專利名稱：基于全柔性振動系統(tǒng)的動平衡測量系統(tǒng)及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種動平衡測量技術(shù)領(lǐng)域的系統(tǒng)及方法，具體是一種基于全柔性振動系統(tǒng)的動平衡測量系統(tǒng)及其測量方法。

背景技術(shù)：
隨著工業(yè)設(shè)備向高速化，高效化和高精化發(fā)展，旋轉(zhuǎn)機械的動平衡問題日益突出，高精度動平衡測量是提高產(chǎn)品性能和延長壽命的具有巨大效益和深遠意義的技術(shù)。為了提高動平衡測量的不平衡量一次降低率，降低最小可達剩余不平衡量，提高平面分離度等性能指標，目前，動平衡測量中關(guān)于不平衡信號提取和處理方法的研究較為廣泛和深入，也得到了諸多研究成果，但這些研究是以常規(guī)的振動系統(tǒng)提供的振動信號為基礎(chǔ)進行分析的，在動平衡的測量方法上并未作更多的改進。只有改進振動系統(tǒng)，提出新的測量方法才能使動平衡測量技術(shù)有革命性變化，同時也是實現(xiàn)高精度動平衡測量的關(guān)鍵所在。
目前動平衡測量方法中多以硬支承振動系統(tǒng)為基礎(chǔ)。其常用的結(jié)構(gòu)形式為待測工件處于兩支承之間的簡支梁形式和待測工件處于兩支承一側(cè)的外懸結(jié)構(gòu)形式。測量振動信號的傳感器安裝在兩支承附近，或者正交安裝在一個支承附近測量軸向或縱向支承力。如專利申請名稱為動平衡測量方法及高頻比硬支承動平衡裝置(專利公開號CN1566914)的專利技術(shù)。該技術(shù)依然建立在常規(guī)動平衡測量方法的振動系統(tǒng)基礎(chǔ)上。常規(guī)振動系統(tǒng)主要存在以下缺陷和不足①振動系統(tǒng)依靠系梁的拉壓變形來傳遞不平衡力，機械靈敏度有限，阻尼較大，對動平衡測量的相位精度影響較大。②外懸形式的振動系統(tǒng)，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點，可以獲得確定的平面分離算法。但是由于傳感器安裝在不同位置，周圍的環(huán)境條件如溫、濕度變化、現(xiàn)場噪聲等對傳感器的影響不同，由于力的關(guān)聯(lián)效應的影響，使得兩校正平面上待求校正質(zhì)量的變化量不同，從而對一次不平衡降低率及平面分離度產(chǎn)生不良影響。相比較而言，簡支梁結(jié)構(gòu)形式的振動系統(tǒng)對力的關(guān)聯(lián)效應的抑制較好。③振動系統(tǒng)中，待測工件和測量轉(zhuǎn)速一定時，振動系統(tǒng)的靈敏度和兩測量平面之間的距離成正比，由于物理結(jié)構(gòu)的限制，系統(tǒng)設(shè)計很難保證兩測量平面的間距較大，系統(tǒng)靈敏度較低，影響了最小可達剩余不平衡量的降低。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于全柔性振動系統(tǒng)的動平衡測量系統(tǒng)及其測量方法，使其提高動平衡測量的平面分離度、一次不平衡量降低率和最小可達剩余不平衡量、及其重復性能，實現(xiàn)高精度動平衡測量。
本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的 本發(fā)明所述的基于全柔性振動系統(tǒng)的動平衡測量系統(tǒng)，包括第一非平行四邊形機構(gòu)、第二非平行四邊形機構(gòu)、主軸、主軸套筒、軸承、兩個壓電式力傳感器、機座。第一非平行四邊形機構(gòu)、第二非平行四邊形機構(gòu)、主軸、主軸套筒、軸承、兩個壓電式力傳感器都水平安裝于機座上。主軸通過軸承安裝于主軸套筒中，兩者置于所述的第一非平行四邊形機構(gòu)和第二非平行四邊形機構(gòu)軸中央。所述的兩個壓電式力傳感器安裝在同一水平面內(nèi)，并且兩者的徑向連線與主軸線垂直。其中一個壓電式力傳感器測量橫梁相對機座的振動，另一壓電式力傳感器測量主軸套筒相對橫梁的振動。
所述的第一非平行四邊形機構(gòu)包括第一柔性鉸鏈、第二柔性鉸鏈、第三柔性鉸鏈、第四柔性鉸鏈、第一系梁、第二系梁和橫梁，其中橫梁通過第一柔性鉸鏈、第二柔性鉸鏈、第三柔性鉸鏈、第四柔性鉸鏈與第一系梁、第二系梁連接，第一系梁、第二系梁的左端分別通過第一和第四柔性鉸鏈和機座固連，其中橫梁和水平的主軸垂直，第一系梁、第二系梁對稱安置于主軸兩側(cè)。
