本发明公开了一种基于差分式电容传感原理的转子高精度动平衡装置，包括底板(1)，所述底板(1)上沿X轴方向滑动连接有用于实现不平衡振动提取的电容式转子支撑架(3)，电容式转子支撑架(3)上架设有转子(5)；所述底板(1)上还固定有与转子(5)联接并驱动转子(5)转动的龙门式转子驱动机构。支撑动框架的移动改变了平板电容器的电容值，从而实现微弱不平衡振动的提取；龙门式结构可以减小装置传动的误差，从而提高装置的精度。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。
1.一种基于差分式电容传感原理的转子高精度动平衡装置，包括底板(1)，其特征在于：所述底板(1)上沿X轴方向滑动连接有用于实现不平衡振动提取的电容式转子支撑架(3)，电容式转子支撑架(3)上架设有转子(5)；所述底板(1)上还固定有与转子(5)联接并驱动转子(5)转动的龙门式转子驱动机构；
所述底板(1)上固定有底座(2)，底座(2)上固定有沿X轴方向的导轨(7)，所述电容式转子支撑架(3)与导轨(7)滑动连接且可固定于导轨上；所述电容式转子支撑架(3)的数量为2个，每个电容式转子支撑架(3)分别架设转子(5)的一端；
所述电容式转子支撑架(3)包括支撑定框架(14)、支撑动框架(17)以及固定于支撑动框架(17)上端的用于架设转子(5)的滚轮(4)，其中支撑动框架(17)位于支撑定框架(14)内，并与支撑定框架(14)通过矩形截面梁(13)固结在一起，从而限制支撑动框架(17)相对于支撑定框架(14)沿X轴方向产生相对移动；所述电容式转子支撑架(3)通过固定于支撑定框架(14)底部的滑块(21)与导轨(7)滑动连接，所述滑块(21)上设有可将滑块(21)固定于导轨(7)上的固定螺栓(20)；所述支撑动框架(17)由绝缘材料构成；所述支撑定框架(14)的内部设有腔体，腔体内设有右电极(15)、公共极(16)以及左电极(18)，各电极均连接有贴于腔体侧壁的金属膜材，所述支撑动框架(17)的一部分位于构成电容极板的金属膜材之间；
所述右电极(15)、公共极(16)和左电极(18)所连接的金属膜材，形成差动平板电容器的两极板；支撑动框架(17)在Z方向的移动改变了差动平板电容器的电容值，从而实现不平衡振动的提取。
2.如权利要求1所述的一种基于差分式电容传感原理的转子高精度动平衡装置，其特征在于：所述滚轮(4)的数量为2个，且并排设置，该2个滚轮(4)的轴线与转子(5)的轴线相互平行，转子(5)的一端架设于2个滚轮之间。
3.如权利要求1所述的一种基于差分式电容传感原理的转子高精度动平衡装置，其特征在于：所述腔体的具体结构及设置是：支撑定框架(14)内部的左右两侧各设有一个矩形腔体，该两个矩形腔体左右对称，且两个腔体相对的侧壁上均设有入口，其中左侧矩形腔体的左侧壁以及右侧矩形腔体的右侧壁上均贴有连接公共极(16)的金属膜材；两个矩形腔体相对的侧壁位于各自入口的上方部分均贴有连接右电极(15)的金属膜材；两个矩形腔体相对的侧壁位于各自入口的下方部分均贴有连接左电极(18)的金属膜材；所述支撑动框架(17)的左端，其结构是从左端腔体入口嵌入左边腔体内部的T型悬空体；所述支撑动框架(17)的右端，其结构是从右端腔体入口嵌入右边腔体内部的相同结构的T型悬空体。
4.如权利要求1所述的一种基于差分式电容传感原理的转子高精度动平衡装置，其特征在于：所述绝缘材料为聚乙烯、环氧树脂或云母材料；所述金属膜材为铝箔或铜箔。
5.如权利要求3所述的一种基于差分式电容传感原理的转子高精度动平衡装置，其特征在于：所述支撑动框架(17)的两个T型悬空体与各自腔体内的金属膜材之间的间隙均相等，左右两个腔体构成的电容的初始电容值C0＝ε0εr1L0b0/d0相同，其中ε0、εr1分别为空气介电常数和绝缘材料的介电常数，L0为公共极(16)连接的金属膜材的长度，ε0为空气介电常数，d0为连接左电极(18)或右电极(15)的金属膜材与所对应的公共极(16)连接的金属膜材之间的间距，b0为公共极(16)连接的金属膜材的宽度。
6.如权利要求1所述的一种基于差分式电容传感原理的转子高精度动平衡装置，其特征在于：所述龙门式转子驱动机构包括滑轮(9)、皮带(10)、电机支架(11)及电动机(6)，电动机(6)固定于电机支架(11)上，所述滑轮(9)包括滑轮一和滑轮二，滑轮一和滑轮二之间联接皮带(10)，所述皮带(10)的传动方向与转子(5)的轴向垂直，且皮带(10)按压于转子(5)表面，所述电动机(6)与滑轮一联接，电动机(6)通过驱动滑轮一带动皮带(10)驱动转子(5)旋转。
