張 榮,王 玨,周繼昆,張 毅,鄭 敏

(中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621900)

精密離心機(jī)動態(tài)半徑的定位測量技術(shù)研究

張 榮,王 玨,周繼昆,張 毅,鄭 敏

(中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621900)

精密離心機(jī)動態(tài)半徑是影響精密離心機(jī)輸出加速度精度的主要參數(shù)；對于高精度精密離心機(jī)的研制，必須對動態(tài)半徑進(jìn)行精密測量，并將測量結(jié)果作為補(bǔ)償分量加入到精密離心機(jī)輸出加速度修正數(shù)學(xué)模型中，以獲得精確的加速度信號，同時為精密離心機(jī)輸出加速度的精確評定奠定基礎(chǔ)；文章介紹了精密離心機(jī)動態(tài)半徑的外基準(zhǔn)定位測試技術(shù)，包括多個定位平臺的定位測試技術(shù)論證、測試系統(tǒng)配置等；該方法已應(yīng)用于某高精度精密離心機(jī)動態(tài)半徑測量中，實測結(jié)果表明，采用這種測量方法，動態(tài)半徑的測量標(biāo)準(zhǔn)差為σ=0.21 μm，其測量精度滿足高精度精密離心機(jī)研制的技術(shù)指標(biāo)要求。

精密離心機(jī)；動態(tài)半徑；定位測量；外基準(zhǔn)

0 引言

精密離心機(jī)動態(tài)半徑是精密離心機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)，在10—6以上量級精密離心機(jī)研制中，需精確測量離心機(jī)動態(tài)半徑，并將動態(tài)半徑加入精密離心機(jī)輸出加速度數(shù)學(xué)模型[1]中，以得到高精度的加速度信號輸出。在10—6量級精密離心機(jī)研制中，精密離心機(jī)動態(tài)半徑ΔR測量標(biāo)準(zhǔn)不確定度達(dá)0.3～0.6 μm，高精度測試指標(biāo)對測試技術(shù)要求很高，本文在調(diào)研國內(nèi)外動態(tài)半徑測試技術(shù)基礎(chǔ)上，提出利用外基準(zhǔn)定位測試技術(shù)，采用電容測微儀和變采樣率測試法，實現(xiàn)高精度精密離心機(jī)上四個定位平臺的動態(tài)半徑精確測量，達(dá)到了項目要求的半徑測試精度技術(shù)指標(biāo)。本文詳細(xì)介紹動態(tài)半徑定位測試方案，包括定位測試技術(shù)理論論證、測試系統(tǒng)配置與試驗測試驗證等內(nèi)容。

1 動態(tài)半徑ΔR的測試方案

調(diào)研表明，精密離心機(jī)動態(tài)半徑ΔR尚無統(tǒng)一測量方法，測量基準(zhǔn)分內(nèi)基準(zhǔn)與外基準(zhǔn)兩類，測量方式又分接觸式和非接觸式兩類。內(nèi)基準(zhǔn)測試是將動態(tài)半徑測試系統(tǒng)安裝在離心機(jī)轉(zhuǎn)盤上隨離心機(jī)同步轉(zhuǎn)動，測試系統(tǒng)非常復(fù)雜；外基準(zhǔn)測試是將動態(tài)半徑測試系統(tǒng)安裝在離心機(jī)機(jī)體外，測試更容施行。內(nèi)基準(zhǔn)測試假定基準(zhǔn)為離心機(jī)主軸的理想旋轉(zhuǎn)中心，不考慮主軸回轉(zhuǎn)誤差引起轉(zhuǎn)盤半徑的變化，而外基準(zhǔn)是以傳感器安裝支架為基準(zhǔn)，測試結(jié)果包含主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差e，對于10-6量級精密離心機(jī)，當(dāng)e遠(yuǎn)小于ΔR時，可不考慮e對動態(tài)半徑的影響，否則需將e補(bǔ)償?shù)絼討B(tài)半徑中，本文介紹的離心機(jī)主軸回轉(zhuǎn)誤差為實測為0.2 μm，故不考慮主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差對動態(tài)半徑測試帶來的影響。表1[2]是國內(nèi)外精密離心機(jī)動態(tài)半徑測試主要方法，由表1可知，美國在10-6量級的精密離心機(jī)動態(tài)半徑測試時主要采用電容測微儀與外基準(zhǔn)測試法。參考美國精密離心機(jī)動態(tài)半徑測試方法，結(jié)合本項目研制的盤式精密離心機(jī)，在項目中采用外基準(zhǔn)+電容測微儀非接觸方式測量精密離心機(jī)動態(tài)半徑ΔR。外基準(zhǔn)選擇為大地，動態(tài)半徑ΔR相對于大地坐標(biāo)系。

