中小型电机转子专用半自动动平衡校正系统的构建与研究.docx

中 /小型电机转子专用半自动动平衡校正系统的构建与研究王海南 3曾胜汪希萱(浙江大学 )摘 要 针对中 /小型电机批量化生产的现状和发展趋势 ,及其转子动平衡工艺精度要求较高的特点 。结合国内相关企业的需求 ,设计并构建了一套中 /小型电机转子专用的半自动动平衡校正系统 。描述了 该系统的组成结构和实现方法 ,通过对实验转子动平衡测量的研究证明了系统的性能 。关键词 中 /小型电机 转子 半自动动平衡校正系统中图分类号th877文献标识码文章编号0254 26094 ( 2005) 0120009 206a中 /小型电机转子工作运转时的较大振动 ,会带来噪声 ,缩短产品寿命 ,因此必须进行动平衡校 正 。国内企业目前普遍采用的方法是 : 使用普通动平衡机进行不平衡量测量 ; 根据测量结果人工 进行钻削或铣削完成去重加工 ; 过程重复进行至 达到精度要求为止 。这样的动平衡工艺依赖工人 的经验 ,生产效率低下 ,平衡精度不高 ,而且转子 上的切槽数较多 ,影响转子的产品质量 。国外公司有全自动一体化动平衡校正机产品 ,虽然平衡 精度较高 ,但批量生产效率低 、结构复杂 、对不同 规格的转子适应性差 ,因而不适应中小企业加工 转子规格经常变换的要求 。当前 ,全球中 /小型电 机产品正以前所未有的速度向着各个应用领域不断扩展 ,已形成持续稳定发展态势 。提高中 /小型 电机制造水平 ,加大制造中 、高档产品比例对于我国相关企业扩大产品应用领域 、增强出口竞争力有着重要的现实意义 。考虑到目前国内的劳动力 成本 , 本文设计 、构建一套半自动动平衡校正系统 ,可以适应并满足国内企业的生产需求 。1 动平衡校正系统组成结构本文设计的动平衡校正系统采用平衡机 2去重机 分体设计方案。自行设计小型动平衡机 ,而去重机是 在台式钻铣床的基础上改造而成。平衡机和去重机的驱动电机在系统启动后一直处于运转状态 ,省去了 电机启动和制动的时间 ,解决了批量化动平衡校正加 工的效率问题。本系统用于中 /小型电机转子的动平 衡校正 ,设计目标为加工轴向长度 50500mm、直径 2585mm、轴颈直径 520mm、工作转速 1 0003 000r/m in范围之内的刚性电机转子。系统的逻辑结构如图1所示 ,箭头代表了信号的流动方向。图 1 系统逻辑结构图3 王海南 ,男 , 1979年 1月生 ,硕士研究生 。浙江省杭州市 , 310027。10化工机械2005年动平衡校正系统运行时 ,操作人员先将转子放置在小型动平衡机上 , 上位 pc 机从小型动平 衡机采集振动信号和键相位信号 ,计算出转子的 被加工相位和切削深度 ,通过串行端口向待机状 态的去重机发送工作指令和数据 。去重机接收到工作指令和数据后 ,从待机状态进入待命状态 ,操 作人员取下平衡机上的转子 ,安置到去重机上并 锁紧 。去重机控制器有启动 、退行和复位 3 个功 能键 。按下去重机控制器上的启动键 ,去重机自 动选择转子的加工位置 ,进行切削进给加工 。加 工完成后 ,操作人员按下控制器上的退行键 ,使转子同铣刀分开一定距离后 ,便可以将转子取下 ;而 去重机再次进入待机状态 。在待命状态下 ,按下 复位键则使去重机直接返回到待机状态 。系统运 行时需要适当的人工干预 ,是一个半自动系统 。1. 1 机械硬件1. 1. 1 小型动平衡机了常规的导轨 ,既能保证转子定位精度 ,又降低了制造成本 。采 用自 藕变 压 器控 制驱 动 电机 的转 速 ,以升速传动 9 25 方式驱动转子 , 降低了驱 动电机振动的影响 。两副摆架上分别安装有加速 度传感器 ,采集振动信号 ,键相位传感器安装固定在其中一副摆架上 ,转子两端的摆架上安装有轴 向定位挡板 ,使转子在平衡机上的运行状况可以 被唯一确定 ,这为高精度测量提供了必备条件 。 由于小型动平衡机的结构特点 ,测振动传感 器的体积要 求尽 可 能地 小 。加 速度 传 感器 体积 小 、重量轻 ,可以满足设计要求 。然而平衡机工作时的位移振动不可避免地会受到各种扰动影响 , 加速度是位移的二阶导函数 ,所以加速度信号中 包含有大量噪声 ,掩盖了工频成分 。为此 ,本文采 用了 kd5008c 电 荷 放 大 器 , 具 有 积 分 和 滤 波 功 能 ,可提供位移 、速度 、加速度 3 种输出方式 。图3为实验采集到的振动信号 ,可以看出包含大量 随机成分的加速度信号 ,通过两次积分后得到了 工频分量明显的位移信号 。自行设计的小型动平衡机结构如图2 所示 。