CN219511467U - 三维轴心运动轨迹测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及三维轴心运动轨迹测量装置，设有基座及安装在基座上的激光测量机构，激光测量机构的数量为两个，包括第一激光测量机构和第二激光测量机构，第一激光测量机构和第二激光测量机构相互垂直布设，激光测量机构设有底座、立柱和用于安装激光传感器的背板，背板采用竖向直线移动连接的方式安装在立柱上，立柱座采用竖向直线移动连接的方式安装在底座上。本实用新型可用于主轴径向断面轮廓和主轴端面的测量，依据测量数据，能够计算获得实时的轴心位置坐标，测量不受被测件的材质限制。

Description

三维轴心运动轨迹测量装置

技术领域

本实用新型涉及三维轴心运动轨迹测量装置和采用这种装置的三维轴心运动轨迹测量方法。

背景技术

目前，主流的三维轴心轨迹测量方法是基于电涡流传感器准确测量主轴与探头端面之间的静态和动态距离及其变化，由此计算获得轴心轨迹。例如，中国专利文献CN216811906U公开了一种动力输出装置，其包括壳体、动力输出轴以及测量组件，所述测量组件设置在所述壳体上，所述动力输出轴穿设于所述壳体，所述测量组件的测量端设置于所述动力输出轴的一端，所述动力输出轴相对于所述测量端进行旋转运动，所述测量组件用于测量所述测量端与所述动力输出轴之间的距离变化，所述距离变化用于确定所述动力输出轴的轴心轨迹，所述测量组件包括第一电涡流位移传感器和第二电涡流位移传感器，所述第一电涡流位移传感器和所述第二电涡流位移传感器分别设置在所述壳体上，所述第一电涡流位移传感器的第一测量方向与所述第二电涡流位移传感器的第二测量方向之间的夹角为预设角度，所述第一测量方向与所述第二测量方向为非平行关系，所述动力输出轴包括曲轴，所述曲轴穿设于所述壳体，所述测量组件的测量端设置于所述曲轴一端，所述曲轴相对于所述测量端进行旋转运动，所述测量组件用于测量所述测量端与所述曲轴之间的距离变化，所述距离变化用于确定所述曲轴的轴心轨迹。中国专利文献CN114198222A公开了一种液体火箭发动机涡轮泵转子低温位移测量装置，包括轴向位移传感器、径向位移传感器和传感器底座组件，轴向位移传感器和径向位移传感器安装于涡轮泵内部，传感器底座组件设有多道密封，将导线引出的同时能够保证涡轮泵的低温密封性能，其中轴向位移传感器和径向位移传感器均以电涡流传感器为其传感器主体，这种测量装置能够实时监测氢氧涡轮泵转子组件在低温环境运转过程中的轴向及径向位移，并以此为依据，获取转子的轴向窜动量和轴心轨迹。

然而，这种测量方法存在一定的局限性，被测体/主轴必须为金属材料，才能进行有效测量。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对上述局限性，提供一种新型三维轴心运动轨迹的测量装置及相应的测量方法，使被测件不再受限于金属材质。

本实用新型的技术方案是：适用于三维轴心运动轨迹测量的激光测量装置，设有基座(例如，工作台)及安装在基座上的激光测量机构，激光测量机构的数量为两个，包括第一激光测量机构和第二激光测量机构，第一激光测量机构和第二激光测量机构相互垂直布设(测量方向相互垂直)。

进一步地，激光测量机构设有竖向直线移动机构，竖向直线移动机构中设有能够竖向直线移动的背板，激光测距传感器(简称激光传感器)安装在背板上。

竖向直线移动机构可以包括立柱和背板，背板以允许竖向直线移动的活动连接方式安装在立柱上，由此能够以立柱为基础竖向直线移动。

立柱和背板之间通常应设有相互配合的直线导向结构。例如，由滑槽和滑块组成的直线移动配合结构。

进一步地，竖向直线移动机构设有锁定装置。

在竖向直线移动机构包括立柱和背板的情形下，竖向直线移动机构的锁定装置可以设有用于将背板在立柱上固定住的顶丝或与顶丝锁紧原理相仿的锁紧螺栓，锁紧螺栓的外端可以设有手柄，用于手动旋紧或旋送锁紧螺栓。

