（机械制造及其自动化专业论文）基于pci总线的动平衡自动校正系统的研究.pdf

浙江人学硕士学位论文 全文摘要 本文以高性价比为目标，以基于p c t 总线的二工位动平衡自动校正系统为对 象，针对目前国内现状，开发了一套适合电机转子高精度动平衡的自动校正系统。 第一章，在综合论述了开展动平衡校正研究的重要意义，以及动平衡校正技 术发展现状和趋势的基础上，提出了本文的研究内容，并对论文的各章节进行了 安排。 第二章，在对动平衡理论基础介绍的同时，提出了基于p c i 总线的- - i 位动 平衡自动校正系统，并对整个系统构成做了简要的介绍。 第三章，根据系统需要，提出了基于p c i 总线测控卡的软、硬件实现方案， 并对实现过程中的信号完整性和数据快速传递方法等关键技术展开了研究。 第四章，对动平衡称重和动平衡去重中的关键技术展开了研究。在称重关键 技术中，首先，在提出采用硬支承方案，以及分析测力支承机械振动系统振动特 性的基础上，整定了硬支承设计的重要参数；其次，开展了驱动连接与控制的研 究，通过采用基于s v p w m 的交流伺服系统较好地解决了驱动转速波动的问题； 然后，提出采用程控增益放大的方法实现信号的跟踪调理，提高了测量系统的精 度；随后，针对动平衡测量中的具体实践，发展了一种能够在强变频率结构背景 噪声干扰下确保高精度提取幅值和相位的自适应消噪方法；最后，给出了一种不 平衡量大小和相位高精度提取方法。 在去重关键技术中，建立了电机转子动平衡校正的切削模型，给出了不平衡 切削量的计算方法；并根据l c 正弦振荡电路基本原理，设计刀具接触传感系统 和刀具进给策略，实现对刀具的高精度自动定位。 第五章，提出了二工位的控制协调策略，并对计算机主机的工作节拍进行分 析设计，实现系统软件。 在最后一章，主要对- - i 位一体化校正系统设计与相关技术进行了概括总 结，并展望了动平衡自动校正系统后续研究的进一步工作。 关键词：动平衡自动校正- - i 位称重去重p c i 测控卡 浙江大学硕一 ? 学位论文 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w i t ht h ep o i n tv i e wo ft h ef a c ti nc h i n a aa u t o m a t i c d y n a m i cb a l a n c i n gs y s t e mb a s e do np c ib u s i sd e v e l o p e d ，w h i c hi sd e s i g n e d f o rh i g hp r e c i s i o nd y n a m i c b a l a n c i n go fe l e c t r o m o t o r r o t o r c h a p t e r1 a f t e rg i v e nt h ei m p o r t a n t r o l eo ft h er e s e a r c ho fd y n a m i c b a l a n c i n g e 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 e d e v e l o p m e n t t r e n do f d y n a m i cb a l a n c i n g e m e n d a t i o n t e c h n o l o g y , t h e r e s e a r c hc o n t e n to ft h i sd i s s e r t a t i o ni sa d v a n c e d m e a n w h i l e 。e a c hc h a p t e ro f t h i sd i s s e r t a t i o ni sa r r a n g e d ， c h a p t e r2 。t h e b a s i c t h e o r y o f d y n a m i cb a l a n c i n g e 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 ，a s c h e m eo f t w o p r o c e d u r e a u t o m a t i c d y n a m i c b a l a n c i n gs y s t e m i sa d v a n c e d a n dt h e nt h es t r u c t u r eo ft h i s s y s t e m i s i n t r o d u c e d c h a p t e r3 ，a c c o r d i n gt od e m a n do fs y s t e m ，t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e s c h e m eo fp c ib o a r di sa d v a n c e d t h e nt h ek e yt e c h n o l