轉子回轉精度測試實驗系統的研制

白清順, 王永旭, 于福利, 張慶春, 蔣建偉

(哈爾濱工業大學 機電工程學院， 哈爾濱 150001)

轉子回轉精度測試實驗系統的研制

白清順, 王永旭, 于福利, 張慶春, 蔣建偉

(哈爾濱工業大學 機電工程學院， 哈爾濱 150001)

基于USB數據采集原理，采用圓圖像法建立了轉子回轉精度的測試教學實驗系統，運用VC++語言編寫了適合轉子回轉精度測試與評價的軟件環境。該系統以高性能計算機為基礎，利用多通道數據采集儀及回轉精度測試軟件，實現了脫機演示、實時采集和回轉精度評定等功能，可以高效地完成回轉精度的實時測試與分析。利用所建立的回轉精度測試實驗系統，分析了轉子回轉誤差評定的4種方法，并采用最小二乘圓法對轉子回轉精度進行了分析和評定，驗證了實驗系統的有效性。同時，通過多次實驗教學，證實了系統具有很好的教學示范性，可以達到良好的教學效果。

回轉精度； 數據采集； 誤差； 實驗教學

0 引 言

轉子回轉精度測試系統可分為模擬量測試系統和數字量測試系統。由于模擬量測試系統存在著測試誤差大、使用復雜、測試數據計算繁瑣等缺點，逐步被數字量測試系統所取代。數字量測試系統可減少后期數據處理的工作量， 隨著計算機輔助測試(CAT)技術的發展，在線測量和數據處理系統也在轉子回轉誤差測試技術上得到應用[1]。因此，數字化測試轉子回轉精度的方法已得到廣泛采用。

回轉精度包括了軸的徑向、軸向誤差和角度誤差及由此衍生出的表面誤差和半徑誤差[2]。國外對回轉精度研究的起步較早，Bryan等[3]曾對回轉誤差進行分析，首次將誤差分為徑向、軸向、傾角3類。日本學者曾提出三點法誤差分離技術，試圖解決被測工件形狀誤差與回轉誤差分離的問題[4]。Schwenke[5]分析了精密機床幾何誤差的分析和測量技術，其中著重討論了回轉精度問題。Ise等[6]在研究微型旋轉機械的過程中對其回轉精度問題進行了詳細的分析討論。Sarhan 等[7]在高精密機床加工過程中實時監測主軸徑向誤差并給予補償，從而提高了主軸回轉精度。國內測試裝置的研制起步較晚，西安理工大學開發了計算機控制的通用回轉精度測試系統[8]。北京機床研究所研制了大型超精密數控車床NAM-800，它采用先進的數控技術、伺服技術、精密制造及測試技術，實現了高水平的主軸回轉精度[9]。湖南大學高效磨削技術中心對液體靜壓主軸的回轉誤差機理進行了深入研究，有效地提高了主軸回轉精度[10]。目前國內的回轉精度的測試裝置在某些指標上已經達到先進的水平[11]。雖然轉子回轉精度的測試可以在精密機械裝備的研制中實現，然而從學生培養上，仍然缺乏理想的轉子回轉精度實驗教學系統?，F有的商業化產品或者存在價格昂貴、操作不便；或不具有開放性、缺乏實驗教學內容的多樣性等缺點。因此，根據轉子實驗教學的要求，研制實用的轉子回轉精度測試教學實驗系統顯得非常必要，具有重要的實用價值[12]。

本文采用CAT技術，基于雙向測試原理，建立了轉子回轉精度測試的實驗教學系統，并對系統的測試結果進行了實驗分析，給出了該系統可以實現的主要實驗項目。結果表明，本文所研制的系統具有操作性方便、實驗效果明顯、實驗項目豐富、示范性強等優點，能夠達到實驗教學的目的。

