转子回转精度测试实验系统的研制

白清顺, 王永旭, 于福利, 张庆春, 蒋建伟

(哈尔滨工业大学 机电工程学院， 哈尔滨 150001)

转子回转精度测试实验系统的研制

白清顺, 王永旭, 于福利, 张庆春, 蒋建伟

(哈尔滨工业大学 机电工程学院， 哈尔滨 150001)

基于USB数据采集原理，采用圆图像法建立了转子回转精度的测试教学实验系统，运用VC++语言编写了适合转子回转精度测试与评价的软件环境。该系统以高性能计算机为基础，利用多通道数据采集仪及回转精度测试软件，实现了脱机演示、实时采集和回转精度评定等功能，可以高效地完成回转精度的实时测试与分析。利用所建立的回转精度测试实验系统，分析了转子回转误差评定的4种方法，并采用最小二乘圆法对转子回转精度进行了分析和评定，验证了实验系统的有效性。同时，通过多次实验教学，证实了系统具有很好的教学示范性，可以达到良好的教学效果。

回转精度； 数据采集； 误差； 实验教学

0 引 言

转子回转精度测试系统可分为模拟量测试系统和数字量测试系统。由于模拟量测试系统存在着测试误差大、使用复杂、测试数据计算繁琐等缺点，逐步被数字量测试系统所取代。数字量测试系统可减少后期数据处理的工作量， 随着计算机辅助测试(CAT)技术的发展，在线测量和数据处理系统也在转子回转误差测试技术上得到应用[1]。因此，数字化测试转子回转精度的方法已得到广泛采用。

回转精度包括了轴的径向、轴向误差和角度误差及由此衍生出的表面误差和半径误差[2]。国外对回转精度研究的起步较早，Bryan等[3]曾对回转误差进行分析，首次将误差分为径向、轴向、倾角3类。日本学者曾提出三点法误差分离技术，试图解决被测工件形状误差与回转误差分离的问题[4]。Schwenke[5]分析了精密机床几何误差的分析和测量技术，其中着重讨论了回转精度问题。Ise等[6]在研究微型旋转机械的过程中对其回转精度问题进行了详细的分析讨论。Sarhan 等[7]在高精密机床加工过程中实时监测主轴径向误差并给予补偿，从而提高了主轴回转精度。国内测试装置的研制起步较晚，西安理工大学开发了计算机控制的通用回转精度测试系统[8]。北京机床研究所研制了大型超精密数控车床NAM-800，它采用先进的数控技术、伺服技术、精密制造及测试技术，实现了高水平的主轴回转精度[9]。湖南大学高效磨削技术中心对液体静压主轴的回转误差机理进行了深入研究，有效地提高了主轴回转精度[10]。目前国内的回转精度的测试装置在某些指标上已经达到先进的水平[11]。虽然转子回转精度的测试可以在精密机械装备的研制中实现，然而从学生培养上，仍然缺乏理想的转子回转精度实验教学系统。现有的商业化产品或者存在价格昂贵、操作不便；或不具有开放性、缺乏实验教学内容的多样性等缺点。因此，根据转子实验教学的要求，研制实用的转子回转精度测试教学实验系统显得非常必要，具有重要的实用价值[12]。

本文采用CAT技术，基于双向测试原理，建立了转子回转精度测试的实验教学系统，并对系统的测试结果进行了实验分析，给出了该系统可以实现的主要实验项目。结果表明，本文所研制的系统具有操作性方便、实验效果明显、实验项目丰富、示范性强等优点，能够达到实验教学的目的。

1 转子回转精度的测试实验系统

1.1 系统结构

在对转子回转精度进行测试的各种方法中，圆图像法不但可以形象地预测转子的轮廓形状，而且可以直观地计算出转子回转精度值,得到了越来越多的专业技术人员认可[13]。本文基于圆图像法建立了转子回转精度测试教学实验系统。该测试系统以高性能计算机为基础，利用多通道数据采集仪，在测试软件支持下，转子回转精度信号的数据采集、数据处理、结果显示都在计算机的控制下完成。图1为回转精度测试的系统结构。实验测试系统主要包括含有测试的转子、X和Y向电涡流微位移传感器、示波器、数据采集仪以及计算机等。由测试装置采集到的信号经计算机消偏后进行数据处理，得到误差结果，此误差信号加到基圆上，即可在显示器上得到误差圆图像，用于回转精度的结果分析和输出。