竖向直线移动机构可以设有用于驱动竖向直线移动机构中的活动件竖向直线移动的竖向直线移动驱动装置，也可以不设有用于驱动竖向直线移动机构中的活动件竖向直线移动的竖向直线移动驱动装置。

在竖向直线移动机构包括立柱和背板的情形下，竖向直线移动驱动装置的原动机可以与立柱固定连接，通过适宜的传动机构连接背板。竖向直线移动驱动装置也可以为设有原动机的运动副，运动副的固定构件安装在立柱上，活动件连接背板。

优选地，竖向直线移动机构中的活动件和固定件之间通过直线轴承连接。例如，在竖向直线移动机构包括立柱和背板的情形下，可以将背板通过适宜的直线轴承安装在立柱上。

进一步地，激光测量机构设有水平直线移动机构，水平直线移动机构设有能够水平直线移动的立柱座，立柱安装在立柱座上。

水平直线移动机构可以包括底座和立柱座，立柱座以允许水平直线移动的活动连接方式安装在底座上，由此能够以底座为基础水平直线运动。

底座和立柱座之间通常应设有相互配合的直线导向结构。例如，由滑槽和滑块组成的直线移动配合结构。

水平直线移动机构设有锁定装置。

在水平直线移动机构包括底座和立柱座的情形下，水平直线移动机构设有锁定装置可以设有用于将立柱座在底座上固定住的顶丝或与顶丝锁紧原理相仿的锁紧螺栓，锁紧螺栓的外端可以设有手柄，用于手动旋紧或旋送锁紧螺栓。

水平直线移动机构设有用于驱动水平直线移动机构中的活动件水平直线移动的水平直线移动驱动装置，也可以不设有用于驱动水平直线移动机构中的活动件水平直线移动的水平直线移动驱动装置。

在水平直线移动机构包括底座和立柱座的情形下，水平直线移动驱动装置的原动机可以与底座固定连接，通过适宜的传动机构连接立柱座。水平直线移动驱动装置也可以为设有原动机的运动副，运动副的固定构件安装在底座上，活动件连接立柱座。

优选地，水平直线移动机构中的活动件和固定件之间通过直线轴承连接。例如，在水平直线移动机构包括底座和立柱座的情形下，可以将立柱座通过适宜的直线轴承安装在底座上。

优选地，第一激光测量机构的激光测距传感器为三维激光扫描仪或二维激光扫描仪。

优选地，第二激光测量机构的激光测距传感器为三维激光扫描仪或单点激光测距仪。

可以通过螺栓各激光测量机构的底座固定在基座上。

基座可以采用工作台，当用于机床的主轴轴心测量时，可以将各激光测量机构的底座固定在工作台的适当位置，以第一激光测量装置的激光传感器进行主轴的径向断面轮廓测量，以第二激光测量装置的激光传感器进行主轴端面的测量。

本实用新型的有益效果是：由此采用激光测距技术，不受被测件(例如，主轴)的材质影响，能够依据对主轴(或其他类似被测件)径向断面轮廓(断面的一侧轮廓)和主轴端面上的各特征点的实测数据和初始位置数据计算获得主轴轴心的位置坐标，进而能够计算出轴心的运动轨迹及轴心实时位置相对于初始位置或理想位置的偏差。

