（机械制造及其自动化专业论文）高速主轴在线动平衡装置的设计与研究.pdf

摘要 摘要 本顷嚣辩数控机床帮船工中心蔓辘静在线确平衡技术涟行研究。采用平衡环 式在线动乎簿结构，在圭锉懿端安装嚣个鸯一定馕心震量麴调螫臻，友振动捷感 器测出主轴的振动信号经控制器运算确定主轴的不平衡量。再由驱动装置驱动两 个平衡环转到适当的位鼹，抵消主轴的不平衡量。控制器采集振动信号，并计算 分析出不平衡量的幅值和相位，发出平衡校正命令使两平衡环转到适当位簧。为 缣涯主辘系绞熬安全运行，平衡控割器兼蠢狭态裣灞功能工作中裣溺劐振动逛标 时立即启动平衡枫构。本项目提出了初乎键、预乎筏、在线动乎褥约三步乎缀的 工艺方法。如果主牟由有较大不平衡量时，就需要初平衡将其不平衡量减小到在线 动平衡可调熬的范围内。本文采用影响系数法来测擞主轴的平衡量的大小和相 位。要筏瑶该方法潮必缀知道耋轴酌两个蓬要参数，遽两个参数的大小由预平衡 来测褥。在线动乎缀过程就是驱动谶整环避行奁线乎餐豹谖整_ 遘程。落整环梁曩 电磁脉扣驱动，由于该种设计的输如转矩随转速的提蕊下降的快，为了潢足转矩 要求，在本文中对其绕组的匝数、工作电艇和串联电阻的选择做了系统分析。将 调整环转到适当的角度以后，需要其与主轴进行固连。本文采用电磁铁与永磁体 结合静方法实现调整琢霸主辘快速静离合。为了傈迸主轴搬动蚤测量豹准确往， 防止主轴的共振，本文还对调等餐装内鲍中心辘进行了模态分援，以确定其器除 固有频率和振型。这项研究对我国高速精密加工技术的发展具有重要的意义。 关缝宇在线囊乎鬻；多遴电动税；模态分拆： 北京工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp 印e fs t l l d i e st h et e c h n i q u eo fa u t ob a l a n c i n go n - l i n ea tt h e s h a f t so ft l l en u m e r i c a l c o n t r o lm a c h i n ea n dp r o c e s s i n gc e n t e lt h i sb a l a n c i n gt e c h n i q u eh a st 、oa d j u s 虹n gr i n g sw i t h u n b a l a n c e dq u a n t i t yf i f s to fa l l ，t h es y s t e m 腓a s u r e s 山ev i b r a 廿o no ft l l es h a f u s i l 唱t h ee l e c t r i c e d d yc u r r e n ts e n s o lb ya n a l y z i n gt h es i g a lo fv i b n t i o n ，t h ea m p i i t u d e 卸dp h a s eo fu n b a l a n c e d q u a i l l i i yc a nb ed i s c o v e r e d t h e nt h es y s c e mt u mt w oo fa d j u s t i l l gr i n 笋p r o p e r l y 如g l e st o c o u n t e r w e i g h tt 1 1 es h a f t t b ew h o l et e c h n i q u ec a nd i v i d ei n t 0t h r e ep a r t s ，i n i d a l u n t e 平o i s e ， b e f o r e h a n dc o u n t e r p o i s ea n dc o u n t e n v e i g h to n - l i n e i ft h e 蚰b a l a n c i n gq u a n t i t yi sb i g g i s h ，i tc a n b ec 叫n t e n e i g h t e d b yi n m a lc o u t e r p o 妇勋o w i n gt 、op a 姗1 e t e r so ft h es h a f t ，i h ea m p l i t u d e a n dp h a s eo fi l l l b a l a c i gq u a n 血yc a nb em e a s u r e du s i n gt h ei n n u e c ec o e 伍c i e n tm e t h o d t h a t i m p o r t a l l tp a r a m e t e rc a nb ek n o w nd u r i n gt h eb e f o r e h a n dc o u n t e r p o i s e t h ea d j u s 诅b l e 血gb e d r i v eb ye l e c t r o m a g n e n cp u l s eb a s e do nl h et h e o r yo fs t e pm o t o lb e c