（机械设计及理论专业论文）动平衡机设计平台的开发与应用.pdf

浙江人学硕 ：学位论文摘要( 中文) 摘要 当今社会竞争日益激烈，对企业的产品开发提出了更高的要求，如何在较短 的周期内开发出低成本高质量的产品成为提高企业竞争力的关键。动平衡机是一 种在转动零件及转动机械的平衡校正中的关键机器设备，目前在国内其设计仍然 主要靠手工完成，设计质量和设计效率比较低下，已经不能满足快速变化的市场 需求。本文对动平衡机的计算机辅助设计平台进行研究与实现，具有十分重要的 现实意义。 在明确了设计目标后，首先按照软件工程的方法分析平台的功能要求，划分 具体的功能模块。然后探讨了基于平台的c a d 流程和数据流，提出平台的体系 结构，为后面的开发打下基础。 由于动平衡机的主要性能指标一最小可达剩余不平衡量与系统的固有频率 和灵敏度密切相关。因此，在建立了更为精确的动力学模型的基础上，详细研究 了影响系统固有频率和灵敏度的因素，并提出相应的改进措施。之后，总结了动 平衡机支架系统、测量系统和驱动系统的设计方法。在支架系统的设计中，提出 了弹性元件的优化设计方法。这些为平台的开发奠定了专业基础。 对于平台实现中涉及到的关键技术也进行了详细的论述。包括网络架构技 术、a s p n e t 技术、n e t 组件技术和p d m 技术及其在平台设计中的应用策略。这 些奠定了平台开发的技术基础。 然后具体介绍了平台的开发运行环境，平台的主页面，各功能模块的设计实 现以及平台的错误处理机制。并运用平台进行了一个实例设计，详细阐述了平台 辅助动平衡机设计的方法与过程，在此基础上分析了平台具有的优点。 最后对整个平台的丌发进行了总结，指出了需要改进的地方。 关键词：动平衡机设计平台影响分析网络架构 兰堕! ! ! 呈旦型：型型竺竺! ! ! 堕墅壁! ! ! ! 一一垒堕型一 a b s t r a c t w i t ht h es o c i a lc o m p e t i t i o nb e c o m i n gm o r ea n dm o r ed r a s t i c ，t h eh i g h e rd e m a n d i sn e e d e df o rt h ep r o d u c t so fa ne n t e r p r i s e h o wt od e v e l o pap r o d u c tw i t hh i g h e r q u a l i t ya n dl e s sc o s ti sb e c o m i n gt h ek e yf o re n h a n c i n g t h ec o m p e t i t i v ep o w e ro fa n e n t e r p r i s e d y n a m i cb a l a n c i n gm a c h i n ei sa ni m p o r t a n te q u i p m e n t i nt h ec o r r e c t i o no f r e v o l v i n gp a r t sa n dm a c h i n e s 。b u t ，t h ed e s i g no f i ti ss t i l lc o n d u c t e db yh a n di nc h i n a c o n s e q u e n t l y , t h eq u a l i t ya n d t h ee f f i c i e n c yo ft h i sk i n do f d e s i g na r ev e r yl o w , w h i c h c a l l tm e e tt h er a p i dc h a n g e so ft h em a r k e t n o w , s o m ep r o b l e m sa b o u tt h e d e v e l o p m e n ta n dt h ei m p l e m e n t o ft h ec a dp l a t f o r mf o rd y n a m i cb a l a n c i n g m a c h i n e sa r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r f i r s t ，a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fs o f te n g i n e e r i n g ，w ea n a l y z et h ef u n c t i o n a l r e q u i r e m e n to f t h ep l a t f o r m ，d i v i d i n gi ti n t om a n ym o d u l e s t h e n t h ec a dp r o c e d u r e a n dt h ed a t as t r e a mb a s e do nt h ep l a t f o r ma r ed i s c u s s e d t h er a i s eo ft h ep l a t f