（机械制造及其自动化专业论文）基于dsp的便携式砂轮主轴在线动平衡仪的开发与研究.pdf

摘要 摘要 砂轮主轴的不平衡会导致磨床加工质量下降以及加工效率降低。而砂轮在加 工过程中由于磨粒磨损等原因，不可避免地会产生较大不平衡量。所以砂轮主轴 的动平衡研究，对于磨床加工是很有价值的。动平衡的一般做法主要有两种：平 衡机法和现场动平衡法。现场动平衡技术以其方便、高效和低廉的特点取得了越 来越广泛的关注。 本文介绍了砂轮不平衡故障机理、诊断方法以及平衡理论，简述了测量不平 衡量的常见方法：影响系数法，并且介绍了d s p ( 数字信号处理) 技术在动平衡 测试中的应用，以及本课题的研究内容与意义。 本文设计了基于d s p 的砂轮主轴便携式动平衡仪，选用3 2 位高性能数字信 号处理器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为控制系统的核心处理器。在线动平衡仪数字信号处 理方法上，本文采用一定的测频方法获得主轴转速，以此转频为基频，采用最小 二乘法直接拟合经过低通滤波后的振动信号的前三阶频率成份，获得主轴的振动 信息。实验验证该算法可行且精度较高。 本文完成了该便携式在线动平衡仪的硬件及软件设计以及原有软件模块的 改进，实现了数据采集，电磁铁控制，数据处理等几大功能模块的可靠稳定运行。 在实验过程中不断改进提高了信号质量以及更合理的程序算法，对影响系数法在 不同情况下的应用做了较深入的分析，并在软件上弥补了机械装置电磁铁定位较 慢的不足。设计制作完成了p c b 板。 硬件和软件系统设计完成之后，通过对控制电路、软件的实际调试，整个系 统可以正常稳定可靠工作，实现对主轴的快速平衡。应用上述技术和方法开发的 基于d s p 的全自动高速主轴在线动平衡仪样品仪器，主要性能指标达到了预期 目标。经过多次现场动平衡测试实验证明，该系统操作方便、运算速度快、平衡 精度高，有较好的工程应用价值。 关键词：砂轮主轴；在线动平衡；数字信号处理( d s p ) a b s t r a c t a bs t r a c t t h eu n b a l a n c ei nt h eg r i n d i n gw h e e ls p i n d l ec a u s e dl o wp r o c e s s i n gq u a l i t ya n d e f f i c i e n c y b e c a u s et h ew e a r i n go ft h ea b r a s i v ep a r t i c l e sa n do t h e rs i t u a t i o n se x i s ta l l t h et i m e ，t h eu n b a l a n c ec a nn o tb ea v o i d e d t h e r e f o r e ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt oc a r r y o u tb a l a n c i n go p e r a t i o ni nt h ea b r a s i v em a c h i n i n g n o r m a l l yt h e r ea r et w ow a y st o c a r r yo u tt h eb a l a n c i n go p e r a t i o n ：o n ei se q u i l i b r a t o rb a l a n c i n ga n dt h eo t h e ro n ei s d y n a m i cb a l a n c i n g h o w e v e rd y n a m i cb a l a n c i n gw a su s e dw i d e ra n dw i d e rb e c a u s e o fi t sa d v a n t a g e ss u c ha sm o r ec o n v e n i e n tt o a p p l y ， m o r ee f f i c i e n ta n dm u c h c h e a p e r t h i sp a p e ri n t r o d u c e dw h yu n b a l a n c eo fg r i n d i n gw h e e lw a sc a u s e da n dh o w t o i d e n t i f y ， a sw e l la st h eb a l a n c i n gt h e o r y i n f l u e n c ec o e f f i c i e n tm e t h o d ， a sa c o m m o nm e t h o dt om e a s u r et h eu n b a l a n c ei sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r b e s i d e sa b o v e ， t h i sp a p e ra l s