CN110160770B - 高速旋转主轴实时检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械装备中安装使用的实时检测装置，特别涉及高速旋转主轴实时检测装置及其检测方法。本发明装置包括主轴轴向端面测量靶点、激光发射器、图像数据采集器、信号转换器、数据存储器、空间立体坐标系显示系统。该装置的检测方法是图像数据采集器实时接收来自待测主轴轴向端面测量靶点反射的激光，图像数据采集器把接收到的激光干涉条纹通过信号转换器，在立体坐标体系中确定其空间三维坐标，将其三维坐标进行模型运算，得到均值；根据数值进行振动分析和故障诊断。本发明解决了现有技术中各种传感器检测数据的同步性问题，能够在主轴的轴向位置实时地、同步地检测主轴的径向振动、轴向位移、实时转速和转速方向的具体数值。

Description

高速旋转主轴实时检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及离心式压缩机、汽轮机、光刻机等装有高速旋转主轴的机械装备中安装使用的实时检测装置，特别涉及高速旋转主轴实时检测装置及其检测方法。

背景技术

无论通用机械还是专用设备几乎都需要对高速旋转主轴的振动、转速、以及轴位移进行实时检测，根据测得数据与理论计算数据进行对比分析后采取相应的控制策略。特别是在离心式压缩机等高达20000转的旋转主轴，这些检测装置更是不可或缺的。传统的检测是将转速、振动、轴位移分开检测，其检测结果和实际使用和理想状态差距甚远。因此，需要研制一种能够将基础误差保持一致的多功能实时检测装置。

激光全息技术是利用光的干涉和衍射原理，将物体反射的特定光波以干涉条纹形式记录下来，并在一定条件下使其再现。全息干涉的相干光束是由同一系统产生的，因而可以消除系统的误差、降低对光学元件的精度要求。全息干涉计量能实现高精度非接触无损三维测量，分析测量能够波长数量级的水平,同时还可以对一个物体在2个不同时刻的状态进行对比，从而探测物体在一段时间内发生的任何变化。

“电荷耦合器件”(Charge Couple Device，简写CCD)，是一种以电荷包的形式存储和传递信息的半导体表面器件，能够把光学影像转化为数字信号。由于CCD相机的灵敏度高、噪声低、动态范围大等突出优点，使它在天文物理学、航空航天、生物和医学研究、X射线成像、水下摄影、分子动力学、光谱学等科学研究领域得到广泛的应用。

以往的检测传感器需要在主轴径向分别安装振动传感器、轴位移传感器和转速传感器等三种传感器。这三种传感器安装在主轴相关联的底座上，跟随主轴振动也会产生相应振动。因此，这种检测方法和安装方式，都会极大的降低现场检测精度，而且这三种传感器检测数据很难实现同步性。主轴高速旋转工作过程中会产生振动、轴位移等现象。

主轴高速旋转工作过程中产生的振动信号是分析设备工作情况、故障分析的重要技术数据。轴位移则是反映主轴转动部分和静止部分的相对位置的核心技术指标。而目前进行振动分析仅仅是在平面坐标系中分析，没有考虑轴位移的影响因素。

因此，目前急需一种能够高效故障分析、提高诊断效率的检测装置和检测方法。

发明内容

发明目的：

本发明是基于激光全息干涉原理与CCD图像数据采集技术基础上，在高速旋转主轴工作现场安装一个能够实时、同步检测并存储振动、转速、轴位移、旋转方向等重要基础数据的一种技术装置。高速旋转主轴实时检测装置让主轴端面上的靶点以时间为单位、以空间立体坐标系为值进行实时检测并存储，根据具体振动分析需要能够以二维或三维方式进行展示和模型计算，通过增加时间和轴位移作为主轴振动分析因素，能够进一步提高振动分析和故障诊断效率。

技术方案：

高速旋转主轴实时检测装置，在被测主轴的主轴轴向端面安置主轴轴向端面测量靶点，激光发射器和图像数据采集器设置在带有测量靶点的主轴端面的对面，图像数据采集器与信号转换器连接；信号转换器与数据存储器连接，以空间立体坐标系和时间为单位的数值形式存储在数据存储器；与数据存储器连接的空间立体坐标系显示系统按照时间为衡量单位显示靶点在某一时间的空间立体坐标。