o r m s a r c h i t e c t u r eg i v e sas o l i db a s ef o rt h ef o l l o w i n gd e v e l o p m e n t b e c a u s eo ft h ec o m p a c tr e l a t i o nb e t w e e nt h en a t u r a lf r e q u e n c y , s e n s i t i v i t ya n d t h em i n i m u ma c h i e v a b l er e s i d u a lu n b a l a n c e ，w h i c hi st h em o s ti m p o r t a n tp e r f o r m a n c e p a r a m e t e ro f ad y n a m i cb a l a n c i n gm a c h i n e ，r e s e a r c ho nt h ei m p a c t a n a l y s i so f n a t u r a l f r e q u e n c ya n ds e n s i t i v i t yi ss h o w e d a sar e s u l t ，m a n yi m p r o v e m e n ta p p r o a c h e sa r e g i v e n t h e n ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e ss o m ed e s i g nt h e o r yo fs u p p o r t ，m e a s u r e m e n ta n d d r i v i n gs y s t e m a m o n gt h o s e ，i n t r o d u c e sa no p t i m i z a t i o nd e s i g nm e t h o df o re l a s t i c p a r t si nt h es u p p o r ts y s t e m t h ec o n t e n ta b o v ei st h ep r o f e s s i o n a lf o u n d a t i o no f t h e p l a t f o r m sd e v e l o p m e n t d e t a i l e d l yd e s c r i b e st h em a i nt e c h n o l o g yt h a tw i l lb eu s e di nt h ei m p l e m e n to f t h ed e s i g np l a t f o r mi n c l u d i n gt h e c o n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yo fn e t w o r k ，t h e t e c h n o l o g yo fa s e n e t , n e tc o m p o n e n ta n dp d m t h ec o n t e n ta b o v ei s t h e t e c h n o l o g yf o u n d a t i o no f t h ep l a t f o r m sd e v e l o p m e n t f u r t h e r m o r e ，s o m ed e t a i l sa b o u tt h ep l a t f o r m sd e v e l o p m e n ta r e i n t r o d u c e d i n c l u d i n ge n v i r o n m e n to fd e v e l o p m e n ta n dr u n ，m a i np a g e s ，t h ei m p l e m e n to f e a c h ! ! 堂! 塑g ! ! 生! 堡坐竺! ! ! ! ! ! ! g ! ! ! ! 竖! ! 垒! 坐竺! m o d u l ea n dt h es t r a t e g yo fe r r o rh a n d l i n g f i n a l l y t 1 1 ep a p e r s u m m a r i z et h ew h o l ed e s i g np r o c e s so ft h ep l a t f o r m ，a n dp o i n t o u ts o m ep l a c et oi m p r o v e k e y w o r d s ：d y n a m i cb a l a n c i n gm a c h i n e ，d e s i g np l a t f o r m ，i m p a c ta n a l y s i s ， t h ea r c h i t e c t u r eo f n e t w o r k 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，也不包含为获得迸望盘堂或其他教育机 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 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：多天 亮签字日期：2 0 0 5 年3 月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝江盘生有关保留、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。