表1 各型精密離心機(jī)動態(tài)半徑測試方法表

建立外基準(zhǔn)利用電容測微儀直接對準(zhǔn)精密離心機(jī)上的定位平臺邊緣測試其徑向半徑變化時，受機(jī)械加工能力限制，平臺邊緣無法做到精密加工，其形狀誤差通常為道級，這使得動態(tài)半徑測試結(jié)果中包含平臺邊緣形狀誤差ΔS,如圖1所示。

圖1 理想轉(zhuǎn)盤與實際轉(zhuǎn)盤的動態(tài)半徑測試示意圖

對于理想定位平臺不考慮其邊緣形狀誤差，采用電容測微儀直接測量平臺的徑向變化量，電容測微儀安裝好后，在離心機(jī)靜止或在ωg下轉(zhuǎn)動時，認(rèn)為定位平臺不存在半徑變化，對電容測微儀的初值作多次采集并平均得R1，再在穩(wěn)定的ω下采集多周數(shù)據(jù)并平均得到R2，則動態(tài)半徑ΔR可由式(1)確定。

(1)

若考慮平臺邊緣形狀誤差ΔS，對平臺全周采集N點，每點對應(yīng)的形狀誤差為ΔSi。

(2)

(i=1,2,…N)，若滿足式(2)，則測試數(shù)據(jù)多周平均處理后測量結(jié)果中包含的平臺邊緣形狀誤差對測量結(jié)果影響可忽略，但實際上平臺邊緣形狀誤差未知，本項目中轉(zhuǎn)盤半徑為1 m，在機(jī)械加工時精密控制其上四個定位平臺邊緣形狀誤差是困難的，此形狀誤差為道級，對于10-6量級的精密測量，應(yīng)考慮平臺形狀誤差對動態(tài)半徑測量的影響，需采用創(chuàng)新技術(shù)途徑消除形狀誤差對測量結(jié)果的影響，定位測量法就是在這種需求下提出的。因此，在本項目中，采用定位測試法測量精密離心機(jī)定位平臺的動態(tài)半徑ΔR。

1.1 動態(tài)半徑測試總體方案

該精密離心機(jī)上設(shè)計有四個加速度計測試安裝工位(定位平臺)，為測量精密離心機(jī)運行時因離心力和溫度變化等因素引起的加速度計輸入軸方向的動態(tài)伸長量Ra，在定位平臺外邊緣安裝單只電容測微儀進(jìn)行定位測試，電容測微儀通過固接在地基上的安裝支架固定，測試如圖2所示。

圖2 定位平臺徑向伸長量Ra測試方案

圖2中，精密離心機(jī)上設(shè)計的四個定位平臺尺寸不全相同，其中工位2、工位3、工位4定位平臺尺寸完全一致，工位1定位平臺沿轉(zhuǎn)盤圓周方向的尺寸wb大于其他3個工位定位平臺在圓周方向的尺寸wa，這樣設(shè)計有利于定位測量中判斷Ra的一周測試數(shù)據(jù)中哪部分?jǐn)?shù)據(jù)對應(yīng)哪只待標(biāo)檢的加速度計輸入軸向的半徑變化量。采用單只電容測微儀進(jìn)行測試是為了減小Ra的測量不確定度，若在轉(zhuǎn)盤的180°方向再對稱安裝一只電容測微儀測量Ra，則Ra的測量不確定度為兩只電容測微儀的測量不確定度合成，增大了動態(tài)半徑ΔR的測量不確定度，不利于總體指標(biāo)的實現(xiàn)。