7.如权利要求1所述的一种基于差分式电容传感原理的转子高精度动平衡装置，其特征在于：用于完成初始相位采集的鉴相传感器(8)通过在Z方向上可以调节高度的支架固定于底板(1)上。
一种基于差分式电容传感原理的转子高精度动平衡装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种转子动平衡装置，特别涉及一种基于差分式电容传感原理的转子高精度动平衡装置。
背景技术
[0002] 伴随着中国制造2025时代的到来，工业产品逐渐向高集成度、高精度、小尺寸的方向发展，这就需要我们提高加工系统和检测系统的微型化程度。
[0003] 目前市场上所使用的动平衡测试仪器大多数针对常规尺寸的轴类产品所开发的，对于重量较小、动平衡精度较高的微型转子，虽然可以测量其不平衡量，但由于本身结构或原理的限制，测量精度往往达不到理想要求。此外，大多数微型动平衡机都采用弹簧阻尼结构来测量不平衡量，且该类产品存在加工过程较为繁琐、造价高以及精度调节差的缺点。
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，提供一种基于差分式电容传感原理的转子高精度动平衡装置，达到装置结构简单、体积微小，可以识别微弱的振动，灵敏度极高，响应速度快的目的。
[0005] 为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种基于差分式电容传感原理的转子高精度动平衡装置，包括底板，所述底板上沿X轴方向滑动连接有用于实现不平衡振动提取的电容式转子支撑架，电容式转子支撑架上架设有转子；所述底板上还固定有与转子联接并驱动转子转动的龙门式转子驱动机构。
[0006] 上述底板上固定有底座，底座上固定有沿X轴方向的导轨，所述电容式转子支撑架与导轨滑动连接且可固定于导轨上；所述电容式转子支撑架的数量为2个，每个电容式转子支撑架分别架设转子的一端。
[0007] 上述电容式转子支撑架包括支撑定框架、支撑动框架以及固定于支撑动框架上端的用于架设转子的滚轮，其中支撑动框架位于支撑定框架内，并与支撑定框架通过矩形截面梁固结在一起，从而限制支撑动框架相对于支撑定框架沿X轴方向产生相对移动；所述电容式转子支撑架通过固定于支撑定框架底部的滑块与导轨滑动连接，所述滑块上设有可将滑块固定于导轨上的固定螺栓；所述支撑动框架由绝缘材料构成；所述支撑定框架的内部设有腔体，腔体内设有右电极、公共极以及左电极，各电极均连接有贴于腔体侧壁的金属膜材，所述支撑动框架的一部分位于构成电容极板的金属膜材之间；所述右电极、公共极和左电极所连接的金属膜材，形成差动平板电容器的两极板；支撑动框架在Z方向的移动改变了差动平板电容器的电容值，从而实现不平衡振动的提取。
[0008] 上述滚轮的数量为2个，且并排设置，该2个滚轮的轴线与转子的轴线相互平行，转子的一端架设于2个滚轮之间。
[0009] 上述腔体的具体结构及设置是：支撑定框架内部的左右两侧各设有一个矩形腔体，该两个矩形腔体左右对称，且两个腔体相对的侧壁上均设有入口，其中左侧矩形腔体的左侧壁以及右侧矩形腔体的右侧壁上均贴有连接公共极的金属膜材；两个矩形腔体相对的侧壁位于各自入口的上方部分均贴有连接右电极的金属膜材；两个矩形腔体相对的侧壁位于各自入口的下方部分均贴有连接左电极的金属膜材；所述支撑动框架的左端，其结构是从左端腔体入口嵌入左边腔体内部的T型悬空体；所述支撑动框架的右端，其结构是从右端腔体入口嵌入右边腔体内部的相同结构的T型悬空体。
[0010] 上述绝缘材料为聚乙烯、环氧树脂或云母材料；所述金属膜材为铝箔或铜箔。
[0011] 上述支撑动框架的两个T型悬空体与各自腔体内的金属膜材之间的间隙均相等，左右两个腔体构成的电容的初始电容值C0＝ε0εr1L0b0/d0相同，其中ε0、εr1分别为空气介电常数和绝缘材料的介电常数，L0为公共极连接的金属膜材的长度，ε0为空气介电常数，d0为连接左电极或右电极的金属膜材与所对应的公共极连接的金属膜材之间的间距，b0为公共极连接的金属膜材的宽度。
[0012] 上述龙门式转子驱动机构包括滑轮、皮带、电机支架及电动机，电动机固定于电机支架上，所述滑轮包括滑轮一和滑轮二，滑轮一和滑轮二之间联接皮带，所述皮带的传动方向与转子的轴向垂直，且皮带按压于转子表面，所述电动机与滑轮一联接，电动机通过驱动滑轮一带动皮带驱动转子旋转。
[0013] 用于完成初始相位采集的鉴相传感器通过在Z方向上可以调节高度的支架固定于底板上。