设计采用可变刚度摆架结构 ,通过改变定位锁紧螺栓的位置改变摆架支撑的刚度 。转子的支撑方 式可在滚轮支撑和 y形支撑两者间任选其一 ,对不同规格的中 /小型电机转子适应性强 。使用平 面凹槽配合紧固螺栓的方式锁紧摆架支撑 , 取代图 3 加速度 、速度 、位移信号波形比较图平衡机的键相位传感器使用 st178 p,单光束 反射取样式光电传感器 。平衡机工作时 ,键相位 传感器输出电压波形 (近似为方波 ) 的频率反映 了转子在平衡机上转动的频率 。2. 1. 2 去重机 去重机是 在台 式 钻铣 床的 基 础 上 改 造 而 成的 ,如图 4 所示 。在工作台上安装有专门设计的 组合夹具 , 用锁紧螺纹轴限制转子的轴向位移 。用转动驱动步进电机通过双级减速齿轮组 ,驱动图 2 小型动平衡机结构效果图1底座 ;3支撑摆架 ;5带轮支撑架 ;7滚动轴承 ;9键相位传感器 ;11 定位锁紧螺栓 ;13 紧固螺栓2驱动电机 ;4轴向定位挡板 ;6实验转子 ;8加速度传感器 ;10 传动带 ;12 带轮 ; 1994-2014 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 第 32卷第 1期化工机械11转子转动到被加工位置 ,双级减速齿轮的自锁功能保证了转子在被加工时位置的稳定 。工作台上 安装键相位传感器 ,用来确定转子的被加工位置 。 工作台左端的一只进给手轮被替换成进给驱动步 进电机和单级减速齿轮组结构 ,进给驱动步进电机以减速传动 4 1 方式 ,驱动工作台和组合夹 具相对铣刀盘平动 ,实现铣削进给 。去重机上安 装有行程开关传感器 ,用于判断转子是否跟铣刀 接触 。子已经转动的角度 、已完成的切削进给深度等 。控制器用发光二极管显示去重机的工作状态 : 待 命状态时 ,发光二极管以 1 s间隔闪烁 ; 待机状态 时 ,发光二极管一直点亮 ,便于操作人员使用 。单 片机的 8 个输出引脚用于驱动两台步进电机 。输出 通 过 tl p521 隔 离 后 , 经 过 一 个 由 三 极 管2n 5551和 t ip41c组成的达林顿二级功率放大结 构 ,以集电极开路输出方式 ,驱动步进电机的每一 相线圈 。整个控制器结构紧凑 ,工作稳定 ,抗干扰 性能好 ,满足了系统的功能要求 。1. 2 操作平台操作平 台 是一 台装 有 n i公 司 l abv iew 6. 1软件的 pc 机 , 配有多功能数据采集卡 。在 l ab2v iew 6. 1 环境下 ,利用虚拟仪器技术开发动平衡 校正系统应用软件 ,提供了友好方便的用户界面 , 实现了动平衡机振动信号工频分量提取 、不平衡量矢量计算以及向去重机发送打包数据等功能 。 现代数字信号分析的基础是离散傅立叶变换(d ft) 1 ,快速傅立叶变换 ( fft) 提供了 d ft计 算实现的高效手段 。d ft计算的本质是先用矩形窗把无 限 长 信 号 序 列( n ) , 再将该 n 点序列x ( n ) 截 断 成 n 点 得 到 xx ( n ) 进行周期延拓后 , 进图 4 去重机结构效果图 2 行离散频率分量的正交分解。如果 n 点 序 列 x ( n ) 的 首 尾 不 能 连 续 , 即 x ( 0 ) x (n - 1 ) , 那么 x ( n )进行周期延拓得到的 序列中存在第一类间断点 , 这样会造成虚假的频率成分 , 即谱泄漏 。为了消除谱泄漏的影响 , 本文 采用了以键相位信号周期为边界 , 对振动位移采1 台式钻铣床 ;3 锁紧螺纹轴 ;5 实验转子 ;2行程开关传感器 ;4圆盘铣刀 ;6双级减速齿轮组 ;7 转动驱动步进电机 ; 8进给驱动步进电机 ;9 键相位传感器 ;10单级减速齿轮组去重机控制器以 m ic roch ip 的 p ic16 f873 单片机为核心 ,包括上位机输入 、键盘输入 、键相位 传感器输入 、行程开关输入 、数码管输出显示 、去重机状态显示和步进电机隔离放大输出 7部分功 能模块 。上位机输入模块采用 max232 芯片 ,配合单 片机内部的 u sar t模块 ,作为上位 pc 机向去重 机发送指令和数据的通路 。键盘输入提供了去重机运行时的控制开关 ,共包括启动 、退行和复位 3 个按键 。键相位传感器输入模块采用 st178 p,配 合单片机内部的 adc模块 ,判断被加工转子 0 相 位 ,作为转子加工位置的基准 。单片机以行程开 关电平变化点作为进给驱动步进电机的进给步数计数起点 。