1 轉子回轉精度的測試實驗系統

1.1 系統結構

在對轉子回轉精度進行測試的各種方法中，圓圖像法不但可以形象地預測轉子的輪廓形狀，而且可以直觀地計算出轉子回轉精度值,得到了越來越多的專業技術人員認可[13]。本文基于圓圖像法建立了轉子回轉精度測試教學實驗系統。該測試系統以高性能計算機為基礎，利用多通道數據采集儀，在測試軟件支持下，轉子回轉精度信號的數據采集、數據處理、結果顯示都在計算機的控制下完成。圖1為回轉精度測試的系統結構。實驗測試系統主要包括含有測試的轉子、X和Y向電渦流微位移傳感器、示波器、數據采集儀以及計算機等。由測試裝置采集到的信號經計算機消偏后進行數據處理，得到誤差結果，此誤差信號加到基圓上，即可在顯示器上得到誤差圓圖像，用于回轉精度的結果分析和輸出。

圖1 回轉精度測試的系統結構

雙向測試原理是在轉子軸端安裝兩個高精度的非接觸式傳感器，以拾取X和Y兩路位移信號，并傳送至電渦流傳感器的前置器。從電渦流傳感器獲取的測試信號為模擬信號，進行信號處理之前，先要對信號作預處理和數字化處理。本系統采用USB(Universal Serial Bus)數據采集裝置將采集的模擬信號轉換成數字信號，將數字信號送給計算機進行處理。從轉子回轉誤差模擬量的產生到最后的誤差評定，整個過程都要靠數據處理加以解決，數據處理系統工作的質量和速度對整個測試系統有很大的影響。本系統中的數據采集與處理的主要內容包含以下幾方面：

(1) 數據的采集。主要是解決非電平量轉換為電量的問題以及多路復用、數據的模擬形式與數字形式之間的轉換問題。

(2) 數據的記錄。數據的存儲，包括實時和歷史數據的存儲。

(3) 數據處理。包括數據的預處理、檢驗以及對所采集的數據進行信號分析。

(4) 數據的圖形顯示。對所采集數據進行實時波形顯示以及頻譜分析等。

(5) 數據結果的輸出。數據的模擬或數字輸出以及數據的屏幕輸出。

1.2 硬件組成

圖2為測試系統機械裝置的外觀圖。包含有測試轉子的回轉臺是機械裝置的核心部件。測試系統的機械回轉臺主要采用三相異步電動機通過皮帶帶動轉子高速轉動，測試轉子設計成具有標準球的端部，便于研究不同的評價手段對測試結果的影響。通過變頻調速器實現轉子轉速的調整。整個測試系統的機械回轉臺設置在輪式移動平臺上，便于教學中的移位和布局。測試工作時可以通過地腳支撐平臺，實現移動平臺的固定。測試系統機械回轉臺系統具有結構穩定、集成度高、空間布局合理、方便實驗教學的特點。

圖2 測試系統機械裝置外觀圖

多通道數據采集儀是實現轉子回轉誤差數據采集的關鍵硬件設備。本測試系統是采用北京波譜世紀科技發展有限公司的WS-U60216型便攜式USB數據采集儀作為A/D轉換器，如圖3所示?！凹床寮从谩笔経SB數據采集儀使用了自動通道掃描技術和FIFO 緩沖存儲器，因而具有自動數據塊采集能力和很高的數據傳輸效率，可以實現實時數據處理、連續快速采集存盤等高級功能。低功耗的USB設備通過USB電纜直接供電，無需外接電源，可以提高采集儀的抗干擾性[14]。采集儀使用國際標準USB接口規范，與傳統的板卡式采集器相比，它的可靠性好、性價比高。

圖3 USB數據采集儀

傳感器是高速轉子回轉精度測試的主要組成部分，本系統采用非接觸式電渦流傳感器將位移轉化為電信號，實現非電量的測量。選擇高性能的傳感器是測試系統精度的重要保障，傳感器在檢測范圍內應保持良好的線性特性，能夠抑制噪聲、抗輻射及強磁場的干擾，工作時與轉子之間沒有接觸以及穩定、可靠的技術要求[15]。轉子回轉精度測試系統采用的位移傳感器由北京測振儀器廠生產的電渦流傳感器，其性能指標為：靈敏度8 V/mm；分辨率0.1 μm；探頭直徑8 mm。

