利用磁悬浮技术提高动平衡加工精度及平台设计毕业论文.doc

邵阳学院毕业设计（论文）11绪论磁悬浮系统，它是由转子、传感器、控制器和执行器4部分组成，其中执行器包括电磁铁和功率放大器两部分。假设在参考位置上，转子受到一个向下的扰动，就会偏离其参考位置，这时传感器检测出转子偏离参考点的位移，作为控制器的微处理器将检测的位移变换成控制信号，然后功率放大器将这一控制信号转换成控制电流，控制电流在执行磁铁中产生磁力，从而驱动转子返回到原来平衡位置。因此，不论转子受到向下或向上的扰动，转子始终能处于稳定的平衡状态。这就是目前磁悬浮技术应用得最广的应用1。通俗地讲，磁悬浮技术之所以能让物体悬浮起来，是因为电磁铁和通电线圈相互间产生了强大的吸引力，从而使得沉重的物体得以悬浮在空中；当电流减小或切断电流时，相互的作用力就减小至消失。磁悬浮技术今天看似乎还是一个新鲜事物，其实它的理论准备有很长的历史。1929年德国人首先提出了磁悬浮理论，日本人1972年开始尝试EDS系统，但这个原理早在1966年就由美国人提出来了。这套技术的理论背景与当时的磁悬浮技术发展紧密相关。因为六、七十年代，是世界磁悬浮技术应用研究的鼎盛时期，利用磁悬浮技术解决一些应用难题是那时的热点。但中国的磁悬浮技术发展很快。目前，国内国防科技大学和西南交通大学都在进行磁悬浮技术的研制工作，都已经有了比较成熟的技术。2001年，国防科大磁悬浮实验线路建成，西南交大的实验线路也正在建设。磁悬浮在中国的市场运做进展也很顺利，德国柏林到汉堡之间的磁悬浮铁路建设计划搁浅以后，转而与中国达成协议，在上海修建一条可能将是世界上首条进行商业运行的磁悬浮铁路。北京，四川等地也正准备修建类似铁路。邵阳学院毕业设计（论文）21.1课题研究背景与研究目的随着科技的发展，旋转机械正快速向高速、轻质、高精度方向发展，一般内燃机转速高达8000r/min，喷气发动机转速达30000-50000r/min，电机转速也超过10000r/min，像导弹，航天器中的陀螺仪，转速也是30000-50000r/min，废气涡轮增压器转子转速也高达20000r/min，EVC汽车上的增压器转速超过10000r/min。在如此高的转速下，转子的动不平衡哪怕只有1g，也将造成数十公斤或上吨的离心力，严重影响转子的平稳性，引起高频振动，使转子及其轴承的偏磨，导致轴承处油膜波荡，造成机件很快早期磨损2。因此，转子的动平衡精度，成为制约高速旋转机械的瓶颈。常规的机械式动平衡仪，即使是德国西门子公司生产的，也只能准确地测出动不平衡质量及其位置，要除去动平衡质量，必须停机取下不平衡转子，再用机械加工方法找准不平衡位置切除不平衡量。这样往往原来的地方或去量不足或过量，很难达到要求，因而常反复进行多次还达不到平衡要求，特别是高转速转子，成为生产工艺过程中最感头疼的事。当今世界上用来测量动不平衡点的装置主要有手工校正机和全自动一体化动平衡校正机。手工校正机采用在动平衡测试机上测量其动不平衡量，然后根据测试量进行人工钻或铣削去重的动平衡方法，完成一个转子的动平衡一般常需要重复次的测试和去重，生产效率低下，平衡精度也不高，且转子上的切槽较多。国外的全自动一体化动平衡校正机虽然平衡精度、生产效率等较高，但价格高、结构复杂、对不同规格的转子适应性差。目前，又出现了一种新的设计方案：转子动平衡去重系统。转子动平衡去重系统由动平衡测试机和数控去重机二工位组成，操作工人主要负责转子的装卸以及对两机器的启停管理。动平衡测试机采用相应精度的市售商品，其输出量是转子不平衡量在设定分解面内分解后的幅值和相位的电压值，以及精度、放大倍数等信号量。控制系统采用上位机和下位机。上位机通过采集卡获取动平衡测试机上的不平衡量数据，然后生成动平衡去重策略。有一定的计算量，同时也需要良好的交互性，因此采用机作为上位机。下位机控制去重机的具体运行，与硬件的关系密切，故采用单片机作为下位机。上位机和下位机两者之间的通讯通过通讯协议来实现。