CN203349773U

CN203349773U - 精密离心机主轴径向回转误差与倾角回转误差测试装置

Info

Publication number: CN203349773U
Application number: CN 201320403539
Authority: CN
Inventors: 张�荣; 李明海; 王钰; 牛宝良; 凌明祥; 宁菲
Original assignee: General Engineering Research Institute China Academy of Engineering Physics
Current assignee: General Engineering Research Institute China Academy of Engineering Physics
Priority date: 2013-07-09
Filing date: 2013-07-09
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2023-07-09

Abstract

本实用新型公开了一种精密离心机主轴径向回转误差与倾角回转误差测试装置，所述精密离心机的空气静浮轴承的气浮支架上设置有电容测微仪，所述电容测微仪为六个，六个所述电容测微仪三个一组分别设置在所述空气静浮轴承的两个横截面上，两个横截面上的所述电容测微仪之间两两对应平行。本实用新型精密离心机主轴径向回转误差与倾角回转误差测试装置采用六只电容测微仪测量精密离心机主轴的径向回转误差e和倾角回转误差θ，将完全去除主轴截面的外圆圆度误差r的影响，具有很高的测量精度。

Description

精密离心机主轴径向回转误差与倾角回转误差测试装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于精密离心机主轴的测试装置，尤其涉及一种精密离心机主轴径向回转误差与倾角回转误差测试装置。

背景技术

在精密离心机研制过程中，精密离心机的主轴通常采用空气静浮轴承，主轴的径向回转误差e与倾角回转误差θ直接关系到主轴运行的安全和精密离心机动态半径的变化。空气静浮轴承的气膜间隙通常为几μm，精密离心机运行时，由于其转盘上的负载不平衡、温度变化引起的热涨冷缩等因素，将使主轴发生偏心运动、径向回转误差运动以及倾斜运动，这些运动引起的位移值可能超过气膜间隙，从而损坏主轴。因此，精密离心机工作时需对空气主轴的径向回转误差e与倾角回转误差θ进行在线监测，实时判断径向回转误差是否大于气膜间隙，确保主轴运行安全；其次，在高精密离心机研制时，主轴径向回转误差e通常作为一个耦合分量混杂在精密离心机动态半径测量值中，因此需要测出径向回转e并对精密离心机的动态半径进行补偿修正，确保精密离心机输出加速度的精度。

目前用于测量精密离心机主轴径向回转误差e和倾角回转误差θ的方法是双截面四电容测微仪测试法，其实施过程是将电容测微仪安装在主轴上相距为l的两个截面外端，每个截面上安装两只相互垂直的电容测微仪，将主轴的径向回转误差e、倾角回转误差θ分解为相互垂直的两分量e_x、e_y和θ_x、θ_y，，通过这四只电容测微仪的测量值直接作数学比例运算，然后再将分量合成得到主轴径向回转误差e和倾角回转误差θ。这种方法没有考虑主轴截面本身的外圆圆度误差，直接利用四只电容测微仪的测量值作简单的比例运算得到测试结果。空气静浮主轴截面的外圆圆度误差r比其径向回转误差e大得多，通常达十几个μm，四只电容测微仪的原始测量信号中不仅包含有主轴对应截面的回转误差e，还包含主轴对应截面的圆度误差r，由于r比e大得多，因此径向回转误差信号e被淹没了，直接利用四只电容测微仪的测量值作比例运算，测量的结果是有偏差的，四电容测微仪法在低端精密离心机研制中适用，并不适用于高精密离心机主轴径向回转误差和倾角回转误差的精密测量。

实用新型内容

本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种测量精确度高的精密离心机主轴径向回转误差与倾角回转误差测试装置。

为了达到上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

一种精密离心机主轴径向回转误差与倾角回转误差测试装置，所述精密离心机的空气静浮轴承的气浮支架上设置有电容测微仪，所述电容测微仪为六个，六个所述电容测微仪三个一组分别设置在所述空气静浮轴承的两个横截面上，两个横截面上的所述电容测微仪之间两两对应平行。