所述的第二非平行四邊形機構(gòu)包括第五柔性鉸鏈、第六柔性鉸鏈、第七柔性鉸鏈、第八柔性鉸鏈、第三系梁、第四系梁和第五系梁。第二非平行四邊形機構(gòu)與第一非平行四邊形機構(gòu)共用一個橫梁，第三系梁、第四系梁、第五系梁通過第五柔性鉸鏈、第六柔性鉸鏈、第七柔性鉸鏈、第八柔性鉸鏈與橫梁連接，第五系梁與橫梁平行，第三系梁、第四系梁對稱安置于主軸兩側(cè)。
所述主軸套筒與一系梁固連，主軸套筒的軸線和橫梁分別與此系梁垂直。各個子系統(tǒng)的系梁通過柔性鉸鏈連接為一體，由第一非平行四邊形機構(gòu)、第二非平行四邊形機構(gòu)組成的振動系統(tǒng)為全柔性一體化結(jié)構(gòu)，待測工件安裝于主軸的右端，成外懸式形式。
本發(fā)明基于上述的系統(tǒng)，還提供一種基于全柔性振動系統(tǒng)的動平衡測量方法將主軸向右延長，第一、第二系梁的延長線的交點以及第三、第四系梁的延長線的交點都位于該延長線上，在這兩交點的位置處設(shè)置兩個等效支承及兩個等效傳感器，待測工件相當于放置在這兩個等效傳感器之間。因此，整個振動系統(tǒng)既是一個實際的外懸臂梁結(jié)構(gòu)振動系統(tǒng)同時又與一個存在于對應空間的簡支梁結(jié)構(gòu)振動系統(tǒng)等效。根據(jù)瞬時運動中心原理，分析兩個單自由度擺動子系統(tǒng)的運動特性，這兩個單自由度子系統(tǒng)通過橫梁串聯(lián)連接，建立該全柔性振動系統(tǒng)的兩自由度動力學模型， 建立其運動微分方程，分析其不平衡響應，實際傳感器測量值和等效傳感器的測量值相對應，使得這兩個系統(tǒng)等效，由此該全柔性振動系統(tǒng)可以將兩種常規(guī)振動系統(tǒng)的優(yōu)點有機地融為一體。可以根據(jù)一個平面內(nèi)安裝的兩個傳感器的測量值獲得不同平面上校正質(zhì)量的大小和相位。
本發(fā)明測量方法包括如下步驟 第一步將主軸、橫梁、五個系梁、八個柔性鉸鏈、第一壓電式力傳感器、待測工件、機座視作第一單自由度子系統(tǒng)，建立由第一非平行四邊形機構(gòu)組成的第一單自由度子系統(tǒng)的動力學模型，其中第二非平行四邊形機構(gòu)看作為第一非平行四邊形機構(gòu)的一個構(gòu)件，當待測工件上存在不平衡質(zhì)量時，在柔性鉸鏈的作用下，第一單自由度子系統(tǒng)以第一非平行四邊形機構(gòu)中兩非平行系梁延長線的交點為振動中心做單自由度擺動，建立其運動微分方程，得到第一壓電傳感器敏感的力和擺動角度的關(guān)系，滿足振動力和振幅成正比的要求。
第二步將主軸、套筒、橫梁、第三系梁、第四系梁、第五系梁、第二壓電式力傳感器、待測工件視作第二單自由度子系統(tǒng)，建立由第二非平行四邊形機構(gòu)組成的第二單自由度子系統(tǒng)的動力學模型，當待測工件上存在不平衡質(zhì)量時，在柔性鉸鏈的作用下，第二單自由度子系統(tǒng)以第二非平行四邊形機構(gòu)中兩非平行邊延長線的交點為振動中心做單自由度擺動，建立其運動微分方程，得到第二壓電傳感器敏感的力和擺動角度的關(guān)系，滿足振動力和振幅成正比的要求。
第三步綜合前兩步驟，上述兩個單自由度子系統(tǒng)通過橫梁串聯(lián)而成，得到該全柔性振動系統(tǒng)的兩自由度擺動模型，建立該兩自由度子系統(tǒng)的運動微分方程，由于兩個壓電式力傳感器的測量值分別和由擺動引起的振幅值相關(guān)，通過拉氏變換分析，得到動平衡測量的不平衡響應方程； 第四步在前三個步驟的基礎(chǔ)上，得到求取不同校正平面上校正質(zhì)量的平面分離方程； 第五步通過信號處理獲得兩個壓電式力傳感器輸出信號的幅值和相位，結(jié)合得到的平面分離方程，就可得到兩個壓電式傳感器經(jīng)由振動系統(tǒng)的放大倍數(shù)以及兩個瞬時運動中心的位置等四個參數(shù)。
所述的獲得兩個壓電式力傳感器輸出信號的幅值和相位，具體方法為取一標準轉(zhuǎn)子，在其左校正平面加一已知質(zhì)量的平衡塊ML，對壓電式力傳感器的輸出信號進行信號處理，獲取其幅值與相位。去掉平衡塊，在右校正平面加一已知質(zhì)量的平衡塊MR，對壓電式力傳感器的輸出信號進行信號處理，獲取其幅值與相位。
