CN107101712B - 基于单点激光测振仪的多方向大角度连续扫描测振辅助仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于单点激光测振仪的多方向大角度连续扫描测振辅助仪，底座支撑架上设置X轴旋转电机，X轴旋转电机驱动其中一组外框圆环转动轮转动进而驱动外框圆环在外框圆环支撑槽内转动；外框圆环与零部件连接杆固定，零部件连接杆中部设置Z轴旋转电机，Z轴旋转电机驱动内框转动环绕零部件连接杆旋转；零部件连接杆底部与反射镜支撑环固定；正方体反射镜转动杆的中间位置设置正方体反射镜，Y轴旋转电机固定在内框转动环的另外一侧；本发明的优点：基于单点激光测振仪的多方向大角度连续扫描测振辅助仪，可实现固定光束向多方向投射，在无需调整激光多普勒测振仪的情况下，可将激光投射到用户想要测量的任意位置，极大的方便了测量。

Description

基于单点激光测振仪的多方向大角度连续扫描测振辅助仪

技术领域

本发明属于振动测试技术领域，具体涉及一种基于单点激光测振仪的多方向大角度连续扫描测振辅助仪及其控制方法。

背景技术

激光测振技术具有测试精度高、非接触测试的优点，适用于高速旋转、高频、高温环境下的振动测量场合，目前正在越来越多的被应用于航空、航天、汽车、船舶、高档数控机床、机器人等各个领域的高精度测振场合，其在机械***的故障诊断、减振降噪、结构动态响应预估、动态特性优化等各个环节也发挥着越来越大的作用。

目前，虽然单点激光多普勒测振仪越来越普及，但是绝大多数的单点激光多普勒测振仪都在测试效率上存在缺陷。一方面，该仪器需要依靠人工调整的方式来改变测点位置，以致在需要多点结构振动测试或模态测试时测振效率不高。另一方面，受限于现有的单点激光多普勒测振仪的尺寸局限，在一些狭小空间或者高温空间内，该仪器不能直接被布置在测试工况下，需要设计一定的辅助夹具和工装，来灵活的改变单点激光多普勒测振仪发出的激光点的测试角度和位置，以此来实现关注测点位置振动信息的有效获取。但目前这些专用的辅助夹具和工装，往往只能满足某一个特定的测试场合，在市场也一般也没有销售，这就使得这些辅助夹具和工装结构需要用户自行设计，无疑加重了用户关于该仪器的使用负担。

另外，虽然国外部分仪器厂商开发了可实现连续扫描测振的激光多普勒测振仪，并已经在市场上销售，但由于该仪器价格极其昂贵，且还需要配备复杂的控制软件、经过专业技术人员培训才能够进行使用，这无疑加重并提高了用户对该仪器的使用成本和仪器使用门槛。更重要的是，该扫描激光多普勒测振仪，通常需要安放在一个三脚架上，其在X,Y方向的扫描测试范围只能是±20°，在满足用户关于在多方向的连续扫描测振需求上还存在较大差距。为此，有必要发明一种基于单点激光测振仪的多方向大角度连续扫描测振辅助仪。

发明内容：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于单点激光测振仪的多方向大角度连续扫描测振辅助仪及其控制方法。具体技术方案如下：

单点激光测振仪的多方向大角度连续扫描测振辅助仪，包括底座，所述底座上设置底座支撑架，所述底座支撑架上设置X轴旋转电机，两组外框圆环转动轮分别与外框圆环的径向内侧与外侧抵接；X轴旋转电机驱动其中一组外框圆环转动轮转动进而驱动外框圆环在外框圆环支撑槽内转动；所述外框圆环与零部件连接杆固定，所述零部件连接杆中部设置Z轴旋转电机安装板，所述Z轴旋转电机安装板上安装有Z轴旋转电机，所述Z轴旋转电机通过内框转动环从动轮驱动内框转动环绕零部件连接杆旋转；所述零部件连接杆底部与反射镜支撑环固定；正方体反射镜转动杆的中间位置设置正方体反射镜，正方体反射镜转动杆两端穿过反射镜支撑环后分别与Y轴旋转电机及内框转动环连接；Y轴旋转电机固定在内框转动环的另外一侧；所述底座上设置45°反光镜安装槽，所述45°反光镜安装槽内设置45°反光镜；外框圆环及反射镜支撑环均设置环状空槽以便激光通过；激光束水平投射到45°反光镜上改为竖直向上反射到正方体反射镜上。

