（化工过程机械专业论文）两工位全自动平衡机的设计研究与实现.pdf

两工位全自动平衡机的设计、研究与实现 摘要 电机在设计、选材、制造、装配等过程中不可避免的存在各种误差，这些误差会造成 电机中转子的质心与旋转中心不一致。这样电机在高速运转时就会产生振动，引起噪声， 影响机器运转，减少使用寿命。因此必须对电机中的转子进行动平衡。 小型电机作为一种在工业和民用领域广泛应用的产品，其全球的产量到2 0 0 5 年已达 8 0 亿只，其中中国生产的占6 0 。随着电机逐渐朝着高转速、高精度的方向发展，传统的 手工电机转子平衡方法无论在效率上还是在精度上，都已无法满足要求。因而迫切地需要 一种自动化水平高、加工效率高、处理精度高的转子全自动平衡机，以达至u 提升产品质量、 减少工人数量、增加企业效益的目的。国外虽然已有全自动平衡机，但由于其价格昂贵， 对被加工转子要求较高，无法适应中国现状。 基于以上考虑，本文通过借鉴国内外的经验，利用自身在转子动平衡方面的优势和经 验，结合工程实际，设计并实现了两工位全自动平衡机。目前已经完成了整机的设计与试 运行，一次去重平衡成功率达8 0 以上，完全达到了设计要求。 具体完成的工作如下： 1 ) 进行了机器的总体架构设计，按照要实现的功能对机器进行了模块划分； 2 ) 完成了机器的机械设计，利用有限元方法对其中的关键部件进行了刚度和强度的 分析，对其中的结构设计进行了优化： 3 ) 设计了基于单片机、p l c 和触摸屏三位一体的控制系统，完成了预定的功能； 4 ) 设计了人机界面，使得操作非常方便； 5 ) 对机器中的关键技术进行了研究，其中包括：影响系数标定，自动对刀方法、自 动定位和切削建模方法。 6 ) 完成了整机的调试与试运行。 关键毒转子不平衡平衡机切削建模p l c 两工位全自动平衡机的设计、研究与实现 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h ei n e v i t a b l ee r r o r $ i nt h ed e s i g n , t h em a t e r i a ls e l e c t i o n , t h em a n u f a c t u r ea n dt h e a s s e m b l ep r o c e s so ft h em o t o r , g e n e r a l l y , t h em a s sc e n t e ro ft h em o t o rr o t o rw i l ld e v i a t ef r o m t h er o t a t i n gc e n t e r w h e nt h em o t o ro p e r a t e sa tah i g hs p e e dt h ev i b r a t i o na n dt h en o i s ew i l lb e g e n e r a t e d t h ev i b r a t i o ni sh a r m f u lb e c a u s ei tw i l li n f l u e n c et h eo p e r a t i o na n ds h o r t e nt h ef i f e o f t h em o t o r i ti sn e c e s s a r yt ob a l a n c ee a c hm o t o rr o t o r n 圮s m a l l - s c a l em o t o ri so n eo f t h ew i d e l yu s e dp r o d u c t si ni n d u s t r ya n dc i v i li i f e b yt h ey e a r o f2 0 0 5i t sy i e l dr e a c h e d8b i l l i o n , i nw h i c h8 0 m o t o r sw e r ep r o d u c e di nc h i n a w i t ht h e d e v e l o p m e n to f t h e m o t o rt o w a r d st h ed i r e c t i o no f h i g hs p e e da n dh i g ha c c u r a c yt h et r a d i t i o n a l m a n u a lb a l a n c i n gm e t h o dc a r - n o tm e e tt h er e q u i r e m e n ta n ym o r e a na u t o m a t i cb a l a n c i n g m a c h i n ew i t hah i g he f f i c i e n c ya n dh i g ha c c u r a c yi su r g e n t l yn e e d e d a l t h o u g ht h e r ea r ea b r o a d p r o d u c m ，t h e i rp r i c e sa r eq u