离心机大臂动态半径长度的测量

*军　孙群学　任顺清
　　文　摘　测量离心机大臂动态半径长度是离心机研制工作的关键和难点,文中不仅介
绍了准确测量离心机大臂半径长度的方法,同时进行了测量误差的分析。
　　主题词　离心机　+ 动态半径　动态测量　测量误差
1 　引言
　　测量离心机在动态情况下的大臂半径长度一直是离心机研制工作的关键和难点,人们在不断的寻求解决措施。本文提出了两种测量离心机大臂动态半径长度的方法。
　　1） 首先确定离心机大臂的初始长度R0 ,即静态半径。然后在动态下,测量离心机大臂半径R 的增量ΔR ,从而确定R 的长度。
　　2） 将动态测量与静态测量分开进行,在静态测量的基础上,通过测量半径增量ΔR 的长度来修正离心机实际工作半径R 的值。
这两种方法中,测量R 增量ΔR 的方法是相同的。本文在论述测量方法的同时,讨论了测量误差。
2 　确定R 的初始值R0 （即静态半径）
2.1 　检测步骤
　　首先在高准确度速率转台上作如下试验:将一高准确度、高灵敏度、有良好重复性的加速度计安装在殷钢米尺的一端, 该殷钢米尺与*标准米尺比对产生, 度可达0.001mm。将殷钢米尺安装在速率台水平位置, 并使速率转台转动轴心在殷钢米尺另一端平面内,也就是说,将加速度计安装在距离速率转台转动轴心的一个可以确定的位置上,然后,给定角速率ωsi ,与此同时,记录相应的加速度计输出值usi 。根据输入输出数据,可以计算出加速度计质心到安装面的距离r :
usi = （ Rs + r）ω2si （1）
式中: Rs —殷钢米尺长度。
将该加速度计移至离心机大臂基准面上,在给定的角速率ωL 下,记录加速度计的输出ui 。
ui = （ R0 + r）ωL （2）
式中: R0 —离心机大臂静态半径。
由公式（1） 和公式（2） ,可以计算出离心机静态半径R0 。
R0 =ui/ω2 L usi/ω2si+ Rs （3）
2.2 　误差分析
　　殷钢米尺与国家I 级标准殷钢米尺比对产生, Rs = 1m,测量不确定度可达0. 001mm。若离心机大臂半径长度为2. 5m,则由Rs 尺寸误差产生的R0 误差值为0. 0025mm即2. 5μm。ωsi 与ωLi的速率相对不确定度小于0. 0001 ,只能影响R0 到纳米量级。因此, R0 的误差来源主要是Rs 的误差,为了控制Rs 的误差增长,可将殷钢米尺置于恒温环境中,该恒温环境温度与其标定时的温度相同。目前,此类温度控制误差很容易作到±012 ℃,将殷钢米尺置于该环境中,尺寸zui大变化量为
ΔLmax = 0.4 ℃×1000mm ×0.3 ×10- 6/ ℃= 0.00012mm
　　殷钢米尺由环境温度变化而产生的尺寸误差为0. 12μm。为了减小R0 的误差,在速率台和离心机上进行试验时,ωsi 和ωL 应尽量保持相等,且速率不要过高。这样,殷钢米尺的长度和离心机半径的长度可以认为是其静态值。在离心机高速转动的动态条件下, R 值要产生增量ΔR ,偏离了静态半径R0 的初值,此时
R = R0 +ΔR （4）
　　如何检测ΔR 值,在下一节讨论。
3 　R 值的动态测量
　　测量R 值的动态长度的测量仪器,可以安装在大臂上,随大臂一起运转。也可以将测量仪器与离心机基础固联,我们采用第二种形式。安装形式及检测方法如图1 所示。

　　该方法通过大臂两端微位移装置带动激光测长仪。其中, 一端微位移装置可作横向微位移,另一端在横向位移的同时,还可以作纵向微位移。在位移装置的位移杆上设置了触点,与离心机大臂触点对应。同时在两对应触点之间设置一个电位差, 当触点接触时产生一个阶跃信号,在微位移装置位移杆另一端安装电容测微仪传感器,检测其位移量。
微位移可采用电致伸缩陶瓷微位移器,也可以采用热膨胀微位移调节器来实现,位移器每一个步距均可达到0105μm。目前机械加工普通表面粗糙度可达0105μm。采用该方法可以捕捉到离心机大臂端面的位置R 长度信号, 目前, 在动态下该位置信号采用其它传感器均难以准确测量。触点可采用金镍九制作,该材料耐磨损, 且具有良好的导电性能。工作中, 两触点始终保持微接触状态,磨损量极小,另一方面,所采用的是增量检测,误差不会累积。
3.1 　检测步骤
　　静态下,通过微位移控制系统,使微位移杆触头与离心机大臂触头微接触, 即前进一步接触,产生接触信号。后退一步,脱离接触,接触信号消失。然后, 用激光测距仪表, 测量大臂半径R 的长度。测量过程中,调节横向、纵向微位移,当R 取得zui大值时,即为离心机大臂半径长度的当前值,设其为R0 ,记录大臂两端电容测微仪的值,然后使触点脱离接触。
离心机工作状态下,重复上述过程,读取电容测微仪测试增量, 可以得到离心机工作状态下大臂半径长度的增量ΔR 。此时离心机大臂半径长度为R = R0 +ΔR 。
在测量R 增量ΔR 的同时,可通过激光测长仪测量R 的长度及增量ΔR 。如果测量结果与测微仪测量结果不一致,则说明测试基础发生了变化, 应对数据进行修正, 从而确定离心机大臂长度的值。
3.2 　误差分析
　　ΔR 的测量误差由以下几部分构成
1） 两触点接触表面平面度造成的误差。目前表面粗糙度不难达到0. 012μm,表面平面度造成的误差zui大值不会超过0. 012μm。
2） 电致伸缩陶瓷微位移器步距产生的误差。目前, 电致伸缩陶瓷微位移器步距可达0.05μm,由此产生的误差不大于0.05μm。
3） 电容测微仪的测量误差。若采用FDCII 型电容测微仪,测量误差不大于0 . 005μm。
所以,ΔR 测量误差的zui大值为ΔRLmax = 0. 012 + 0. 05 + 0. 005 = 0. 067μm
　　ΔR 的全部测量过程均在测微仪监测之下,其误差取决于测微仪的误差,不会超过上述结
果。
4 　R 增量检测方法应用领域的扩展
　　上述检测R 增量的方法,可以用来检测离心机大臂的挠度, 也可以检测离心机大臂的平衡状态。
5 　结论
1） 本文提出的检测离心机初始长度R0 的方法,是一个简单易行的方法。可以利用现有的检测设备,实验、实施。
2） 检测R 增量的方法,可以与激光测长仪配合,使静态测量与动态测量分开进行,避免检测设备安装在离心机大臂上的麻烦。解决了动态下,大臂半径长度位置信号由大臂外侧难以捕捉的问题,能测量R 的增量。可以与激光测长仪互补,获得的技术指标。
3） 上述检测方法的实现,能够简化离心机的设计,应进一步加强该方法的实验研究工作,提高离心机的技术指标。