该系统的主要工作流程如下：首先用测试机测得待平衡转子的不平衡量，然后机通过数据采集卡采集不平衡量，按照相应的分解策略生成一个最优的去重策略，并转化成单片机可直接操作的代码，最后把这个代码通过串口传送给数控去重机的控制器，待平衡转子安装完后即可启动数控去重邵阳学院毕业设计（论文）3机进行动平衡切削。在此过程中，将另一转子放置在动平衡测试机上，开始测量等待加工。将刚加工完的转子卸下后再进行测量，而刚才已测量好的转子则安装后即可加工。正常情况下，一个操作工人可管理两台机器。然而这种方案仍旧令有头疼。因而，就目前的情况而言，对动平衡质量的检测与增减的各种方案都不是十分理想。为此，我们提出了利用磁悬浮技术对动不平衡质量进行不停机自动切除的方案。本课题的研究目标是：利用磁悬浮的运动副摩擦力小，外界干扰少，在动不平衡质量影响下的工作台位移引起磁悬浮间隙变化，导致磁通量变化直接作为不停机自动切除激光能量控制信号，高精度地对现代高速旋转转子及机械进行动不平衡质量切除。1.2国内外的研究状况自从磁悬浮技术诞生以来，科学家们就一直致力于使它走出实验室。德国和日本是世界上研究磁悬浮技术并将其用于实际应用研究的国家，现在仍处于短距离、低速度的试验阶段。随着电子元件的集成化以及控制理论和转子动力学的发展，经过多年的研究工作，国内外对该项技术的研究都取得了很大的进展。但是不论是在理论还是在产品化的过程中，该项技术都存在很多的难题，其中磁悬浮技术的主要难题是悬浮与推进以及一套复杂的控制系统，它的实现需要运用电子技术、电磁器件、直线电机、机械结构、计算机、材料以及系统分析等方面的高技术成果。需要攻关的是组成系统的技术和实现工程化。最近美国科学家发现有机塑料聚合物同时具有磁性和超导性能(10K以下)如果这种材料能进一步提高超导温度，并代替金属磁体，将有助于磁悬浮技术的研究和实现。悬浮磁系统所需解决的难题则主要表现在控制系统和满足转子动力特性上。在重视控制系统研究的同时，着重研究系统的转子动力学分析，从而更有效的改进控制方法和策略；采用具有强鲁棒性的滑模控制、模糊控制和神经网络控制等，实现对复杂转子动力学特性的控制。根据电磁铁线圈上的电流和电压信号检测转子位移主要有两类方法：一是参数估计法，将磁悬浮轴承和转子间的气隙看成是轴承和功率放大器的时变参数；邵阳学院毕业设计（论文）4另外一个是将磁悬浮轴承和转子看成一个整体，位移不是一个参数，而是一种状态。Okada用解调技术研究了无传感器的磁悬浮轴承，其不足是系统对开关功率放大器的占空比很敏感。Mizuno、Bleuler和Vischer等人将磁悬浮轴承看成是一个两端网络，用线性状态空间观测器来表征状态的位移，这种磁悬浮轴承系统的不足是控制器和观测器的鲁棒性差，很小的参数变化会导致系统失稳。Myounggyu引用线性参数估计设计了一套信号处理器，对开关波形进行解调，从而得到转子的位移信号3。Matsuda在电磁铁上绕上两组不同的线圈，一组是偏磁线圈，一组是控制线圈，将检测到的控制线圈的电流频率送入设计解调电路，就能得到转子的位移信号，所研制的样机在12000r/min下实现了稳定运行。由于偏磁线圈产生的磁场是恒定不变的静磁场，主要靠控制线圈产生的动磁场来平衡外干扰的作用。故可用永久磁铁来取代偏磁线圈提供静磁场构成混合磁悬浮轴承，其优点是体积小、重量轻且功率损耗小，特别适用于航空领域。但如何检查出转子的动不平衡点，及将其切除一直是一个难题。国外生产增压器的最大厂家为英国HOLST公司，曾进行过了不停机机械切除动不平衡质量的研究，由于采用的是机械接触式的加工切除、精度不高、而未予推广；激光切除也曾搞过，但对机械摩擦的干扰没有采取措施，精度没有很大提高。但总是不十分理想。我校周继明、欧阳光耀发表动不平衡质量不停机自动切除初探论文，其工作台是放于静压空气垫台和气垫导轨，用差动变压器提取信号作为激光能量控制信号，尚未立项研究。因此，从目前情况分析，此项目在国内尚属首次。1.3本文的主要工作磁悬浮技术作为20世纪的一项新兴技术，是一门涉及多种学科的综合性技术。随着电子技术、控制工程、信号处理元件器、电磁理论、新型电磁材料