一种基于光栅尺反馈信号的转子不平衡测量装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于光栅尺反馈信号的转子不平衡测量装置，包括底板(1)，底板(1)上固定有底座(4)，所述底座(4)上滑动连接有采用光栅副作为振动测量的光电柔性梁式软支撑架(18)；光电柔性梁式软支撑架(18)上架设有转子(12)，所述转子(12)与转子驱动机构联接，并被转子驱动机构驱动；所述底板(1)上还设有用于实现伺服电动机(10)转速的控制、振动信号采集和光电传感器(13)控制和采集的功能控制器(8)。与传统动平衡装置相比，本发明所涉及的装置结构简单、运行可靠、测量精度高，易于实现高速高精度转子的不平衡检测。
【专利说明】
一种基于光栅尺反馈信号的转子不平衡测量装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种转子动平衡装置，特别涉及一种基于光栅尺反馈信号的转子不平 衡测量装置。
【背景技术】
[0002] 旋转设备的振动状况是评估设备运行健康状态的重要参数。当转子处于高速旋转 状态时，即使微弱不平衡量也会引起转子挠曲和内应力，导致转子剧烈振动，直接影响加工 质量、甚至对转子自身组件造成破坏。由于制造、安装误差以及材料的不均匀，转子不平衡 故障必然存在。因此，如何控制转子不平衡振动是旋转机械使用过程中最为关键的问题之 〇
[0003] 针对运转在高速下的精密转子，工业上多采用软支撑动平衡，其通过对不平衡振 动数据的采集，计算获取转子不平衡，具有精度高、平衡转速高等优势，更接近转子的实际 运行状态。然而，现有动平衡机存在结构复杂、振动测量环节测量精度有限等问题，为此，对 于高速高精度转子的动平衡，需要设计灵敏度以及分辨率都较高的动平衡机构，以保障不 平衡转子动平衡精度。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的缺点，提供一种基于光栅尺反馈信 号的转子不平衡测量装置，实现动平衡装置结构简单、运行可靠、测量精度高的目的。
[0005] 为达到以上目的，本发明采用的技术方案是:一种基于光栅尺反馈信号的转子不 平衡测量装置，包括底板，底板上固定有底座，所述底座上滑动连接有采用光栅副作为振动 测量的光电柔性梁式软支撑架;光电柔性梁式软支撑架上架设有转子，所述转子与转子驱 动机构联接，并被转子驱动机构驱动;所述底板上还设有用于实现伺服电动机转速的控制、 振动信号采集和光电传感器控制和采集功能的控制器。
[0006] 上述光电柔性梁式软支撑架通过设于其下方的滑块和设于底座上的沿Y轴方向的 导轨滑动连接。
[0007] 上述光电柔性梁式软支撑架包括两组滚轮组，该两组滚轮组沿Y轴方向排布;每组 滚轮组包括两个沿X轴方向并排的滚轮，且滚轮的轴线沿Y轴方向；所述转子的两个端头各 架设于一组滚轮组上。
[0008] 上述光电柔性梁式软支撑架还包括指示光栅、标尺光栅、光栅导轨、光栅固定滑块 和柔性梁;其中，柔性梁的两端分别对称固结于光电柔性梁式软支撑架位于X轴方向的两侧 的柔性梁式支撑壁上;所述柔性梁的数量为2根，每根柔性梁上设有一组所述的滚轮组，每 组滚轮组中的两个滚轮依其所在的柔性梁的中点为中心对称分布;每根柔性梁的中点下方 固定有指示光栅固定架，指示光栅固定架上固定有光栅固定滑块;在每根柔性梁的中点处 沿Z轴方向固定有光栅导轨;所述光栅导轨与光栅固定滑块匹配并滑动连接;所述指示光栅 固定在指示光栅固定架的上端;两条光栅导轨位于Y轴方向上相背的两个侧面上分别设有 指示光栅固定孔，光栅导轨带有指示光栅固定孔的一侧沿其导轨方向固定有光栅条，形成 标尺光栅;所述标尺光栅的位于Z轴方向的中心线与柔性梁的中点位于ZOY平面内；所述指 示光栅与标尺光栅构成光栅副，用于检测Z方向上的振动。