o g i e ss u c ha ss i g n a l i n t e g r i t y , f a s td a t at r a n s f e r a r es t u d i e d c h a p t e r4 ，t h ek 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 gm e a s u r e m e n ta n d d y n a m i cb a l a n c i n gm a c h i n i n ga r es t u d i e d 1 nt h ep a r to fk e ym e a s u r e m e n t t e c h n o l o g i e s ，f i r s t l y , t h ed e s i g no ff o r c em e a s u r e m e n tb e a r i n gb a s e d o nr i g i d b e a r i n gi si n t r o d u c e d 。a n dt h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fm e c h a n i s mv i b r a t i o n s y s t e mo ff o r c em e a s u r e m e n tb e a r i n g i s a n a l y z e d ，t h e n ，s o m ei m p o r t a n t d e s i g np a r a m e t e r sa r ew o r k e do u t ；s e c o n d l y , t h ed r i v i n g c o n n e c t i o na n d c o n t r o iu s i n gs v p w mm o d eo fa cs e r v os y s t e mi su s e dt os o l v et h ep r o b l e m o fr o t a t es p e e df l u c t u a t i n g ；t h i r d l y , ak i n do fs i g n a lt r a c k i n ga d j u s t m e n ta n d f i l t e r i n g m e t h o dj s p r e s e n t e d 。t h i sm e t h o de n h a n c e st h ep e r f o r m a n c e o f m e a s u r i n gs y s t e m ；f o u r t h l y a na d a p t i v en o i s ec a n c e l l a t i o nm e t h o d ，w h i c h p o i n t sl ot h ep a r t i c u l a rc i r c u m s t a n c eo fd y n a m i cb a l a n c i n g 。i sd e v e l o p e d t h i s m e t h o dc a nb eu s e dt oa b s t r a c tt h ea m p l i t u d ea n dp h a s eh i g hp r e c i s e l yi nt h e e n v i r o n m e n to fs t r o n gb a c k g r o u n dn o i s ew i t hv a r i a b l ef r e q u e n c ys t r u c t u r e ； f i f t h l y ，t h eh i g hp r e c i s i o na b s t r a c t i n gm e t h o do fi m b a l a n c eq u a n t i t ya n di t s p o s i t i o ni sd e v e l o p e d i nt h ep a r to fk e ym a c h i n i n gt e c h n o l o g i e s ac u t t i n gm o d e io fe l e c t r o m o t o r r o t o ru s e df o rd 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 se s t a b l i s h e d 。