1.2 動態(tài)半徑定位測量理論分析

精密離心機(jī)轉(zhuǎn)動時對電容測微儀信號進(jìn)行采集，當(dāng)四個工位定位平臺分別對準(zhǔn)電容測微儀時，測微儀進(jìn)入有效測試區(qū)，當(dāng)四個定位平臺分別離開電容測微儀時，電容測微儀超量程進(jìn)入飽和工作區(qū)并輸出5 V固定電壓信號，根據(jù)5 V固定電壓信號結(jié)合各定位平臺物理長度可定位出那段半徑有效測試數(shù)據(jù)對應(yīng)那個定位平臺。設(shè)Pa為電容測微儀測得的原始數(shù)據(jù)，其中四個工位定位平臺的徑向測量原始數(shù)據(jù)分別設(shè)為Pa1、Pa2、Pa3、Pa4，離心機(jī)轉(zhuǎn)動一周的理論測試波形如圖3所示。

圖3 四工位定位平臺徑向伸長定位測量理論波形

圖3中，因工位1定位平臺外緣圓周長度大于其他3個定位平臺外圓周長，理論上工位1定位平臺的有效測試數(shù)據(jù)長度應(yīng)大于其他3個工位定位平臺的有效測試數(shù)據(jù)長度，通過設(shè)定閾值，利用軟件可搜索出Pa1、Pa2、Pa3、Pa4區(qū)域的數(shù)據(jù)分別作為穩(wěn)定轉(zhuǎn)速ω下各定位平臺的徑向尺寸測試原始數(shù)據(jù)。在ω1、ω2兩種不同的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下，可測得兩組原始數(shù)據(jù)，兩組數(shù)據(jù)相減即得各定位平臺在兩種轉(zhuǎn)速下的相對徑向伸長量Ra1、Ra2、Ra3、Ra4。為驗證電容測微儀是否輸出定位信號，在10-5級精密離心機(jī)上開展挖槽定位測量驗證試驗，測得電容測微儀輸出波形如圖4所示。

圖4 利用電容測微儀和凹槽開展定位測量驗證實測信號圖

圖4中的平坦信號代表凹槽對準(zhǔn)電容測微儀時電容測微儀超量程工作輸出幅值為5 V的定位信號，凹槽間的部分為有效測試數(shù)據(jù)。從圖4可知，電容測微儀從超量程轉(zhuǎn)入有效測試區(qū)信號的邊沿陡峭，凹槽定位信號明確，定位測試方案可行。

1.3 消除定位平臺外緣形狀誤差理論分析

在原始測量值Pai(i=1,2...N)中既包含定位平臺徑向伸長量Ra，也包括定位平臺外緣加工形狀誤差ΔS，為消除定位平臺外緣形狀誤差ΔS對測量結(jié)果影響，采用測點位置對齊測試法，測點位置對齊測試法認(rèn)為在某穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速ω下定位平臺外緣形狀不變，將轉(zhuǎn)盤全周等角分為N個測點區(qū)域，在任何穩(wěn)定轉(zhuǎn)速ω下，對轉(zhuǎn)盤全周均只采集N個測點，只要高低g值下同一測點Ti相對電容測微儀的測試區(qū)域是對齊的，則可通過兩次數(shù)據(jù)采集，對高低g值下同一測點Ti的兩次測量信號相減，分離掉測點Ti處的形狀誤差。前期技術(shù)方案研究表明，當(dāng)精密離心機(jī)在高g值下的轉(zhuǎn)速ω穩(wěn)定度達(dá)10-7和1g下轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度達(dá)10-4時，利用精密離心機(jī)的Z相脈沖作為采集觸發(fā)信號，高低g值下同一測點因角速度波動引起測點在圓周方向上的偏移量為0.76 μm[3]，此偏移量不會引起電容測微儀的顯著變化，因此高低g值下同一測點的形狀誤差在總測量值中的分量是相同的，故采用高、低g值下的測試信號相減即可實現(xiàn)消除定位平臺形狀誤差，又可實現(xiàn)定位平臺徑向伸長量的測量，測試系統(tǒng)具體設(shè)計時需根據(jù)上述理論確定采樣頻率fs、采樣點數(shù)N、觸發(fā)設(shè)計。

1.4 定位平臺徑向伸長量Ra的測量總體設(shè)計方案

圖5 Ng相對1 g下的定位平臺徑向伸長量測量示意圖

1.5 定位平臺圓弧長度wa、wb設(shè)計

設(shè)精密離心機(jī)的最大轉(zhuǎn)速為ωmax，以弧度/秒為單位，精密離心機(jī)名義半徑為R，電容測微儀的頻響上限為fc，為使電容測微儀穩(wěn)定測量定位平臺區(qū)域內(nèi)的信號，則定位平臺在圓周方向的長度對應(yīng)的最小時間tmin應(yīng)大于或等于1/fc，對于最大轉(zhuǎn)速ωmax，則有：