[0009] 上述光栅导轨通过沉头螺栓固定在柔性梁上，指示光栅通过螺纹固定在指示光栅 固定架的上端位置;所述柔性梁的制作材料为钢片，柔性梁式支撑壁的制作材料为铝合金。
[0010] 上述转子驱动机构包括伺服电动机、滑轮、皮带，伺服电动机经滑轮联接皮带，皮 带与转子联接，实现伺服电动机驱动转子旋转。
[0011] 上述伺服电动机固定于电机固定座上，所述滑轮设于滑轮固定座上；滑轮固定座 和电机固定座均固定于固定座子上;所述固定座子通过其下方固定的滑块与设于底座上的 沿Y轴方向的导轨滑动连接。
[0012] 上述滑轮固定座设有调节滑轮位置的长条形孔结构。
[0013] 上述底座上还设有用于完成初始相位采集的光电传感器，所述光电传感器通过在 Z方向上可以调节高度的传感器支架固定于底座上，所述转子上贴有反光标签，转子旋转一 周光电传感器米集一次信号。
[0014] 上述的控制器实现伺服电动机转速的控制、振动信号采集和光电传感器控制和采 集的功能，实现控制、采集和计算一体化;所述控制器为手持式，其背部设有磁性座，可吸附 在控制器支架上。
[0015] 本发明的有益效果:本发明主要包含底座和控制器部分;光电柔性梁式软支撑架 下方的滑块与底座上的导轨精密配合;光电柔性梁式软支撑架上架设有转子，滚轮固定于 光电柔性梁式软支撑架上两端固结的柔性梁中间；标尺光栅固定在两个滚轮圆心连心线的 中点处，并通过沉头螺栓固定;指示光栅固定在光栅固定支架上，指示光栅与标尺光栅构成 光栅副，可以检测Z方向上的振动;所述电机驱动部分包括电动机、滚轮、皮带，电动机通过 皮带驱动待检测工件旋转。
[0016] 与现有装置相比，本发明具有以下优点：
[0017] 1、本发明采用光栅副作为振动测量的关键部件，其测量范围大、动态性好，适合软 支撑不平衡测量，且易于实现自动控制；
[0018] 2、本发明基于光栅传感原理感应转子振动，可对莫尔条纹变化周期信号进行细 分，其测量精度及分辨率比较高；
[0019] 3、本发明以柔性横梁作为不平衡转子软支撑结构，其灵敏度高，特别适用于微弱 的不平衡量检测；
[0020] 4、本发明结构简单、便于加工及调整，可以满足不同尺寸、类型转子不平衡测量需 求。
[0021] 为了更清楚的理解本发明，以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
【附图说明】
[0022]图1为本发明的总体结构图；
[0023] 图2为本发明的转子支撑与光栅测量部分的结构示意图；
[0024] 附图1标记说明：1、底板;2、导轨;3、滑轮;4、底座;5、滑块;6、滑轮固定座;7、指示 光栅;8、控制器;9、滚轮；10、伺服电动机；11、皮带；12、转子；13、光电传感器；14、传感器支 架；15、放大器;16、标尺光栅；17、光栅固定滑块;18、光电柔性梁式软支撑架；19、光栅导轨； 20、柔性梁;21、柔性梁式支撑壁;22、指示光栅固定架;23、固定座子。
【具体实施方式】 [0025] 实施例1:
[0026]如图1所示，本发明提供了一种基于光栅尺反馈信号的转子不平衡测量装置，包括 底板1，底板1上固定有底座4,所述底座4上滑动连接有采用光栅副作为振动测量的光电柔 性梁式软支撑架18;光电柔性梁式软支撑架18上架设有转子12,所述转子12与转子驱动机 构联接，并被转子驱动机构驱动;所述底板1上还设有用于实现伺服电动机10转速的控制、 振动信号采集和光电传感器13控制和采集功能的控制器8。本发明采用光栅副作为振动测 量的关键部件，其测量范围大、动态性好，适合软支撑不平衡测量，且易于实现自动控制;基 于光栅传感原理感应转子振动，可对莫尔条纹变化周期信号进行细分，其测量精度及分辨 率比较高；以柔性横梁作为不平衡转子软支撑结构，其灵敏度高，特别适用于微弱的不平衡 量检测;本发明结构简单、便于加工及调整，可以满足不同尺寸、类型转子不平衡测量需求。 [0027] 实施例2:
[0028] 在实施例1的基础上，参照图1及图2,所述光电柔性梁式软支撑架18通过设于其下 方的滑块5和设于底座4上的沿Y轴方向的导轨2滑动连接。所述光电柔性梁式软支撑架18包 括两组滚轮组，该两组滚轮组沿Y轴方向排布;每组滚轮组包括两个沿X轴方向并排的滚轮 9,且滚轮9的轴线沿Y轴方向；所述转子12的两个端头各架设于一组滚轮组上。
[0029] 所述光电柔性梁式软支撑架18除滚轮3外，还包括指示光栅7、标尺光栅16、光栅导 轨19、光栅固定滑块17和柔性梁20;其中，柔性梁20的两端分别对称固结于光电柔性梁式软 支撑架18位于X轴方向的两侧的柔性梁式支撑壁21上，柔性结构可以实时反映滚轮9传递的 振动;所述柔性梁20的数量为2根，每根柔性梁20上设有一组所述的滚轮组，每组滚轮组中 的两个滚轮依其所在的柔性梁20的中点为中心对称分布;每根柔性梁20的中点下方固定有 指示光栅固定架22,指示光栅固定架22上固定有光栅固定滑块17;在每根柔性梁20的中点 处沿Z轴方向固定有光栅导轨19;所述光栅导轨19与光栅固定滑块17匹配并滑动连接;所述 指示光栅7固定在指示光栅固定架22的上端，并与底端的光栅导轨19配合，限制X方向摆动； 光电柔性梁式软支撑架18的带光栅条的另一侧仅有光栅导轨面和滑块，限制X方向摆动;两 条光栅导轨19位于Y轴方向上相背的两个侧面上分别设有指示光栅固定孔，光栅导轨19带 有指示光栅固定孔的一侧沿其导轨方向固定有光栅条，形成标尺光栅16;所述标尺光栅16 的位于Z轴方向的中心线与柔性梁20的中点位于Ζ0Υ平面内；所述指示光栅7与标尺光栅16 构成光栅副，用于检测Z方向上的振动。标尺光栅的基面一般由玻璃陶瓷，玻璃，钢带三种材 料构成，指示光栅上的"刻度"通常采用直接刻蚀加工基材或镀膜的方法，因此不带标尺光 栅一侧的功能只有限制横向的振动，避免破坏指示光栅7、标尺光栅16,起保护的作用。一般 柔性梁20可选材料为钢片等，柔性梁式支撑壁21可选材料为铝合金等。
[0030] 所述光栅导轨19通过沉头螺栓固定在柔性梁上，指示光栅7通过螺纹固定在指示 光栅固定架22的上端位置。
[0031] 所述转子驱动机构包括伺服电动机10、滑轮3、皮带11，伺服电动机10经滑轮3联接 皮带11，皮带11与转子12联接，实现伺服电动机10驱动转子12旋转。所述伺服电动机10固定 于电机固定座上，所述滑轮3设于滑轮固定座6上;滑轮固定座6和电机固定座均固定于固定 座子23上;所述固定座子23通过其下方固定的滑块5与设于底座4上的沿Y轴方向的导轨滑 动连接。其中滑轮固定座6设有调节滑轮3位置的长条形孔结构，当转子位置确定后，调节其 两侧的光电柔性梁式软支撑架18位置并固定，调节滑轮位置并通过螺栓与条形孔固定，预 紧皮带，伺服电动机通过皮带和滑轮带动转子旋转，此伺服电动机固定方式可以避免电机 传动过程中的因素，提高测量的准确性。
[0032] 所述底座4上还设有用于完成初始相位采集的光电传感器13,所述光电传感器13 通过在Z方向上可以调节高度的传感器支架14固定于底座4上，所述转子12上贴有反光标 签，转子旋转一周光电传感器采集一次信号。传感器支架上还设有放大器15,可以提高信号 的信噪比。
[0033] 所述的控制器8实现伺服电动机10转速的控制、振动信号采集和光电传感器13控 制和采集的功能，实现控制、采集和计算一体化;所述控制器8为手持式，其背部设有磁性 座，可以吸附在控制器支架上。该控制器8的优势为易操作、便携、安全。