i t eh i g h , a n dt h e r ea r em a n ys p e c i a lr e q u i r e m e n t st ot h ep r o c e s s e d r o t o r , t h e yc a n n o ta d a p tt ot h ep r e s e n ts i t u a t i o no f c h i n a b a s e do nt h ep r e s e n ts i t u a t i o no fc h i n a , t h ea b r o a da u t o m a t i cb a l a n c i n gm a c h i n e ，t h eb a l a n c i n g k n o w l e d g ea n dt h ea d v a n t a g eo fo u r s e l v e s , t h i st h e s i ss t u d i e st h et w o - p o s i t i o na u t o m a t i c b a l a n c i n gm a c h i n e p r e s e n t l yt h em a c h i n eh a sb e e nc o m p l e t e da n dp u ti n t ot r i a lo p e r a t i o n t h e r e s u l to f4 - m o o n t ht r i a lo p e r a t i o ni ss a t i s f y i n g , t h es u c c e s sr a t eo fo r et i m ec u ti so v e r8 0 w h i c hm e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t ， t h et h e s i si n c l u d e st h ef o l l o w i n gw o r k s ： 1 ) t h eo v e r f l lf r a m e w o r ko ft h em a c h i n ei sd e s i g n e d t h em a c h i n ei sd i v i d e di n t os e v e r a l m o d u l e sa c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n ； 2 ) t h em e c h a n i c a ld e s i g no ft h em a c h i n ei sc o m p l e t e d 1 1 l es t i f f n e s sa n dt h es t r e n g t ho fs o m e k e yp a r t sa r ea n a l y z e dw i 血t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d s o m es t r u c t u r e sa r eo n t i m i z a d ； 3 ) t h ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ep em c ua n dt o u c hp a n e li sd e s i g n e d ，w h i c hi n c l u d e st h e s c h e d u l e df u n c t i o n s ； 舢1 1 1 eh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ei sp r o g r a m m e d , w h i c hm a k e sv e r yc o n v e n i e n to p e r a t i o n ； 5 ) t h ek e yt e c h n o l o g i e s ，w h i c hi n c l u d et h em e a s u l e n l e n to ft h ei n f l u e n c ec o e f f i c i e n t ，t h e a u t o m a t i ck n i f ea i m i n gm e t h o d ，t h ea u t o m a t i cp o s i t i o nm e t h o da n dt h ec u t t i n gm o d e l l i n g m e t h o da r es t u d i e s 豇l eo v e r a l ld e b u g g i n ga n dt r i a lo p e r a t i o na r ec o m p l e t e d k e y w o r d s r o t o r , u n b a l a n c e ，b a l a n c i n gm a c h i n e ，c u t t i n gm o d e l i n g , p l c n 两工位全自动平衡机的设计，研究与实现 1 1 课题意义 第一章综述 转子由于设计、材质不均匀以及制造安装误差等原因，往往造成其中心惯性主轴或 多或少地偏离其旋转轴线，这种情况称为转子具有不平衡量。