a u s ed i i n i 肌t i o no fo u t p u t t o r q u ei sv e r yq u i c k 、v i t hi n c r e a s i n gt h es p e e do fr o t a t i o n ，t 1 1 i sa n i c l ea a l y s 船t h er e l a t i o n 蛳o n g m en u 皿由e ro fw i n d i n g s ，w o r k i n gv o l t a g ea n ds 耐e sr e s i s t a n c ef o rg 酣i n ge n o u g h0 u t p u tt o r q u e w h e nt h ea d j u s t a b l er i n gt u mt op r o p e rp o s i t i o n ，t h ee l e c t r i cm a g n e t i cc l u t c hc o n n e c ti tw i t ht h e s h a f t t h i sa n i c l ea b om a k e sm o d a l a n a l y s i s 仰t h es b a f tr t oi n c r e a s et h ea c 饥r a c yo f m e a s u r e m e n t t h i sr e s e a r c hi ss i g n i f i c a n c et ot h ed e v e l o p m e n to fp r e c i s i o ni no u rc o u n t r y k e y w o r d s b a l a l l c i n go n l i n e ；s t 印m o t o r ；m o d a la n a l y s i s ； 独创l 生声明 本人声明所呈交的论文怒覆个人在导师稽导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特月加以标注霸熬谢静缝方外，论室中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包食为获摄北京工业大学或其它教育机构 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 已在论文中作了髓确的说明并表示了谢意。 签名 4 强务球 日期_ 皇竺i ：盟； 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 绦留送交论文的复霹】俘，允许论文被查阅和借阕；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可敬采用影露、壤审或其他复制手段绦存论文。 签名：鼍垂蝉 导师签名； 第1 章绪论 1 1 课题背景 在机械加工中，为提高加工效率，最直接的方法是加大切削用量，即加大切削 深度和进给量。根据金属切削理论，这将使切削力和零件表面粗糙度增大，从而直 接影响了零件的加工精度和表面质量，此方法是以牺牲加工质量来换取加工效率 的，因此不能用于精度要求高的场合。但是，根据萨洛蒙曲线，在高速切削区域， 有可能使用现在的刀具进行切削，大幅度地提高加工效率，并可能产生意想不到 效果。为了证实、应用萨洛蒙切削理论美国科学家做了许多开创性的工作。在 1 9 7 7 年，美国研制成功了第一台高频电主轴机床( 主轴最高转速达到1 8 0 0 0 一m i n ) ， 才开始了真正的高速切削。试验结果表明，与传统铣削相比较，其加工效率提高了 3 6 倍，主切削力减少了3 0 以上，切削温度明显下降，刀具耐用度提高，工件温 升减小，加工表面质量明显提高。其后，将高速加工应用于难加工材料( 如铝钛台 金、纤维增强塑料、模具钢等) 的加工中，大大地提高了加工效率和加工质量，取 得了极佳的效果【”。 受这些研究成果的鼓舞，工业发选国家纷纷投入大量的力量进行高速加工关 键技术的研究。德国在高速加工工具系统方面开展了卓有成效的工作+ 开发了高 速加工所必需的h s k ( 空心短锥) 工具系统；日本在高速加工机床的研究与开发 方而居世界领先地位，已开发了主轴转速达1 5 0 0 0 0 r l 面n 的数控铣床，预计不久将 出现主轴转速达2 0 0 0 0 0 “m i n 以上高速切削机床。法国、瑞士、英国、俄罗斯、 意大利等国家在高速加工方面也做了许多研究。高速加工已被列为五大现代制造 技术之一，它已成为生产工程学科领域面向2 1 世纪的最重要的研究方向之吼 高速加工技术具有以下几方面的优势： ( 1 ) 加工效率高一般比常规切削效率提高3 6 倍，并且刀具耐用度提高了 7 0 以上。 ( 2 ) 工件热变形小高速切削时绝大部分切削热来不及传给工件就被切屑迅 速带走，工件温升一般不超过3 ，因此特别适合加工易热变形的零件。 ( 3 ) 切削力小切削力至少可降低3 0 ，尤其是法向切削力可以大幅度下降特 别有利于提高刚性差的零件的加工精度。 ( 4 ) 零件的加工表面质量明显提高高速切削时，机床主轴转速很高，激振频率 远远高于共振区的频率，因而不易产生振动，加工过程更加平稳，有利于降低加工 表面的粗糙度吼 由于高速切削技术具有明显的技术优势，目前已在工业发达国家的汽车、飞 机、模具等工业制造领域得到广泛应用，产生了巨大的技术经济效益，并显示出在 机、模具等工业制造领域得到广泛应用，产生了巨大的技术经济效益，并显示出在 j 家_ i 监大学硬士学像论文 二十一世纪现代制造投术发展中具有的重臻地位和广阔应用前景。高速加工技术 静一个最辍本最棱心静特煮积技术就建实糯商翡切潮速度或砂轮线速爱，因诧高 速主轴雄元怒离遗加王规廉豹最茨键辩侮。蔑逮主辘涯年寒逐猿发疑，随着靛空、 航天等行业对主轴转速要求越来越高，耳前，高速机床的主轴转遴已由常规的 2 0 0 0 r m i i l _ 一3 0 0 0 r m i n 提高剿1 5 0 0 0 r m h 一6 0 0 0 0 r m i n ，并有继续增长的趋势。电 主辛辔静祷动取清了觚主电枫翻主籀之闽一切中间的柄i 械传动环节( 如皮带、齿轮、 襄会器等) ，实现7 主毫动摄与撬床圭轴夔一髂他。出于电主辘暴畜结梅紧凑、重 量轻、惯性小、响应速度快，可避免搬动与噪音以及可置入加工中心刀黪中爨馋 更换刀舆等特点，因此电主轴是高速主轴的理想结构。 当加工中心税床主车鸯转速高这l 0 0 0 瓯，m i n 以上时，高速旋转当加工中心机床 主喜囊转遴褰达l o 疆趣i n 豁上辫，由于奁毫逮燕工串心撵工潼程审要求经常幢 的换刀，刀具在主轴上的姐紧状态的微，j 变化都会使烹轴刃具系统蛉平餐熔态产 生变化。高速旋转的刀具( 包括夹持刀柄) 存在的不平衡量所产生的离心力将对主 轴轴承、机床部件等施加周期性载荷，从而弓f 起振动，这将对主轴轴承、刀具寿命 帮热工壤量造残不列影嫡。嚣梵，商这甥懿黼工对旋转乃翼提蕊了严格的动平衡 要求。研究嵩遽旋转刀具的动乎缝技术、有效控制刀是不乎黉鬃是秘割群发黟雄 广成用高速切削技术的必要前提和配套技术【4 】o 筵对随速精密数控投术的重要性 可以从如下方面体现： 1 ) 霹苏鹾显静提鬻怒王精度帮表谣光洁发。对离速精密切前，加工误差可 控制在o ，o o l o 0 0 3 m 嫩。 ( 2 ) 加工中心需要经常的换刀，若采用离线动平锶技术，每次抉刀都要足分 钟的时间，有时还不益实施。而在线动平衡可在主轴旋转的情况下在几秒的时问 瘫究残，显著疆离了生产效率。 ( 3 ) 霹最大限度遄发挥裹速热工中，岛豹攘工潜力，避免实辩生产中密予不平 衡带来的振动使机床无法在最高速下正常工作的现象发生。 ( 4 ) 高速主轴单元使精密昂贵的零部件，在线动平衡技术的应用可以避免由 予掇动弓i 超的主辅损坏，并降低轴承的磨损。握高机床的使用寿命。 ( 5 ) 在线动乎鬻系统蒺套振动信号采集、分幸厅帮报警静功熊，有稍予机床运 行状态的检测。 在2 0 0 1 年第七属北京国际机床展览会上，我圜已肖机床制造厂展嫩了主轴转 速l 0 0 0 0 1 5 0 0 0 r m i n 的加工中心机床，工舆行业通过技术改造也初步具备了开 发麓速锈鬻刀县懿麓力，这都为嵩速镯澍技术在我国的稚广应用龟d 造了必要条 件。与高速切削技术耍b 套购刀具动平黉技术殴成为规廉工爨嚣她共嗣关心豹技术 课题，加快该搜术的研究开发工作将有助于高速切削技术的发展与应用。 第l 章绪论 1 2 国内外研究状况 电予鬻速切溅麴工怼旋转刀爨握窭了严掺戆秘平餐要求，磅炎离速旋转乃昊 的动平衡技术、有效控制刀具不平衡量是研制开发和推广废用高速切削技术的必 饕菠提露瓣套技本。刀具弱动乎，鬓蒙理与一般旋转零 牛验动乎餐激理媚酝。蓄宠， 刀县结构的设计应尽可能对称；其次，在需接对刀舆进行平衡时，可根据测出的不 平餐量采嬲刀橛去重或调繁配重等方法实现乎餐。 图1 * l 美国b a l a d ) r i l e 公司开发的在线乎衡系统 f i g 毽糟l lb 稿y n es y s t c mo f 碱搿妇毽。瞄i 珏。 但是，用户在加工现场使用刀具时，巍于对工其系统避行缝合及对刃襁与主 轴进行连接对均可能产生一定偏心量，从而使经过预先平衡的刀具产生新的不平 衡，因此，开发一种自& 使整个刀具一刃栖一圭皴系统在驱动状态下实现平鸳敬在线 平衡系统极具实用价值，利用该系统甚至裔可能直接使用未经预兔平衡的刀具组 件进行加工。在线动平衡楚一种不影响主辆正常工作的平搬技术。它是利用振动 匿l - 2 美国k e n n a 搬e t a l 公司开发鳇在线乎糖系绕 f i 磬啪l - 2k e n n a m e 纽1s y s t e mo f b 北m c i n go 卅i i n 8 传感器程魄气检溅装置，在线捡溅凄工终状态下转予翡禾乎簿量戆大枣及稳经，然 后根据此信息，自动控制平衡机构工作，使熊产生相应的校正平衡爨，并与原始不 北京t = 业大学硕士学位论文 平衡量抵消或去除原始不平衡量，从而使转子及时得到平衡1 5 】。 在线动平衡可分为两种：一是通过直接在转子上加重或去重来校正不平衡量， 称为加重( 去重) 法，二是用平衡头来校正转子不平衡量，即平衡头法。加重( 去重) 法就是直接在转子上加重或去重的平衡方法具有简便、迅速、易于控制等优点。 这种方法中主要有激光去重法和高速热喷射加重法。平衡头方法是目前用得最广 的在线动平衡法。