CN1188681C - 陀螺转子动平衡测试的光学方法 - Google Patents

Abstract

陀螺转子动平衡测试的光学方法，涉及一种陀螺转子动平衡过程中不平衡量的非接触测试方法。本方法采用高速摄影机对运动转子转轴端面中心区域摄影，在转子转动一周过程中连续记录N幅图像，并存入计算机进行后续处理：首先进行特征点识别，将来自相邻两幅图像的同一特征点在合成坐标系中的两个相应的位置标记进行连线作垂直平分线；用最小二乘法确定各垂直平分线交点的重心，即是转子转动的瞬时轴心；相邻两幅图像的中间位置为该瞬时轴心的位相面；将各个瞬时轴心拟合成椭圆或者圆，其中心到某瞬时轴心连线的矢径为该时刻转子振动和扰动量的大小；对应于该瞬时轴心的位相面为该时刻的振动方向。本发明解决了现有技术中测量精度低的问题，通用性好。

Description

陀螺转子动平衡测试的光学方法

技术领域

本发明涉及一种高精度陀螺转子动平衡过程中不平衡量的非接触测试方法，尤其涉及一种陀螺转子动平衡测试的光学方法。

背景技术

目前，国内外对陀螺转子动平衡主要采用动平衡机进行。现存的动平衡机的测试原理是，采用振动传感器测量不平衡量，采用电锁定或者光传感器来确定位相面。位相面是转子转动过程中相对于初始状态的转角，用来记录某振动状态下的转子位置状态。由基准电感线圈产生基准电流，由振动支架上的拉杆传给电感传感器，产生与振幅成正比的电压信号。将此信号输入电测部分，根据它在基准信号中的位相和振幅确定振动量的大小和方位。这种方法对于双点支撑陀螺是很有效的，但是直接对于单点支撑陀螺转子的高精度测试往往比较困难，需要专门的复杂工装，使用不便，此外对于万向支架支撑的陀螺转子除了发生转子力的振动不平衡外，还有由于力矩不平衡引起的扰动，使用一般的动平衡机测量一般精度不是很高。在“航空精密制造技术”2001年4月，第37卷，第2期，第40-44页，于治会发表的文章“位标器陀螺转子的动平衡”一文提到类似方法。而在2001年9月19日公开的公开号为CN1313509的中国专利文献中提到了不平衡量使用振动传感器测量，位相确定使用光学传感器进行。一般动平衡测试方法的振动量和扰动量测量精度为0.1微米左右，位相测量精度为5°左右，

陀螺转子一般是借助于万向支架的单点支撑，因此需要对于陀螺转子进行三个自由度的高精度动平衡。为了要达到高精度的动平衡，首先要解决高精度的动平衡参数测试，测试参数包括陀螺的振动和扰动量大小，还有就是位相面位置，现存的测试方法一般局限于振动传感器的接触式测量或者涡流振动传感器的非接触式测量，问题关键在于提高振动传感器的测试精度和测量信号前置电路的滤波处理上，为此需要特殊的工装将单点支撑的陀螺转子动平衡问题转化为双点支撑问题，这样做一来复杂，二来效率较低，而且精度也不高。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术中的不足，提供一种利用光学高速摄影，方便地、高精度地测量陀螺转子不平衡量的方法。

本发明公开了一种陀螺转子动平衡测试的光学方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)用计算机控制高速摄影机对运动转子转轴端面中心的平整并且非抛光的狭小区域进行高速摄影，在转子转动一周过程中连续记录下N幅图像，将这些图像存入计算机，由计算机进行后续步骤的处理；其中，N是由高速摄影机的摄影频率K和陀螺转子的转速n所决定的，N＝K/n；

2)对所述的N幅图中的每幅图像进行特征识别，确定出K个特征点，K大于等于3；将所述的每个特征点在每幅图像中的位置进行标记，并将它们归到合成坐标系中；

3)将来自相邻两幅图像的同一特征点在所述合成坐标系中的两个相应的位置标记进行连线作垂直平分线；同理，将来自所述相邻两幅图像的其它K-1个特征点也如此操作，得到相应的垂直平分线；用最小二乘法确定所述的各垂直平分线相互交点的重心，即是转子转动的瞬时轴心；所述的相邻两幅图像的中间位置即为该瞬时轴心的位相面；