a n dac a l c u l a t i n g m e t h o do fc u t t i n gq u a n t i t yi sd e v e l o p e d ；a c c o r d i n gt ot h eb a s i cp r i n c i p l eo fl c o s c i l l a t o r , t h e c u t t e rc o n t a c ts e n s i n gs y s t e ma n dl o c o m o t i o ns t r a t e g ya r e d e s i g n e dt or e a l i z ec u t t e ri o r a t i o na u t o m a t i c a l l y c h a p t e r5 t h e c o n t r o ia n dh a r m o n i z a t i o n s t r a t e g y o f t w o p r o c e d u r e a 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 mi s d e v e l o p e d ，a n d t h e w o r k i n gb e a to fc o m p u t e ri sa r r a n g e dt or e a l i z es y s t e ms o f t w a r e l a s tc h a p t e r t h ei 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 sd i s s e r t a t i o n h a v eb e e ns 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 c i i 浙江大学硕士学位论文 b a l a n c i n ge m e n d a t i o ns y s t e mh a sb e e no p e n e du p 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 d y n a m i cb a l a n c i n gm e a s u r e m e n t ，d y n a m i cb a l a n c i n gm a c h i n i n g ，p c ib u s p c ib o a r d i j 浙江大学硕士学位论文 致谢 在漫长的求学道路上，又将告别一个里程，在此，我向所有关怀和帮助我的 老师、朋友和亲人表示衷心的感谢和崇高的敬意。 我由衷的感谢导师杨克己副教授，三年来，他不仅在学业上谆谆教导，而且 给我生活上无微不至的关怀。在本论文完成过程中，始终得到他的热情关怀和精 心指导，为我学业的完成倾注了大量的心血。导师不仅以其渊博的知识和独特的 思维方式引导我顺利完成本文的研究实践工作，而且，他严谨求是的治学态度和 为人师表的风范都将使我受益终身。 衷心感谢胡旭晓副教授、项占琴教授和以及吕福在博士对我的帮助和支持。 衷心感谢我的室友姚肖刚、徐伟栋和黄威硕士，他们是我最好的朋友。和他 们在一起度过的三年时光让我受益非浅。 衷心感谢实验室李功燕、刘向阳、张玉柱、孙明明、雷进波、李加赓、张世 阔、秦熠、张保龙和顾志桦众位师兄弟在科研和生活上对我的帮助。 非常感谢我的好友孙景阳、王飞、马耀、任利国、吕惠、杨涛、毛晓峰、曲 振霖、蓝春雷和邹永亮给予我生活上的支持和精神上的鼓励，朋友的情谊让我铭 记于心。 我衷心的感谢我的父母、哥哥、嫂嫂、姐姐、姐夫和小妹，他们无私的奉献 才使我得以顺利完成学业。 2 0 0 4 年2 月于求是园 浙江火学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 动平衡校正研究的意义 动平衡是旋转类产品生产、制造过程中必须解决的一个基本的共性问题， 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。 据国内外统计资料表明，航空发动机的故障4 0 与振动有关，而这些振动多数是 由其叶片的动不平衡所造成( 气流或材料质量和加工性能等多种因素引起动不平 衡) ；气轮发电机设备的异常振动，有6 0 7 0 是由转予的动不平衡所致。由此 可见，动平衡性能对于旋转类机械或设备的重要性。 特别是目前设备向高速化、高效化和高精化方向发展，动平德问题已日益 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。如具有广泛应 用场合和巨大市场潜力的电动工具行业，大量产品的工作速度已从原来每分钟几 千转向上万转、甚至几万转方向攀升，带来了同电机转子动平衡性能直接相关的 振动烈度增大、使用噪声提高以及产品寿命缩短等诸多问题，造成质次价低，难 以在国际大市场竞争中立足的尴尬局面。这种局面的出现主要原因在于目前国内 的电机转子动平衡校正技术还难以满足产品向高性能方向发展的需要。 另一方面，随着人类触觉的不断延伸，人类已开始远至宇宙深处进行探索， 小至纳米空间进行研究，带来诸如航空、航天、纳米技术等一大批高科技不断涌 现和飞速发展。在这些高科技当中，运载工具的实现，加工设备的形成以及研究 仪器的使用同样都离不开旋转设备的应用，而这些旋转设备共同的特点是高速、 精密，对动平衡的性能具有更高的要求。如惯性导航中，是利用机械电机陀螺高 速旋转后所具有的定轴性实现定位导航，如果陀螺的动平衡性能不佳，由于其具 有的进动性，会使定位导航偏离，造成难以估量的损失或灾难性事故，类似例子 不胜枚举。