1.3 軟件模塊

圖4為本系統的軟件體系結構。測試軟件的主程序主要涵蓋數據采集、數據預處理以及誤差評定等主要模塊。在數據采集階段主要通過數據采集儀完成誤差數據的實時采樣，并可依據已保存的歷史數據完成回轉誤差的繪制。數據預處理主要完成消除偏心常量和噪聲點，并實現數據的X和Y方向直角坐標向極坐標轉換。同時，可以實現數據的快速傅里葉變換，識別并消除一次分量，生成功率譜圖的功能。誤差評定是最終判定回轉精度的重要環節。測試軟件在設計時，將最小二乘圓法、最小區域圓法、最大內切圓法以及最大外接圓法都集成在軟件模塊中，方便教學中采用不同的方法對回轉誤差進行評定，進而生成圓圖像。

圖4 轉子回轉精度測試實驗系統的軟件體系結構

軟件模塊主要用于人機交互實驗，使操作者能夠更為靈活地控制該測試系統。采用VC++對測試系統軟件的編制，程序主界面如圖5所示。圖6所示為回轉精度的評定界面，即圓圖像界面。本軟件系統還包括回轉精度測試的輔助功能，如曲線的實時顯示，數據保存、打印輸出等。

圖5 轉子回轉精度測試實驗系統的軟件主界面

圖6 回轉精度的評定界面

在“脫機”，即未外接傳感器信號條件下，本系統采用能夠自動生成模擬轉子回轉的誤差信號，實現脫機演示功能。軟件測試時，采用系統生成的動態模擬信號進行脫機演示，可以方便使用者了解測試原理，初步掌握測試過程，進而更好地分析轉子的回轉精度。

脫機演示時可以采用以下6種動態模擬信號，實現對測試誤差的模擬，分別為：①x，y雙向動態正弦信號；②x方向動態正弦信號，y方向無信號；③x方向無信號，y方向動態正弦信號；④x方向動態方波信號，y方向無信號；⑤x方向動態三角波信號，y方向無信號；⑥x，y雙向動態帶有隨機誤差的正弦信號。

2 回轉精度的測試結果分析

一般地，回轉運動誤差圖像具有一定的幾何和物理意義。因此，評定轉子回轉運動誤差時，必須根據要求選擇回轉運動誤差的評定方法。評價轉子回轉運動誤差的方法一般有最小二乘圓法、最小外接圓法、最大內切圓法及最小區域圓法等[16]。

2.1 評定方法分析

最小二乘圓法是從實際被測輪廓上各點到該圓周的距離平方和為最小的圓，即

其中:R為最小二乘圓半徑；Ri為實際被測圓輪廓線上點到最小二乘圓心的距離。輪廓上距最小二乘圓圓心的最大半徑和最小半徑之差，即為回轉精度的最小二乘圓評定結果。

最小外接圓法是以與被測實際輪廓相接觸但直徑為最小的外接圓作為理想評定圓，被測實際輪廓到該圓的最大徑向距離為回轉精度的評定結果。

最大內切圓法是以與被測實際輪廓內切且直徑為最大的圓作為理想評定圓，被測實際輪廓到該圓的最大徑向距離為回轉精度的評定結果。

最小區域圓法原理是評定轉子徑向回轉誤差的最小區域環計算法的核心是兩個同心圓在保證包容誤差曲線的前提下，必須使這兩個同心圓的半徑差為最小。兩個同心圓的半徑差即為回轉精度的評定結果。

