（机械制造及其自动化专业论文）二工位动平衡自动校正一体化系统的研究.pdf

摘要 本文以高性价比为目标，以电动工具电机转子为应用对象，在开展动平衡自 动校正关键技术，包括动平衡自动测量、动平衡数控去重加工和动平衡自动校正 系统集成等研究的基础上，开发了一套应用于电动工具电机转子动平衡校正的二 工位一体化系统，实现在动平衡自动测量的基础上，达到对电机转子的数控去重 加工的目的。主要研究工作包括： 第一章，在综台论述开展动平衡校正研究意义咀及动平衡校正技术发展现状 和趋势的基础上，提出本文的研究内容，并对论文的各章节进行安排。 第二章，介绍了动平衡的理论基础，设计了二工位动平衡自动校正系统的总 体方案，并对其工作原理进行了详细地论述。 第三章，重点开展系统测控模块的软、硬件设计，并对各个模块作详细的介 绍。在软件设计方面，从嵌入式软件编程的角度对其关键技术进行研究，最后介 绍了系统软件的实现。 第四章，对动平衡自动校正系统中的关键技术展开研究。设计基于r 型铣 刀的转子去重模型，通过对转子去重的入刀点相位进行优化，从而提高了转子的 去重精度；深入的研究的多微处理器的协同抗干扰技术，从软、硬件两个方面对 干扰进行处理；对步进电机的控制策略进行研究：对刀具智能监控技术在二工位 动平衡自动校正系统上的应用展开研究，提出适用于实际加工的方法。 第五章，介绍了不平衡量减少率( u r r ) 、动平衡校正去重性能和动平衡校正 加工效率三个实验，通过大量的图表与实验数据，证明- - i 位动平衡自动校正一 体化系统的测量与加工所达到的各项指标。 第六章，对二工位一体化校正系统设计与相关技术进行概括总结，并对研究 课题进行展望。 关键词：动乎衡自动校正二工位去重模型刀具监控抗一f j 扰 a bs t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a ni n t e g r a t e dt w o p r o c e d u r es y s t e mf o ra u t o m a t i cd y n a m i c b a l a n c i n ge m e n d a t i o n i s d e v e l o p e d w h i c h i s a p p l i e d t or o t o ru n b a l a n c e s e m e n d a t i o nf o rh i g hc o s t e f f e c t i v e n e s s k e yt e c h n o l o g i e so fd y n a m i cb a l a n c i n g e m e n d m i o i 3h a v e b e e ns t u d i e dd e e p l y t h ed i s s e r t a t i o nc o n s i s t so fs i xc h a p t e r s ： c h a p t e r1 ，b a s e do nt h ed i s c u s s i o na b o u tt h es i g n i f i c a n c eo fr e s e a r c ho fd y n a m i c b a l a n c i n ge m e n d a t i o na n dt h er e v i e wo fc u r r e n ts t a t u sa n df u t u r ed e v e l o p m e n tt r e n d o f d y n a m i cb a l a n c i n ge m e n d a t i o nt e c h n o l o g y , t h er e s e a r c hc o n t e n to f t h i sd i s s e r t a t i o n sp r o p o s e da n dt h er e s e a r c hf r a l n e w o r ki sa r r a n g e d c h a p t e r2 ，t h eb a s i ct h e o r yo fd y n a m i cb a l a n c i n ge m e n d a t i o ni s d i s c u s s e d m e a n w h i l e ，as c h e m eo ft w o p r o c e d u r ea u t o m a t i cd y n a m i cb a l a n c i n gs y s t e m i s a d v a n c e d a n dt h e nt h ep r i n c i p l eo ft h i ss y s t e mi si n t r o d u c e di nd e t a i l c h a p t e r3 t h ew h o l es t r u c t u r eo ft w o p r o c e d u r ea u t o m a t i cd y n a m i cb a l a n c i n g