一种高精度回转体跳动在位测量方法.pdf

一种高精度回转体跳动在位测量方法，包括以下步骤：使被测轴停转，安装激光位移传感器，电涡流传感器和霍尔传感器，在被测轴上安装能被霍尔传感器识别的标记；以套装有霍尔传感器的第一电涡流传感器作为基准调节各个传感器的位置；在被测轴表面上吸附4个磁钢，磁钢作为霍尔传感器能够识别的标记；被测轴开始转动，待转速稳定之后，采集霍尔传感器所输出的周期性脉冲信号；将被测轴调节到合适转速；获取各个电涡流传感器测量的信号；求综合跳动误差，求被测工件在测量截面的跳动量。本发明具有能够分离机床主轴回转误差，提供高精度得跳动信息的高精度回转体跳动的优点。

1.  一种高精度回转体跳动在位测量方法，包括以下步骤：
1）、使被测轴停转，分别安装激光位移传感器，电涡流传感器和霍尔传感器，使激光位移传感器，电涡流传感器和霍尔传感器分别对准被测轴，激光位移传感器与电涡流传感器位于同一个圆周上，该圆周与被测回转体同轴，电涡流传感器有3个，霍尔传感器套装在其中一个电涡流传感器上；激光位移传感器，电涡流传感器和霍尔传感器分别与处理器连接；在被测轴上安装能被霍尔传感器识别的标记；
2）、以套装有霍尔传感器的第一电涡流传感器作为基准调节各个传感器的位置，以被测轴圆心作为原点，以第一电涡流传感器所在的直径作为X轴构建平面直角坐标系，第二电涡流传感器所在的直径与X轴的圆周夹角为                                               ，第三电涡流传感器所在的直径与X轴的圆周夹角为，激光位移传感器所在的直径与X轴的圆周夹角为，分别记录第一电涡流传感器的测量方向角，第二电涡流传感器的测量方向角，第三电涡流传感器的测量方向角和激光位移传感器的测量方向角；
3）、在被测轴表面上吸附4个磁钢，磁钢作为霍尔传感器能够识别的标记；被测轴开始转动，待转速稳定之后，采集霍尔传感器所输出的周期性脉冲信号，在一个周期之内，根据相邻2个脉冲之间的间隔时间的比例a，2πa就是相邻2个传感器之间的圆周布置夹角，分别记录第二电涡流传感器所在的直径与X轴的圆周夹角，第三电涡流传感器所在的直径与X轴的圆周夹角和激光位移传感器所在的直径与X轴的圆周夹角；
4）、将被测轴调节到合适转速，使每圈采样点数N应为2的n次幂，n为整数；
5）、获取第一电涡流传感器测量的信号，第二电涡流传感器测量的信号，第三电涡流传感器测量的信号，激光位移传感器测量的信号；
              (1)
        (2)
        (3)
     (4)
其中，为做去直流分量之后的信号，为做去直流分量之后的信号，为做去直流分量之后的信号，为做去直流分量之后的信号，为被测轴表面得电跳动序列，为被测轴表面得机械跳动序列，为被测轴表面得综合跳动序列，为机床主轴回转误差在X轴方向上投影的分量做去直流分量之后所得的信号，为机床主轴回转误差在Y轴方向上投影的分量做去直流分量之后所得的信号；
6）、假设每圈采样点数为N，则采样间隔为，分别对夹角，和做时域离散处理，
，   （5）
对上述式（1）-式（4）分别做时域离散处理，得到：
  (6)
      (7)
      (8)
     (9)
其中：n=0,1,2,3,…,N-1；
7）、构造的加权和序列，如下：
       (10)
同时，设为仅基于的序列，即：
       (11)
令，式(11)=式(12)，可求得：
      (12)
对式(11)做离散时间傅里叶变换，如下：
       (13)
令
      (14)
称为加权系数，于是有：
     (15)
8）、通过对式(15)做离散时间傅里叶逆变换的方法，求得综合跳动误差，进而将的值代入式(6)~式(9)，可先后求出、，如下：
 (15-1)
     (16)
     (17)
9）、将和分别代入式（1）-（4），求出和：
                     (18)
                               (19)
10）、求出被测工件在测量截面的跳动量，如下：
        。

一种高精度回转体跳动在位测量方法
技术领域
本发明涉及一种回转体的在位测量方法。
技术背景
电涡流传感器目前广泛应用于工业自动化系统，它具有非接触测量、高线性度、高分辨率以及对测量环境要求低等优点。工业自动化系统中多使用电涡流传感器检测回转设备的振动信息，进而达到实时监控设备状态的目的。电跳动（Electrical Runout）表征回转体零件表层材料电磁性质的不均匀性，机械跳动（Mechanical Runout）表征回转体周向几何形状误差，电跳动和机械跳动的总和称为综合跳动（Total Runout）。综合跳动信号会混入到电涡流传感器监测到的信号，影响设备实时监控的准确性。为此，美国石油学会标准API612、API617对跳动误差作了明确限制，要求转子综合跳动不超过振动峰峰值的25%或者6.3μ。进而，在大型转子的制造过程中，需要对转子的跳动量作严格的监制。目前，对于跳动的测量，特别是电跳动的测量，由于混入了机床主轴回转误差，导致精度不高。
