专利名称：测量大型立轴摆度的方法及其设备的制作方法
技术领域：
本发明属于测量领域，尤其涉及一种测量立轴轴线摆度的方法及其所用的设备。
背景技术：
许多工业生产设备是通过旋转轴来进行能量转换的，轴线质量的好坏对设备寿命，运行效率，振动、噪声的大小等影响巨大。目前，常用的测量轴线的方法是盘车法，测量大型立轴摆度时无法手动盘车，需要机械盘车工具或电动盘车工具，器械笨重、造价昂贵，而且不能保证轴在各个方向受力均匀，也不能保证每次都使轴停在指定位置，因而测量误差很大，测量成本也很高。
发明内容
本发明所要解决的问题在于克服前述技术存在的上述缺陷，而提供的一种简单、准确的测量大型立轴摆度的新方法及其设备。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案来实现的依据本发明提供的一种测量大型立轴摆度的方法，它以如下的步骤实现a.提供一被测立轴；b.在所述被测立轴不同高度上设定两个测量点；c.测量并记录两个测量点的高程；d.在该被测立轴的四周等距离设定四个具有光滑水平表面的测量块；e.利用已知的轴顶与下测点间的距离、上、下细线的长度、两个测点间的距离、测量块与轴之间距离、测量块的高程；f.以第一个测量块及相应测量点为基准，百分表对″0″；g.依次移动测量位置到第二、三、四测量块进行测量；h.记录下百分表在所述测量块的数据；i.用前述测得参数，通过公式计算该被测立轴的摆度或相对摆度。
本发明解决其技术问题还可采取以下技术方案来实现前述的方法，其中已知两个测量点的高程时，省略c步骤，e步骤中还需利用轴半径。
前述的方法，其中a步骤提供的被测轴是组合立轴。
前述的方法，其中已知两个测量点的高程时，省略c步骤，e步骤还需利用轴半径和基准轴的摆度。
依据本发明提供的一种测量大型立轴摆度的设备，它包括一个具有平滑底座、以一个绕线轮与读数齿轮相连接的百分表，用于测量被测轴的线性特征；两个用细线连在一起，用于在被测轴上设置测量点的设备；其中百分表绕线轮上的绕线引出两个头与所述的设置测量点的设备相接；设置三至四个与被测轴四周等距离、具有光滑平面的测量块，用于架置百分表进行测试。
本发明解决其技术问题还可采取以下技术方案来实现前述的设备，其中所述百分表的两根引出线，其每一个线头有一个线扣，防止吞扣。
前述的设备，其中所述的百分表的绕线轮上的线是相向而绕的，引用椭圆性质测量计算。
前述的设备，其中所述的百分表的绕线轮上的线是同向而绕的，引用双曲线性质测量计算。
测量原理1 各测点、测量块高程通过测量得到对于单根立轴摆度测量，首先全面考虑可能对测量结果产生影响的各种因素，推导出通用公式，然后分具体情况进行简化。如图2，在k位置测量时，建立如下三维直角坐标系(x、y的方向随k变化)轴的理想回转中心线(测乙轴相对于甲轴的摆度时为甲轴的中心线)沿x轴的正方向平移R为z轴，k测量块Ck在xoz平面中的+x侧，0号下测点在xoy平面中，+y指向k+1(k＝3时为0)测量块。该坐标系中各点及其坐标、任何变量及其与k＝0时坐标系中相应变量的相对值，下标中均含有k，仅当k＝0时可省略，常量不带下标。例如ak＝zAk-zA，ak、zAk中的下标k不能�。瑉A省略了下标0；R、β不随k变化，为常量，故不带下标。
根据公式(2)、(3)可计算出B点的摆度和轴的倾斜方向，由式(4)可检验测量精度。如图2所示，设Ak(xAk，yAk，zAk)，Bk(xBk，yBk，zBk)，Ck(xCk，0，zCk)设xC＝m，zC＝n，|PB|＝H，|AB|＝h，|PkAk||PkBk|=tk,]]>|AkCk|＝Uk，|AkBk|＝Vk，Uk+Vk＝Lk记ack＝zAk-zCk-zA+zC，abk＝zAk-zBk-zA+zB，uk＝Uk-U，lk＝Lk-L易知αk＝α0-90°k，zA=h1-(1-t)2δ2≈h,]]>，zB＝0xAk＝R(cos(αk+β)-cosαk)+tkδkcosαk，yAk＝R(sin(αk+β)-sinαk)+tkδksinαkxBk＝R(cos(αk+β)-cosαk)+δkcosαk，yBk＝R(sin(αk+β)-sinαk)+δksinαkUk2-Vk2＝(xCk-xAk)2-(xCk-xBk)2+yAk2-yBk2+(zCk-zAk)2-(zCk-zBk)2＝(2xCk-xAk-xBk)(xBk-xAk)-(yAk+yBk)(yBk-yAk)+(zCk-zAk)2-(zCk-zBk)2≈2(xCk-R(cos(αk+β)-cosαk))(1-tk)δkcosαk-2R(sin(αk+β)-sinαk)(1-tk)δksinαk+(zCk-zAk)2-(zCk-zBk)2