各个旋转电机以及其他不平衡部位都进行了配重平衡措施，通过仔细计算测量，可保证整个装置的重心始终在装置中心。

底座支撑架的平台处开有45°反光镜安装槽，用胶粘方式安装45°反光镜，这样激光光束水平照射过来，可通过45°反光镜把光束方向改变为竖直向上；底座支撑架上设置Z轴轴向的支杆一、支杆二及支杆三；所述支杆一、支杆二设置在支杆三的两侧；支杆一、支杆二连接外框圆环支撑槽，使外框圆环支撑槽实现对外框圆环的支撑；

支杆一上固定有外框圆环转动轮轴杆基座板，所述外框圆环转动轮轴杆基座板上设置两根外框圆环转动轮轴杆，上部的外框圆环转动轮轴杆分别与外框圆环转动轮一、外框转动轮四连接；下端的外框圆环转动轮轴杆分别与外框圆环转动轮一及外框圆环转动轮三相连接；

外框圆环转动轮一、外框圆环转动轮二分别与外框圆环的径向内外表面紧密接触；外框圆环转动轮三、外框转动轮四分别与外框圆环的径向内外表面紧密接触；

轴向支杆三上固定有X轴旋转电机安装板，用于安装轴旋转电机，所述X轴旋转电机的伸出轴与外框圆环转动轮三的圆心固定连接。

零部件连接杆自上而下有三个定位轴肩；第一个是外框圆环的定位轴肩，安装时与螺母相配合，保证零部件连接杆与外框圆环的固定；第二个是Z轴旋转电机安装板的定位轴肩，Z轴旋转电机安装板定位于轴肩处并与零部件连接杆固连，Z轴旋转电机安装板上安装有Z轴旋转电机和Z轴旋转电机配重块；

第三个是反射镜支撑环的定位轴肩，安装时与螺母相配合，用于反射镜支撑环的固定。

内框转动环上部开有内框转动环从动轮配合孔，并与内框转动环从动轮过盈配合，两者之间无相对运动；为了方便内框转动环的转动，内框转动环从动轮为上细下粗，上端较细与内框转动环过盈配合，下端较粗与Z轴旋转电机的转动轮相接触；Z轴旋转电机转动轮与内框转动环从动轮靠滚动摩擦来实现动力传递，带动内框转动环绕Z轴转动；内框转动环两侧开有正方体反射镜转动杆连接孔，一侧用于和正方体反射镜转动杆连接，另一侧与Y轴旋转电机安装板固连；Y轴旋转电机安装板上固连Y轴旋转电机；

所述正方体反射镜转动杆包括Y轴旋转电机配重块、正方体反射镜；

正方体反射镜转动杆中间固连正方体反射镜；正方体反射镜有一个表面贴有平面反光镜，用于反射从底座支撑架反射上来的激光束；正方体反射镜转动杆穿过反射镜支撑环的左右开孔，可以实现正方体反射镜转动杆的绕Y轴转动以及支撑作用；在反射镜支撑环两侧，正方体反射镜转动杆有配重一端与内框转动环的一侧开孔相连接，正方体反射镜转动杆的另一端，正方体反射镜转动杆与固连在内框转动环上的Y轴旋转电机的伸出轴相连，实现动力传递。

所述反射镜支撑环，其轴向的宽度特征为上端窄下端宽，下端做宽用于安装装置平衡配重块作用；

外框圆环支撑槽的环形槽内表面安装有可转动的圆柱辊，圆柱辊与外框圆环直接接触，可减小外框圆环转动时的摩擦，从而减小干扰振动。

本发明的优点：基于单点激光测振仪的多方向大角度连续扫描测振辅助仪，携带方便，成本低廉，可实现固定光束向多方向投射，在无需调整激光多普勒测振仪的情况下，可将激光投射到用户想要测量的任意位置，极大的方便了测量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为Y轴方向及Z轴方向转向结构示意图；

