CN110044613A - 基于轴盘的转子六自由度运动测试及其运动参数解耦方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于轴盘的转子六自由度运动测试及其运动参数解耦方法，该方法先制备一个高精度的“轴盘”测试件和位移传感器工装；将轴盘测试件固结在转子上；在轴盘测试件的圆盘面上布置三个测点(测轴向运动)，标准轴的圆柱面上布置两个测点(测径向运动)，轴肩处布置角度编码器(测回转运动)，通过工装保证位移传感器测量位置的准确性；建立固定坐标系与轴盘测试件的动坐标系，将位移传感器和编码器的测量值以矢量表示，建立轴盘测试件的轴线六自由度运动矢量与测试矢量的关系模型；以位移传感器和编码器的离散测量数据为已知量，求解转子/轴盘测试件轴线的六自由度运动。应用该方法可解耦转子每个瞬时的六自由度运动。

Description

基于轴盘的转子六自由度运动测试及其运动参数解耦方法

技术领域

本发明属于转子运动精度测试技术领域，涉及一种基于轴盘的转子六自由度运动测试及其运动参数解耦方法。

背景技术

转子真实运动是衡量传动系统运动和动力传递质量的关键指标，直接影响精密机床、仪器转台、齿轮传动装置等机械设备的精度特性。转子的理想运动为单自由度的回转运动，其它五个自由度受刚性约束，然而由于各零件的制造误差和弹性变形，转子的真实运动呈现六自由度的空间运动，需要通过运动测试和六自由度解耦方法评价转子运动的精度特性。早在上世纪70年代，国际机械生产技术研究协会发表了“关于回转轴性能和误差运动测定”的统一文件，对回转轴线等术语进行了统一的定义，推动了转子运动测试的研究。现今，转子运动测试广泛应用于精密装备的精度评价、误差补偿和故障诊断当中，随着机械装备的精度需求不断提高，转子六自由度运动测试及其运动参数精确解耦问题日益凸显，已经成为转子运动特性评价、补偿和故障诊断的主要问题。

转子运动测试最早采用单向测量和双向测量方法测试转子的径向运动；随后采用径向运动测试和轴系运动测试相结合的方法，在直接坐标系三个方向安装位移传感器，对固结在转子上的标准棒进行检测，可测试转子的径向和轴系运动；转子倾角方向的运动可通过多个截面布置位移传感器进行测试；以上的测试方法仅能测试转子的部分运动参数(径向、轴向或倾角)。1992年美国雄狮公司采用双标准球五点法，结合编码器测试转子的真实运动，可实现转子六自由度运动测试，但双标准球的加工难度很大且测试转子运动的使用条件十分苛刻，尤其轴向测试对转子结构和空间要求很高，难以适用于所有转子的运动测试当中。通过四个位移传感器测量标准棒两个截面径向运动、一个位移传感器测量轴向运动，可简单地测试转子的六自由度运动，但该种测试方案占用空间较大、轴向位移传感器在闭式传动链中难以布置，并且由于位移传感器测试表面为圆柱面(非球面)—即随转子运动测点到转子轴线的垂足位置始终变化，通过假设该垂足位置不变可解耦六自由度运动参数，但引入了测量原理误差，使解耦的运动参数不准确，难以满足精密设备的运动测试要求。

发明内容

为了克服现有技术中存在的转子六自由度运动测试的通用性以及六自由度运动参数精确解耦问题，本发明提出了基于轴盘的转子六自由度运动测试及其运动参数解耦方法，以高精度“轴盘”测试件代替双标准球，将轴盘固结在转子上，通过圆盘面上布置三个测点、标准轴圆柱面上布置两个测点、轴肩上安装角度编码器对转子运动进行测试，五个测点的传感器固定于位移传感器工装上，并基于刚体运动几何学原理，制定转子运动测试方案，通过位移传感器和角度编码器离散测试数据，解耦转子每个瞬时的六自由度运动。由此解决了转子六自由度运动测试的通用性以及六自由度运动参数的精确解耦问题，为精密装备精度评价、误差补偿和故障诊断提供运动测试和六自由度解耦方法。

