CN113063546A - 一种轴承保持架质心运动轨迹测量方法、装置、系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种轴承保持架质心运动轨迹测量方法、装置、系统，属于轴承测量技术领域。测量方法包括：在轴承保持架上设置至少三个标记点；获取轴承旋转过程中，包含主轴和各个标记点的图像信息；从图像信息中确定同一时刻下，各个标记点相对于主轴轴心的位置信息；根据同一时刻下，各个标记点相对于主轴轴心的位置信息、以及每个标记点与质心距离相等的原理计算出质心相对于主轴轴心的位置信息，进而得到质心的运动轨迹。本发明在整个测量过程中，并未对轴承的结构进行改变，只是在保持架上设置了几个标记点，并且通过图像信息确定了标记点的位置，因此，大大提高了质心运动轨迹测量的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及一种轴承保持架质心运动轨迹测量方法、装置、系统，属于轴承测量技术领域。
背景技术
滚动轴承在旋转机械设备中应用广泛，其可靠性关系到整个机械设备工作性能。保持架作为轴承不可缺少的零件，其运转稳定性影响轴承的性能与寿命。轴承运转过程中，保持架受到滚动体与滚道的摩擦、碰撞等，会破坏保持架的运转稳定性，导致保持架质心轨迹紊乱，进而影响轴承整体的动态稳定性。因此，准确检测保持架质心的运动轨迹，有利于分析轴承动态特性。
现有技术中主要通过传感器测试保持架的轴向、径向运动，进而检测保持架质心运动轨迹，所采用的传感器包括激光传感器、电涡流传感器等。然而传感器不仅存在局限性，例如：感器体积大、对非金属保持架检测不敏感等，而且在检测进行数据采集的过程中容易受到干扰，导致检测结果出现偏差。同时采用传感器检测运动轨迹时需改变轴承的结构，以满足传感器的工作原理或布置方式的要求，这都将影响检测结果的准确性。
综上，现有轴承保持架质心运动轨迹测量方法准确性低。
发明内容
本申请的目的在于提供一种轴承保持架质心运动轨迹测量方法、装置、系统，用以解决现有方法准确性低的问题。
为实现上述目的，本申请提出了一种轴承保持架质心运动轨迹测量方法的技术方案，包括以下步骤：
1)在轴承保持架上设置至少三个标记点；
2)获取轴承旋转过程中，包含主轴和各个标记点的图像信息；
3)从图像信息中确定同一时刻下，各个标记点相对于主轴轴心的位置信息；
4)根据同一时刻下，各个标记点相对于主轴轴心的位置信息、以及每个标记点与质心距离相等的原理计算出质心相对于主轴轴心的位置信息，进而得到质心的运动轨迹。
本发明的轴承保持架质心运动轨迹测量方法的技术方案的有益效果是：本发明在轴承保持架上设置至少三个标记点，结合三个点可以确定一个圆心的原理，通过各个标记点的位置进而可以确定质心的位置，因此在轴承旋转过程中，获取包含主轴和各个标记点的图像信息，从图像信息中提取每个时刻下，各个标记点的位置，进而得到每个时刻下，质心的位置。本发明在整个测量过程中，并未对轴承的结构进行改变，只是在保持架上设置了几个标记点，并且通过图像信息确定了标记点的位置，因此，大大提高了质心运动轨迹测量的准确性。
进一步的，为了提高测量效率，标记点的数量为三个：标记点A、标记点B和标记点C，以主轴轴心为原点建立直角坐标系，质心位置的计算过程如下：
其中，(X,Y)为质心的坐标位置；(XA,YA)为标记点A的位置坐标；(XB,YB)为标记点B的位置坐标；(XC,YC)为标记点C的位置坐标。
进一步的，为了更加准确的得到标记点的位置，通过图像处理软件MOVIAS Neo确定同一时刻下，各个标记点相对于主轴轴心的位置信息。
另外，本申请还提出一种轴承保持架质心运动轨迹测量装置的技术方案，测量装置包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现以下步骤：