為對比不同的回轉精度評價方法，本系統將上述4種評定方法都以交互的方式包含在所研制的回轉精度評定界面中。

2.2 回轉精度測試結果

以采用最小二乘圓法為例，對所測試轉子的回轉精度進行評價。被測試轉子的轉速變化分別為4 000、6 000和8 000 r/min。系統的采樣頻率2 135 Hz，取512個連續采樣點進行數據處理。圖7中顯示了在3種不同轉速下，X通道上的誤差曲線、轉子的功率譜曲線以及該截面上的回轉精度的圓圖像。采用最小二乘圓法對測試數據進行評價后，獲得了在4 000 r/min、6 000 r/min、8 000 r/min條件下的回轉精度分別為49.3 μm、54.4 μm和69.7 μm。測試結果表明，所研制的系統可以實現轉子回轉精度的測量，并通過功率譜曲線反映出轉子的轉速。同時，可以看出，在當前3種轉速條件下隨著轉子轉速的增加，其回轉精度將變差。

(a) 3 000 r/min

(b) 6 000 r/min

(c) 8 000 r/min

圖7 轉子不同轉速條件下的輸出結果

3 測試系統的實驗項目

作為實驗教學項目，本實驗系統可以實現測試方案分析、數據采集分析、誤差評價方法研究、誤差影響因素分析與驗證等實驗教學內容，充分體現了系統的開放性、項目內容的多樣性，達到了教學示范的目的。在轉子系統誤差測試方案實驗中可以分析測試點的影響。在USB數據采集系統分析中，可以分析采樣頻率、數據處理、誤差分離等對測試結果的影響。在誤差評價方法研究中，可以最小二乘圓法等方法對誤差的影響。在誤差溯源分析中，可以分析的誤差來源主要包括：軸向竄動、傳感器安裝精度、外部電磁干擾等方面。同時可以研究轉子系統誤差影響因素，包括：轉速影響、預緊影響、偏心質量的影響等。使用者利用該系統可以掌握轉子回轉精度的測試原理、方法等方面的知識和技能，實現對轉子回轉精度綜合的分析與評定。多次實驗教學效果表明本系統具有很好的教學示范性，實現了良好的教學效果。

4 結 語

本文搭建了基于USB接口的數據采集儀轉子回轉精度測試系統，編寫了轉子回轉精度測試的軟件系統，該軟件系統可以實現脫機演示、實時采集、4種方法的回轉精度評定等功能，實現了轉子回轉精度的實時測試與分析。采用最小二乘圓方法對轉子在不同轉速條件的回轉精度進行了測試分析。結果表明，所研制的系統可以實現轉子回轉精度的測量，達到了實驗教學的基本要求。

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Development of Experimental Test System for Rotation Precision of Rotator

BAIQingshun,WANGYongxu,YUFuli,ZHANGQingchun,JIANGJianwei

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

The rotation precision of rotator is an important factor affecting the performance of mechanical equipment. It is a meaningful task to measure the rotation precision of rotator and analyze its effect factors. Based on the data acquisition principle of universal serial bus (USB) and the circle image method, an experimental test system for the rotation precision of rotator was set up in the paper. The software environment which is suitable for testing and evaluating the rotation precision was also developed by using VC++. Depending on the high-performance computer with multi-channel data acquisition instrument and the rotary accuracy testing software, the offline demonstration and online measurement and evaluation for the rotation precision can be realized efficiently. With the experimental system for the rotation precision, four kinds of methods for evaluating the rotation precision were discussed and the rotation precision was analyzed and evaluated by using least square circle (LSC) method. The results verified the validation of the developed system. Moreover, a good teaching demonstration and excellent experimental effect have been achieved by the developed system after many times of experimental teaching.

rotation precision; data acquisition; error; experimental teaching

2016-05-12

教育部國家級實驗教學示范中心創新型實驗教學項目(S5081270)

白清順(1974-)，男，黑龍江勃利人，博士，副教授，主要從事精密機械裝備、微納制造技術的教學和研究。

Tel：0451-86402682，E-mail：Qshbai@hit.edu.cn

TH 161

A

1006-7167(2017)02-0067-04