od i s c u s s e dt h ea p p l i a n c eo fd s pt e c h n o l o g yi nt h ef i e l do ft h eb a l a n c i n g a n dt h er e s e a r c hm e a n i n g t h i sp a p e rd e s i g n e dap o r t a b l et y p eg r i n d i n gw h e e ld y n a m i cb a l a n c i n ga p p a r a t u s b a s e do nd s p ，s e l e c t e dt h e3 2 一b i th i 曲p e r f o r m a n c ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r t m s 3 2 0 f 2 812a st h ec e n t e rc o n t r o l l e r i nt h ef i l e do fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，t h e r e v o l v i n gf r e q u e n c yo fh i g h - s p e e ds p i n d l ew a sm e a s u r e dt h r o u g hap r o f e s s i o n a l m e t h o d ，t h e nt h ev i b r a t i o nd a t aw a r ef i t t e dt h r o u g hs m a l l e s ts u mo fs q u a r e s m e t h o d ，a n dt h e nw eg o tt h ef i r s tt h r e es t e p sf r e q u e n c yi n f o r m a t i o no fv i b r a t i o n t h e e x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h a tt h i ss i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o dw a se f f e c t i v e t h i sp a p e rf i n i s h e db o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g nw o r k ， a n db e s i d e s a b o v e ， i ta l s oi m p r o v e ds o m eo r i g i n a lp r o g r a mm o d u l e ，a n dr e a l i z e ds o m e f u n c t i o n a lm o d u l e ss u c ha sd a t aa c q u i s i t i o n ，t h ec o n t r o l l i n go f m a g n e t i cp l u g s ，a n d d a t ap r o c e s s i n g p r o g r e s sw a sm a d ei ng e t t i n gh i g h e rq u a l i t yo fs i g n a la n dm o r e r a t i o n a la l g o r i t h m 嬲w e l la sc o v e r i n gt h es h o r t a g eo ft h el o ws p e e do fa l l o c a t i n g p c bc i r c u i tb o a r dw a sc o n s t r u c t e d ，w h i c hp r o v e dw o r kw e l l t h ew h o l es y s t e mc a nw o r ks t a b l ya n dr e l i a b l ya f t e rd e b u g g i n ga n db a l a n c et h e g r i n d i n gs p i n d l eq u i c k l y t h ed y n a m i cb a l a n c i n gi n s t r u m e n ts a m p l ew a sm a d e a c c o r d i n gt o t h et e c h n o l o g i e sa n dm e t h o d sa b o v e e x p e r i m e n t sp r o v e dt h a tt h e s a m p l e sm a i np e r f o r m a n c ei n d e xa c h i e v e st h ea n t i c i p a t e