本实用新型主要可用于主轴及其他类似物体的轴心三维运动轨迹测量。

附图说明

图1是检测装置的示意图；

图2是检测装置涉及径向断面轮廓测量的构造示意图；

图3是检测装置涉及端面测量的构造示意图；

图4是径向断面轮廓测量涉及的扫描轮廓图；

图5是端面测量涉及的扫描轮廓图。

具体实施方式

参见图1、图2和图3，这种测量装置包括两部分，一部分是用于测量主轴侧面/径向断面轮廓的激光测量机构，可称为第一激光测量机构，相应的激光传感器可称为第一激光传感器；一部分是用于测量主轴(泛指各种被测物)端面/轴心断面(过轴心的横截面)的激光测量机构，可称为第二激光测量机构，相应的激光传感器可称为第二激光传感器。两个激光测量机构本身可以采用相同技术，两个激光测量机构依据各自相对于主轴的不同方位，分别实现所需的端面测量(或称轴心方向测量)和径向断面轮廓的测量(或称轴径方向测量)。

激光测量机构(第一激光测量机构和第二激光测量机构)的测量器件采用具有相应测量能力的激光测距传感器(简称激光传感器，或称激光测距仪，例如，三维激光扫描仪)，可依据测量需要选用各自适宜的激光传感器。第一激光测量机构的激光传感器朝向主轴的侧面，测区覆盖/包括径向断面轮廓的全部可能的运动区域；第二激光测量机构的激光传感器朝向主轴的端面(前端面)，测区覆盖/包含主轴端面的全部可能的运动区域。

激光传感器(第一激光传感器和第二激光传感器)可以为三维激光扫描仪，以满足相应的测区要求。

对于第一激光测量机构的激光传感器(第一激光传感器)，也可以采用适宜的二维激光扫描仪。

在主轴端面上任意点的Z坐标变化能够用于代表轴心Z坐标变化的情形下，第二激光传感器也可以采用常见的用于单点测距的激光传感器。

除激光传感器外，激光测量机构还包括底座、立柱和用于安装激光传感器的背板，其中背板和立柱组成竖向直线移动机构，底座和立柱座组成水平直线移动机构，两激光测量机构的底座延伸方向相互垂直，以适应于各自立柱的位置调节需要。

激光传感器固定安装在相应的背板(亦可称为传感器安装背板)上，例如通过螺栓紧固在背板上，背板与相应的立柱导向配合(允许两者在限定方向上相对运动的连接/配合方式)，背板和相应的立柱之间设有带动背板相对于立柱移动的驱动机构(可称为背板驱动机构)。背板驱动机构可以采用任意适宜的现有技术，例如，油缸(及所需的配套结构，如果需要的话)、直线电机(及所需的配套结构，如果需要的话)或设有转动变直线运动的传动机构的电动机(旋转电机)等。转动变直线运动的传动机构可以采用任意适宜的现有技术，例如，丝杠螺母机构(或称丝杠螺母传动机构)、齿轮齿条机构(或称齿轮齿条传动机构)或带传动机构。可以依据实际需要进行背板驱动机构的选择及设置。

底座采用设有滑道(直线滑道，例如，滑槽)或其他直线导向结构(例如，导轨/滑轨)的底座，立柱的底座端与相应的底座导向配合(允许在底座限定的方向上相对于底座直线移动的连接/配合方式)，例如，在立柱的下端固定安装有与底座上的滑道或导轨活动连接(导向配合)的立柱座(滑块)。

立柱座和相应的底座之间可以设有锁定装置(例如，顶丝/锁紧螺栓及所需的配套结构，如果需要的话)，背板和立柱之间也可以设置锁定装置。

依据实际需要，立柱座和相应的底座之间可以设有带动立柱座相对于底座移动的为水平直线移动驱动机构(或称立柱驱动机构)。立柱驱动机构可以采用任意适宜的现有技术，例如，油缸(及所需的配套结构，如果需要的话)、直线电机(及所需的配套结构，如果需要的话)或设有转动变直线运动的传动机构的电动机(旋转电机)等。转动变直线运动的传动机构可以采用任意适宜的现有技术，例如，丝杠螺母机构(或称丝杠螺母传动机构)、齿轮齿条机构(或称齿轮齿条传动机构)或带传动机构。可以依据实际需要进行立柱驱动机构的选择及设置。