(3)

(4)

對于本臺精密離心機(jī)，其名義半徑R=1 m，設(shè)電容測微儀的頻響上限為8 kHz，離心機(jī)輸出加速度為1 g～100 g，則為在100 g下檢測到定位區(qū)域，長度w至少為：

(5)

由于定位平臺的徑向伸長量應(yīng)為多點數(shù)據(jù)的平均，對于全周采集N個點，設(shè)工位1定位平臺的有效測試數(shù)據(jù)點數(shù)N1=30,為確保分辨工位1與其他工位的測試數(shù)據(jù)，設(shè)其他工位定位平臺的有效測試數(shù)據(jù)點數(shù)N2=N3=N4=20，這樣可保證10個有效數(shù)據(jù)寬度的分辨率，則工位1定位平臺外圓弧長wa=30×3.91=11.7 cm，其他工位定位平臺外圓弧長wb=20×3.91=7.82 cm，工程設(shè)計時可根據(jù)精密離心機(jī)半徑R作對應(yīng)的調(diào)整。

2 測試系統(tǒng)設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)組成如圖6所示。

圖6 動態(tài)半徑測量信號采集與傳輸示意圖

圖6中，電容測微儀作為獲取信號始端位于精密離心機(jī)主機(jī)所在工號內(nèi)，而信號二級放大器DT6530[4]以及數(shù)據(jù)采集卡PXI-4462[5]位于測控間，兩者之間距離為20 m，為提高動態(tài)半徑測量精度，在電容測微儀附近增加信號預(yù)放大器CP6001[4]，增加信號傳輸距離，預(yù)放大的信號通過二級放大器DT6530補(bǔ)償放大后，輸出0～10 V(代表0～250 μm)信號，送入高精度數(shù)據(jù)采集卡PXI-4462進(jìn)行采集。

為對精密離心機(jī)的各定位平臺進(jìn)行定位采集，采用精密離心機(jī)主軸上的光柵編碼器Z相脈沖信號作為采集觸發(fā)信號，當(dāng)精密離心機(jī)處于各高度穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時，各定位平臺在高低轉(zhuǎn)速下的信號采樣區(qū)域始終保持相同，可確保高精度定位測試的技術(shù)實現(xiàn)。其中，為了高轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)定觸發(fā)，在觸發(fā)系統(tǒng)中增設(shè)信號展寬電路，其作用是將Z脈沖信號寬度放大一倍，增加觸發(fā)信號的可靠性。

考慮到減少測試系統(tǒng)的噪聲，采用連續(xù)采集多圈數(shù)據(jù)平均的方法消除隨機(jī)噪聲，在系統(tǒng)中增加了NI PXI-6602[6-7]高速計數(shù)器模塊，利用該計數(shù)器對光柵編碼器Z相脈沖展寬信號進(jìn)行計數(shù)，當(dāng)采集持續(xù)到設(shè)定的圈數(shù)后，計數(shù)器停止并復(fù)位，采集任務(wù)自動結(jié)束，開始后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

2.2 內(nèi)時鐘變采樣定位測試關(guān)鍵技術(shù)

為確保測點定位采集精度，PXI-4462多功能數(shù)采卡采用

內(nèi)部時鐘作為采集時鐘，采用動態(tài)變采樣模式，采樣頻率fs取決于電容測微儀頻響fc、轉(zhuǎn)盤全周的采樣點數(shù)N以及精密離心機(jī)的轉(zhuǎn)速ω三個因素。三者關(guān)系如式(6)～式(7)所示。

在穩(wěn)定轉(zhuǎn)速ω下，設(shè)在轉(zhuǎn)盤全周采集N個點，則采樣頻率fs由下式確定：

(6)

由上式可知，N值不變時，采樣頻率fs應(yīng)隨不同的轉(zhuǎn)速ω變化。設(shè)電容測微儀的頻響為fc，為使電容測微儀采集到有效信號，設(shè)離心機(jī)轉(zhuǎn)動頻率為rpm/min，則N應(yīng)由下式確定，N取整數(shù)：