当具有不平衡量的转子高速 旋转时，就会产生一个周期的激振力，从而引起振动和噪音。振动会加速轴承等零件的磨 损，严重时甚至会导致事故；此外，振动还会通过轴承、机座传到基础，恶化附近的工作 环境。由振动故障诊断结果统计表明，引起振动过大的激振力中有9 0 是转子不平衡力“1 ， 可见此问题比较突出，所以必须对转子进行动平衡，使其达到一定的标准。 电机中包含有高速旋转豹转子，所以必须对其进行动平衡，而且其动平衡指标关系 到电机的整体质量。目前电机的发展趋势是向高效、高精度、高转速和高可靠性方向发展， 这对电机转予的动平衡要求也就愈发地凸显出来。 本文所设计的全自动平衡机的应用对象是中小型电机中的转子。中小型电机是重要的 生产和生活用品。随着工业自动化、办公自动化和家庭自动化的不断发展以及计算机、通 信、汽车、家电、玩具产量的不断提高，世界电机的市场容量正以每年6 的速度增长。 据相关报道【2 】，2 0 0 2 年全球中小型电机总产量约为7 0 亿台，2 0 0 5 年全球中小型电机总 产量超过了8 0 亿台，而我国的电机产量占全球总产量6 0 左右。目前我国城镇家庭电机 平均拥有量为1 5 5 0 个，而发达国家每个家庭电机拥有量为7 0 1 0 0 个，这说明我国不 仅是全球电机生产大国而且同时也是需求大国。在这样的行业前景和发展趋势下，作为电 机生产的重要环节之一的转予动平衡工艺的效率的提高就具有重要意义。 利用动平衡机进行动平衡是解决平衡问题的主要方法之一。目前刚性转子动平衡理论 和方法都已相当成熟，处理小到几克重的转子的动平衡机，和处理大到2 0 0 吨的转子的动 平衡机，我国都已经能生产【3 1 。但多数去重平衡的步骤还需要人工操作，全自动动平衡机 还比较少，并且技术上还不成熟。现在国内电机生产企业普遍采用的方法是：使用普通动 平衡机进行不平衡量测量，操作工人根据测量结果和自身经验人工进行钻削或铣削完成去 重n - r - t 4 。测试去重的过程往往要重复进行多次才能达到精度要求。这样的动平衡工艺 依赖工人的经验和责任心，生产效率较低，平衡精度难于保证，而且转子上的切槽数较多， 影响转子的产品质量，制约了企业的发展 s l 。国外公司有平衡精度较高的全自动一体化动 平衡校正机，然而国内转子在材料选取、制造、装配整个工艺上相对落后，所生产的转子 初始不平衡量普遍较大，在转子的表面质量、轴颈粗糙度和外圆跳动度等方面无法满足国 舛设备所提出的要求。即便有个别的应用，批量生产的效率也很低。另外国外的产品还存 在着结构复杂、对不同规格的转子适应性差等缺点。显然价格昂贵的进口设备不是我国劳 动密集型电机类生产企业的首选设备。 两工位全自动平衡机的设计、研究与实现 考虑到以上诸多方面，研制符合国内转子加工工艺的全自动平衡机已是大势所趋，这 也是本课题的意义所在。 本章将对课题中涉及的理论、方法及设备的发展现状作一综述。 1 2 转子动平衡理论 1 2 1 不平衡量的表示方法与精度等级 如图1 1 所示，有一总质量为m 的圆盘，其重心和旋转中心的距离( 偏心力距) 为虿， 原始不平衡产生的离心力为户，即 l 图1 1 转子不平衡量示意图 f = 一f = m ；c 0 2 ( 1 - 1 ) 由式( 1 1 ) 可知，离心力在不同转速下有不同的量值，转子转速愈高，产生的离心力 愈大。在高转速下机器允许的不平衡程度应该就愈小显然用离心力的大小来反映不平衡 量大小是不合理的。为了使之与转速无关，用式( 1 1 ) 除以国2 ，就得到 u = 施 ( 1 - 2 ) 疗称为“重径积”，代表了不平衡量的大小，有些书上就称它为“不平衡量”。但是为了 更方便地衡量一个转子的平衡情况，常用另一个名称一不平衡率，或称不平衡度来表示： e = 兰= 普( 1 - 3 ，m m 。 式( 1 3 ) 表示转子单位质量的不平衡量，实际上它就是转子的偏心距百。当转子的质量m 两工位全自动平衡机的设计，研究与实现 以蚝为单位，不平衡量d 以g l n n 3 为单位，则不平衡度孑的单位为g m m k g 。 上面的疗和i 分别分别表示了不平衡量的大小和不平衡程度的高低。但为了衡量转子 的平衡品质，我国转子动平衡标准j b 3 3 3 0 8 3 规定以孑与转速m 的乘积作为评定标准。 如式( 1 - 4 ) 孑珊= 常数 ( 1 - 4 ) 或者更明确定义为 _ _ 兰生：g ( 1 5 ) 1 0 0 0 式中亭一转子的不平衡度， ( g m m k g ) ； 国一转子的旋转角速度，( 1 s ) ； g 一转子的平衡精度等级， ( m m 8 ) 。 上式中的g 从物理概念上理解，是转子重心的线速度。很明显，如果转子重心线速 度越大，则转子的振动也就越激烈；转子重心线速度越小，则转子旋转也就越平稳。在刚 性支承条件下，对几何形状相似的转子，按相似定律，如果若回为常数的话，在转子上会 产生相同的应力，则作用在轴承单位面积上的载荷也就相同，因此才作上述的定义。 