1)获取轴承旋转过程中，包含主轴和各个标记点的图像信息；所述各个标记点为设置在轴承保持架上的至少三个标记点；
2)从图像信息中确定同一时刻下，各个标记点相对于主轴轴心的位置信息；
3)根据同一时刻下，各个标记点相对于主轴轴心的位置信息、以及每个标记点与质心距离相等的原理计算出质心相对于主轴轴心的位置信息，进而得到质心的运动轨迹。
本发明的轴承保持架质心运动轨迹测量装置的技术方案的有益效果是：本发明在轴承保持架上设置至少三个标记点，结合三个点可以确定一个圆心的原理，通过各个标记点的位置进而可以确定质心的位置，因此在轴承旋转过程中，测量装置获取包含主轴和各个标记点的图像信息，从图像信息中提取每个时刻下，各个标记点的位置，进而得到每个时刻下，质心的位置。本发明在整个测量过程中，并未对轴承的结构进行改变，只是在保持架上设置了几个标记点，并且通过图像信息确定了标记点的位置，因此，大大提高了质心运动轨迹测量的准确性。
进一步的，为了提高测量效率，标记点的数量为三个：标记点A、标记点B和标记点C，以主轴轴心为原点建立直角坐标系，质心位置的计算过程如下：
其中，(X,Y)为质心的坐标位置；(XA,YA)为标记点A的位置坐标；(XB,YB)为标记点B的位置坐标；(XC,YC)为标记点C的位置坐标。
进一步的，为了更加准确的得到标记点的位置，通过图像处理软件MOVIAS Neo确定同一时刻下，各个标记点相对于主轴轴心的位置信息。
另外，本申请还提出一种轴承保持架质心运动轨迹测量系统的技术方案，测量系统包括：
采集装置，用于采集轴承旋转过程中，包含主轴和各个标记点的图像信息；所述各个标记点为设置在轴承保持架上的至少三个标记点；
处理装置，采集装置与处理装置连接，将采集的图像信息发送至处理装置，处理装置用于从图像信息中确定同一时刻下，各个标记点相对于主轴轴心的位置信息；根据同一时刻下，各个标记点相对于主轴轴心的位置信息、以及每个标记点与质心距离相等的原理计算出质心相对于主轴轴心的位置信息，进而得到质心的运动轨迹。
本发明的轴承保持架质心运动轨迹测量系统的技术方案的有益效果是：本发明在轴承保持架上设置至少三个标记点，结合三个点可以确定一个圆心的原理，通过各个标记点的位置进而可以确定质心的位置，因此在轴承旋转过程中，通过采集装置采集包含主轴和各个标记点的图像信息，将所采集的图像信息发送至处理装置，处理装置从图像信息中提取每个时刻下，各个标记点的位置，进而得到每个时刻下，质心的位置。本发明在整个测量过程中，并未对轴承的结构进行改变，只是在保持架上设置了几个标记点，通过外设的采集装置采集标记点的图像，处理装置通过图像信息确定了标记点的位置，因此，大大提高了质心运动轨迹测量的准确性。
进一步的，为了提高图像信息采集的准确性，所述采集装置为高速摄影机。
进一步的，为了更加准确的得到标记点的位置，所述处理装置通过图像处理软件MOVIAS Neo确定同一时刻下，各个标记点相对于主轴轴心的位置信息。
附图说明
图1是本发明轴承保持架质心运动轨迹测量系统的测量流程图；
图2是本发明轴承保持架的标记示意图；
图3是本发明轴承保持架质心运动轨迹示意图；
图4是本发明轴承保持架质心运动轨迹示意图；
图5是本发明轴承保持架质心运动轨迹测量装置的结构示意图。
具体实施方式
轴承保持架质心运动轨迹测量系统实施例：
本发明的主要构思在于，在轴承保持架上设置三个标记点，在轴承旋转过程中，通过采集装置记录每个时刻下三个标记点以及主轴的图像信息，进而通过处理装置得到每个标记点相对与主轴轴心的位置信息，根据每个标记点和质心的距离相等的原理得到质心的位置，进而得到质心的运动轨迹，为分析轴承的动态特性提供准确的依据。
轴承保持架质心运动轨迹测量系统包括采集装置和处理装置，采集装置与处理装置连接，采集装置用于采集轴承旋转过程中，包含主轴和三个标记点的图像信息，处理装置用于实现轴承保持架质心运动轨迹测量方法，对图像信息进行处理后，得到质心的运动轨迹。