可见，高科技的发展离不开先进的动平衡校正技术及其设备的应用， 并且具有越来越强烈的需求。因此，开展超高精转子动平衡自动校正技术和设备 的研究，既能满足高科技发展的需求，也能推动传统产业的发展，必将产生巨大 的经济和社会效益。 1 , 2 动平衡校正技术的发展现状及其趋势 动平衡校正分为动平衡称重( 测量) 和动平衡去重( 加工) 两个基本过程， 即在完成不平衡量和相位测量的基础上，采用一定的加工方式完成不平衡量的消 除。在国外，一些工业发达国家，由于先进的测量技术和数控加工技术的发展及 其应用，已普通采用动平衡自动测量和数控加工一体化的动平衡校f 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 浙江大学硕士学位论文 各，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f 精度和校f 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。在这一领域，德国、同本的技术 和设备处于绝对的领先地位，其中德国专业于航空、航天用大型复杂转子的动平 衡自动校正，而e j 本在中小型转子动平衡自动校正方面具有明显的优势。如日本 国际计测器株式会社最新出品的六工位全自动修正动平衡试验机，可适用于汽车 电机转子、电动工具、家用电器、各类办公自动化用电机的小型转子的动平衡校 正，由于测量和加工采用计算机集中控制，铣削加工量应用线性补偿，因而动平 衡校正精度可达0 2 5 9 m m k g ，校正效率为3 0 0 只每小时，而一次减少率大于 9 5 ，充分体现出高精度和高效率的特点，代表当前该领域发展的最高水平。 围绕着动平衡自动校正系统的开发，国外在相关技术的研究上主要体现在 以下几个方面：( i ) 转子动力学建模和分析。转子动力学建模积分析是动平衡校 正技术的理论基础，对于动平衡校正系统的研究和开发具有重要的指导意义。因 此，长期以来学术界十分重视这方面的研究，取得了大量的研究成果，并在旋转 机械工况监测和故障诊断中得到了广泛的应用。由于刚性转子研究相对成熟，目 前研究重点着眼于大型柔性转子上，并已从线性动力学分析向非线性动力学分析 迈进，在分析精度和可用性方面都取得了长足的进展；( 2 ) 高保真地提取有用信 号，精确确定不平衡量及其相位。由于数字信号处理技术的发展，特别是d s p 芯片技术的突破，数字信号处理技术成为了高保真地提取有用信号、精确、快速 确定不平衡量及其相位的重要手段，并为赋予系统强大的联机功能提供保障；另 一方面，智能信息处理技术得到广泛地应用，使系统在自校零、自校验、自动补 偿和自选量程能力方面得到了明显地加强，带来更高精度地实现不平衡量及其相 位的确定成为可能；( 3 ) 快速、高精度地完成不平衡的消除。动平衡校正中的数 控加工设备跟随着数控技术的发展而不断进步，先后出现了基于步进电机驱动、 液压驱动和交流伺服驱动的各类数控加工设备。由于液压驱动所带来加工力大、 效率高和性价比合理的优势，是多工位系统中应用的主流。为保证加工精度，已 实施计算机控制的线性补偿策略，在加工误差补偿方面作了有益地探索；( 4 ) 实 施动平衡测量平i d n m - - 体化的计算机控制。从目前实现的系统来看，现有的控制 系统主要有单片机系统，是一片或多片单片机通过串并行数据交换的方式构成 的测控一体化系统。还有采用服务客户端模式，通过主从自主控制互兼的控制 策略，构成的主从式测控系统。另外随着现场总线技术的发展，集多个测控单元 模块与现场，通过现场总线的形式连接起来，构成一个具有较强的灵活性、可靠 性和容错能力的分布式测控系统。尽管如此，国外现有的系统还很难方便地协调 适用范围和校正精度之问的矛盾，精度只能在专用设备上予以保证，并实现成本 2 浙江大学硕士学位论文 过高( 两工位1 0 力i 美元、六工位1 7 万美元左右) ，阻碍其更广泛地应用。 而在国内，长期以来仍沿用动平衡称重和去重相分离的传统动平衡校正策 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，因而， 采用这种方式进行动平衡校正势必难以进一步提高相应产品的制造质量。造成国 内目前动平衡校正仍停留于传统策略的主要原因在于，尽管研究上已有一些单元 技术和方法的报道，但新技术、新工艺应用研究投入少，还无力突破传统的框架 体系，具体表现为：( 1 ) 理论建模分析同实用化严重脱节。在转子动力学及一些 单元技术方面，我国的研究也相当活跃，西安交通大学、南京航空航天大学，上 海交通大学和哈尔滨工业大学等高校都取得了令人瞩目的成就，可以讲在理论和 实验研究方面同国外先进水平的差距正在缩短，但在应用方面还存在明显的差 距。( 2 ) 动平衡测量技术及其设备发展缓慢。目前的测量技术还采用基于时域的 分析方法，测试设备仍停留于用分立元件构成模拟系统的水平上，至多在模拟系 统的基础上引入单片机技术，将测试结果数字化，构成所谓的半数字化系统，这 些技术和设备除普遍存在抗干扰能力、测试精度、柔性度和适用能力等较差外， 还不具备同其它设备交互和通讯的能力，因此难以将测试结果传输给数控加工设 备，实施动平衡自动测量和数控加工一体化的动平衡校正策略；( 3 ) 数控加工技 术及设备研究开发相对滞后。