專利名稱：振動(dòng)測(cè)量及監(jiān)控系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種測(cè)量及監(jiān)控系統(tǒng)，特別是關(guān)于一種振動(dòng)的測(cè)量及監(jiān)控系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
振動(dòng)測(cè)量及監(jiān)測(cè)覆蓋了機(jī)械、電子、建筑、地質(zhì)等廣泛領(lǐng)域，在研究材料的特性方面也有很大的應(yīng)用背景。特別是隨著3C產(chǎn)品小型化、輕量化的發(fā)展趨勢(shì)，制造3C產(chǎn)品的精密模具及精密加工技術(shù)需要以高速主軸進(jìn)行低切削量的快速切削，而主軸本身軸承的摩擦或偏心將會(huì)導(dǎo)致高速精密主軸產(chǎn)生振動(dòng)，進(jìn)而影響精密加工的精度。另外，這些包括高速旋轉(zhuǎn)軸的機(jī)器具有固有的共振頻率，當(dāng)機(jī)器旋轉(zhuǎn)部件的工作頻率與機(jī)器的固有頻率吻合時(shí)，就會(huì)增加機(jī)器及旋轉(zhuǎn)部件的振動(dòng)，甚至?xí)l(fā)生故障，導(dǎo)致可能的破壞，這包括加工精度不夠、機(jī)械斷裂、甚至人身傷害。為了提高機(jī)器的加工精度、減少對(duì)機(jī)器的損害及對(duì)人身的傷害，就必須對(duì)機(jī)器旋轉(zhuǎn)部件的振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量或監(jiān)測(cè)，使機(jī)器在超出可接受振動(dòng)極限或共振點(diǎn)附近時(shí)可以關(guān)閉或暫停機(jī)器，或由一種控制設(shè)備在機(jī)器超出不同設(shè)定限制范圍時(shí)執(zhí)行不同的動(dòng)作，讓振動(dòng)恢復(fù)至可接受的限制范圍內(nèi)。從而保證加工產(chǎn)品的精度且避免工作在共振點(diǎn)的附近，進(jìn)而避免損壞或是避免發(fā)生進(jìn)一步的損壞。
目前，常用的振動(dòng)測(cè)量裝置是采用測(cè)量線圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)大小來(lái)判斷振動(dòng)的結(jié)構(gòu)，由于磁場(chǎng)本身的不均勻分布很難消除，且一些設(shè)備或儀器工作過(guò)程中亦會(huì)產(chǎn)生一些磁場(chǎng)分布，因此存在測(cè)量振動(dòng)的頻帶不夠?qū)?，振幅的?dòng)態(tài)范圍小，特別是在測(cè)量微弱振動(dòng)信號(hào)時(shí)靈敏度低，使得其應(yīng)用領(lǐng)域受到很大限制。
一種現(xiàn)有軸承振動(dòng)加速度測(cè)量的信號(hào)的拾取裝置的結(jié)構(gòu)，如圖6所示，其用以拾取軸承20的振動(dòng)，其由加速度計(jì)21、測(cè)力彈簧22、傳動(dòng)桿23、底座24、端蓋25、套筒26等結(jié)構(gòu)組成，傳動(dòng)桿21與軸承26的非轉(zhuǎn)動(dòng)部分相接觸，在振動(dòng)測(cè)量時(shí)，被測(cè)軸承20的內(nèi)圈被驅(qū)動(dòng)軸(圖未示)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，軸承20外圈受軸向負(fù)載的作用保持靜止，軸承20外圈外徑表面徑向振動(dòng)通過(guò)傳動(dòng)桿23傳入加速度計(jì)21并轉(zhuǎn)變成電荷量由電纜輸出，進(jìn)而分析其振動(dòng)。
上述測(cè)量方法均為接觸式測(cè)量，其需要與被測(cè)物體相接觸才能有效感知被測(cè)物的振動(dòng)狀態(tài)，故，其無(wú)法直接量測(cè)高速旋轉(zhuǎn)物體如精密機(jī)械加工的高速旋轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容鑒于以上內(nèi)容，有必要提供一種非接觸振動(dòng)測(cè)量及監(jiān)控系統(tǒng)。
