陀螺轉子動平衡測試的光學方法
2023-05-10 14:39:51
專利名稱：陀螺轉子動平衡測試的光學方法
技術領域：
本發明涉及一種高精度陀螺轉子動平衡過程中不平衡量的非接觸測試方法，尤其涉及一種陀螺轉子動平衡測試的光學方法。
本發明公開了一種陀螺轉子動平衡測試的光學方法，其特徵在於該方法包括如下步驟1)用計算機控制高速攝影機對運動轉子轉軸端面中心的平整並且非拋光的狹小區域進行高速攝影，在轉子轉動一周過程中連續記錄下N幅圖像，將這些圖像存入計算機，由計算機進行後續步驟的處理；
2)對所述的N幅圖中的每幅圖像進行特徵識別，確定出K個特徵點，K大於等於3；將所述的每個特徵點在每幅圖像中的位置進行標記，並將它們歸到合成坐標系中；3)將來自相鄰兩幅圖像的同一特徵點在所述合成坐標系中的兩個相應的位置標記進行連線作垂直平分線；同理，將來自所述相鄰兩幅圖像的其它K-1個特徵點也如此操作，得到相應的垂直平分線；用最小二乘法確定所述的各垂直平分線相互交點的重心，即是轉子轉動的瞬時軸心；所述的相鄰兩幅圖像的中間位置即為該瞬時軸心的位相面；4)對應N幅相鄰圖像確定N個瞬時軸心，將這些軸心擬合成橢圓或者圓，以橢圓中心或圓心為極點，極點到某瞬時軸心的連線的矢徑，即為該時刻陀螺轉子振動和擾動量的大小；對應於該瞬時軸心的位相面即為該時刻的振動方向；所述的擾動量和位相面位置即是動平衡所需要的參數；5)對靜止狀態的轉子端面所述區域進行攝影，通過計算機圖像識別，確定出與動態攝影圖像同樣的特徵點；從N幅圖中找出與靜態攝影圖像特徵點同位置的圖像，該圖像所對應的位相面也是靜止狀態轉子的振動和擾動方向；利用所述的擬合橢圓或圓中最大矢徑位相面和靜止狀態位相面的位相面角度差確定最大振動和擾動量的位相面在轉子上的位置；6)利用現有動平衡計算方法，通過試配重得到所述的參數與實際配重量的比例關係，按所述比例關係確定實際配重量。
本發明提出的光學方法是一種非接觸式的動平衡參數測量方法，與現存的測量方法相比優點是測量精度高，位相面測量準確，處理方便，通用性好。
現存的動平衡機沒有利用光學測量這一原理來測量不平衡量大小的。對於大尺寸和大重量的陀螺轉子的動平衡，動平衡機的使用也受到一定的限制，單機通用性較差。本發明提供的方法適應性較大，在調整攝影頻率和放大倍數的情況下，只要視場角能夠保證，可以對於各種轉速的轉子進行平衡測量，其最大優點是不受陀螺尺寸大小的限制，其測試精度也較少受尺寸和重量限制，因此具有近萬能測試的潛力。
圖2為最小二乘法求解轉子瞬時轉軸坐標的方法示意圖。
圖3.為瞬時軸心擬合的橢圓軌跡及振擾動量和位相角放大示意圖。
A、B、C、D是某一位相面的4個特徵點在圖像中的位置，A』、B』、C』、D』是相鄰下一個位相面這4個特徵點在圖像中對應的位置。
圖4為本發明中利用計算機進行測量處理的程序流程圖。
振動和擾動量的測量精度是由高速攝影機焦距和像素尺寸以及畫幅大小決定的，而位相面的測試精度是由高速攝影頻率和陀螺轉子的轉數決定的。
令高速攝影機的攝影頻率為K(Hz)，像素尺寸為a×a(μm)2，則相鄰兩幅圖像的位相差的角度，也就是位相面測量精度為Δθ＝6n/K＝6/N......................................(1)(N＝K/n)令高速攝影機的放大倍數為X，通過亞像素法處理的轉心精度為1/m像素，則位標器陀螺轉子的陀螺轉子前端面跳動量測量精度Δs為(μm)Δs＝a/m/X...........................................(2)設陀螺轉子的轉數為7600轉/分鐘，按照公式(1)和(2)，當X＝100，a＝10μm，m＝10時，Δs＝0.01μm；。如果X＝1000，K＝100000，則Δs＝0.001μm，Δθ＝0.456°。可見原理上振動量變化和位相面位置可以達到非常高的測量精度，而這樣的高速攝影機目前已經有商業銷售，只要把視場角加以擴大即可滿足本發明的使用要求，如可採用德國的Lavision公司出產的HighSpeedStar3型CMOS高速攝影機，最大幀頻率為100000fps，即可滿足本實例需要。
在本例中，高速攝影機的放大倍數X＝1000，攝影頻率K＝100000，陀螺轉子的轉數為7600轉/分鐘，陀螺轉子動平衡測試的光學方法具體步驟如下1)用計算機控制高速攝影機對運動轉子轉軸端面中心的平整並且非拋光的狹小區域進行高速攝影，在轉子轉動一周過程中連續記錄下790幅圖像，將這些圖像存入計算機，由計算機進行後續步驟的處理，其流程框圖如圖4所示；轉子轉軸端面中心圖案可以採用自然精磨的端面，也可以採用有規律分布的點陣，這種點陣的製造方法可以是雷射打上的，也可以是機械刻劃上的，或者是電火花加工的，總之要便於識別特徵點，本例中採用圓形圖案。
