周繼昆，張 榮，張 毅，王 玨，凌明祥

(中國工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽 621999)

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精密離心機動態(tài)半徑測試方法研究與實現(xiàn)

周繼昆，張 榮，張 毅，王 玨，凌明祥

(中國工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽 621999)

為了對精密離心機動態(tài)半徑進行有效的測量，提出了一種基于外基準的定點定位測量方法，并利用電容測微儀、24位高精度PXI數(shù)據(jù)采集卡搭建了動態(tài)半徑測試系統(tǒng)；在測試過程中，首先對離心機動態(tài)半徑數(shù)據(jù)進行等角度采樣，然后精確提取精密離心機定位平臺所在的轉(zhuǎn)盤外邊緣的局部數(shù)據(jù)，再將不同轉(zhuǎn)速下的局部數(shù)據(jù)進行點對點的比較，計算出動態(tài)半徑；對測量結(jié)果的不確定度進行了評定，評定結(jié)果表明，文中提出的測試方法能夠?qū)崿F(xiàn)對精密離心機動態(tài)半徑較高精度的測量，測量精度可達0.085 μm。

精密離心機；動態(tài)半徑；PXI數(shù)采

0 引言

精密離心機動態(tài)半徑是影響精密離心機輸出加速度精度的一個重要分量，必須進行準確測量，并將其作為分量補償?shù)骄茈x心機加速度輸出模型中，使精密離心機輸出高精度的加速度信號[1]。精密離心機的動態(tài)半徑的測量方法主要分內(nèi)基準與外基準兩類[2]。若使用內(nèi)基準測量動態(tài)半徑時，測量結(jié)果中未包含空氣主軸的徑向回轉(zhuǎn)誤差，因此需單獨測試主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差，再將回轉(zhuǎn)誤差與轉(zhuǎn)盤徑向伸長量求和得到。而采用外基準測量時，測量結(jié)果中已包含主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差，因此不用將回轉(zhuǎn)誤差補償?shù)絼討B(tài)半徑中。

在測量裝置上一般采用雙激光干涉儀[3-4]、差動位移傳感器[5]、標(biāo)準量桿和千分尺、電感測微儀和電容測微儀[2]。其中，有非接觸測量、安裝方便、動態(tài)頻響較高的特點、適合動態(tài)測量和在線監(jiān)測[6]。文獻[7]采用兩個電容測微儀對標(biāo)稱半徑為3 000 mm的離心機動態(tài)半徑進行測量，測量精度為0.33 μm；文獻[8]采用電容測微儀對轉(zhuǎn)臂式離心機的動態(tài)半徑進行測量，測量精度為1 μm。上述文獻在測量離心機動態(tài)半徑時，并未對轉(zhuǎn)盤形狀誤差等影響測量精度的進行考慮。為此，為了進一步提高動態(tài)半徑的測量精度，提出一種基于外基準的定點定位測量方法，該方法首先對離心機動態(tài)半徑數(shù)據(jù)進行等角度采用，然后精確提取精密離心機定位平臺所在的轉(zhuǎn)盤外邊緣的局部數(shù)據(jù)，再將局部數(shù)據(jù)進行點對點的比較，計算出動態(tài)半徑，消除了轉(zhuǎn)盤外沿形狀誤差對測量精度的影響，且能夠更為真實的反應(yīng)加速度及安裝處動態(tài)半徑的變化。經(jīng)過對測量結(jié)果的不確定度評定表明，測量精度可達0.085 μm。

1 外基準動態(tài)半徑定點定位測量原理

1.1 精密離心機動態(tài)半徑測量特點

外基準測量動態(tài)半徑示意圖如圖1所示，利用電容測微儀直接對準精密離心機轉(zhuǎn)盤邊緣測試其徑向半徑變化量，對于理想的轉(zhuǎn)盤，在不考慮轉(zhuǎn)盤邊緣的形狀誤差時，動態(tài)半徑ΔR可由式(1)確定，其中R1與R2是在不同轉(zhuǎn)速下電容測微儀測頭到離心機轉(zhuǎn)盤之間的距離。但在實際測量過程中，動態(tài)半徑的測量精度會受到以下兩個方面的影響。