本实施例中采集装置为高速摄影机；处理装置也即电脑，电脑中安装有可以实现轴承保持架质心运动轨迹测量方法的各种软件，包括图像处理软件MOVIAS Neo、计算软件(如matlab)、Origin数据分析软件。当然，关于图像处理软件、计算软件、以及数据分析软件，现有技术中有很多，本发明对软件的具体型号并不做限制，能够实现相应的功能即可。
轴承保持架质心运动轨迹测量系统的测量过程，如图1所示，包括以下步骤：
1)在轴承保持架的侧梁中径圆的沿圆周方向的不同位置处设置三个标记点，分别为标记点A、标记点B和标记点C。
2)标记之后，将轴承安装在试验机的主轴上，同时架设高速摄影机。
架设高速摄影机时，使高速摄影机与试验台间保持30～50cm的距离。打开高速摄影机，将其与电脑连接，设置拍摄帧率与分辨率；打开聚光灯进行补光，根据高速摄影机传输给电脑的轴承实时画面，调整摄影机位置，使高速摄影机的镜头正对轴承并确保整个保持架在电脑屏幕中显示；调整焦距与光圈，确保高速摄影机拍摄的轴承保持架、标记点以及主轴清晰可见。
3)启动试验机，待轴承达到设定工况时，高速摄影机开始拍摄，并将拍摄的轴承保持架的运动影像(运动影像由图片信息组成)传输至电脑中。
4)电脑接收到运动影响后，运用图像处理软件MOVIAS Neo对拍摄的轴承保持架的运动影像进行分析，得到每个时刻下，标记点A、标记点B和标记点C的位置信息，以及标记点A的为位置角γA。
如图2所示，首先在主轴轴心位置标记点‘P’，以主轴轴心为原点建立直角坐标系，三个标记点绕P点旋转；在主轴与轴承内圈配合处设置两个参考点‘M’、‘N’，确保这两点的连线通过点‘P’，M、N两点间距为主轴直径；将主轴直径和运动影响输入图像处理软件MOVIAS Neo，捕捉保持架上，同一时刻的标记点A、标记点B和标记点C相对于主轴轴心的位置，以及标记点A的位置角‘γA’，可通过位置角‘γA’判断保持架的旋转角度。
5)通过计算软件计算每个时刻下，轴承保持架质心O相对于主轴轴心P的位置。
计算过程如下：
其中，(X,Y)为质心O的坐标位置；(XA,YA)为标记点A的位置坐标；(XB,YB)为标记点B的位置坐标；(XC,YC)为标记点C的位置坐标。
6)将每个时刻轴承保持架质心O的位置数据导入分析软件(如Origin)，得到轴承保持架质心O的运动轨迹。
上述实施例中，为了提高测量效率，至标记的三个点，作为其他实施方式，不考虑测量效率的情况下，也可以标记四个或者五个标记点。
上述实施例中，为了可以清晰、更高精度的采集图像信息，采用了高速摄影机，作为其他实施方式，不考虑采集精度的情况下，也可以采用普通摄影机进行图像信息的获取。
以下以一个具体的实施例对本发明的轴承保持架质心运动轨迹测量方法进行描述。
所选用的待测试的轴承参数如表一所示：
表一 待测试的轴承参数
轨迹确定过程如下：
1)用黑色记号笔在轴承保持架的侧梁中径圆的圆周方向的不同位置标记三个点‘A’、‘B’、‘C’，标记点颜色要均匀。将轴承静置一段时间，待标记点的颜料风干后，将轴承安装在试验机上。
2)架设高速摄影机，使高速摄影机与试验台间保持30～50cm的距离；打开高速摄影机，通过双绞线将其与电脑连接，在操作界面选择拍摄帧率为45000FPs，分辨率选择2160*540；打开聚光灯进行补光，根据摄影机传输给电脑的轴承实时画面，调整摄影机位置，使镜头正对轴承并确保保持架完全显示在电脑屏幕中；调整焦距与光圈，确保摄影机能够拍摄轴承保持架与标记点‘A’、‘B’、‘C’的清晰画面。
