一种同轴度自动调整装置及调整方法与流程

本发明涉及一种同轴度自动调整装置及调整方法，特别是涉及一种应用于具有内外筒结构电气设备的同轴度自动调整装置及调整方法。

背景技术：

某些高压电气设备一般具有内、外筒结构，且对内、外筒同轴度具有一定的要求。传统方式一般通过对零件的机械加工精度、总装集成精度来实现电气设备内、外筒的同轴度要求；传统方式可以在设备组装初期保证设备同轴度要求，后期在使用过程中随着材料变形、零部件装配关系变化等使内、外筒同轴度发生变化，因为后期无法调整内外筒同轴度可能导致设备无法正常使用，因此不适用于对同轴度要求始终较高的电气设备。

申请号为cn201910671491.5的发明专利公开了一种电子枪的阴极与聚焦极同轴度调整装置、系统及方法，通过旋转微分头实现聚焦极压块带动聚焦极组件在水平方向上滑动，进而调整阴极与聚焦极之间的同轴度。申请号为cn201910381931.3的发明专利公开了一种用于调整法兰同轴度的装置及方法，通过在竖直方向和水平方向分别调整两个管线法兰的同轴度，最终实现两个管线法兰的同轴度和平行度满足使用需求。申请号为cn201910007882.7的发明专利公开了一种应对细短轴的同轴度调节机构，该机构可以进行三轴调整，通过角向偏差调整、平行偏差调整克服了发动机与测功机连接的同轴度问题。以上发明专利均是在安装或调试阶段对部组件的同轴度进行调整，并在调整方法和装置上提出了新的思路，但仅适用于安装调试阶段，对于后期同轴度变化需要再次进行调整的并不完全适用。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有同轴度调整机构及方法仅适用于设备安装调试初期，对于后期同轴度变化需要再次进行调整的并不适用的问题，提供了一种同轴度自动调整装置及调整方法。

该装置和方法在设备外筒两端各布置有四个激光测距仪，通过每端四个激光测距仪测量的内、外筒之间半径差值分别推算两端内、外筒截面圆心之差，并将结果无线回传至控制器内。同时，内、外筒两端各安装有四套间距调整单元，根据控制器发出的无线控制指令，驱动间距调整单元内的电机使内筒两端分别在截面平面内运动，最终使内、外筒两端截面圆心之差在指定范围内。

为了实现上述目的，本发明所采用技术方案如下：

一种同轴度自动调整装置，包括内筒和外筒，所述外筒套装在内筒外部，还包括激光测距仪和调整单元；所述激光测距仪在外筒两端各布置四个，每端四个两两分别呈90°安装于外筒内壁上，且激光测距仪发射的激光束能发射至内筒外壁上；所述调整单元设置在内筒和外筒之间，且两端各布置四个，每端四个两两分别呈90°安装于外筒内壁上，且安装位置与激光测距仪的位置一一对应；所述调整单元包括外支撑组件、内调节组件、旋转螺杆和电机；所述外支撑组件包括外支撑底座、外支撑板、外支撑杆和多根外支撑弹簧；所述外支撑底座的底端与外筒连接，顶端设置有滑槽，所述外支撑板安装在滑槽内，且能够在滑槽内滑动；所述外支撑弹簧设置在外支撑板和外支撑底座之间，且其安装方向与外支撑板的滑动方向垂直；所述外支撑杆为中空结构，其底端固定设置在外支撑板上；

所述内调节组件包括内调节底座、内调节支撑板、内螺旋杆和多根内调节弹簧；所述内调节底座的顶端与内筒连接，底端设置有滑槽，所述内调节支撑板安装在滑槽内，且能够在滑槽内滑动，所述内调节弹簧设置在内调节底座和内调节支撑板之间，且其安装方向与内调节支撑板的滑动方向垂直；所述内螺旋杆的顶端固定设置在内调节支撑板上；所述旋转螺杆的底端通过轴承安装在外支撑杆上，顶端与内螺旋杆螺纹连接；所述电机的壳体固定设置在外支撑板上，电机轴与旋转螺杆连接，所述电机通过电机轴带动旋转螺杆转动，随着旋转螺杆的转动，带动内螺旋杆轴向移动。

进一步地，所述旋转螺杆包括依次连接的第一圆柱段、第二圆柱段和第三圆柱段，所述第一圆柱段为中空结构，通过轴承安装在外支撑杆上，所述第二圆柱段上设置有螺杆传动轴，所述螺杆传动轴与电机轴连接，所述第三圆柱段为中空结构，设置有内螺纹，与内螺旋杆的外螺纹通过螺纹连接。

