一种温度变化工况下零件的质心位移监测装置及方法

摘要

本发明公开了一种温度变化工况下零件的质心位移监测装置及方法，属于制造质量预测与控制技术领域，该装置包括：底板、框架、垫片、两个位移传感器及两块压板；框架的水平部分安装在底板的中部；轴类零件的两端分别安装在框架的两个竖直部分上端面的半圆弧状凹槽中，两块压板的半圆弧状凹槽分别安装在轴类零件的两端；框架的一个竖直部分所在端的底面与底板之间安装有垫片；两个位移传感器分别安装在底板的两端，并分别位于框架的两侧；本发明能够实时监测轴类零件的质心在加载载荷的工况下随温度变化时的位移。

权利要求

1.一种温度变化工况下零件的质心位移监测装置，其特征在于，包括：底板(2)、框架(5)、垫片、两个位移传感器(1)及两块压板(7)；

所述框架(5)为U型架，其水平部分的上下表面中部相对位置分别设有两个半圆弧状缺口，U型架的两个竖直部分的上端面分别设有半圆弧状凹槽，用于安装待测量的轴类零件；

所述压板(7)的下表面设有用于安装轴类零件的半圆弧状凹槽；

整体连接关系如下：框架(5)的水平部分安装在底板(2)的中部；轴类零件的两端分别安装在框架(5)的两个竖直部分上端面的半圆弧状凹槽中，两块压板(7)的半圆弧状凹槽分别盖装在轴类零件的两端后，通过马达轴紧固螺钉(3)固定在框架(5)的两个竖直部分上端面，将轴类零件压紧固定；框架(5)的一个竖直部分所在端的底面与底板(2)之间安装有垫片，使轴类零件的两端具有高度差，即轴类零件的轴线不在水平状态；

两个位移传感器(1)分别安装在底板(2)的两端，并分别位于框架(5)的两侧，且两个位移传感器(1)分别与框架(5)的距离相等，用于测量位移传感器(1)与轴类零件端面之间的距离。

2.如权利要求1所述的一种温度变化工况下零件的质心位移监测装置，其特征在于，所述位移传感器(1)采用非接触式位移传感器。

3.如权利要求1所述的一种温度变化工况下零件的质心位移监测装置，其特征在于，马达轴紧固螺钉(3)中的预紧力通过扭矩扳手控制到设定值。

4.如权利要求1所述的一种温度变化工况下零件的质心位移监测装置，其特征在于，所述压板(7)的下表面与框架(5)的两个竖直部分上端面不接触。

5.一种温度变化工况下零件的质心位移监测方法，基于权利要求1所述的装置，其特征在于，该方法步骤如下：第一步，通过扭矩扳手控制轴类零件两端的马达轴紧固螺钉(3)的预紧力为设定值；

第二步，将所述装置放置在恒温恒湿试验箱之中，并使恒温恒湿试验箱内的温度按照设定规律变化后，通过与位移传感器(1)电性连接的计算机记录两个位移传感器(1)的实时数据；

第三步，根据第二步得到的两个位移传感器(1)的数据计算轴类零件随温度变化时任意时刻t的质心位移测量值S(t)＝|(ΔL1-ΔL4)/2|，其中，ΔL1为左侧位移传感器(1)在任意时刻t的测量值与初始时刻测量值的差值，ΔL4为右侧位移传感器(1)在任意时刻t的测量值与初始时刻测量值的差值。

6.如权利要求5所述的一种温度变化工况下零件的质心位移监测方法，其特征在于，引入不确定度C，质心位移的实际值S′(t)＝S(t)±C，所述不确定度C等于非接触式位移传感器(1)自身引起的测量不确定度与安装误差引起的测量不确定度之和。

说明书

一种温度变化工况下零件的质心位移监测装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于制造质量预测与控制技术领域，具体涉及一种温度变化工况下零件的质心位移监测装置及方法。

背景技术

[0002] 对于高精密零件，在装配之后零件的质心位置可能会随着时间、载荷和温度的变化而发生变化，而这种变化会对高精密零件产生很重要的影响，如在陀螺仪表中陀螺飞轮质心的稳定性是非常重要的，一般都要求在亚微米的水平内，导航用的高精度陀螺仪表对陀螺飞轮质心的稳定性要求则更加严格，希望达到数十个纳米级以内，由此看来，监测精密零件的质心位移变化是相当重要的。

[0003] 对于材料均匀的结构件，其质心位置的测量方法很多。如三坐标测量机，使用三坐标测量机对零件表面的特征点进行测量，获得零件的实际姿态，从而推算出质心的具体位置；如数字图像识别方法，使用数字图像识别方法，通过对两帧相似图像进行对比，获得测量目标之间的平移运动量；如使用测量结构自身的响应特性对质心位置进行测量的，有人通过对电机的测量位置磁通量相位与固定位置的磁通量相位进行对比，获得了电机转子的实际质心位置。上述测量方法有如下缺点：三坐标测量机体积庞大，必须将测量件放置在其专属的测量平台上测量，不能给测量件施加温度载荷，也不能进行实时测量；数字图像识别方法受到图像处理算法和光学衍射极限的影响。