为了克服该缺点，中国专利ZL201110249693.0号披露了一种回转体电跳动量测量系统，包括测量支架，测量支架上安装有对准被测回转体以测量被测回转体表面相对移动距离得激光位移传感器，和对准被测回转体以测量被测回转体表面的综合跳动量得电涡流传感器，以及对准被测回转体获取被测回转体得旋转角度得霍尔传感器；被测回转体上设有能被霍尔传感器识别得标记；激光位移传感器和电涡流传感器以及霍尔传感器均与处理器连接，处理器用综合跳动量减去相对移动距离获得点跳动量；激光位移传感器与电涡流传感器位于同一个圆周上，圆周与被测回转体同轴；霍尔传感器与激光位移传感器形成得直线与被测回转体的轴线平行。
这种回转体电跳动量测量系统的缺点在于：该系统虽然能够分离电涡流传感器中的机械跳动信息和电跳动信息，但是由于其无法分离机床主轴回转误差，所以所获取的跳动信息精度有限。
发明内容
为了克服现有技术存在无法分离机床主轴回转误差，获取得跳动信息精度有限的缺点，本发明提供了一种能够分离机床主轴回转误差，提供高精度得跳动信息的高精度回转体跳动在位测量方法。
一种高精度回转体跳动在位测量方法，包括以下步骤：
1）、使被测轴停转，分别安装激光位移传感器，电涡流传感器和霍尔传感器，使激光位移传感器，电涡流传感器和霍尔传感器分别对准被测轴，激光位移传感器与电涡流传感器位于同一个圆周上，该圆周与被测回转体同轴，电涡流传感器有3个，霍尔传感器套装在其中一个电涡流传感器上；激光位移传感器，电涡流传感器和霍尔传感器分别与处理器连接；在被测轴上安装能被霍尔传感器识别的标记；
2）、以套装有霍尔传感器的第一电涡流传感器作为基准调节各个传感器的位置，以被测轴圆心作为原点，以第一电涡流传感器所在的直径作为X轴构建平面直角坐标系，第二电涡流传感器所在的直径与X轴的圆周夹角为                                               ，第三电涡流传感器所在的直径与X轴的圆周夹角为，激光位移传感器所在的直径与X轴的圆周夹角为，分别记录第一电涡流传感器的测量方向角，第二电涡流传感器的测量方向角，第三电涡流传感器的测量方向角和激光位移传感器的测量方向角；
3）、在被测轴表面上吸附4个磁钢，磁钢作为霍尔传感器能够识别的标记；被测轴开始转动，待转速稳定之后，采集霍尔传感器所输出的周期性脉冲信号，在一个周期之内，根据相邻2个脉冲之间的间隔时间的比例a，2πa就是相邻2个传感器之间的圆周布置夹角，分别记录第二电涡流传感器所在的直径与X轴的圆周夹角，第三电涡流传感器所在的直径与X轴的圆周夹角和激光位移传感器所在的直径与X轴的圆周夹角；
4）、将被测轴调节到合适转速，使每圈采样点数N应为2的n次幂，n为整数；
5）、获取第一电涡流传感器测量的信号，第二电涡流传感器测量的信号，第三电涡流传感器测量的信号，激光位移传感器测量的信号；
              (1)
                            (2)
                            (3)
                                                 (4)
其中，为做去直流分量之后的信号，为做去直流分量之后的信号，为做去直流分量之后的信号，为做去直流分量之后的信号，为被测轴表面得电跳动序列，为被测轴表面得机械跳动序列，为被测轴表面得综合跳动序列，为机床主轴回转误差在X轴方向上投影的分量做去直流分量之后所得的信号，为机床主轴回转误差在Y轴方向上投影的分量做去直流分量之后所得的信号；
6）、假设每圈采样点数为N，则采样间隔为，分别对夹角，和做时域离散处理，
，   （5）
对上述式（1）-式（4）分别做时域离散处理，得到：
                                   (6)
                                                     (7)
                                                     (8)
                                                 (9)
其中：n=0,1,2,3,…,N-1；