2)對所述的790幅圖中的每幅圖像進行特徵識別，確定出4個特徵點，分別為A、B、C、D；將上述的每個特徵點在每幅圖像中的位置進行標記，並將它們歸到合成坐標系中；特徵識別方法採用圖像分割、區域標記、目標鏈創建等現有技術進行處理。
3)如圖2所示，將來自相鄰兩幅圖像的同一特徵點在所述合成坐標系中的兩個相應的位置標記，即(A，A』)、(B，B』)、(C，C』)、(D，D』)進行連線作垂直平分線；用最小二乘法確定所述的各垂直平分線相互交點的重心，即是轉子轉動的瞬時軸心O1；所述的相鄰兩幅圖像的中間位置即為該瞬時軸心的位相面；4)如圖3所示，對應790幅相鄰圖像確定790個瞬時軸心，將這些軸心擬合成橢圓或者圓，以橢圓中心或圓心為極點P，極點到某瞬時軸心的連線的矢徑PO1為該時刻陀螺轉子振動和擾動量的大小；對應於該瞬時軸心的位相面即為該時刻的振動方向；所述的擾動量和位相面位置即是動平衡所需要的參數；
5)對靜止狀態的轉子端面所述區域進行攝影，通過計算機圖像識別，確定出與動態攝影圖像同樣的特徵點；從790幅圖中找出與靜態攝影圖像特徵點同位置的圖像，該圖像所對應的位相面也是靜止狀態轉子的振動和擾動方向；利用所述的擬合橢圓或圓中最大矢徑位相面和靜止狀態位相面的位相面角度差確定最大振動和擾動量的位相面在轉子上的位置；如圖3所示，本例中，靜態圖像所對應的動態圖像與下一幅動態圖像處理出來的瞬時軸心為O1，則該靜止狀態對應著動態轉子在該狀態下的瞬時振動方向PO1。按照最大振動和擾動量所在位相面PO的位置，將靜止狀態轉子的PO1轉動θ角，即得到在靜止狀態下，轉子上的最大擾動量的配重位相面。
6)利用現有動平衡計算方法，通過試配重得到所述的參數與實際配重量的比例關係，按所述比例關係確定實際配重量。
本發明提出了採用高速攝影與圖像判讀與處理的光學測試方法來解決單點支撐陀螺轉子動平衡的擾動量和位相測試的方法，該方法可以使振動量和擾動量同時測量，測量精度高於0.02μm，位相面測量精度高於0.5°。
權利要求
1.陀螺轉子動平衡測試的光學方法，其特徵在於該方法包括如下步驟1)用計算機控制高速攝影機對運動轉子轉軸端面中心的平整並且非拋光的狹小區域進行高速攝影，在轉子轉動一周過程中連續記錄下N幅圖像，將這些圖像存入計算機，由計算機進行後續步驟的處理；2)對所述的N幅圖中的每幅圖像進行特徵識別，確定出K個特徵點，K大於等於3；將所述的每個特徵點在每幅圖像中的位置進行標記，並將它們歸到合成坐標系中；3)將來自相鄰兩幅圖像的同一特徵點在所述合成坐標系中的兩個相應的位置標記進行連線作垂直平分線；同理，將來自所述相鄰兩幅圖像的其它K-1個特徵點也如此操作，得到相應的垂直平分線；用最小二乘法確定所述的各垂直平分線相互交點的重心，即是轉子轉動的瞬時軸心；所述的相鄰兩幅圖像的中間位置即為該瞬時軸心的位相面；4)對應N幅相鄰圖像確定N個瞬時軸心，將這些軸心擬合成橢圓或者圓，以橢圓中心或圓心為極點，極點到某瞬時軸心的連線的矢徑，即為該時刻陀螺轉子振動和擾動量的大小；對應於該瞬時軸心的位相面即為該時刻的振動方向；所述的擾動量和位相面位置即是動平衡所需要的參數；5)對靜止狀態的轉子端面所述區域進行攝影，通過計算機圖像識別，確定出與動態攝影圖像同樣的特徵點；從N幅圖中找出與靜態攝影圖像特徵點同位置的圖像，該圖像所對應的位相面也是靜止狀態轉子的振動和擾動方向；利用所述的擬合橢圓或圓中最大矢徑位相面和靜止狀態位相面的位相面角度差確定最大振動和擾動量的位相面在轉子上的位置；6)利用現有動平衡計算方法，通過試配重得到所述的參數與實際配重量的比例關係，按所述比例關係確定實際配重量。
全文摘要
陀螺轉子動平衡測試的光學方法，涉及一種陀螺轉子動平衡過程中不平衡量的非接觸測試方法。本方法採用高速攝影機對運動轉子轉軸端面中心區域攝影，在轉子轉動一周過程中連續記錄N幅圖像，並存入計算機進行後續處理首先進行特徵點識別，將來自相鄰兩幅圖像的同一特徵點在合成坐標系中的兩個相應的位置標記進行連線作垂直平分線；用最小二乘法確定各垂直平分線交點的重心，即是轉子轉動的瞬時軸心；相鄰兩幅圖像的中間位置為該瞬時軸心的位相面；將各個瞬時軸心擬合成橢圓或者圓，其中心到某瞬時軸心連線的矢徑為該時刻轉子振動和擾動量的大小；對應於該瞬時軸心的位相面為該時刻的振動方向。本發明解決了現有技術中測量精度低的問題，通用性好。
文檔編號G01C19/06GK1437009SQ0310498
公開日2003年8月20日 申請日期2003年3月4日 優先權日2003年3月4日
發明者尤政, 郝雲彩 申請人:清華大學