本人授权逝姿盘鲎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、缩印或扫捕等复制手段保存、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：双 冤 导师签名 签字f | 期：轴口5 年3 月，日签字日期： 学位论文作者毕业后去向 工作单位； 通讯地址： 电话 邮编 浙江大学硕十学位论文 第一章绪论 第一章绪论 【摘要】：首先阐述了动平衡的基本概念，然后介绍动平衡行业、动平衡理 论的国内外发展状况，c a d 技术的发展，在此基础上提出了论文的研究意义及 研究内容。 1 1 动平衡基本概念 1 1 1 转子及其不平衡 按国际标准化组织( t s 0 ) 定义，一个可旋转的其轴颈由轴承支承的物体便是 转子。如果轴颈用附加元件与轴牢固的连在一起，没有轴颈的物体也可以称为转 子。 在机械加工件中，由于材料密度分布不均匀、加工毛坯上的缺陷、加t 误差、 装配误差和设计误差等原因都会使t 件质量分布不均匀而形成一定的偏心，在旋 转时因受惯- 眭的作用必然产生一离心外甩的力，这力称为离一1 1 , 力。离一i i , 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。离心力常用的计算公式为： = m 南2z m ；( 云) 2( 1 _ 1 ) 式中，f 一离心力( n ) ：m 一转子的不平衡质量( k g ) ：r 一转动半径( m ) ： 一转子角速度( r a d s ) ：n 一转速( r r a i n ) 由上式可知，当转子角速度出一定时，决定离心力大小和方位的只是重径积 ，在平衡技术中常称为不平衡量，并用u 表示，即 西：m ；( 1 - - 2 ) 此式表明，不平衡量本身是个矢量，它与不平衡质量的径矢积始终具有相同 的方向。 由( 1 - - 2 ) 式，( 1 1 ) 式即可改写成： i = 沈2 z 孑( 云) 2 ( 1 - - 3 ) 由上式可知，不平衡离心力随着转速增高而增大，而现代有许多旋转机械都 处在高速运转状态，如发电机、气轮机、离，t l , 机、电机转子及汽车轮子等。所以， 即使存在很小的不平衡量，在高速旋转时也会产生非常大的离心力。转子上不平 浙江人学硕士学位论文 第一章绪论 衡离心力的存在，将会导致机器的转予、轴承和安装基础等产生机械振动。当然， 还有其它原因也会引起机器振动。但据统计概率来看，d 1 于转子质量分布不均匀 引起的振动约占7 0 8 0 。在多数情况下，机械振动是有害的，其危害性主要 体现在： 使机器支承受到动载荷的作用，影响支承的正常工作。 动、静部分磨损、基础松裂，或使机器油管裂开、自动调节器失效，致使 机器要经常修理或过甲损坏。 扰动四周的机械设备和仪表，使调节装置和保护系统有可能发生误动作而 使设备和仪表无法正常t 作。 产生噪音，影响工作人员的身心健康。 因此，失衡转子的平衡校正问题在现代工业发展中是个非常突出的问题。 一般说来，转子上的4 i 平衡是分布式的，但可能简 化为某平面上的当量不平衡或某甄平面上的当量不 平衡。前者称为静不平衡，后者称为动小平衡。如图 l l ，a 、b 为静彳i 平衡；c 、d 为动不平衡。 按国际标准化组织( i s o ) 定义，平衡是“检测以及 在必要时校正转子质量分布的程序，以保证在工作转 速下轴颈运转时产生的振动和轴承力在规定的范围 内”。平衡方法分类如下p j ： r 静平衡 平衡j 1 l 动平衡 ，平衡机 j l 现场平衡 ，1 厂j - 群：二尝二二期 一一一o ；刍耐 ；i 丁一 一一一爵；才唧 图l l i 平衡 静平衡：指图1 一l 中a 、b 的情况。仅用一个校正面，技术上简单，精度 低，不能平衡力矩。 动平衡：指图1 一l 中c 、d 的情况，需用两个校正面( 可用一个也可用两 个，但对一般情况应该用两个) ，技术上较复杂，能代替静平衡。 刚性转子平衡：假设转子在运行中不变形，0 n n 0 4 为刚性( n 一转 衡 衡 平 平 子 子 转 转 性 性 刚 挠 ，、l 浙江人学硕十学位论文第章绪论 速；n ，一转子的第一阶临界转速) ，0 4 o 7 时，应按挠性转子处理，变形不能忽略。 现场平衡：指在转子安装状态的硝i 平衡榆测及校正。这种平衡方式更接近 实际情况，特别是在现场维修或无合适的动平衡机时更方便。可以通过振动测量 仪表及传感器( 测量振动位移或速度和相位) 来进行。但是工作效率4 i 如动平衡 机，对操作人员要求较高。 