平衡头是一种可在线调整校正平衡量的装置。平衡头法就是将 平衡头装在旋转轴上，根据测得的转子振动信息，通过控制系统在平衡头内调整质 量的大小和方位，使其产生校正平衡量，并与原始不平衡量相抵消，达到平衡转子 的目的。这种方法调整灵活、平衡迅速、便于在线应用。 图1 1 所示为美国b a l a d y n e 公司开发的在线平衡系统的结构与工作原理。该 系统由传感器、控制器、配重盘、线圈等组成。主轴上带有两个电磁驱动的配重 卜平衡块位置测量传感器；2 定子：3 一反光片：4 压板；5 一滑盘；6 一滑盘座； 7 一平衡块；8 一被平衡转子；9 一螺钉及弹簧 卜t h es e n s o ro f m e a s u r j n gp o s i t i o no f c l u t c h ：2 一s t a t o r ；3 一r e n e c t o r b a n d ；4 一p r e s s u r ep l a t e ；5 一s i i d i n g d i s c ；6 一t h ep e d e s t a io f s l i d i n gd i s c ：7 一a d j u s t a b l er i n g ；8 一r o t o r ；9 一s c r e wa 1 1 ds p n n g 图l 一3 电磁式动平衡调节器结构 f i g u r e1 3e i e c 打o m a g n e t i cd e v i c eo f e q u i l i b r i u i i l 棉，通过调节两个配重盘的位置，可使产生的不平衡力与需平衡的刀具系统的不平 衡量相互抵消，达到在线平衡的目的。该系统经过25 秒钟的“学习”后，集成在 主轴中的平衡装置采集到整个系统的动态特性，再经过1 秒钟的自动调节后即可 达到平衡。目前该系统可适用于6 0 0 0 0 r m i n 的转速条件。b a l a d y n e 公司称，如预 先设计的配重盘能力足够，可使用未经预先平衡的刀具实现完全的在线平衡。 幽l - 2 所示为美国k e n n a m e t a l 公司开发的在线平衡系统，该系统由平衡刀柄、加 速度传感器、控制器和调节器组成，其特点是将电磁驱动的配重盘配置在刀柄内， 通过自动调节刀柄配重盘的相对位置，系统可对主轴和工具系统进行整体平衡，而 第1 章绪论 不必使用特殊主轴。 在国内，浙江大学化工机械研究所提出一种动平衡调节器的结构。这种调节 器是根据电机原理工作的，其构成如图1 3 所示，它如同电机一样由定子2 和转予 ( 4 、5 、6 ) 组成，定子上有线圈。转子分成两部分，随被控转子一起转动且固定在转 于上的随动部分6 和可相对于转子转动的转动部分5 ，两者以某种可相对转动的方 式连接在一起。当定子上的线圈随控地通以电流，产生的非接触旋转电磁拖( 斥) 力矩大于转子上的随动部分( 滑盘座) 与可动部分( 滑盘) 之间的阻力矩时，转子的可 动部分就相对于随动部分产生周向移动【6 】。 由于现场的运行条件很复杂，温度、湿度、电和磁的散射场、周围机械的振 动等因素都会给测试系统带来随机干扰，使测量和平衡精度受到影响1 7 1 。所以提高 振动传感器及其放大、指示系统的现场抗干扰能力将很重要；另外，主轴在线平 衡器的结构简化，控制方法的改进，平衡精度及速度的提高都也是很有必要。相信 以后随着相关技术的提高，在线动平衡技术也将更加完善和高效。 1 3 本论文的主要内容和研究成果 本论文对高速磨床和电主轴的在线动平衡技术进行研究。采用平衡环式在线 动平衡结构。在主轴前端安装两个有一定偏心质量的调整环，由振动传感器测出 主轴的振动信号经控制器运算确定主轴的不平衡量，再用驱动装置驱动两个平衡 环转到适当的位置。由于该结构需要两个平衡环在主轴的精确定位和与主轴的固 接，所以在该装置中，平衡环的驱动和离合是该结构的核心部分。本文采用步进 电机工作原理进行设计驱动装置。在这种情况下，也可以将平衡环称作转子。调 整环的定位锁紧采用电磁离合器。所以本文的主要工作包括平衡装置的整体设 计、驱动装置的设计、电磁离合器的设计和延长轴的模态分析。这项研究对我国 高速精密加工技术的发展具有重要的意义。 北京_ - i ：= 业大学硕士学位论文 第2 章动平衡理论介绍 转子不平衡是繁有转动部件的设备产生振动的主要殿爨之一。这耪振动会热 遮皴承等零部件的壤损，降低规器弱寿玲秘效率。羁黠，因振动产生的噪声还会 恶化工俸琢境。为了防止避量的外界噪声和振动的传递，并渡善杌械的使用耐久 性帮效率，就登须辩转子进行动平衡潮。 2 1 刚性转子的动平衡 拓果转子在远低于第届临界转速下运行，此对转子比较刚硬，不平衡引起 的转予挠蠢翦很小，可以忽略，这种转子称为刚健转子。如果把一个转予分割成厚 度为g 的圆片，则每个圆片都存在一定的不平衡量。假设大小为g 的不平德质 赣存在于半径为，圆阁参考角为a 的地方，那么它所产生的离心力为： 尹= ( 国2 函1 ) 式中”哺磷锈- 激 可见离心力随f 的平方而增大。所以我们就把g 和，的乘积成为不平衡 量，一般表示为： u = g r ( 2 固 单位通常为g m 臌，则 f = u 群2 ( 2 1 3 ) 因诧离心力f 与不平衡量护怒成院钢的，戡就是线性关系。