7）、构造的加权和序列，如下：
                                                                   (10)
同时，设为仅基于的序列，即：
                                                     (11)
令，式(11)=式(12)，可求得：
                                                                 (12)
对式(11)做离散时间傅里叶变换，如下：
                                                     (13)
令
                                                                        (14)
称为加权系数，于是有：
                                                                                         (15)
8）、通过对式(15)做离散时间傅里叶逆变换的方法，求得综合跳动误差，进而将的值代入式(6)~式(9)，可先后求出、，如下：
 (15-1)
                                   (16)
                                                               (17)
9）、将和分别代入式（1）-（4），求出和：
                     (18)
                               (19)
10）、求出被测工件在测量截面的跳动量，如下：
                               。
本发明的有益效果是：
（1）测量精度高：目前，成熟的电跳动测量仪器均没有分离机床主轴回转误差，而本发明可以获取分离了机床主轴回转误差的电跳动信息和机械跳动信息，大大提高了跳动测量的精度。特别是在机床回转精度不高的测试环境下，本发明在测量精度上的优越性更大。
（2）柔性好：本发明可以对不同直径大小的回转轴进行测量，特别是可以根据被测轴的直径调节合适的传感器夹角（α、β、γ），减小“三点法”中谐波抑制所引入的测量误差。
（3）对安装精度要求低，安装方便：本发明中传感器的测量方向大致交于一点即可，不需要严格交于一点，安装方便。
（4）可分离机床主轴回转误差，对测量机床精度要求低：目前的跳动测量方式由于没有分离机床主轴回转误差，对测量所需的机床精度要求较高。本发明可以从跳动量中剔除掉机床主轴回转误差，所以可以适用于机床主轴回转精度低的测试环境。
（5）实现在线测量：本发明测量速度快，可以实时监控回转轴的跳动量，实现在线测量，指导跳动量的消除。
附图说明
图1是测量系统组成示意图。
图2是测量原理原理图；（a）是沿被测轴轴线方向的视图 （b）是沿被测轴径向方向的视图。
具体实施方式
参照附图，进一步说明本发明：
一种高精度回转体跳动在位测量方法，包括以下步骤：
1）、使被测轴停转，分别安装激光位移传感器，电涡流传感器和霍尔传感器，如图1所示，使激光位移传感器，电涡流传感器和霍尔传感器分别对准被测轴，激光位移传感器与电涡流传感器位于同一个圆周上，该圆周与被测回转体同轴，电涡流传感器有3个，霍尔传感器套装在其中一个电涡流传感器上；激光位移传感器，电涡流传感器和霍尔传感器分别与处理器连接；在被测轴上安装能被霍尔传感器识别的标记；
2）、如图2所示，以套装有霍尔传感器的第一电涡流传感器作为基准调节各个传感器的位置，以被测轴圆心作为原点，以基准电涡流传感器所在的直径作为X轴构建平面直角坐标系，第二电涡流传感器所在的直径与X轴的圆周夹角为，第三电涡流传感器所在的直径与X轴的圆周夹角为，激光位移传感器所在的直径与X轴的圆周夹角为，分别记录第一电涡流传感器的测量方向角，第二电涡流传感器的测量方向角，第三电涡流传感器的测量方向角和激光位移传感器的测量方向角；
3）、在被测轴表面上吸附4个磁钢，磁钢作为霍尔传感器能够识别的标记；被测轴开始转动，待转速稳定之后，采集霍尔传感器所输出的周期性脉冲信号，在一个周期之内，根据相邻2个脉冲之间的间隔时间的比例a，2πa就是相邻2个传感器之间的圆周布置夹角，分别记录第二电涡流传感器所在的直径与X轴的圆周夹角，第三电涡流传感器所在的直径与X轴的圆周夹角和激光位移传感器所在的直径与X轴的圆周夹角；
4）、将被测轴调节到合适转速，使每圈采样点数N应为2的n次幂，n为整数；