立柱的导向方向(允许背板相对其直线运动的方向，也就是，立柱或立柱主体部分的延伸方向)与相应底座的滑道方向(允许立柱相对其直线运动的方向，也就是，底座或底座主体部分的延伸方向)相互垂直。通过这种组合方式，可以实现激光传感器在立柱的导向方向上的位移/位置调节和在底座的滑道方向上的位移/位置调节。

背板和相应的立柱之间可以设有直线轴承，通过直线轴承实现两者之间的直线活动连接(导向连接)，以减小阻力(包括动、静摩擦阻力)。

立柱和相应的底座之间可以设有直线轴承，通过直线轴承实现两者之间的直线活动连接(导向连接)，以减小阻力(包括动、静摩擦阻力)。

直线轴承可以采用滚子轴承或滑动轴承。

第一激光测量机构位于主轴的一侧(周向上的具体方位可依实际情况灵活设置)，可以通过相应的螺栓将底座紧固在第一激光测量机构的安装基础(例如，相应部位的机架或与机架固定连接的安装板，或主轴下方的工作台面)上，底座的滑道方向与主轴的延伸方向一致，将其立柱移动到使激光传感器的测量位置对应于主轴前端附近的断面轮廓，用锁紧螺栓将立柱在底座上固定住；当设有相应的立柱驱动机构时，可以通过立柱驱动机构实现立柱在底座上的移动和定位。通过相应立柱相对于底座的移动和背板相对于立柱的移动，就能够将相应的激光传感器移动到适宜的位置。

将第二激光测量机构安装在主轴的前方(前端面朝向的方向)，可以通过螺栓将其底座滑槽紧固在第一激光测量机构的安装基础(例如，相应部位的机架或与机架固定连接的安装板，或主轴下方的工作台面)上，底座的滑道方向与主轴的延伸方向垂直，将其立柱移动到能使激光传感器正对主轴端面(前端面)中心的位置，用锁紧螺栓将立柱在底座上固定住；当设有相应的立柱驱动机构时，可以通过立柱驱动机构实现立柱在底座上的移动和定位。通过相应立柱相对于底座的移动和背板相对于立柱的移动，就能够将相应的激光传感器移动到适宜的位置。

第一激光测量机构和第二激光测量机构的底座相互垂直(包括异面垂直)，以保证在XYZ轴三个方向的测量。

参见图4和图5，可以采用下列方法采用本实用新型进行测量，并基于测量数据计算主轴的轴心位置坐标及位置偏差：

基于主轴所在设备的机架或地面基础建立直角坐标系，可以采用相应机床加工控制所用的直角坐标系(机床坐标系)，可以以主轴方向为Z向(Z轴方向)，横向(垂直于主轴方向的水平方向)和竖向分别为X向(X轴方向)和Y向(Y轴方向)。在这种坐标系下，当第一激光测量机构和第二激光测量机构的立柱均竖立设置时，径向断面轮廓激光传感器在Y轴方向上扫描，依据扫描角度及测量获得的距离，获得检测点(径向断面轮廓上的点)的XY坐标(同一径向断面轮廓上各点的Z坐标相同)。第二激光传感器扫描主轴端面，获得端面上若干检测点的距离，依据扫描角度及测量获得的距离，获得检测点(主轴端面上的点)的XYZ坐标，在端面上不同点Z坐标之间的差异可以忽略的情形下，则可以以第二激光传感器垂直于主轴端面的情形下测量的距离确定主轴端面的Z坐标。

基于实测数据获得的坐标可称为实测位置坐标。初始位置上的实测坐标或者依据其他方式确定的坐标可称为初始坐标或初始位置坐标。

为计算上的便利，分别设定或选取若干用于端面测量和轴径测量的特征点，这些特征点在任意实测获得的主轴端面上或径向断面轮廓上的分布方式不变，不随主轴转动，依据各特征点的实测位置坐标与初始位置坐标，分别计算获得轴心在X、Y轴上的实测位置坐标和在Z轴上的实测位置坐标。