m e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mi sd e s i g n e da n d e a c hm o d u l ei si n t r o d u c e d ，t h ek e y t e c h n o l o g yo fe m b e d d e ds o f t w a r ep r o g r a m m i n gi ss t u d i e d ，a n d a tl a s tt h es y s t e m s o f t w a r ei se x p l a i n e d c h a p t e r4 ，k e yt e c h n o l o g i e so fa u t o m a t i cd y n a m i cb a l a n c i n ge m e n d a t i o ns y s t e m a r es t u d i e d t h er e m o v i n gm o d e lo fe l e c t r o m o t o r sr o t o rb a s e do nr - s h a p e dc u t t e ri s d e s i g n e da n dt h i sm o d e lo p t i m i z e st h em a n u f a c r u r i n gp h a s ea n g l eo fr o t o r w i t ht h e a i do f t l t i sm o d e lt h ee m e n d a t i o np r e c i s i o no fr o t o ri si m p r o v e d t h ea n t i i n t e r f e r e n c e t e c h n o l o g i e sw i t hm u l t i m i c r o p r o c e s s o ra r es t u d i e d i n t e r f e r e n c ei s e l i m i n a t e do r a v o i d e dt h r o u g hr e l a t e dt e c h n o l o g i e so ff r o mt h et w oa s p e c t so fs o f t w a r ea n d h a r d w a r e ：t h ec o n t r o lm e t h o do fs t e pm o t o ri sa n a l y z e d ；t h ei n t e l l i g e n tm o n i t o r i n g t e c h n o l o g yu s e di nt h ei n t e g r a t e dt w o p r o c e d u r es y s t e m f o ra u t o m a t i cd y n a m i c b a l a n c i n ge m e n d a t i o ni sd e e p l ys t u d i e da n dt h ep r a c t i c a lm e t h o di sa d v a n c e d c h a p t e r5 ，t h r e ee x p e r i m e n t si n c l u d i n g u r re x p e r i m e n t ，t h ep r e c i s i o no f d y n a m i cb a l a n c i n ge m e n d a t i o na n dt h ee m c i e n c yo fm a n u f a c t u r i n ga r ei n t r o d u c e d a b u n d a n te x p e r i m e n tc h a r t sa n dd a t ai n d i c a t et h a tp r o s p e c t i v ep e r f o r m a n c ei n d e x e s o ft h ei n t e g r a t e dt w o p r o c e d u r es y s t e mf o ra u t o m a t i cd y n a m i cb a l a n c i n ge m e n d a t i o n a r ea c h i e v e d c h a p t e r6 ，i m p o r t a n tr e s u l t sa n dc o n c l u s i o n so ft h i s d i s s e r t a t i o nh a v e b e e n s u m m a r i z e da n dt h ep r o s p e c tf o rt h ea p p l i c a t i o no fd y n a m i cb a l a n c i n ge m e n d a t i o n s y s t e mh a sb e e np u tf u r w a r d k e yw o r d s ：d y n a m i cb a l a n c i n g ，a u t o m a t i ce m e n d a t i o n ，t w o - p r o c e d u r e ，r e m o v i n g m o d e l ，t o o l m o n i t o r i n g ，a n t i - i n t e r f e r e n c e i i 学号竺! ! ! ! 