第六步在每次動平衡測量中，對壓電式力傳感器的輸出值進行信號處理，獲得其幅值和相位，結(jié)合振動系統(tǒng)的放大倍數(shù)以及兩瞬時運動中心的位置四個參數(shù)，利用平面分離方程，就可以得到不同校正平面上校正質(zhì)量的大小和相位。
相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的優(yōu)點在于 ①將柔性鉸鏈引入到動平衡測量振動系統(tǒng)中來，依靠其自身的變形來推動與其相連的系梁并將振動力作用到壓電式傳感器上，以期利用柔性鉸鏈無間隙，無摩擦的優(yōu)點，使得振動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、阻尼小、靈敏度高，提高動平衡測量的相位精度，對車輛輪胎的動平衡測量實驗表明，其相位精度能夠達到0.7度。
②該全柔性振動系統(tǒng)為一體化結(jié)構(gòu)，擁有固定的振動中心，且位于空間等效簡支梁形式振動系統(tǒng)的兩支承的位置，有效提高了振動系統(tǒng)的平面分離度和重復性能，對車輛輪胎的動平衡測量實驗表明，其平面分離能力遠小于1∶20； ③根據(jù)瞬時運動中心原理，該外懸結(jié)構(gòu)形式的振動系統(tǒng)等效為空間一簡支梁結(jié)構(gòu)的振動系統(tǒng)，有效增加了兩測量平面之間的距離，大大提高了測量系統(tǒng)的靈敏度，降低了最小可達剩余不平衡量，對車輛輪胎的動平衡測量實驗表明，最小可達剩余不平衡量遠遠滿足其國家標準要求； ④外懸結(jié)構(gòu)使得工件的安裝更為便捷，提高了工作效率； ⑤壓電式力傳感器安裝在同一徑向平面內(nèi)，外界環(huán)境(振動，噪聲等)對其的力矩影響相同，保證了兩壓電式力傳感器性能的長期一致性；也較好的消除了力的關(guān)聯(lián)效應對解算校正質(zhì)量的影響，對車輛輪胎的動平衡測量實驗表明，長期重復測量的一次不平衡降低率達到98％以上。



圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)俯視示意圖 圖2為圖1的A-A剖視示意圖 圖3為第一單自由度子系統(tǒng)動力學模型示意圖 圖4為第二單自由度子系統(tǒng)動力學模型示意圖 圖5為兩自由度全柔性振動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 圖中，第一柔性鉸鏈1、第二柔性鉸鏈2、第三柔性鉸鏈7、第四柔性鉸鏈8、第五柔性鉸鏈3、第六柔性鉸鏈4、第七柔性鉸鏈5、第八柔性鉸鏈6、第一系梁9、第二系梁10、第三系梁11、第四系梁12、第五系梁13、橫梁14、主軸15、主軸套筒16、機座17、第一壓電式力傳感器18、第二壓電式力傳感器19、待測工件20。

具體實施例方式 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
如圖1，2所示，本實施例包括第一非平行四邊形機構(gòu)、第二非平行四邊形機構(gòu)、主軸15、主軸套筒16、第一壓電式力傳感器18、第二壓電式力傳感器19、機座17。第一非平行四邊形機構(gòu)、第二非平行四邊形機構(gòu)、主軸15、主軸套筒16、、第一壓電式力傳感器18、第二壓電式力傳感器19都水平安裝于機座上。主軸15通過軸承安裝于主軸套筒16中，兩者置于所述的第一非平行四邊形機構(gòu)、第二非平行四邊形機構(gòu)軸中央。
所述的第一非平行四邊形機構(gòu)包括第一柔性鉸鏈1、第二柔性鉸鏈2、第三柔性鉸鏈7、第四柔性鉸鏈8、第一系梁9、第二系梁10、橫梁14。橫梁14通過第一柔性鉸鏈1、第二柔性鉸鏈2、第三柔性鉸鏈7、第四柔性鉸鏈8與第一系梁9、第二系梁10連接，第一系梁9、第二系梁10的左端和機座17固連。其中橫梁14和水平的主軸15垂直，第一系梁9、第二系梁10對稱安置于主軸15兩側(cè)，且在主軸線方向成一定角度，該角度范圍在6度～9度之間。
所述的第二非平行四邊形機構(gòu)包括第五柔性鉸鏈3、第六柔性鉸鏈4、第七柔性鉸鏈5、第八柔性鉸鏈6、第三系梁11、第四系梁12、第五系梁13。第二非平行四邊形機構(gòu)與第一非平行四邊形機構(gòu)共用一個橫梁14，第三系梁11、第四系梁12、第五系梁13通過第五柔性鉸鏈3、第六柔性鉸鏈4、第七柔性鉸鏈5、第八柔性鉸鏈6與橫梁14連接，第五系梁13與橫梁14平行，第三系梁11、第四系梁12對稱安置于主軸15兩側(cè)，且和主軸線方向成一定角度，該角度范圍在22度～27度之間。