数码管显示模块以 tec6122 为核心 ,用于显示去重机运行时的状态信息 ,如被加工转样信号进行整周期截断的方法 。如图 5所示 ,竖图 5 位移信号与键相位信号波形比较图 1994-2014 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 12化工机械2005年线 l1 和 l2 之间的信号即为整周期截断后的位移信号和键相位信号波形 ,可以看出该图中的位移 信号波形是首尾连续的 。对这样的振动位移信号 进行幅值和相位的计算 ,保证了不平衡量测量的 准确 。振动位移信号工频幅值和相位的计算是通过 对 d ft算法的校正来实现的 ,若 x ( n ) 为 l2 空间= a co s ( 2ft n + ) = a co s ( 2 f n + )x ( n )sfs( 2 )f, a , 分别为工频分量的频率 、幅值 和相位 ;ts , fs 分别为振动信号的采样时间和 频率 。x ( n )延拓成复指函数形式 , 得 :式中将内的 n 点信号序列 , n = 0, 1, 2, n - 1, 那么 :x ( k) = x ( n) exp ( - j 2kn)n - 1x ( n ) = a exp j( 2 f n + ) ( 3 )fsf = k +kn = 0= x ( n) co s (2kn) - j sin (2k n) n - 1再令( 4 )fs nn k = 0, 1, 2,nn = 0x ( n ) = a exp j( 2 k +, n - 1(1)n + ) ( 5 )得n式 ( 1 ) 为序列 x ( n ) 的离散傅立叶 变 换 。根据泛函分 析 理 论 可 知 , 这 相 当 于 在 l2 空 间 内 将x ( n ) 同 一 组 不 同 频 率 的 复 指 基 向 量 函 数 exp ( j式中 0, 1 ) 表征了振动信号工频与复指基向量函数 exp ( j 2k n ) 频率之间的偏差 。将n2k n ) n = 0, 1, 2, n - 1 做内积 , 从而得出 x式 ( 5 )带入 ( 1 )得 :n - 1nj 2k n )( n )在各 个基 向量 函 数 上 的 投 影 分 量 x ( k ) 3 。x ( k ) = x ( n ) exp ( -nn = 0 2k | x ( k ) |表征了 x ( n ) 包含的数字频率为余弦= a exp j(2 k +n - 1 n + ) exp ( - j 2k n) nnnnn = 0信号的幅值 , 而 x ( k )则表征了相应的余弦信号相对于 x ( n )时间起点处 ( n = 0 ) 的相位 4 。当振化简得 : a exp ( j ( 2+ ) ) - exp ( j ) x ( k ) = ( 6 )动位移信号的工频不等于 2k, k = 0, 1, 2,exp ( 2j - 1, n)nn- 1 时 , 使用 d ft或 fft计算出的幅值和相位将不准确 , 需要进行校正 。 设平衡机振动位移信号的工频分量为 x ( t)= a co s ( 2f t + ) , ( - , ,改写成离散 化形式 :从而得到 : co s ( 2) - 1| x ( k ) | = a( 7 )2co s ()- 1nsin 2(n - 1 ) + n + sin (n - 2+ sin ( 2+ )- sin ( )nnx ( k ) = a rc tan( 8 )co s 2(n - 1 ) + n + co s (n - 2+ co s ( 2+ )- co s ( )n式 ( 7 ) 、( 8 )即为振动位移信号的工频不等于n的工频分量频率 f可以通过测量键相位信号频率求得 , x ( k ) 可 以 通 过 k 对 采 样 振 动 位 移 信 号 的fft序列进行索引得到 。l abv iew 6. 1 中有高效 的 fft节点可用 , 本文采用 的工 频 分量 的幅 值 、相位计算方法同常规的“工频卷积法 ”相比 ,其编 程实现简洁 ,运行效率高 。经实验观察发现 ,相位 计算结果稳定 ,更适用于高精度动平衡测量计算 。提取出振动信号工频分量特征后 ,可使用影 响系数法进 行 不 平 衡 量 的 测 量 4 。本 校 正 系 统2k, k = 0, 1, 2, n - 1 时 , 使用 d ft或fftn计算工频分量幅值和相位的校正公式 。根据式 ( 4 )计算 k、得 :k = f loor (n f / fs )= n f / fs - f loor (n f / fs )( 9 )( 10 )联立式 ( 7 ) ( 10 )即可计算出振动位移信号中工频分量的幅值 a 和相位 。