进一步的，图像数据采集器采用CCD图像数据采集器；激光发射器与图像数据采集器采用同一个计数器，在图像数据采集器采集光线照射产生的电信号的同时，也能根据激光发射器产生的激光反射时间结合激光测距三角法，从而计算出靶点轴向移动距离。

进一步的，数据存储器中的数据存储是以(T，C)模式建立关系型数据库进行存储；其中T是测量靶点的时间，C是在T时间测量得到的靶点在空间坐标系位置；真实测量的靶点位置与理想位置存在位移偏差，通过(T，C)模式建立关系型数据关系，能够确定主轴径向振动、轴向位移、以及实时转速的具体数值，同时还能确定主轴旋转方向。

进一步的，对测量靶点的计算及测量靶点数学模型的具体步骤是：

在主轴轴端侧面设置的测量靶点的数量为3个，在基于立体坐标点基础上，构建一个3×3矩阵，定义为矩阵P[n]；在下一个单位测量时间，测量靶点的空间位置和时间构成一个3×3矩阵P[n+1]；

实际测量中矩阵P[n]和P[n+1]之间的变换是非线性关系，存在变换矩阵Π使得实际测量的下一个单位测量时间的矩阵P[n+1]与矩阵P[n]存在近似线性关系；变换矩阵Π用带有函数的矩阵表示，具体表示如下：

实际测量的矩阵P[n+1]与理想值之间存在误差，误差用误差矩阵Δ来表示；实际测量点与初始点之间的计算公式如下：

P[n]＝Π×P[n+1]+Δ (1)

具体矩阵计算如下表示：

其中，矩阵P[n]是已知的，矩阵P[n+1]是测量靶点得到的实际值，通过计算得到是变换矩阵Π和误差矩阵Δ；变换矩阵Π计算的方法如下：

再将变换矩阵Π带入公式(1)，得到误差矩阵Δ的数值；

误差矩阵Δ的具体公式：

A＝P[n]-∏×P[n+1] (4)o

进一步的，空间立体坐标系显示系统中按照时间为衡量单位，显示主轴轴向端面测量靶点在某一时间的空间立体坐标。

高速旋转主轴实时检测方法，检测方法包括以下步骤：

一、启动待测主轴，激光发射器运行，图像数据采集器实时接收来自待测的主轴轴向端面测量靶点反射的激光；

二、图像数据采集器把接收到的激光干涉条纹通过信号转换器，将端面测量靶点按照时间次序，在立体坐标体系中确定其空间三维坐标；

三、通过实时检测的主轴轴向端面测量靶点的空间位置，将其三维坐标进行模型运算，得到均值；

四、误差矩阵Δ是主轴轴向端面测量靶点实际位置与理论位置之间的计算距离；因为测量过程中会出现偏差和偶发振动，影响测量数据，因此，引入变换矩阵Π近似于理想状态下的转换矩阵Ε，计算得到误差矩阵Δ；误差矩阵Δ中的具体数值正负号、以及数值大小可以计算出主轴径向振动幅值、轴向位移数值、主轴旋转速度、主轴旋转方向，根据这些数值进行振动分析和故障诊断。

优点及效果：

高速旋转主轴实时检测装置能够在主轴的轴向位置实时地、同步地检测主轴的径向振动、轴向位移、实时转速和转速方向等关键技术数据。与此同时，检测的数据以空间点坐标的形式存储在数据库中，根据需要以立体坐标形式进行展现并做相应技术分析。

高速旋转主轴实时检测装置能够检测主轴振动的最大径向振动幅度＞ 15μm，检测精度＜2μm；主轴转速检测范围在0～30000r/s；主轴轴位移最大检测值＞0.2mm，检测精度0.05mm；能够检测主轴正反转旋转方向；CCD时钟频率＞1000MHz。

附图说明

图1是光全息技术的高速旋转主轴实时检测装置原理图；

图2是主轴轴端靶点示意图；

图3是检测装置现场安装位置示意图。

附图标记说明：

1.主轴轴向端面测量靶点；2.激光发射器；3.图像数据采集器；4.信号转换器； 5.数据存储器；6.空间立体坐标系显示系统；7.待测主轴；8.待测主轴安装底座； 9.检测装置安装底座；10.检测装置安装底座。