国际标准化组织所制定的“刚性转予平衡精度”标准i s 0 1 9 4 0 f 6 1 ，就是以g 值来划分 精度等级的，g 值范围从o 1 6 到4 0 0 0 m m s ，共分成1 1 个等级，每个等级彼此按2 5 倍分 隔，例如：g 值范围从o 1 乱o 4 m m s ，记为g o 4 ；g 值范围从0 4 - - i m r n s ，记为g l ，余此 类推。表1 1 给出了各种类型刚性转子的平衡精度等级，可供确定转子允许残余不平衡度 时使用。如果确定了转子的平衡精度等级，即给定了g 值之后，已知工作转速，就可利 用式( 1 川计算出转子的允许不平衡度。对于给定质量m 的转子，则可用式( 1 - 2 ) 算得允许 的不平衡量。 1 2 2 加工转子的平衡原理 剐性转子是指在不平衡量造成的离心力作用下，转轴的变形可以忽略，可将转子视为 不发生形变的刚体的转子。与之相对应的挠性转子是指在离心力作用下产生的变形较大， 已经无法忽略变形影响的转予。工程上常以o 7 倍的一阶临界转速为界，小于该转速则认 为是刚性转子，反之则为挠性转子。 刚性转子不考虑挠曲变形的影响，可以在转子上任意选择一个或两个平衡校正面进行 不平衡量的校正，经过平衡校正后的转子，在最高工作转速范围以内，其不平衡量都保持 一致。大部分刚性转子按照其厚度不同、结构形式和平衡工艺的要求不同，分为静平衡和 动平衡两种方法。 两工位全自动平衡机的设计、研究与实现 对于宽度较大的刚性转子应采用两面平衡，即用动平衡方法来解决不平衡问题。本文 所设计的平衡机的加工对象即属于这类转子。对于此类转子，通常可以采用如下的原理进 行平衡。图1 2 所示的刚性转子进行两面平衡的原理， 表1 1 各类刚性转子的平衡精度等级平衡精度等级 平衡精度 口出 转子类型 等级。 m m s 】 刚性安装的具有奇数汽缸的慢速船用柴油机的曲轴传 g 4 0 0 04 0 0 0 动装置 g 1 4 0 01 4 0 0 刚性安装的大型两冲程发动机的曲轴传动装置 g 6 3 06 3 0刚性安装的大型四冲程发动机的曲轴传动装置。 g 2 5 0 2 5 0刚性安装的高速四冲程柴油机的曲轴传动装置 具有六个或更多汽缸的高速柴油机的曲轴传动装置，汽 g 1 0 01 0 0 车、卡车以及机车的发动机总成( 汽油机或柴油机) 汽车轮胎、传动轴、刹车鼓以及弹性安装的具有六个或 g 加 4 0 更多汽缸的高速四冲程的发动机( 汽油机或柴油机) 曲 轴传动装置，汽车、卡车和机车的曲轴传动装置 具有特殊要求的传动轴( 推进器、万向联轴节轴) ，破 g 1 6 1 6 碎机零件，农业机械零件，有特殊要求的六缸或多缸发 动机( 汽车、机车盼汽油机或柴油机) 曲辕 工作母机的零件，船舶主涡轮传动机构( 商船用) ，离 心机鼓轮，风扇，组合式航空燃气轮机转子，飞轮，泵 g 6 36 3 式推进器，机床和普通机械零件，普通电机转子，具有 特殊要求的发动机 蒸汽涡轮机，包括船用( 商船用) 主要刚性涡轮发动机 g 2 52 5 转子，机床传动装置具有特殊要求的中型和大型电机 转子，小型电机转子，涡轮驱动泵 磁带记录仪和留声机传动装置，磨床传动装置，具有特 g 11 殊要求的小型电机转子 g 0 40 ，4 精密磨床的传动轴，砂轮和电机转子，陀螺转子 4 本文中所选用的标准为g 6 3 级。 两工位全自动平衡机的设计，研究与实现 图1 2 不平衡力离心力同两个校正回分解 图1 2 中有四个圆盘绕同一转轴旋转，假定图中有两个不平衡的薄圆盘，其不平衡离心力 丘、丘如图示方向，今选取a 、b 两个面为校正平面，由于整个系统按照刚体计算，因 此可将丘按力的简化法则分解为通过a 、b 两点的平行力露和霞，则 丘一l - ，a 置, 。 ( 1 6 ) j i ；一a ，p ( 1 - 7 ) 将卮分解为通过a 、b 两点的平行力和e 则 最= 导丘 ( 1 - 8 ) 霞：丝豆( 1 9 ) f 将a 平面内的分力茸和定合成为力夏。，将b 平面内的分力霞。和合成为力毛，毛和 冠对于刚性转子是等价于j ：和丘的，因此在元和凰的作用点上加上大小相等、方向相 反的力t 和忌即可将转子平衡。假如在该系统中作用有f 个不平衡的薄圆盘，按照同样 原理，把f 个力分解到a 、b 个校正平面上，然后在a 面上得到一组平面汇交力系霞，丘， 只；在b 面上得到另一组平面汇交力系丘，屈，戽。这两个平面汇交力系按照力 的多边形法则，各自得到一个通过汇交点的合力瓦和忌。同理，在汇交点上加上相等相 两工位全自动平衡机的设计、研究与实现 反的校正力厄和忌，则系统得到了平衡。同样的道理转子可以视为该系统中的圆盘数目 趋于无穷大，因此也可以按照这个方法在转子上任选两个校正面对转子进行校正【7 l 。这就 是刚性转子的两面平衡原理。普通低速动平衡机就是根据两面平衡的原理进行平衡的。 本文中的小型电机转子也是应用上述原理进行平衡的。 1 3 平衡机的发展状况 1 , 3 i 平衡机的分类 平衡机从原理方面可以分为硬支承平衡机、软支承平衡机、半硬支承平衡机。 硬支承平衡机是平衡转速远低于参振系统共振频率的平衡机。平衡校验时，支承摆架 相对处于“硬”状态，因此转予可以在接近实际轴承条件下进行平衡校正。具有操作简便、 安全性能好的特点。 软支承平衡机是平衡转速大于参振系统共振频率的平衡机。