dt a r g e t k e yw o r d s ： g r i n d i n gw h e e ls p i n d l e ；d y n a m i cb a l a n c i n g ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指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 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：毕柱日期：耻 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 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 签名：牲导师签名：日期：掣z 第l 章绪论 1 1课题背景 第1 章绪论 振动在旋转机构的运动中难以避免，制造、装配以及旋转机构的工况环境或 者工作条件等因素都会引起转子系统不平衡振动，并且即使以上各环节都很理 想，在一定条件下正确安装的高精度转子系统也会因运行过程中磨损及负载冲击 而产生较大的振动。随着现代旋转机械转子转速的不断提高，作为直接影响旋转 机械工作效率和可靠性的振动问题越来越突出。而从统计概率来看，旋转机械由 于振动原因导致设备失效的大约为6 0 - - 7 0 ，其中由于转子不平衡失效的比 例为3 0 左右【5 1 。 在任何领域，转子的不平衡特别是动不平衡都是一种潜在的危险，例如：汽 车车轮不平衡会导致行驶中转向不稳定，可操纵性变差，车身振动与颠簸加剧， 影响行车的安全；汽车传动系统的动不平衡会引起发动机抖动，磨损加剧，燃油 消耗增加；卫星的动不平衡会使其偏离运行轨道，导弹的动不平衡会导致其射程 减小，影响其命中目标的准确性。在重达几吨到几十吨的转子上即使存在几十克 到几百克的不均匀分布质量，在高速旋转时也会产生很大的不平衡离心力。因此， 失衡转子的平衡校正问题在现代工业发展中是一个非常突出的问题。 随着现代工业和科学技术的发展以及自动化程度的进一步提高，旋转机械正 朝着大型化、高速化、连续化、集中化、自动化方向发展，对于现代旋转机械设 备运行的安全性与可靠性也提出了新的挑战，同时，生产水平和竞争也对机械设 备的性能要求越来越高，对其可靠性、精度提出了更加严格的要求。 对于旋转机械，尤其是针对磨床来说，由于其振动原因很大概率上是由砂轮 主轴系统的质量不平衡引起的，所以对于在线动平衡技术应用的研究就显得意义 非常重大。众所周知， f 2 m e o ，( 其中m 为砂轮主轴系统的质量，e 为砂轮 主轴系统的中心与旋转中心的偏心距，g o 为砂轮主轴系统的工作角速度) 可以知 道砂轮高速旋转所产生的不平衡离心力和速度的平方成j 下比。而超高速磨削由于 砂轮线速度在1 5 0r i g s 以上，因而砂轮若有极小的不平衡量，也会产生非常大的 不平衡离心力，从而使机床振动，轴承磨损，被磨削工件产生表面波纹和增大表 面粗糙度值。因此，砂轮的不平衡量严重影响着超高速磨削的加工精度和机床的 使用寿命，由此可见超高速磨削中砂轮动平衡技术的重要性。 解决这一问题最有效的方法就是对其旋转部分进行高精度的平衡，采用先进 的技术手段，减小旋转机械的振动，从而将振动所带来的危害降到最低，并且对 北京t 业人学t 学硕f j 学位论文 于保证加工机械的加工精度和加工效率，都具有非常重要的意义。 经典的转子平衡方法分为静平衡和动平衡两种。通常，静平衡用于运行速度 不大，对精度要求不高的转子。动平衡则应用于高速和高精度的转子系统中。后 来，人们经过对不停机条件下随时对系统进行动态平衡原理和方法的研究，研究 了不停机平衡的方法，称为在线动平衡方法。 高速旋转机械的动平衡方法作为转子系统振动控制的一个方向，同传统的经 典平衡方法相比，避免了试重时频繁开关机，能够极大减少平衡时间和周期，提 高工作效率和精度，可实现旋转机械工作过程中的自动平衡。从动平衡方法提出 至今，国内外研究人员在此领域进行了大量的研究，近年来，受到电子技术和控 制理论的带动，动平衡的方法和控制也进入了一个新的阶段。 1 2 国内外研究概况 1 2 1转子动平衡技术的理论发展 生产的迅猛发展带动了转子平衡理论迅速的迅速提高。2 0 世纪初，大部分 转子系统工作在第一阶临界转速以下，转子挠度变形可忽略不计，转子属于刚性 的，对这方面的研究相对简单些，在3 0 年代后期刚性转子平衡理论已近成熟。 然而刚性转子的平衡受某一速度限制，如果转速超过这一限制转速，已经平衡了 的转子又不平衡。所以当转子工作在临界转速以上时，这种平衡方法已失去作用。 k f e d e r n 于1 9 5 6 年提出转子系统刚柔性判断方法，他指出，高于某一转速的转 子系统必须考虑挠度对动平衡的影响，转子属于柔性转子。 随着高速旋转机械越来越多的投入使用，研究人员提出了各种柔性转子系统 的动平衡理论和方法，归纳起来，可以分为两类：振形平衡法和影响系数法【9 】o 振形平衡法又称模态平衡法，该方法是按照旋转轴的振动原理把一定转速下的转 子振形分解成为各阶主振形，对这些主振形加以平衡，从而达到整个转子系统平 衡的目的。