具体实施方式

如图1和图2所示，激光全息技术的高速旋转主轴实时检测装置是包括主轴轴向端面测量靶点1、激光发射器2、图像数据采集器3、信号转换器4、数据存储器5、空间立体坐标系显示系统6。

高速旋转主轴实时检测装置将主轴振动和轴向位移以单位时间的空间坐标系中进行分析、增加一个重要分析因素，能够高效的进行故障分析，极大地提高诊断效率。

激光全息干涉测量技术与图像数据采集技术结合起来,能够实现高速旋转主轴的无损、自动、精确的实时测量，进行主轴振动、转动速度、轴位移等技术指标的在线检测，实时存储单位时间内测量点的空间坐标值。

主轴高速旋转工作过程中会产生振动、轴位移等现象。持续由激光发射器2 发射的激光照射到主轴轴向端面测量靶点1，经过反射到图像数据采集器3进行干涉数据采集，采集到的数据经由信号转换器4后去除噪点、提高精度，以空间立体坐标系和时间为单位的数值形式存储在数据存储器5，根据需要以空间立体坐标系显示系统6的形式进行振动数据分析和故障诊断。

如图2所示，圆形的主轴轴向端面10周向均匀设置了若干个主轴轴向端面测量靶点1，为了能够提高准确性的同时尽量减少计算量，一般选择周向均匀设置的三个点作为主轴轴向端面测量靶点1。

如图3所示，待测主轴7与检测装置分别安装在待测主轴安装底座8和检测装置安装底座9上，检测装置安装底座9的自带底座的重量相当大，目的是保证检测装置的稳定性。这样能够极大的减少待测主轴7旋转产生的振动对检测装置的影响。

如图3所示，检测装置安装底座9设有一个底座，底座上设有固定板，部分检测装置固定在固定板上。待测主轴安装底座8整体呈梯形，上端设有轴承，与待测主轴7连接，下端为支撑地脚，待测主轴安装底座8固定更稳定，减少待测主轴7的振动和误差。

如图1所示，图像数据采集器3会实时接收来自待测主轴轴向端面测量靶点1反射的激光。图像数据采集器3会把接收到的激光干涉条纹通过信号转换器4，将端面测量靶点按照时间次序，在立体坐标体系中确定其空间三维坐标，就能得到主轴轴向端面测量靶点1的实时空间位置。

如图2所示，待测主轴上周向均匀设置若干个主轴轴向端面测量靶点1，一般选取三个作为测量靶点，三个测量靶点之间周向均匀设置。

通过实时检测的测量靶点的空间位置，将其三维坐标进行模型运算，能够得到一个均值。将这个均值与主轴理想工作位置进行对比分析，从而进行振动分析和故障判断。

这种检测装置不仅能够检测离心式压缩机、汽轮机、光刻机等装有高速旋转主轴的机械装备，而且还能够用于现场汽轮机、水轮机、农业机器、离心机、风机、水泵等旋转机械动平衡的测量、动平衡的纠正及信号分析。

如图1、图2和图3所示，高速旋转主轴实时检测装置，在被测主轴的主轴轴向端面10安置主轴轴向端面测量靶点1，激光发射器2和图像数据采集器3 设置在带有测量靶点的主轴端面的对面，图像数据采集器3与信号转换器4连接；信号转换器4与数据存储器5连接，以空间立体坐标系和时间为单位的数值形式存储在数据存储器5；与数据存储器5连接的空间立体坐标系显示系统6 按照时间为衡量单位显示靶点在某一时间的空间立体坐标。

图像数据采集器3采用CCD图像数据采集器；激光发射器2与图像数据采集器3采用同一个计数器，在图像数据采集器3采集光线照射产生的电信号的同时，也能根据激光发射器2产生的激光反射时间结合激光测距三角法，从而计算出靶点轴向移动距离。