4)对应N幅相邻图像确定N个瞬时轴心，将这些轴心拟合成椭圆或者圆，以椭圆中心或圆心为极点，极点到某瞬时轴心的连线的矢径，即为该时刻陀螺转子振动和扰动量的大小；对应于该瞬时轴心的位相面即为该时刻的振动方向；所述的扰动量和位相面位置即是动平衡所需要的参数；

5)对静止状态的转子端面所述区域进行摄影，通过计算机图像识别，确定出与动态摄影图像同样的特征点；从N幅图中找出与静态摄影图像特征点同位置的图像，该图像所对应的位相面也是静止状态转子的振动和扰动方向；利用所述的拟合椭圆或圆中最大矢径位相面和静止状态位相面的位相面角度差确定最大振动和扰动量的位相面在转子上的位置；

6)利用现有动平衡计算方法，通过试配重得到所述的参数与实际配重量的比例关系，按所述比例关系确定实际配重量。

本发明提出的光学方法是一种非接触式的动平衡参数测量方法，与现存的测量方法相比优点是：测量精度高，位相面测量准确，处理方便，通用性好。

现存的动平衡机没有利用光学测量这一原理来测量不平衡量大小的。对于大尺寸和大重量的陀螺转子的动平衡，动平衡机的使用也受到一定的限制，单机通用性较差。本发明提供的方法适应性较大，在调整摄影频率和放大倍数的情况下，只要视场角能够保证，可以对于各种转速的转子进行平衡测量，其最大优点是不受陀螺尺寸大小的限制，其测试精度也较少受尺寸和重量限制，因此具有近万能测试的潜力。

附图说明

图1为实施本发明的测试系统的结构示意图。

图2为最小二乘法求解转子瞬时转轴坐标的方法示意图。

图3.为瞬时轴心拟合的椭圆轨迹及振扰动量和位相角放大示意图。

A、B、C、D是某一位相面的4个特征点在图像中的位置，A’、B’、C’、D’是相邻下一个位相面这4个特征点在图像中对应的位置。

图4为本发明中利用计算机进行测量处理的程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图，以位标器陀螺转子动平衡参数的测试方法为实例来说明一下本发明的测试原理和具体步骤：

如图1所示，位标器陀螺转子5绕陀螺转子Z轴7转动，设转速为n转/分，万向轴节的Y轴6和万向轴节的X轴3相交于单支点，将高速摄影机2置于陀螺转子前端面1前工作距离处，对静态和动态的陀螺转子前端面1进行摄影，图像采集与处理由计算机4完成。

振动和扰动量的测量精度是由高速摄影机焦距和像素尺寸以及画幅大小决定的，而位相面的测试精度是由高速摄影频率和陀螺转子的转数决定的。

令高速摄影机的摄影频率为K(Hz)，像素尺寸为a×a(μm)²，则相邻两幅图像的位相差的角度，也就是位相面测量精度为：

Δθ＝6n/K＝6/N.........................................................(1)

(N＝K/n)

令高速摄影机的放大倍数为X，通过亚像素法处理的转心精度为1/m像素，则位标器陀螺转子的陀螺转子前端面跳动量测量精度Δs为：(μm)

Δs＝a/m/X..............................................................(2)

设陀螺转子的转数为7600转/分钟，按照公式(1)和(2)，当X＝100，a＝10μm，m＝10时，Δs＝0.01μm；。如果X＝1000，K＝100000，则Δs＝0.001μm，Δθ＝0.456°。可见原理上振动量变化和位相面位置可以达到非常高的测量精度，而这样的高速摄影机目前已经有商业销售，只要把视场角加以扩大即可满足本发明的使用要求，如可采用德国的Lavision公司出产的HighSpeedStar3型CMOS高速摄影机，最大帧频率为100000fps，即可满足本实例需要。

在本例中，高速摄影机的放大倍数X＝1000，摄影频率K＝100000，陀螺转子的转数为7600转/分钟，陀螺转子动平衡测试的光学方法具体步骤如下：

1)用计算机控制高速摄影机对运动转子转轴端面中心的平整并且非抛光的狭小区域进行高速摄影，在转子转动一周过程中连续记录下790幅图像，将这些图像存入计算机，由计算机进行后续步骤的处理，其流程框图如图4所示；转子转轴端面中心图案可以采用自然精磨的端面，也可以采用有规律分布的点阵，这种点阵的制造方法可以是激光打上的，也可以是机械刻划上的，或者是电火花加工的，总之要便于识别特征点，本例中采用圆形图案。