(1)

1)當(dāng)受機械加工能力限制，轉(zhuǎn)盤的邊緣無法做到精密加工，其形狀誤差通常為微米級誤差，與動態(tài)半徑在一個數(shù)量級，對于10-6量級的精密測量，不得不考慮轉(zhuǎn)盤形狀誤差對動態(tài)半徑測量的影響。因此，需采用一定的技術(shù)途徑消除形狀誤差對測量結(jié)果的影響。

圖1 動態(tài)半徑測量示意圖

2)由于被校加速度計安裝在精密離心機的定位平臺上，如圖2所示。因此，取精密離心機定位平臺所在的轉(zhuǎn)盤外邊緣的局部區(qū)域作為動態(tài)半徑測試參考對象，在此方向上的動態(tài)半徑才是定位平臺處感受的最真實的半徑變化，此方向的動態(tài)半徑值對加速度計的標(biāo)校更有實用價值。

為了解決上述兩方面的問題，進一步提升動態(tài)半徑測量精度，采用定點比較的方法消除轉(zhuǎn)盤圓度誤差對測量結(jié)果的影響，采用定位測量提高精密離心機的動態(tài)半徑ΔR測量的真實性。

圖2 定位平臺安裝示意圖

1.2 動態(tài)半徑定位原理

電容測微儀安裝示意圖如圖3所示，主要利用電容測微儀在超量程時工作狀態(tài)自動進入飽和區(qū)從而輸出固定電壓的特性來實現(xiàn)局部有效區(qū)定位。

圖3 電容測微儀安裝示意圖

離心機旋轉(zhuǎn)時，定位用電容測微儀的輸出信號示意圖如圖4所示。對兩只電容測微儀輸出進行同步同頻率采樣，即可分別獲取離心機轉(zhuǎn)盤動態(tài)半徑數(shù)據(jù)和平臺定位數(shù)據(jù)，然后根據(jù)定位平臺的數(shù)據(jù)與轉(zhuǎn)盤有效半徑數(shù)據(jù)進行點對點對比即可得到動態(tài)半徑測量數(shù)據(jù)中的有效數(shù)據(jù)段。

圖4 定位用電容測微儀輸出測試信號示意圖

1.3 測試數(shù)據(jù)定點比對原理

在單次動態(tài)半徑測試的原始測量值ΔRi(i=1,2，…，n)中包含有定位測試區(qū)域內(nèi)n個測點的形狀誤差，為消除測點處形狀誤差對測量結(jié)果的影響，采用測點位置對齊測試法。該方法的主要思想是將轉(zhuǎn)盤全周等角分為N個測點區(qū)域，在任何穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速ω下，對轉(zhuǎn)盤全周均只采集N個測點，只要高低g值下同一測點相對電容測微儀的測試區(qū)域是對齊的，則對高低g值下同一測點的兩次測量信號相減，即可消除測點處的形狀誤差對測量結(jié)果的影響。

2 數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計

數(shù)據(jù)采集方案示意圖如圖5所示。只有在對轉(zhuǎn)盤不同的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下均等間隔采集N個測點，才可實現(xiàn)后續(xù)測點位置對齊信號相減消測點處形狀誤差的方案，為實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤每周采樣測點位置嚴格對齊，利用精密離心機上的光柵編碼器Z脈沖作為采樣的觸發(fā)的開始信號，以保證每次采樣得到數(shù)據(jù)的初始相位一致。

圖5 數(shù)據(jù)采集硬件架構(gòu)

利用A相脈沖的分頻信號將轉(zhuǎn)盤劃分為等間隔的N個測試區(qū)域，N個測試區(qū)域產(chǎn)生N個測點，在轉(zhuǎn)盤的任意穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)角速度ω下，光柵編碼器的A相脈沖頻率跟隨角速度ω自動變化，分頻后保證每周只采集N個點。其中整型電路是將Z脈沖進行展寬，以便于PXI采集卡識別。