平衡校验时，支承摆架相 对处于“软”状态，因此转子校验平衡时。支承条件与实际轴承工作条件不同。具有测量精 度商的特点。 半硬支承平衡机是平衡转速在o 3 n o 5 倍参振系统共振频率之间的平衡杌。同时具有 有硬支承平衡机支承珂4 度高的特点，又有软支承平衡机精度高的优点。 平衡机从应用方面分可分为立式平衡机和卧式平衡机；专用平衡机和通用平衡机。 卧式平衡机是被平衡转子的旋转轴在平衡机上呈水平状态的平衡机。适用于有转轴或 可装配工艺轴的转子，如机床主轴、滚筒、风机、增压器、电机转子、汽轮机等等。 立式平衡机是被平衡转子的旋转轴在平衡机上呈垂直状态下的平衡机。适用于转子本 身不具转轴的盘状工件如离合器、齿轮、风扇、压盘及其总成、制动盘、风叶，水泵叶轮、 汽车飞轮、刹车毂、皮带轮、砂轮等盘类零件。 通用平衡机是指能对形状和支承形式比较规则的转子进行动平衡的平衡机。通用平衡 机操作简单，效率也较高。 专用平衡机是能对支承形式和外观与一般转子不同的转子进行平衡的平衡机，例如特 别针对发动机的曲轴，汽车的传动轴进行设计的平衡机。功能专一。 本文所讨论的平衡机按上面的分类可以大致归入通用软支撑平衡机。 1 3 2 平衡机的发展历史 平衡机发展迄今已经有一百多年的历史。1 8 7 0 年，加拿大入h e n r ym a r t i n s o n 申请了 6 两工位全自动平衡杌的设计、研究与实现 平衡技术的专利，拉开了平衡校正产业的序幕。1 9 0 7 年，f r a n zl a w a c z e k 博士把改良的平 衡技术传入德国，经过h e y n a n 的改进才应用于工业，1 9 1 5 年，第一台双面平衡机面世。直 到上世纪末4 0 年代，所有的平衡工序都是在采用纯机械的平衡设备上进行的。转子的平衡 转速通常取振动系统的共振转速，以使振幅最大。在这种方式下测量转子平衡，测量误差 较大，也不安全。随着电子技术的发展和刚性转子平衡理论的普及，五十年代后大部分平 衡设备都采用了电子测量技术。平面分离电路技术的平衡机有效地消除了平衡工件左右面 的相互影响，同时滤波技术的发展也使动平衡技术有了很大的提高。七十年代硬支承平衡 机的出现可以认为是平衡机发展史上的一次飞跃。它采用静态下的平衡尺寸设定，消除了 传统软支承平衡机需频繁的动态调整的不便，形成了永久定标的平衡机。八十年代，压电 传感器技术又给平衡机的发展带来一次革命。从发展趋势看，采用这种技术的平衡机在除 高速、小型转子的平衡以外的平衡领域基本取代了软支承平衡机。九十年代以后，集成电 路及电脑技术的突飞猛进的发展极大的方便了动平衡机的测量、控制，不仅简化了测量电 路，而且为用户提供了良好的交互界面，在一些专用领域中，软支承动平衡机也得到广泛 的应用。 目前，随着微机技术的运用。将平衡机又带入一个崭新的时代，平衡机在性能、精度、 可操作性方面均有了显著的提高。平衡机已经集光、电、机各方面的技术于一身。并且在 电动工具、机械制造、风机、电机、造纸、纺织、家用电器、冶金等领域得到越来越广泛 的应用嘲。 1 3 3 国内外动平衡机和全自动平衡机的发展现状 ( - - ) 国外发展现状 从发展过程来看，德国的动平衡机的制造业历史悠久，以申克公司和霍夫曼公司为代 表，他们的产品质量在国际上享有声誉，其中申克的平衡枫技术代表着当前世界上的技 术水平，其产品具有精度高、故障率低、性能稳定、效率高且所能平衡的转子覆盖面宽等 优势，特别是在高精度和微小型转子方面占有绝对优势；霍夫曼公司则在通用平衡技术和 特大型转子( 几十吨) 以上的平衡领域有很强的实力。日本起步相对较晚，但发展很快，在 中小型转子动平衡自动校正方面具有明显的优势，其中以国际计测株式会社( k o k u s a i ) “” 和d s k 为代表。集平衡校正一体化的多工位全自动动平衡代表了当前该领域内的最高水平， 这方面具有代表性的有申克目前最先进的4 4 0k b t u n 型多工位全自动动平衡机“”。此动平 衡机有四工位和六工位两种，年平衡转子可达3 3 0 万个，由于其机座采用了新的材料，提 高了机座的减振性能，极大程度上吸收了来自机器内部和周边机器的振动；采用铣削校正， 并具有在线监控、修正及远程故障诊断和维护等功能；由于采用位置可以随意移动的触摸 屏显示终端，所以实现了良好的人机交互界面。另外具有代表性的还有德国霍夫曼公司生 产的四工位全自动动平衡机，它采用硬支撑式，无需更换刀具，采用刀具接触式传感器系 7 两工位全自动平衡机的设计、研究与实现 统，提高了刀具的定位精度，并具有远程通讯和在线统计分析功能。图1 3 为德国申克制造 生产的四工位全自动动平衡校正机。 图1 3 德国申克四工位全自动动平衡校正机 ( 二) 国内动平衡机发展状况 我国是从1 9 5 8 年开始对动平衡理论和装置的研制，近几十年来，我国的动平衡行业虽 然得到了发展壮大，但是无论在产品的种类还是性能上都和世界先进水平有较大的差距， 并且至今也没有被国内外认可的著名品牌。总的来看，国内的动平衡机的设计一部分是引 进国外淘汰或即将淘汰的型号；一部分是国内仿制或自行设计的产品。譬如现有国产硬支 撑动平衡机支撑结构形式和参数选择，大多是国外七、八十年代的产品的仿制品，其灵敏 度、频响特性都比较差。