CN114889843B - 一种离心机轴向与切向过载输出高精度测算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种离心机轴向与切向过载输出高精度测算方法，属于惯性器件技术领域，建立了离心机动态过载输出实时测量***，对主轴和从轴转速进行实时测量并同步打上时间戳，以消除数据传输过程中因通讯延迟波动导致的定时偏差问题。综合考虑离心机结构参数与测控***性能参数的综合影响，建立了离心机动态过载轴向和切向输出的量化计算方法。
Description
技术领域
本发明属于惯性器件技术领域，具体涉及一种离心机轴向与切向过载输出高精度测算方法。
背景技术
目前，加速度计等惯性器件主要通过精密离心机营造的恒定重力环境实现对其静态误差的标校，随着对惯性器件精度的要求进一步提升，对惯性器件动态误差的标校提出了新的要求，而惯性器件动态误差标校的基本要求是为惯性器件营造高精度的动态过载环境，但目前主要在役的精密离心机基本上是单轴恒转速离心机，不具备动态过载环境模拟能力。
专利CN201910975543.8发明了一种高动态离心过载模拟试验装置(以下简称“离心机”)，该离心机包括主轴和从轴两个旋转轴，从轴安装在主轴末端，且主轴和从轴的旋转轴平行，离心机通过双轴的协调转动模拟轴向和切向的动态过载环境，但由于硬件限制且为了追求快加速度变化率性能，该离心机牺牲了精度指标，其稳态精度一般劣于0.2％，加速度变化率控制精度则多在5％～10％之间，远达不到惯性器件动态误差标校的精度要求，因而目前仅用于惯性器件的功能鉴定工作。
目前，离心机主要通过主轴编码器测量离心机主轴和从轴的实时相位，然后将相位信号传输至变频器中，变频器再将相位信号实时转换为相位测量结果，并计算出离心机转速，通过ProfiBus-DP线缆将转速计算结果发送至主控PLC中，主控PLC根据离心机主轴转速与预设工作半径计算离心机输出过载值，通过以太网上传至主控计算机供后续分析使用。
但是离心机变频器的内部运算过程是一个黑盒***，无法得知其中“相位——转速”这一计算过程所使用的数据处理方法，将增大离心机转速的测量不确定度；同时离心机变频器的计算周期较长且定时性很差，将增大离心机运行动态过载曲线时的转速测量不确定度；主控PLC的内部运算循环周期与定时精度都在ms量级且无法精确控制，其时钟稳定性是较差；编码器、变频器、主控PLC、主控计算机4个测量或计算单元之间的通信线路是非精确定时的，不论是ProfiBus-DP、还是以太网都存在ms量级的通信延迟波动，其时钟稳定性是较差。
离心机轴向与切向过载输出精度受多因素的影响，包括但不限于离心机工作半径误差、安装俯仰、滚转失准角等离心机结构参数影响，同时还受到测控***性能的影响。当前在计算离心机过载输出时，往往只考虑部分参数影响，且仅基于恒定重力场环境分析(没考虑主轴与从轴的角加速度)，其方法准确度不高。
总的来说，当前直接使用离心机自身测控***获取的离心机轴向与切向过载输出结果不具备足够置信度，首先在硬件层面无法确定动态过载测量结果与实时性是否准确，再者在算法层面也无准确的量化方法确定离心机动态过载输出数值。
因此，现阶段需设计一种离心机轴向与切向过载输出高精度测算方法，来解决以上问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种离心机轴向与切向过载输出高精度测算方法，用于解决上述现有技术中存在的技术问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种离心机轴向与切向过载输出高精度测算方法，包括以下步骤：
S1：建立离心机动态过载输出实时测量***，对主轴和从轴转速进行实时测量并同步打上时间戳；
S2：综合考虑离心机结构参数与实时测量***性能参数的综合影响，建立离心机动态过载轴向和切向输出的量化计算方法。
进一步的，步骤S1具体如下：
在离心机主轴与从轴上各设置一组独立的高线数增量式圆光栅编码器，以实时生成离心机主轴与从轴的相位信号；基于各自编码器的精度指标可得到主轴相位测量偏差和从轴相位测量偏差/>
分别使用脉冲信号高频采集模块，实时采集主轴编码器与从轴编码器输出的脉冲信号，测量离心机主轴实时相位与从轴实时相位/>基于FPGA高速计算模块，根据离心机主轴与从轴实时相位测量结果，微分计算得到离心机主轴旋转角速度ω1与从轴旋转角速度ω2，并对实时转速同步打上对应的时间戳。
进一步的，步骤S2具体如下：