进一步地，所述第一圆柱段、第二圆柱段和第三圆柱段依次通过多根连接杆连接。

进一步地，所述螺杆传动轴与电机轴通过联轴器连接。

进一步地，所述外支撑底座与外筒配合处为弧面，与外筒内表面配合固定安装。

进一步地，所述内调节底座与内筒配合处为弧面，与内筒外表面配合固定安装。

进一步地，所述外支撑杆的底端设置有第一安装法兰，所述外支撑杆通过第一安装法兰固定设置在外支撑板上。

进一步地，所述内螺旋杆的顶端设置有第二安装法兰，所述内螺旋杆通过第二安装法兰固定设置在内调节支撑板上。

进一步地，所述外支撑杆的中空圆柱端部设置有轴承挡壁，用于对轴承实现轴向限位。

同时，本发明还提供一种基于上述同轴度自动调整装置的同轴度自动调整方法，包括以下步骤：

步骤一、测量内筒与外筒之间的半径间距；

外筒的内径为r，以外筒一端截面圆的圆心为原点建立坐标系oxyz，激光测距仪测量的oz方向内筒和外筒之间的半径间距为d1和d3，ox方向内筒和外筒之间的半径间距为d2和d4；

步骤二、计算控制误差wmin；

2.1)计算内筒一端截面外壁四点拟合圆的坐标值o＝[oxoyoz]^t；

oy＝0

其中，c＝4×[(r-d2)²+(d4-r)²]-(d4-d2)²；

d＝-(d4-d2)×(d3-d1)；

e＝4×[(r-d2)³+(d4-r)³]-[(r-d2)²+(r-d1)²+(d4-r)²+(d3-r)²]×(d4-d2)；

g＝4×[(r-d1)²+(d3-r)²]-(d3-d1)²；

h＝4×[(r-d1)³+(d3-r)³]-[(r-d2)²+(r-d1)²+(d4-r)²+(d3-r)²]×(d3-d1)；

2.2)确定外筒及内筒一端截面圆心之间的距离r；

2.3)计算控制误差wmin；

|rq-r|＝wmin

其中，rq为期望的圆心距离；

步骤三、判断控制误差wmin是否在要求范围内，若在要求范围内，则执行步骤六，若不在要求范围内，则执行步骤四；

步骤四、控制器根据控制误差wmin控制调整单元相应的电机，驱动电机动作实现同轴度的调整；

步骤五、重复步骤一至步骤四，直至控制误差wmin在要求范围内；

步骤六、对内外筒另一端参照步骤一至步骤五进行同轴度调整，最终实现整个内外筒之间同轴度的要求。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果：

1.本发明同轴度自动调整装置和调整方法通过内、外筒两端八套同轴度调整单元可以实现内外筒之间较为准确地同轴度调整；配合八个激光测距仪及相应计算方法可以实时得出内外筒的同轴度便于机构进行实时调整。

2.本发明所提供的调整同轴度装置及方法，利用无线传输的方法可以实现设备内、外筒任意时刻的同轴度调整，比较适合应用于对同轴度要求较高的设备中。

附图说明

图1为本发明同轴度自动调整装置结构示意图；

图2为本发明同轴度自动调整装置剖面图；

图3为本发明同轴度自动调整装置中调整单元结构示意图；

图4为本发明同轴度自动调整装置中调整单元剖面图；

图5为本发明同轴度自动调整装置中外支撑底座结构示意图；

图6为本发明同轴度自动调整装置中内调节底座结构示意图；

图7为本发明同轴度自动调整装置中外支撑杆结构示意图；

图8为本发明同轴度自动调整装置中内螺旋杆结构示意图；

图9为本发明同轴度自动调整装置中旋转螺杆结构示意图。

附图标记：1-外筒，2-激光测距仪，3-外支撑组件，4-旋转螺杆，5-内筒，6-内调节组件，7-电机，8-联轴器，9-外支撑弹簧，10-外支撑板，11-外支撑杆，12-外支撑底座，13-轴承，14-内螺旋杆，15-内调节底座，16-电机轴，17-螺杆传动轴，18-内调节弹簧，19-内调节支撑板，20-外支撑杆安装孔，21-电机安装孔，22-内螺旋杆安装孔，23-轴承挡壁，24-第一圆柱段，25-第二圆柱段，26-第三圆柱段，27-连接杆，28-第一安装法兰，29-第二安装法兰。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

本发明提供了一种在线调整内、外筒同轴度的装置及方法，该装置及方法可以分别对设备内、外筒两端进行同轴度调整，最终使内、外筒整体同轴度在指定范围内。本发明内、外筒同轴度自动调整方法中，首先利用四套调整单元调整内筒一端的位置，然后再利用四套调整单元调整内筒另一端的位置，最终实现内外筒整体的同轴度调整需求；该方法中通过电机驱动旋转螺杆可以较为精确地调整内筒相对于外筒的位置，可以根据实时测量数据对内、外筒同轴度进行实时调整，解决了现有方法不能很好地实时调整设备内、外筒之间同轴度的问题。