发明内容

[0004] 有鉴于此，本发明的目的是提供一种温度变化工况下零件的质心位移监测装置及方法，能够实时监测轴类零件的质心在加载载荷的工况下随温度变化时的位移。

[0005] 本发明是通过下述技术方案实现的：

[0006] 一种温度变化工况下零件的质心位移监测装置，包括：底板、框架、垫片、两个位移传感器及两块压板；

[0007] 所述框架为U型架，其水平部分的上下表面中部相对位置分别设有两个半圆弧状缺口，U型架的两个竖直部分的上端面分别设有半圆弧状凹槽，用于安装待测量的轴类零件；

[0008] 所述压板的下表面设有用于安装轴类零件的半圆弧状凹槽；

[0009] 整体连接关系如下：框架的水平部分安装在底板的中部；轴类零件的两端分别安装在框架的两个竖直部分上端面的半圆弧状凹槽中，两块压板的半圆弧状凹槽分别盖装在轴类零件的两端后，通过马达轴紧固螺钉固定在框架的两个竖直部分上端面，将轴类零件压紧固定；框架的一个竖直部分所在端的底面与底板之间安装有垫片，使轴类零件的两端具有高度差，即轴类零件的轴线不在水平状态；

[0010] 两个位移传感器分别安装在底板的两端，并分别位于框架的两侧，且两个位移传感器分别与框架的距离相等，用于测量位移传感器与轴类零件端面之间的距离。

[0011] 进一步的，所述位移传感器采用非接触式位移传感器。

[0012] 进一步的，马达轴紧固螺钉中的预紧力通过扭矩扳手控制到设定值。

[0013] 进一步的，所述压板的下表面与框架的两个竖直部分上端面不接触。

[0014] 一种温度变化工况下零件的质心位移监测方法，基于上述装置，该方法步骤如下：

[0015] 第一步，通过扭矩扳手控制轴类零件两端的马达轴紧固螺钉的预紧力为设定值；

[0016] 第二步，将所述装置放置在恒温恒湿试验箱之中，并使恒温恒湿试验箱内的温度按照设定规律变化后，通过与位移传感器电性连接的计算机记录两个位移传感器的实时数据；

[0017] 第三步，根据第二步得到的两个位移传感器的数据计算轴类零件随温度变化时任意时刻t的质心位移测量值S(t)＝|ΔL1-ΔL4)/2|，其中，ΔL1为左侧位移传感器在任意时刻t的测量值与初始时刻测量值的差值，ΔL4为右侧位移传感器在任意时刻t的测量值与初始时刻测量值的差值。

[0018] 进一步的，引入不确定度C，质心位移的实际值S′(t)＝S(t)±C，所述不确定度C等于非接触式位移传感器自身引起的测量不确定度与安装误差引起的测量不确定度之和。

[0019] 有益效果：本发明通过监测轴类零件两端的位移来获得轴类零件的质心位移，能够实现对高精密零件的质心位移的实时监测。

附图说明

[0020] 图1为本发明的结构组成示意图；

[0021] 图2为本发明的框架和马达轴的装配示意图；

[0022] 图3为底板的示意图；

[0023] 图4为框架的示意图；

[0024] 图5为马达轴的示意图；

[0025] 图6为压板的示意图；

[0026] 图7为马达轴质心计算示意图；

[0027] 图8为本发明的测量结果示意图；

[0028] 其中，1-位移传感器，2-底板，3-马达轴紧固螺钉，4-框架紧固螺钉，5-框架，6-马达轴，7-压板。

具体实施方式

[0029] 下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

[0030] 实施例1：

[0031] 本实施例提供了一种温度变化工况下精密零件的质心位移监测装置，参见附图1和2，包括：底板2、框架5、垫片、两个位移传感器1及两块压板7；本实施例中待测量的轴类零件为马达轴6；

[0032] 所述位移传感器1采用非接触式位移传感器；

[0033] 参见附图4，所述框架5为U型架，其水平部分的上下表面中部相对位置分别设有两个半圆弧状缺口，所述两个半圆弧状缺口用于使框架5容易发生微量形变；U型架的两个竖直部分的上端面分别设有半圆弧状凹槽，用于安装马达轴6；

[0034] 参见附图5，所述马达轴6为圆柱状结构；

[0035] 参见附图6，所述压板7的下表面设有用于安装马达轴6的半圆弧状凹槽；

[0036] 整体连接关系如下：框架5水平部分通过框架紧固螺钉4安装在底板2的中部；马达轴6的两端分别安装在框架5的两个竖直部分上端面的半圆弧状凹槽中，两块压板7的半圆弧状凹槽分别盖装在马达轴6的两端后(压板7的半圆弧状凹槽与框架5上端面的半圆弧状凹槽相对)，通过马达轴紧固螺钉3固定在框架5的两个竖直部分上端面，将马达轴6压紧固定，在此过程中，通过扭矩扳手控制马达轴紧固螺钉3的预紧力；其中，压板7的下表面与框架5的两个竖直部分上端面不接触；框架5的一个竖直部分所在端的底面与底板2之间安装有垫片，使马达轴6的两端具有高度差，即马达轴6的轴线不在水平状态，由此使得在温度变化时，马达轴6的质心发生位移；