图3为底座及外框圆环的结构示意图；

图4为圆柱辊与外框圆环配合结构示意图；

图5为X轴电机与外框圆环转动轮连接结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图具体说明本发明，如图所示，本发明包括：磁力底座1、底座支撑架2、外框圆环18、外框圆环支撑槽16、内框转动环25、反射镜支撑环23、正方体反射镜转动杆27、正方体反射镜31、零部件连接杆19、45°反射镜13、X轴旋转电机15、Y轴旋转电机28、Z轴旋转电机21。

磁力底座1可吸附在振源附近，并与底座支撑架2相连，对整个装置起支撑作用；所述磁力底座1采用与磁力表一样的结构，通过开关可实现吸附与放开。

所述底座支撑架2包括：支杆一4、支杆二5、支杆三6、45°反光镜安装槽3、X轴旋转电机安装板14。

底座支撑架2的平台处开有45°反光镜安装槽3，用胶粘方式安装45°反光镜13，这样激光光束水平照射过来，可通过45°反光镜13把光束方向改变为竖直向上；底座支撑架2伸出的Z轴轴向的支杆一4、支杆二5分别连接外框圆环支撑槽16，使外框圆环支撑槽16实现对外框圆环18的支撑。支杆一4上连接有外框圆环转动轮轴杆基座板7，此外框圆环转动轮轴杆基座板7上连接有两根外框圆环转动轮轴杆8，两根外框圆环转动轮轴杆8分别与外框圆环转动轮一9、外框圆环转动轮二10配合连接。外框圆环转动轮一9、外框圆环转动轮二10分别与外框圆环18的径向内外表面紧密接触，X轴旋转电机15外框圆环转动轮一9、外框圆环转动轮二10转动进而实现外框圆环18一起转动；底座支撑架2伸出的Z轴轴向支杆三6上焊接有X轴旋转电机安装板14，用于安装X轴旋转电机15，且电机伸出轴151与外框圆环转动轮三11相连接。此支杆三6上端还连接有外框转动轮四12的轴杆，此轴杆连接外框圆环转动轮四12。

进一步说明：此装置所用X、Y、Z轴旋转电机均为减速电机；此四个外框圆环转动轮对称分布，两个一组分别压紧外框圆环18的径向内外表面，当X轴旋转电机15转动时便可通过外框转动轮三11与外框圆环18的滚动摩擦实现外框圆环绕X轴旋转；此外框圆环支撑槽16除支撑外框圆环作用外，还在外框圆环支撑槽16的环形槽内表面安装有可转动的圆柱辊17，圆柱辊17与外框圆环18直接接触，可减小外框圆环18转动时的摩擦，从而减小干扰振动。

所述外框圆环18上开有零部件连接杆开孔和环状空槽，并且在外框圆环18外侧表面贴有刻度。

外框圆环18在中间开有将近360°的环状空槽，目的是使外框圆环18在绕X轴转动过程中，从磁力底座1反射上来的激光束始终能够顺利通过；在环状空槽的两侧是外框圆环18的实体部分，外框圆环18的底部两侧各有一组外框圆环转动轮，转动轮与外框圆环18的内外表面压紧配合。当X轴旋转电机15工作，带动外框圆环转动轮三11转动，此时外框圆环转动轮三11配合外框圆环转动轮四12，另一侧则是外框圆环转动轮19、210相配合，通过滚动摩擦使外框圆环18绕X轴转动；外框圆环18的上部开有零部件连接杆19的上开孔，与零部件连接杆19配合连接；外框圆环18的外侧表面贴有刻度，并与X轴刻度指针32配合使用，用以指示外框圆环绕X轴旋转的角度。进一步说明，外框圆环18与零部件连接杆19无相对运动。