一種振動(dòng)測(cè)量及監(jiān)控系統(tǒng)，用以對(duì)一被測(cè)物的振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量或監(jiān)控，其包括一激光系統(tǒng)，該激光系統(tǒng)可發(fā)射一激光束；一光感測(cè)系統(tǒng)，該光感測(cè)系統(tǒng)與所述激光系統(tǒng)相對(duì)設(shè)置，該光感測(cè)系統(tǒng)與所述激光系統(tǒng)相對(duì)設(shè)置，用以感測(cè)所述激光系統(tǒng)發(fā)出的激光束傳輸至光感測(cè)系統(tǒng)的光強(qiáng)度變化，所述被測(cè)物部分阻斷激光系統(tǒng)及光感測(cè)系統(tǒng)之間的光束；一處理系統(tǒng)接收光感測(cè)系統(tǒng)輸出的電流信號(hào)且經(jīng)轉(zhuǎn)換處理計(jì)算旋轉(zhuǎn)軸的位置，再結(jié)合時(shí)間的量測(cè)，計(jì)算處理出被測(cè)物的振動(dòng)參數(shù)。
相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)，所述振動(dòng)測(cè)量及監(jiān)控系統(tǒng)利用激光的光束受到物體遮蔽后，產(chǎn)生光強(qiáng)度變化，利用光傳感器測(cè)得光強(qiáng)度變化而輸出的電流信號(hào)的改變，即可結(jié)合時(shí)間的量測(cè)計(jì)算出物體的振動(dòng)量。其采用光學(xué)非接觸式測(cè)量，被測(cè)物體-旋轉(zhuǎn)軸始終不接觸測(cè)量系統(tǒng)，可避免使被測(cè)物體-旋轉(zhuǎn)軸表面會(huì)因摩擦而導(dǎo)致受損，且可對(duì)高速運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行振動(dòng)量測(cè)。且其未利用常規(guī)壓電傳感器，其可抗電磁干擾及強(qiáng)輻射、測(cè)試頻帶寬、精度高，應(yīng)用領(lǐng)域大大擴(kuò)展。
另外，因光束傳播速度快，其對(duì)振動(dòng)變化的響應(yīng)快，進(jìn)而能測(cè)量到的振動(dòng)頻帶寬。
再次，因光感測(cè)系統(tǒng)可測(cè)知的強(qiáng)度變化范圍大，因而可測(cè)量的振幅的動(dòng)態(tài)范圍大，且振動(dòng)信號(hào)甚至微弱振動(dòng)信號(hào)引起的光強(qiáng)度變化均能被光接受組件所接收，故靈敏度高。

圖1是本發(fā)明振動(dòng)測(cè)量及監(jiān)控系統(tǒng)較佳實(shí)施方式的示意圖；圖2是本發(fā)明振動(dòng)測(cè)量及監(jiān)控系統(tǒng)的激光系統(tǒng)較佳實(shí)施方式示意圖；圖3是本發(fā)明振動(dòng)測(cè)量及監(jiān)控系統(tǒng)較佳實(shí)施方式振動(dòng)掃描示意圖；圖4是高斯激光束的場(chǎng)分布特性圖；圖5(A)是高斯激光束的光強(qiáng)度分布曲線圖5(B)是高斯激光束的光強(qiáng)度積分區(qū)域示意圖；圖6是現(xiàn)有振動(dòng)測(cè)量示意圖。
具體實(shí)施方式請(qǐng)參閱圖1及圖2，本發(fā)明較佳實(shí)施方式的振動(dòng)測(cè)量及監(jiān)控系統(tǒng)1用以測(cè)量或監(jiān)控一旋轉(zhuǎn)軸10的振動(dòng)參數(shù)，該振動(dòng)測(cè)量及監(jiān)控系統(tǒng)1包括一激光系統(tǒng)11、一光感測(cè)系統(tǒng)12及一處理系統(tǒng)(圖未示)以及一結(jié)果輸出裝置(圖未示)。激光系統(tǒng)11用以發(fā)出平行的激光束13，其由激光器111及多個(gè)透鏡112構(gòu)成，該激光器111通常為氣體激光器，如氦-氖激光器，其發(fā)出的激光束為高斯光束。光感測(cè)系統(tǒng)12與激光系統(tǒng)11相對(duì)設(shè)置，其通過(guò)光傳感器121感測(cè)入射至其表面的光強(qiáng)度分布并轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)輸出。處理系統(tǒng)可為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或微處理器，其接收光感測(cè)系統(tǒng)12輸出的電流信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換處理計(jì)算旋轉(zhuǎn)軸的位置(詳后述)，再結(jié)合時(shí)間的量測(cè)，計(jì)算處理出轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)參數(shù)。結(jié)果輸出裝置用以將所測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)參數(shù)輸出，其可為一顯示接口或打印設(shè)備，亦可為自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，處理系統(tǒng)中設(shè)定其正常振動(dòng)范圍，當(dāng)被測(cè)物體振動(dòng)超出設(shè)定范圍即通過(guò)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)給操作人員警示或由控制裝置自動(dòng)調(diào)節(jié)。