影响系数法是刚性转子的两平面向量法在柔性转子系统中的推广。 振形平衡法和影响系数法这两种方法都不能完全消除转子系统的振动。在这 两种方法提出以后，以这两种方法为基础，相继出现了各种修正方法。k e n n e d y ， b i s h o p 和白木万博等人采用影响系数法与振形平衡法相结合的一种技术，即“振 形圆平衡法”，可以判断主要不平衡量的分布情况，大大减少开关机次数，提高 了效率和平衡精度。国内合肥工业大学的刘正士在1 9 9 4 年提出了转子动平衡的 相对系数法，在影响系数法的基础上通过动态信号分析仪直接测量相对系数，提 高了动平衡的效率。g o o d m a n 于1 9 6 4 年提出了对影响系数法修正后的最小二乘 法和加权最小二乘法【2 5 1 。这种方法通过寻找一组校正质量，使各个测点在各种转 第1 章绪论 速下的振动残余值平方和最小。随着动平衡研究的不断深入，动平衡的理论研究 也不断深入发展。 1 2 2 转子动平衡技术的发展趋势 随着社会需求的提高和现代技术的进步，一方面对动平衡技术的要求越来越 高，另一方面现代科学技术和方法的不断发展大力促进了动平衡技术的进展，转 子动平衡技术的发展趋势主要向高速、高精度自动平衡技术方向发展。转子动平 衡技术的发展趋势主要分为三个方面： 1 、转子现场动平衡技术 早期动平衡技术的研究以动平衡机为代表，转子现场动平衡是指转子在现场 实际工况下，利用一些现场测试和分析设备对转子实施的振动测试和动平衡。然 而对于大型旋转机械转子，由于其现场实际工况与动平衡机的工作条件存在很大 差异，即使转子在动平衡机上达到平衡，投入实际运行后由于支承状况、外激振 和机组热变形等条件的改变而发生变化，因而影响平衡精度。 2 、无试重平衡法 目前的许多平衡方法尤其以影响系数法为代表都要求被测转子多次停机试 重，才能计算出合理的平衡配置。为了避免试重启停造成平衡效率不高的特点， 二十世纪八十年代，g e n i e l k s 在g a s e h 提出的无试重平衡法的基础上提出了多盘 弯曲转子无试重平衡法。无试重平衡法的基本思想是：通过转子一轴承系统振动 理论的计算，以及转子振动响应的实际测量来计算和优化转子的配重量。该方法 的关键问题在于转子一轴承系统模型的精度和优化算法的选取。但目前所有的无 试重平衡法都必须依赖转子一轴承系统的先验数据积累【1 5 j 。 3 、转子自动平衡法。 转子自动平衡是指在不停机的状态下，通过一组可精密控制的平衡头来实现 对转子系统连续动平衡的方法。由于自动平衡启停机次数少，而且可以在转子运 行过程中实现平衡状态的自动调节。因而已经成为动平衡技术研究和发展的主 流。v a n d e 在1 9 8 1 年首次提出了转子自动平衡的基本构想，并设计出一种极坐 标式的平衡头，被称为v a n d e v e g t e 平衡头。在此基础上，g o s i e w s k 对转子自动 平衡的原理与控制策略进行了进一步的研究。l e e 通过选取平衡头在轴向的位置， 利用v a n d ev e g t e 平衡头实现了挠性转子的自动平衡。 1 2 3国内外动平衡装置及控制系统的发展情况 转子自动平衡的关键技术主要集中在平衡头的设计、制造、安装以及控制 上【2 】【l7 1 。自从1 9 8 7 年第一台自动平衡器在美国问世以来，自动平衡装置同益得 北京t 业人学t 学硕i j 学位论文 图1 - 1 转子在线动平衡装置分类图 f i g u r e1 - 1t h ed i v i s i o no f o n - l i n ed y n a m i cb a l a n c i n gs y s t e m s 控制器的发展随着控制理论的发展和电子技术，计算机技术的发展，从动平 衡技术出现至今，也经历了巨大的发展。由于主轴系统的动平衡需要高速，精确 的控制器，目i j ，采用的控制器策略主要有，p c 控制，单片机控制器和嵌入式 控制器三种。p c 控制器的原理是采用p c 机作为主控制器，通过数据采集卡采 集传感器得到的信号并进行处理，通过计算反馈得到转动的位置后，在通过总线 板卡输出信号，在p c 机外部进行放大后，驱动或控制平衡执行机构动作，完成 动平衡。单片机和嵌入式控制器的原理比较类似，都是将单片机或嵌入式芯片作 为独立的控制器，完成从状态监测，信号采集，信号处理，动平衡算法实现，到 驱动执行机构动作的全过程。 随着近几年磨床自动化的发展，提高机床运转率，缩短辅助时间，实现无人 生产等要求同趋紧迫。国外先进磨削设备，已普遍采用自动动平衡装置。自动平 第l 章绪论 衡时，将砂轮和动平衡装置安装在机床上，用机械的或其它方式自动进行动平衡， 达到足够小、对磨削几乎无影响的振动。 通常，评价一种动平衡方法的优劣，常用以下准则判断2 j ： l 、平衡精度高。即平衡后转子残余振动不平衡量小，在工作转速下转子挠 曲和内应力小，轴承振幅及动反力小，启动时转子容易通过临界转速； 2 、易于控制，测试仪器简单； 3 、平衡机构体积小，便于在空间有限的设备上安装。 2 0 世纪8 0 年代以来，各个发达国家相继投入大量人力，财力，研究开发提 高高速旋转机械的加工精度和质量的技术。