≈2m(1-t)δcosαk-2R(1-t)δ(cos(αk+β)cosαk-cos2αk+sin(αk+β)sinαk-sin2αk)+(zCk-zAk)2-(zCk-zBk)2＝2m(1-t)δcosαk+2R(1-t)(1-cosβ)δ+(zCk-zAk)2-(zCk-zBk)2(Uk2-Vk2-U2+V2)≈2Luk-2Vlk＝2m(1-t)δ(cosαk-cosα)+(zCk-zAk)2-(zC-zA)2-(zCk-zBk)2+(zC-zB)2≈2m(1-t)δ(cosαk-cosα)-2(n-h)ack+2n(zBk-zCk-zB+zC)hmHδ(cosαk-cosα)=Luk-Vlk-hack+nabk---(1)]]>将k＝1、2、3代入(1)式可得δcosα=H2mac2+HV2mhl2-HL2hmu2-Hn2mhab2---(2)]]>δsinα=H2m(2ac1-ac2)+HV2mh(2l1-l2)-HL2mh(2u1-u2)-Hn2mh(2ab1-ab2)---(3)]]>L(u1-u2+u3)-V(l1-l2+l3)-h(ac1-ac2+ac3)+n(ab1+ab2+ab3)＝0(4)如图3测量D*B*轴相对于PB轴的摆度，B点摆度可由(2)(3)计算。设A*k(0，0，zAk*)，Bk*(xk*，yk*，zk*)，Ck*(xk*，0，zk*)各参数的含义与单根立轴测量时参数含义相对应。同理可得mδ*(cosαk*-cosα*)＝L*uk*-V*lk*-h*ack*+n*abk*(5)mδ*cosα*＝h*ac2*+V*l2*-L*u2*-n*ab2*(6)mδ*sinα*＝h*(2ac1*-ac2*)+V*(2l1*-l2*)-L*(2u1*-u2*)-n*(2ab1*-ab2*) (7)L*(u1*-u2*+u3*)-V*(l1*-l2*+l3*)-h*(ac1*-ac2*+ac3*)+n*(ab1*-ab2*+ab3*)＝0 (8)2 不需要测量各测点、测量块高程。
以上公式中的ack、abk、ack*、abk*均可分解为两部分，不妨分别称之为静态值、动态值，并记(静态值)＝动态值，其中静态值是指设置永久性测点、测量块时产生的误差，测量前就已知，是固定不变的；动态值是指由于轴本身倾斜所引起的误差，与轴的摆度有关。如果以上参数通过测量得到，各参数均已包含静态值和动态值，计算轴的摆度和相对摆度时，直接运用以上公式。
如果满足条件一在轴上设置了永久性测点；或条件二设置临时测点时能保证上、下各4个测点在轴的中心线的某个法平面中，并取消细线4。则不必测量各点高程，在运用以上公式时必须考虑各动态值。
如图4，直线MN、M*N*分别为上、下轴的中心线，两轴半径NBk、N*Bk*均为R，设|D*B*|＝H*，易知(zAk)＝(zBk)＝有向线段FkBk=|NBk||PkBk|δcosαk=RHδcosαk,]]>(zCk)＝0因此(abk)＝(zAk-zBk)-(zA-zB)＝0，(ack)′=(zAk-zA)′-(zCk-zC)′=RHδ(cosαk-cosα).]]>于是得到测量单根立轴摆度的公式δcosα＝r0u2+r1(9)δsinα＝r0(2u1-u2)+r2(10)L(u1-u2+u3)r3=1---(11)]]>其中r1=H2h(m+R)(hac2+Vl2-nab2),r2=H2h(m+R)[h(2ac1-ac2)+V(2l1-l2)-n(2ab1-ab2)]]]>r0=-HL2h(m+R),]]>r3＝(ac1-ac2+ac3)+V(l1-l2+l3)-n(ab1-ab2+ab2)均为常数。