[0014] 本发明的有益效果：本发明主要包含转子支撑部分和龙门式转子驱动部分。转子支撑部分由支撑动框架与支撑定框架构成，滚轮固定在支撑动框架上，支撑动框架的由绝缘材料构成；支撑定框架贴金属膜材，从而形成差动平板电容器的两极板，支撑动框架的移动改变了平板电容器的电容值，从而实现微弱不平衡振动的提取；支撑定框架的滑块与导轨精密配合，且支撑定框架可在导轨上滑动，滑块的固定螺栓可以固定电容式转子支撑架在X方向位置，支撑动框架由矩形截面梁固结在支撑定框架上；支撑动框架与支撑定框架整体螺栓固定于电容式转子支撑架上；转子驱动机构部分的电动机固定在支架上，可通过皮带传动方式驱动不平衡转子旋转，龙门式结构可以减小装置传动的误差，从而提高装置的精度。
[0015] 与现有装置相比，本发明具有以下优点：
[0016] 1.本发明通过设计了新型的差动电容式传感器的电容式转子支撑架，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；
[0017] 2.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；
[0018] 3.采用差动形式的电容传感器可以改善非线性，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。
[0019] 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
[0020] 图1为本发明的一种基于差分式电容传感原理的转子高精度动平衡装置总体结构图；
[0021] 图2为本发明的差动电容式传感器支撑架的结构示意图；
[0022] 图3为本发明的电容式转子支撑架的结构示意图。
[0023] 附图1标记说明：1、底板；2、底座；3、电容式转子支撑架；4、滚轮；5、转子；6、电动机；7、导轨；8、鉴相传感器；9、滑轮；10、皮带；11、电机支架；12、传感器支架；13、矩形截面梁；14、支撑定框架；15、右电极；16、公共极；17、支撑动框架；18、左电极；19、滚轮支撑架；20、固定螺栓；21、滑块。
具体实施方式
[0024] 实施例1：
[0025] 如图1所示，本发明提供了一种基于差分式电容传感原理的转子高精度动平衡装置，包括底板1，所述底板1上沿X轴方向滑动连接有用于实现微弱不平衡振动提取的电容式转子支撑架3，电容式转子支撑架3上架设有转子5；所述底板1上还固定有与转子5联接并驱动转子5转动的龙门式转子驱动机构。
[0026] 本实施例通过差动电容式传感器的电容式转子支撑架，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；采用差动形式的电容传感器可以改善非线性，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。
[0027] 实施例2：
[0028] 参照图1，在实施例1的基础上，所述底板1上固定有底座2，底座2上固定有沿X轴方向的导轨7，所述电容式转子支撑架3与导轨7滑动连接且可固定于导轨上；所述电容式转子支撑架3的数量为2个，每个电容式转子支撑架3分别架设转子5的一端。
[0029] 所述龙门式转子驱动机构包括滑轮9、皮带10、电机支架11及电动机6，电动机6固定于电机支架11上，所述滑轮9包括滑轮一和滑轮二，滑轮一和滑轮二之间联接皮带10，所述皮带10的传动方向与转子5的轴向垂直，且皮带10按压于转子5表面，所述电动机6与滑轮一联接，电动机6通过驱动滑轮一带动皮带10驱动转子5旋转；龙门式带传动可以降低带传动过程的误差和传动过程中的抖动，提高精度。
[0030] 参照图2，所述电容式转子支撑架3包括支撑定框架14、支撑动框架17以及固定于支撑动框架17上端的用于架设转子5的滚轮4，滚轮4通过滚轮支撑架19固定于支撑动框架17上端。其中每个电容式转子支撑架3的滚轮4的数量为2个，且并排设置，2个滚轮4的轴线与转子5的轴线相互平行，转子5的一端架设于2个滚轮之间。支撑动框架17位于支撑定框架