这对高速加工技术的发展和实用化起 到了直接的推动作用。高速加工机械的出现引发了机械制造业的革命性变化，其 优越性在于： 1 、可以大幅度提高加工效率； 2 、可以明显降低刀具受力； 3 、可以提高零件的加工精度； 4 、刀具的磨损明显降低，有利于大规模自动化加工实现。 现代加工工业的发展对加工工艺、加工水平提出更高要求：尤其是数控磨床 技术的发展，对其配套设备提出了更高的要求。作为配套技术之一的在线全自动 平衡技术，必须满足现代数控机床的需要，使其向着高精度、长寿命、全自动、 具备自诊断及振动谱分析功能的方向发展。 1 3 课题意义 砂轮主轴系统的在线动平衡技术对于高速磨削精密加工的重要性可从如下 方面体现出来： 1 、可将振动控制在较低水平，明显提高工件的加工精度，降低表面粗糙度； 2 、快速在线动平衡可使砂轮主轴系统在短时间内重新达到良好的平衡状态， 显著提高磨床生产效率，提高磨肖i 加工质量； 3 、可以最大限度的发挥高速旋转加工机械的加工潜力，避免实际生产加工 中由于不平衡引发的振动使磨床无法在最高转速下j 下常工作的现象发生； 4 、主轴系统是关键的精密部件，在线动平衡技术可以避免由于过大的不平 衡振动引起的主轴系统的损坏，降低轴承的磨损和主轴系统的使用寿命，保证机 床的安全运行。 由此可见，砂轮主轴的在线动平衡技术的理论与应用研究是发展高速高精密 加工技术的十分重要和迫切的任务，对于在线动平衡技术的理论和应用研究对于 我国的机械制造行业具有显而易见的实际意义。 北京t 业人学t 学硕 ：学位论文 1 4 论文主要成果及创新点 该系统的硬件软件电路在上一届研究生的课题中已初步做出，但在结构上不 够完善，软件部分尚有一定缺陷，硬件构成也有不合理和未完成之处，并且是在 购买的开发板上进行相关实验。在前届同学研究的基础之上，本论文开发了一种 易于控制的、便携式高精度全自动高速主轴在线动平衡仪，主要研究内容包括： 1 、提出了一种针对高速主轴不平衡量特别是砂轮不平衡量的测量方法，能 够分离出主轴原始不平衡量以及形状误差； 2 、该系统具有动态响应速度快的特点，能够快速的进行转速测定，数据采 样，动平衡控制等动作； 3 、软件包括动态追踪控制模块，通过比较平衡环与转轴的速度差，弥补了 机械装置平衡环定位慢的缺陷，使得动平衡过程所用时间大大缩短。经实验验证 系统的各项性能达到下述指标： 最大平衡量：7 6 9 i i l l i l ，平衡时间： 孔，见图5 - 5b ) ： 此时由于唬一矽 ，在极坐标轴上可以看做是超前唬一定的角度，令 = 2 n - ( 矽2 一矽) ( 5 - 1 5 ) 同时，在逆时针方向上u 超前奶的的弧度为，那么此时对于u 和明的 矢量和的计算，将如图5 - 6 中的矢量运算图b ) 所示，遵循如下的计算表达式： u ；_ u 2 + u 2 2 - 2 u u ：c 。s p = u 2 + u 2 ( 睾) 2 _ 2 u 2 睾c o s f l ( 5 - 1 6 ) u = ( 5 1 7 ) y = a r c c o s c 等半， 伶 进一步可由图中几何关系获得主轴不平衡量相位表达式： 第5 章便携式订：线动平衡仪摔制系统软件部分设计 e = 办+ p 竹( 5 - 1 9 ) 进而由图中几何关系可得主轴振动相位滞后于其不平衡量相位常数角度表 达式： a - - 0 一( 5 - 2 0 ) 情况( 三) ：如果矽一欢0 ，且矽一识 兀，见图5 - 5d ) ： 由图可知，在极坐标轴上可以看做欢超前一定的角度，令 = 2 一( 一唬) ( 5 - 2 7 ) 同时，在逆时针方向上u 2 超前u 的弧度为，那么此时对于u 和的矢 量和的计算，将如图5 - 6 中的矢量运算图a ) 所示，遵循如下的计算表达式： u ；- u 2 + u ；一2 u u ：c 。s p - u 2 + u 2 ( 睾) 2 2 u 2 导c 。s p ( 5 - 2 8 ) u _ 下；坚( 5 - 2 9 ) h 善乏专c o s p 1 , = a r c c o s c 等半， 侮3 。， 进一步可由图中几何关系获得主轴不平衡量相位( 5 1 8 ) 表达式： 0 = 破一p 吖( 5 3 1 ) 北京t ! l k 人学t 学硕i j 学位论文 进而由图中几何关系可得主轴振动相位滞后于其不平衡量相位一常数角度 表达式： o t = o 一( 5 - 3 2 ) 以上四种情况涵盖了实际测量中可能出现的全部情况，计算结束后，结果可 能需要进行调整。计算后，若有角度超出 o ，2 】，软件中将其调整到 0 ，2 丌】 即可。 通过矢量变换求取为抵消主轴系统原始不平衡量【厂么曰，第一平衡环不平衡 iv 1 、第二平衡环不平衡量v 2 相对于主轴基准需到达的位置数据a v l 、a v 2 ，a v l 、 a v 2 的单位为弧度； 5 5 6 5 平衡环最终定位程序设计 根据已经求出的高速主轴不平衡量u 及相位a u ，即可进行平衡动作。定位 第一平衡环不平衡量v l 、第二平衡环不平衡量v 2 相对于主轴基准到达位置a v - 、 q v 2 处，使平衡环1 与平衡环2 的和矢量与求出的u 及a u 大小相等，方向相反。 