易知(zAk*)′=0,(zBk*)′=RH*δ*cosαk*,]]>故(abk*)′=(zAk-zA-zBk+zB)′=-RH*δ*(cosαk*-cosα*),]]>(zCk*)′=Tk*Ck-Gk*Ck≈Ek*Ck-Gk*Ck=-Gk*Ek*=-m+RHδcosαk]]>(ack*)′=(zAk*-zA*)′-(zCk*-zC*)′=m+RHδ(cosαk-cosα),]]>在公式(5)中加入动态值可得(m+n*RH*)δ*(cosαk*-cosα*)=L*uk*-V*lk*-h*ack*+n*abk*-h*Lhuk+h*h(Vlk-nabk)+h*ack]]>其中静态值ack*＝ack，于是可得以下计算相对摆度的公式δ*(cosα*-cosαk*)=H*mH*+n*R(h*Lhuk-L*uk*)+H*mH*+n*R(V*lk*-h*Vhlk+h*nhabk-n*abk*)]]>=2uk*+2sk]]>δ*cosα*＝u2*+s2(12)δ*sinα*＝(2u1*-u2*)+2s1-s2(13)u1*-u2*+u3*＝-(s1-s2+s3)sk(k＝1、2、3)为常数，一般易使之为0。
如果满足条件二，则abk*＝abk＝0，ack＝-(zCk-zC)本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果。
由以上技术方案可知，本发明在优异的结构配置下，至少有如下的优点无需笨重的盘车设备辅助，避免了由于使用盘车设备带来的影响测量精度的不利因素，降低了测量成本，提高测量精度，比现有技术有显著的技术进步、积极的效果且实用性强。
本发明的具体实施方式
由以下实施例及其附图详细给出。
图1是本发明设备的示意图；图2是单根立轴摆度计算图；图3是组合立轴相对摆度计算图；
图4是由于轴本身倾斜引起各测点、测量块高程变化的计算图。
具体实施例方式
以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提供的具体实施方式
、结构、特征及其功效，详细说明如后。
1.立轴摆度及组合立轴相对摆度测量前的准备工作工具及仪表准备如图1，一个经改进的百分表1，对外形结构稍作改变，以使百分表能在测量块上自由滑动(无旋转)，内部结构也需改动，取消常规百分表的直线一圆周运动的转换机构，以一个绕线轮(用旋转轴与读数齿轮装置相连)取而代之，百分表有两根较短的引出线，每个线头有一线扣，线扣外形尺寸大于引出口尺寸，采用两种不同的绕线方式分别应用于本发明的两个实施方案，一种是从线在绕线轮上的固定点相向而绕，要求上引出线增长时，表的读数增大，用于椭圆测量法；另一种是两根线同向而绕，要求外露细线的长度增长时，表的读数增大，用于双曲线测量方法，绕线圈数视轮径大小和百分表量程而定。两个用细线4连在一起，用于在被测轴上设置测量点的设备3，要求测量点在设备3上有一定的左右活动的余量，以便自动找正(可以证明对此要求不高)。两根细线2(细线2、4均要求弹性极小)。一套高程测量设备。如果在轴上设置了永久测量点，则不需要设备3、细线4、高程测量设备。
在轴的四周对称设置4干个等高程的测量块(图1中5)，要求上表面光滑水平，每个测量块离轴的距离基本相等，在大型立轴的四周一般都有圆形围墙，可在墙上设置永久性测量块，否则，可想他法或设置临时测量块。
2.测量立轴摆度及组合立轴相对摆度的方法椭圆测量方法和双曲线测量方法完全相同，只是所用的百分表和摆度计算公式中的L、L*不同。按照需要和不需要(通过采取措施或来自已知数据)测量各测点、测量块的高程可分为两种情况，每种情况又可分为测量单根立轴摆度和组合立轴相对摆度两种情况，如不需要测量各测点、测量块高程，相对摆度测量是在基准轴摆度已被测完后进行的。各种情况的测量方法基本一样，在简要介绍测量方法的同时，对公式中各参数、变量的含义进行具体说明，只是某些数据在这种情况中需要测量，而在另一种情况中是已知的或固定不变的，实际测量时可根据具体情况简化测量程序。假设在轴的四周已对称设置4个测量块，并且依次编号为0、1、2、3，为叙述方便起见，以下“k位置”是指对于在轴的上、下两处(组合立轴每轴一处)临时设置的k号上、下测量点，要求k测点在k测量块与轴中心线所确定的平面中；百分表在k测量块上。如果轴上设置了永久性测点，选择与k测量块相距近的上、下测点编号为k。R、H、U、V、h、m、n分别为轴半径，轴顶与下测点的距离，上、下细线2的长度，两测点间距离，测量块与轴的距离，下测点与测量块的高程差。
2.1在0位置将设备3固定在被测轴上，拉直细线2、4，百分表读数对“0”。上、下测点离轴表面的距离分别记为lA、lB，上测点与测量块之间的高程差为zA-zC，上、下测点间高程差为zA-zB。如测组合立轴相对摆度，两测点间一般有联轴法兰，其半径大于R，经分析可知，细线4跨过法兰仍能达到保证上、下两测点距离不变的目的。