数控加工技术及设备的作用在于将测试结果转换为 铣削加工量，并实现自动铣削加工。目前国内用于转子动平衡去重加工的设备还 普遍采用手动操作，很少有数控加工技术及设备在这方面应用的报道；( 4 1 系统 集成技术还未涉足。由于国内目前动平衡校正技术的重点还在动平衡称重的方法 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没有涉足研究。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 转分叶片超速试验机的能力，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”，典型地代表国内当前该领域的技术水平。 1 3 课题的提出及本论文的安排 综上所述，集动平衡测量和数控加工于一体的动平衡自动校正技术及其系 统，是当前动平衡校正领域研究的热点和发展的主流。但是，在该领域中，大量 的研究成果都是一些发达国家所取得，国内重视不够、开展的研究不多，还主要 停留于单项技术上的一些探索。然而，动平衡自动校正技术实际上作为信息技术 的一种典型应用，我国在检测、数控加工以及计算机控制等相关共性技术上都具 浙江大学硕士学位沦文 备开发的基础。因此，根据国内动平衡校正技术的现状及国外工业发达国家浚技 术的发展趋势，本文结合国家“8 6 3 ”高科技计划资助项目超高精转子动平衡 自动校正关键技术的研究，通过对超高精度转予动平衡自动校正关键技术，包 括智能测量、高性能数控加工、系统集成等方面的理论和方法的研究，设计开发 一套以具有广泛应用场合和巨大市场潜力的电动工具电机转子为应用对象的称 熏、去重一体化的动平衡自动校正系统。研究的特色主要体现在： 1 ) 以电动工具电机转子为应用对象 电动：( ：具作为从体力上解放人类、提高生产效率和增强竞争能力的快捷、 有效的手段，己得到了迅猛地发展，在航空航天、国防、工业、民用等领域都具 有广泛的应用场合。尽管电动工具的发展在我国历史不长，但在一些地区已成为 了主导的产业，在国民经济和出口创汇方面占据了相当的比重，仅我国江浙一带 每年的电动工具出口总额就在1 0 0 0 亿元( 人民币) 以上，可以说我国已成为电 动工具生产的大国。但令人遗憾的是我国在该方面的技术还相当薄弱，产品无品 牌，只能以“质次价低”的形象充斥市场，据统计，同国外一些品牌产品相比， 我国的多数产品不及其价格的1 0 ，极大地阻碍该产业进一步地发展。正如上 面所述，目前提高电动工具行业质量的瓶颈之一是动平衡校正技术，显而易见， 传统的动平衡称重和去重相分离的动平衡校工e 策略已不能适应该领域生产的需 要。因此，动平衡自动校正一体化技术的应用是该行业产品“提高质量，创我品 牌”，在激烈的市场竞争中立于不败之林的重要举措，有其迫切性和重要性，蕴 含着广阔的应用前景。 从技术层面上讲，尽管电动工具的电机转子尺寸较小、重量较轻，并可以 作为刚性转子处理，因而，与其相关的动力学理论比较成熟，在这方面不会对本 文的研究造成难以逾越的技术障碍。但是，电动工具的电机转子集合有电枢，其 去重部位是有选择性的，同时还存在电气性能、机械强度以及动平衡性能等多方 面的优化问题，因此，以电动工具的电机转子作为本文研究的应用对象，具有一 定的挑战性。可以讲，如果能在电动工具的电机转子上实施动平衡自动校正体 化技术，已经解决了平衡自动校正中关键的共性技术，可直接推广应用于其它能 作为刚性转子处理的转子上。 我们认为：在电动工具行业内实施动平衡自动校正一体化技术，有其迫切 性和重要性，蕴含着广阔的应用前景：同时，以电动工具的电机转子作为应用对 象而研究、开发成功的动平衡自动校, - i = - - 体化技术或系统具有普遍性的意义。 2 ) 以p c i 总线为信息传输的桥梁 动平衡自动校正一体化系统集合有动平衡测量、加工和工件切换等多个功 能模块，是一个典型的多功能机电一体化系统。由于机电一体化系统已由集控型 向多级分布式的体系结构发展，毫无疑问，本文的研究、开发工作也将在这样的 浙江大学硕士学位论文 趋势的指导下进行。因此，系统各功能模块之间以及同上位机之间的信息交换的 快速性、可靠性和安全性直接决定系统的总体性能，采用何种总线为信息传输的 桥梁成为了本文研究的关键点，决定系统方案的形式。 随着通讯技术的发展，通讯方式和总线结构形式多样、种类繁多。由于p c i 总线作为立足现在、放眼未来的标准，具有高性能、高效率及与现有标准的兼容 性和充裕的发展潜力，是其它总线所不及的。当工作频率为3 3 m h z ，总线宽度 为3 2 位时，该总线最大传输率可达1 3 2 m b s ，并且p c i 总线不仅具有总线主控 能力，使任何一个具有处理能力的外围设备暂时接管总线，以加速执行高吞吐量、 高优先级的任务，而且具有独特的同步搡作功能以保证微处理器能够与总线主控 同时操作，不必等待后者的完成。因此，p c i 总线的应用将会极大地改善各功能 模块之间信息交换的实时性，为实时控制的实施奠定重要的基础。