数据存储器5中的数据存储是以(T，C)模式建立关系型数据库进行存储；其中T是测量靶点的时间，C是在T时间测量得到的靶点在空间坐标系位置；真实测量的靶点位置与理想位置存在位移偏差，通过(T，C)模式建立关系型数据关系，能够确定主轴径向振动、轴向位移、以及实时转速的具体数值，同时还能确定主轴旋转方向。

空间立体坐标系显示系统6是在空间坐标系上加入时间因素，建立一种四维的显示模式。

具体检测点的四维空间表达式说明如下：

W＝Ax+By+Cz+Dt+k，其中(x,y,z)是测量靶点在立体坐标系中空间点的表达方式，t是时间，k是调整系数，A,B,C,D则是比例常数。

对测量靶点的计算及测量靶点数学模型的具体步骤是：

在主轴轴端侧面设置的测量靶点的数量为3个，在基于立体坐标点基础上，构建一个3×3矩阵，定义为矩阵P[n]；在下一个单位测量时间，测量靶点的空间位置和时间构成一个3×3矩阵P[n+1]；

理想状态下，P[1]＝Ε×P[2]，其中Ε是理想状态下的转换矩阵，间隔1个单位测量时间的矩阵P[n]和P[n+1]存在着线性关系。但是在实际测量中，实际测量的变换矩阵Π只能取值近似于理想状态下的转换矩阵E，其中的误差就可以用来确定径向振动的幅值和旋转速度、方向。

实际测量中矩阵P[n]和P[n+1]之间的变换是非线性关系，存在变换矩阵Π使得实际测量的下一个单位测量时间的矩阵P[n+1]与矩阵P[n]存在近似线性关系；实际测量的变换矩阵Π用带有函数的矩阵表示，具体表示如下：

实际测量的矩阵P[n+1]与理想值之间存在误差，误差用误差矩阵Δ来表示；实际测量点与初始点之间的计算公式如下：

P[n]＝Π×P[n+1]+Δ (1)

具体矩阵计算如下表示：

其中，矩阵P[n]是已知的，矩阵P[n+1]是测量靶点得到的实际值，通过计算得到是变换矩阵Π和误差矩阵Δ；变换矩阵Π计算的方法如下：

再将变换矩阵Π带入公式(1)，得到误差矩阵Δ的数值；

误差矩阵Δ的具体公式：

Δ＝P[n]-Π×P[n+1] (4)。

空间立体坐标系显示系统6中按照时间为衡量单位，显示主轴轴向端面测量靶点1在某一时间的空间立体坐标。

通过以上计算，能够得到误差矩阵Δ的数值，通过分析这些误差数值，能够计算出主轴径向振动、轴向位移、实时转速具体数值，以及确定主轴的转速方向，与此同时，可以根据这些误差数值进行振动分析和故障诊断。

高速旋转主轴实时检测方法，检测方法包括以下步骤：

一、启动待测主轴，激光发射器2运行，图像数据采集器3实时接收来自待测的主轴轴向端面测量靶点1反射的激光；

二、图像数据采集器3把接收到的激光干涉条纹通过信号转换器4，将端面测量靶点按照时间次序，在立体坐标体系中确定其空间三维坐标；

三、通过实时检测的主轴轴向端面测量靶点的空间位置，将其三维坐标进行模型运算，得到均值；

四、误差矩阵Δ是主轴轴向端面测量靶点1实际位置与理论位置之间的计算距离；因为测量过程中会出现偏差和偶发振动，影响测量数据，因此，引入变换矩阵Π近似于理想状态下的转换矩阵Ε，计算得到误差矩阵Δ；误差矩阵Δ中的具体数值正负号、以及数值大小可以计算出主轴径向振动幅值、轴向位移数值、主轴旋转速度、主轴旋转方向，根据这些数值进行振动分析和故障诊断。

也就是说，将均值与主轴理想工作位置进行对比分析，从而确定主轴径向振动幅值、轴向位移数值、主轴旋转速度、主轴旋转方向，根据这些数值进行振动分析和故障诊断。

本装置能够检测主轴振动的最大径向振动幅度＞15μm，检测精度＜2μm；主轴转速检测范围在0～30000r/s；主轴轴位移最大检测值＞0.2mm，检测精度 0.05mm；能够检测主轴正反转旋转方向；CCD时钟频率＞1000MHz。