1 1 2 平衡机闱【5 1 平衡机是用于测定转子不平衡的机器。按其测量结果进行校正，以改善被平 衡转子的质量分布，使转子运转时轴颈的振动或作用于轴承的力减少到规定的范 围。平衡机的主要功能是测量，校正工作常用其它设备或用手工方法完成。但近 代平衡机往往带有校正装置，因此，既可以测量转子的不平衡，又可以实施平衡 校正。 由于平衡机的结构、工作原理、测量和显示方式及平衡对象的不同，平衡机 的种类也很多。 如同转子的不平衡一般分为静不平衡和动不平衡一样，平衡机也相应的分为 静平衡机和动平衡机。前者用于测量转子的静小平衡：后者用于测量转子的动不 平衡，并且也可用于测量转子的静小平衡或偶不平衡的特殊情况。 按照不平衡量的测量原理平衡机可分为蕈力式平衡机和离心力式平衡机。前 者是在转子不旋转状态下，依靠转予重力矩作用测量转子静不平衡的平衡机：后 者是在转子旋转状态下，依靠测量由转子不平衡离心力所引起支承系统的振动或 支承所受的动载荷确定转子不平衡的平衡机。动平衡机即是指离一1 5 , 式双面平衡机 而言。离心式平衡机按其结构和技术特点还有如下一些分类方法： 按平衡机转子一支承系统的力学特性分类有软支承平衡机和硬支承平衡机。 前者系指平衡转速高于转子一支承系统固有频率的平衡机；而后者系指平衡转速 低于转子一支承系统固有频率的平衡机。 按平衡机上转子轴线的状态分类有卧式平衡机和立式平衡机。前者指平衡机 上转子轴线为水平状态的平衡机；后者指在平衡机上转予的轴线为竖立状态的平 浙江人学硕士学位论文第苹绪论 衡机。 按平衡机的用途分类有通用平衡机和专用平衡机。前者指在规定的转子重量 和转速范围内能平衡多种转予的平衡机；后者指在规定的转子质量和转速范闱 内，只能平衡某一类型转子的平衡机。 1 2 动平衡国内外发展状况 1 2 1 动平衡行业发展状况 有关平衡机的第一个专利是由_ 马丁生( m a r t i n s o n ) 于1 8 7 0 年在加拿大提出 的。早期的平衡机采用的是机械测量方法测量振动振幅。这种平衡机机械结构复 杂，平衡精度和效率都不高。到五十年代，随着电子工业、电子测量技术的迅速 发展，百分之九十以上的平衡设备都采用了电测系统：平面分离技术有效的消除 了左右面的互相影响，电气“标准转子”提高了调整平衡机的效率；测量方式也 在不断的改进。这一时期晟具代表性的产品是闪光式平衡机，它的出现标志着平 衡机制造技术有了很大的提高。六十年代平衡机的滤波技术有了新的发展，同时 出现了瓦特表式滤波器和同步检波式滤波器，使平衡机的性能提高了一一大步，平 衡机幅值和相位测量精度都有了显著的提高。从机械式平衡机发展到使用电气测 量系统以来，平衡机的支承系统从工作原理上来讲，并无本质的改变，基本上都 是软支承平衡机。七十年代出现的硬支承平衡机可以说是平衡机发展史上的一次 飞跃，它使传统的软支承平衡机的动态调整代之以静态下的尺寸设定，从而形成 永久标定的平衡机。八十年代随着电子测量技术的飞速发展，相关滤波、各种跟 踪滤波技术和电子计算机技术开始用于平衡机的测量和控制系统。目前，由于数 字信号处理技术的发展，特别是d s p ；g 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、精确确定不平衡量及其相位的重要手段【4 】 5 】1 6 】。 传统平衡机的主要功能是测量，校正t 作常用其它设备或用手t 完成。这种 动平衡称重和去重相分离的传统校正策略，效率比较低、精度差、质量不稳定和 加丁成本高。从八十年代开始，在一些工业发达国家，由于先进的测量技术和数 控加工技术的发展及其应用，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测量校正一体化设备，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i 旬 f s l 7 。 d _ = j i 江_ 人学硕一卜学位论文第章绪i 现在，德国、日本的动平衡技术和设备在国际上处于绝对的领先地位。其中 德国的申克公一j 和霍夫曼公司都是在动平衡领域中举世闻名的厂家，他们的产品 质量在国际上都享有盛誉。申克公司的动平衡技术代表着日前的世界水平，其生 产的平衡机具有精度高、性能稳定、故障率低、效率高和所平衡的转子覆盖面宽 的优势；对于陀螺转子的平衡( 特别是高精度与微小型转子方面) 则占有绝对“优 势”。霍夫曼公司的实力与技术水平虽远不及申克公司，但它在通用平衡技术与 特大型转子( 几十吨以上) 的平衡领域内也是独占鳌头。日本的电测平衡机于1 9 5 0 年开始正式制造。其中国际计测器株式会社( 简称k o k u s a i ) 是一个专门从事开 发和生产汽车零部件及各种电机在线检测仪器和设备的厂家。其主要产品有：各 种半全自动通用、专用动平衡机( 包括轮胎、电机转子、飞轮、发动机曲轴、 连杆等) 、轴类零件矫直机、齿轮啮合精度测试仪、线圈测试仪、电机综合性能 测试仪( 包括负载特性试验机) 、地震测试仪等 8 9 1 。 我国对动平糖理论和装置的研制以及耘产品的开发是从五 _ 年代末期开始 的。从八十年代中期开始研制各种基于微机的动平衡测量装置，后又发展为基于 单片机的动平衡装置。经过几十年的努力，我们已经开发了自己的平衡机系列产 品，从几克的微型机到几百吨的重型机，高效率的自动机和自动线。