为此，在本文 所研发的动平衡自动校正一体化系统中采用p c i 总线为信息传输的桥梁，既使现 有的系统具有技术的先进性，又使系统在未来的功能扩充、更新换代方面留有宽 广的空间。 我们的观点是：p c i 总线作为立足现在、放眼未来的标准，它在本文系统 中的应用，既能保证系统的先进性，又能为系统在未来的功能扩充、更新换代奠 定重要的基础 3 ) 以高性价比为追求的目标 在我国，电动工具行业的生产呈现出“少批量、多品种”的模式，因此， 与其相关的生产设备除在效率、精度和可靠性方面应具有优良的品质外，还必须 具有较宽的适用范围，具体为： a ) 工件质量范围：5 k g b 1 工件最大直径 6 0 m m c 1 工件支承轴径范围： 2 0 r a m m 两支承间距离范围： 2 5 0 m m e ) 驱动转速：0 1 0 0 0 0 r p m d 最小可达剩余不平衡量e mo 2 9 m m k g g ) 不平衡减少率u r r ： 9 5 h ) 工作效率：3 5 0 只，每小时 同时，在经济性能方面，系统的价格定位在低于国外进口的同类产品4 0 以上。在这些技术性能和经济指标指导下开展工作，本文所研发出的系统必将体 现出高性价比的特点，乐为广大相关厂家所接受和应用，为改变我国目前该领域 长期依赖进口的被动局面作出贡献。 我们的目标是：以高性价比的系统占领市场，改变我国目前该领域长期依 赖进口的被动局面。 浙江大学硕 ：学位论文 为此，论文共分六章，具体安排如下： 第一章，在综合论述开展动平衡校证研究的重要意义，以及动平衡校正技 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，在对动平衡理论基础介绍的同时，提出基于p c i 总线的二工位动平 衡自动校难系统，并对整个系统构成做简要的介绍。 第三章，根据系统需要，提出基于p c i 总线测控卡的软、硬件实现方案，并 对实现过程中的信号完整性和数据快速传递方法等关键技术展开研究。 第四章，对动平衡称重和动平衡去重中的关键技术展开研究。在称重关键技 术中，首先，在提出采用硬支承方案，以及分析测力支承机械振动系统振动特性 的基础上，整定硬支承设计的重要参数；其次，开展驱动连接与控制的研究，通 过采用基于s v p w m 的交流伺服系统较好地解决驱动转速波动的问题；然后， 提出采用程控增益放大的方法实现信号的跟踪调理，提高测量系统的精度；随后， 针对动平衡测量中的具体实践，发展一种能够在强变频率结构背景噪声干扰下确 保高精度提取幅值和相位的自适应消噪方法；最后，给出一种不平衡量大小和相 位高精度提取方法。 在去重关键技术中，建立电机转子动平衡校正的切削模型，给出不平衡切削 量的计算方法；并根据l c 正弦振荡电路基本原理，设计刀具接触传感系统和刀 具进给策略，实现对刀具的高精度自动定位。 第五章，提出二工位控制协调策略，并对计算机主机的工作节拍进行分析设 计，以实现系统软件。 第六章，主要对二工位一体化校正系统设计与相关技术进行概括和总结。并 展望动平衡自动校正系统后续研究的进一步工作。 6 浙江大学硕士学位论文 第二章动平衡自动校正系统的分析与设计 【本章摘要】本章首先介绍了动平衡校正的基本理论，然后对基y - p c 总线的 二上位动平衡自动校正系统的总体结构进行了分析与设计。 电动工具的电机转子可近似为刚性转子，因而，其动平衡校正可归结为刚 性转子的动平衡校正问题。为此，以下的研究仅就对该类的转子而展开。 2 1 刚性转子动平衡校正的理论基础 在生产过程中，由于材料密度分布不均匀、加工毛坯的缺陷、加工误差、 装配误差和设计误差等众多原因都会使工件质量分布不均匀而形成一定的偏心， 导致在旋转时因受到惯性的作用产生一定外甩的力离心力。离心力与转动物 体的质量、距中心的距离以及转速的平方值成正比，其计算公式为： 尹：珥- c 0 2 啪；( 兰1 2 ( 2 - - 1 ) 1 0 式中芦离心力( n ) ，m 旋转物体( 转子) 的不平衡质量( k g ) ，一 一转动半径( m ) ，国转子角速度( r a d s ) ，以转速( r m i n ) 。 由上式可知，转子角速度珊一定时，决定离心力大小和方位的只是重径积 m ；，在平衡技术中常称为不平衡量，并用u 表示，即： 西：埘；( 2 2 ) 可见，不平衡量为一矢量，它与不平衡质量的径矢始终具有相同的方向。 将式( 2 2 ) 代入式( 2 1 ) ，有： 一f ：刁白2 “矽( 兰r ( 2 - - 3 ) l u 该式表明：不平衡离心力随着转速升高而增大。因此，在赢速旋转时会产生 非常大的离心力，导致相关机器或设备的剧烈振动，从而轻则影响使用性能，重 则造成严重事故，危及生命。当前电动工具已向高速化方向发展，动平衡性能必 然是个日益突出的问题。 转子不平衡具有四种基本类型：静不平衡、力偶不平衡、动不平衡和准静 不平衡。静不平衡如图2 - - 1 所示。由该图可知，转子存在静不平衡时，不平衡 只是作用在转子的径向平面。