竺 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝望盘茎或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名：诛五柱 签字日期：， 年弓月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘望有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权迸望盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：铂扭揎 导师签名： 签字日期：2 曲i 年 5 月7 日签字日期：卫。f 年3 月? 几 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：乞袖鲍丧丈鬟f 朗子牛扶喃陀二司 电话： ，i ”。争7 通讯地址：匕琦他农瞄岍| ! 黪9 研哆蛾旁缸编： 工蛐，工7 - l 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1动平衡自动校正系统的研究背景及其意义 动平衡性能是旋转类设备或系统的一个关键指标，对于该类设备或系统来讲， 其优劣程度直接决定产品的工作性能、使用寿命，对产品的质量产生巨大的影响。 特别是目前设备向高速化、高效化和高精化方向发展，动平衡问题已日益突出， 在一些领域成为了制约整个行业产品质量提升的关键因素。如在电动工具行业， 国内电动工具数量已占全球生产量的7 0 ，但销售收入却只有1 0 ，利润不超过 1 ，造成这种局面关键因素在于电动工具工作速度从原来的每分钟几千转向上万 转、甚至几万转方向发展，动平衡问题明显地制约着电动工具的性能提高，而困 内的动平衡技术远不能满足这种变化的需要，造成质次价低，难以在国际市场竞 争中立足。 我国的动平衡技术发展起步较晚，研究主要集中在动平衡的测量方面，只在 低端市场即动平衡测量单机部分占有一定的市场份额。在动平衡校正策略方面， 国内目前大部分厂家仍采用测量与加工相分离的策略，即首先采用一些动平衡称 重设备完成动平衡的测量，并把测量结果以一定的方式显示出来；然后，操作工 人根据显示结果的读数，凭借自身的操作经验和相应的加工设备，对工件进行试 凑铣割以完成去重，这种方式由于人为因素影响明显，带来校正效率低、精度差、 质量不稳定和加工成本上升等不利因素。为解决上述这些问题，国外一些先进发 达国家采用动平衡自动测量和数控加工一体化的动平衡校正策略，即首先通过动 平衡的自动测量，然后将测量结果以一定的通讯方式传输给数控加工设备，控制 其完成对工件的铣削，达到动平衡自动校正的目的，并在廿世纪八十年代就出现 了包括上料、测量、加工、质量评价和分筛等多工位组成的动平衡校正一体化设 备，在校正效率、校正精度和校正质量稳定性等方面取得了长足的进展，成为动 平衡校正技术和设备的发展主流及方向。 可见，动平衡校正技术已经向测量和去重加工一体化的方向发展，但我国还 仅停留于一些单元技术的研究与应用，已经很难适应目前生产发展的需要。为此， 本文在国家“8 6 3 ”高科技计划项目资助下，提出开展动平衡自动校正的相关技术 浙江大学硕士学位论文 研究，开发一套应用于电动工具电机转子的二工位动平衡自动校正一体化系统， 以改变我国目前长期依赖进口的落后局面，提高相应产品的质量。 1 2 动平衡校正技术的发展现状与趋势 1 2 1 动平衡理论及其发展 动平衡分为刚性转子平衡与柔性转子平衡两类，其中，刚性转子平衡理论是 在上世纪初随着蒸汽透平的出现而发展起来的，当时的大部分转子系统工作在第 一阶临界转速以下，转子挠度变形可忽略不计，属于刚性转子。由于对这类转子 的研究相对简单，故在廿世纪3 0 年代后期刚性转子平衡理论已近成熟。但是，刚 性转子的平衡受某一速度限制，如果工作转速超过这一限制转速，已经平衡了的 转子又将会不平衡，特别是当转子工作在临界转速以上时，这种平衡方法已失去 作用。因此，1 9 5 6 年k f e d e m 提出判断转予刚柔性指标，他认为高于某一转速 ：亡作的转子系统必须考虑转子挠度的影响，此时转予属于柔性转子。