具体计算方式如下：

其中，分别为轴心在X、Y、Z轴上的实测位置坐标，/>分别为轴心在X、Y、Z轴上的初始位置坐标，/>分别为特征点A_i在X、Y轴上的实测位置坐标，/>分别为特征点A_i在X、Y轴上的初始位置坐标，/>为特征点B_j在Z轴上的实测位置坐标，/>为特征点B_j在Z轴上的初始位置坐标，特征点A_i为径向断面轮廓上的第i个特征点，i＝1,2,3,…,N，N为正整数，通常应不小于3，特征点B_j为端面测量的第j个特征点，j＝1,2,3,…,M，M为正整数。

可以依据下列公式计算轴心在X、Y、Z轴方向上的偏移距离(相对于初始位置的偏移距离)：

其中为轴心在X轴方向上的位置偏移或波动，/>为轴心在X轴方向上的位置偏移或波动，/>为轴心在X轴方向上的位置偏移或波动。

可以通过实际测量确定轴心的初始位置坐标及各特征点的初始位置坐标。轴心的初始位置坐标的测量可以采用本实用新型的测量装置，通过第二激光测量机构测量并计算获得初始状态下端面上若干点的XYZ坐标，通过第一激光测量机构测量初始状态下相应径向断面轮廓上若干点的XYZ坐标，依据这些检测点及轴心在主轴上的相对位置关系计算获得轴心的初始位置坐标。

亦可依据主轴/机床的相关参数或通过其他方式获得轴心的初始位置坐标。

在适宜时，可以利用主轴相关信息/参数，计算/获得理想状态/标准状态下轴心和各特征点的位置坐标，这种位置坐标可称为标准位置坐标)，以轴心和各特征点的标准位置坐标作为/替代上述计算中轴心的初始位置坐标，由此计算获得的轴心在X、Y、Z轴方向上的偏移距离为轴心相对于其标准位置的偏移距离。

可以依据各激光传感器在主轴上的测量范围选取/设定相应的特征点。激光扫描仪在测量区域内扫描获得若干检测点的测量数据，在本实用新型涉及的精度要求下，可以将这些密布的检测点视为连续的，或者说，对于任意未被测量的点，以邻近检测点的测量数据作为该点的侧量数据所产生的误差可以忽略。因此，在设定或确定特征点时，可以忽略未被测量的点的存在。即使在更高精度要求下，可以以检测点的实测位置坐标拟合出主轴端面和相应径向断面轮廓，进而获得包括特征点在内的任意点的坐标。

依据测量数据，可以确定径向断面轮廓的端点(上下两端的端点)和主轴端面的边缘，可以基于径向断面轮廓的端点设定/确定径向断面轮廓上的特征点A_i，例如，以该轮廓的上、下端点(或者上、下端点的邻近点)分别为特征点A₁和特征点A_N，其余特征点A_i(1＜i＜N的特征点A_i)在特征点A₁和特征点A_N之间依次分布，具体分布方式可以是现有任意方便计算且能够获得满意结果的方式。例如，特征点A_i在Y轴方向上等间距分布，依据特征点A₁的Y坐标(或/>)和特征点A_N的Y坐标(/>或/>)及相邻特征点之间在Y轴方向上的间距确定其余特征点A_i的Y坐标(/>或/>)，进而确定特征点A_i的X坐标(/>或/>)。为保证数据的准确性或精度，特征点A₁和特征点配_N之间至少可设置一个特征点A_i。在现有技术背景下，特征点A₁和特征点A_N之间的特征点A_i通常为若干个。

特征点B_j亦可以依据类似的方式设定/确定。例如，可以以Y坐标值最大和最小的两个点为主轴端面的竖向直径线的上下端点，将这两个端点作为B₁和B_M。这两点的X坐标应当相等，如不相同，可以以这两点实际/实测的X坐标的平均值为这两个特征点的X坐标，在无运行故障或其他异常的情形下，这种替代是允许的/可接受的。在该直径线上可以设置其他特征点B_j(1＜j＜M的特征点B_j)，也可以不设其他特征点。设置在该直径线上的特征点B_j在特征点B₁和B_M之间依次分布，具体分布方式可以是现有任意方便计算且能够获得满意结果的方式。例如，特征点B_k在Y轴方向上(也就是B₁和B_M所在的直径线上)等间距分布，依据特征点B₁的Y坐标(或/>)和特征点B_M的Y坐标(/>或/>)及相邻特征点之间在Y轴方向上的间距确定其余特征点B_j的Y坐标(/>或/>)，各特征点B_j的X坐标相同，取B₁和B_M的X坐标值，进而确定特征点B_j的Z坐标(/>或/>)。