所述的第一壓電式力傳感器18、第二壓電式力傳感器19安裝在同一水平平面內(nèi)，并且兩者的徑向連線與主軸線垂直。其中第一壓電式力傳感器18測量橫梁14相對機座17的振動，第二壓電式力傳感器19測量主軸套筒16相對橫梁14的振動。
因此，各塊系梁與橫梁14通過各個柔性鉸鏈連接為一體化結(jié)構(gòu)。主軸套筒16與第五系梁13固連，且其軸線和第五系梁13垂直。待測工件20安裝于主軸15的右端，形成外懸式結(jié)構(gòu)。該振動系統(tǒng)的剛度由柔性鉸鏈的幾何尺寸及其振動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定。
本實施例系統(tǒng)中兩個非平行四邊形機構(gòu)的各個構(gòu)件通過柔性鉸鏈連接，且各個構(gòu)件的長度及相對夾角一定，運動學上可以將它們看作兩個單自由度擺動的子振動系統(tǒng)，它們通過橫梁14串連為一體式的兩自由度系統(tǒng)，以下進行具體分析。
將主軸15、橫梁14、五個系梁9，10，11，12，13、八個柔性鉸鏈1，2，3，4，5，6，7，8、第一壓電式力傳感器18、待測工件20、機座17視作第一單自由度子系統(tǒng)， 如圖3所示。將第五柔性鉸鏈3、第六柔性鉸鏈4、第七柔性鉸鏈5、第八柔性鉸鏈6連接的第三系梁11、第四系梁12、第五系梁13和橫梁14組成的第二非平行四邊形機構(gòu)作為第一單自由度子系統(tǒng)中的一個構(gòu)件考慮，第一壓電式力傳感器18用來測量該構(gòu)件相對機座17的振動。而在第一非平行四邊形機構(gòu)1中，根據(jù)理論力學中的瞬時運動中心原理，橫梁14相對機座17的瞬時運動中心為第一系梁9、第二系梁10延長線的交點O1，當外力F通過點O1時，該第一單自由度子系統(tǒng)不發(fā)生任何振動，而當力F處于O1的左側(cè)或者右側(cè)時，由于柔性鉸鏈作為該子系統(tǒng)的運動幅，柔性鉸鏈切口方向的設(shè)計使其在垂直x-y平面方向上的轉(zhuǎn)動剛度比其余方向上的小的多，僅考慮其繞z軸的轉(zhuǎn)動，此時該第一單自由度子系統(tǒng)繞O1擺動，不平衡離心力產(chǎn)生的振動經(jīng)柔性鉸鏈傳遞至第一壓電式力傳感器18。所以當待測工件20上存在不平衡質(zhì)量時，以上構(gòu)件組成的系統(tǒng)以點O1為振動中心繞垂直于x-y平面的z軸做單自由度擺動。
主軸15、套筒16、橫梁14、第三系梁11、第四系梁12、第五系梁13、第二壓電式力傳感器19、待測工件視20作第二單自由度子系統(tǒng)，如圖4所示。壓電式力傳感器19測量主軸套筒16相對橫梁14的振動，第五系梁13和主軸套筒16之間為剛性連接，可以看作為一個構(gòu)件，因此，第二壓電式力傳感器19的測量值等效于第五系梁13和橫梁14之間的相對振動。根據(jù)理論力學中的瞬時運動中心原理，在第二非平行四邊形機構(gòu)中，作相對運動的第五系梁13和橫梁14的瞬時運動中心在第三系梁11和第四系梁12的延長線的交點O2上。同第一單自由度子系統(tǒng)一樣，當待測工件20上存在不平衡質(zhì)量時，在柔性鉸鏈的作用下，以上構(gòu)件組成的第二單自由度子系統(tǒng)以點O2為振動中心繞垂直于y-x平面的z軸做單自由度擺動。
因此，上述的全柔性振動系統(tǒng)可以看作為繞瞬時運動中心O1擺動的第一單自由度子系統(tǒng)和和繞O2擺動的第二單自由度子系統(tǒng)通過橫梁14串聯(lián)組成的兩自由度振動系統(tǒng)，其動力學模型如圖5所示。這樣，以第一、二單自由度子系統(tǒng)的靜平衡位置為坐標原點，當外部激勵為左右校正平面上的不平衡質(zhì)量ML、MR時，根據(jù)其動力學模型，就可建立其運動微分方程，忽略次要因素的影響，就可獲得其不平衡響應方程和平面分離方程。在此基礎(chǔ)上，當待測工件20及其振動系統(tǒng)確定后，參數(shù)D(為實際傳感器18，19的安裝平面到瞬時運動中心O2的距離)、W(為待測工件寬度)為定值，參數(shù)K1，K2、S1，S2未知，其中K1，K2是傳感器靈敏度、電荷放大系數(shù)、濾波系數(shù)、放大倍數(shù)以及振動系統(tǒng)機械放大倍數(shù)的集中體現(xiàn)。當壓電式力傳感器靈敏度發(fā)生變化或電路參數(shù)改變時必須重新確定這幾個參數(shù)值。S1，S2是兩瞬時運動中心的距離。當這些值確定之后，在每次動平衡測量中，對壓電式力傳感器的輸出值進行信號處理，獲得其幅值和相位，利用平面分離方程，就可以得到不同校正平面上校正質(zhì)量的大小和相位。