本发明的具体技术方案为：

基于轴盘的转子六自由度运动测试及其运动参数解耦方法，包括步骤如下：

步骤1：制备一个轴盘和位移传感器工装，所述轴盘是包括标准轴、圆盘和轴肩的一体结构，标准轴位于圆盘和轴肩之间，标准轴的轴线垂直于圆盘面，并与圆盘面和轴肩同心；所述位移传感器工装包括传感器安装孔和螺纹孔，用于位移传感器的安装和定位；轴盘和位移传感器的平面度、圆柱度、垂直度、位置度公差要求高于转子运动精度一个数量级；

步骤2：在标准轴的圆柱面上正交布置两个径向位移传感器A₁、A₂，在圆盘面上均匀布置三个轴向位移传感器A₃、A₄、A₅，所述五个位移传感器皆固定于位移传感器工装上；在轴肩处安装角度编码器；通过位移传感器工装保证位移传感器测量位置的准确性；

步骤3：将轴盘的圆盘非测量面固结在转子上，建立位移传感器工装的固定坐标系S_f{O_f；X_f,Y_f,Z_f}和轴盘的运动坐标系S_m{O_m；X_m,Y_m,Z_m}，O_f与O_m分别为位移传感器工装和轴盘的中心，X_f、Y_f、Z_f分别与径向和轴向位移传感器方向平行，O_m-X_mY_m与轴盘的圆盘面重合，Z_m与轴盘的轴线重合，初始时刻S_f与S_m的各坐标轴平行；

步骤4：以轴盘运动坐标系S_m相对于固定坐标系S_f的三个方向的平移自由度(x,y,z)和三个方向的旋转自由度(θ_x,θ_y,θ_z)描述转子六自由度运动参数，转子上任意一点P，在固定坐标系和运动坐标系下的位置矢量r_Pf和r_Pm的变换关系为：

r_Pf＝r_om+r_Pm＝r_om+R_fmr_Pm (1)

其中，r_om为平移变换矩阵，r_om＝(x,y,z)^T，R_fm为旋转变换矩阵，

c和s为cos和sin的缩写；

步骤5：将位移传感器端点位置、测量值以矢量表示，建立轴盘的轴线运动矢量与测试矢量的关系模型；

径向位移传感器A₁、A₂测量方向交标准轴于Q₁、Q₂点，过Q₁、Q₂做标准轴轴线的垂线，交于P₁、P₂，对于轴系任意运动位置j，建立刚体运动几何学的闭环矢量方程：

其中，r_Ai为各传感器端点的位置矢量(已知)，为各位移传感器端点到标准轴或圆盘面被测点的矢量(被测量)，为P₁、P₂点在固定坐标系下的矢径，其中为旋转变换矩阵，包含三个旋转运动参数；为垂直于动坐标系Z_m的矢量；为运动坐标系相对于固定坐标系的平移量，包含三个平移运动参数；共有18个待定参数，17个标量方程，结合编码器测得回转角条件解耦转子的六自由度运动参数x,y,z,θ_x,θ_y,θ_z，通过刚体运动变换关系，求解刚体任一点或直线的运动轨迹，评价转子运动特性。

上述步骤5：采用另一种方案将位移传感器端点位置、测量值以矢量表示，建立轴盘的轴线运动矢量与测试矢量的关系模型；

径向位移传感器A₁、A₂测量方向交标准轴于Q₁、Q₂点，过Q₁、Q₂做标准轴轴线的垂线，交于P₁、P₂，对于轴系任意运动位置j，建立刚体运动几何学的闭环矢量方程：

其中，r_Ai为各传感器端点的位置矢量(已知)，为各位移传感器端点到标准轴或圆盘面被测点的矢量(被测量)，为P₁、P₂、O_m点在固定坐标系下的矢径，为P_i或O_m与Q_i连线的矢量，共有24个待定参数，24个标量方程，求解轴线运动的方向矢量无需编码器测回转角即可得到转子轴线的方向矢量，包含五个运动参数x,y,z,θ_x,θ_y，结合角度编码器测得的回转角θ_z以及刚体运动变换关系，求解刚体任一点或直线的运动轨迹，评价转子运动特性。