不平衡量是由有 方商的，工程上通常表示为 u ；驻盘 f 2 4 2 。l 。l 不平衡的分类 对剐性转子，无论其具枣怎样的分毒不平骛，转予麴蹇馁性办系离矮心静 矗 圈2 一 静不平衡 f 遮2 u 曲a l e e 纯b i c 简化总能得到一个合力和合力偶p j f 瑚。根据不同的分布通常把不平衡量分成四种 6占 第2 章动乎簿理谂奔绍 类型。 ( 1 1 静不平衡量静不平衡是转轴与中心主惯性轴平行的不平衡状态。如图2 1 所示，在质激分布均匀，处于平衡状态的转子半径处附加个不平衡质量，则转 予重心攘离辘线豹距褰淹g ，显然 u * ，一肘i ( 2 5 ) 式中【7 一不平衡量； g 镶心躐 当转子以角遮n 度转动时，不平衡质量产生的离心力为： f * 阮。 f 2 6 、 国力稿不平衡量力偶不平衡怒中心主观惯性辅与轴线在重心相交的不平衡 状态。一个圆柱钵可e 2 露两块质量搁等鼹块配覆在羹心嚣边对栋戆俊霍上，此时 图2 - 2 力偶不平衡 秘g u r e2 1 2u 曲如n c eo f 如 c e 娜l e 转子处予静平餐状态中。惶是警转予转韵起来淡蜃，这两个囊浚各鑫产生懿离心 力就会构成个力偶，惯性轴就不再与转动轴重合了。如图2 2 所示。 可以看出力偶不平衡与静不平衡的不同就在于，转子静止时，两端的质量块 。一 圈鼻3 准静不平衡 f g l l f e2 - 3q u 碰u 抽鲢a n 锯s 擅驰 彼此平衡，而转起来以后，就会引趣强烈的振动。 囝准静不平衡疆准静不平衡时重心在惯性轴与轴线在重心以外的某点处 棚交的不乎糍状态。如图2 3 掰示。准静不平赞量霹戳分鳃麓一个静不平鬻量帮 一个力偶不平衡量。 j e 塞工业太学骥士学健论文 吐 图2 4 劝不平衡 联辨r e2 _ 4m o v a b l e u n b a l a n c e 国旗不平骜鬟动不平衡楚中心主瓒洼轴与轴线静不平行又不榴交静不平 衡状态。如图2 4 所示。动不平衡量艇玉可以分解为薅个分量，一令为静不平缝量， 一个为力偶不平衡餐。但是这两个分量不在同一个轴向平面上，这是与准静不平 辔蓬豹不露之处。 在遮四类不平衡量中，静不平鲐量和力偶不平衡餐是基本的，其余嚣令是派 生的。可由两个基本不平衡量合成丽得。但是动不平衡量怒最常见的。 2 i 2 不平衡量调整的方法 为谯爨澧转予巍不平衡弱平衡，遥常在垂巍于旋转轴线的校正面上进行。静 平衡在一个平藤上就可以了，蕊动乎餐则嚣要毯孤个校正乎嚣上涟蠡。一般采惩 以下的方法。 ( i ) 糯重京已知不平衡量的反方囱加懿质量，使附加质量产生的不平衡爨与 不平篱量抵消。主要采用旋上螺钉、嵌入铆钉、烧焊、喷镀簸趣毯襞辩鬟等方法。 ( 2 ) 去重即在不平衡鬣的所在位鬣上去除材料，使去掉了的质量产生的不平 衡羹就楚藤来酌不予衡量。主要采焉钻孔、磨削、铣、锤、偏心举翻或激光打孔 等方法。 ( 3 ) 调整校正质鬣在旋转体上预先设计好的机构中，调整校正质量的大小和 方淘，这弱去莛或鸯嚣重豹瑟的。衡如，可阻拧入或拧幽螺钉来改变径向分布 沿 圆周方向媚互移动鼹令凰薅大小的愿量来改变蹩度分奄。 在调整过程中应该注意一些事项，一般在设计工艺图纸上注明了校正不平衡 才麓静方式，校正就应按茈游行。钻孔时最好在理论位置的两边对称进行，因 为淤径越链孑匕对，越往里阁榉艨量鲍钤偿份题藏越小；沿轻舄钻魏对缀容易德高 校正面。两个校正面的距离应该尽量大，以减小相互间的影响。校正半径应尽量 大，竣使定谴角精度高。确定转子酾平衡精度时，应麓虑其不平衡量的稳定性， 如果嚣次运行闼剩余不乎缝量鸯一定大，l 、懿变化，剽要求遭夺斡平衡鞲发裁没有 意义了。 8 笫2 章动平衡理论介绍 2 2 转子系统的现场动平衡 转子现场幼平衡，又称整机动平衡，楚在机器安装在使用地詹遴行的。运行中 机器的最终运转条件和振动状态与运转速度、辊子剐度、轴承支撑、整体刚度、 机器负荷以及驱动条件等都有关系。其平德过稷是利用较常见的测振仪器，直接 在工佟辊禳上对失衡转予麓戳捡溺平衡# 2 j 。与转子在专门的平鬻视上平衡相比， 现场动平衡具有一些鼹著的优点，随着机械向大裂高速方向的发展，越来越受到人 翻黪整援。在璇场动乎簿中，不平衡量鹃滚量方法彝不￥褥量静调整方式楚关键 的两个方面。在本项目中，采用影响系数法来测量主轴的不平衡爨，调整方式采 用电磁辣净驱凌谡整臻在线调熬夔方法。 2 2 1 影响系数法 转子可分为臻缝耪挠洼两释。褒场幼平衡串，对这嚣释转子避行动平德静方 法是脊所区别的。刚性转予现场动平衡常用影响系数法f 1 3 j ，而挠性转子要才用振 墼平餐法秘影穗系数滚弱缝合。下瑟麓荦舟绍一下转予豹单瑟平簿影璃系数法 1 1 4 】。 假设菜转予原始不平镄量麓砺，溅缛该不警簿量弓| 趣鳇振凌楚为，在校正 平面上加一试嫩m ，其不平衡掇为矾，在相同的转速下再次进行振动检测，其 值为禹。则不平衡量职弓l 起的振动炎： 2 = z o 一石lp 令 x 。 群。矛 u l 伐为影确系数，表示校正平面上单位不平衡量在测点处引起的不平衡振动响应。 所蚍为了校正原始不平衡量，就应该在该校旋平面上加不平衡最为： = 鲁* 五导 口五一 如栗试重所在位置的半径为“剐裉疆土式应魏藏质量铆口为： 妒等= 蜀惫 馨l 。 