工作時(shí)，使被測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸10垂直與激光束13置于激光系統(tǒng)11及光感測(cè)系統(tǒng)12之間，開(kāi)啟該振動(dòng)測(cè)量及監(jiān)控系統(tǒng)1，激光系統(tǒng)11發(fā)出激光束13，該激光束13部分為旋轉(zhuǎn)軸10所阻斷。當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸10轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，旋轉(zhuǎn)軸10在其徑向振動(dòng)，使激光束13被旋轉(zhuǎn)軸10所阻斷的部分發(fā)生變化，從而入射至光感測(cè)系統(tǒng)12的光強(qiáng)發(fā)生變化，光感測(cè)系統(tǒng)12將光強(qiáng)的變化信號(hào)轉(zhuǎn)變成電流信號(hào)輸給處理系統(tǒng)，處理系統(tǒng)處理計(jì)算出轉(zhuǎn)軸的位置，并結(jié)合時(shí)間的量測(cè)得出轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)參數(shù)并通過(guò)輸出裝置輸出。
可以理解，如非特殊需要，亦可省去結(jié)果輸出裝置，而由控制設(shè)備直接根據(jù)測(cè)量或監(jiān)控結(jié)果控制機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)，另，本發(fā)明振動(dòng)測(cè)量及監(jiān)控系統(tǒng)亦可對(duì)其他非旋轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量及監(jiān)控。
請(qǐng)參圖4至圖5，所述振動(dòng)測(cè)量及監(jiān)控方法是應(yīng)用激光刀緣法原理，以下就本振動(dòng)測(cè)量及監(jiān)控方法的實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。當(dāng)激光以基本的橫向電磁模態(tài)震蕩，則產(chǎn)生的光束強(qiáng)度為高斯空間分布形態(tài)，如此的激光束13稱為高斯光束，其電場(chǎng)分布，如圖3所示，若以數(shù)學(xué)模型來(lái)表示，則可寫(xiě)成E(r,z)=E0W0W(z)×exp(-r2W2(z))---(a)]]>
×exp{-j[kz-tan(zzR)]}---(b)---(Eq-1)]]>×exp[-jkr22R(z)]---(c)]]>上式等號(hào)后第一項(xiàng)(a)為一振幅因子(Amplitude factor)，其表示振幅r值而改變的關(guān)系；而第二項(xiàng)(b)為光波沿軸向(longitudinal)z的相位變化關(guān)系；第三項(xiàng)(c)則為表示光波沿徑向(Radial)r的相位變化關(guān)系。
其中，r＝(x2+y2)0.5，W0為束腰半徑(Beam waist radius)，E0為束腰處的電場(chǎng)強(qiáng)度，λ為波長(zhǎng)，j為虛數(shù)符號(hào)。在該平面上，光波波前(Wave front)的曲率半徑R(0)→∞，為一平面且光束的直徑最小。W(z)和R(z)分別為距束腰半徑(Beam waist)距離為z的平面上的光點(diǎn)半徑(Spot size或Beamsize)及其波前的曲率半徑，且波數(shù)k=2πλ,]]>若把原點(diǎn)(z＝0)設(shè)在腰部則W(z)=W0[1+(λzπW02)2]1/2=W0[1+(zzR)2]1/2---(Eq-2)]]>R(z)=[1+(πW02λz)2]=z[1+(ZRZ)2]---(Eq-3)]]>上式中，ZR=πW02λ]]>定義為雷利范圍(Rayleigh range)，束腰(Waist)處距離為ZR(Z＝ZR)的平面上，其光點(diǎn)面積正好為束腰面積(Waist area)的兩倍[W(zR)＝W0]，且其波曲率半徑R為最小。
