全自动动平衡校正机设计

全自动动平衡校正机设计摘要电机在设计、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。本文综合考虑国内外自动化程度不同的各型平衡机优缺点，开发出一种可用于中小型电机转子动平衡的R型铣削校正方式双工位全自动平衡机。系统结构采用模块化设计思想，多线程协调统筹动作，信号动作状态线图进行程序流程及时序分析，具有结构分立及合并方便，生产节拍精简，运行可靠，高校正精度等特点。为保证系统平衡精度，本文在多有文献论述的测量系统精度控制的研究基础上，重点对铣削校正系统的精度控制进行目标分析和提出应用方案。文章首先详细分析各因素对平衡校正精度的相对重要性和控制难度，包括R型铣槽动不平衡量的多因素影响、相位误差因素影响、校正平面位置偏差因素影响等，得出侧吃刀量分散度和铣刀刀尖过渡刃长度尺寸公差是转子R型铣削校正精度控制的主要因素，并且相位误差及校正平面位置偏差也是重要目标。关键词动平衡，全自动平衡机，铣削用量AUTOMATICDYNAMICBALANCECORRECTIONMACHINEDESIGNAUTHORLIZHENGTUTORYUNKANGABSTRACTBECAUSEOFTHEINEVITABLEERRORSINTHEDESIGN,THEMATERIALSELECTION,THEMANUFACTUREANDTHEASSEMBLEPROCESSOFTHEMOTORGENERALLY,THEMASSCENTEROFTHEMOTORROTORWILLDEVIATEFROMTHEROTATINGCENTERWHENTHEMOTOROPERATESATAHIGHSPEEDTHEVIBRATIONANDTHENOISEWILLBEGENERATEDTHEVIBRATIONISHARMFULBECAUSEITWILLINFLUENCETHEOPERATIONANDSHORTENTHELIFEOFTHEMOTORITISNECESSARYTOBALANCEEACHMOTORROTORTHISTHESISCOMPREHENSIVELYCONSIDEREDRELATIVEMERITSOFDIVERSIFORMBALANCINGMACHINESOFDIFFERENTAUTOMATICLEVELATHOMEANDABROAD,ANDDEVELOPEDONEDOUBLEWORKINGPOSITIONTYPEOFAUTOMATEDDYNAMICBALANCING,WHICHAPPLIESTOMICROMIDIELECTRICMACHINEROTORSRMILLINGBALANCECORRECTIONTOASSURESYSTEMACCURACY,THEWRITERFOCUSESONTHEACCURACYANALYSISOFBALANCINGCORRECTIONSYSTEMANDPROPOSITIONOFRESOLUTIONMETHODS,FOUNDEDONTHEACCURACYCONTROLOFBALANCEMEASUREMENTSYSTEMWHICHHASBEENDISCUSSEDINNUMEROUSLITERATURESFIRSTLY,RELATIVEIMPORTANCEANDCONTROLDIFFICULTIESOFVARIOUSFACTORSWHICHIMPACTONCORRECTIONACCURACYAREANALYZEDINDETAILTHEWORKREACHESRESULTSTHATDEPTHDISPERSIONOFSIDECUTANDCHAMFEREDCORNERLENGTHTOLERANCEOFMILLINGCUTTERTOOLNOSEARETHEMAINFACTORS,ASWELLASPHASEERRORANDPLACEDEVIATIONOFCORRECTIONPLANEKEYWORDSDYNAMICBALANCING,AUTOMATEDBALANCINGMACHINE,MILLINGDOSA目录1绪论111课题背景及目的112国内外研究状况113课题研究内容及要求32转子的动平衡原理421转子产生不平衡的原因及其危害422不平衡的种类6221静不平衡6222力偶不平衡6223动不平衡6224准静不平衡723刚性转子的动平衡原理724