下面以砂轮一主轴系统为例，简单描述下该平衡方法的熬本理论。设砂 轮一主辖系统翁质量为强萁重心与旋转辅线的偏心距为口。砂轮高速旋转时，不 平衡离心力的大小为 f = 胁掰2 1 ) 北京王炷大学硕学位论文 式中。砂轮一主轴系统的工作角速度，棚一2 硝n ，6 0 ，弧度，秒； 嚣圭车鑫转速 令 u = 如p 1 2 ) 0 r 为不平衡的质径积，其单位为箩脚脚。通常用表示不平衡量的大小。转子系 统动平衡的任务就是用实验的方法确定不平衡量厂的大小和方向，然后在蕻相反 辨轮一嘉辘豢壤 圈2 6 砂轮一主轴系统输入输出图 f i g u 2 南 h es ) ，s t e m 幽a 蠡 瀚方向菜半径，处加一平衡质量忉，镄册r 与u 的大小相等，方向相反。一般 来说，砂轮主辆系统静力学健震可蠲线经援登接述。线往系统秘输入一输出浚 质为实验确定不乎糖量，提供了理论依握。在进行现场动平衡时，可姆不平糖鬟 u 在水平方向的投影rf j 看作输入，选择轴承座的某点测量振动响应匕以此搬 动响应j 钲水平方向的投影吖f j 作为输出。砂轮一主轴系统的输入一输出模型 盎图2 6j 舞示。输入wf ，黧输氆吖0 之潮的关系可嗣常系数线往微分方程描 述 掣学一t - + q 掣弧翮= 学 ， 式中甜系统的阶数； 甜。，群。，吼，吼为常数，由砂轮一主轴系统的结构确定 公式( 2 一i 3 ) 嚣边取付立活 变换，整瑾可褥输入与输出之滴的频稚蟊数为； 脚) = 器一面矿瓦面向i 而 口4 ) 式中卜虚数单位 公式( 2 1 4 ) 表明，在转速一定的情况下，输出之间的频响函数为以复常数，进一 步分析公式f 2 1 4 ) 还可简化为： 踯扣去e p 式中f 广常数，即相位角与频率成线性关系 。1 0 c 2 1 1 5 ) 第2 章动平赞淫论介绍 氆2 j t n 由公式( 2 1 5 ) 知，转速一定情况下，不平衡量的幅值与振动的幅值之间的比值为 常数k ，振动桐位滞后予不平衡量相位一常数角度a 。这一结论对任意多自由度的 砂轮。主轴系统均戏立。为遂行浚速瑶溺动平衡，辩一定安装条件豁移轮一圭轴系统， 须先测定常数足积& ，彤和联的测定方法将在下藤说明。拦积坟测定嚣，即可对砂 轮一主轴系统在高速磨削中随时出现的不平衡进行快速现场动平衡【1 7 】 1 8 】。 如图2 7 所示，由溯振传感群测出轴承座振动的幅值r 及相对于相位基准的 方淘。黉l 不警衡量轳= 爱z 英方商超蓠予摄动y 的角度为口。 2 2 2 跑镶常数彭与相位螽g 的测定 妇辫2 7 新示，u 为主辎韵不平衡量，称之为原始不平衡豢，萁值为辟珊r ， 即偏心矮量与镳心距的积，8 是冀以光电抟感嚣确定憋基壤力熬点静摆位热。强 为在主轴平衡平面上试加的不平衡量，该值的大小可有自己自行决定，其馕必 叻一所r j 。仍是原始不平衡麓和试加上去的不平衡量合成的不平衡鬓。y 是原始 不平衡豢雩| 怒的振动量豹幅值，箕相位为毋。乃为合成不平衡量弓 起的振动量的 幄馕，龟是握住。预警餐簧进露嚣次开援测试f l 靶b o 】。第一次开褪鬟接溅量圭辘 系统的不平衡量激发的振动的幅德和棚位y 彳鼠该馕电涡流传感嚣测量；第二 次开机测量试加平衡块后的合成不平衡量激发的振动的幅值和相位e 么她。如 图2 7 搿示。 田= u 2 + 掳一2 凇2 c o 妒( 2 1 6 ) 困麓主鞠对不平衡塞弓i 起的振动羹的延迟相同，所戬两次溯得的振动量的相位角 差与嚣不平键量懿楣位燕羞耀固，即 2 多一欢 诬1 7 1 又瓣失主辘辩输入信号虢放大篦铡样，掰黻 鲁= 等 ( 2 - 1 8 ) 将公式( 2 一1 7 ) 、( 2 1 8 ) 代入公式( 2 - 1 6 ) 得。 吣n 叫甜划2 扣) ( 2 秘 转换后锫： ( 2 2 0 ) 北京工业大学硕士学位论文 这样原始不平衡量和其引起的振动量都已经知道，其比值即为要求的主轴的两个 图2 7 预平衡原理 f i g u r e2 - 7s c h e m a n cd i a 舒锄o f b e f o r e h a n de q u i l i b r i u m 参数中的比例系数k 。其计算公式如下： 丘：旦 y 如图2 - 7 所示，原始不平衡量的相位角： e = l 七b 七? 其中 ( 2 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) 一c c o s ( 斧 主轴的另外一个重要的参数相位角系数，可以由下面公式算得： 口=口一(2-24) 2 。2 3 快速现场动平衡的工艺实现方案 按前面介绍的方法确定不平衡量u 的大小和方向后，在平衡面内加上平衡质 量用，使质径积脚r 与驴走小相等，方向相反，即可实现主轴系统的平衡。为进一步 缩短平衡时间，可采用平衡环式快速动平衡结构。在主轴前端安装两个带有一定 偏心质量的平衡环，平衡时转动两平衡环到适当位置，抵消主轴系统的不平衡量。 如图2 8 所示，u 为主轴系统的不平衡量。两平衡环可在周向作3 6 0 度旋转，且分 别具有已知的不平衡量明和巧。通过分别旋转两环到适当角度获得两平衡环的 1 2 第2 章幼平衡理论介绍 含戏不平餐鬓鼍褰现与主辘系绕黥不平褥量v 豹平衡。平衡磊两平衡环与主轴 紧圜连接。 转予动平衡的尽鸵戴是保证转子在琰场糍平穗的运行。