當(dāng)光束傳播距離z＞＞ZR時(shí)，R≈z，W≈λzπW0,]]>高斯光束近似一位在腰部的點(diǎn)光源發(fā)出的光，其法發(fā)散角(Divergence angle)可近似為θ=dW(z)dz=W0ZR=λπW0---(Eq-4)]]>由此可見(jiàn)W0及λ決定了高斯光束的所有性質(zhì)。
由于光波的電場(chǎng)變化甚快，故在檢測(cè)上皆以光強(qiáng)度的方式處理。而通常檢測(cè)系統(tǒng)是檢測(cè)到光的強(qiáng)度分布而不是振幅，因此由(Eq-1)式和其公軛復(fù)數(shù)相乘而得光的強(qiáng)度分布，以直角坐標(biāo)表的如下
I=E·E*=I0exp{-2[(x-x0)2+(y-y0)2W2}---(Eq-5)]]>其中x0，y0是光束的中心；I0-Imax為光束中心點(diǎn)的光強(qiáng)度；W為光束截面半徑(spot size或beam size)，是高斯光束的半徑，定義成光強(qiáng)度I0自中心點(diǎn)向兩邊降至I0的e-2(約為0.1353倍)時(shí)，兩點(diǎn)間跨越距離的一半。
請(qǐng)同時(shí)參閱圖1與圖4，假定掃描的方向是x軸，則未被旋轉(zhuǎn)軸10遮避的部分激光束13，經(jīng)由傳感器121所接受的光強(qiáng)度信號(hào)為S(xa)=∫-∞∞∫xa∞I(x,y)dxdy]]>=∫-∞∞∫xa∞I0exp{-2[(x-x0)2+(y-y0)2]W2}dxdy]]>(Eq-6)=I0(πW22)12∫xaexp{-2(x-x0)2W2}dx]]>其中xa為旋轉(zhuǎn)軸10邊緣在x坐標(biāo)軸所在位置。
由上式(Eq-6)可得到整個(gè)激光束區(qū)域的光強(qiáng)度分布曲線如圖5(A)所示。今考慮兩個(gè)位置的相應(yīng)差值，亦即xk與xk+Δx所對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)度信號(hào)差為SA(xk)-SB(xk+Δx)=∫-∞∞∫xk+ΔxxkI(x,y)dxdy---(Eq-7)]]>上式(Eq-7)的結(jié)果相當(dāng)于圖5(B)中類似狹縫區(qū)域部分的光強(qiáng)度作積分。
若將S(xa)除上激光總能量引起的信號(hào)S(∞)；即全部激光束13未被遮斷(xa→-∞)的總能量信號(hào)，則可將S(xa)做正規(guī)化處理，得一無(wú)因次量光強(qiáng)度信號(hào)，抵抗因環(huán)境撓動(dòng)造成量測(cè)信號(hào)的變化為S‾(xa)=S(xa)S(∞)=(2πω2)12∫xa∞exp[-2(x-x0)ω]dx---(Eq-8)]]>通過(guò)以上所述數(shù)學(xué)模型，通過(guò)被測(cè)轉(zhuǎn)軸阻斷光源與光傳感器之間的光束，造成傳感器表面光強(qiáng)度變化，利用光傳感器測(cè)知光強(qiáng)度變化輸出變化的電流信號(hào)，再經(jīng)過(guò)ADC(模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，Analog-Digital converter)轉(zhuǎn)換后以計(jì)算機(jī)或微處理器經(jīng)Eq-7、Eq-8計(jì)算到轉(zhuǎn)軸位置，結(jié)合時(shí)間軸的測(cè)量，則可以得到轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)量。
權(quán)利要求
1.一種振動(dòng)測(cè)量及監(jiān)控系統(tǒng)，用以對(duì)一被測(cè)物的振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量或監(jiān)控，其特征在于該振動(dòng)測(cè)量及監(jiān)控系統(tǒng)包括一激光系統(tǒng)、一光感測(cè)系統(tǒng)及一處理系統(tǒng)，所述激光系統(tǒng)可發(fā)射一激光束，所述光感測(cè)系統(tǒng)與所述激光系統(tǒng)相對(duì)設(shè)置，用以感測(cè)所述激光系統(tǒng)發(fā)出的激光束傳輸至光感測(cè)系統(tǒng)的光強(qiáng)度變化，所述被測(cè)物部分阻斷激光系統(tǒng)及光感測(cè)系統(tǒng)之間的光束，所述處理系統(tǒng)接收光感測(cè)系統(tǒng)輸出的信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換處理計(jì)算旋轉(zhuǎn)軸的位置，再結(jié)合時(shí)間的量測(cè)，計(jì)算處理出轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)參數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的振動(dòng)測(cè)量及監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于該振動(dòng)測(cè)量及監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)一步包括一結(jié)果輸出裝置。