同理，也可以以X坐标值最大和最小的两个点为主轴端面的水平方向直径线的左右端点，以这两个端点为特征点并可以在这两个特征点之间设置若干其他特征点。

如在确定的某个特征点上没有测量数据，可以以最邻近该特征点的检测点的相应数据作为/计算获得该特征点的相关坐标值。

径向断面轮廓的测量可以采用三维激光扫描仪或二维激光扫描仪，端面的测量可以采用三维激光扫描仪，当可以以端面上一个点的Z坐标代表端面上各点的Z坐标时，可以采用普通(自身不带扫描功能)的激光测距仪(可称为单点激光测距仪或单点激光传感器)，依据其实际测量距离计算获得端面的Z坐标，以端面的Z坐标作为特征点坐标(在此情形下，可以将特征点的数量理解为一个或者无限个)。在初始位置上，将该激光传感器对准主轴端面的中央，测量过程中无需调整位置。

在现有技术背景下，激光测距传感器/扫描仪同帧数据(一次扫描获得的各检测点数据)的采集可以认为是同时的。

本实用新型采用激光传感器测距克服了对于被测主轴材料的限制，并考虑到精简传感器的数量，可以更准确的拟合出轴心运动轨迹，实现了三维轴心轨迹的精准化测量。

本实用新型公开的各优选和可选的技术手段，除特别说明外及一个优选或可选技术手段为另一技术手段的进一步限定时，均可以任意组合，形成若干不同的具体实施方式。

Claims (10)

1.三维轴心运动轨迹测量装置，设有基座及安装在基座上的激光测量机构，其特征在于激光测量机构的数量为两个，包括第一激光测量机构和第二激光测量机构，第一激光测量机构和第二激光测量机构相互垂直布设。

2.如权利要求1所述的三维轴心运动轨迹测量装置，其特征在于激光测量机构设有竖向直线移动机构，竖向直线移动机构中设有能够竖向直线移动的背板，激光测距传感器安装在背板上。

3.如权利要求2所述的三维轴心运动轨迹测量装置，其特征在于竖向直线移动机构设有锁定装置。

4.如权利要求2所述的三维轴心运动轨迹测量装置，其特征在于竖向直线移动机构设有或者不设有用于驱动竖向直线移动机构中的活动件竖向直线移动的竖向直线移动驱动装置。

5.如权利要求2所述的三维轴心运动轨迹测量装置，其特征在于竖向直线移动机构中的活动件和固定件之间通过直线轴承连接。

6.如权利要求2所述的三维轴心运动轨迹测量装置，其特征在于激光测量机构设有水平直线移动机构，水平直线移动机构设有能够水平直线移动的立柱座，立柱安装在立柱座上。

7.如权利要求6所述的三维轴心运动轨迹测量装置，其特征在于水平直线移动机构设有锁定装置。

8.如权利要求6所述的三维轴心运动轨迹测量装置，其特征在于水平直线移动机构设有或者不设有用于驱动水平直线移动机构中的活动件水平直线移动的水平直线移动驱动装置。

9.如权利要求6所述的三维轴心运动轨迹测量装置，其特征在于水平直线移动机构中的活动件和固定件之间通过直线轴承连接。

10.如权利要求1-9中任一项所述的三维轴心运动轨迹测量装置，其特征在于第一激光测量机构的激光测距传感器为三维激光扫描仪或二维激光扫描仪，第二激光测量机构的激光测距传感器为三维激光扫描仪或单点激光测距仪。