2)对所述的790幅图中的每幅图像进行特征识别，确定出4个特征点，分别为A、B、C、D；将上述的每个特征点在每幅图像中的位置进行标记，并将它们归到合成坐标系中；特征识别方法采用图像分割、区域标记、目标链创建等现有技术进行处理。

3)如图2所示，将来自相邻两幅图像的同一特征点在所述合成坐标系中的两个相应的位置标记，即(A，A’)、(B，B’)、(C，C’)、(D，D’)进行连线作垂直平分线；用最小二乘法确定所述的各垂直平分线相互交点的重心，即是转子转动的瞬时轴心O₁；所述的相邻两幅图像的中间位置即为该瞬时轴心的位相面；

4)如图3所示，对应790幅相邻图像确定790个瞬时轴心，将这些轴心拟合成椭圆或者圆，以椭圆中心或圆心为极点P，极点到某瞬时轴心的连线的矢径PO₁为该时刻陀螺转子振动和扰动量的大小；对应于该瞬时轴心的位相面即为该时刻的振动方向；所述的扰动量和位相面位置即是动平衡所需要的参数；

5)对静止状态的转子端面所述区域进行摄影，通过计算机图像识别，确定出与动态摄影图像同样的特征点；从790幅图中找出与静态摄影图像特征点同位置的图像，该图像所对应的位相面也是静止状态转子的振动和扰动方向；利用所述的拟合椭圆或圆中最大矢径位相面和静止状态位相面的位相面角度差确定最大振动和扰动量的位相面在转子上的位置；

如图3所示，本例中，静态图像所对应的动态图像与下一幅动态图像处理出来的瞬时轴心为O₁，则该静止状态对应着动态转子在该状态下的瞬时振动方向PO₁。按照最大振动和扰动量所在位相面PO的位置，将静止状态转子的PO₁转动θ角，即得到在静止状态下，转子上的最大扰动量的配重位相面。

6)利用现有动平衡计算方法，通过试配重得到所述的参数与实际配重量的比例关系，按所述比例关系确定实际配重量。

本发明提出了采用高速摄影与图像判读与处理的光学测试方法来解决单点支撑陀螺转子动平衡的扰动量和位相测试的方法，该方法可以使振动量和扰动量同时测量，测量精度高于0.02μm，位相面测量精度高于0.5°。

Claims (1)

1.陀螺转子动平衡测试的光学方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)用计算机控制高速摄影机对运动转子转轴端面中心的平整并且非抛光的狭小区域进行高速摄影，在转子转动一周过程中连续记录下N幅图像，将这些图像存入计算机，由计算机进行后续步骤的处理；其中，N是由高速摄影机的摄影频率K和陀螺转子的转速n所决定的，N＝K/n；

2)对所述的N幅图中的每幅图像进行特征识别，确定出K个特征点，K大于等于3；将所述的每个特征点在每幅图像中的位置进行标记，并将它们归到合成坐标系中；

3)将来自相邻两幅图像的同一特征点在所述合成坐标系中的两个相应的位置标记进行连线作垂直平分线；同理，将来自所述相邻两幅图像的其它K-1个特征点也如此操作，得到相应的垂直平分线；用最小二乘法确定所述的各垂直平分线相互交点的重心，即是转子转动的瞬时轴心；所述的相邻两幅图像的中间位置即为该瞬时轴心的位相面；

4)对应N幅相邻图像确定N个瞬时轴心，将这些轴心拟合成椭圆或者圆，以椭圆中心或圆心为极点，极点到某瞬时轴心的连线的矢径，即为该时刻陀螺转子振动和扰动量的大小；对应于该瞬时轴心的位相面即为该时刻的振动方向；所述的扰动量和位相面位置即是动平衡所需要的参数；

5)对静止状态的转子端面所述区域进行摄影，通过计算机图像识别，确定出与动态摄影图像同样的特征点；从N幅图中找出与静态摄影图像特征点同位置的图像，该图像所对应的位相面也是静止状态转子的振动和扰动方向；利用所述的拟合椭圆或圆中最大矢径位相面和静止状态位相面的位相面角度差确定最大振动和扰动量的位相面在转子上的位置；

6)利用现有动平衡计算方法，通过试配重得到所述的参数与实际配重量的比例关系，按所述比例关系确定实际配重量。

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