i 二，并具有以下几个特点： 浙江火学硕士学位论文 1 ) 只要当转子的中心惯性轴线相对于旋转轴线平行位移时，转子就会存在 静不平衡； 2 ) 转子存在静不平衡时，其旋转轴线与中心主惯性轴线是平行的； 3 ) 转子仅存在静不平衡的情况下，当其旋转时，在转子上只存在通过重心 的不平衡质量聊所产生的离心力，即静不平衡力，而不平衡力偶为零； 4 ) 存在静不平衡质量肼，时，在静止状态，转子的重心相对旋转轴线的偏 移量为e ； 5 ) 不平衡在静止状态时可以观察到，并可在重心平面内与不平衡量反方向 上加一单个重物或在同方向上减去一质量进行校正。 图2 一l 转子的静不平衡图2 2 转子力偶不平衡 力偶不平衡也称力矩不平衡。在转子的中心惯性轴相对于旋转轴线有一角位 移、并与轴线相交于重心时存在的不平衡称为力偶不平衡。通常可用两个互为 1 8 0 。、相距一定距离、且大小相等的不平衡质量来表示。力偶不平衡在静止状 态下无法观察到，只有在转子旋转时才能观察，这时转子有摇摆型振动，中心惯 性轴线相对于旋转轴线以锥形轨迹运动。图2 2 为力偶不平衡示意图，图中u 和瓦在同一平面内，但方向相反，且有f u l 卢f 瓦f ，即f 户聊：l 吒 ，可见不平 领离心力等于零，而离心力偶不等于零。正因为力偶不平衡是由两个大小相等、 方向相反的不平衡力产生的，所以需要在垂直于轴线的两个校正平面内进行校 手，不平衡量的大小可表示为： = m r b ( 2 4 ) 式中：m 不平衡力偶中质点的质量( 堙) ， r 校正面半径( 质点与 旋转轴的距离，m ) ，b 两校正面( 两质点) 之间的距离( m ) 。 而动不平衡实际上是力偶不平衡和静不平衡的复合，如图2 3 所示，具有 平衡离心力和平衡离心力偶都为非零的特点。所以，动不平衡需要在垂直于轴线 的两个平面内校正，必要时也可将力偶不平衡和静不平衡分开进行校f 。 浙江人学硕十学位论文 准静不平衡是用于描述由于不位于重心平面内、以单一不平衡质量为代表的 不平衡。因为中心主惯性轴线与旋转轴线交点不在重心上，所以准静不平衡是静 不平衡与力偶不平衡复合的特例。准静不平衡如图2 - 4 所示，若已知准静不平 衡的精确平面，则可用单个校正质量在这个平面内校正，否则需要像动不平衡那 样在两个平面内校正。 1 。 j 一 m i f i t 刖 - - 7 图2 3 动不平衡示意图图2 4 准静不平衡示意图 对于具有两个支承的刚性转子，不管它不平衡质量是如何分布的，但对支承 的动载荷总是两个定值的旋转矢量。这两个旋转矢量可以看成是由某两个平面上 的两个不平衡质量引起的，如图2 5 所示。 图2 5 刚性转子的受力状态 平面i 和平面i i 是通过轴心的平面，通常称为校正面。设码为i 面的不平衡 量，由它产生的离心力为瓦= 袖2 ；设珊：为i i 面的不平衡量，由它产生的离心 力为再= 聊，云南2 。转子重心。不在轴线上，所以转予是静不平衡的，但转子转动 时，离心力i 和再作用在转子上，引起转予和轴承座的振动，因而又是动不平 衡韵。由于瓦和瓦是两平面内的不平衡离心力，若将这两个矢量平移至转子质 浙江人学硕十学位论文 心( ) ，以耳和夏矢量过0 点作图，连接两矢量末端并取其中点0 。点，画0 0 + 线 根据力的分解原理，耳和瓦可分解为： 其中耳。= 瓦。，耳。= 一瓦。 瓦。和夏。大小相等，方向相同，则形成一个静不平衡力。如果平面ix 十o 的 距离与平面i i 对。的距离不等，则形成一个不平衡力矩。瓦。和瓦。大小相等、 方向相反，在转子上形成一动不平衡力偶。由静不平衡力所形成的不平衡力偶与 动不平衡力形成的力偶，两则方向是不一样的。 若以t 表示质心d 到平面i 豹距离，f ，表示质心d 到平面i i 的距离，则有： m s = r s l i r s z l m d = _ ) l 。一r 0 ： 式中m 。和m 。分别为静不平衡力所形成的不平衡力偶和动不平衡力所形成的力 偶。 对上述受力状况的转子进行平衡校正时，只要在i 、两校正面上，与f 和 瓦相反的方向上面加上一定的校正重量g l 和g 2 ，使g 1 所产生的离心力与写大小 相等、方向相反；g 所产生的离心力与耳大小相等、方向相反。这样平衡重量 与原有转子不平衡重量所产生的离心力系等于零( 合力和合力矩都等于零) ，符 合转子的动平衡条件，这时作用于轴承座上的周期性干扰力也就等于零。 从以上分析，可以得出与刚性转子动平衡校正相关的结论如下： 1 ) 不管转子的不平衡质量分布如何，总可以在预选的两校正平面内进行平 衡校正； 2 ) 转子的不平衡由静不平衡和动不平衡组成，两者可分别校正。但若转子 初始不平衡量不大，由初始不平衡所产生的离心力在平衡机的容限范围 内时，根据静、动不平衡的特点，就可以直接对转子作动不平衡校正， 而无需事先对转子作静平衡； 3 ) 刚性转子的平衡与转速无关。在某一转速下平衡好的刚性转子，其剩余 不平衡量的值在其他转速、以至最高工作转速下，也不会显著的超过其 0 浙江大学硕士学位论文 允许的剩余不平衡量。 由于电动工具行业中所使用的电机转子，大多可以作为刚性转子来处理， 因此，上述结论适合于电动工具电机转子的动平衡校正应用。