在上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提供本發(fā)明測量方法的實施例，實施時，先將測量工件安裝好，然后建立該全柔性振動系統(tǒng)的兩自由度動力學模型，首先根據(jù)振動系統(tǒng)的運動微分方程，求取校正質(zhì)量的平面分離方程；然后，通過標定獲得測量系統(tǒng)的傳感器輸出信號放大倍數(shù)以及兩瞬時運動中心的位置參數(shù)，再結(jié)合壓電式力傳感器測量到代表不平衡量的振動信號，利用平面分離方程，就可得到校正質(zhì)量的大小和相位。具體實現(xiàn)步驟如下 第一步將待測工件20通過夾具安裝在主軸15右側(cè)，忽略待測工件20旋轉(zhuǎn)時的撓性變形，將其看成剛性轉(zhuǎn)子。設(shè)計中使主軸15的轉(zhuǎn)動頻率遠小于振動系統(tǒng)的固有頻率。
第二步建立由主軸15、套筒16、橫梁14、五個系梁9，10，11，12，13、八個柔性鉸鏈1，2，3，4，5，6，7，8、第一壓電式力傳感器18、待測工件20、機座17組成第一單自由度子系統(tǒng)做單自由度擺動的動力學模型， 如圖3所示。分析第一壓電式力傳感器18和擺動引起的振幅的關(guān)系。
第三步建立由主軸15、套筒16、橫梁14、第三系梁11、第四系梁12、第五系梁13、第二壓電式力傳感器19、待測工件20組成的第二單自由度子系統(tǒng)做單自由度擺動的動力學模型，如圖4所示。分析第二壓電式力傳感器19和擺動引起的振幅的關(guān)系。
第四步上述第一、第二單自由度子系統(tǒng)通過橫梁14串聯(lián)而成，綜合第二步和第三步，建立該兩自由度振動系統(tǒng)模型，如圖5所示。以第一、二單自由度子系統(tǒng)的靜平衡位置為坐標原點，當外部激勵為左右校正平面上的不平衡質(zhì)量ML、MR時，在系統(tǒng)振動過程中的任一瞬時，該系統(tǒng)的運動微分方程為 其中S1＝D+W+L1+L2；S2＝D D-實際傳感器18，19的安裝平面到瞬時運動中心O2的距離 L1-瞬時運動中心O2到待測工件左校正平面的距離 L2-瞬時運動中心O1到待測工件右校正平面的距離 I1，I2-第一、第二單自由度子系統(tǒng)繞Z軸轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動慣量 Φ1，Φ2-第一、第二單自由度子系統(tǒng)相對各自平衡位置的擺角 C1，C1-第一、第二單自由度子系統(tǒng)的阻尼系數(shù) Ke1，Ke2-第一、第二單自由度子系統(tǒng)的等效剛度 ω-轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度 W-待測工件寬度 R-待測工件上不平衡質(zhì)量的旋轉(zhuǎn)半徑 α-兩校正平面上校正質(zhì)量的相位差 第五步第一壓電式力傳感器18、第二壓電式力傳感器19的的輸出值經(jīng)過測量系統(tǒng)的機械及其電氣放大之后的測量值F1和F2分別為 F1＝Ke1S1φ1；F2＝Ke2(S2φ2-S1φ1)(2) 這里將機座處支承處的反力直接用第一壓電式力傳感器18位置處的等效力來代替。
第六步根據(jù)前面步驟的結(jié)果，經(jīng)過拉氏變換分析，得到動平衡測量的不平衡響應方程為 第七步根據(jù)第六步的分析和動平衡測量的不平衡響應方程，得到該動平衡測量的平面分離方程為 其中D-實際傳感器18，19的安裝平面到瞬時運動中心O2的距離 L1-瞬時運動中心O2到待測工件左校正平面的距離 L2-瞬時運動中心O1到待測工件右校正平面的距離 F1，F(xiàn)1-第一、第二壓電傳感器18，19的輸出值經(jīng)過測量系統(tǒng)的機械及其電氣放大之后的測量值 MR，ML-右、左校正平面上的校正質(zhì)量ω-轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度 W-待測工件寬度 第八步設(shè)第一壓電式力傳感器18、第二壓電式力傳感器19直接輸出的值分別為Data1，Data2。則經(jīng)過測量系統(tǒng)的機械及其電氣放大之后的值表示為 F1＝K1·Data1；F2＝K2·Data2(5) 當振動系統(tǒng)以及待測工件20確定后，D、W為定值，需要事先確定系統(tǒng)參數(shù)K1，K2、S1，S2。需要進行 第九步具取一標準轉(zhuǎn)子，在其左校正平面加一已知質(zhì)量的平衡塊ML，對傳感器的輸出信號進行信號處理，獲取其幅值與相位。