本发明的有益效果为，采用轴盘对转子运动进行测试，便于布置位移传感器以及减少运动测试占用的空间，并基于刚体运动几何学原理，解决了转子六自由度运动参数的精确解耦问题。

附图说明

图1是本发明具体实施例中的轴盘示意图。

图2是本发明具体实施例中的位移传感器工装示意图。

图3是本发明具体实施例中的轴盘运动测点布置示意图。

图4是本发明具体实施例中的转子运动测试坐标系定义和闭环矢量图。

图5是本发明具体实施例中的解耦曲线图。(a)平移运动参数与回转角的关系图(b)角摆运动参数与回转角的关系图。

图6是本发明的转子运动测试结构示意图。

图中：1圆盘面；2标准轴圆柱面；3轴肩；4位移传感器；5夹紧螺钉；6传感器工装；7轴盘测试件；8角度编码器。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施案例，对本发明做进一步说明。

本实施案例的目标是通过轴盘、位移传感器和角度编码器测试转子的六自由度运动并解耦六自由度运动参数。

转子运动测试的相关参数示意图如图3所示，参数值见表1。

表1转子运动测试方案中的参数

d	D	l	θ<sub>1</sub>	θ<sub>2</sub>	θ<sub>3</sub>
						33mm	114mm	29mm	30°	120°	120°

基于轴盘的转子六自由度运动测试及其运动参数解耦方法，具体实现步骤如下：

步骤1：制备一个轴盘和位移传感器工装，如图1和图2所示，满足表1转子运动测试方案中的参数，所述轴盘是包括标准轴、圆盘和轴肩的一体结构，标准轴位于圆盘和轴肩之间，标准轴的轴线垂直于圆盘面，并与圆盘面和轴肩同心；所述位移传感器工装包括传感器安装孔和螺纹孔，用于位移传感器的安装和定位；轴盘和位移传感器的平面度、圆柱度、垂直度、位置度的精度高于转子运动精度一个数量级。

步骤2：在标准轴的圆柱面上正交布置两个径向位移传感器A₁、A₂，在圆盘面上均匀布置三个轴向位移传感器A₃、A₄、A₅，所述五个位移传感器皆固定于位移传感器工装上；在轴肩处安装角度编码器；通过位移传感器工装保证位移传感器测量位置的准确性；测试方案如图3所示。

步骤3：将轴盘的圆盘非测量面固结在转子上，建立位移传感器工装(机架)的固定坐标系S_f{O_f；X_f,Y_f,Z_f}和轴盘的运动坐标系S_m{O_m；X_m,Y_m,Z_m}，O与O₁分别为位移传感器工装和轴盘的中心，X、Y、Z分别与径向和轴向位移传感器方向平行，O₁-X₁Y₁与轴盘的圆盘面重合，Z₁与轴盘的轴线重合，初始时刻S与S₁的各坐标轴平行，坐标系定义如图4所示。

步骤4：以轴盘运动坐标系S_m相对于固定坐标系S_f的三个方向的平移自由度(x,y,z)和三个方向的旋转自由度(θ_x,θ_y,θ_z)描述转子六自由度运动参数，变换关系如式(1)。

步骤5：将位移传感器端点位置、测量值以矢量表示，各位移传感器的端点位置矢量为r_A1＝(0,16.5,0)^T，r_A2＝(-16.5,0,0)^T，r_A3＝(0,-57,-29)^T，r_A4＝(-49.36,28.5,-29)^T，r_A5＝(49.36,28.5,-29)^T，在转子运动过程中记录各位移传感器读数，测量值矢量分别为 其中i＝1,2...,5为各位移传感器读数。按公式(2)或公式(3)，以位移传感器和角度编码器的离散测量数据为已知量，解耦转子轴线的六自由度运动，即x,y,z,θ_x,θ_y,θ_z，如图5所示。

Claims (2)