挠性转子的动平衡原理825校正理论研究9251全自动平衡机系统的组成9252全自动平衡机系统的控制流程10253R型铣削模型113全自动动平衡机的系统构架1331平衡机的分类1332系统构架14321平衡机14322去重机15323控制系统154全自动动平衡机的机械结构设计1641平衡机的传动1642平衡机驱动方式1643平衡机的支撑方式1744伺服电机的选择与校核1745主轴的结构设计1946轴承的选择205全自动动平衡机的测量理论研究2151测量原理21511直流分量22512基波分量23513谐波分量24514异频分量和噪声2452动不平衡量的测量数学模型2553数字信号处理方法27531干扰信号分类27532不平衡量提取方法28533数字滤波方法296全自动动平衡机的测试系统设计3861测量系统的组成3862系统部分硬件39621振动传感器39622参考信号测量传感器41623电荷放大器43624增益控制45625中心频率跟踪的窄带滤波器设计45626压电信号调理电路设计51627数据采集卡51628程控放大电路的设计527总结与展望54致谢56参考文献571绪论11课题背景及目的转子由于设计、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90是转子不平衡力，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。动平衡是旋转类产品生产、制造过程中必须解决的一个基本共性问题，其优劣程度直接决定着产品的工作性能、使用寿命以及产品质量等。而且，产品的动平衡测量及校正往往处于产品零件生产工序的末端，此前已经过初步铸造到最终成形等多道复杂工序，其平衡性能和工作效率等指标将直接影响到产品的最终质量评定、总体生产效率以及企业的成本控制。由于目前国内外生产的全自动平衡机，通过软硬件的改进，在信号采集、滤波等处理上提升性能，以提高测量系统及整机精度的研究颇多；此项研究偏重于去重校正系统部分的研究，力图通过样机实际生产制造的细节，提出一些理论观点和实践经验，供全自动动动平衡测试设备生产研究相关人员讨论参考，促进我国全自动平衡机的推广和应用。12国内外研究状况平衡机发展迄今已经有一百多年的历史。1870年，加拿大人HENRYMARTINSON申请了平衡技术的专利，拉开了平衡校正产业的序幕。1907年，FRANZLAWACZEK博士把改良的平衡技术传入德国，经过HEYNAN的改进才应用于工业，1915年，第一台双面平衡机面世。直到上世纪末40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。传统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、质量不稳定和加工成本高。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，出现了包括土料、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向。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。其中德国的申克公司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衡领域内也是独占鳌头。日本的电测平衡机于1950年开始正式制造。其中国际计测器株式会社简称KOKUSAI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。国内外动平衡理论及设备的研究始于1958年，与国外相比有较大的差距，经过几十年的努力，也取得了可喜的成就，不仅在刚性和挠性转子平衡理论与方法上，作了大量研究，而且还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，精度在102微米数量级的高精度平衡机和特殊要求的人造卫星、导弹专用平衡机都能自己研制生产，目前国内在动平衡领域从事研究，并形成实力的有华中科技大学、北京航空航天大学、上海交通大学、第一汽车制造厂、清华大学、南京航空航天大学、长春试验机研究所等，而生产动平衡机的厂家也很多，产品种类也比较齐全，测量系统多是瓦特表式，而少数公司也采用单片机或微机测量系统，其中规模比较大的企业有上海申克试验机有限公司、上海高桥试验机有限公司、河北宣化试验机厂、湖北孝感试验机厂以及山东济南试验机厂等。