现有的国产动平衡机测量系统大多都存在性能差、指示精度低、 功能单一等缺点。另外动平衡机生产企业也存在结构不合理，生产效益低下，缺少新产品、 新技术，而且缺乏对新知识、新技术、新方法的应用等问题。“嘲 在全自动平衡机方面，国内有些企业和高校进行了研究，图1 3 ，图1 4 是研制的一些 全自动平衡机的实物图片与功能说明【l 3 】 图1 4 北京青云6 m 位全自动平衡机 北京青云是国内比较早从事动平衡机开发研制的单位，它依托在军工航天方面积累的 两工位全自动平衡机的设计、研究与实现 技术优势，开发了具有完全自主知识产权的全自动平衡机，但是虽然其具有在信号处理控 制工程等方面的优势但由于其在切削建模及切削方式上的不足，制约了其在小型电机领域 内的发展。 上海北友是在吸收了原日本高技的技术基础之上开发的两工位平衡机【1 4 1 。但其在加工 效率和去重精度方面稍显不足。 图1 5 上海北友两工位全自动平衡机 浙江大学的其他科研单位也对全自动平衡机进行了研究。他们主要在采集信号的数字 化处理，切削去重的补偿，标定误差的分析等方面行了研究。可惜的是研究成果没有转化 成产品。 1 4 结语 必须承认目前国内在动平衡自动校正系统集成技术研究方面还处于起步阶段，研究的 领域包括校正模型的建立、集成系统的传输协议、去重设备以及专用的动平衡校正系统的 设计等”】。为了适应国内装备制造业水平不断提高的要求，也为了打破国外对于全自动 平衡机的垄断，作为高校的科研人员有责任也有义务来完成全自动平衡机的研究任务。 9 两工位全自动平衡机的设计、研究与实现 第二章全自动平衡机的系统架构 本章主要对全自动平衡机的系统架构进行分析，其中主要包括平衡机、机械手、去 重机、控制系统等部分，归纳了其中要解决的问题，为后续章节的研究指明方向。 2 1 机器功能描述 开发小型转子全自动平衡机的基本目的在于综合振动学、机械、电子及控制技术等专 业知识，开发出一种高效、准确、自动化程度较高的全自动平衡机，以替代目前的人工平 衡方式。 从大豹方面讲，对转子进行动平衡处理可以分为两步： 1 ) 测试转子不平衡量的位置及大小； 2 ) 按测试结果进行定位和切削去重。 为实现以上功能，本文对整个平衡机系统进行了功能模块的划分。机器拟采用检测一 去重一检测的工作方式，因此机器先必须具备检测模块和去重模块，而为了将这两个模块 联系在一起，又必须引入机械手模块，以模拟手工情况下工人用手来搬运转子节。以下就 各个模块的具体功能及组成作一介绍。图2 1 为设计的整个系统的效果图。 2 2 平衡机 圈2 1 系统机械绪构效果图 一般平衡机的主要功能是实现转子不平衡量的检测。而作为全自动机器中的平衡机不 i o 两工位全自动平衡祝的设计、研究与实现 仅要检测不平衡量，顽且还要具各自动定位的功能，这就对平衡机的设计提出了更高的要 求。平衡机可以分为机械支撑结构，驱动系统。信号检测系统等部分【l 们。 从支撑方式上划分，平衡杌可以分为软支撑平衡机和硬支撑平衡机两种形式，其中软 支撑平衡机可以认为振幅就是偏心距，要求系统的固有频率远小于转予的工作转速频率： 而硬支撑平衡机认为振幅与离心力成正比，要求系统的固有频率远大于转子的工作转速频 率。在综合考虑了两种支撑方式对振动信号的灵敏度，非线性度等影响因素后，本文采用 了软支撑方式的平衡机，即软支撑平衡机。 支承部分包括支承架、摆架、簧片以及锁紧机构等部件。工件放置于摆架上，与摆架 组成振动系统，在不平衡力的作用下作受迫振动。摆架与传感器相连，通过传感器将摆架 的振动量转换为电信号，输入测量回路。支承系统的动力特性直接关系到平衡机的性能， 因此是平衡机结构设计的关键一环。 平衡机上的驱动系统包括步进电机、皮带及皮带轮等。选用步进电机的原因是步进电 机在测量过程中能保持稳定的转速，并在自动定位的过程中，起到关键的定位控制作用。 平衡机对皮带轮的加工工艺以及安装工艺要求比较高，如果皮带轮存在加工和安装误差， 则会在运转过程中通过皮带给转子带来周期性的干扰。同样皮带表面也要求光滑均匀，没 有接缝。 信号的采集与处理直接决定了检测结果的精确性，也决定了整个机器的处理效果。因 此对于信号的采集与处理，进行了大量的实验与研究。采用了硬件二阶有源滤波、软件时 域平均算法、互相关算法等一系列的方法来去除各种干扰，提高检测精度。 理想的振动信号是与转子同频转动的正弦信号。但是，实际信号中混杂有许多干扰信 号：1 ) 转子一支撑结构的固有频率引起的低频干扰：2 ) 驱动机构，由于安装精度，圈带 的表面质量引入的周期性随机干扰；3 ) 工频及谐波干扰；4 ) 通过基础引入的外界干扰； 5 ) 工作环境的电磁干扰及测试系统内部电子器件引起的白噪音“”。 振动信号可以由式( 2 - i ) 表示 上 p ( f ) = 最s i n ( c o l t + 0 1 ) + 易s i n ( 国i f + 岛) + e r a n d ( t ) ( 2 1 ) i = 2 式中： 8 ( f ) 一实际信号； es i n ( c o , t + q ) 振动信号中的不平衡分量； 月 易s i n ( q f + 只) 各次谐波分量； 扣2 e 朋h d ( f ) 随机信号。 两工位全自动平衡机的设计、研究与实现 实际中所需要的信号为五s i n ( 国。