[0034] 本实施例通过光电传感器的光电柔性梁式软支撑，该装置具有高精度、快响应速 度，特别适用于微弱的不平衡检测；其结构简单便于加工、便于调整，可以满足不同尺寸类 型转子需求;采用光栅形式的光电传感器可以改善频谱带宽，提高灵敏度，对称式结构可以 减小环境温度、电源电压等外界因素的影响。与传统动平衡装置相比，本发明所涉及的装置 结构简单、灵敏度较高、响应速度快，更适用于对平衡标准较高的超精密转子进行动平衡。
[0035] 以下给出了本发明在工程实践中的具体实现过程：
[0036] 1.结构安装及固定
[0037]底座固定在底板上，由待测物体的长度确定支撑架的距离，并通过滑块上的固定 螺栓固定;转子置于滚轮上，伺服电动机固定在电机座上，滑轮也固定在电机座上，并且该 处电机座有开孔，可以调节皮带的松紧程度;伺服电动机通过皮带轮将带传动传递给转子， 驱动转子旋转。
[0038] 2.动平衡检测
[0039] 1)伺服电动机带动被测转子的旋转，转子的微弱振动引起Z方向上的振动，进而传 递给检测装置，检测装置由标尺、指示光栅构成；
[0040] 光栅尺工作原理是根据物理上莫尔条纹的形成原理工作的。光栅传感器由光源、 透镜、光栅副(标尺、指示光栅)和光电接收元件组成。当标尺光栅相对指示光栅移动时，形 成的莫尔条纹产生亮暗交替的变化。利用光电接收元件将莫尔条纹亮暗变化的光信号转换 成电脉冲信号，并用数字显示，便可测量出标尺光栅的移动距离。光源通常由钨丝灯泡或半 导体发光器件。
[0043]莫尔条纹宽度Bh由光栅长度W和光栅夹角Θ决定。调整夹角Θ即可得到很大的莫尔 条纹的宽度Bh，起到了放大作用，又提高了测量精度。
[0044] 2)转子上贴有反光标签，转子旋转，光电传感器接收光信号，转换成电信号，获得 初始相位角，并与光栅传感器将所获得的数据传递给控制计算机，完成数据采集及分析。
[0045] 综上，本发明包含转子软支撑部分和底座式转子驱动部分。转子软支撑部分由光 栅测量装置构成，滚轮固定在光栅测量装置上，读数头固定在底座上，从而形成相对移动， 从而实现微弱不平衡振动的检测;转子驱动机构部分的伺服电动机固定在底座上，可通过 调节滑轮支架处的固定螺母，调节皮带的松紧，达到驱动转子旋转的目的。
[0046] 与现有装置相比，本发明具有以下优点：
[0047] 1、本发明采用光栅副作为振动测量的关键部件，其测量范围大、动态性好，适合软 支撑不平衡测量，且易于实现自动控制；
[0048] 2、本发明基于光栅传感原理感应转子振动，可对莫尔条纹变化周期信号进行细 分，其测量精度及分辨率比较高；
[0049] 3、本发明以柔性横梁作为不平衡转子软支撑结构，其灵敏度高，特别适用于微弱 的不平衡量检测；
[0050] 4、本发明结构简单、便于加工及调整，可以满足不同尺寸、类型转子不平衡测量需 求。
[0051] 实施例没有详细叙述的部件、工艺及字母表示属本行业的公知部件、和常用手段 及常识，这里不一一叙述。以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护 范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于光栅尺反馈信号的转子不平衡测量装置，包括底板（1)，底板（1)上固定有 底座(4)，其特征在于:所述底座(4)上滑动连接有采用光栅副作为振动测量的光电柔性梁 式软支撑架（18);光电柔性梁式软支撑架（18)上架设有转子（12)，所述转子（12)与转子驱 动机构联接，并被转子驱动机构驱动;所述底板（1)上还设有用于实现伺服电动机(10)转速 的控制、振动信号采集和光电传感器(13)控制和采集功能的控制器(8)。2. 如权利要求1所述的一种基于光栅尺反馈信号的转子不平衡测量装置，其特征在于： 所述光电柔性梁式软支撑架（18)通过设于其下方的滑块(5)和设于底座(4)上的沿Y轴方向 的导轨(2)滑动连接。