尽管如此， 国产平衡机无论在产品的品种上，还是在产品的性能方面，仍与国外先进产品存 在着不小的差距，并且至今还没有完全具有我国知识产权的产品参与国际竞争， 更尚未有被国内外用户都认可的著名的品牌【4 】【”】。 现代平衡机的设计正向着高精度、数字化、通用化和模块化方i 铂前进。冈此， 加大技术开发与创新的投入力度，倡导新的机械设计的理念，大胆采用新技术、 新器件，设汁并研制新代的平衡机是我国平衡机产业界发展的首要问题 1 ”。 日前，出于保密等方面的考虑，国外对动平衡机最新设计技术报道的比较少。 而国内虽然在动平衡相关理论方面进行了研究，但是动平衡机设汁仍然沿用以往 手工设计方式，在运用现代设汁方法进行动平衡机设汁方面研究的比较少。 1 2 2 动平衡理论发展状况 近年来，通过国内外学者的不断努力，有许多新的动平衡理论闯世。其中在 在线动平衡方面，西安交通大学的屈梁生等提出全息动平衡技术旧；浙江大学 的汪希萱等在电磁式在线自动平衡系统，张志新等在用于微速差双转子系统 浙江大学倾十学位论文第章绪论 的动平衡仪“1 方面进行了研究：哈尔滨t 业大学的李j i i 顷n 进行了精密离心机在 线自动平衡方法的研究；l e e l l m o o r h e m 对自动平衡仪旧也进行了研究。在柔性 转子平衡方面，c h u n gj 和j a n gi 对平衡机l 柔性转子的平衡进行了分析： s h i h ，y u a n p i n 等提出基于转移矩阵法的柔性转子不平衡量的计算 1 8 1 ；x u 和q u 等 提出使用最小二乘法优化影响系数”1 ，进行柔性转子的平衡；西安交通大学的 屈梁生等提出基于影响系数以及人工智能的无试重平衡法2 0 l 。 ”1 。此外，在利用 数字信号处理技术高保真的提取不平衡量幅值和相位方面也进行了大量研究 1 2 3 1 【”1 。 1 1 3c a d 技术 1 3 1 常规机械设计2 7 】 所谓机械设计就是根据使用要求确定产品应该具备的功能，构想出产品的功 能原理、运动方式、力和能量的传递、结构形状以及所用材料等事项，并转化为 具体的描述，例如图纸和设计文件等，以此作为制造的依据。它是产品从设计、 制造、装配、销售和使用整个生命周期中的第一个环节，也是最重要的环节，通 常它对产品性能的影响占8 0 。 机械设计过程一般经历以下几个阶段：概念设计、初步设计、详细设计。详 细设计的终结并不意味着最终获得了个好的设计。机械产品在经历了制造加 t 、样机测试、批量生产以及销售使用后，将返回大量信息，并对产品进行不断 修改。由此可见，机械设计是一个“设计一评价再设计”的反复迭代、刁i 断优 化的过程，在人工设计情况下，设计周期长，因此实现某种程度的设计自动化， 缩短设计周期，降低设计成本，提高设计质量，就成为机械设计发展的迫切要求， 正是在这样的背景下产生了计算机辅助设计( c a d ) 。 1 3 2 c a d 技术的发展 计算机辅助设计是工程技术人员与计算机相结合、各尽所长、应用多学科的 技术方法综合有效的进行问题求解的先进信息处理技术。它把人类的决策判断、 创造能力与计算机的高速运算、信息存储等功能有机结合起来，从而达到缩短工 程产品设计周期、提高设计质量的目的f 2 8 l 。 19 6 3 年，美国麻省理工学院的研究小组在美国计算机联合会的年会上发表了 6 浙江人学硕士学位论文第章绪论 有关计算机辅助设计项日的五篇论文从而揭开了计算机辅助设计( c a d ) 的序幕 【2 ”。此后，c a d 技术在几卜年的发展过程中，共推出了三代c a d 软件产品。第一 代软件产品开发于6 0 年代，主要解决二维绘图问题，使得设计人员把更多的精力 投入到产品设计和开发的创造性| t 作中。同时进行了绘图技术、几何模型及1 ：程 分析的研究。第二代c a d 软件产品开发于7 0 年代，已经具备了c a d 支撑系统的所有 功能，但其辅助设引范畴基奉限于详细设计阶段的绘图、造型和分析工作。第三 代c a d 软件开发于8 0 年代中后期，由于采用了参数化技术、特征技术等，为并行 t 程打下了基础，使初步设计阶段的c d 成为可能。 1 3 3 网络c a d 技术1 2 8 】【3 1 】 近几年，以i n t e m e t 技术为代表的网络技术的迅速发展正深刻改变着传统的 生产、生活和t 作模式。随着嘲络技术向各个领域的渗透与融合，c a d 技术也越 来越和网络技术紧密的联系在一起，出现了基于网络的c a d 技术。 网络c a d 目前尚无统一的定义，但广泛认为它是利用网络及其衍生技术，通 过分布协同的工作方式使产品设计合理有序，设计方案和数据广泛优化，设计资 源与信息模型广泛共享，从而保证c a d 产品的高性能、高质量、低成本和短周期。 目前，网络c a d 主要应用于以下几个方面： c a d c a m c a e 集成化 集成化的目的是提供一种能覆盖以某类产品为主的、更高效能的设计制造 整体系统，实现各个应用程序所需要的及产生的信息进行存储乘i 交流，达到软件 资源和信息共享，避免不必要的重复和冗余。 远程设计与讣算 市场的竞争导致了产品资源的分散性与分布性。异地设计成为降低成本、加 速产品开发的一个解决方法。