可见，在一定的速 度驱动环境下，通过测量转子两端的离心力，并辅以相位信息，即可实现对刚性 转子的动平衡测量，并可采用两种方式完成电动工具电机转子不动平衡量的消 除，以达到质心的离心力为零，及离心力偶m ，= 0 的目的，即：1 ) 配重方式， 即在找出不平衡量位置和大小的基础上，在失衡转子不平衡处的关联位置配重， 使配重产生的离心力和转子原有的不平衡量所产生的离心力相抵消；2 ) 去重方 式，即在找出不平衡量位置和大小的基础上，在失衡转子不平衡处去掉不平衡量， 使原不平衡量产生的离心力为零。 2 2 二工位动平衡自动校正一体化系统的总体结构 上述可知，动平衡校正必须在完成不平衡量位置和大小测量的基础上，可采 用配重或去重方式予以实现。因此，动平衡校正系统的基本单元为动平衡测量( 称 重) 功能模块和动平衡加工( 配重去重) 功能模块，称之为称重工位和配重去 重工位。为了实施动平衡的自动校正，除上述两个基本模块外，还必须实现两模 块之间工件的自动切换，即需要一个工件自动切换功能模块，并应采用一定的通 讯方式实现各模块之间的协调和信息交换。目前所有动平衡自动校正系统都为称 重工位、配重去重工位和工件自动切换机构有机组合而成，为了使各工位间的 节拍协调达到最优的水平，已有多种多工位系统。由于二工位( 一个称重工位、 一个配重去重工位) 动平衡自动校正一体化系统具有较高的性价比，并结合我 国相关厂家的需求，本文将采用去重方式，并以p c i 总线为信息传输桥梁，实现 一个二工位动平衡自动校正一体化系统，如图2 6 所示。 图中计算机( 简称：上位机) 为p c 机，它作为系统控制中心，负责整个系统 运彳亍的协调、管理和维护。上位机的操作系统是w i n d o w s 2 0 0 0 平台，软件开发 基于v i s u a lc + + 6 0 开发系统，采用面向对象技术完成。功能模块都开发有相 应的类库可供使用或参考，这样可极大地减少工作量，提高工作效率，同时也使 代码的质量能得到保证。 称重工位测控卡( 以下简称：称重卡) 肩负着动平衡称重即不平衡量大小和相位 测量的任务，是高质量动平衡校正的基础。动平衡的测量或称重是通过利用定 的驱动设备带动待检转子运转，使其处于易于表征自身动平衡状态的环境中，随 后这些动平衡状态信息通过支承传递到传感器上，由其转换为电量信号，并经调 理、采集和分析处理完成对不平衡量及其相位的确定。因此，称重卡主要功能有： 1 ) 转子驱动速度的调节与控制；2 ) 完成信号的程控调理、动平衡基础数据( 包 浙江大学硕士学位论文 括两路离心力数据和相位信号) 采集及数据的分析处理，并计算出不平衡量的大 小与位置i3 ) 对转子的精确定位；4 ) 与系统控制中心的数据通讯。浚部分主要 存在以下三个技术难点： 1 ) 高性能调速、稳速的实现。由于不平衡量值及其相位信息分别包含于与 待检转子转速相同的单频正弦波的幅值和相位中，而其频率的稳定性对 提取不平衡量信息具有至关重要的作用。因此，必须保证待测转子的驱 动速度稳定； 2 ) 快速、准确计算不平衡量的大小和位置，并实现高可靠和高效率地传输； 称重工位测控卡 计算机 接收工件h 料准备就绪信号，并将此信息传递到系统中 系统控制中心 p 墨嫠妻高中心开始测量信号并特测量就绪信号反馈给 ￥哭嬲 u 篮t 求 控制中心i 八 工统的管理，协调 ；接收速度、位置传感器脉冲信号，并跟踩转子的速度和 各分系统的控 譬 唇繁用矢量控制建术赛成对交趣伺服电机控制任w 务并在测量完成后将转于定位到第一加工面。 位 制； 八 跟踪调理振动信号。在信号稳定后采集井处理两路振 动信号并完成不平衡量的计算。 监听、接收称 v t 测量完成后将结果反绩到系统控制中心。 重工位测控卡、 动 去重工位测控卡 及机器手控制卡 去重工位测控卡 平 上传的信息，并 对这些信息进行 接收控制中心传来工件准备到位信号，井将去重工位状 衡 分析、处理； 孝垂黢掣g 2 蔷幸心工件到位信号，将击重工位准备就绪 协调整个系统 乎萎毽霪毫 ；跫嚣粱去重信息，包括去重方式、切削深度 的丁作节拍。并 餐 八 丑切自长度等； 发布相应的指1 卜 蹈 接收工件到位信号： 八 体f hw 接收横向压紧、轴向压紧及角定位夹紧到位信号： w 令； 譬 控制x 轴参进电机、z 轴步进电机完成刀具前韧始定位、 化 切自4 进蛤丑退刀等； $ 承担不平衡量 控制角定位步进电机完成加工工件第二加工同的角度定 及切削量等相关 位 + 接收咀上三个步进电机构零点、位置、行程开关及急停 系参数复杂计算任 等脉冲信号，并对这些信号做出响鹿： 务： 坼调各个信号的顺序。并行完成电机转于的两个校正面 的动平衡： 统$ 友好的用户操 作和交互的界 机器手控制卡 本 面，生动的系统 工况实时图形显 完成对机器手橙开、抓紧、向上运动、向下运动，顺时 体 不o 锚旋转及逆对针旋转的控黜t 语音提醒； 完成对机器手松开到位、抓紧到位、向上运动到幢、向 下运动到位、顺时针旋转到位及逆时针旋转到位的快速检 具有 小 测响应； 八 ( 包括 i n t e r n e t 联网功 完成角定位夹紧、轴向推动压紧及工件压紧的兜紧、松 执行 能，具备远程调 开的控制： w 机构 完成角定位夹紧、轴向推动压椠及工件压蜻的宠紧到 试、操作、诊断 位、松开到位的检测与响应： j + 主轴电机启停控制； 和维护的能力； 气动马达