5 5 7 动态追踪控制模块设计 该平衡装置的机械部分的设计具有一定的缺陷，如果不加以控制，会导致在 平衡的过程中检测时间过长，定位速度过慢，有时甚至出现通电时平衡环与主轴 同步转动的现象，需要手动干预才能使二者具有相对转动。这样一来，平衡效率 很低，必然使工程实用性大打折扣。这种现象的发生是由大电流、弹簧摩擦以及 减速轴承的共同作用的结果导致的。 在对平衡环位置进行控制的动作时，电磁铁通电的瞬间，为了迅速的使电磁 铁接触到减速轴承内圈，要为电磁铁通大电流。之后可以用小电流维持平衡环与 减速轴承内圈的解除状态进行位置的检测，当到达所需要的位置时给电磁铁断 电，这是基本的电磁铁控制思路。 经计算，在通大电流时段，平衡环从脱离啮合齿圈移动到与减速轴承内圈接 触共需时3 5 毫秒。而由于结构设计的缺陷，弹簧挡圈与主轴间隙配合，通电时 弹簧外圈顶到滚动轴承的内圈，与滚动轴承内圈在弹簧的压力下同步转动，注意 到滚动轴承的内圈时刻随轴转动，这就造成弹簧外端与主轴同步转动，这样弹簧 弹簧外端与轴同步，在弹簧的扭曲达到极限时，势必也要与轴同步转动，此时平 衡环就会也与之同步转动，从而失去了相对速度。该机械减速环节如图5 7 所示。 对效率要求高的快速响应的控制系统应该杜绝这种现象的发生，所以必须采取一 定的措施解决这个问题。 对于这个问题，经过试验摸索出来的解决办法是在失去相对运动的时候给电 第5 章便携式在线动、f 衡仪控制系统软件部分没计 磁铁通大电流，使减速轴承瞬间压紧，产生相对转动，这个动作是通过手动调整 滑动变阻器的方法实现的。但是作为一个控制系统，这样的方案显然不合理，不 仅需要加入手动干预，而且时间上消耗浪费大量时间。 为了解决该问题，本系统设计了动态追踪控制模块设计，基本思路是经过对 平衡环以及主轴转速的实时跟踪比较，在适当的时候开启大电流，大电流通电时 间为7 毫秒后，迅速加入大功率电阻，切换至小电流，循环反复，直到平衡环达 到预期位置时断开小电流，之后平衡环与啮合齿轮啮合，与主轴同步转动。 电磁 滚动轴承弹簧挡圈弹簧减速轴承主轴 平衡环 图5 7 平衡头减速环节 f i g u r e5 - 7d e c e l e r a t i o nm o d u l a ro f t h eb a l a n c i n gd e v i c e 不妨以平衡环1 为例叙述该控制思路，平衡环2 的调整思路与之相同。控制 流程图如5 8 所示，在给电磁铁通小电流等待的基础上实时进行主轴与平衡环转 速的测定，判定转速差别以决定是否要开启大电流。经大量实验验证，将速度差 别设置成9 9 2 ，即如果平衡环的速度不小于主轴速度的9 9 2 ，即可认为二者 同步转动，此时就需要开启大电流；如果平衡环的速度小于主轴速度的9 9 2 ， 那么认为二者具有相对转动，继续给电磁铁通小电流进行等待即可。实验证明， 经过软件改进之后，很好的解决了电磁铁控制模块检测慢，定位慢的缺陷。通常， 在对电磁铁定位的过程中，平衡环与主轴在一圈的相对运动之内即可达到精准定 位，时间均在1 0 秒之内可以完成。 北京工业人学工学硕f ：学位论文 图5 8 动态追踪控制模块流程图 f i g u r e5 8f l o wd i a g r a mo fd y n a m i ct r a c i n gc o n t r o l l i n gm o d u l e 5 6 本章小结 本章在介绍动平衡仪工作顺序和控制方法的基础上，讲述了动平衡仪控制系 统软件部分各个功能模块的算法设计与实现，并给出了相应的程序流程图，主要 包括初始化程序设计、基准信号中断程序设计、第一及二平衡环位置检测和定位 中断程序设计、a d 转换程序设计、振动量大小和相位计算程序设计、不平衡量 大小和相位计算程序设计，用来弥补机械结构缺陷的动态追踪控制模块设计。 第6 章动平衡仪实验研究 本系统开发了基于d s p 的高速主轴便携式在线动平衡仪系统，为了验证该 平衡仪的性能，本章将前面硬软件调试好的基础上进行相关数据采集处理及动平 衡实验。并列出相关的实验波形和实验数据，以证明本在线动平衡仪的有效性和 工程实用性。然而由于实验室条件限制，只能在实验室现有条件上进行模拟实验。 6 1 实验装置构成 实验对象：现场测试的对象是洛阳轴研科技股份有限公司生产的g d z 2 4 a 型高速电主轴试验台( 主轴转速2 4 0 0 2 0 0 0 0 转分钟) 。本文所 讲述的动平衡仪可以通过其平衡头端部的螺杆实现与高速电主 轴试验台的连接。 实验所用器材； a g i l e n t ( 安捷伦) 3 5 6 7 0 a 动态信号分析仪( 1 台) ： c w y - d o 型电涡流位移传感器( 1 个) 和与之配套的y e 5 9 3 7 位移 测量仪一台； s c h m e r s r l ( 施迈赛) i f l 2 - 8 m 1 0 p 型电感传感器( 3 个) ； 北京瑞泰创新科技有限责任公司i c e t e k - 5 1 0 0 u s bv 20 仿真器 一套； 安装有t i d s p 集成开发软件c c s 2 0 的p c 机一台。 2 4 v 直流供电电源两台： 实验框图：本在线动平衡仪实验系统的连接示意图如图6 - 1 所示，实物连 接图如图6 - 2 所示。 