如图1和图2所示，本发明提供的同轴度自动调整装置包括内筒5、外筒1、激光测距仪2和调整单元，外筒1套装在内筒5外部，内、外筒两端分别由四套调整单元同时调整两端的同轴度。激光测距仪2在外筒1两端各布置四个，每端四个两两分别呈90°安装于外筒1内壁上，且激光测距仪2发射的激光束能发射至内筒5外壁上，每两套激光测距仪2呈180°分布在外筒1一端平面内一条直线上；调整单元设置在内筒5和外筒1之间，且两端各布置四个，每端四个两两分别呈90°安装于外筒1内壁上，且安装位置与激光测距仪2的位置一一对应。

如图3至图9所示，调整单元包括外支撑组件3、内调节组件6、旋转螺杆4和电机7。外支撑组件3包括外支撑底座12、外支撑板10、外支撑杆11和多根外支撑弹簧9；外支撑底座12的底端与外筒1连接，顶端设置有滑槽，其中外支撑底座12与外筒1配合处为弧面，与外筒1内表面配合固定安装。外支撑板10安装在滑槽内，且能够在滑槽内滑动，外支撑弹簧9设置在外支撑板10和外支撑底座12之间，其安装方向与外支撑板10的滑动方向垂直。也就是说，外支撑底座12的左右两侧设置为滑槽形式，滑槽内安装有外支撑板10，该外支撑板10可以沿外支撑底座12的左右方向在滑槽内滑动，同时，外支撑底座12前后两侧与支撑板两端之间安装有多根外支撑弹簧9，由于有多根外支撑弹簧9的存在，该外支撑板的滑动是有阻尼的。

如图7所示，外支撑杆11为中空结构，其底端固定设置在外支撑板10上；电机7位于外支撑杆11内，且电机7壳体同样固定设置在外支撑板10上，具体的，外支撑板10上设计有外支撑杆安装孔20和电机安装孔21；外支撑杆11的底端设置有第一安装法兰28，外支撑杆11通过第一安装法兰28固定设置在外支撑板10上，外支撑杆11、电机7分别与外支撑板10通过螺钉固定连接。此外，外支撑杆11中空圆柱端部设计有轴承挡壁23，用于对轴承13的轴向限位。

内调节组件6包括内调节底座15、内调节支撑板19、内螺旋杆14和多根内调节弹簧18；内调节底座15的顶端与内筒5连接，底端设置有滑槽，其中，内调节底座15与内筒5配合处为弧面，与内筒5外表面配合固定安装。内调节支撑板19安装在滑槽内，且能够在滑槽内滑动，内调节弹簧18设置在内调节底座15和内调节支撑板19之间，其安装方向与内调节支撑板19的滑动方向垂直。也就是说，内调节底座15的左右两侧设置为滑槽形式，滑槽内安装有内调节支撑板19，该内调节支撑板19可以沿内调节底座15的左右方向在滑槽内滑动，同时，内调节底座15前后两侧与内调节支撑板19两端间安装有多根内调节弹簧18，由于有多根内调节弹簧18的存在，该内调节支撑板19的滑动是有阻尼的。

如图8所示，内螺旋杆14的顶端固定设置在内调节支撑板19上；具体的，内螺旋杆14的顶端设置有第二安装法兰29，该内调节支撑板19上设计有内螺旋杆安装孔22，内螺旋杆14通过第二安装法兰29和螺钉固定设置在内调节支撑板19上。

如图9所示，旋转螺杆4的底端通过轴承13安装在外支撑杆11上，顶端与内螺旋杆14螺纹连接；电机7的壳体固定设置在外支撑板10上，电机轴16与旋转螺杆4连接，电机7通过电机轴16带动旋转螺杆4转动，随着旋转螺杆4的转动，带动内螺旋杆14轴向移动。具体的，旋转螺杆4包括通过多根连接杆27依次连接的第一圆柱段24、第二圆柱段25和第三圆柱段26，第一圆柱段24为中空结构，通过轴承13安装在外支撑杆11上，第二圆柱段25为实心结构，中部固定设置有螺杆传动轴17，螺杆传动轴17与电机轴16通过联轴器8连接，第三圆柱段26为中空结构，设置有内螺纹，与内螺旋杆14的外螺纹配合。

本发明同轴度自动调整装置中，调整内筒5一个方向的移动时，需要相应呈180°方向的两套同轴度调整单元同时动作，但两套调整单元的驱动电机7所产生的输出旋转力矩方向是相反的；在调整内筒5一个方向移动量时，内筒5相应带动另两套调整单元产生同方向的移动，另两套调整单元上的滑动设计保证了该调整单元保持直线状态，便于利用另两套调整单元对内筒5进行另一方向的移动调节。