网络c a d 乖u 用网络及w e b 寻求设计中心( 服务端) 的 支持与协作，提供远端c a d e t 算与设计工具，异地异构服务。目前基于w c b 技术 的远程c a d 资源获取是网络c a d 研究与应用的热点。 工作流管理与p d m - _ i 二作流管理技术与p d m 系统都具有一定的设计过程管理共享与自动化特 征。从c a d 对象的任务确立、分解、组织、执行、重构到相关信息的存储、分 类、链接、维护、共享，网络技术促使c a d 转向更多考虑产品设计过程管理与 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 饥调。 虚拟产品可视化 虚拟产品是指计算机表达的数字化产品信息。新产品特别是一些大型、复杂 产品的开发与研制，必需要可视化模型来设计、验证产品的各种方案、性能。在 分布环境下，利用虚拟产品可视化模型进, 行c a d 协同工作，更有利于优化设计环 境、提高协作效能、感知设训对象、加深感性认知。 1 4 课题提出的背景及意义 随着工业技术的飞速发展，高速旋转机械大量涌现，对高速旋转机械的平衡 精度的要求也越来越高。动平衡机作为一种在转动零件及转动机械的平衡校正中 的关键机器设备，其重要性日益体现。各类企业对动平衡机的需求也早觑个性化、 个体化和多样化的趋势，动平衡机生产厂家如何能快速便捷的为客户提供最好配 置的平衡机产品，成为提高其竞争力的关键。 目前，国内动平衡机产品的开发仍然主要靠手工设计，效率非常低下，远远 4 ：能满足快速变化的市场需求。因此，将现代先进的计算机技术引入到动平衡机 设计领域具有十分重要的现实意义。 基于以上考虑，我们在硬支承刚性转子测试去重一体机开发的基础上，力求 总结现有的动平衡机设计理论和设计经验，并结合最新的产品设计方法学和信息 技术、网络技术，对动平衡机的计算机辅助设计平台进行了研究与开发，以期提 高动平衡机的设计质量和效率。 1 5 论文主要内容 全文共分七章，各章主要内容如下： 第一章阐述了动平衡的基本概念，对动平衡行业、动平衡理沧的国内外发 展状况以及c a d 技术的发展进行了介绍，在此基础上提出论文的研究意义。最后 简述了论文的主要内容。 第二章在分析平台目标和功能要求的基础上，提出平台的具体模块划分， 分析了平台的c a d 流程和数据流，最后具体阐述了平台采用的体系结构。 第三章首先在二自由度动力学建模基础上，对影响平衡机系统固有频率萃 灵敏度的因素进行了详细分析，提出改善固有频率和灵敏度具体措施。然后简单 介绍了动平衡机摆架、测量、驱动三大系统的设计理论和方法。其中在摆架系统 浙江人学硕士学位论文 第章绪论 设计中研究了板簧结构的优化设计。奉章足平台设i , t 一的专业理论基础。 第四章对平台具体实现中涉及到的关键技术进行了详细的分析，包括网络 架构技术、a s p n e t 技术、n e t 组件技术和p d m 技术及其在平台设计中的应用策 略。本章是平台实现的技术基础。 第五章详细介绍了平台的开发运行环境，平台的主页面，各功能模块的具 体设计实现以及平台的错误处理机制。 第六章运用所开发的平台进行一个实例设计，详细阐述了平台辅助动平衡 机设计的方法与过程，最后在此基础上分析了平台具有的优点。 第七章对动平衡机设计平台的整个研究设计工作进行了总结，指出了4 i 足 之处并对进一步研究工作进行了展望。 9 浙旺人学硕十学位论文 第一审平台的总体设计 第二章平台的总体设计 【摘要】：在分析平台目标和功能要求的基础上，提出平台的具体模块划分， 分析了平台的c a d 流程和数据流，最后具体阐述了平台采用的体系结构。 2 1 平台目标 动平衡机设计平台旨在采用人机交互手段、运用现代产品设计方法学等相关 理论和方法，总结动平衡机设讨的共性特征，借助于现代信息技术，建立能够管 理设计数据和知识、对设计结果进行有效评价的、面向特定顾客定制的计算机辅 助动平衡机产品快速设计平台，从整体上提高动平衡机的技术经济综合性能。 一设计对象 动平衡机测量单机、两工位、四t 位、五工位、六工位等全自动动平衡机及 其变形产品。 二产品用途及使用范围 电动工具、家用电器、汽车电机及各类办公自动化的中、小型电机转予动平 衡，也可用于教学、小型转子修配店等场合。 2 2 平台分析 软件系统的开发工作不仅仅是编程，软件开发研制人员应严格遵循软件工程 理论和方法，这是保证软件开发成功的关键。软件_ 【程将软件的生命周期分为以 下三个阶段 3 2 ：软件定义、软件设计、软件维护。动平衡机设计平台的开发同 样遵循这个顺序，从软件的功能需求分析出发对其进行论述，以便说明平台的总 体设计。 2 2 1 平台功能要求 在分析现有动平衡机设计现状的基础上，提出设计平台应该实现的主要功能 是： ( 1 ) 总体方案及简要布局方案c a d 设计 ( 2 ) 动平衡机关键部件c a d 设计 主要是动平衡机的三大系统：驱动系统、支架系统、测量系统的设计，将目 前以手工为主的设计转变为以c a d 为主，并进行相关部件的优化设计，提高产 品设计效率。 o 浙江大学硕士学位论文 第一章平行的总体设计 ( 3 ) 动态性能c a e 分析 包括关键部件的校核、动平衡机的性能分析。 ( 4 ) 产品设计数据管理 包括设计文档、设计图纸、零部件结构的管理与共享。