圈岳l 动平衡仪实验系统的连接示意图 f i g i l “一it h ec o n n e c t i o ns k e t c h m a po f b a l a n c i a gs y s t e m a t i ce x p e r i m t 一5 7 - m 京r 学t 学颤l 学位论立 a 1 机械平衡头部分b ) j 空制部分 图6 - 2 动平衡仪实验系统的实物连接圈 f i g u r e - 2 t h e 砌t e f i a l o b j t c o r m e c t i o n o f b a l a n c i n gs y s t e m a t i c e x p e n m 吼t 6 2 系统各功能模块测试 为了测试各个功能模块，以各种分解动作做了相关大量实验 6 2 la d 采样模块测试 为验证a d 采样模块的准确性，用安捷伦动态信号分析仪3 5 6 7 0 a 制作了正 弦波形：0 0 8 s i n ( 2 * 4 0 t ) _ 0 0 8 。根据硬件软件对于信号的加工效果，先滤掉 直流成分，后加上2 0 0m v 偏置，再把幅值扩大为原来信号6l 倍。a d 采样之 后，由软件将信号数据的大小还原为1 6l ，得到的的数据连成曲线之后应为频 率为4 0 h z 的正弦波，范围在1 6 38 3 8 22 之白j ，对照图6 - 3 可知，a ) 图为制作的 波形图，b ) 图为a d 转换后的点连成的曲线图，发现数据范围基本吻合，并跟踪 观察a d 采样后的数组，对比3 5 6 7 0 a 的波形图，发现a d 采样数组最大值与信 号相差52 m v 误差。而电涡流传感器的灵敏度为8 3 l m w u m ，可以计算得到排 除传感器引入的误差，系统硬件软件引入误差大约为06 2 5 u i n 。误差在允许范 围内，并有待提高。 b ) 圉6 - 3 a d 转换数组曲线图 f i g u r e 6 - 3 c u i v e g r a p h i c o f a d m o d u l e 6 2 2 高速主轴转速测试 g d z 2 4 a 型高速电主轴试验台工作在不同转速情况下，分别测得的主轴转速 数据如表6 - 1 所示。设n 为标称转速，撬为实测转速，s 为相对误差，其中 。：坐：i ! 二型。 nn 在理论转速分别为4 0 h z ，5 0h z ，6 0 h z ，8 0h z 的情况下，本平衡仪做了大 量转速测试，实验效果非常理想。实测数据如表6 - 1 所示； 北京t 业大学t 学硕。i j 学位论文 表6 - 1g d z 2 4 a 型高速电主轴实测转速及相对误差 t a b l e6 1t h eg d z 2 4 ah i g hs p e e de l e c t r i c i t ys h a f tr a t ea n dp r o p o r t i o n a lt o l e r a n c e 4 0 h za ) 转速相对误差 次数实测脉冲数 h z 13 7 4 9 2 4 04 0 0 0 8 l l0 0 2 0 2 23 7 5 0 4 8 43 9 9 9 4 8 4o 0 1 2 9 33 7 5 4 2 8 4 3 9 9 5 4 3 6o 1 1 4 2 43 7 4 9 8 4 44 0 0 0 1 6 60 0 0 4 l 53 7 5 8 6 7 63 9 9 0 7 6 7o 2 3 1 3 63 7 5 5 2 6 03 9 9 4 3 9 70 1 4 0 2 73 7 4 9 9 4 04 0 0 0 0 6 40 0 0 1 6 83 7 4 9 7 2 04 0 0 0 2 9 9o 0 0 7 4 93 7 5 6 4 2 03 9 9 3 1 6 4o 1 7 1 2 1 03 7 4 8 2 9 6 4 0 0 1 8 1 80 0 4 5 4 l l 3 7 4 3 3 1 64 0 0 7 1 4 2o 1 7 8 2 1 23 7 5 4 6 7 23 9 9 5 0 2 30 1 2 4 5 1 33 7 5 4 0 0 83 9 9 5 7 2 9o 1 0 6 8 1 43 7 5 3 2 4 43 9 9 6 5 4 30 0 8 6 5 1 5 3 7 5 0 3 8 03 9 9 9 5 9 50 0 1 0 1 5 0 h zb ) 转速相对误差 次数实测脉冲数 h z l3 0 0 3 1 1 24 9 9 4 8 1 90 1 0 3 7 23 0 0 0 1 7 24 9 9 9 7 1 3o 0 0 5 7 32 9 9 9 8 7 65 3 9 2 0 4 50 0 7 0 8 43 0 0 1 5 2 04 9 9 7 4 6 80 0 5 0 6 53 0 0 1 8 4 84 9 9 6 9 2 20 0 6 1 6 62 9 9 4 9 6 45 0 0 8 4 0 70 1 6 7 8 73 0 0 4 1 1 64 9 9 31 4 90 1 3 7 2 83 0 0 0 9 4 84 9 9 8 4 20 0 3 1 6 