一、引言

在機(jī)械系統(tǒng)中，回轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性直接影響設(shè)備的運(yùn)行精度與可靠性。針對回轉(zhuǎn)軸同心度檢測及偏移量測量的需求，本文基于激光三角法原理，采用泓川科技 LTP030U 超寬光斑激光位移傳感器，構(gòu)建了一套非接觸式動態(tài)測量方案，實(shí)現(xiàn)了對電機(jī)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)偏移量的高精度實(shí)時監(jiān)測。

二、測量需求與挑戰(zhàn)

1. 同心度判定：確定轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時是否圍繞固定中心軸線運(yùn)動。

2. 偏移量量化：若不同心，精確測量旋轉(zhuǎn)過程中的徑向偏移幅度。

傳統(tǒng)接觸式測量易引入機(jī)械磨損與附加應(yīng)力，且動態(tài)響應(yīng)不足。激光三角法憑借 μm 級精度、非接觸特性及高速測量能力，成為理想解決方案。

三、測量方案設(shè)計(jì)

（一）硬件選型

• 測量范圍：±5mm（量程 10mm）

• 重復(fù)精度：0.15μm（靜態(tài)）

• 線性度：±0.02%F.S.（F.S.=10mm）

• 采樣頻率：最高 160kHz（全量程縮小至 20% 時）

• 光斑特性：35×1100μm 超寬光斑，適配軸類曲面測量

• 接口能力：RS485、模擬量（0-5V/4-20mA）、外部觸發(fā)

（二）系統(tǒng)搭建

1. 安裝布局

• 傳感器與轉(zhuǎn)軸中心距離調(diào)整為 30mm（測量中心距離），確保光斑垂直投射于軸表面。

• 采用 M5 內(nèi)六角螺釘固定傳感器，通過安裝孔（2×Φ5.0mm）保證機(jī)械穩(wěn)定性，如圖 1 所示。
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  圖 1 傳感器安裝尺寸示意圖

2. 電氣連接

• 電源：DC 9-36V，配置過流 / 反向保護(hù)。

• 數(shù)據(jù)傳輸：選用 RS485 接口（波特率可配置），連接至工業(yè)計(jì)算機(jī)，通過配套 C++ 開發(fā)包實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時采集。

• 觸發(fā)控制：接入外部電平信號，實(shí)現(xiàn)采樣保持與單脈沖觸發(fā)同步。

四、測量方法步驟

（一）預(yù)校準(zhǔn)

1. 零點(diǎn)標(biāo)定：使用標(biāo)準(zhǔn)陶瓷樣件（反射率匹配軸表面），在靜止?fàn)顟B(tài)下對傳感器進(jìn)行歸零，消除初始偏移。

2. 線性度驗(yàn)證：通過納米級激光干涉儀標(biāo)定，確認(rèn)傳感器線性度滿足 ±0.02% F.S. 指標(biāo)。

（二）動態(tài)測量流程

1. 參數(shù)配置

• 工作模式：獨(dú)立主機(jī)模式，無需額外控制器。

• 響應(yīng)時間：選擇 40μs（LTP030U 最高配置），匹配轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)頻率。

• 采樣策略：啟用 160kHz 高頻采樣（全量程壓縮至 2mm），確保每個旋轉(zhuǎn)周期采集≥1000 個數(shù)據(jù)點(diǎn)。

2. 數(shù)據(jù)采集

• 電機(jī)通電后，傳感器持續(xù)投射超寬激光光斑至軸表面，反射光經(jīng)透鏡聚焦至光敏元件，實(shí)時計(jì)算光斑位置偏移。

• 通過 RS485 接口以數(shù)據(jù)包形式傳輸原始位移數(shù)據(jù)（單位：μm），同步記錄時間戳。

3. 觸發(fā)與同步：利用電機(jī)轉(zhuǎn)軸鍵相器輸出的脈沖信號觸發(fā)采樣，確保每個旋轉(zhuǎn)周期起始點(diǎn)對齊，便于后續(xù)角度域分析。

五、算法方式

（一）三角法原理算法

• $d$：被測物體位移

• $b$：激光源與透鏡間距（基線距離）

• $f$：透鏡焦距

• $\theta$：激光束與透鏡光軸夾角

• $s$：光斑在光敏元件上的偏移量

（二）動態(tài)數(shù)據(jù)處理算法

1. 數(shù)字濾波：采用 5 點(diǎn)滑動平均濾波，抑制高頻噪聲（如環(huán)境振動干擾）。

2. 特征提取

• 峰谷值計(jì)算：每個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，提取位移最大值與最小值之差，表征徑向跳動幅度。

• 軸心軌跡重建：基于鍵相脈沖同步數(shù)據(jù)，將位移信號分解為角度域坐標(biāo)（θ, r (θ)），繪制軸心軌跡圖，定位偏心方向。

3. 誤差補(bǔ)償：內(nèi)置溫度漂移補(bǔ)償算法，根據(jù)環(huán)境溫度（0-50℃）實(shí)時修正測量值，補(bǔ)償系數(shù)為 0.03% F.S./℃。

六、測試結(jié)果與分析

（一）實(shí)驗(yàn)條件

• 被測對象：某伺服電機(jī)轉(zhuǎn)軸，直徑 Φ20mm，額定轉(zhuǎn)速 3000rpm（周期 20ms）。

• 環(huán)境參數(shù)：溫度 25℃，濕度 50% RH，無顯著振動。

（二）測試結(jié)果

1. 同心度判定：通過連續(xù) 3 個周期的軸心軌跡分析，發(fā)現(xiàn)軌跡呈橢圓狀，判定為非同心旋轉(zhuǎn)。

2. 偏移量量化

• 三次重復(fù)測試峰谷值分別為：0.115mm、0.117mm、0.116mm，平均值 0.116mm，重復(fù)性誤差≤1.7%。

• 頻譜分析顯示，主振動頻率與轉(zhuǎn)速頻率一致（50Hz），確認(rèn)偏移由機(jī)械偏心引起。

（三）誤差來源

• 系統(tǒng)誤差：線性度誤差 ±0.02%×10mm=±2μm，溫度漂移 0.03%×10mm×(25℃)=7.5μm，合計(jì)≤9.5μm。

• 隨機(jī)誤差：主要來自激光散斑噪聲，通過高頻采樣與數(shù)字濾波控制在 ±5μm 以內(nèi)。

七、結(jié)論