t + e ) ，从式( 2 - 1 ) 中可以看出该信号被淹没于众多的 干扰当中，本文将从信号的采集方式与信号的处理两方面入手对此加以解决。 在手工平衡的过程中，操作工必须对每一个转子贴标记，作为键相位基准，这对大规 模生产是不合适的。本文拟用一种步进电机进行自动定位的方式。这使得转予不需要贴标 记，当平衡转子测试结束时，第一个切割面处的不平衡量刚好朝下，为第一次切割作好准 备。为此必须对平衡机的键相位部分、驱动系统和驱动软件进行特殊设计。这里选用的键 相位传感器是齿轮测速传感器。工作过程如下：传感器首先对所检测到的第一个齿进行记 录，之后每测到一个齿计数器自动加l 。假定转子有n 个齿，计数器达到n 以后必须清 零重新计数。这样由计数值，可以了解转子每时每刻的运动状态。在采样计算得到不平衡 量后，可以计算出第一个切割面上的不平衡量相位与第一个参考齿的位置差值，通过p l c 控制步进电机驱动系统，可将不平衡量朝下停住，达到自动定位的目的( 自动定位) 。 2 3 机械手 机械手作为联系钡8 量模块与切削去重模块的关键环节，其运行的可靠性，准确性及稳 定性直接影响整个机器的运行性能。由于转子在检测结束时已经使锝第一个切割面处的不 平衡量刚好朝下，所以在搬运过程中要求机械手能够准确可靠地将转子传送到切削去重模 块。同时为了提高工作效率，在准确可靠的同时还要求机械手能够快速地实现整个过程。 机械手是由气爪、升降气缸和旋转气缸三部分组成的，其功能即是将转子在动平衡机 与去重机闻移动。在动平衡机完成测试后，机械手顺序完成以下动作：p l c 对机械手发 出指令一旋转气缸从待机位置开始动作到达平衡机上转子的正上方一升降气缸降下气 爪夹紧抓住转子升起升降气缸一旋转气缸旋转1 8 0 。至去重机v 形架的最上方一升降 气缸降下一松开气爪放下转子升起升降气缸一旋转9 0 。到待机位置。然后p l c 发出指 令开始去重，待去重工作完成后，执行上述过程的逆过程，这样就完成了一个运行周期。 2 4 去重机 去重机模块包括移动工作台与夹具两部分。 移动工作台上安装有刀具，是去重过程中的重要部件。移动工作台可带动刀具进行水 平和垂直两个方向的运动，以实现不同要求的切削量。为了提高切削量的精度，移动工作 台必须实现精准的两自由度的移动。经分析其重复定位精度应该控制在0 0 2 r a m 以内。文 中的移动工作台中的丝杠将采用精密的滚珠丝杠，配合高刚度的直线导轨，可以保证精度 要求。丝杠的驱动是利用步进电机，并采用细分步机制来保证运动分辨率和精度。同时为 了保证驱动与定位的可靠性与准确性，还采用了闭环控制的方式，即在步进电机的尾部加 1 2 两工位全自动平衡机的设计、研究与实现 装了编码器，通过比较编码器传回的数字信号与实际要发送的信号来确认驱动装置的工作 是否正常，从而保证了整个运动控制装置的高可靠性。 这里的夹具部分分为固定装置，夹紧装置，及转向装置三部分。主要完成对转子的固 定夹紧，保证去重时转子的稳定。固定装置采用v 形架。采用v 形架的原因是其对于在 小范围内尺寸有所变化的转子具有良好的适应性。换句话说，若转予规格变化不大，不需 要更换v 形架亦可以加工，这对提高生产效率有十分重要的意义。另外采用v 形架还可 以实现自动对中的目的，当机械手将转子搬运过来时，即使有由于机械加工丽造成的误差 也会由于v 形架的存在而强制性地将转子定位于v 形的中心，从丽保证切削去重的位置。 夹紧装置采用压紧气缸，动作迅速且可以提供较大的压紧力，以压住压紧转子。转向装置 是又一关键技术环节，它由步进电机、同步带轮和同步带构成。其工作过程是：等待转子 的第一次切割完毕后，根据第二切削面上的不平衡量相位与第一切削面上的不平衡量相位 差，转过相应的角度，为第二切削面上不平衡量的切割去重作好准备。正是由于转向装置 的存在，使得自动平衡机可以在一次切割过程中完成两个校正面上的不平衡量的去重工 作。 2 5 控制系统 全自动平衡机作为一种智能化的专业机器，不仅要求具有合理的机械结构而且需要一 个合理高效的控制系统。由于整个系统中各个部分之问的相互依赖性，这样就需要一个起 协调作用的控制系统。本文拟采用工业生产中通用的p l c 作为整个机器的核心控制器。 p l c 将控制平衡机、机械手、振动采样模块和移动工作台，进行协调的工作，其相互问 的关系如图2 2 所示，图中的箭头方向表示了信息流向。 图2 2 各部分的关系 控制系统要完成以下步骤所描述的功能： 1 ) p l c 发出启动信号，控制平衡机上的驱动电机开始升速，当转速达到要求时，保 持稳定的转速； 2 ) p l c 再次发出信号通知振动采样模块开始进行振动信号采样。采样结束后模块将 两工位全自动平衡机的设计、研究与实现 采集得到的数据通过4 8 5 通讯传到p l c ，由p l c 进行振动量和不平衡量的计算，当 两次采样的结果在误差范围之内则认为采样正确，反之继续采样，直到结果满足要求 为止。 3 ) 采样结束后p l c 发出定位指令，驱动系统则按照要求将转子停在第一个切割面处 的不平衡量朝下位置； 4 ) p l c 驱动机械手动作，将转子搬运到夹具上； 5 ) p l c 按照计算得到的转子切削深度和宽度，驱动移动工作台上的步进电机来控制 刀具，实现对转子切削去重。 