3)打开试验机总开关与控制电脑，在试验机控制界面设定轴承工作载荷为800N，转速为8000r/min，供油温度为25℃，运行时间为60s。依次打开主电机电源、加载、润滑、加热、风冷开关，待供油压力稳定后，运行试验机。待试验机达到设定工况，开始拍摄，2～4s后停止拍摄，在摄影机操作界面观察所拍摄视频中的标记点，若标记点均清晰可见，则截取视频并进行保存，进入下一步骤；否则按照步骤2)、3)的要求，重新拍摄。
4)打开高速摄影机图像处理软件MOVIAS Neo，选择步骤3)中保存的保持架运动视频文件。在主轴轴心位置标记点‘P’，并在主轴与轴承内圈配合处设置两个参考点‘M’、‘N’，如附图2所示，确保这两点的连线通过点‘P’，两点间距为主轴直径；依次选择标记点‘A’、‘B’、‘C’，对标记点的捕捉细节进行设置；对保持架上的三个标记点‘A’、‘B’、‘C’同时进行捕捉，待标记点旋转一定时间后停止捕捉，上传捕捉结果。选择参考点‘M’、‘N’，将线段MN作为参考线，输入MN的长度35.0mm，选择点‘P’为坐标系统的原点。最终，绘制标记点‘A’、‘B’、‘C’坐标变化图，得出三个标记点各时刻标记点的坐标(XA,YA)、(XB,YB)、(XC,YC)及‘A’点的位置角‘γA’。
5)已知标记点‘A’、‘B’、‘C’均在保持架侧梁的中径圆上，根据步骤4)得到的同一时刻各标记点的坐标(XA,YA)、(XB,YB)、(XC,YC)，按照质心位置计算方程得到保持架侧梁中径圆的圆心(X,Y)，即为保持架质心O。以计算结果中61.378ms这一时刻为例，该时刻下标记点‘A’、‘B’、‘C’的坐标分别为(-3.700,23.814)、(-23.313,-5.191)、(10.726,-21.446)，标记点‘A’的位置角γA＝98.831°。将标记点坐标带入方程，算得标记点所在保持架侧梁中径圆的圆心为(0.1148,0.1009)，即为保持架质心O。以此类推，依次计算各时刻保持架质心坐标。
6)将步骤5)计算的各时刻保持架质心坐标导入数据分析软件Origin中，得到如图3、图4所示的保持架质心运动轨迹图(图3为折线图、图4为散点图)。
本发明在整个测量过程中，并未对轴承的结构进行改变，只是在保持架上设置了几个标记点，通过外设的高速摄影机采集标记点的图像，电脑通过图像信息确定了标记点的位置，因此，大大提高了质心运动轨迹测量的准确性。
轴承保持架质心运动轨迹测量方法实施例：
轴承保持架质心运动轨迹测量方法的具体实施过程以及有益效果在上述轴承保持架质心运动轨迹测量系统实施例中已经介绍，这里不做赘述。
轴承保持架质心运动轨迹测量装置实施例：
轴承保持架质心运动轨迹测量装置，如图5所示，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现轴承保持架质心运动轨迹测量方法，这里的测量装置也即测量系统中的处理装置。
轴承保持架质心运动轨迹测量方法的具体实施过程以及效果在上述轴承保持架质心运动轨迹测量系统实施例中介绍，这里不做赘述。
也就是说，以上轴承保持架质心运动轨迹测量系统实施例中的方法应理解可由计算机程序指令实现轴承保持架质心运动轨迹测量方法的流程。可提供这些计算机程序指令到处理器(如通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备等)，使得通过处理器执行这些指令产生用于实现上述方法流程所指定的功能。
本实施例所指的处理器是指微处理器MCU或可编程逻辑器件FPGA等的处理装置；
本实施例所指的存储器用于存储实现轴承保持架质心运动轨迹测量方法而形成的计算机程序指令，包括用于存储信息的物理装置，通常是将信息数字化后再以利用电、磁或者光学等方式的媒体加以存储。例如：利用电能方式存储信息的各式存储器，RAM、ROM等；利用磁能方式存储信息的的各式存储器，硬盘、软盘、磁带、磁芯存储器、磁泡存储器、U盘；利用光学方式存储信息的各式存储器，CD或DVD。当然，还有其他方式的存储器，例如量子存储器、石墨烯存储器等等。