随着生产技 术的发展，柔性转子的动平衡越来越重要，于是相继提出了各种平衡理论及平衡 方法，归纳起来可分为两大类：第一类是以t h e a r l e 、b a k e r 和g o o d m a n 等为代表 提出的影响系数法，该方法是刚性转子动平衡的两平面向量法在柔性转子系统中 的推广；第二类是以m e l d a l 、b i s h o p 、g l a d w e l l 和e d e m 等为代表提出的振型平衡 法，或称模态平衡法，该方法是按旋转轴的振动理论把某转速下转子振型分解为 各阶主振型，对这些主振型分别加以平衡，从而达到整个转子系统的平衡。这丽 类平衡理论都试图把转子的挠曲和振动降到尽可能低的程度，它们有各自不同的 目标函数，其中影响系数法是在各选定的平衡转速下，使转子上各测振点的振动 值为零，它并不能保证在全部转速范围内转子各点的振动都很小；而振型平衡法 要求消除引起前n 阶振型的不平衡量，而n 阶以上的各高阶不平衡量在平衡后 仍残留，只是高阶不平衡一般都较小，对转子系统正常工作影响不显著。这两类平 衡方法都不能使转子振动完全消除。为了提高平衡精度，随后相继出现了各种修 正方法，具有代表性的是k e n n e d y 、b i s h o p 和白木万博等人采用影响系数法与振 型平衡法相结合的一种动平衡技术，即所谓“振型圆”平衡方法，它可以判别主 要不平衡量的大体分布情况，大大减少开停车次数，提高了效益及平衡精度”“” 1 9 1 1 0 l 近年来，为了提高轴系动平衡精度，通过大量试验提出了如振型影响系数法、 浙江大学硕士学位论文 联合平衡法( u b a ) 等一些方法。它们的共同点是将振型平衡法和影响系数法的 优点结合，把振型平衡法中由低到高逐阶平衡改为同时平衡，将临界转速与工作 转速的振动同时列入方程求解。这些轴系动平衡技术在一定程度上提高了轴系动 平衡精度，但在进行柔性转子轴系统动平衡时，结合动不平衡的特点还显得不足。 1 2 2 动平衡测量技术及其发展 早期的动平衡测量系统是用机械式振幅指示器和相位指示器来测量转子的 不平衡量值和相位，测量精度较低。随着电子技术的发展，这种测量技术逐渐被 电子测量方法，即带通滤波器加闪光灯所取代，由于该方法需要在校正平面上作 标记并对转速稳定性要求比较高，因而生产效率低。二十世纪7 0 年代后，出现 了以伺服电机、复数矢量计、相敏检波和瓦特表等为代表的测量系统，这四种测 量系统中，瓦特表的滤波性能最优。但由于瓦特表以机电滤波方式进行滤波，因 而其滤波精度、工作频率范围和动态范围等性能有限，特别是工作频率范围在高、 低两个转速的方向难以进一步延伸。随着计算机技术的不断发展，计算机辅助测 试系统得到了广泛的应用，出现了基于p c 机、单片机和d s p 等多神形式的测量 系统。由于d s p 微处理器具有很高的工作频率，使长周期的采样与新的数字信号 处理方法能够得到应用，成为目前测量系统发展的主流。在这种测量系统中，步 进电机驱动皮带高速运转，使转子保持在能够表征其不平衡的稳定状态，利用传 感器检测两路不平衡信号，通过放大、抗混叠滤波、a d 采样后由d s p 进行数字 信号处理来取得转子不平衡的幅值，与此同时，d s p 通过控制涡流传感器来提取 转子不平衡相位。可以看出，数字信号处理方法已经成为动平衡测量当中的关键 技术。由于相关滤波能够消除噪声，净化有用信息，尤其在低频段内，自相关曲 线能把信号所包含的周期性直观、形象地表现了出来，成为时域提取不平衡幅值 与相位的一种重要方法。随着技术的发展，频域、时频域等多种先进的处理手段 已得到了广泛地应用”2 ”1 3 0 1 ，如作为一种新兴的时频分析方法的小波分析， 它克服了f o u r i e r 分析只能进行时域和频域全局变换以及短时f o u r i e r 分析的时频 窗大小、形状固定的缺点，能够同时在时域和频域上调节分辨率，实现多分辨率 的分析。小波分析对于不平衡幅值、相位特征提取方面及其信号消噪方面已得到 了应用1 1 6 l自适应滤波具有对处理参数依赖性比较小、软件与硬件实现均较简 单等优点，因而在动平衡测量上有着很好的应用前景，文献【4 】提出了一种强变 浙江大学硕士学位论文 频率结构背景噪声干扰下，能够同时确保幅值和相位高精度提取的方法，它是在 传统自适应滤波技术的基础上，结合分段变步长的策略和初始值选取措施，使得 能够在保证滤波精度的前提下，极大地提高了滤波效率及可靠性。 1 2 3 动平衡校正加工技术及其发展 不平衡的校正过程，即是从转子上较重的部分去掉一部分材料，或者在转子 较轻的部分加上一些平衡配重，使转子趋于平衡的过程。不平衡量的校f 通常有 质量定心、加重与去重三种平衡校正方法。质量定心法，其实质是改变轴线的位 置，使旋转轴线与中心主惯性轴向尽量重合的一种方法。加重与去重的校正方法， 原则上都能使转子达到平衡，但在使用时要视转子的具体情况、校正时间及其费 用大小来选定。对于电机转子来说，由于不平衡量比较小，而且需要紧凑安装， 所以一般都采用去重的方法。传统的去重方法采用人工试凑的办法，造成效率低 下、精度低与质量不稳定等因素。随着数控加工技术的发展，国外率先采用了测 量加工一体化的策略，数控加工设备根据不平衡的幅值与相位的大小来控制刀具 对转子进行去重加工，为了提高加工的效率，多工位动平衡自动校正系统已经出 现。目前国内在动平衡去重方面的研究还处在起步的阶段。研究的领域主要包括 去重设备的设计“2 1 4 3 1 去重模型的建立“7 1e 3 8 1 去重方法的研究t 2 3 1 新型传输 协议的使用“”和新型加工刀具的使用等。