有利于充分利用现有 的设计资源，进行协同设计。 2 2 2 平台设计原则 由以上平台的功能要求分析，可以看出动平衡机设计平台应是一个集c a d 、 c a e 、p d m 于一体的设计系统。这就对开发人员提出_ r 较高的要求，不仅要熟 悉动平衡机的设计，而且还要了解软件工程的方法。 在平台的设训过程中，始终要坚持以下的设计原则： 1 交互性 即采用人机对话方式。根据平台功能要求干i j 软件规范，设计友好的人机交互 界面。有效的利用各种方式，使设计人员可以交互地输入或以下拉列表框的形式 选择各种必要的参数。以图片、图表的方式将一些结构类型、方法对比及分析结 果形象的表示出来。 2 智能性m 】 即设计平台应采用智能导航的方式，引导设计人员进行设计。在设计决策 过程中有些类型、参数由设计人员决定，设计平台提供一般性的知识，并提示做 出某种决策可能带来的优、缺点。同时当选择不同的方法和设计参数时，应该出 现不同的设计界面。 3 可扩展性 即设计平台在开发时，戍考虑到今后当用户需求发生变化时，能够非常方便 的将新功能模块添加到现有的设计平台中，并能与其它模块很好的协调工作。 4 安全性 即设计平台需要保证设i ；i 过程中数据的安全性。此外，为了保证平台的正常 运行，平台自身代码也不能随意被更改。 5 集成性 即设计平台的各个模块不仅可以相对独立的运行，而且能够有机地集成为一 个整体，尽可能提高代码的重用率。这样，不仅可以使平台开发、调试、维护等 浙 上火学坝十学位论文第一辛平台的总体设计 工作高效进行，而且可以使用户更方便、灵活的使用平台。 2 3 平台模块的划分 考虑到平台的使用、开发、维护和扩充的方便，整个动平衡机设汁平台采用 模块化结构进行设计。将比较相似的设计任务和设计过程集中到一个模块里，每 个模块又由一些功能相对独立的子模块构成。各个子模块可以独立的进行开发， 调试完成后将其有机的连接起来，就可以形成具有完成某些方面较大功能的模 块。这些较大功能的模块再经过接口调试后，即可形成一个能独立处理实际问题 的工程设计平台。根据需求分析中平台应实现的主要功能及以上模块划分的思 恕，动平衡机设计平台将包括以下几个模块： 1 总体方案及简要布局方案设计模块 根据设计要求表，结合以往动平衡机设计经验，进行总体方案的设计及简要 的布局方案设计。初步确定动平衡机的类型、工位数、布局形式、支承方式以及 去重方式等，为以后的关键部件设计打下基础。 2 动平衡机关键部件设计模块 本模块包括动平衡机的驱动系统设计、支架系统设计子模块。其中在支架系 统设汁子模块包括滚轮支承设计计算模块、板簧设计计算模块。在驱动系统设计 模块中，主要进行动平衡机的电机选择、驱动方式以及传动件关键尺寸设计。在 板簧设计计算模块中，建立了板簧结构参数的优化设计模型。 3 测量系统动态性能仿真模块 考虑到测量系统设计的关键在于从不平衡振动信号中提取不平衡量的大小 和方位，与驱动系统和支架系统的设计不太相同，所以单独作为一个模块。本模 块包括信号源、滤波、提取、标定、仿真五个子模块，分别实现信号源的仿真、 查看，滤波方法的选择、滤波方法频域特性的查看，提取方法、标定方法的选择， 最后在仿真模块中查看对仿真信号源进行滤波、提取、标定后的结果。 4 动态性能分析模块 本模块包括滚轮支承校核计算、带轮转速校核计算、系统固有频率计算及灵 敏度分析子模块。实现对关键部件设计结果的校核分析、系统固有频率的计算及 动平衡机灵敏度分析，为改进、优化关键部件的结构设计、提高动平衡机的灵敏 度提供建议和依据。 浙江人学硕十学位论文 第一章半卉的总体设计 5 p d m 模块 奉模块的主要功能是实现动平衡机设计文档、设计图纸、动i f 衡机零部件结 构的管理，使得设计人员可以共享设讣资源、进行协同设计。此外，平台运行过 程中的设计数据也存储在p d m 系统中。 2 4 平台c a d 程序流程 如下图2 1 所示为利用本平台进行动平衡机c a d 设计的程序流程。通过 该图可以清楚的看到以上各个模块在设计流程中所起的作用。其中“测量系统动 态性能仿真模块”中信号源、滤波、提取、标定四个子模块既可按顺序执行也可 直接调用其中任意子模块执行，只要设置完四个子模块中的所有参数，即可运行 仿真子模块。由于采用了结构化设计方法，使得整个平台的调试、维护和使用都 比较方便。同时，平台的各个模块之间既相对独立，又彼此联系，用户进入设计 平台后，按照提示即可完成各项操作。 图2 1 平台c a d 程序流程 一 i嚣i泵缆功怂主!能仿“ 浙f l ：人学硕士学位论文第一章、卜台的总体设计 2 5 平台数据流 在平台的运行过程中，各个模块之间存在一定的数据交换，如“动态性能分 析模块”进行校核计算时需要用到“关键部件设计模块”的结构设计结果，而各 个模块都可能用到“总体及简要布局方案设计模块”设计要求表中的数据。区i 此，设计数据需要存储在某一地方，以供各模块使用。图2 2 为平台各模块之 间的数据流。 图2 2 平台数据流 上图中的l 1 流代表“整体及简要布局方案设计模块”中的设讣要求表及方 案设计结果数据通过p d m 流向其它三个模块：l 2 流代表“关键部件设计模块” 中的纬构设计数据通过p d m 流向“动态性能分析模块”，用以校核、分析：l 3 流代表“测量系统仿真模块”中参数、方法设置子模块的数据存往p d m ；l 4 流 代表“测量系统仿真模块”中“仿真”子模块从p d m 中取出其它子模块设置的 参数和选择的方法数据。 