第十步去掉平衡塊，在右校正平面加一已知質(zhì)量的平衡塊MR，對傳感器的輸出信號進行信號處理，獲取其幅值與相位。
第十一步若ML，MR為100g，由式(4)和式(5)聯(lián)立方程組，兩次測量可得兩個方程組，因此可解得K1，K2、S1，S2 其中D-實際傳感器18，19的安裝平面到瞬時運動中心O2的距離 W-待測工件寬度 第十二步在每次動平衡測量中，對第一壓電式力傳感器18、第二壓電式力傳感器19的輸出值進行信號處理，獲得其幅值和相位，結(jié)合K1，K2、S1，S2，利用平面分離方程(4)，就可以得到不同校正平面上校正質(zhì)量的大小和相位。
該測量方法建立在全柔性振動系統(tǒng)之上，該振動系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上將外懸形式和簡支梁形式的振動系統(tǒng)有機的結(jié)合起來，以下分析實際外懸形式振動系統(tǒng)和空間上存在的簡支梁結(jié)構(gòu)形式振動系統(tǒng)的關(guān)系。對于第一單自由度子系統(tǒng)，設(shè)F1′為等效第一壓電式力傳感器18的測量值，根據(jù)靜力學力矩平衡關(guān)系，考慮其對O1的力矩作用，得到 S1(F1-F2)＝(S1-S2)F1′(10) 同理，對于第二單自由度子系統(tǒng)，設(shè)F2′為等效第二壓電式力傳感器19的測量值，根據(jù)靜力學力矩平衡關(guān)系，考慮其對O2的力矩作用，得到 S2F2＝(S1-S2)F2′(11) 因此對于空間上存在的簡支梁結(jié)構(gòu)形式振動系統(tǒng)，當待測工件20左右校正平面上存在不平衡質(zhì)量時，直接根據(jù)靜力學的力矩平衡關(guān)系，得到 由式(10)和(11)可知，式(12)和式(4)完全相等。簡支梁結(jié)構(gòu)形式的振動系統(tǒng)和實際的外懸臂粱結(jié)構(gòu)的振動系統(tǒng)完全等效。因此，該振動系統(tǒng)有機的兩種常規(guī)振動系統(tǒng)融為一體，使得各自的優(yōu)勢能夠得到充分發(fā)揮。
由上述的實施例可以看出，本發(fā)明可以提高動平衡測量的平面分離度、一次不平衡量降低率和生產(chǎn)率、及其重復性能，實現(xiàn)高精度動平衡測量。對車輛輪胎的動平衡測量實驗表明，其相位精度能夠達到0.7度。其平面分離能力遠小于1∶20；最小可達剩余不平衡量遠遠滿足其國際標準要求；長期重復測量的一次不平衡降低率達到98％以上。
權(quán)利要求
1.一種基于全柔性振動系統(tǒng)的動平衡測量系統(tǒng)，包括主軸、主軸套筒、軸承、兩個壓電式力傳感器、機座，其特征在于，還包括第一非平行四邊形機構(gòu)和第二非平行四邊形機構(gòu)，第一非平行四邊形機構(gòu)和第二非平行四邊形機構(gòu)組成全柔性振動系統(tǒng)，所述第一非平行四邊形機構(gòu)、第二非平行四邊形機構(gòu)與主軸、主軸套筒、軸承、兩個壓電式力傳感器都水平安裝于機座上，主軸通過軸承置于主軸套筒中，主軸、主軸套筒置于所述的第一非平行四邊形機構(gòu)、第二非平行四邊形機構(gòu)軸中央，所述的兩個壓電式力傳感器設(shè)置在同一水平平面內(nèi)，并且兩者的徑向連線和主軸線垂直，其中第一壓電式力傳感器測量橫梁相對機座的振動，第二壓電式力傳感器測量主軸套筒相對橫梁的振動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于全柔性振動系統(tǒng)的動平衡測量系統(tǒng)，其特征是所述的第一非平行四邊形機構(gòu)包括第一柔性鉸鏈、第二柔性鉸鏈、第三柔性鉸鏈、第四柔性鉸鏈、第一系梁、第二系梁、橫梁，其中橫梁通過第一柔性鉸鏈、第二柔性鉸鏈、第三柔性鉸鏈、第四柔性鉸鏈與第一系梁、第二系梁連接，第一系梁、第二系梁的左端和機座固連，其中橫梁和水平的主軸垂直，第一系梁、第二系梁對稱安置于主軸兩側(cè)，且在主軸線方向成固定角度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于全柔性振動系統(tǒng)的動平衡測量系統(tǒng)，其特征是所述的第二非平行四邊形機構(gòu)包括第五柔性鉸鏈、第六柔性鉸鏈、第七柔性鉸鏈、第八柔性鉸鏈、第三系梁、第四系梁、第五系梁，第二非平行四邊形機構(gòu)與第一非平行四邊形機構(gòu)共用一個橫梁，第三系梁、第四系梁、第五系梁通過第五柔性鉸鏈、第六柔性鉸鏈、第七柔性鉸鏈、第八柔性鉸鏈與橫梁連接，第五系梁與橫梁平行，第三系梁、第四系梁對稱安置于主軸兩側(cè)，且和主軸線方向成固定角度。