计算过程中用到 1994-2014 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 第 32卷第 1期化工机械13用于刚性电机转子的动平衡 ,初步采用的是单面影响系数法 。计算公式 :根据表 1 数据分析可知 ,计算不平衡量矢量与已知不平衡量矢量的幅值比平均值为 1. 0066 , 相位差平均值为 - 0181 ,满足了高精度不平衡量 测量的要求 。3 结束语本文介绍了中 /小型电机转子专用半自动动 平衡校正系统的构建过程及系统的软 、硬件结构 。 设计采用平衡机 2去重机分体方案 ,提高系统的工 作效率 、降低制造成本 。自行设计的平衡机结构 简单 、适应性强 ,可满足国内企业多种类 、大批量 的电机转子动平衡校正的生产要求 。去重机通过对普通台式钻铣床改造实现 ,以步进电机为运动 动力源 ,以自行设计的去重机控制器实现了去重 加工过程中的铣削运动过程控制以及同操作平台 之间的数据 传 送接 口 。操 作平 台 为安 装有 l ab2v iew 6. 1 和多功能数据采集卡的台式 pc 机 , 以虚拟仪器技术为基础编制的操作平台软件 ,提供 了方便的用 户界 面 和数 字信 号处 理 工具 。利用 l abv iew 6. 1 的数字信号处理功能 , 提出了一个 针对 d ft的校正算法 ,实现了工频信号特征的精 确提取 。最后通过一组动平衡测量实验验证了小型动平衡机的性能 。 本文使用 单面 影 响系 数法 平 衡 刚 性 电 机 转子 ,其精度比双面平衡方法大大降低 。因为电机 转子结构决定了其不能简单地用单盘转子模拟 , 文中实验分析部分的个别计算结果偏差较大 ,即受此影响 。但是 ,由于双面影响系数法要求去重 机在两个矫正面上对电机转子进行铣削加工 ,这 使得去重机及其控制器的设计比较繁琐 。本文实 现了系统在单面影响系数法条件下的动平衡量测 量 ,及其相应的单面去重校正功能 。系统在双面影响系数法下的不平衡测量与双面铣削加工矫正 功能 ,将在下一步工作中完成 。同时 ,去重机的铣 削进给速度与刀具转速之间的关系 ,还有待深入 地进行理论分析和实验验证 ,从而得出给定条件 下铣削进给量的最优值 , 进一步提高加工效率 。这些将是本文后继研究的目标和重点 。本课题的研究过程中 , 在机械 机 构 设 计 、加 工 、装 配 和振动信号处理等方面得到浙江大学过程装备与控制研究所的吴荣仁教授与贺世正教授 的指点与帮助 , 在此表 示真挚的感谢 。(下转第 34 页 )u? = x?( 11 )? x?t - x?0? =( 12 )u?t式中 u? 计算出的转子不平衡量矢量 ;x? 给定测点的振动位移矢量 , x? = a exp( j ) ;? 影响系数 , 定义为单位不平衡量矢 量引起的振动信号矢量 ;u?t实验转子试加重不平衡量矢量 ;x?0 , x?t 分别为试加重前后给定测点的振动 位移矢量 。计算出转子不平衡量矢量后 ,根据转子去重加工半径 、转子材料密度和铣刀盘的几何形状 ,就 可以通过微积分计算转子的铣削深度 。不平衡量 矢量的相位和铣削深度折算成的去重机步进电机转动步数后 ,连同去重机控制器的指令字节共同 组成数据包 , 可利用 l abv iew 6. 1 的 se ria l com 2 m un ica tion节点组 ,通过串行端口向去重机发送 。 将上述功能集成到用 l abv iew 6. 1 开发的虚 拟仪器程序中后 ,即实现了操作平台对小型动平衡机和去重机的支持功能 。2 实验分析本文用在实验转子上施加已知不平衡量激励求解对比的方法 , 验证系统性能 , 在转速m in,实验数据与计算结果见表 1。1 201 r /表 1实验数据与计算结果对比已知不平衡量矢量 / g ( )振动位移信号矢量 /m ( )计算不平衡量矢量 g ( )6. 25 06. 25 306. 25 606. 25 906. 25 1206. 25 1506. 25 1806. 25 2106. 25 2406. 25 2706. 25 30010. 7 59. 610. 7 87. 310. 4 114. 29. 5 143. 18. 5 /176. 28. 4 - 147. 110. 1 - 114. 69. 9 - 85. 317. 5 - 44. 99. 8 - 23. 010. 3 4. 56. 4 - 3. 16. 