对于现场动平衡平餐 糟度的谬定爨无疑闯应农整虮试验套上或最终装聚下螅理场进行。潋粟爆f 瑟 瑶2 8 快速动平衡装置藏瑾搿 f i g u 恐2 - 8t h es e h e m 鑫蛀cd i a 嚣隧旗唾毪l c k 鸯弱a 搬妻cb 撼8 珏。v i c e 一些参数中的任一莉寒湃定：不平衡力弓i 起的振动、辘承力、剩余不平衡量。不 乎鬻力弓l 起黪振动是捂袁现场动平衡中邋过测试经瑗场麓平衡校正藉的梳缝的 搬动米礁定转予平簿状态是磴满意。 一1 3 - j e 京工娩大学硕士学位论文 第3 章在线动平衡装置结构设计 3 。l 在线动平衡装谶的整体实现方懿 国为加工方式的不弼，侵褥祝寐静类型多静多样。遮祥，税蒎上麦轴的砖类 遵王狠寤。所以一个平衡装嚣不可能遁合所有的主轴。我们选用磨床的主轴作为主 要斡鞭究对象。在蘩凑烹辘瓣壤部装一令延长骧，蒋乎鹜系统装鬻在筵长辅主， 这壁称该延长辍为乎鸳秧，其绽擒熟圈3 1 掰示。平衡豹方法袋髑灞蘩校更质委= 法。该方法能够方便快捷的实现配溅，比较遴合在线勘平衡的调节。具体就是在 平衡糖上赦鼍辨个繁有绱心璜薰豹调整环，该调整环巍隽有一定鹣不平衡鬣。通 过两个调整环在轴溺塌方向的角璇变化来实现两个调懿环的合成不平衡擞和主 ，2 一糍蕊；3 一延长孳f l ；4 一电主骧；s 一离含漕块；6 ，8 一 j 鼍整姆；7 一鞋渤缀缀；9 一黪浅l l o 一电磁铁；l l 电涡流传感器；1 2 一光电传感器；1 p 电感式接避开关 l * 2 - s 疑骓c o ￥甚瓢3 m s 撵确l ee 蹴蕊4 e l 嚣c t r i e 幽疆；5 姒c 敦：6 。s a 礴u 鼹主霾b j e | - n g ； 7 一蛾v i 嘴w i d d l 端；9 塔& l l 1 0 一藉l e t r o 辩a 鐾黔峨i 塔i e e 蠊ee 甜ye 娃髓s e n s o r ； 1 2 - p h o t o e l e i cs e n s o r ；1 3 一i n d u c t a n o ea p 雕o a c hs w i t c h 鎏3 * l 在续蘧乎簿装溪簿强 f i 蹦糟3 ， s i m 球玲g 麟砖。铀越躲出毽e 氆l 黼# n to 小l i 黼 辍龄不平鬻登大小据浮，方囱稳反。在谖第麦艇平撩辩，蓄先壹缀劝黄罄器鞭匿 第3 苹在线动平衡装置结构设计 主轴的振动信号。然后，控制器对振动信号进行分析，确定主轴的不平衡量的幅 值和相位。再由驱动装置驱动两个平衡环转到适当的位置，抵消主轴的不平衡量。 具体工作过程如下： ( 1 ) 如果机床振动过大，传感器l l 就会检测出来。 ( 2 ) 控制系统开始分析传感器发来的信号，计算出不平衡量的大小和相位。 ( 3 ) 计算调整环6 ，8 相对于主轴的位置。 ( 4 ) 离合滑块与调整环分离，然后向定子绕组7 发送脉冲，驱动调整环使之 达到主轴的转速。 ( 5 ) 微调调整环使之到达要求得与主轴的相对位置。 ( 6 ) 离合器与调整环啮合，定子绕组停止工作。 根据动平衡装置的执行过程，可以将该系统分为以下几个部分：测量系统、 调整环驱动系统、调整环定位锁紧系统和主轴不平衡量调节系统。下面将对各部 分进行详细说明。 3 2 测量系统 测量系统主要包括两部分：主轴振动信号的采集和调熬环在主轴圆周上位置 ， 的确定。振动信号用电涡流传感器来采集，该传感器的放置位置如图3 1 所示， 图3 - 2 光电传感器信号和电涡流传感器信号波形 f i g u r e3 - 2w a v e f o 姗o f p h o t o e i e c 雠cs e n s o ra l l de l e c t r i ce d d yc u r r e n ts e n s o r 北京工业大学硕士学位论文 图中l l 必电涡流转感器，戆对圭辘振动进行对| l 雩检测。电涡流传感器羹号为 c w y - d o 。5 0 2 k ，灵敏度是8 。1 2 m 彰瞰l 。其测鬓振动信号波形图冕甏3 2 ，辫中上 面波形为测褥主辘振动售号波形。振动霪奁主辘圆周上兹楣位不能肇猿用蘸涡流 传感器测季罄，鼹要光电传感器的配合。光电转感爨敖鼗位譬冕零3 1 。在芰辘上 设攫一反光带，每当主蕺珏转熙，光电开关就被触发一次，辘出一令裹魄乎信号， 我们就以这个触发点为基准点，其波形圈见圈3 2 。 如图3 2 所示，振动信号为正弦售号，这主要是因为主轴袈统馋镳心麓转造 成的。所以认为在正弦信号的最赢点为主轴离传感爨距离最近点，难弦接号戆最 低点为距离的最远点。在该测量系统中，选用缀高点作为振动撰盼标惑点。这样 我们就可以得到振动信号在圆周上相对于基准的角度： 丁一丁 妒。二三i 3 3 6 0仔1 ) 式中t 2 _ 一电涡流信母最迤点对刻( s ) ； t ；光电传感髅的如发高电乎时刻( s ) ； t 光电俄感器相邻鼹个巍电乎之闻的时阅差( s ) ； p 主轴振动壤相对予基准的角度( r a d ) 调整环在圆周上的位鼹则有开关传感器和光电传感器来确定。如图3 1 联 示，1 3 为电感式开关，调整环端面上设置肖缺口，用来触发电感开关。调整环 每转一周，电感开关被触发次。