所述零部件连接杆19上有定位轴肩、螺纹、螺母、Z轴刻度指针35。

零部件连接杆19自上而下有三个定位轴肩。第一个是外框圆环18的定位轴肩，安装时与螺母相配合，用于外框圆环18的固定。第二个是Z轴旋转电机安装板20的定位轴肩，安装板定位于轴肩处并与零部件连接杆19固连，安装板上安装有Z轴旋转电机21和Z轴旋转电机配重块22。进一步说明，Z轴旋转电机配重块22的位置以及重量经过严密数学计算，保证实现Z轴旋转电机21与Z轴旋转电机配重块22重心在零部件连接杆19中心，此外Z轴旋转电机配重块22的上部还开有螺纹孔，当发现装置不平衡时，可以用来继续增加或减少配重。第三个是反射镜支撑环23的定位轴肩，安装时与螺母相配合，用于反射镜支撑环23的固定。进一步说明，反射镜支撑环23与零部件连接杆19无相对运动；在外框圆环18与内框转动环25之间，零部件连接杆19上安装有Z轴刻度指针35，两者固连，无相对运动。在Z轴刻度指针35的下面有Z轴刻度盘34，并且Z轴刻度盘34与内框转动环25的上表面固连。Z轴刻度盘34与Z轴刻度指针35配合使用，用于指示内框转动环25绕Z轴旋转的角度；在外框圆环18与反射镜支撑环23之间，零部件连接杆19与内框转动环25的内框转动环从动轮26间隙配合，即可允许内框转动环25绕零部件连接杆转动即绕Z轴转动。内框转动环25与内框转动环从动轮26间无相对运动。

内框转动环25上部开有内框转动环从动轮26配合孔，并与内框转动环从动轮26过盈配合，两者之间无相对运动。为了方便内框转动环25的转动，内框转动环从动轮26为上细下粗，上端较细与内框转动环25过盈配合，下端较粗与Z轴旋转电机21的转动轮相接触。Z轴旋转电机转动轮与内框转动环从动轮26靠滚动摩擦来实现动力传递，带动内框转动环25绕Z轴转动；内框转动环25两侧开有正方体反射镜转动杆27连接孔，一侧用于和正方体反射镜转动杆27连接，另一侧与Y轴旋转电机安装板29固连。进一步说明，内框转动环25与Y轴旋转电机安装板29无相对运动，且安装板上固连Y轴旋转电机28。

所述正方体反射镜转动杆27包括：Y轴旋转电机配重块30、正方体反射镜31。

正方体反射镜转动杆27中间固连正方体反射镜31；进一步说明，正方体反射镜31有一个表面贴有平面反光镜，用于反射从底座支撑架2反射上来的激光束；正方体反射镜转动杆27穿过反射镜支撑环23的左右开孔，可以实现正方体反射镜转动杆27的绕Y轴转动以及支撑作用；在反射镜支撑环23两侧，正方体反射镜转动杆27有配重一端与内框转动环25的一侧开孔相连接。进一步说明，在此一端上的Y轴旋转电机的配重块30，经过计算确保重心在整个装置球心，并且Y轴旋转电机的配重块30的外表面贴有刻度。另一端，正方体反射镜转动杆27与固连在内框转动环25上的Y轴旋转电机28的伸出轴相连，实现动力传递。进一步说明，正方体反射镜转动杆27连接电机的一端在轴向有开孔，用于和Y轴旋转电机28的伸出轴配合连接。

所述反射镜支撑环23，其轴向的宽度特征为上端窄下端宽，下端做宽用于安装装置平衡配重块24；反射镜支撑环23的下端开有空槽，可使从底座支撑架2反射上来的激光束通过；反射镜支撑环23靠近Y轴旋转电机的配重块30的一侧，安装有Y轴刻度指针，并与刻度指示条相配合使用，用以指示正方体反射镜绕Y轴旋转的角度。需要说明，此装置平衡配重块24通过螺纹孔与反射镜支撑环23连接，并且装置平衡配重块24下部叶开有螺纹孔，当发现装置不平衡时，可以用来继续增加或减少配重。

进一步说明，以上装置对于各个旋转电机以及其他不平衡部位都进行了配重平衡措施，通过仔细计算测量，可保证整个装置的重心始终在装置中心。

采用所述的基于单点激光测振仪的多方向大角度连续扫描测振辅助仪进行振动测试的方法，包括：

步骤一、此装置选好放置位置以后，利用磁力底座的吸附功能，将此装置固定。调整好多普勒激光测振仪，使激光束水平投射到45°反光镜上，这样激光束方向便改为竖直向上反射到正方体反射镜上。