4.一種基于全柔性振動系統(tǒng)的動平衡測量方法，其特征在于將由第一非平行四邊形機構(gòu)、第二非平行四邊形機構(gòu)組成的振動系統(tǒng)作為一個實際的外懸臂梁結(jié)構(gòu)振動系統(tǒng)，同時又與一個簡支梁結(jié)構(gòu)的振動系統(tǒng)在力學上等效，將主軸向右延長，第一、第二系梁的延長線的交點以及第三、第四系梁的延長線的交點位于該延長線上，在這兩交點的位置處設(shè)置兩個等效支承及兩個等效傳感器，待測工件放置于這兩個傳感器之間，實際傳感器測量值和等效傳感器的測量值相對應，此時根據(jù)一個平面內(nèi)安裝的兩個傳感器的測量值求取不同平面上校正質(zhì)量的大小和相位。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于全柔性振動系統(tǒng)的動平衡測量方法，其特征是包括如下步驟
第一步將主軸、橫梁、五個系梁、八個柔性鉸鏈、第一壓電式力傳感器、待測工件和機座構(gòu)成第一單自由度子系統(tǒng)，建立由第一非平行四邊形機構(gòu)組成的第一單自由度子系統(tǒng)的動力學模型，其中第二非平行四邊形機構(gòu)看作為第一非平行四邊形機構(gòu)的一個構(gòu)件，當待測工件上存在不平衡質(zhì)量時，在柔性鉸鏈的作用下，第一單自由度子系統(tǒng)以第一非平行四邊形機構(gòu)中兩非平行系梁延長線的交點為振動中心做單自由度擺動，建立其運動微分方程，得到第一壓電傳感器安裝測量力和擺動角度的關(guān)系，使振動力和振幅成正比；
第二步將主軸、套筒、橫梁、第三系梁、第四系梁、第五系梁、第二壓電式力傳感器和待測工件構(gòu)成第二單自由度子系統(tǒng)，建立由第二非平行四邊形機構(gòu)組成的第二單自由度子系統(tǒng)的動力學模型，當待測工件上存在不平衡質(zhì)量時，在柔性鉸鏈的作用下，第二單自由度子系統(tǒng)以第二非平行四邊形機構(gòu)中兩非平行邊延長線的交點為振動中心做單自由度擺動，建立其運動微分方程，得到第二壓電傳感器安裝測量力和擺動角度的關(guān)系，使振動力和振幅成正比；
第三步綜合前兩步驟，上述兩個單自由度子系統(tǒng)通過橫梁串聯(lián)而成，得到該全柔性振動系統(tǒng)的兩自由度擺動動力學模型，建立該兩自由度系統(tǒng)的運動微分方程，由于兩個壓電式力傳感器的測量值分別和由擺動引起的振幅值相關(guān)，通過拉氏變換分析，得到動平衡測量的不平衡響應方程；
第四步在前三個步驟的基礎(chǔ)上，得到求取校正平面上校正質(zhì)量的平面分離方程；
第五步通過信號處理獲得兩壓電式力傳感器輸出信號的幅值和相位，結(jié)合得到的平面分離方程求解振動系統(tǒng)的放大倍數(shù)以及兩瞬時運動中心的位置四個參數(shù)；
第六步在每次動平衡測量中，對壓電式力傳感器的輸出值進行信號處理，獲得其幅值和相位，結(jié)合振動系統(tǒng)的放大倍數(shù)以及兩瞬時運動中心的位置四個參數(shù)，利用平面分離方程，得到不同校正平面上校正質(zhì)量的大小和相位。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于全柔性振動系統(tǒng)的動平衡測量方法，其特征是第三步驟中，所述建立該兩自由度子系統(tǒng)的運動微分方程，具體為
其中S1＝D+W+L1+L2；S2＝D
式中D-實際兩個壓電式力傳感器的安裝平面到瞬時運動中心O2的距離
L1-瞬時運動中心O2到待測工件左校正平面的距離
L2-瞬時運動中心O1到待測工件右校正平面的距離
I1，I2-兩個單自由度子系統(tǒng)繞Z軸轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動慣量