以光电传感器触发信号作为基准，可以算出调 “二11f 11 l 蛋3 3 开关信号琢惑强 f i 娶黔3 3s w i | c h 毽s i 韶a l sw a f o 黼s 整环在瀚周上的位置。如图3 3 所示，以光电信号的上升沿为基准，在任意时刻 乃电感开关对平衡环的旋转保持监测，在r 时刻的平衡环相对于高速主轴的兔 度为： 2 ( q 一) m ( 3 _ 2 ) 1 6 第3 章程线魂平饕装萋雅鞫鬏计 式中o ，平衡环的瞬时转速( r a d ，s ) ； r 高速主辖豹瓣时转速 f a 稳) ； 础丁时刻到最近一个光电传感爨信号触发上舞浍之耀魄l 重凌簇 。，。为电感开关和光电传感器时时检测得到的值。 3 。3 调整环驱动系统 如图3 。4 鼹示，驱动器分碧迤子粒平衡环掰部分。定子由硅钢泞叠藏，裔6 个磁极，每个磁极上番5 个小盏。调熬环外圈均匀分毒4 0 令小齿，这些小盏与 磁板上的齿完全相同。定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴 图3 4 电磁式动平衡系统驱动器结构图 擎i g 班宅3 - 4d 矗v e f ss 缸1 l c m 糟耐葫e c t 煳a g r l e t i cd y n 黜i cb a l a n c es y s t e m 线锩开o 、手3 、2 m ，( 挺邻嚣转子蠢辘线阏静鞭离为齿躐苏r 表示) 。翔a 褶 通嗽，b ，c 楣不邋电时，斟为此时a 、a 题个极上媳逸与转手装对夯，转手不 受任何力；b 相通电，a ，c 相不通电时，因为b 、b 两个极上的齿与转子齿媸 开粥，幽子电磁力的伟用，转子转过嬲；c 相通电，a ，b 棚不通电，转予转 过2 z ”3 。舞栗不断缝按a ，弘，e ，a 通电，调整环就每步转动( 每脉冲) 粥，不停的旋转起来。热按a ，c ，b ，a 遂魄，毫楗就反转。爨越霹觅：逸 机的位置和速度由导电次数( 脉冲数) 和频率成一一对应关系【2 l l 2 2 】。 调整环的结构图如图3 - s 所示。其实物图见图3 6 。因为调整环自身具有一 定豹不平衡量，所以在阕中l 处打了5 个孔，孔的直径3 n l n l ，深5 m z n 。总的不平 鸯量为3 3 垂嗍。衣霉孛2 为啮合密，在调熬环需要定位锁紧辩，该齿与离合器 北京工业大学硕士学位论文 啮合。3 处的缺口是用来触发电感开关的。定转子的结构参数和绕组电气参数的 确定将在第4 章中详细说明。 图孓5 调蜂翟射姻 f i g 獬e3 5s t n l c t 掰l 舻a p ho f a d j 岱 a 辅e 瘟唔 圈3 - 6 调整环 f 蛳e3 6a 蛳s t a b l er i n g 第3 镦在线动平衡装置结构设计 s 。莓调整环定位镂紧系统 在动平衡调节过程中，需要调整两个平衡环在主轴的相对位置茅h 绝对位鬣， 著显当平袋嚣谖整戮要求爨黩器懿嚣，粼必须戆搜其在没鸯惫磁驱动瓣潼况下魏 精主轴旋转，这时需簧将调整环锁紧。其具体结构图如图3 7 所示。电磁线圈绕 主辅 图3 - 7 电磁离台器结构图 f i g u r e3 一s t r u c i u r a i 豁a p ho fe 1 。c t r o m a g n e td u t c h 莓羹铁芯紧霹在端菱上，共量嚣结合瑟育嶷驽魏导磁链，隶磁俸与噻合德采蘑a 罄 胶固连，啮合齿与主轴用花键连接，所以啮合齿可以在主轴上滑动，艇实物图如 阁3 8 离台滑块 f i g u r e3 8c l u t c h j e 京工鼗大学硕士学位论文 图3 8 所示，啮合齿的齿数7 2 。改变电磁线圈的通电方向控制啮合齿的离合，其 磁鼹查器嫠3 - 9 所示，a 强是亳磁离合器豹磁路走势模型圈，s 2 楚为铁苍与主辘的 连接，因必该处有睾虫承和轴零盖逯接，其磁阻不好计算，在这里以o 。5 辨搬气隙 的磁阻进行计算。b 图为磁路等效图，r 1 是铁芯与滑块间气隙磁阻，r 2 为s 2 处的磁戳。当电磁铁正内通甑是，电磁铁的产生的磁势与永磁体的磁势方向相同， 印吸戆过程。反之，戴方囱楣爱，j 逝辩将会产生接斥力。 3 4 i 毫磁力设计要求 离含器在动作过程中，需要快速得离台，并在啮合时有定的压紧力。由于 淆块与主轴的摩擦力很小，在这受不作考虑。这样就需要电磁铁克服两个力：衔 铁运动的蠼l 生力秘器紧力戳。 ( 1 ) 懒性力计算要求衔铁在o 1 s 魄移动2 。5 m m 的距离，则热速度a = 0 。5 螂2 。 则 五蛳妇 掰是漕块静鬟量 、( 3 7 ) 求褥嚣要数磁遥懿大，j 、或磁场 易瑚o o 蚓 = 5 0 0 0 船l 将辟4 ，7 3 8 平方厘米代入式( 3 - 8 ) 褥b 产3 6 8 l 高斯，参= 2 7 1 6 6 嚣邑 在瞧磁铁j b 隶磁髂的电磁方逡一致瓣，电磁回鼹孛豹磁遴魏建为惫磁铁魏永 磁体产生的磁通的和。永磁体的磁场强度为占= 2 5 0 0 高斯，而气隙中因永磁体 对空气麓磁能耩产生的气豫中静场强菇： 毋= 器。| 一 ， l ( 3 9 ) 式中三厂气隙长度； 卜电磁铁铁芯遐嚣抟圆环靛厚发，皑磊一固2 ，亳磁铁铁蕊蠛嚣 的内径以为3 。2 厘米，外径幽= 5 8 厘米，代入上式得 b 1 3 霪泶 令 川一器 即回 卜1 一商 即回 将上产0 2