表示激光测距传感器与z轴的距离，通过滑动平台在导轨上滑动调节，工作时为定值；则在截面z＝zk处被测轴类零件(5)表面各点在规定坐标系下的坐标可以构成矩阵：
矩阵中每个三维列向量表示一个点的坐标；
(4)其次进行数据处理、图形绘制，将矩阵P内柱坐标转换为直角坐标，
而后可对于截面zk处的形变量可以用如下算式描述：
其中(x0，y0)为形变之前形心的坐标；
(5)在测量完成一个截面的所有位置数据后，步进电机(10)带动激光测距传感器阵列(8)位移一个单位，进入下一个测量周期。
2.根据权利要求1所述的一种轴类零件静动态形变量在线监测方法，其特征在于，所述伺服电机(2)由伺服系统控制，转速可调节，从而实现静、动两种工作状态下所需的工作转速；伺服电机(2)与被测轴类零件(5)之间加装有转速传感器(3)，用以监测实时转速。
3.根据权利要求1所述的一种轴类零件静动态形变量在线监测方法，其特征在于，所述激光测距传感器阵列(8)由一系列相同规格的激光测距传感器排列而成，构成一个整体，其目的在于将被测轴类零件(5)划分成若干个区域，每个激光测距传感器负责该区域内的形变量测量，可大大减少扫描测量整个被测轴类零件(5)所花的时间；激光测距传感器采集的数据输送到计算机，相关的数字处理、数学运算由计算机完成。
4.根据权利要求1所述的一种轴类零件静动态形变量在线监测方法，其特征在于，针对不同长度的被测轴类零件(5)，可以选取与其长度相适配数量的激光测距传感器阵列(8)数目，同时对被测轴类零件(5)起支撑、稳定作用的末端活动支撑(6)的位置也可以通过基座(1)调节，实现不同长度的被测轴类零件(5)的装夹，被测轴类零件(5)与末端活动支撑(6)之间采用轴承连接。
5.根据权利要求1所述的一种轴类零件静动态形变量在线监测方法，其特征在于，所述基座(1)的下部设有滑动导轨，滑动导轨上装配有滑动平台(12)，可以调节激光位移传感器阵列(8)与被测轴类零件(5)之间的距离，从而实现对于不同体量的被测轴类零件(5)都能调整到合适的测量位置实现精确测量。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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