通过上述存储有实现轴承保持架质心运动轨迹测量方法而形成的计算机程序指令的存储器、处理器构成的轴承保持架质心运动轨迹测量装置，在计算机中由处理器执行相应的程序指令来实现，计算机可使用windows操作系统、linux系统、或其他，例如使用android、iOS系统程序设计语言在智能终端实现，以及基于量子计算机的处理逻辑实现等。
作为其他实施方式，轴承保持架质心运动轨迹测量装置还可以包括其他的处理硬件，如数据库或多级缓存、GPU等，本发明并不对轴承保持架质心运动轨迹测量装置的结构做具体的限定。
Claims (9)
1.一种轴承保持架质心运动轨迹测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在轴承保持架上设置至少三个标记点；
2)获取轴承旋转过程中，包含主轴和各个标记点的图像信息；
3)从图像信息中确定同一时刻下，各个标记点相对于主轴轴心的位置信息；
4)根据同一时刻下，各个标记点相对于主轴轴心的位置信息、以及每个标记点与质心距离相等的原理计算出质心相对于主轴轴心的位置信息，进而得到质心的运动轨迹。
2.根据权利要求1所述的轴承保持架质心运动轨迹测量方法，其特征在于，标记点的数量为三个：标记点A、标记点B和标记点C，以主轴轴心为原点建立直角坐标系，质心位置的计算过程如下：
其中，(X,Y)为质心的坐标位置；(XA,YA)为标记点A的位置坐标；(XB,YB)为标记点B的位置坐标；(XC,YC)为标记点C的位置坐标。
3.根据权利要求1或2所述的轴承保持架质心运动轨迹测量方法，其特征在于，通过图像处理软件MOVIAS Neo确定同一时刻下，各个标记点相对于主轴轴心的位置信息。
4.一种轴承保持架质心运动轨迹测量装置，其特征在于，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现以下步骤：
1)获取轴承旋转过程中，包含主轴和各个标记点的图像信息；所述各个标记点为设置在轴承保持架上的至少三个标记点；
2)从图像信息中确定同一时刻下，各个标记点相对于主轴轴心的位置信息；
3)根据同一时刻下，各个标记点相对于主轴轴心的位置信息、以及每个标记点与质心距离相等的原理计算出质心相对于主轴轴心的位置信息，进而得到质心的运动轨迹。
5.根据权利要求4所述的轴承保持架质心运动轨迹测量装置，其特征在于，标记点的数量为三个：标记点A、标记点B和标记点C，以主轴轴心为原点建立直角坐标系，质心位置的计算过程如下：
其中，(X,Y)为质心的坐标位置；(XA,YA)为标记点A的位置坐标；(XB,YB)为标记点B的位置坐标；(XC,YC)为标记点C的位置坐标。
6.根据权利要求4或5所述的轴承保持架质心运动轨迹测量装置，其特征在于，通过图像处理软件MOVIAS Neo确定同一时刻下，各个标记点相对于主轴轴心的位置信息。
7.一种轴承保持架质心运动轨迹测量系统，其特征在于，包括：
采集装置，用于采集轴承旋转过程中，包含主轴和各个标记点的图像信息；所述各个标记点为设置在轴承保持架上的至少三个标记点；
处理装置，采集装置与处理装置连接，将采集的图像信息发送至处理装置，处理装置用于从图像信息中确定同一时刻下，各个标记点相对于主轴轴心的位置信息；根据同一时刻下，各个标记点相对于主轴轴心的位置信息、以及每个标记点与质心距离相等的原理计算出质心相对于主轴轴心的位置信息，进而得到质心的运动轨迹。
8.根据权利要求7所述的轴承保持架质心运动轨迹测量系统，其特征在于，所述采集装置为高速摄影机。
9.根据权利要求7或8所述的轴承保持架质心运动轨迹测量系统，其特征在于，所述处理装置通过图像处理软件MOVIAS Neo确定同一时刻下，各个标记点相对于主轴轴心的位置信息。
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