1.基于轴盘的转子六自由度运动测试及其运动参数解耦方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤1：制备一个轴盘和位移传感器工装，所述轴盘是包括标准轴、圆盘和轴肩的一体结构，标准轴位于圆盘和轴肩之间，标准轴的轴线垂直于圆盘面，并与圆盘面和轴肩同心；所述位移传感器工装包括传感器安装孔和螺纹孔，用于位移传感器的安装和定位；轴盘和位移传感器的平面度、圆柱度、垂直度、位置度公差要求高于转子运动精度一个数量级；

步骤2：在标准轴的圆柱面上正交布置两个径向位移传感器A₁、A₂，在圆盘面上均匀布置三个轴向位移传感器A₃、A₄、A₅，所述五个位移传感器皆固定于位移传感器工装上；在轴肩处安装角度编码器；通过位移传感器工装保证位移传感器测量位置的准确性；

步骤3：将轴盘的圆盘非测量面固结在转子上，建立位移传感器工装的固定坐标系S_f{O_f；X_f,Y_f,Z_f}和轴盘的运动坐标系S_m{O_m；X_m,Y_m,Z_m}，O_f与O_m分别为位移传感器工装和轴盘的中心，X_f、Y_f、Z_f分别与径向和轴向位移传感器方向平行，O_m-X_mY_m与轴盘的圆盘面重合，Z_m与轴盘的轴线重合，初始时刻S_f与S_m的各坐标轴平行；

步骤4：以轴盘运动坐标系S_m相对于固定坐标系S_f的三个方向的平移自由度(x,y,z)和三个方向的旋转自由度(θ_x,θ_y,θ_z)描述转子六自由度运动参数，转子上任意一点P，在固定坐标系和运动坐标系下的位置矢量r_Pf和r_Pm的变换关系为：

r_Pf＝r_om+r_Pm＝r_om+R_fmr_Pm (1)

其中，r_om为平移变换矩阵，r_om＝(x,y,z)^T，R_fm为旋转变换矩阵，

c和s为cos和sin的缩写；

步骤5：将位移传感器端点位置、测量值以矢量表示，建立轴盘的轴线运动矢量与测试矢量的关系模型；

径向位移传感器A₁、A₂测量方向交标准轴于Q₁、Q₂点，过Q₁、Q₂做标准轴轴线的垂线，交于P₁、P₂，对于轴系任意运动位置j，建立刚体运动几何学的闭环矢量方程：

其中，r_Ai为各传感器端点的位置矢量，为各位移传感器端点到标准轴或圆盘面被测点的矢量，为P₁、P₂点在固定坐标系下的矢径，其中为旋转变换矩阵，包含三个旋转运动参数；为垂直于动坐标系Z_m的矢量；为运动坐标系相对于固定坐标系的平移量，包含三个平移运动参数；共有18个待定参数，17个标量方程，结合编码器测得回转角条件解耦转子的六自由度运动参数x,y,z,θ_x,θ_y,θ_z，通过刚体运动变换关系，求解刚体任一点或直线的运动轨迹，评价转子运动特性。

2.权利要求1所述的基于轴盘的转子六自由度运动测试及其运动参数解耦方法，其特征在于，步骤5：将位移传感器端点位置、测量值以矢量表示，建立轴盘的轴线运动矢量与测试矢量的关系模型；

径向位移传感器A₁、A₂测量方向交标准轴于Q₁、Q₂点，过Q₁、Q₂做标准轴轴线的垂线，交于P₁、P₂，对于轴系任意运动位置j，建立刚体运动几何学的闭环矢量方程：

其中，r_Ai为各传感器端点的位置矢量，为各位移传感器端点到标准轴或圆盘面被测点的矢量，为P₁、P₂、O_m点在固定坐标系下的矢径，为P_i或者O_m与Q_i连线的矢量，共有24个待定参数，24个标量方程，求解轴线运动的方向矢量无需编码器测回转角即可得到转子轴线的方向矢量，包含五个运动参数x,y,z,θ_x,θ_y，结合角度编码器测得的回转角θ_z以及刚体运动变换关系，求解刚体任一点或直线的运动轨迹，评价转子运动特性。