在当今随着科技的迅猛发展，人们生活的节奏的不断加快，计算机技术的日新月异，人们对机器设备精度要求的不断提高，转子的动平衡问题必将引起人们的广泛关注，也必将得以进一步的发展。113课题研究内容及要求本文综合考虑国内外全自动平衡机以及自动化程度，针对根据市场需求，以单面立式硬支撑型飞轮平衡机为研究对象，为其设计自动测量系统，实现平衡量的自动测量。测量系统，其主要功能是对来自传感器的不平衡信号进行处理，滤除无用的直流分量、各次谐波分量、异频分量和各种干扰噪声，取出有用的不平衡基波分量，并进行运算，最终指示出校正面上的不平衡量的大小和方位2,3。因此，测量性能的好坏直接影响整机最小可达剩余不平衡量和不平衡量减低率这两项主要性能指标。对测量系统的基本要求是，根据所规定的平衡精度，要有充分的灵敏度和精确度，在长期使用中要足够稳定。2转子的动平衡原理机器中绕轴线旋转的零部件，称为机器的转子。如果一个转子的质量分布均匀，制造和安装都合格，则运转是平稳的。理想情况下，其对轴承的压力，除重力之外别无其他的力，即与转子不旋转时一样，只有静压力。这种旋转与不旋转时对轴承都只有静压力的转子，称为平衡的转子。如果转子在旋转时对轴承除有静压力外还附加有动压力，则称之为不平衡的转子。转子如果是不平衡的，附加动压力将通过轴承传达到机器上，引起整个机器的振动，产生噪音，加速轴承的磨损，降低机器的寿命，甚至使机器控制失灵，发生严重事故4,5。现代机器正向高速、高效率、高精度和大型化发展，创造舒适的工作条件、抑制噪声、节约能源都已提到日程上来。因此，限制和减小各种机器的振动就愈加显得重要。21转子产生不平衡的原因及其危害转子产生不平衡的原因是很多的，但大致可以归纳为以下几种基本原因1、转子结构的不对称平常我们也可以看到，不同旋转机器的结构是不同的，有很多旋转部件的结构是不对称的，其中最典型的例子是曲轴。随着发动机气缸排列方式的不同，发动机气缸工作顺序的不同，以及气缸数目的不同，设计人员设计方案的不同，曲轴的结构是多种多样的；曲轴结构上的不对称，是有其工作特点所决定的，因此，设计上要求必须为曲轴设计配重，出厂前还必须对每根曲轴做平衡试验，剩余不平衡量只有满足一定的要求方可投入使用。2、原材料或毛坯的缺陷由于材料的缺陷，引起转子的不平衡而导致零部件的失效是机械工程中经常遇到的现象。例如原材料密度不均匀，铸造毛坯有气孔、砂眼、缩孔和组织疏松等缺陷；锻件有重皮和夹杂物，焊接结构的焊缝不均匀等，都会引起转子的不平衡或零件的失效。3、转子加工和装配有误差如果转子在加工或装配过程中存在误差，也就改变了转子绕轴线的质量分布，也就破坏了转子的不平衡状态。例如转子与轴颈轴线的不同轴；装配时径向间隙不均匀或不同轴；联接螺钉拧紧程度不同或由于热压配合和焊接所引起的挠曲变形等，都会引起转子的不平衡。4、机器在运转过程中所产生的不平衡例如砂轮、泵、螺旋桨推进器、离心机分离钵等工作时的不均匀磨损；由于运转过程中温度变化而产生的变形，由于机器运转过程中离心力所引起的零部件的微小移动或弹性变形等，也都会破坏转子原来的平衡状态6。5、机器在维修过程中产生的不平衡不同行业的机械部门有不同的标准，在不同环境条件下，工作机械还有不同的精度要求，维修部门一般设备落后，技术力量差，在维修过程中排除了主要故障的同时，却引发出潜在的隐患的现象也是常见的，特别是对于转子的动平衡是人眼观察不到，手也感觉不到的，必须通过动平衡试验才能定结论，这些也是容易被人们忽视的原因之一。在汽车维修行业中，由于发动机曲轴动不平衡过大，而使飞轮壳碎裂报废数个却使一些维修人员找不到原因的现象，也不是罕见的7；原因是上次维修过程中传动系组件装配中出现了错误操作。若将曲轴飞轮组件进一步平衡，问题就解决了。因此，随着机械运转速度的不断提高，转子的平衡问题，必须引起足够的重视。在多数情况下，机械振动是有害的，其危害性主要有（1）、使机器支撑受到动载荷的作用，影响支撑的正常工作。（2）、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早损坏。