CN86102519A - 基准球安装偏心信号的消除判别技术及装置 - Google Patents

Abstract

一种以精密钢球为测量基准的轴系动态回转精度测量中的消偏判别技术及装置，将含有基准球偏心信号e的回转轴误差运动信号(δ+e)与经过调节、控制、放大后的同步信号一起在示波器上生成李沙育消偏判别图形，当图形宽度最窄，平均无倾斜时则消偏效果达最佳，本方法及装置简便快速，可在一分钟内完成消偏判别、消偏判别结果对测量精度影响＜1％。

Description

该技术及其装置属于轴系动态回转精度测量中的消偏技术及装置，也即为回转轴误差运动测量技术中基准球安装偏心信号的消除和消除效果的判别方法及其装置，在该项技术中，基准球安装偏心信号的消除与其效果的判别是一项不可分割的技术。

在回转轴运动误差测量技术中，回转轴的轴线（或称中心线）是一根理想的抽象了的直线，实际测量中必须以具体的物体代表该理想轴线或其上一点，代表该理想轴线或其上一点的物体被称为基准体或基准元件。对于基准元件要求很精确，与测量精度相比其误差可忽略不计。由于钢球的表面几何精度可以做得很高，其形状误差可以做得＜0.1微米，并且可以从大批生产的钢球中挑选精化，所以现有技术中，多数采用精密钢球作为测量基准元件，并以非接触式传感器检测轴系动态回转精度-回转轴误差运动。由于基准球的安装偏心将对回转轴误差运动测量精度带来严重影响，为此消除基准球的安装偏心或消除偏心给测量结果带来的影响是该测量技术的关键之一。

消除基准球安装偏心采用的机械装置通常如图一所示，基准球偏心微调是通过四只调节螺钉（3）的旋动，使摆动板（4）依靠球支承（5）实现角摆动，从而改变基准球（2）的中心位置，但这种机械调偏方法和装置的效率及消偏效果都较差，消偏结果一般可达3～4微米，最高仅达1微米左右。因此国内外常采用电讯号的消偏技术来消除基准球安装偏心信号对测量结果的不利影响，目前常用的方法如下：

1、滤波法：利用带阻滤波器来滤除偏心信号，并从滤波器示屏上直接观察消偏效果，但该方法存在如下明显缺点：a）带阻滤波器有一定的频宽，从而可以滤去偏心误差，也可以滤去一部分有用误差信号。b）基准球安装偏心信号是与回转轴同步的一次谐波信号，该法不能区分基准球的安装偏心信号和被测轴误差运动中一次谐波分量。c）带阻滤波器幅频特性及相频特性的影响，将给回转轴的误差运动信号带来危害，影响其测量精度。d）滤波器的特性总是根据绝对时标来定的。因此，当被测轴转速改变时，或其转速波动时对滤波器工作特性能否适应存在问题，对于无级变速的轴系其滤波器工作特性更是无法适应。

2、双基园盘产生电信号的补偿消偏判别法;其补偿讯号是从安装在回转轴前端的二只偏心盘产生的，该法结构累赘，调整费时，精度不高，故采用者甚少。

3、快速符里叶变换计算消偏法，由于该方法存在符里叶变换的固有偏畸和泄漏等原理误差，其计算速度较慢，并且不能区分偏心信号e与误差运动中的一次谐波。

4、直角坐标系统消偏判别法：即把含有基准球偏心信号e的回转轴误差运动信号（δ+e）（注：其中δ为回转轴的单纯误差运动信号。）送入双通道示波器A通道，把同步信号送入双通道示波器B通道，以锯齿波为时基分别展开上述A、B通道讯号，调整同步信号的幅度与相位，然后将A、B通道讯号相加，当结果在双通示波器视屏上趋近一直线时，则消偏效果为最好。该方法的系统装置比较复杂，观察调整同步信号的相位和幅度与观察（δ+e）信号分别进行，所以观察不便，调整困难和费时，并且其消偏效果和判别精度不能很高。