2 6 平台体系结构 2 6 1 设计系统架构的选择原则 般工程设计系统的架构分为基于w e b 和不基于w e b 两种，具体采用哪种 架构主要是考虑以下两个方面： 1 设计系统的功能要求 针对设计系统所要实现的功能，来决定采用何种架构。有些功能基于两 种架构部可以实现，如一般的设计计算功能。而有些功能可能基于w e b 实现的 比较好，如协同设计、远程设计功能等。 2 设计系统的使用要求 4 浙江大学碗十学位论文 第一章平台的总体设计 两种架构对用户的安装、使用要求是不一样的。不基于w e b 的架构不用 配置专门的服务器，但一般需要在每个用户的p c 上独立安装设计系统。这种架 构对用户的p c 机性能要求较高，对嘲络没有要求。基于w e b 的架构需要配置性 能良好的服务器，用户的p c 上只要安装有w e b 浏览器即可，对用户p c 机要求 不高，但需要网络支持。 2 6 2 动平衡机设计平台的体系结构 根据动平衡机设计平台需要实现的主要功能和设计平台的模块划分及两种 架构的特点，本设计平台决定采用基于w e b 的架构，这主要是从以下几个方面 来考虑的： 由于在“关键部件设计模块”中需要进行某些结构尺寸的优化设计；在 “测量系统动态性能仿真模块”需要实现仿真信号的查看，各种滤波方法频域 特性的显示，最终仿真结果的显示等功能；在“动态性能分析模块”需要实现 动平衡机系统固有频率和灵敏度的影响分析等功能。要想比较理想的达到这些功 能要求，借助m a t h w o r k s 公司出品的m a t l a b 强大的计算、优化、仿真功能是 一个很好的选择。但是由于m a t l a b 是专门的工程技术软件，它的安装对用户 p c 的配置要求比较高。以m a t l a b 7 0 为例，其在w i n d o w s 操作系统下对软硬件 的要求如下表所示【3 4 】 m a t l a b 7 0 对硬件的要求 c p up e n t i u m1 1 1 ，i v , x e o n ，p e n t i u mm ，a m da t h l o n ，a t h l o nx p , a t h l o nm p 硬盘至少3 4 5m b ( 只安装帮助文件) 内存至少2 5 6 m b ，推荐5 1 2 m b m a t l a b 7 0 对软件的要求 w i n d o w sn t 4 0 ( s e r v i c ep a c k5o r6 a ) ，w i n d o w s2 0 0 0 ( s e r v i c ep a c k3 操作系统 o r4 、，w i n d o w sx p 浏览器 n e t s c a p en a v i g a t o r4 0 ，m i c r o s o f ti n t e m e te x p l o r e r4 0 或以上 表2 - 1m a t l a b 7 0 对软硬件的要求 因此在所有的用户p c 上安装m a t l a b 非常不现实，会给用户增加很大的 负担。解决办法是只在一台性能优越的服务器上安装m a t l a b ，动5 衡机设计 平台通过w e b 访问该服务器上的m a t l a b 来进行远程计算、优化和仿真，最后 浙江大学颂士学位论文 第一章平台的总体设计 把结果传回给设计平台。这样既可以利用m a t l a b 的强大功能作为设计平台的 支持，又不会增加用户的负担。 由于w e b 技术通用、价格低、与具体硬件无关的特点，基于w e b 的“p d m 模块”的实现是p d m 技术的发展趋势，这样的“p d m 模块”能史好的做到设计 资源的共享和进行协同设计。 基于w e b 的远程设计平台也是现在c a d 技术的发展趋势，它具有能够缩短 产品研发周期、避免重复开发、降低企业的资金和人员投入等优点1 。 基于w e b 的动平衡机设计平台的体系结构如下图2 3 所示： 图2 3 平台体系结构简图 整个设计平台由表示层、业务逻辑层、数据服务层、计算服务层四层结构组 成。表示层主要为用户提供界面服务，是平台与用户进行交互的工具；业务逻辑 层主要作用是响应用户输入，并和数据服务层、计算服务层通讯。数据服务层主 要提供设计数据存储、管理、处理服务，是p d m 模块的重要组成部分；计算服 务层主要为业务逻辑层提供所请求的m a t l a b 计算、优化、仿真服务。计算服 务层的引入大大拓展了设计平台的功能。 2 6 3 平台体系结构的特点 本体系结构层次清晰，功能划分合理且相对独立，在保持各层之间接口不变 的前提下，对每层内部的修改不会影响其他层中的模块，这样便于实现和维护： 1 6 浙江人学硕十学位论文 第章平台的总体设计 而且，可以将w e b 服务、数据库和m a t l a b 分布到不同的服务器上，以实现集中 化的分布式应用。也可以将w e h 服务、数据库和m a t l a b 放置到一台服务器上， 这样可以节省硬件开销。整个系统的主体是基于三层浏览器服务器模式的，这 种设计方法符合现代软件