步骤二、根据被测物的位置或其它要求，可自行选择驱动X、Y、Z轴旋转电机当中的任一个或者任意多个，从而由电机的转动导致正方体反射镜的多方向连续转动，这样即可实现激光束向多方向连续投射的要求。

进一步说明步骤二，以Y轴旋转电机为例，当Y轴旋转电机转动时便带动正方体反射镜绕Y轴旋转，那么从底座支架反射上来的激光束投射到正方体反射镜上的位置就会连续变化，从而也使正方体反射镜反射出的激光束在XOY面内连续运动，从而实现激光束在某一方向的连续扫描。其他两个电机转动时同理，若同时驱动任意两个或三个电机，那么就可实现激光束向多个方向连续扫描的要求。

进一步说明三个旋转电机通过带动正方体反射镜旋转从而使反射出的激光扫描角度范围的变化情况。X轴旋转电机带动外框圆环转动，从而使正方体反射镜绕X轴旋转，但是当装置旋转到一定角度会出现底部反射上来的激光被遮挡问题，固激光只能绕X轴旋转扫描接近180°，即刻度盘上的-90°至90°；Y轴旋转电机可以使正方体反射镜实现绕Y轴的360°旋转，但是由于外框圆环上部和正方体反射镜支撑环下部的遮挡，激光可绕Y轴实现的扫描范围为300°左右，即在刻度盘的±(20°至170°)；Z轴旋转电机可使内框转动环实现绕Z轴的360°旋转，从而会有正方体反射镜的绕Z轴360°旋转，固激光绕Z轴可实现360°连续扫描。

Claims (7)

1.基于单点激光测振仪的多方向大角度连续扫描测振辅助仪，其特征在于：包括底座(1)，所述底座(1)上设置底座支撑架(2)，所述底座支撑架(2)上设置X轴旋转电机(15)，两组外框圆环转动轮分别与外框圆环(18)的径向内侧与外侧抵接；X轴旋转电机(15)驱动其中一组外框圆环转动轮转动进而驱动外框圆环(18)在外框圆环支撑槽(16)内转动；所述外框圆环(18)与零部件连接杆(19)固定，所述零部件连接杆(19)中部设置Z轴旋转电机安装板(20)，所述Z轴旋转电机安装板(20)上安装有Z轴旋转电机(21)，所述Z轴旋转电机(21)通过内框转动环从动轮(26)驱动内框转动环(25)绕零部件连接杆(19)旋转；所述零部件连接杆(19)底部与反射镜支撑环(23)固定；正方体反射镜转动杆(27)的中间位置设置正方体反射镜(31)，正方体反射镜转动杆(27)两端穿过反射镜支撑环(23)后分别与Y轴旋转电机(28)及内框转动环(25)连接；Y轴旋转电机(28)固定在内框转动环(25)的另外一侧；所述底座(1)上设置45°反光镜安装槽(3)，所述45°反光镜安装槽(3)内设置45°反光镜(13)；外框圆环(18)及反射镜支撑环(23)均设置环状空槽以便激光通过；激光束水平投射到45°反光镜(13)上改为竖直向上反射到正方体反射镜(31)上。

2.根据权利要求1所述的基于单点激光测振仪的多方向大角度连续扫描测振辅助仪，其特征在于：各个旋转电机以及其他不平衡部位都进行了配重平衡措施，通过仔细计算测量，可保证整个装置的重心始终在装置中心。