利用光柵編碼器的A相脈沖信號經(jīng)K次分頻產(chǎn)生數(shù)據(jù)采集時鐘信號的關(guān)系如圖6所示。其中A代表理想的光柵A相脈沖信號，其每個脈沖寬度均相同，B代表理想的A相脈沖K次分頻后的時鐘信號CLK，分頻是利用CPLD的計數(shù)器對光柵A相脈沖上升沿進行計數(shù)，理想情況下CLK信號的各個脈沖寬度均相同，C代表因光柵編碼器的刻線不均勻造成的A相脈沖寬度不均勻信號，其某個脈沖的上升沿相對理想脈沖變寬了ta；由于任何信號經(jīng)CPLD或FPGA變換時都將采用邏輯門電路實現(xiàn)，這將出現(xiàn)信號延遲，D代表了包含CPLD分頻延遲時間td的實際CLK信號，該延遲時間取決于CPLD的型號，選用EPM7128S系列，td延遲為10 ns以內(nèi)，但該延遲時間不會因輸入信號的變化而變化，對測量精度影響有限。

圖6 光柵A脈沖分頻示意圖

3 數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)采用LABVIEW2000環(huán)境開發(fā)，動態(tài)半徑測試的軟件主功能模塊主要包括數(shù)據(jù)采集控制、原始數(shù)據(jù)濾波、定位區(qū)域信號識別模塊、動態(tài)半徑計算，其功能模塊如圖7所示。

圖7 軟件功能模塊圖

其中，考慮到轉(zhuǎn)盤形狀圓度誤差包含相位信息，為不丟失相位信息，采用FIR濾波器對測試信號進行低通濾波，濾波器上限選擇為電容測微儀的截止頻率處。對于電容測微儀上附帶隨機干擾，采用多圈集合平均的方法將其消除[9]，其計算方法由式(1)表示，其中N為每圈采樣點數(shù)，對4圈的采樣數(shù)據(jù)作集合平均。

(1)

4 實驗結(jié)果與測量不確定度評定

4.1 實驗結(jié)果

基于提出的動態(tài)半徑測量方法，對我所研制的10-6級高精度精密離心機開展動態(tài)半徑測量工作。該離心機轉(zhuǎn)盤標(biāo)稱半徑為1 m，最大輸出加速度100 g，在轉(zhuǎn)盤的四周垂直安裝4個定位平臺，可同時對4只加速度計進行標(biāo)定。在測量過程中，以離心機輸出加速度為0.1 g時為基準距離，分別測量離心機輸出加速度在1 g、5 g、10 g、20 g、30 g、40 g、50 g、60 g、70 g、80 g、90 g、100 g的動態(tài)半徑。動態(tài)半徑測量電容測微儀和定位用電容測微儀所測得的原始數(shù)據(jù)分別如圖8(a)、圖8(b)所示。

從圖8可以看出，在離心機旋轉(zhuǎn)一周的過程中，兩只電容測微儀同步采樣1 600個點，在定位平臺經(jīng)過定位用電容測微儀時，該電容測微儀輸出有效。圖8(a)中的凸出尖峰為離心機轉(zhuǎn)盤邊緣上的一個凹坑，是加工時產(chǎn)生的。對比圖8(a)與圖8(b)，可以看出，定位平臺避開了轉(zhuǎn)盤加工精度最差的地方安裝，不包含在動態(tài)半徑計算的有效數(shù)據(jù)段內(nèi)。經(jīng)過比對判讀，4個定位平臺的有效數(shù)據(jù)點分別為106～121點、506～521點、906～921點、1 309～1 324點，每個有效數(shù)據(jù)段為15個點。將不同轉(zhuǎn)速下離心機的有效數(shù)據(jù)段與0.1 g轉(zhuǎn)速下的有

圖8 電容測微儀輸出數(shù)據(jù)(X軸-采樣點數(shù)，Y軸—電容測微儀測頭到離心機邊沿距離μm)