5）、获取第一电涡流传感器测量的信号，第二电涡流传感器测量的信号，第三电涡流传感器测量的信号，激光位移传感器测量的信号；
                                           (1)
                            (2)
                            (3)
                                                 (4)
其中，为做去直流分量之后的信号，为做去直流分量之后的信号，为做去直流分量之后的信号，为做去直流分量之后的信号，为被测轴表面得电跳动序列，为被测轴表面得机械跳动序列，为被测轴表面得综合跳动序列，为机床主轴回转误差在X轴方向上投影的分量做去直流分量之后所得的信号，为机床主轴回转误差在Y轴方向上投影的分量做去直流分量之后所得的信号；
6）、假设每圈采样点数为N，则采样间隔为，分别对夹角，和做时域离散处理，
，   （5）
对上述式（1）-式（4）分别做时域离散处理，得到：
                                   (6)
                                                     (7)
                                                     (8)
                                                 (9)
其中：n=0,1,2,3,…,N-1；
7）、构造的加权和序列，如下：
                                                                   (10)
同时，设为仅基于的序列，即：
                                                     (11)
令，式(11)=式(12)，可求得：
                                                                 (12)
对式(11)做离散时间傅里叶变换，如下：
                                                     (13)
令
                                                                        (14)
称为加权系数，于是有：
                                                                                         (15)
8）、通过对式(15)做离散时间傅里叶逆变换的方法，求得综合跳动误差，进而将的值代入式(6)~式(9)，可先后求出、，如下：
 (15-1)
                                   (16)
                                                               (17)
9）、将和分别代入式（1）-（4），求出和：
                     (18)
                               (19)
10）、求出被测工件在测量截面的跳动量，如下：
                               。
本发明的有益效果是：
（1）测量精度高：目前，成熟的电跳动测量仪器均没有分离机床主轴回转误差，而本发明可以获取分离了机床主轴回转误差的电跳动信息和机械跳动信息，大大提高了跳动测量的精度。特别是在机床回转精度不高的测试环境下，本发明在测量精度上的优越性更大。
（2）柔性好：本发明可以对不同直径大小的回转轴进行测量，特别是可以根据被测轴的直径调节合适的传感器夹角（α、β、γ），减小“三点法”中谐波抑制所引入的测量误差。
（3）对安装精度要求低，安装方便：本发明中传感器的测量方向大致交于一点即可，不需要严格交于一点，安装方便。
（4）可分离机床主轴回转误差，对测量机床精度要求低：目前的跳动测量方式由于没有分离机床主轴回转误差，对测量所需的机床精度要求较高。本发明可以从跳动量中剔除掉机床主轴回转误差，所以可以适用于机床主轴回转精度低的测试环境。
（5）实现在线测量：本发明测量速度快，可以实时监控回转轴的跳动量，实现在线测量，指导跳动量的消除。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。