4 28. 66. 3 57. 55. 7 87. 46. 1 118. 56. 1 150. 26. 7 - 177. 35. 9 - 148. 06. 5 - 107. 65. 9 - 85. 76. 2 - 58. 2 6. 25 330 10. 2 32. 6 6. 1 - 30. 1 1994-2014 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 34化工机械2005年强 度 的 模 糊 可 靠 度 范 围 在 气 压 外 压 试 验 时 为99. 99999 % 99. 999994 % ,在液压外压试验时为99. 9999 % 99. 99997 % ,则可把外压试验压力提 高到与内压试验压力相当 。该结论为压力容器模 糊可靠性设计从理论走向实用提供了参考依据 。3许琦 ,詹月林 ,李永生 . 压力容器随机应力强度的模糊可靠性设计 . 石油机械 , 2004 , 32 ( 3 ) : 810黄洪钟 ,孙占全 ,郭东明等 . 随机应力模糊强度时模糊 可靠性的理论计算 . 机械强度 , 2001, 23 ( 3) : 305307刘小宁 . 钢制薄壁外压圆筒的 可靠性稳定系数 . 化工 设计 , 2003, 13 ( 3) : 2630刘小宁 . 外压圆筒临界失稳压 力的概率分布 . 石油化工设备 , 2004 , 33 ( 2 ) : 710(收稿日期 : 2004209 220,修回日期 : 2004211 218)446参考文献1 gb150 219981钢制压力容器2 国家技术监督局 . 压力容器安全技术监察规程 . 北京 :中国劳动社会保障出版社 , 1999f u z z y r e lia b ility o f c ritic a l d e s ta b iliz a tio n s tre n g th o f th in 2w a llc y lin d e rs d u rin g e x te rn a l p re s s u re te s tsl iu x iao n ing( w uhan poly techn ic college of industry and com m un ica tion, w uhan, 430205, h ubei, ch ina )the fuzzy re liab ility range r = 9919999998 % 9919999999 % of the c ritica l de stab iliza tiona b s tra c tstrength of stee l th in2wa ll cylinde rs when conduc ting p re ssu re te sts keep ing a llowab le exte rna l p re ssu re d iffe r2ence w ith ana lyse s u sing de sign theo ry of fuzzy re liab ility, som e p rob lem s coce rned w ith exte rna l p re ssu re te sts of th in2wa ll cylinde rs we re stud ied, and som e refe rab le ba se s from theo ry to p rac tice we re p rovided of fuzzy re li2 ab ility de sign of p re ssu re ve sse ls.th in2w a ll cylinde r, r andom load, fuzzy c ritica l d e stab iliza tion strength, exte rna l p re ssu reke yw o rd ste st, fuzzy r e liab ility r ange(上接第 13页 )3 刘贵忠 , 邸双亮 1小波分析及其应用 1 西安 : 西安电子科技大学出版社 , 20014 沈庆根 1化工机器故障诊断技术 1 杭州 : 浙江大学出 版社 , 1994(收稿日期 : 2004210 210,修回日期 : 2004211 226)参考文献1 胡广书 1数字信号处理理论 、算法与实现 1北京 :清华大学出版社 , 20042 bogge ss a , n a rcow ich f j1小波与傅立叶分析基础 1北 京 : 机械工