典型的自动去重系统如文献 6 u 所介 绍，它是一种对电动工具用的小型电机转子进行动平衡的半自动去重系统，它由 动平衡测试机、去重机床、p c 机、单片机、多功能采集卡及其它电路组成，由 p c 机作为上位机，单片机作为下位机，通讯方法采用简单的串口通讯。控制部 分采用5 1 系列单片机作为控制核心，分别控制三台步进电机的进给量和接收红 外线传感器传来的基准信号。另外，还包括一些具有辅助功能的部分。这种典型 的去重系统采用5 1 单片机难以提高系统的工作效率，应该结合高性能微处理器 来提高加工的性能，对于采用p c 机作为上位机，存在维护及价格等一系列的弊 端。 1 2 4 动平衡测量和加工一体化技术及其系统 国外一些工业发达国家，由于先进的测量技术与数控加工技术的发展及其应 用，已普遍采用动平衡测量与数控加工一体化的动平衡策略。德国的申克公司与 同本的国际计测器株式会社生产的动平衡自动校正一体化设备代表了当前该领域 浙江大学硕士学位论文 的最高水平。由于国内目前动平衡校正技术的重点还在动平衡测量的方法和设备 上，并且这些设备未具备同数控加工设备联机的功能，因而同测量和加工一体化 相关的动平衡集成技术还很少涉足研究。如国内动平衡机最大的生产商上海菱菱 平衡机有限公司，其产品在国内电动工具、电机行业占有率分别为9 0 和6 5 以 上，并具有设计生产转速为0 , - - 6 5 0 0 0 转分叶转超速试验机的能力，但是该公司的 产品也还是停留于“在一次启动下能正确地显示出工件的不平衡量和相位”，典型 地代表了国内当前该领域的技术水平。 浙江大学开发了基于p c i 总线二工位动平衡一体化机”1 ，它采用主从分布式 系统结构，将计算机主机同称重卡、机器手控制卡和去重卡等通过p c i 总线连接 起来实现电机转子动平衡的自动校正。计算机作为系统控制中心，负责整个系统 运行的协调、管理和维护；而作为被动控制单元的称重卡、机器手控制卡和去重 卡分别实现对称重工位、工件切换和去重工位的控制。这种主从分布式系统优点 在于它能够采用相同硬件资源，通过更改软件或简单跳线能满足不同的功能要求， 以实现对动平衡称重、去重和工件切换的控制，而且采用p c i 总线为信息传输的 桥梁，既体现了现有的系统具有技术的先进性，又为系统在未来的功能扩充、更 新换代方面留有宽广的空间。但是，w i n d o w s 操作系统是非实时的操作系统，系 统的内容不可剪裁，不利于提高动平衡自动校正系统的工作效率，而且w i n d o w s 操作系统会产生内存泄漏、病毒感染等问题，严重时甚至会发生系统崩溃，所以 维护成本比较高。此外，w i n d o w s 操作系统涉及软件知识产权问题，系统的销售 成本因此也随之增加。为了避免在p c 平台下使用w i n d o w s 操作系统所带来的弊 端，提出了基于嵌入式系统的二工位动平衡一体化系统的研发。 1 3 论文研究内容与结构 综上所述，动平衡校正技术已经向测量和去重加工一体化的方向发展。因此， 本文以电动工具的电机转子作为应用对象，采用高性能的a r m 、d s p 与p l c 作 为系统的混合式中心测控单元，在开展动平衡自动测量、数控去重加工以及一体 化系统集成等相关技术研究的基础上，研发出一套高性价比的二工位动平衡自动 校正一体化系统，以克服上述w i n d o w s 环境下所开发系统的各种弊端。具体指 标为： - - t ) 工件质量范围： 一 t 9 5 h ) 工作效率： 3 5 0 只每小时 i ) 价格：国外进口的同类产品4 0 左右 为此，本论文安排如下： 第一章，在综合论述开展动平衡校正研究的重要意义及动平衡校正技术发展 现状和趋势的基础上，提出本文的研究内容，并对论文的各章节进行安排。 第二章，首先介绍动平衡的基本理论，包括动平衡基本概念，刚性转子动平 衡的基本原理及刚性转子不平衡量的解算标定。然后对z - i - 位自动校正系统总体 结构进行分析。 第三章，对- - s e 位的动平衡测控系统的总体方案进行设计，并对各个功能模 块作详细的介绍。在软件设计方面，从嵌入式软件编程的角度对其关键技术作研 究，最后介绍系统软件的实现。 第四章，对动平衡自动校正系统中的关键技术展开研究。设计基于r 型铣 刀的转子去重模型，对转子去重的入刀点相位进行优化，以提高转子的去重精度； 深入的对多微处理器的协同抗干扰技术进行研究，从软、硬件两个方面考虑对干 扰抑止措施：对步进电机的控制策略进行研究；对刀具智能监控技术在- - 5 2 位动 平衡自动校正系统上的应用展开研究，提出适用于实际加工的方法。 第五章，介绍不平衡量减少率( u r r ) 、动平衡校正去重性能和动平衡校正加 工效率三个实验，通过大量的图表与实验数据，证明- - 3 ：位动平衡自动校正一体 化系统的测量与加工所达到的各项指标。 第六章，对- - s e 位一体化校正系统设计与相关技术进行概括总结，并对研究 课题进行展望。 6 浙江大学硕士学位论文 第二章动平衡原理与自动校正系统的方案 【本章摘要】本章首先介绍动平衡的基本理论，包括动平衡基本概念，刚性转子动 平衡的基本原理及刚性转子不平衡量的解算标定。