在实际的工作过程中，为了提高机器的使用效率，一般机器是同时处理两只转子的， 也就是说有两个上述过程在交叉重叠进行，当一只转子检测完成后进行切削去重时。检测 模块可以对另一只转子进行检测，这样机器可能同时处于检测和去重状态。所以就必需对 各个动作进行极好的协调。 本文中的全自动平衡机作为一种针对实际工业生产的自动化机器，要求必需满足工业 生产所必然遇到的种种苛刻工况，如电网电压的波动、生产车间的电磁干扰、厂房温度的 高低变化和灰尘湿度等对电器及机械结构的腐蚀等等。因此在构建控制系统的时候，本文 从工程实际出发，主控制器拟放弃廉价的单片机，而选用性能上更加可靠成熟的p l c 。 这样虽然在成本上有所提高，但是降低了机器在开发过程中的难度，加快了开发进程，同 时也为以后机器运行的稳定性打下了基础。 采用p l c 作为主控制器的另一重要因素在于其较强的计算能力。由于在检测环节当 中，为了去除各种干扰的影响而引入了s d f t 算法和时域平均滤波算法，因此需要进行许 多的数学运算。而一般的单片机是无法满足这种要求的。工控机虽然能够满足要求，但考 虑到成本、今后的运行及维护等因素，还是选用p l c 更加适合。另外p l c 程序的简单可 读性也使得研发过程当中的开发调试较为简单。 为了给机器提供一种简单便捷的操控方式，本文选择方便易用的触摸屏作为交互界 面。触摸屏的使用不仅使各个模块的可读性增强，而且将大大提高人机问的交互能力。不 但能实现设备运行状态监控、故障的诊断、产品数据的分析等一系列的高级功能，而且能 使机器实现傻瓜化的便捷操作。 2 。6 任务分析 从上面的分析中可以看出，机器可划分为若干功能模块。因此在开发过程中可以分工 协作，对各个功能模块或引用他人的研究成果或进行新的攻关研究，最后进行整体整合。 这样的过程可以降低整个开发难度，也能加快研究进度。 在机器开发的早期阶段，由于项目组的其他人员已经对信号的处理和自动定位等方面 进行了研究，并归纳出了基本的方法。因此本文的一个任务在于，在前人工作的基础之上， 1 4 两工位全自动平衡机的设计、研究与实现 可靠实现这些方法，另外还要对未知环节进行研究。 具体说来，本文主要包括以下几个方面的研究内容： 1 ) 机器机械结构的优化设计研究 平衡机机械结构及驱动系统的设计研究； 机械手机械结构的设计研究； 夹具结构的设计及分析； 切削头的结构设计； 2 ) 控制系统的设计及实现； 总体框架的设计； 功能模块的实现； 人机交互的设计； 3 ) 某些关键技术的攻关研究 影响系数的标定方法； 转子自动定位的实现； 自动对刀的实现； 转子切削建模。 2 。7 结语 本章在查阅了相关文献及进行了初期的研究以后，拟定了金自动平衡机的研究方案， 为后面的研究指明了方向。 两工位全自动平衡机的设计、研究与实现 第三章全自动平衡机机械结构设计 任何一种机器都必需要有与之相适应的机械结构作为支撑。从设计者的角度来看，其 结构不仅仅应该满足功能上的要求，而且还要考虑到实际应用中操作的方便性、拆装的灵 活性、部件调整的互换性、设备日后升级的预留空间以及加工过程的可实现性。作为一个 合格的设计者应该充分考虑到上面所列种种要求，针对各个具体的部件进行设计1 8 1 。 ( a ) 支撑简图( b ) 簧片等效图 图3 1 如图3 1 ( a ) 所示平衡机的v 型架通过簧片悬挂于门框之上，在转子旋转时可以激发 v 型架作水平振动。为了研究其振动规律，可以做如图3 1 ( b ) 的简化处理。由于转子运动 方式是平动，因此可以将转子和支撑的质量都集中到了簧片的最底端。簧片的受力情况如 图3 1 ( b ) 所示。a 端和b 端的支撑方式均视为固支，所以有边界条件a 端转角为0 ，挠度 为0 ，b 端转角为o 【1 9 1 。 1 6 两工位全自动平衡机的设计、研究与实现 由边界条件= o ，可得m 5 壶凡，求得b 端挠度为主茜由刚度的定义，簧片 1f ， 的刚度为k = 等= 等 1 l 所处理的转子质量一般在3 0 0 1 0 0 0 9 之间，而支撑部件的质量为4 0 0 9 ，所以转子一支 撑的等效质量为7 0 0 1 4 0 0 9 ，那么每个簧片承受的等效质量为1 7 5 3 5 0 9 。取簧片的厚度 1 厅 h = o 4 m m ，簧片的宽度b = 2 0 m m ，簧片长l = 7 5 m m ，由公式，= 、f 三可以估算得平衡 z 石y ，玎 机的固有频率为6 6 , - 9 3 i - - i z ，对应转子的转速为3 9 6 5 5 8 r e v s m i n 。处理的转子的平衡转速 视转子质量大小取为1 5 0 0 - - - 2 1 0 0 r e v s m i n 之阀，这基本能满足转子的平衡转速大于平衡机 固有频率的3 倍以上的要求【2 0 1 。平衡机工作在上述工况时，其振幅就基本等于转子和支 撑部件的综合偏心距。 论文初期的平衡机的结构如图3 2 所示。从功能上讲，这种设计已经完全能够满足振 动测试和不平衡量识别这一基本功能要求。但从互换性的角度来看，这样的设计不能够满 足转子多样性的要求。由于机器中机械手的中心高度是不变的，而处理转子的型号很多， 其轴向长度不同，轴颈半径也有差异，这样当要求采用同一台平衡机时，就要求平