[0037] 两个位移传感器1分别通过螺钉安装在底板2的两端，并分别位于框架5的两侧，且两个位移传感器1分别与对应的框架5的两个竖直部分的距离相等，用于测量位移传感器1与马达轴6端面之间的距离；在本实施例中，采用两个结构相同的位移传感器1，由于需保证两个位移传感器1的测量端位于同一高度，参见附图3，底板2设有一个以上台阶面，两个位移传感器1通过安装在底板2上的两个不同台阶面处，使得两个位移传感器1的测量端位于同一高度。

[0038] 实施例2：

[0039] 本实施例提供了一种基于实施例1装置的温度变化工况下精密零件的质心位移监测方法，该方法步骤如下：

[0040] 第一步，将实施例1中的装置装配完毕，其中，通过扭矩扳手控制马达轴6两端的马达轴紧固螺钉3的预紧力为400N，即加载状态为400N的载荷；

[0041] 第二步，将第一步中的装置放置在恒温恒湿试验箱之中；

[0042] 第三步，使恒温恒湿试验箱内的温度按照0℃-40℃-0℃(即从0℃逐渐升高到40℃，再逐渐降低到0℃的过程)的方式变化，并通过与位移传感器1电性连接的计算机记录两个位移传感器1的实时数据；

[0043] 第四步，根据第三步得到的两个位移传感器1的数据计算马达轴6随温度变化时的质心位移，计算方法如下：

[0044] 参见附图7，设定左侧的位移传感器1距离马达轴6左端面的距离(即左侧的位移传感器1的测量值)为L1，右侧的位移传感器1距离马达轴6右端面的距离(即右侧的位移传感器1的测量值)为L4，马达轴6左端面到其质心的距离为L2，马达轴6右端面到其质心的距离为L3，左侧的位移传感器1距离马达轴6质心的距离为L5，即L5＝L1+L2，右侧的位移传感器1距离马达轴6质心的距离为L6，即L6＝L3+L4；

[0045] 在恒温恒湿试验箱内的温度变化时，底板2、框架5和马达轴6均会发生形变，且ΔL5＝ΔL1+ΔL2，ΔL6＝ΔL3+ΔL4，其中，ΔL1为左侧位移传感器1在任意时刻t的测量值与初始时刻测量值的差值，即左侧位移传感器1的测量值的变化量，ΔL4为右侧位移传感器1在任意时刻t的测量值与初始时刻测量值的差值，即右侧位移传感器1的测量值的变化量，ΔL2为马达轴6左端面到其质心的距离的变化量，ΔL3为马达轴6右端面到其质心的距离的变化量，ΔL5为左侧的位移传感器1距离马达轴6质心的距离的变化量，ΔL6为右侧的位移传感器1距离马达轴6质心的距离的变化量；

[0046] 则马达轴6任意时刻t的质心位移测量值为S(t)，

[0047] S(t)＝|ΔL2-ΔL3)/2|

[0048] ＝|((ΔL5-ΔL1)-(ΔL6-ΔL4))/2|

[0049] ＝|((ΔL5-ΔL6)-(ΔL1-ΔL4))/2|

[0050] 当两个位移传感器1分别与框架5的距离相等，并忽略安装误差，即L5＝L6时，则ΔL5＝ΔL6，此时，S(t)＝|ΔL1-ΔL4)/2|；

[0051] 因此，得到马达轴6任意时刻t的质心位移测量值S(t)的曲线图，参见附图8，当温度为40°时，S(t)为6.061μm，6.022μm，6.021μm，……。

[0052] 由于忽略了所述安装误差和非接触式位移传感器1自身引起的测量误差，使得质心位移测量值S(t)＝|ΔL1-ΔL4)/2|的实验结果具有不确定度C，因此，质心位移的实际值S′(t)＝S(t)±C，所述不确定度C等于非接触式位移传感器1自身引起的测量不确定度C1与安装误差引起的测量不确定度C2之和；

[0053] 非接触式位移传感器1的测量不确定度C1由其线性度和温度特性引起；非接触式位移传感器1的线性度为0.02％·F.S，温度特性为0.01％·F.S.℃-1；在第一步至第三步的工况中，温度变化量为40℃，测量最大值为10μm，故非接触式位移传感器1自身引起的测量不确定度C1为：

[0054] C1＝1·10-5m×0.02％+1·10-5m×40℃×0.01％℃-1＝4.2·10-8m＝0.042μm；

[0055] 马达轴6的测量不确定度C2由热膨胀不均匀引起；按照45钢的线胀系数1.15×10-5℃-1计算，0.1mm的安装误差带来的测量不确定度C2为：

[0056] C2＝1·10-4m×1.15·10-5℃-1×40℃＝4.6·10-8m＝0.046μm；

[0057] 因此，实验结果具有不确定度C为：

[0058] C＝C1+C2＝0.042μm+0.046μm＝0.088μm。

[0059] 综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。