14内，并与支撑定框架14通过矩形截面梁13固结在一起，从而限制支撑动框架17相对于支撑定框架14沿X轴方向产生相对移动；所述电容式转子支撑架3通过固定于支撑定框架14底部的滑块21与导轨7滑动连接，所述滑块21上设有可将滑块21固定于导轨7上的固定螺栓20(详见图3)；所述支撑动框架17由绝缘材料构成；绝缘材料为聚乙烯、环氧树脂或云母等材料。所述支撑定框架14的内部设有腔体，腔体内设有右电极15、公共极16以及左电极18，各电极均连接有贴于腔体侧壁的金属膜材，金属膜材为铝箔或铜箔；所述支撑动框架17的一部分位于构成电容极板的金属膜材之间；所述右电极15、公共极16和左电极18所连接的金属膜材，形成差动平板电容器的两极板；支撑动框架17在Z方向的移动改变了差动平板电容器的电容值，从而实现微弱不平衡振动的提取。
[0031] 如图2所示，所述腔体的具体结构及设置是：支撑定框架14内部的左右两侧各设有一个矩形腔体，该两个矩形腔体左右对称，且两个腔体相对的侧壁上均设有入口，其中左侧矩形腔体的左侧壁以及右侧矩形腔体的右侧壁上均贴有连接公共极16的金属膜材；两个矩形腔体相对的侧壁位于各自入口的上方部分均贴有连接右电极15的金属膜材；两个矩形腔体相对的侧壁位于各自入口的下方部分均贴有连接左电极18的金属膜材；所述支撑动框架17的左端，其结构是从左端腔体入口嵌入左边腔体内部的T型悬空体；所述支撑动框架17的右端，其结构是从右端腔体入口嵌入右边腔体内部的相同结构的T型悬空体。所述支撑动框架17的两个T型悬空体与各自腔体内的金属膜材之间的间隙均相等，左右两个腔体构成的电容的初始电容值C0＝ε0εr1L0b0/d0相同，其中ε0、εr1分别为空气介电常数和绝缘材料的介电常数，L0为公共极16连接的金属膜材的长度，ε0为空气介电常数，d0为连接左电极18或右电极15的金属膜材与所对应的公共极16连接的金属膜材之间的间距，b0为公共极16连接的金属膜材的宽度。两个腔体设成对称结构可以改善支撑动框架17在Y方向上的偏摆。
[0032] 用于完成初始相位采集的鉴相传感器8通过传感器支架12固定于底板1上，支架在Z方向上可以调节高度以适应动平衡要求。
[0033] 以下给出了本发明在工程实践中的具体实现过程：
[0034] 1.结构安装及固定
[0035] 将底座2至于底板1上，并通过螺栓固定；当确定待测转子的长度时，调整X方向的两支撑架之间的距离，两支撑架的位置由滑块的固定螺栓固定；差动电容式传感器内嵌于电容式转子支撑架里，被测转子放在电容式转子支撑架的滚轮上；伺服电动机与电机支架固定连接，通过带传动将电动机的转动传递到被测转子。
[0036] 2.动平衡检测
[0037] 1)电动机旋转，通过带传动带动被测转子的转动，转子的微幅振动可以直接传递给支撑动框架，绝缘栅的移动改变介电常数值，进而改变两极板间的电压；
[0038] 若电介质εr1＝1，则当电介质εr2未进入电容器两极板时，电容式传感器的初始电容为C0＝εε0 r1L0b0/d0。当电介质εr2进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为
[0039] 可见，电容量的变化与电介质εr2的移动量L成线性关系。其中L0为极板长度，ε0为空气介电常数，d0为极板间距，b0为极板长度；
[0040] 2)鉴相传感器8获得初始相位角，并与电容式传感器将所获得的数据传递给控制计算机，完成数据采集。
[0041] 综上，本发明包含转子支撑部分和龙门式转子驱动部分。转子支撑部分由支撑动框架与支撑定框架构成，滚轮固定在支撑动框架上，支撑动框架的由绝缘材料构成；支撑定框架贴金属膜材，从而形成差动平板电容器的两极板，支撑动框架的移动改变了平板电容器的电容值，从而实现微弱不平衡振动的提取；支撑定框架的滑块与导轨精密配合，且支撑定框架可在导轨上滑动，滑块的固定螺栓可以固定电容式转子支撑架在X方向位置，支撑动框架由矩形截面梁固结在支撑定框架上；支撑动框架与支撑定框架整体螺栓固定于电容式转子支撑架上；转子驱动机构部分的电动机固定在支架上，可通过皮带传动方式驱动不平衡转子旋转，龙门式结构可以减小装置传动的误差，从而提高装置的精度。
[0042] 与现有装置相比，本发明具有以下优点：
[0043] 1.本发明通过设计了新型的差动电容式传感器的电容式转子支撑架，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；
[0044] 2.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；
[0045] 3.采用差动形式的电容传感器可以改善非线性，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。
[0046] 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。