Claims (5)

1.高速旋转主轴实时检测装置，其特征在于：在被测主轴的主轴轴向端面(10)安置主轴轴向端面测量靶点(1)，激光发射器(2)和图像数据采集器(3)设置在带有测量靶点的主轴端面的对面，图像数据采集器(3)与信号转换器(4)连接；信号转换器(4)与数据存储器(5)连接，以空间立体坐标系和时间为单位的数值形式存储在数据存储器(5)；与数据存储器(5)连接的空间立体坐标系显示系统(6)按照时间为衡量单位显示靶点在某一时间的空间立体坐标；

在主轴轴端侧面设置的测量靶点的数量为3个，在基于立体坐标点基础上，构建一个3×3矩阵，定义为矩阵P[n]；在下一个单位测量时间，测量靶点的空间位置和时间构成一个3×3矩阵P[n+1]；

实际测量中矩阵P[n]和P[n+1]之间的变换是非线性关系，存在变换矩阵Π使得实际测量的下一个单位测量时间的矩阵P[n+1]与矩阵P[n]存在近似线性关系；变换矩阵Π用带有函数的矩阵表示，具体表示如下：

实际测量的矩阵P[n+1]与理想值之间存在误差，误差用误差矩阵Δ来表示；实际测量点与初始点之间的计算公式如下：

P[n]＝Π×P[n+1]+Δ (1)

具体矩阵计算如下表示：

其中，矩阵P[n]是已知的，矩阵P[n+1]是测量靶点得到的实际值，通过计算得到是变换矩阵Π和误差矩阵Δ；变换矩阵Π计算的方法如下：

再将变换矩阵Π带入公式(1)，得到误差矩阵Δ的数值；

误差矩阵Δ的具体公式：

Δ＝P[n]-Π×P[n+1] (4)。

2.根据权利要求1所述的高速旋转主轴实时检测装置，其特征在于：图像数据采集器(3)采用CCD图像数据采集器；激光发射器(2)与图像数据采集器(3)采用同一个计数器，在图像数据采集器(3)采集光线照射产生的电信号的同时，也能根据激光发射器(2)产生的激光反射时间结合激光测距三角法，从而计算出靶点轴向移动距离。

3.根据权利要求1所述的高速旋转主轴实时检测装置，其特征在于：数据存储器(5)中的数据存储是以(T，C)模式建立关系型数据库进行存储；其中T是测量靶点的时间，C是在T时间测量得到的靶点在空间坐标系位置；真实测量的靶点位置与理想位置存在位移偏差，通过(T，C)模式建立关系型数据关系，能够确定主轴径向振动、轴向位移、以及实时转速的具体数值，同时还能确定主轴旋转方向。

4.根据权利要求1所述的高速旋转主轴实时检测装置，其特征在于：空间立体坐标系显示系统(6)中按照时间为衡量单位，显示主轴轴向端面测量靶点(1)在某一时间的空间立体坐标。

5.如权利要求1所述的高速旋转主轴实时检测装置的高速旋转主轴实时检测方法，其特征在于：检测方法包括以下步骤：

一、启动待测主轴(7)，激光发射器(2)运行，图像数据采集器(3)实时接收来自待测的主轴轴向端面测量靶点(1)反射的激光；

二、图像数据采集器(3)把接收到的激光干涉条纹通过信号转换器(4)，将端面测量靶点按照时间次序，在立体坐标体系中确定其空间三维坐标；

三、通过实时检测的主轴轴向端面测量靶点(1)的空间位置，将其三维坐标进行模型运算，得到均值；

四、误差矩阵Δ是主轴轴向端面测量靶点(1)实际位置与理论位置之间的计算距离；因为测量过程中会出现偏差和偶发振动，影响测量数据，因此，引入变换矩阵Π近似于理想状态下的转换矩阵Ε，计算得到误差矩阵Δ；误差矩阵Δ中的具体数值正负号、以及数值大小可以计算出主轴径向振动幅值、轴向位移数值、主轴旋转速度、主轴旋转方向，根据这些数值进行振动分析和故障诊断。

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