考虑主轴相位测量偏差从轴相位测量偏差/>主轴实时相位/>从轴实时相位/>主轴旋转角速度ω1、从轴旋转角速度ω2、脉冲信号采集和处理周期ΔT、静态半径R、工作半径残差ΔR、俯仰失准角θ、滚转失准角δ、偏心距r、测量工具误差Δr；通过离心机动态过载输出计算公式得到动态过载轴向输出G1和动态过载切向输出G2。
进一步的，脉冲信号采集和处理周期ΔT，根据脉冲信号高频采集模块和FPGA高速计算模块的硬件参数计算得出。
进一步的，参照JJF 1116-2004《线加速度计的精密离心机校准规范》中的静态半径测量方法，测量得到离心机静态半径R。
进一步的，参照JJG 1066-2011《精密离心机检定规程》中的动态半径测量方法和失准角测量方法，测量得到离心机的工作半径残差ΔR、离心机的俯仰失准角θ、滚转失准角δ。
进一步的，通过游标卡尺或其他测量工具，测量得到惯性器件测量中心与从轴旋转中心之间距离，即偏心距r，以及测量工具误差Δr。
进一步的，离心机动态过载输出计算公式如下：
其中，φ为从轴方位转角，T为微分周期。
进一步的，增量式圆光栅编码器的***精度应高于±10″，脉冲信号相位采集和处理周期控制在500ns以内。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
建立了离心机动态过载输出实时测量***，对主轴和从轴转速进行实时测量并同步打上时间戳，以消除数据传输过程中因通讯延迟波动导致的定时偏差问题。综合考虑离心机结构参数与测控***性能参数的综合影响，建立了离心机动态过载轴向和切向输出的量化计算方法。
附图说明
图1为实施例的离心机轴系状态高精度测量***示意图。
图2为实施例的离心机结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
而且，术语“包括”，“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程，方法，物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程，方法，物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程，方法，物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本发明涉及一种离心机轴系状态高精度测算方法，具体实施步骤如下：
如图1所示为离心机轴系状态高精度测量***，图中O为离心机主轴中心，O*为离心机从轴中心，A为惯性器件初始安装位置，B为从轴旋转φ以后惯性器件所处位置。其过程如下：
1：在离心机主轴与从轴上各增加一组独立高线数增量式圆光栅编码器，以实时生成离心机主轴与从轴的相位信号。基于各自编码器的精度指标得到主轴相位测量偏差(单位rad)和从轴相位测量偏差/>(单位rad)。以海德汉RON886编码器为例，其***精度为1″，50倍细分后的测量步距为0.72″，则其相位测量偏差为两者之和为1.72″(8.34×10- 6rad)。
2：分别使用脉冲信号高频采集模块，实时采集主轴编码器与从轴编码器输出的脉冲信号，测量离心机主轴实时相位(单位rad)与从轴实时相位/>(单位rad)，基于FPGA高速计算模块(内部时钟为40MHz)，根据离心机主轴与从轴实时相位测量结果，微分计算得到离心机主轴旋转角速度ω1(单位rad/s)与从轴旋转角速度ω2(单位rad/s)，并对实时转速同步打上对应的时间戳，以消除数据传输过程中因通讯延迟波动导致的定时偏差问题。根据脉冲信号高频采集模块和FPGA高速计算模块的硬件参数可得到脉冲信号采集、处理周期ΔT(单位s)。以NI9401作为脉冲信号高频采集模块、NI9038作为FPGA高速计算模块为例，处理周期能控制在12个FPGA时钟滴答以内(1个时钟滴答为25ns)，则处理周期为300ns(3×10-7s)。
如图2所示为离心机结构示意图。
3：参照JJF 1116-2004《线加速度计的精密离心机校准规范》所述静态半径测量方法，测量得到离心机静态半径R(单位m)。
4：参照JJG 1066-2011《精密离心机检定规程》所述动态半径测量方法和失准角测量方法，测量得到离心机的工作半径残差ΔR(单位m)、离心机的俯仰失准角θ(单位rad)、滚转失准角δ(单位rad)。
5：通过游标卡尺或其他测量工具，测量得到惯性器件测量中心与从轴旋转中心之间距离，即偏心距r(单位m)，以及工具测量误差Δr(单位m)。
6：离心机动态过载输出精度基本推导过程如下：
如图2所示，离心机动态过载轴向输出与切向输出的理想计算模型如下：
式中：
G1——离心机动态过载轴向输出(即施加在惯性器件轴向上的过载值)，m/s2；