图1 回转精度测试的系统结构

双向测试原理是在转子轴端安装两个高精度的非接触式传感器，以拾取X和Y两路位移信号，并传送至电涡流传感器的前置器。从电涡流传感器获取的测试信号为模拟信号，进行信号处理之前，先要对信号作预处理和数字化处理。本系统采用USB(Universal Serial Bus)数据采集装置将采集的模拟信号转换成数字信号，将数字信号送给计算机进行处理。从转子回转误差模拟量的产生到最后的误差评定，整个过程都要靠数据处理加以解决，数据处理系统工作的质量和速度对整个测试系统有很大的影响。本系统中的数据采集与处理的主要内容包含以下几方面：

(1) 数据的采集。主要是解决非电平量转换为电量的问题以及多路复用、数据的模拟形式与数字形式之间的转换问题。

(2) 数据的记录。数据的存储，包括实时和历史数据的存储。

(3) 数据处理。包括数据的预处理、检验以及对所采集的数据进行信号分析。

(4) 数据的图形显示。对所采集数据进行实时波形显示以及频谱分析等。

(5) 数据结果的输出。数据的模拟或数字输出以及数据的屏幕输出。

1.2 硬件组成

图2为测试系统机械装置的外观图。包含有测试转子的回转台是机械装置的核心部件。测试系统的机械回转台主要采用三相异步电动机通过皮带带动转子高速转动，测试转子设计成具有标准球的端部，便于研究不同的评价手段对测试结果的影响。通过变频调速器实现转子转速的调整。整个测试系统的机械回转台设置在轮式移动平台上，便于教学中的移位和布局。测试工作时可以通过地脚支撑平台，实现移动平台的固定。测试系统机械回转台系统具有结构稳定、集成度高、空间布局合理、方便实验教学的特点。

图2 测试系统机械装置外观图

多通道数据采集仪是实现转子回转误差数据采集的关键硬件设备。本测试系统是采用北京波谱世纪科技发展有限公司的WS-U60216型便携式USB数据采集仪作为A/D转换器，如图3所示。“即插即用”式USB数据采集仪使用了自动通道扫描技术和FIFO 缓冲存储器，因而具有自动数据块采集能力和很高的数据传输效率，可以实现实时数据处理、连续快速采集存盘等高级功能。低功耗的USB设备通过USB电缆直接供电，无需外接电源，可以提高采集仪的抗干扰性[14]。采集仪使用国际标准USB接口规范，与传统的板卡式采集器相比，它的可靠性好、性价比高。

图3 USB数据采集仪

传感器是高速转子回转精度测试的主要组成部分，本系统采用非接触式电涡流传感器将位移转化为电信号，实现非电量的测量。选择高性能的传感器是测试系统精度的重要保障，传感器在检测范围内应保持良好的线性特性，能够抑制噪声、抗辐射及强磁场的干扰，工作时与转子之间没有接触以及稳定、可靠的技术要求[15]。转子回转精度测试系统采用的位移传感器由北京测振仪器厂生产的电涡流传感器，其性能指标为：灵敏度8 V/mm；分辨率0.1 μm；探头直径8 mm。

1.3 软件模块

图4为本系统的软件体系结构。测试软件的主程序主要涵盖数据采集、数据预处理以及误差评定等主要模块。在数据采集阶段主要通过数据采集仪完成误差数据的实时采样，并可依据已保存的历史数据完成回转误差的绘制。数据预处理主要完成消除偏心常量和噪声点，并实现数据的X和Y方向直角坐标向极坐标转换。同时，可以实现数据的快速傅里叶变换，识别并消除一次分量，生成功率谱图的功能。误差评定是最终判定回转精度的重要环节。测试软件在设计时，将最小二乘圆法、最小区域圆法、最大内切圆法以及最大外接圆法都集成在软件模块中，方便教学中采用不同的方法对回转误差进行评定，进而生成圆图像。

图4 转子回转精度测试实验系统的软件体系结构

软件模块主要用于人机交互实验，使操作者能够更为灵活地控制该测试系统。采用VC++对测试系统软件的编制，程序主界面如图5所示。图6所示为回转精度的评定界面，即圆图像界面。本软件系统还包括回转精度测试的辅助功能，如曲线的实时显示，数据保存、打印输出等。

图5 转子回转精度测试实验系统的软件主界面

图6 回转精度的评定界面

在“脱机”，即未外接传感器信号条件下，本系统采用能够自动生成模拟转子回转的误差信号，实现脱机演示功能。软件测试时，采用系统生成的动态模拟信号进行脱机演示，可以方便使用者了解测试原理，初步掌握测试过程，进而更好地分析转子的回转精度。