（3）、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工作。（4）、产生噪音，影响工作人员的身心健康。如果转子转速与转子轴系的固有频率相同或接近时，机器就会发生共振。出现共振时，振幅迅速增大，机组将产生剧烈振动以至损坏。据报导，在1972年6月，日本关西海南电厂一台600MW的汽轮机组在试车时，因振功过大而造成飞车，致使机组全部损坏8。当然，还有些其它原因也会引起机器振功，例如大型汽轮发电机组的转子还会由于油膜振荡、间隙振荡等原因引起振动。但据统计概率来看，由于转子质量分布不均匀引起的扳动约占7080。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。22不平衡的种类转子的不平衡可以作如下理解当转子的中心主惯性轴线惯量主轴与旋转轴线不重合时，我们就说转子上存在不平衡。转子的不平衡具有四种基本类型静不平衡、力偶不平衡、动不平衡和准静不平衡8。221静不平衡在转子存在静不平衡时，不平衡只是作用在转子的重心所在的径向平面上。静不平衡具有以下几个特点1、只要当转子的中心主惯性轴线相对于旋转轴线平行位移时，转子上就会存在静不平衡。2、转子存在静不平衡时，其旋转轴线与中心主惯性轴线是平行的。3、在转子仅存在静不平衡的情况下，当其旋转时，在转子上只存在通过重心的不平衡质量所产生的离心力，静不平衡力。而不平衡离心力偶为零。4、若转子对于轴承是左右对称的，则当转子旋转时，静不平衡力作用在两轴承上的力是大小相等、方向相反，称为对称作用力。5、静不平衡在静止状态时可以观察到，并可在重心平面内与不平衡量反方向上加一单个重物进行校正。在宇航领域内，静不平衡常指重心偏移。历史上，这种静不平衡最早被觉察到。由于可以将转子轴颈处在刀口上，不平衡点将移到部，这时即可用静止方法观察到，故用了“静不平衡”一词9。222力偶不平衡力偶不平衡也称力矩不平衡。在转子的中心主惯性轴相对于旋转轴线有一角位移、并与轴线相交于重心时存在的不平衡称为转子的力偶不平衡。通常可用两个互为180、相距一定距离、且大小相等的不平衡质量来表示。宇航领域中常称为“惯性积”。力偶不平衡在静止状态下无法观察到，只有在转子旋转时才能观察，这时转子上加有摇摆型振动，中心主惯性轴线相对于旋转轴线是以锥形轨迹运动10。223动不平衡动不平衡为力偶不平衡和静不平衡的复合，中心主惯性轴与旋转轴线既不平行也不重合是动不平衡中最常见的情况。所以，动不平衡的特点是1不平衡离心力不等于零；2不平衡离心力偶也不等于零。动不平衡需要在垂直于轴线的两个平面内校正，必要时也可将力偶不平衡和静不平衡分开进行校正。224准静不平衡准静不平衡是用于描述由于不位于重心平面内的、以单一不平衡质量为代表的不平衡。因为中心主惯性轴线与旋转轴线交点不在重心上，所以准静不平衡是静不平衡与力偶不平衡复合的特例。若已知准静不平衡的精确平面，则可用单个校正质量在这平面内校正，否则需要像动不平衡那样在两个平面内进行校正。23刚性转子的动平衡原理在平衡技术中，刚性转子是指转子是刚性的，即在重力和因质量不平衡所产生的不平衡离心力作用下转轴的变形可以忽略，且平衡状态并不改变或只作稍微改变的转子。当然，绝对刚性的转子是不存在的，只有当工作转速远低于转子的第一临界转速时，由于不平衡离心力使转子产生的变形很小，以至可以忽略不计，习惯上，对这样的转子就可以认为是刚性转子。在平衡实践中，有些转子的工作转速很低，如人造卫星的自旋速度等。在这种情况下，由不平衡质量所产生的不平衡离心力不大，这时也往往是把这类转子作为刚性转子进行处理。其动平衡原理如下1、不管转子的初始不平衡是如何分布的，总可以在预选的两校正平面内进行平衡校正。因为转子上的不平衡重量与所加的平衡重量在旋转时所产生的离心力都与转速的平方成正比，因此刚性转子的平衡与转速无关。在某一转速下平衡好的刚性转子，其剩余不平衡量的值在其它转速、以至最高工作转速下，也不会显著地超过其允许的剩余不平衡量。2转子的不平衡由静不平衡和动不平衡组成，两者可分别进行校正。但若转子的初始不平衡量不大，由初始不平衡所产生的离心力在平衡机的容限范围内时，根据静、动不平衡的特点，就可以直接对转子作动不平衡校正，而无需事先对转子作静平衡。这是因为静止平衡好的转子，转动时仍可能不平衡，面在转动时平衡好的转子，在静止时一定是平衡的。