主轴测量的转速和带宽

电容式传感器技术说明LT03-0033

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总结

旋转的主轴会产生许多不同频率的误差运动。 这些频率取决于转速,轴承部件形状误差,外部影响和其他来源。 对这些频率的检查表明,一个15 kHz的带宽足以准确测量高速主轴。

主轴运动

非接触式传感器测量旋转主轴在一个轴向上的误差运动。 该轴向上的运动频率决定了传感器所需的带宽。

主轴误差测量通常使用多轴传感器进行。 要了解如何进行这些测量,请仅考虑这些传感器之一。 当目标朝向和远离传感器移动时,单个非接触式传感器可测量旋转目标在一个轴向上的位移。

测量系统的带宽必须能够测量主轴在该轴向上的运动频率。 即使对于非常高速的主轴,这些频率也通常在测量系统的能力范围内。

传感器带宽

在15 kHz带宽下,传感器输出在70 kHz时降低到15%。 频率响应直到大约10 kHz为止都是平坦的。

Lion Precision CPL190和CPL290电容式传感器“平坦”到大约10 kHz,这意味着以10 kHz移动的目标的测量是准确的。

 

当它们平坦至10 kHz时,“带宽”为15 kHz。 至关重要的一点是,任何传感器的带宽规格都是将输出电压降低到较低频率(或DC)输出电平的70.7%(-3dB)的频率。 这意味着以15 kHz移动且位移为10 µm的目标仅被测量为7 µm。

 

基本频率

由于偏心,所有旋转目标每转都会显示一个错误运动周期。 这确定了“基本频率”,并且始终为:

基本频率(Hz)= RPM / 60

具有10 kHz平坦频率响应的传感器可以以高达600,000 RPM的速度准确测量目标的基本运动。 标准的15 kHz带宽传感器可以可靠且重复地测量900,000 RPM的转速,尽管实际振幅为70%。

非基本频率

可以相对于基本频率测量所有其他误差运动的频率。 例如,将两倍于基本频率的频率简单标记为“ 2”。 这允许讨论一般情况,而不是诉诸于可能与个别情况不相关的特定频率的示例。

主轴的误差运动中也存在除基本频率以外的频率。 轴承部件,安装座,电机,驱动器,结构振动和其他因素的不完善都会导致产生独特的频率。 这些误差运动发生在基频的整数倍和非整数倍处。

同步误差运动

同步误差运动的典型频率分布。 同步误差运动发生在基频的整数倍处。

误差运动是基频的整数倍,因为它们随着主轴的每次旋转在相同的角度位置重复,因此被称为“同步”。 同步误差是转子和定子缺陷,安装应力以及影响转子或定子形状的其他来源的结果。

定子和转子形状误差

同步错误运动会创建“凸起”图案。 较高数量的波瓣需要较高的带宽才能进行精确测量。

定子和转子不是完美的圆形。 这些缺陷会在主轴运动中产生额外的频率,这些频率始终与基本频率同步。 两瓣和三瓣形状是常见的非圆度误差。 这些形状误差产生的主轴运动频率是基本频率的两倍和三倍。 见右图。

以200,000 RPM的速度旋转时,平坦到10 kHz的系统准确记录了三个波瓣的误差。

安装导致的错误

主轴的安装会在轴承结构中产生应力,从而导致轻微的变形。 这些会产生同步误差运动,并且与定子和转子的形状误差基本相同,但是形状误差是由安装应力引起的。 这些错误可能发生在基频或更高频率。 从理论上讲,每个安装紧固件都可以为同步误差运动增加另一个凸角。

电机磁极打印直通

电动机中的磁极在电动机的转子上产生法向力,该法向力在磁极处时不同于在磁极之间时。 这种变化的力在每次旋转时循环出现。 根据主轴轴承的刚度,这种变化的力可能会作为主轴中的误差运动出现。 该运动与基频同步。

驱动电机中的极数决定了打印通过误差的形状。 例如,一个八极电动机会产生一个八瓣模式,并且可以通过平坦至8 kHz的系统以高达75,000 RPM的速度进行精确测量。 典型的驱动电机具有10、4或6极。 大型电机可能具有更多的磁极,但是由于其尺寸较大,它们以慢得多的速度旋转,从而使误差运动频率相对较低。

异步误差运动

某些误差运动发生在基频非整数倍的频率上。 尽管这些错误可能具有重复周期,但它们不会在主轴旋转的相同角度位置重复; 它们与基频不同步。

结构振动

机器结构本身将具有自然的共振频率,该共振频率会出现在主轴运动中。 由于机器结构的大小和质量,这些频率通常较低(10-30 Hz),并且可能与基本频率同步或不同步。 由于它们的频率低,它们很容易被传感器测量。

滚动轴承(异步误差)

每个轴承组件都有一个独特的直径,从而产生了独特的误差运动频率。

滚动轴承具有四个基本组成部分:滚动元件本身(滚珠或滚子),内圈,外圈和保持架。 随着轴承的转动,这些元件发生机械相互作用。 它们固有的缺陷会引起轴承力和旋转轴的偏差,从而导致主轴误差运动。

每个轴承组件都有自己的形状误差,这些误差会在主轴上产生误差运动。 轴承部件直径的比值以及滚动元件的接触角决定了与基本频率的关系。 为了防止主轴内发生共振,特意选择的轴承,以使这些频率与主轴转子不同步。 因此,这些错误发生在基频的非整数倍处。

轴承频率

异步误差运动在“轴承频率”处的典型频率分布。 大多数分布低于基本频率的4.5倍。

右边的频率分布显示了典型的滚珠轴承的轴承频率发生的位置。 滚珠轴承以略高于基本频率2倍的频率显示内圈(滚珠)。 保持架频率略小于基本频率的一半。

在右图中,谐波发生在4±保持架频率处,而外圈则刚好超过3。在基频4.5倍以上几乎没有活动。 对高达130,000 RPM的主轴,通过平坦至10 kHz的系统可以将这些误差运动进行准确的测量。

下表是典型轴承频率的另一个示例,显示为基本频率的倍数3。 此处最高频率为8.32。 对高达70,000 RPM的主轴,通过平坦至10 kHz的系统可以将这些误差运动进行准确的测量。

球数 球直径 节圆直径

球通过 外圈

球通过 内圈

保持架(FTF)

旋转球
15 0.312" 2.854" 6.68 8.32 0.45 4.52

 

总结

尽管主轴速度随时间急剧增加,但主轴产生的误差运动频率仍在以下范围内: Lion Precision传感器系统 15 kHz带宽。 的 主轴误差分析仪 当与高速主轴一起使用时,是一种有效而准确的工具。

参考文献

1 -  精密主轴计量,埃里克·马什(Eric R. Marsh),2008,DesTech出版:宾夕法尼亚州兰开斯特。

2 –滚动轴承分析,Tedric A. Harris,1991年,John Wiley&Sons:纽约

3 - 轴承频率,NTN美洲