然后对- - 5 2 位自动校正系统总体 结构进行分析。 2 1 刚性转子动平衡校正的理论基础 2 1 1 动平衡基本概念及其原理 电动工具电机转子在大部分工作转速下，不平衡状态并不改变，或稍有点 不显著地改变，因此可将其作为为刚性转子处理。刚性转子不平衡的存在是出于 离心力没有消除，振动负荷或者振动位移传给轴承所造成的。决定离心力大4 4 u 方向的量是m ，乘积，即所谓的不平衡量，用驴表示： 盯= m 芦 ( 2 - 1 ) 式( 2 1 ) 中纾为一矢量，m 为不平衡质量，f 为不平衡质量的重心与轴间的距离。 一般说来，转子上的不平衡是分布式的，但可以简化为某一平面上的当量不 平衡或者某两平面上的当量不平衡，根据惯性力系的简化结果可以分为如图2 1 所示的四种情况： 图2 1 不平衡的四种基本类型 ( a ) 主矢不为零主矩为零。这时相当于在完全平衡的转子上，有不平衡作用 在重心所在的径向平面上，称为静不平衡。 ( b ) 主矢和主矩均不为零，但相互垂直。这时相当于在完全平衡的转子，不平 浙江大学硕士学位论文 衡作用在非重心平面上，称为准静不平衡。 ( c ) 主矢为零主矩不为零。这时相当于在完全平德的转子上，施加两个同等 大小的不平衡量，使它们在两个不同的径向平面上的方向相反，称为力偶不平衡。 ( d ) 主矢和主矩均不为零，且不相互垂直。这时相当于静不平衡与力偶不平 衡的组合，称为动不平衡。 图2 1 中( a ) 、( b ) 情况下仅需在一个平面上施加反向不平衡矢量即可使转子 平衡，而( c ) 、( d ) 所示情况需在两个或多个平面上旌加反向不平衡矢量才能使转 子平衡。所以也有人据此将前两种情况成为静不平衡，后两种情况成为动不平衡。 对于一个具有质量m 的转子最简单的情况便是与轴线垂直的盘形转子，如 图2 2 所示，假设非常薄的圆盘以角速度。绕轴转动，设。为常数离心力的合力： f = ( i ) 2 m e 即f = u 2( 2 2 ) 式( 2 2 ) 中e 为转子的偏心矩，由于转子为非常薄的圆盘，所以没有必要考虑 离心力的力矩。不平衡量u 所引起的离心力，在两端的支承处必然产生相应的 力，引起振动。 图2 2 盘形刚性转子不平衡 由此可知： 1 ) 盘形刚性转子( 垂直位置) 的不平衡状态完全可以用不平衡矢量来表示。 2 ) 不平衡校正只需在一个面上进行。 而对于轴向距离较大的刚性转子来说，会产生与盘形转子完全不一样的问 题，但可以人为地把辊筒转子分为许多与轴线垂直的圆盘，将其不平衡量的离心 力换算到两个指定的平面上，如图2 3 所示。图中，任意平面上的不平衡力都可 以分解到平面a 和平面6 上，如惯性力f l 和f 2 分别分解到平面n 上为f 】l 和f 2 1 、 分解到平面6 上为f 2 z 和f 1 2 ，其它平面上的力相类似。因此，对于任意不平衡 浙江大学硕士学位论文 情况，可以得到两个指定平面上的不平衡大小及相位。当然，不平衡矢量的大小 和相位与校正平面的位置有关，随校正平面位置的变化而变化。 fl2 半向。 图2 _ 3 柱形刚性转子不平衡力分解图 由此可知； 1 ) 任意形状的刚性转子的不平衡状态完全可以由两个任意选择的平面上的 等效不平衡量来确定。 2 ) 这种转子的不平衡校正一般要在两个平面内分别进行。 2 1 2 刚性转子不平衡量的解算标定 在测量刚性转子的不平衡量时，要将其不平衡量简化分解到两个固定的校正 面上，即所谓的测量平面。由于平面摆动的影响，每个测量平面不仅受不平衡当 量的影响，而且还受另一不平衡量以转矩方式所造成的平面摆动的影响，这样的 测量结果会使后续的处理非常麻烦，所以通常在测量时要解决两测量面的相互干 涉，实现平面的分离。这个过程是通过平面解算标定来实现，以确定转子不平衡 量和支承振动测量值的关系。 目前的硬支承平衡测量系统通常采用永久标定法。图2 4 为双面硬支承动平 衡振动系统模型，取系统质心为坐标原点，处于平衡状态时的旋转轴为x 轴，与 z 轴相垂直。设系统的质量为m ，绕y 轴的惯性矩j ，支承两轴承的摆架系统的 弹性系数分别为k l 和k 2 ，h l 为校正平面1 的z 坐标( 有正负之分) ，h 2 为校正平 面2 的z 坐标( 有正负之分) ，1 1 为支承中心处的z 坐标( 有正负之分) ，1 2 为支 承中心处的z 坐标( 有正负之分) 。 假设两轴承( 支承) 的位移为x l 、x 2 ，质心位移为x ( x l 是轴承的压缩或伸 9 浙江大学硕上学位论文 长量，压缩时取为正，伸长时取为负；x 2 ：是轴承的压缩或伸长量，压缩时取为 正，伸长时取为负；x 为质心的x 方向上的坐标；d 为转子轴的角速度，逆时针 时为正，顺时针为负) 。在图中的角0 是转子轴摆动时的倾角，逆时针方向为正， 顺时针方向为负。 可知： 从而得到： j- ： 硼 j l 。至r k 、- 、瓢 广g 7 千2 i8 l 才 7 ， l_ j 7 ， _ ， _ 一 h 1h 2 1 ， 1 2 z 图2 4 硬支承平衡机振动系统模型摆动角度示意图 j x l2 x + 1 1 0 【x 2 = x + 1 2 0 ，z 1 x2 l 五一o x 。 ，2 一，l 1 ，2 一，l 忙击l ”击x z，2 一t 1 ，2 一，l ( 2 3 ) ( 2 4 ) 设两校正平面处不平衡量为m f f l 和m 2 r 2 ，则其运动的方程为： r i m x + k l x l + 七2 x 2 = 聊l 一2s i n ( o a + 户 ) + m 2 屹国2s i n ( c o t + p 川 ( 2 - 5 【j o + l l k l 石i + ，2 七2 工2 = 扛川l r i c 0 2s i n ( c o t + p 1 ) + h 2 m 2 屯甜2s i n ( c o t + p 2 ) 式中pl 、p2 为两校正平面上不平衡量的初始相位角。令 m f f t s i n ( ( 】t + p 1 ) = v 1 ，m 2 r 2s i n ( t + p2 ) = v 2 把式( 2 4 ) 代入式( 2 5 ) 得： 1 0 浙江大学硕士学位论文 簿啦_髓(1z-li蔓)1 l + l l k 。x l 篱撕，( 一，再；”击锄 h 冉唰 一 在硬支承的情况下，式( 2 6 ) 中的惯性力一项可忽略不计，则上式变为 限五+ 恕而= v , c d + v 2 0 y 1 l l 墨鼍+ f 2 屯恐：k 方+ k 吃 2 - 7 因此，可得硬支承情况下的x 1 与x 2 计算公式 从而计算出 铲鲁k 旨i i _ 一等k 旨 1 lf 2 1 】f 2 一，l 2 驴普措巧一譬旨 ( 2 8 ) v l = 去地矿鸭吐酬 沼， v ：= 了1 志【( 卜”：矿( ”f 1 ) “】 为了简化尺寸，将图2 - 4 的尺寸改为图2 5 所示 尺寸可以简化为 则式( 2 - 9 ) 就变为： 1 卜 广1广 l_ j 一 l 刊l 一 a b 图2 5 几何尺寸简化图 h 2 h 1 = b h i 1 1 = a ，、【 浙江大学硕士学位论文 v = ( 1 十秒a ，一知 v ：= 了1 ( 1 + 鲁) 咚：一百a ( 2 一l o ) 在式( 2 1 0 ) 中设k l x l = f l 、k z x 2 = f r 、v 1 2 = f l 、v 2 ( 1 ) 2 = f r ，则f l 、f r 为校正平 面上不平衡量所产生的离心力在x 轴上的所受的力在x 轴方向的分力，f l ，f r 为校正平面上不平衡量所产生的离心力在x 轴上的分力，则( 2 1 0 ) 式可阻写成 ( a a c u ) ( 2 1 1 ) ( 瓠一) 根据式( 2 - 1 1 ) 的计算可以实现校正平面的分离。可见，整个硬支承动平衡 测量系统校正平面分离只与a 、b 、c 有关，与转速无关，故此对于同类转子的 平衡只需调整一次，因此称为永久标定法。 2 2 二工位动平衡自动校正一体化系统总体结构 二工位动平衡自动校正一体化系统的机械本体采用了模块化的设计方法，分 为加工机械本体与测量机械本体。测量机械本体部分包括测力支撑、转子驱动机 构及皮带轮、传感器固定支架等。加工机械本体包括加工工作台、铣刀、限位开 关、角定位机械手、转子定位推杆与压紧块等。测量机械本体与加工机械本体中 间有一工件切换机械手，实现转子在测量与加工工位之间的切换。系统采用气压 作为动力源，通过电磁阀实现对机械手的转动、定位推杆的伸缩、转子的压紧等。 选用了步进电机作为驱动机构，利用光电编码器实现对步迸电机的闭环控制。系 统的测控单元由基于a r m 核的嵌入式系统、d s p 测控模块和p l c 控制模块组合 而成，其中基于a r m 核的嵌入式系统采用高性能的3 2 位a r m 7 芯片作为c p u ， 外接有1 2 英寸的彩色液晶屏和键盘，完成系统各部分的管理和协调，实现对动平 衡去重加工的控制，并能同上位机联机通讯；d s p 测控模块完成对待检转子的运 行驱动，使其处于能够表征其动平衡状态的环境中，在此基础上实现对包含不平 衡信息的左右两路振动信号的采集、分析处理和提取不平衡量及其相位，并将处 理结果传送给a r m 系统和p l c 模块；p l c 控制模块主要用于系统中开关量的检 测和开关型控制信号的发布，获取系统一些工作的状态信息，完成对三相异步主 一口，一b 十 + 无 厶 = = r k ，、l 浙江大学硕士学位论文 轴电机、气缸和气动马达等的开、关控制，实现对加工刀具的驱动、工件工位的 切换、压紧和定位等多种操作。整个系统的外围采用了玻璃罩，保证了操作人员 的安全。- - 2 1 2 位动平衡自动校正一体化系统总体结构见图2 7 。 图2 7 二工位动平衡自动校正一体化系统总体结构 整个系统在上电后，将进入主界面，系统首先完成各监控部件的检测，然后 通过键盘和液晶屏可对系统运行所需的基础数据，包括待校正转子型号、尺寸、 校验方式、合格标准、入刀点坐标和组态信息等进行设置，并通过双口r a m 将 动平衡检测所需的相关数据传输给d s p ，通过r s 2 3 2 串口通讯将组态信息传输 给p l c ，同时，系统还分别对加工、测试、机器手以及工件定位、夹紧等机构进 行初始化：完成上述工作后，将待校正转子放入测量工位并按动启动按钮，d s p 将根据a r m 和p l c 发布的相关握手信号，控制检测步进电机运行，驱动待检 转子加速升至工作速度匀速运行，在此条件下，选择转子的某一电枢槽口为基准 点启动对两路包含不平衡信息的振动信号进行整周期采样，并对其分析处理、提 取不平衡量及其相位后，一方面，将处理结果量值通过双口r a m 传输给a r m 系统，并告知p l c 模块检测合格情况，另一方面，控制检测用步进电机减速运 行，直至转子停留在第加工点处。