脱机演示时可以采用以下6种动态模拟信号，实现对测试误差的模拟，分别为：①x，y双向动态正弦信号；②x方向动态正弦信号，y方向无信号；③x方向无信号，y方向动态正弦信号；④x方向动态方波信号，y方向无信号；⑤x方向动态三角波信号，y方向无信号；⑥x，y双向动态带有随机误差的正弦信号。

2 回转精度的测试结果分析

一般地，回转运动误差图像具有一定的几何和物理意义。因此，评定转子回转运动误差时，必须根据要求选择回转运动误差的评定方法。评价转子回转运动误差的方法一般有最小二乘圆法、最小外接圆法、最大内切圆法及最小区域圆法等[16]。

2.1 评定方法分析

最小二乘圆法是从实际被测轮廓上各点到该圆周的距离平方和为最小的圆，即

其中:R为最小二乘圆半径；Ri为实际被测圆轮廓线上点到最小二乘圆心的距离。轮廓上距最小二乘圆圆心的最大半径和最小半径之差，即为回转精度的最小二乘圆评定结果。

最小外接圆法是以与被测实际轮廓相接触但直径为最小的外接圆作为理想评定圆，被测实际轮廓到该圆的最大径向距离为回转精度的评定结果。

最大内切圆法是以与被测实际轮廓内切且直径为最大的圆作为理想评定圆，被测实际轮廓到该圆的最大径向距离为回转精度的评定结果。

最小区域圆法原理是评定转子径向回转误差的最小区域环计算法的核心是两个同心圆在保证包容误差曲线的前提下，必须使这两个同心圆的半径差为最小。两个同心圆的半径差即为回转精度的评定结果。

为对比不同的回转精度评价方法，本系统将上述4种评定方法都以交互的方式包含在所研制的回转精度评定界面中。

2.2 回转精度测试结果

以采用最小二乘圆法为例，对所测试转子的回转精度进行评价。被测试转子的转速变化分别为4 000、6 000和8 000 r/min。系统的采样频率2 135 Hz，取512个连续采样点进行数据处理。图7中显示了在3种不同转速下，X通道上的误差曲线、转子的功率谱曲线以及该截面上的回转精度的圆图像。采用最小二乘圆法对测试数据进行评价后，获得了在4 000 r/min、6 000 r/min、8 000 r/min条件下的回转精度分别为49.3 μm、54.4 μm和69.7 μm。测试结果表明，所研制的系统可以实现转子回转精度的测量，并通过功率谱曲线反映出转子的转速。同时，可以看出，在当前3种转速条件下随着转子转速的增加，其回转精度将变差。

(a) 3 000 r/min

(b) 6 000 r/min

(c) 8 000 r/min

图7 转子不同转速条件下的输出结果

3 测试系统的实验项目

作为实验教学项目，本实验系统可以实现测试方案分析、数据采集分析、误差评价方法研究、误差影响因素分析与验证等实验教学内容，充分体现了系统的开放性、项目内容的多样性，达到了教学示范的目的。在转子系统误差测试方案实验中可以分析测试点的影响。在USB数据采集系统分析中，可以分析采样频率、数据处理、误差分离等对测试结果的影响。在误差评价方法研究中，可以最小二乘圆法等方法对误差的影响。在误差溯源分析中，可以分析的误差来源主要包括：轴向窜动、传感器安装精度、外部电磁干扰等方面。同时可以研究转子系统误差影响因素，包括：转速影响、预紧影响、偏心质量的影响等。使用者利用该系统可以掌握转子回转精度的测试原理、方法等方面的知识和技能，实现对转子回转精度综合的分析与评定。多次实验教学效果表明本系统具有很好的教学示范性，实现了良好的教学效果。

4 结 语

本文搭建了基于USB接口的数据采集仪转子回转精度测试系统，编写了转子回转精度测试的软件系统，该软件系统可以实现脱机演示、实时采集、4种方法的回转精度评定等功能，实现了转子回转精度的实时测试与分析。采用最小二乘圆方法对转子在不同转速条件的回转精度进行了测试分析。结果表明，所研制的系统可以实现转子回转精度的测量，达到了实验教学的基本要求。

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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

教育部国家级实验教学示范中心创新型实验教学项目(S5081270)

白清顺(1974-)，男，黑龙江勃利人，博士，副教授，主要从事精密机械装备、微纳制造技术的教学和研究。

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

TH 161

A

1006-7167(2017)02-0067-04