Φ1，Φ2-兩個單自由度子系統(tǒng)相對各自平衡位置的擺角
C1，C1-兩個單自由度子系統(tǒng)的阻尼系數(shù)
Ke1，Ke2-兩個單自由度子系統(tǒng)的等效剛度
ω-轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度
W-待測工件寬度
R-待測工件中不平衡質(zhì)量的旋轉(zhuǎn)半徑
α-兩校正平面上校正質(zhì)量的相位差。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的基于全柔性振動系統(tǒng)的動平衡測量方法，其特征是第三步中，所述的得到動平衡測量的不平衡響應方程，具體為
其中，F(xiàn)1和F2為第一壓電式力傳感器和第二壓電式力傳感器的測量值，這里將機座處支承處的反力直接用第一壓電式力傳感器位置處的等效力來代替。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于全柔性振動系統(tǒng)的動平衡測量方法，其特征是第四步中，所述求取校正平面上校正質(zhì)量的平面分離方程，具體為
其中D-實際兩個壓電式力傳感器的安裝平面到瞬時運動中心O2的距離
L2-瞬時運動中心O1到待測工件右校正平面的距離
F1，F(xiàn)1-第一、第二壓電傳感器18，19的的輸出值經(jīng)過測量系統(tǒng)的機械及其電氣放大之后的測量值
MR，ML-右、左校正平面上的校正質(zhì)量ω-轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度
W-待測工件寬度。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于全柔性振動系統(tǒng)的動平衡測量方法，其特征是第五步中，所述的獲得兩壓電式力傳感器輸出信號的幅值和相位，具體方法為具取一標準轉(zhuǎn)子，在其左校正平面加一已知質(zhì)量的平衡塊ML，對壓電式力傳感器的輸出信號進行信號處理，獲取其幅值與相位；去掉平衡塊，在右校正平面加一已知質(zhì)量的平衡塊MR，對壓電式力傳感器的輸出信號進行信號處理，獲取其幅值與相位。
10.根據(jù)權(quán)利要求5或9所述的基于全柔性振動系統(tǒng)的動平衡測量方法，其特征是第五步中，所述得到振動系統(tǒng)的放大倍數(shù)以及兩瞬時運動中心的位置四個參數(shù)，具體為設(shè)兩壓電式力傳感器輸出真實值分別為Data1，Data2，K1，K2為待定系數(shù)，是傳感器靈敏度、電荷放大系數(shù)、濾波系數(shù)、放大倍數(shù)以及振動系統(tǒng)機械放大倍數(shù)的集中體現(xiàn)，則
F1＝K1·Data1，F(xiàn)2＝K2·Data2
由上式和振動系統(tǒng)的不平衡響應方程聯(lián)立方程組，兩次測量兩個方程組，解得K1，K2、S1，S2，其中S1，S2是兩瞬時運動中心的距離；
當平衡塊ML，MR為100g，K1，K2、S1，S2為
W-待測工件寬度
D-實際兩個壓電式力傳感器的安裝平面到瞬時運動中心O2的距離。
全文摘要
一種動平衡測量技術(shù)領(lǐng)域的基于全柔性振動系統(tǒng)的動平衡測量系統(tǒng)及其測量方法。系統(tǒng)中，兩個非平行四邊形機構(gòu)、主軸、主軸套筒、軸承、壓電式力傳感器都水平設(shè)于機座上，兩個非平行四邊形機構(gòu)的系梁通過柔性鉸鏈連接，兩壓電力傳感器設(shè)在橫梁下方的同一平面內(nèi)；測量時先建立該全柔性振動系統(tǒng)的兩自由度動力學模型，再分析其運動微分方程，得到求取校正質(zhì)量的平面分離方程，通過標定獲得測量系統(tǒng)的傳感器輸出信號放大倍數(shù)以及兩瞬時運動中心的位置參數(shù)，然后結(jié)合壓電式力傳感器測量到代表不平衡量的振動信號，利用平面分離方程得到校正質(zhì)量的大小和相位。本發(fā)明可以提高動平衡測量的一次不平衡量降低率和降低最小可達剩余不平衡量。
文檔編號G01M1/00GK101105419SQ20071004517
公開日2008年1月16日 申請日期2007年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月23日
發(fā)明者萍 蔡, 鵬 秦, 胡慶翰, 李英霞 申請人:上海交通大學