若转子已符合合格标准，则可直接取出，等 浙江大学硕士学位论文 待下一转子的放置，开始另一次校正循环；若检测结果不合格，p l c 将控制气动 马达将已测转子抓取到加工台上，待转子到达加工工位并通过p l c 控制气缸将 其压紧后，a r m 系统将根据第一加工点的不平衡量控制x 和z 轴步进电机运动， 实现加工刀具的进给，完成相应的铣削；考虑到转予刚度的要求，在对电机转予 动平衡校正时常采用左右端面分别校正，因此系统配置有角定位机构，用于第二 加工点的定位，如定位完成，该点的校正同于第一点。上述流程为动平衡自动校 正的一个周期，待左右两端面都已完成校正，机器手会将已加工转子抓取回测量 工位，继续上述测量、筛选或加工的周期。实际上，为提高系统的运行效率，系 统可同时进行测量和加工操作。 根据上面分析可知，该动平衡自动校正一体化系统体现出以下特点： 1 ) 模块化的设计策略。系统由动平衡测量、动平衡加工以及用于工件切换 的机器手等功能相对独立的三个模块组合而成，各模块分别由基于a r m 核的嵌 入式系统、d s p 测控模块和p l c 控制模块所控制，每个模块可以独立运行，也 可集成联动，因此，互换性能好，维护方便； 2 ) 柔性化的工作模式。系统可通过软件设置，更改应用对象，使用范围和 校正方式，并实现各工位高度柔性化的动态组合和工作节拍的协调； 3 ) 多种通讯方式的并存。根据信息量的大小及其实时性的要求，采用了多 种通讯方式，完成各功能模块的协调。对于实时性要求较高，信息量少的通讯通 过握手线来实现；对于实时性要求不高，信息量大的通讯，如a r m 系统与p l c 模块之间一些初始化信息，采用串口通讯的方式：对于实时性要求较高，信息量 又很大的的通讯，则通过双口r a m 来实现，如在a r m 系统与d s p 模块之间 选择高速双口r a m ( i d t 公司的i d t 7 0 v 2 4 v s ) 进行通讯，大大地提高了工作 效率； 4 ) 混合控制系统的应用。系统的测控任务由各具特色的a r m 、d s p 和p l c 三个模块组合而成来承担，确保系统在精度、效率和可靠性上处于最优的水平。 由于a r m 具有功耗低、接口性能好、运算速度相对较高等特点，在设计时选择 了a r m 作为主控系统；而d s p 芯片运算速度快，擅长于对数字信号的处理， 所以被用来作为测量模块测控单元：p l c 具有超强的稳定性、耐用性、及抗干扰 能力，特别适合于强电的控制，因此作为对电机等的控制。 1 4 浙江大学硕士学位论文 综上所述，为了实现此系统，必须开展以下各方面的研究： 1 ) 混合式中心测控单元的研制 针对动平衡自动校正一体化系统的各个工位不同功能，选用与其相适应的控 制器并设计控制电路，通过多种通讯接口方式与柔性的软件设计方法，将各控制 器有机地组合成一体。 2 ) 相关关键技术的研究 为了满足动平衡自动校正一体化系统的高可靠性、高效率与高加工精度，深 入地研究了二工位动平衡自动校正的关键技术，主要包括转子去重模型、多处理 器协同抗干扰技术、步进电机驱动策略及其速度控制、铣刀磨损状态智能识等。 3 ) 动平衡自动校正一体化系统的集成 对动平衡自动校正一体化系统各工位进行协调，并通过系统软件的设计，实 现对动平衡自动校正一体化系统的集成。 2 3 本章小结 本章首先从动平衡的基本概念入手，详述了不平衡的表示方法及其基本分 类，深入地分析了刚性转子动平衡基本原理，并推导了刚性转子不平衡量的解算 标定方法，最后介绍了二工位动平衡自动校正一体化系统的总体结构并分析了系 统的特点。 浙江大学硕士学位论文 第三章系统中心测控单元的设计 【本章摘要】本章对二工位动平衡自动校正一体化系统中心测控单元总体方案进行设 计，并对各个模块作详细的介绍。在软件设计方面，从嵌入式软件编程的角度对其关键 技术作了研究，最后介绍系统软件的实现。 3 1 系统中心测控单元的总体方案 驱动电机控 量程切 两路过 1 2 英寸彩上位 制信号和方 换控制 载报警 键盘 向发生器信号色液晶屏机 z f 、二、 i、 彳 彳 奔 弋夕j 多之多之乡 l c ” f * t 。ii ”z ”c ，i u 盘i 曩藉弱豢 胖 卜n 卅冲盏专皇芋生 k ! _ 錾i 罂麓 ，扒双口w 篁b d s p卜 r a ml v 基于a r m 的嵌入式 以n 复孟黥裟 系统系统 几1 ”般字 j 1 ，；。 卜、 以n 要耍勰 嘭 、r i 溧* 关一 ) 相位h y 舳霖幕幕黑 j 8 口 l 脉冲 机 机 ( 三二j 角度情感器 构 构 一 和 或 枝 柱l1 j 手 t 气翻。 飞 自 自 验 黔 竺 雏 角 角 第二 加 动步 暂 定 定 面加t 停 合位 也 工条 镕 自自 拄 格孤 松 件就 柬 动动 忸 灯 位 开 绪_