2.2在k(1、2、3)位置进行同样的工作，各参数均加下标k，uk为百分表的读数，记lk＝(lAk+lBk)-(lA+lB)，一般可采取措施使之为0，abk＝(zAk-zBk)-(zA-zB)，如有细线4的作用，其值为0，ack＝(zAk-zCk)-(zA-zC)。
2.3根据相应公式计算摆度、相对摆度，并检验测量精度。
本发明的任务在于建立测量立轴摆度的简单、有效的新方法。实施方案有两种，一种是利用椭圆的性质，建立椭圆测量法；另一种是利用双曲线的性质，建立双曲线测量法。参照后面的公式，椭圆测量法取L＝U+V、L*＝U*+V*，双曲线测量法取L＝U-V、L*＝U*-V*。基本原理都是将所需测量的摆度转化为一些指定点的高程、一个百分表读数的线性关系，而在数米范围内测量两点之间的高程差可精确到0.01mm，通过采取某些措施又可省略部分或全部点的高程测量，由百分表读数可直接计算出所测摆度。
该方法主要用于测量大型立轴摆度及组合立轴的相对摆度，假设以甲轴(称为基准轴)中心线为回转中心线，乙轴上某点产生的摆度称乙轴在该点相对于甲轴的摆度，与甲轴延长线在该点的摆度之和即为该点的实际摆度(相对于理想回转中心线)。在这里所指的摆度、相对摆度包括摆度圆直径或半径及轴的倾斜方向。理论上只须从3个方位测量，便可求出被测轴的摆度或相对摆度，而实际对称设置4个测量块，其目的是用第4个来校验测量精度、利用该方法测量立轴摆度具有测量仪器结构简单、测量成本低、测量精度高等显著特点。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
权利要求
1.一种测量大型立轴摆度的方法，它以如下的步骤实现a.提供一被测立轴；b.在所述被测立轴不同高度上设定两个测量点；c.测量并记录两个测量点的高程；d.在该被测立轴的四周等距离设定四个具有光滑水平表面的测量块；e.利用已知的轴顶与下测点间的距离、上、下细线的长度、两个测点间的距离、测量块与轴之间距离、测量块的高程；f.以第一个测量块及相应测量点为基准，百分表对″0″；g.依次移动测量位置到第二、三、四测量块进行测量；h.记录下百分表在所述测量块的数据；i.用前述测得参数，通过公式计算该被测立轴的摆度或相对摆度。
2.如权利要求1所述的方法，其中已知两个测量点的高程时，省略c步骤，e步骤中还需利用轴半径。
3.如权利要求1所述的方法，其中a步骤提供的被测轴是组合立轴。
4.如权利要求3所述的方法，其中已知两个测量点的高程时，省略c步骤，e步骤还需利用轴半径和基准轴的摆度。
5.一种测量大型立轴摆度的设备，包括一个具有平滑底座、以一个绕线轮与读数齿轮相连接的百分表，用于测量被测轴的线性特征；两个用细线连在一起，用于在被测轴上设置测量点的设备；其中百分表绕线轮上的绕线引出两个头与所述的设置测量点的设备相接；设置三至四个与被测轴四周等距离并具有光滑平面的测量块，用于架置百分表进行测试。
6.如权利要求5所述的设备，其中所述百分表的两根引出线，其每一个线头有一个线扣，防止吞扣。
7.如权利要求5或6所述的设备，其中所述的百分表的绕线轮上的线是相向而绕的，引用椭圆性质测量计算。
8.如权利要求5或6所述的设备，其中所述的百分表的绕线轮上的线是同向而绕的，引用双曲线性质测量计算。
全文摘要
一种测量大型立轴摆度的方法，包括在被测立轴上设定两个测量点；测量两个测量点的高程；在该被测轴的四周设定四个具有光滑水平表面的测量块；依次移动测量位置进行测量；记录下百分表在测量块的数据；用前述测得参数，通过公式计算该被测立轴的摆度或相对摆度。本发明的设备，是一个具有平滑底座、以一个绕线轮与读数齿轮相连接的百分表；两个用细线连在一起，用于在被测轴上设置测量点的设备；其中百分表绕线轮上的绕线引出两个头与设置测量点的设备相接；设置与被测轴四周、具有光滑平面的测量块，用于架置百分表进行测试。无需笨重的盘车设备辅助，避免了由于使用盘车设备带来的影响测量精度的不利因素，降低测量成本，提高测量精度。
文档编号G01M99/00GK1455237SQ0211698
公开日2003年11月12日 申请日期2002年4月29日 优先权日2002年4月29日
发明者李正才 申请人:李正才
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