克服上述机械消偏方法与装置及电讯号消偏判别方法及装置的缺陷是本发明的目的;本发明还要求在基准球安装偏心信号消除过程中，充分保留回转轴误差运动信号的原有性质，使误差运动的信号不受干扰、破坏;要求消偏及效果判别方便，效果好，精度高，而系统的装置较为简单，操作方便迅速。

本发明采用高精度的钢球作为测量基准元件，以代表回转轴轴线上的一点并以如图一所示的机械调偏装置进行偏心粗调;采用与回转轴同步旋转安装的同步分解器（或旋转变压器）以产生同步信号。其消偏的原理如下：当基准球安装偏心为E时，传感器输出的偏心信号为：e＝ECos（ωt+θ）＝ECosωtCosθ-Esimωtsinθ式中ω为回转轴的角频率，θ为基准球偏心方向与敏感方向的夹角（注：敏感方向即被测轴与传感器相对运动误差将以1∶1的关系转化为测量误差的传感器安装方向，）由于基准球安装好之后，θ不再变化，故可令ECosθ＝A（常数）;Esinθ＝B（常数）则e＝ACosωt-Bsinωt;设有一个讯号e′＝-ACosωt+Bsinωt，则e和e′可通过电讯号相加而互相抵消。根据这一原理，本发明从前述的同步分解器中引出一个正弦信号，分别使其在-Psinωt和+Psinωt之间调节;又引出一个余弦信号，分别使其在-PCosωt和+PCosωt之间调节;P为幅度调节的极限，并且令｜P｜＞｜A｜;｜P｜＞｜B｜。本发明的特征在于将含有基准球安装偏心信号e的回转轴误差运动信号（δ+e）和同步信号一起生成李沙育图形，并以该李沙育图形的宽度和倾斜度来判别基准球安装偏心信号消除的效果，即调节同步信号的幅度，控制同步信号的正反相位，当李沙育图形的宽度和倾斜度为最小时，则消偏效果为最好。本发明的特征还在于于把含有基准球安装偏心信号e的回转轴误差运动信号（δ+e）接到示波器的x（或y）偏转板上，把与回转轴角频率同步的正弦（或余弦）信号接到示波器的y（或x）偏转板上，以此生成李沙育消偏判别图形。此时示波器的荧光屏上将出现一个倾斜的椭圆，如图二（a）所示，当安装偏心E产生的偏心信号e被完全消除时，并假设回转轴不存在误差运动时，应只剩下y（或x）偏转轴上的正弦信号Lsinωt，（或LCosωt），其在萤光屏上应是一条和y轴（或x轴）吻合的直线，其幅度范围为L，但事实上由于存在回转轴的误差运动（包括其误差运动中一次谐波分量），所以示波器光屏上不是一条稳定的直线，而是宽度最窄，而且平均位置无偏斜的光带，如图二（b）所示。上述消偏和判别方法充分保留了回转轴误差运动讯号的原有性质，原因如下，由于基准球偏心信号的幅度和相位是稳定不变的一次谐波信号，可以被一个反相等值的稳定信号加以抵消，而误差运动讯号及其一次谐波却是随机变化的不稳定的信号，是无法用一个稳定信号补偿抵消的，不能补偿的误差运动信号影响了前述李沙育偏判别图形中光带的宽度。

根据上述消偏判别方法而设计的装置，有一只基准钢球和机械调偏装置，还有一只示波器和一只与回转轴同步旋转的同步分解器（或旋转变压器），该装置的特征如图三所示，有二组幅度调节电路，（其幅度调节范围均为±P之间），正反相控制电路和放大电路，对同步分解器产生的正弦同步信号和余弦同步信号分别进行幅度调节，正反相位控制及放大，以匹配消偏信号与偏心信号e的幅度和相位;又有一组求和电路将含有基准球安装偏心信号e的回转轴误差运动信号（δ+e）和上述经过幅度调节，正反相位控制及放大了的正弦同步信号和余弦同步信号一起进行处理，并按前述方法与示波器的x（或y）偏转板相连接，并按前述李沙育消偏判别图形进行消偏效果的判别。