92 9 9 9 8 9 65 0 0 0 1 7 30 0 0 3 4 1 02 9 9 9 3 8 85 0 0 1 0 2o 0 2 0 4 1 l 3 0 0 4 4 2 84 9 9 2 6 3l0 1 4 7 6 1 23 0 0 1 2 8 04 9 9 7 8 6 80 0 4 2 6 1 33 0 0 4 1 1 24 9 9 31 5 60 1 3 7 0 1 43 0 0 3 1 2 54 9 9 4 7 9 7o 1 0 4 1 1 52 9 9 7 5 6 85 0 0 4 0 5 70 0 8 l o 第6 章动甲衡仪实验研究 6 0 n zc ) 转速相对误差 次数实测脉冲数 h z 12 5 0 0 8 6 45 9 9 7 9 2 70 0 3 4 5 22 5 0 0 9 9 65 9 9 7 6 110 0 3 9 8 32 5 0 0 6 8 85 9 9 8 3 4 90 0 2 7 5 42 5 0 0 5 4 05 9 9 8 7 0 40 0 2 1 6 52 5 0 1 1 2 05 9 9 7 3 1 30 0 4 4 8 62 4 9 9 9 2 0 6 0 0 0 1 9 20 0 0 3 2 72 5 0 1 7 4 0 5 9 9 5 8 2 70 0 6 9 6 82 5 0 1 9 4 45 9 9 5 3 3 80 0 7 7 7 92 4 9 9 9 8 06 0 0 0 0 4 80 0 0 0 8 1 02 4 9 9 8 5 66 0 0 0 3 4 60 0 0 5 7 1 12 4 9 9 8 5 66 0 0 0 3 4 60 0 0 5 7 1 22 5 0 1 9 2 05 9 9 5 3 9 60 0 7 6 8 1 3 2 5 0 0 3 8 4 5 9 9 9 0 7 90 0 1 5 3 1 42 5 0 0 7 5 25 9 9 8 1 9 60 0 3 0 0 1 52 5 0 0 3 2 45 9 9 9 2 2 3 0 0 1 2 9 8 0 h zd ) 转速 相对误差 次数实测脉冲数 h z 11 8 7 6 0 0 87 9 9 5 7 0 20 0 5 3 7 21 8 7 6 1 7 27 9 9 5 0 0 30 0 6 2 5 31 8 7 6 9 8 07 9 9 1 5 6 10 1 0 5 6 41 8 7 6 5 0 47 9 9 3 5 8 8 0 0 8 0 2 51 8 7 5 2 7 67 9 9 8 8 2 30 0 1 4 7 61 8 7 5 4 5 67 9 9 8 0 5 50 0 2 4 3 71 8 7 5 1 0 47 9 9 9 5 5 60 0 0 5 5 81 8 7 5 3 9 67 9 9 8 3 1 l0 0 2 1 1 91 8 7 4 8 5 28 0 0 0 6 3 20 0 0 7 8 1 01 8 7 4 9 5 38 0 0 0 2 010 0 0 2 5 l l1 8 7 5 2 2 07 9 9 9 0 610 o l l 7 1 21 8 7 5 2 6 47 9 9 8 8 7 40 0 1 4 0 1 31 8 7 6 0 0 27 9 9 5 7 2 70 0 5 3 4 1 41 8 7 4 9 9 88 0 0 0 0 0 90 0 0 0 1 1 51 8 7 5 1 8 37 9 9 9 2 1 90 0 0 9 7 高速主轴实际运转中，速度难以达到十分稳定，会有一定的偏差，故采用每 1 0 次取平均值来均衡，从上表的数据可以观察到该系统对测量转速的误差很小。 北京t 业人学t 学硕i j 学位论文 经过多次统计表明，误差均在0 2 3 之内。 6 2 3 平衡环定位精度测试 系统平衡过程中，平衡环l 要经过3 次定位，分别为2 7 0 。定位，1 8 0 。定 位及最终平衡定位；平衡环2 要经过2 次定位，分别为9 0 。定位以及最终平衡 定位。定位精度的好坏直接关系到平衡性能的好坏。本平衡仪测试系统对该平衡 环定位模块做了大量实验，经实验验证平衡环定位效果很好。实验数据如表6 2 所示。 表6 - 2 平衡环定位精度数据 t a b l e 6 - 2t h eb a l a n c i n gr i n gl o c a t i o na c c u r a c yd a t a s 平衡环1 的2 7 0 。定位a ) 相对误差 次数实测脉冲数角度 l2 8 1 4 8 2 02 7 0 2 2 2 7 2 00 0 8 2 4 22 8 1 6 0 4 6 2 7 0 3 4 0 4 1 6 0 1 2 6 0 32 8 1 5 8 0 82 7 0 31 7 5 6 8o 1 1 7 6 42 8 1 5 4 5 22 7 0 2 8 3 3 9 20 1 0 4 9 52 8 1 4 5 4 42 7 0 1 9 6 2 2 40 0 7 2 6 62 8 1 5 2 1 62 7 0 2 6 0 7 3 60 0 9 6 5 7 2 8 1 6 3 8 82 7 0 3 7 3 2 4 80 1 3 8 2 82 8 1 6 1 2 02 7 0 3