3.如權(quán)利要求1所述的振動(dòng)測(cè)量及監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于該激光系統(tǒng)由激光器與多個(gè)透鏡構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求1所述的振動(dòng)測(cè)量及監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于該激光器是氣體激光器。
5.如權(quán)利要求1或4所述的振動(dòng)測(cè)量及監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于該激光器是氦-氖激光器。
6.如權(quán)利要求1所述的振動(dòng)測(cè)量及監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于該激光束為高斯光束。
7.如權(quán)利要求1所述的振動(dòng)測(cè)量及監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于該光感測(cè)系統(tǒng)包括一光傳感器。
8.如權(quán)利要求7所述的振動(dòng)測(cè)量及監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于該光傳感器為光敏二極管。
9.如權(quán)利要求1所述的振動(dòng)測(cè)量及監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于該處理系統(tǒng)為一計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
10.如權(quán)利要求1所述的振動(dòng)測(cè)量及監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于該處理系統(tǒng)為一微處理器。
11.如權(quán)利要求2所述的振動(dòng)測(cè)量及監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于該結(jié)果輸出裝置為顯示接口、打印設(shè)備、報(bào)警系統(tǒng)中一種或幾種相結(jié)合。
全文摘要
本發(fā)明提供一種振動(dòng)測(cè)量及監(jiān)控系統(tǒng)，用以對(duì)一被測(cè)物的振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量或監(jiān)控。該振動(dòng)測(cè)量及監(jiān)控系統(tǒng)包括一激光系統(tǒng)，該激光系統(tǒng)可發(fā)射一激光束；一光感測(cè)系統(tǒng)，該光感測(cè)系統(tǒng)與所述激光系統(tǒng)相對(duì)設(shè)置，所述被測(cè)物部分阻斷激光系統(tǒng)及光感測(cè)系統(tǒng)之間的光束；一處理系統(tǒng)根據(jù)感測(cè)系統(tǒng)感測(cè)的結(jié)果處理計(jì)算旋轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)。其采用光學(xué)非接觸式測(cè)量，可對(duì)高速運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行振動(dòng)量測(cè)，且可抗電磁干擾及強(qiáng)輻射、測(cè)試頻帶寬、精度和靈敏度高，應(yīng)用領(lǐng)域大大擴(kuò)展。
文檔編號(hào)G01M7/00GK1924536SQ20051003703
公開(kāi)日2007年3月7日 申請(qǐng)日期2005年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月2日
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