G2——离心机动态过载切向输出(即施加在惯性器件切向上的过载值)，m/s2；
L——由于惯性器件安装偏心距与从轴旋转产生的离心机实际工作半径，m；
β——由于惯性器件安装偏心距与从轴旋转产生的离心机输出过载指向变化角，rad；
由图2几何关系可以得到：
因此离心机动态过载轴向输出与切向输出的理想计算模型式(1)与式(2)可进一步写成如下形式：
上式中各组成部分的含义如下：
——离心机主轴旋转产生的施加在惯性器件轴向上的过载值，m/s2；
——离心机主轴旋转产生的施加在惯性器件切向上的过载值，m/s2；
α1Rsinφ——离心机主轴转速变化产生的施加在惯性器件轴向上的过载值，m/s2；
α1(Rcosφ-r)——离心机主轴转速变化产生的施加在惯性器件切向上的过载值，m/s2；
——离心机从轴旋转产生的施加在惯性器件轴向上的过载值，m/s2；
α2r——离心机从轴转速变化产生的施加在惯性器件切向上的过载值，m/s2；
ω1ω2rsin2φ——科氏加速度在惯性器件轴向上的投影量，m/s2；
ω1ω2rsinφcosφ——科氏加速度在惯性器件切向上的投影量，m/s2；
g(sinθcosφ+sinδsinφ)——重力加速度在惯性器件轴向上的投影量，m/s2；
g(sinθsinφ+sinδcosφ)——重力加速度在惯性器件切向上的投影量，m/s2；
考虑离心机主轴、从轴测角、测速、测角加速度偏差，以及离心机工作半径测量偏差、惯性器件安装偏心距测量误差等因素后，并基于圆光栅测角、一阶微分测角速度、二阶微分测角加速度方案(考虑轴系相位测量偏差、微分计算周期定时偏差等因素)，式(3)与式(4)可进一步写成如下形式，即离心机动态过载轴向输出与切向输出的高精度计算方法。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种离心机轴向与切向过载输出高精度测算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：建立离心机动态过载输出实时测量***，对主轴和从轴转速进行实时测量并同步打上时间戳；
S2：综合考虑离心机结构参数与实时测量***性能参数的综合影响，建立离心机动态过载轴向和切向输出的量化计算方法；
步骤S1具体如下：
在离心机主轴与从轴上各设置一组独立的高线数增量式圆光栅编码器，以实时生成离心机主轴与从轴的相位信号；基于各自编码器的精度指标可得到主轴相位测量偏差和从轴相位测量偏差/>
分别使用脉冲信号高频采集模块，实时采集主轴编码器与从轴编码器输出的脉冲信号，测量离心机主轴实时相位与从轴实时相位/>基于FPGA高速计算模块，根据离心机主轴与从轴实时相位测量结果，微分计算得到离心机主轴旋转角速度ω1与从轴旋转角速度ω2，并对实时转速同步打上对应的时间戳；
步骤S2具体如下：
考虑主轴相位测量偏差从轴相位测量偏差/>主轴实时相位/>从轴实时相位主轴旋转角速度ω1、从轴旋转角速度ω2、脉冲信号采集和处理周期ΔT、静态半径R、工作半径残差ΔR、俯仰失准角θ、滚转失准角δ、偏心距r、测量工具误差Δr；通过离心机动态过载输出计算公式得到动态过载轴向输出G1和动态过载切向输出G2；
离心机动态过载输出计算公式如下：
其中，Φ为从轴方位转角，T为微分周期；α1为离心机主轴转速变化率，α2为离心机从轴转速变化率。
2.根据权利要求1所述的一种离心机轴向与切向过载输出高精度测算方法，其特征在于，脉冲信号采集和处理周期ΔT，根据脉冲信号高频采集模块和FPGA高速计算模块的硬件参数计算得出。
3.根据权利要求1所述的一种离心机轴向与切向过载输出高精度测算方法，其特征在于，参照JJF 1116-2004《线加速度计的精密离心机校准规范》中的静态半径测量方法，测量得到离心机静态半径R。
4.根据权利要求1所述的一种离心机轴向与切向过载输出高精度测算方法，其特征在于，参照JJG 1066-2011《精密离心机检定规程》中的动态半径测量方法和失准角测量方法，测量得到离心机的工作半径残差ΔR、离心机的俯仰失准角θ、滚转失准角δ。
5.根据权利要求1所述的一种离心机轴向与切向过载输出高精度测算方法，其特征在于，通过游标卡尺或其他测量工具，测量得到惯性器件测量中心与从轴旋转中心之间距离，即偏心距r，以及测量工具误差Δr。
6.根据权利要求1所述的一种离心机轴向与切向过载输出高精度测算方法，其特征在于，增量式圆光栅编码器的***精度应高于±10″，脉冲信号相位采集和处理周期控制在500ns以内。
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