具体地，所述测试装置还包括增量式光栅编码器、光栅编码器变换电路、多路同步数据采集卡和六个信号调理器，所述光栅编码器变换电路包括展宽电路、时钟选择电路和分频电路，所述展宽电路的信号输入端与所述增量式光栅编码器的Z相脉冲信号输出端连接，所述展宽电路的信号输出端与所述多路同步数据采集卡的第一数字IO接口连接，所述时钟选择电路的信号输入端分别与所述增量式光栅编码器的A相脉冲信号输出端、所述增量式光栅编码器的B相脉冲信号输出端和所述多路同步数据采集卡的第二数字IO接口连接，所述时钟选择电路的信号输出端与所述分频电路的信号输入端连接，所述分频电路的信号输出端与所述多路同步数据采集卡的外部采集时钟接口连接，六个所述电容测微仪的信号输出端分别与六个所述信号调理器的信号输入端连接，所述多路同步数据采集卡的多路模拟输入接口分别与六个所述信号调理器的信号输出端连接。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型精密离心机主轴径向回转误差与倾角回转误差测试装置采用六只电容测微仪测量精密离心机主轴的径向回转误差e和倾角回转误差θ，将完全去除主轴截面的外圆圆度误差r的影响，具有很高的测量精度。

附图说明

图1是本实用新型精密离心机主轴径向回转误差与倾角回转误差测试装置的六个电容测微仪的安装结构示意图；

图2是本实用新型精密离心机主轴径向回转误差与倾角回转误差测试装置的结构框图；

图3是本实用新型精密离心机主轴径向回转误差与倾角回转误差测试装置的空气静浮轴承的S1横截面示意图；

图4是本实用新型精密离心机主轴径向回转误差与倾角回转误差测试装置的空气静浮轴承的S2横截面示意图；

图5是本实用新型精密离心机主轴径向回转误差与倾角回转误差测试装置的光栅编码器Z相脉冲信号展宽图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图1所示，本实用新型精密离心机主轴径向回转误差与倾角回转误差测试装置，所述精密离心机的空气静浮轴承1的气浮支架上设置有电容测微仪2，电容测微仪2为六个，六个电容测微仪2三个一组分别设置在空气静浮轴承1的两个横截面上，两个横截面上的电容测微仪2之间两两对应平行。

如图2所示，所述测试装置还包括增量式光栅编码器、光栅编码器变换电路、多路同步数据采集卡和六个信号调理器，所述光栅编码器变换电路包括展宽电路、时钟选择电路和分频电路，所述展宽电路的信号输入端与所述增量式光栅编码器的Z相脉冲信号输出端连接，所述展宽电路的信号输出端与所述多路同步数据采集卡的第一数字IO接口连接，所述时钟选择电路的信号输入端分别与所述增量式光栅编码器的A相脉冲信号输出端、所述增量式光栅编码器的B相脉冲信号输出端和所述多路同步数据采集卡的第二数字IO接口连接，所述时钟选择电路的信号输出端与所述分频电路的信号输入端连接，所述分频电路的信号输出端与所述多路同步数据采集卡的外部采集时钟接口连接，六个电容测微仪2的信号输出端分别与六个所述信号调理器的信号输入端连接，所述多路同步数据采集卡的多路模拟输入接口分别与六个所述信号调理器的信号输出端连接。

使用本实用新型精密离心机主轴径向回转误差与倾角回转误差测试装置的工作原理如下所示：

如图3和图4所示，将六只电容测微仪2分别布置在精密离心机空气静浮轴承的气浮支架上，选择空气静浮轴承的任意两横截面S1和S2作为测试对象，在横截面S1周围布置三只电容测微仪S11、S12、S13，在横截面S2上布置另外三只电容测微仪S21、S22、S23，其中两横截面对应的圆周上电容测微仪相对平行安装，设两横截面之间距离为l2，精密离心机上的待求径向回转误差的截面为S0，横截面S1距S0的距离为l1，定义零度角方向为X方向，与X垂直过主轴轴心的直线为Y方向，过主轴轴心的铅垂线为Z方向，其中X方向与精密离心机上的增量式光栅编码器的Z相脉冲输出方向一致。

测试时，利用增量式光栅编码器的Z相脉冲信号的展宽信号ZE作为多路同步数据采集卡的采集触发信号，增量式光栅编码器的Z相脉冲信号的展宽信号ZE的周期为精密离心机主轴旋转周期的两倍，利用ZE上升沿作为采集触发信号实现多路同步数据采集卡的稳定可靠触发采集和精密离心机在每周测量数据的起点相同；光栅编码器的A相、B相脉冲信号的分频信号分别作为多路同步数据采集卡的外部采集时钟信号，在精密离心机正转时，利用时钟选择电路控制光栅编码器的A相脉冲作为分频电路的输入信号，分频电路的输出信号作为多路同步数据采集卡的外部采集时钟，在精密离心机反转时，利用时钟选择电路控制光栅编码器的B相脉冲作为分频电路的输入信号，分频电路的输出信号作为多路同步数据采集卡的外部采集时钟。光栅编码器的Z相脉冲展宽电路与A相、B相脉冲分频电路以及时钟选择电路均采用硬件描述语言设计并集成在光栅编码器变换电路中。