(7)

本項目中電容測微儀截止頻率為8 kHz，令N值為1 600，則轉(zhuǎn)盤圓周將被等分為1 600點，轉(zhuǎn)盤的最大轉(zhuǎn)動頻率為5 Hz，則fs=8 kHz，當(dāng)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動頻率為1 Hz，則采樣頻率應(yīng)設(shè)為1.6 kHz，依次類推。

3 動態(tài)半徑測量結(jié)果

按照定位測試法開展了多次動態(tài)半徑的測量，獲取了精密離心機(jī)4個定位平臺的動態(tài)半徑測量原始值，某次典型測試的1#定位平臺動態(tài)半徑測量原始值如表2所示，動態(tài)半徑隨g值變化如圖7所示。

表2 1#定位平臺動態(tài)半徑測量原始值表

圖7 1#定位平臺動態(tài)半徑隨g值的變化趨勢圖

由圖7可知，1#動態(tài)半徑隨g值的變化基本呈線性關(guān)系，后續(xù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對測量不確定度進(jìn)行評估，測量標(biāo)準(zhǔn)不確定度為σ=0.21 μm。

4 結(jié)論

本文介紹了一種適用于高精度精密離心機(jī)動態(tài)半徑的外基準(zhǔn)定位測試法，對定位測試技術(shù)的可行性進(jìn)行了論證，結(jié)合變采樣率數(shù)據(jù)采集技術(shù)，實現(xiàn)了動態(tài)半徑的精確定位測量，實踐表明，動態(tài)半徑的測量標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.21 μm，測試穩(wěn)定，可為更高精度精密離心機(jī)動態(tài)半徑的測量提供參考。

[1] 凌明祥.精密離心機(jī)加速度測量模型研究[R].國防科研報告，GF-A0162889G，2012.

[2] 劉 健.線加速度模擬轉(zhuǎn)臺—離心機(jī)動態(tài)半徑的測試研究[D].天津：天津大學(xué)，2007.

[3] 張 榮，王 玨，周繼昆，等. 精密離心機(jī)動態(tài)俯仰失準(zhǔn)角的定位測量技術(shù)研究[J].計算機(jī)測量與控制，2015，23(9)：2964-2967.

[4] 德國米銥有限公司.CapaNCDT-電容式位移傳感器和測量系統(tǒng)[EB/OL].http://www.米銥.com/productsdetailed.aspx?cateid=13&productsid=41，2011.

[5] NI公司.NI PXI-4462四通道動態(tài)信號分析儀[EB/OL].http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/zhs/nid/14309，2012.

[6] 李 岳，王 燕，楊基明.多通道瞬態(tài)信號測試系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2008，8：8-9.

[7] 曾和榮，馮琦杰，谷振軍，等.基于虛擬儀器技術(shù)的池式熱堆Rossi-α測量裝置設(shè)計[J].核科學(xué)與工程，2010，30(2)：110-113.

Research on Positioning Measurement Technique of Dynamic Radius of Precision Centrifuge

Zhang Rong, Wang Jue, Zhou Jikun, Zhang Yi, Zheng Min

(Institute of Systems Engineering, Mianyang 621900,China)

The dynamic radius affects the precision of acceleration outputted by precision centrifuge, it is a main technique parameter of precision centrifuge and should be measured accurately during the process of precision centrifuge design. Its value will be as compensation component to be added to the acceleration compensation mathematic model, then, the precision centrifuge can obtain acceleration value accurately. This paper introduces the dynamic radius test technique based on external reference, including multiple positioning data identification method of positioning platform, test system configuration and so on. The technique has been applied to the dynamic radius test of high precision centrifuge, the measurement results show that using the measurement technique, the standard deviation of the dynamic radius measurement is 0.21 μm, the measurement result satisfies the requirement of the high precision centrifuge technique indicators.

precision centrifuge；dynamic radius；positioning measurement；external reference

2015-12-26；

2016-01-29。

國家重大科學(xué)儀器專項(2011YQ130047)。

張 榮(1979-)，男，四川資陽人，工學(xué)碩士，高級工程師，主要從事環(huán)境試驗技術(shù)、動態(tài)測試技術(shù)以及計算機(jī)軟硬件開發(fā)技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2016)07-0049-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.07.014

TP751 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A