本发明提供的同轴度自动调整装置中，电机7输出旋转力矩，通过电机轴16及旋转螺杆4传动轴带动旋转螺杆4转动，旋转螺杆4与外支撑杆11通过轴承13保持相对转动但不发生轴向移动，旋转螺杆4与内螺旋杆14通过螺纹连接，随着旋转螺杆4的转动，带动内螺旋杆14轴向移动，进而使内调整单元带动内筒5产生轴向移动，电机7输出力矩的方向决定了内筒5的移动方向。该同轴度自动调整装置中，内筒5的调节精度可以通过内螺旋杆14及旋转螺杆4上螺纹的螺距、头数及电机7传动比、转速等设计参数调整。

如图1所示，本发明同轴度自动调整方法的总体流程为：首先，内外筒1一端的四个激光测距仪将距离信息无线传输到控制器，控制器根据相应的算法计算出一端内筒5与外筒1的同轴度，根据同轴度期望值制定控制策略并将指令无线传输到内外筒1上调整单元相应的电机7上，驱动电机7动作实现同轴度的调整，闭环反馈控制多轮后实现内外筒1一端同轴度的期望要求；接着对内外筒1的另一端按相同的方法进行同轴度调整，最终实现整个内外筒1之间同轴度的要求。

本发明同轴度自动调整装置中，激光测距仪2在外筒1两端各布置四个，每端四个两两分别呈90°安装于外筒1内壁，设定内、外筒一端四个激光测距仪2测量的半径间距分别为d1、d2、d3及d4。同样，内、外筒每端的四套调整单元两两呈90°分布，每两套呈180°分布的调整单元同时动作用于调整内筒5一端平面内一个方向的位置；通过四套调整单元的相互配合，实现内筒5一端两自由度运动；ox轴向分为水平左右两套，可以控制内筒5向ox轴方向运动，oz轴向分为垂直上下两套，可以控制内筒5向oz轴方向运动；在内筒5向ox轴方向运动时，左右两套调整单元上电机7同时动作，转向相反，同时由于内筒5的运动，上下两套调整单元相应地向ox轴方向移动保证呈竖直状态；在内筒5向oz轴方向运动时，上下两套调整单元上电机7同时动作，转向相反，同时由于内筒5的运动，左右两套调整单元相应地向oz轴方向移动保证呈水平状态；

以内外筒1一端调整为例说明，根据一端测量的4个半径间距，得出内、外筒一端同轴度的步骤如下：

步骤一、假设外筒的内径为r，以外筒一端截面圆的圆心为原点建立坐标系oxyz，假设oz方向半径间距为d1和d3(其中d1为oz轴正方向，d3为oz轴负方向)，ox方向半径间距为d2和d4(其中d2为ox轴正方向，d4为ox轴负方向)，则内筒外径截面四点坐标向量为：[xyz]^t；其中：x＝[x1x2x3x4]^t，y＝[y1y2y3y4]^t，z＝[z1z2z3z4]^t；那么坐标向量具体值如下：

x＝[0r-d20d4-r]^t；

y＝[0000]^t；

z＝[r-d10d3-r0]^t；

步骤二、计算控制误差wmin；

2.1)计算内筒一端截面外壁四点拟合的圆的坐标值：o＝[oxoyoz]^t；其中：

其中相关中间参数c、d、e、g及h的计算如下；

由x＝[0r-d20d4-r]^t；y＝[0000]^t；z＝[r-d10d3-r0]^t可知，

c＝4×[(r-d2)²+(d4-r)²]-(d4-d2)²；

d＝-(d4-d2)×(d3-d1)；

e＝4×[(r-d2)³+(d4-r)³]-[(r-d2)²+(r-d1)²+(d4-r)²+(d3-r)²]×(d4-d2)；

g＝4×[(r-d1)²+(d3-r)²]-(d3-d1)²；

h＝4×[(r-d1)³+(d3-r)³]-[(r-d2)²+(r-d1)²+(d4-r)²+(d3-r)²]×(d3-d1)；

2.2)确定外筒及内筒一端截面圆心之间的距离r及同轴度；

根据内筒截面拟合圆心坐标可以相应得出内筒截面相对外筒截面的位置；其中：同轴度为：2r；

2.3)计算控制误差wmin；

|rq-r|＝wmin

rq为期望的圆心距离；

步骤三、判断控制误差wmin是否在要求范围内，若在要求范围内，则执行步骤六，若不在要求范围内，则执行步骤四；

步骤四、控制器根据控制误差wmin控制调整单元相应的电机，驱动电机动作实现同轴度的调整；

步骤五、重复步骤一至步骤四，直至控制误差wmin在要求范围内；

步骤六、对内外筒另一端参照步骤一至步骤五进行同轴度调整，最终实现整个内外筒之间同轴度的要求。