效數(shù)據(jù)段直接比較，即可計算出每個轉(zhuǎn)速下的動態(tài)半徑。離心機的動態(tài)半徑與其加速度輸出值的關(guān)系曲線如圖9所示?？梢钥闯?，離心機的動態(tài)半徑隨著其輸出加速度的增大線性增大，4個定位區(qū)域的動態(tài)半徑變化規(guī)律一致，動態(tài)半徑變化與預(yù)期動力學(xué)仿真一致；還可以看出，4個定位平臺所在位置的動態(tài)半徑值并不完全一致，說明又不要對動態(tài)半徑進行定位測量。

圖9 離心機動態(tài)半徑與其加速度輸出值的關(guān)系曲線

4.2 測量不確定度評定

不確定度包括A類不確定和B類不確定度，其中A類不確定度為測量讀數(shù)產(chǎn)生的不確定度，B類不確定度為測量儀器本身不確定度。A類不確定度的計算方法如下:

(2)

其中:n為重復(fù)測量次數(shù)，以1號定位平臺為例，取n=10，計算測量不確定度，離心機輸出加速度對于A類不確定度如表1所示。當(dāng)離心機在滿量程輸出時，A類不確定度最大，為0.078 μm。

表1 測量A類不確定度統(tǒng)計表

測試系統(tǒng)B類不確定度主要來源于電容測微儀和PXI數(shù)據(jù)采集長，通過查閱相關(guān)數(shù)據(jù)手冊，電容測微以B類不確定度為urs=0.042%,PXI數(shù)據(jù)采集卡的B類不確定度為urs=0.02%。

則由電容測微儀和數(shù)據(jù)采集卡系統(tǒng)組合的測量不確定度計算為:

(3)

設(shè)x表示動態(tài)半徑測試系統(tǒng)的一個測量值，則其B類測量不確定度uR(x)可表示為:

(4)

由于采用外基準方式安裝電容測微儀，因此，在0.1g轉(zhuǎn)速下，距離最大，經(jīng)測試為180.969μm。則最大B類不確定度為：

uRmax=0.047%×180.969=0.085 μm

(5)

5 結(jié)論

為了進一步提高動態(tài)半徑的測量精度，提出一種基于外基準的定點定位測量方法，該方法首先對離心機動態(tài)半徑數(shù)據(jù)進行等角度采用，然后精確提取精密離心機定位平臺所在的轉(zhuǎn)盤外邊緣的局部數(shù)據(jù)，再將局部數(shù)據(jù)進行點對點的比較，計算出動態(tài)半徑，消除了轉(zhuǎn)盤外沿形狀誤差對測量精度的影響，且能夠更為真實的反應(yīng)加速度及安裝處動態(tài)半徑的變化。在我所研制的10-6級高精度精密離心機開展動態(tài)半徑測量工作，對測量結(jié)果的不確定度評定表明，測量方法測量精度達到了0.085μm。

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Research and Implement on Precision Centrifuge Dynamic Radius Test

Zhou Jikun, Zhang Rong, Zhang Yi, Wang Jue, Ling Mingxiang

(Institute of Systems Engineering, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621999，China)

In order to measure the dynamic radius of precision centrifuge effectively, this paper proposes a fixed point and position measurement method based on the benchmark, and use the capacitance micrometer, 24 bits high-precision PXI data collection card set up a dynamic radius test system; In the process of test, uniform angular sampling the dynamic radius data of the centrifuge first, and accreting extraction the local date of precision centrifuge platform edge, then the dynamic radius can be calculated by comparing the local date between different speed point to point. The uncertainty evaluation of the measurement results show that the proposed test method can achieve high accuracy of precision centrifuge dynamic radius measurement, and the accuracy of precision can reach to 0.085 μm.

precision centrifuge; dynamic radius; PXI data collection

2016-01-05；

2016-01-19。

國家重大科學(xué)儀器專項(2011YQ13004702)。

周繼昆(1987-)，男，重慶人，碩士，主要從事儀器儀表與測控技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2016)06-0027-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.06.008

TP216

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