3. 如权利要求1所述的一种基于光栅尺反馈信号的转子不平衡测量装置，其特征在于： 所述光电柔性梁式软支撑架（18)包括两组滚轮组，该两组滚轮组沿Y轴方向排布;每组滚轮 组包括两个沿X轴方向并排的滚轮(9)，且滚轮(9)的轴线沿Y轴方向；所述转子（12)的两个 端头各架设于一组滚轮组上。4. 如权利要求3所述的一种基于光栅尺反馈信号的转子不平衡测量装置，其特征在于： 所述光电柔性梁式软支撑架（18)还包括指示光栅(7)、标尺光栅（16)、光栅导轨（19)、光栅 固定滑块（17)和柔性梁(20);其中，柔性梁(20)的两端分别对称固结于光电柔性梁式软支 撑架（18)位于X轴方向的两侧的柔性梁式支撑壁(21)上;所述柔性梁(20)的数量为2根，每 根柔性梁(20)上设有一组所述的滚轮组，每组滚轮组中的两个滚轮依其所在的柔性梁(20) 的中点为中心对称分布;每根柔性梁(20)的中点下方固定有指示光栅固定架(22)，指示光 栅固定架(22)上固定有光栅固定滑块（17);在每根柔性梁(20)的中点处沿Z轴方向固定有 光栅导轨（19);所述光栅导轨（19)与光栅固定滑块(17)匹配并滑动连接;所述指示光栅(7) 固定在指示光栅固定架(22)的上端;两条光栅导轨（19)位于Y轴方向上相背的两个侧面上 分别设有指示光栅固定孔，光栅导轨（19)带有指示光栅固定孔的一侧沿其导轨方向固定有 光栅条，形成标尺光栅(16);所述标尺光栅(16)的位于Z轴方向的中心线与柔性梁(20)的中 点位于ZOY平面内；所述指示光栅(7)与标尺光栅（16)构成光栅副，用于检测Z方向上的振 动。5. 如权利要求4所述的一种基于光栅尺反馈信号的转子不平衡测量装置，其特征在于： 所述光栅导轨（19)通过沉头螺栓固定在柔性梁上，指示光栅(7)通过螺纹固定在指示光栅 固定架(22)的上端位置;所述柔性梁(20)的制作材料为钢片，柔性梁式支撑壁(21)的制作 材料为铝合金。6. 如权利要求1所述的一种基于光栅尺反馈信号的转子不平衡测量装置，其特征在于： 所述转子驱动机构包括伺服电动机(10)、滑轮(3)、皮带（11)，伺服电动机(10)经滑轮(3)联 接皮带（11)，皮带（11)与转子(12)联接，实现伺服电动机(10)驱动转子(12)旋转。7. 如权利要求6所述的一种基于光栅尺反馈信号的转子不平衡测量装置，其特征在于： 所述伺服电动机（10)固定于电机固定座上，所述滑轮(3)设于滑轮固定座(6)上;滑轮固定 座(6)和电机固定座均固定于固定座子(23)上;所述固定座子(23)通过其下方固定的滑块 (5)与设于底座(4)上的沿Y轴方向的导轨(2)滑动连接。8. 如权利要求7所述的一种基于光栅尺反馈信号的转子不平衡测量装置，其特征在于： 所述滑轮固定座(6)设有调节滑轮(3)位置的长条形孔结构。9. 如权利要求1所述的一种基于光栅尺反馈信号的转子不平衡测量装置，其特征在于： 所述底座(4)上还设有用于完成初始相位采集的光电传感器（13)，所述光电传感器（13)通 过在Z方向上可以调节高度的传感器支架（14)固定于底座(4)上，所述转子（12)上贴有反光 标签，转子旋转一周光电传感器米集一次信号。10.如权利要求1所述的一种基于光栅尺反馈信号的转子不平衡测量装置，其特征在 于:所述的控制器(8)实现伺服电动机（10)转速的控制、振动信号采集和光电传感器（13)控 制和采集的功能，实现控制、采集和计算一体化;所述控制器(8)为手持式，其背部设有磁性 座，可吸附在控制器支架上。
【文档编号】G01M1/22GK105865714SQ201610194587
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月31日
【发明人】章云, 胡洋, 陈贵敏
【申请人】西安电子科技大学