本发明经过大量试验与已有技术相比表明具有下列明显优越之处：1、本发明充分保留了回转轴本来的误差运动讯号不受干扰，破坏，与基准球偏心信号同步的回转轴一次谐波误差运动信号能相互区别而不被消除。2、方法简便，观察、调整判别都比直角坐标法直观方便，调整及判别可在一分钟内完成。3、消偏效果好，判别的精度高，曾用频谐分析仪对消偏判别结果进行分析，证实基准球安装偏心影响消除，其剩余偏心信号对回转轴误差运动测量精度的影响＜1%。4、装置简便，成本大为降低，本装置所述的示波器即为误差运动测量仪所共用，其电路也是在误差运动测量仪电路中增加了少量功能电路而成。现结合实施例对附图说明如下：

图一为目前常用的采用钢球为基准元件的机械调偏装置，本发明将其作为消偏技术中的粗调装置，最高调偏精度可达1微米，基准钢球安装偏心E所产生的偏心信号e由本发明进行消除及效果判别。图中（1）为测量传感器。（2）为基准钢球。（3）为调整螺钉，共有4只。（4）为摆动板。（5）为摆动板的球支承，（6）固定联结轴，以此与被测轴或支承座联结固定。图二为示波器光屏上显示的李沙育消偏判别图形，其中（a）中的椭圆，其在x轴向的宽度及其与y轴向倾斜度说明基准钢球安装偏心E所产生的偏心信号e≠o，将对被测轴动态回转精度测量带来危害;通过本发明对e进行消除判别，如图二（b）所示，表示基准钢球安装偏心E所产生的偏心信号e已经消除，剩余的光带宽度为回转轴本身的误差运动所致，它是一条随机变化的但又是最窄并平均无偏斜的光带。图三是本发明消偏判别装置的电原理图（不包括前述示波器和同步分解器），图中的A′Cosωt和A′sinωt即来自与被测轴同步旋转的同步分解器的同步信号，其中A′为同步分解器的饱和输出，（δ+e）即为带有基准球偏心信号e的被测回转轴的误差运动信号;经过求和电路的处理，消除或未完全消除偏心信号e影响的电信号经由开关K的开与闭，引入示波器的x（y）偏转板，以前述李沙育图形进行消偏效果判别。判别结果被认为已经完全消除偏心信号e影响时，其剩余信号即为单纯的回转轴的误差运动信号δ，可以将δ引入测量误差运动的装置进行误差运动测量。如果判别结果被认为未完全消除偏心信号e的影响，则继续对上述装置中的幅度及正反相位调节控制电路进行细调，本发明及装置一般可在一分钟内即完成消偏判别。

本发明及其装置经过大量试验，作为轴系动态回转精度测量仪中的关键配套技术之一正准备向商品化方向发展。

Claims (3)

1、一种轴系动态回转精度测量中的消偏技术，以钢球为基准元件代表被测轴上的一点，应用与回转轴同步旋转安装的同步分解器产生同步信号，本发明的特征在于将含有基准球安装偏心信号e的回转轴误差运动信号(δ+e)与上述同步信号一起生成李沙育图形，并以该李沙育图形的宽度和倾斜度来判别基准球安装偏心信号e消除的效果，即调节同步信号的幅度，控制同步信号的正反相位，当李沙育图形的宽度和倾斜度最小时，则消偏效果为最好。

2、根据权利要求1所述的轴系动态回转精度测量中的消偏技术，其特征在于把含有基准球安装偏心信号e的回转轴误差运动（δ+e）接到示波器x（或y）偏转板上，把与回转轴角频率同步的正弦（或余弦）信号接到y（或x）偏转板上，以此生成李沙育消偏判别图形。

3、按权利要求1或2所述的轴系动态回转精度测量中的消偏技术而设计的消偏判别装置，有一只基准钢球和机械调偏装置，还有一只示波器和一只与回转轴同步旋转的同步分解器（或旋转变压器），本装置的特征在于有二组能对同步分解器产生的正弦同步信号和余弦同步信号分别进行幅度调节、正反相位控制及放大的幅度调节电路，正反相控制电路、放大电路;又有一组能将含有基准球偏心信号e的回转轴误差运动信号（δ+e）和上述经过幅度调节、正反相位控制及放大了的正弦同步信号和余弦同步信号一起进行处理的求和电路。

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