如图5所示，利用光栅编码器的Z相脉冲信号的展宽信号ZE作为外部采集触发信号，在精密离心机稳定转动过程中，对主轴上的每个截面等角度采集N点数据，由S11、S12、S13三个电容测微仪的测试信号经三点法圆度误差分离后的径向回转误差信号为e1(i)(i=1,2..N)，由S21、S22、S23三个电容测微仪的测试信号经三点法圆度误差分离后的径向回转误差信号为e2(i)(i=1,2..N)，则根据式(1)、式(2)，轴承的S0截面的径向回转误差在X、Y方向上的分量Δx(i)、Δy(i)和倾角回转误差分量Δθx(i)、Δθy(i)算法分别表示为：

Δx(i)=(1+l1/l2)e1cos(2πi/N)-(l1/l2)e2cos(2πi/N)……(1)

Δy(i)=(1+l1/l2)e1sin(2πi/N)-(l1/l2)e2sin(2πi/N)…(2)

ΔθX(i)=(e2(i)-e1(i))×sin(i×2π/N)÷l2………………(3)

Δθy(i)=(e2(i)-e1(i))×cos(i×2π/N)÷l2…………(4)

将每截面上的三个电容测微仪按照一定角度布置，可实现主轴截面圆度误差与径向回转误差的完全分离。测试时，主要确定的参量有l1、l2、三个电容测微仪之间的夹角以及每周采样点数N。在进行三点法分离主轴截面的圆度误差和径向回转误差时，设每截面上的三个电容测微仪与X轴的夹角分别定义为0、α、β，α、β的具体取值与每周采样点数N有关。设在每周采集的N个测点中，α、β角对应的测点数分别为p1、p2，只要满足p1、p2两数互质，则理论上主轴截面的圆度误差与径向回转误差可实现精确分离，谐波失真度小，两者不互质时，也能实现主轴截面的圆度误差与径向回转误差分离，只是会使高次谐波分离出现失真。由于精密离心机转速通常为几Hz，因此，分离主轴截面的圆度误差和径向回转误差时，径向回转误差e1、e2取前5阶波形即可，而主轴截面的圆度误差根据ISO标准取前40阶，40阶以上被认为是主轴截面的表面粗糙度信号，在本实用新型中，设计的α=90°，β取值可有多组参数，取决于N。

p1=aN/2π…………………………(5)

p2=βN/2π…………………………(6)

而采样点数N取决于精密离心机主轴转动频率fmax(Hz)和电容测微仪与电容测微仪信号调理器的输入频带范围f(Hz)，测试时，应使N、fmax、f满足：

N×fmax≤f…………………………(7)

截面S0与截面S1之间的距离l1以及截面S1、S2之间的距离l2的取值应根据精密离心机主轴总长度进行确定，其原则是l2的值越大，主轴S0截面上的主轴径向回转误差分量Δx、Δy和倾角回转误差分量Δθx、Δθy测量误差越小。

Claims

1.一种精密离心机主轴径向回转误差与倾角回转误差测试装置，所述精密离心机的空气静浮轴承的气浮支架上设置有电容测微仪，其特征在于：所述电容测微仪为六个，六个所述电容测微仪三个一组分别设置在所述空气静浮轴承的两个横截面上，两个横截面上的所述电容测微仪之间两两对应平行。

2.根据权利要求1所述的精密离心机主轴径向回转误差与倾角回转误差测试装置，其特征在于：所述测试装置还包括增量式光栅编码器、光栅编码器变换电路、多路同步数据采集卡和六个信号调理器，所述光栅编码器变换电路包括展宽电路、时钟选择电路和分频电路，所述展宽电路的信号输入端与所述增量式光栅编码器的Z相脉冲信号输出端连接，所述展宽电路的信号输出端与所述多路同步数据采集卡的第一数字IO接口连接，所述时钟选择电路的信号输入端分别与所述增量式光栅编码器的A相脉冲信号输出端、所述增量式光栅编码器的B相脉冲信号输出端和所述多路同步数据采集卡的第二数字IO接口连接，所述时钟选择电路的信号输出端与所述分频电路的信号输入端连接，所述分频电路的信号输出端与所述多路同步数据采集卡的外部采集时钟接口连接，六个所述电容测微仪的信号输出端分别与六个所述信号调理器的信号输入端连接，所述多路同步数据采集卡的多路模拟输入接口分别与六个所述信号调理器的信号输出端连接。