3.根据权利要求1所述的基于单点激光测振仪的多方向大角度连续扫描测振辅助仪，其特征在于：底座支撑架(2)的平台处开有45°反光镜安装槽(3)，用胶粘方式安装45°反光镜(13)，这样激光光束水平照射过来，可通过45°反光镜(13)把光束方向改变为竖直向上；底座支撑架(2)上设置Z轴轴向的支杆一(4)、支杆二(5)及支杆三(6)；所述支杆一(4)、支杆二(5)设置在支杆三(6)的两侧；支杆一(4)、支杆二(5)连接外框圆环支撑槽(16)，使外框圆环支撑槽(16)实现对外框圆环(18)的支撑；支杆一(4)上固定有外框圆环转动轮轴杆基座板(7)，所述外框圆环转动轮轴杆基座板(7)上设置两根外框圆环转动轮轴杆(8)，上部的外框圆环转动轮轴杆(8)分别与外框圆环转动轮二(10)、外框转动轮四(12)连接；下端的外框圆环转动轮轴杆(8)分别与外框圆环转动轮一(9)及外框圆环转动轮三(11)相连接；外框圆环转动轮一(9)、外框圆环转动轮二(10)分别与外框圆环(18)的径向内外表面紧密接触；外框圆环转动轮三(11)、外框转动轮四(12)分别与外框圆环(18)的径向内外表面紧密接触；轴向支杆三(6)上固定有X轴旋转电机安装板(14)，用于安装X轴旋转电机(15)，所述X轴旋转电机(15)的伸出轴151与外框圆环转动轮三(11)的圆心固定连接。

4.根据权利要求1所述的基于单点激光测振仪的多方向大角度连续扫描测振辅助仪，其特征在于：零部件连接杆(19)自上而下有三个定位轴肩；第一个是外框圆环(18)的定位轴肩，安装时与螺母相配合，保证零部件连接杆(19)与外框圆环(18)的固定；第二个是Z轴旋转电机安装板(20)的定位轴肩，Z轴旋转电机安装板(20)定位于轴肩处并与零部件连接杆(19)固连，Z轴旋转电机安装板(20)上安装有Z轴旋转电机(21)和Z轴旋转电机配重块(22)；第三个是反射镜支撑环(23)的定位轴肩，安装时与螺母相配合，用于反射镜支撑环(23)的固定。

5.根据权利要求1所述的基于单点激光测振仪的多方向大角度连续扫描测振辅助仪，其特征在于：内框转动环(25)上部开有内框转动环从动轮(26)配合孔，并与内框转动环从动轮(26)过盈配合，两者之间无相对运动；内框转动环从动轮(26)为上细下粗，上端较细与内框转动环(25)过盈配合，下端较粗与Z轴旋转电机(21)的转动轮相接触；Z轴旋转电机转动轮与内框转动环从动轮(26)靠滚动摩擦来实现动力传递，带动内框转动环(25)绕Z轴转动；内框转动环(25)两侧开有正方体反射镜转动杆(27)连接孔，一侧用于和正方体反射镜转动杆(27)连接，另一侧与Y轴旋转电机安装板(29)固连；Y轴旋转电机安装板(29)上固连Y轴旋转电机(28)；所述正方体反射镜转动杆(27)包括Y轴旋转电机配重块(30)、正方体反射镜(31)；正方体反射镜转动杆(27)中间固连正方体反射镜(31)；正方体反射镜(31)四个表面为平面反光镜，用于反射从底座支撑架(2)反射上来的激光束；正方体反射镜转动杆(27)穿过反射镜支撑环(23)的左右开孔，可以实现正方体反射镜转动杆(27)的绕Y轴转动以及支撑作用；在反射镜支撑环(23)两侧，正方体反射镜转动杆(27)有配重一端与内框转动环(25)的一侧开孔相连接，正方体反射镜转动杆(27)的另一端，正方体反射镜转动杆(27)与固连在内框转动环(25)上的Y轴旋转电机(28)的伸出轴相连，实现动力传递。

6.根据权利要求1所述的基于单点激光测振仪的多方向大角度连续扫描测振辅助仪，其特征在于：所述反射镜支撑环(23)，其轴向的宽度特征为上端窄下端宽，下端做宽用于安装装置平衡配重块(24)作用。

7.根据权利要求1所述的基于单点激光测振仪的多方向大角度连续扫描测振辅助仪，其特征在于：外框圆环支撑槽(16)的环形槽内表面安装有可转动的圆柱辊(17)，圆柱辊(17)与外框圆环(18)直接接触，可减小外框圆环(18)转动时的摩擦，从而减小干扰振动。