刚性转子的动平衡原理较为简单，但它是转子动平衡的基础，在熟悉刚性转子的动平衡原理后，其它类型的转子的动平衡也就不难掌握。24挠性转子的动平衡原理在平衡技术中，把凡是不符合刚性转子定义的转子，统称为挠性转子。具体地讲，对于工作转速接近或高于转子自身的第一临界转速，这时的转子都应称为挠性转子。例如套装式叶轮的汽轮机转子、大多数发电机转子。特别是随着近代机械工业的发展，出现了一些长径比很大的转子，如大型化工设备中的某些转子、燃汽轮转子等，这些转子的临界转速很低，但工作转速很高，因此部有可能在高于二阶或三阶临界转速下工作。在这种工作状态下，转子已呈现挠曲状，因此，这时若再如刚性转子那样，平衡时不考虑转子的挠曲变形，那末平衡后往往就得不到预期的效果，而且有时还会出现愈平衡情况愈糟。挠性转子的动平衡原理简述如下1、失衡挠性转子的动挠度随转速的变化而变化。因此，挠性转子不仅要求在工作转速下平衡，而且要在整个转速范围内都应进行动平衡校验。2、在接近临界转速时，挠性转子轴线上各点同时出现最大挠度时所形成的弹性曲线可近似地视为转子在这一临界转速时振动的振型。振型可用函数的形式表示，且振型函数具有正交性。因此，挠性转子平衡时可以按振型逐阶地进行。如果逐阶平衡好了，这时转子在整个工作转速范围内也就平衡了。3、挠性转子上平衡配重块的加置，不但应使轴承处的动反力为零，而且还应使转子所受的挠矩为零或最小，这样转子所产生的挠曲变形为零或最小，使得因挠曲产生的附加不平衡离心力为零或最小。因此，就不能像刚性转子那样只在两个校正面内加置。这时，只有根据起始不平衡量的轴向位置和大小，在其所在的轴向平面上对侧位置处加上平衡配重，就可以不使转子产生挠曲变形，转子也达到平衡。4、由于不平衡离心力所引起的转子振动必然会引起轴承的振动。因此为了使问题简化，实际测量时可以用通过检测轴承处的振动来推估转子上的不平衡状况。此外，在挠性转子的平衡工艺中，特别是在平衡大容量的汽轮机组时，可以将每个转子在安装L2级叶轮后先在低速下进行平衡校正，使转子的挠矩减至最小。装好叶轮后再对每个转子进行高速平衡校正，这样用每个平衡好的转子组装后的汽轮机组一般就不需再进行现场平衡轴系平衡11。25校正理论研究251全自动平衡机系统的组成本课题研制的全自动平衡机系统采用R型铣削去重,系统由平衡机本体、测控系统、上位机三大部分构成，如图所示。图21系统组成图全自动动平衡机本体包括机械本体、动力部分伺服电机、执行机构含三个步进电机及检测传感装置,主要功能是实现工件自动动平衡检测加工所需的支承、驱动、动作及检测等测控系统由测量控制卡、步进电机控制卡及系统动作协调控制卡、PLC等构成,主要完成不平衡信号的采集与整理、工件不平衡量幅值和相位提取、工件旋转速度的调节和控制以及与上位机的数据通讯等功能上位机负责整个系统运行的协调、管理和维护工作鉴于平衡机工作场所电磁环境恶劣,上位机采用工控机,并与测控系统中的PLC共同放置于一个综合控制机柜中。上位机一方面要接收各控制卡上传的数据,另一方面将设定参数、分析处理的结果传送给相应控制卡。主要功能包括工件标定、误差分析与补偿、平衡参数智能分析、故障诊断、控制协调及用户界面等,上位机与各控制卡的通讯采用RS232串行总线。252全自动平衡机系统的控制流程对全自动平衡机的工作过程实施控制,主要是对工件转子不平衡量的测量及校正两个阶段实施控制,达到全自动实现的目的。控制过程的流程图见图2。其中,测量夹具夹/松操作、旋转夹具夹/松操作、铣刀转/停操作均由PLC控制,而负责工件旋转、进给的两个步进电机和负责带动铣刀快进/退、工进/退的步进电机的控制信号则由步进电机控制卡给出。由图22可以看出,全自动平衡机的工作过程主要包含两个步骤1不平衡量测量,信号处理,判断工件是否合格,是则打印测试报告并结束,否则进行步骤22按控制策略去重,并转步骤1,检测工件是否已达标。在步骤1中工件的转速、旋转持续时间是本步骤控制的重点。因为工件的转速会影响不平衡量的测量精度及旋转持续时间在加速度一定的情况下,旋转持续时间决定了流水线的吞吐率。在工件加速旋转过程中,分析测量信号,一旦测量信号稳定若干周期即停止旋转,并在减速过程中并行执行其他控制动作的方法,经实践检验是一个合理可行的控制方法。在步骤2中,建立去重模型是关键,决定了去重时间能否一次完成和精度。各工步间的配合、优化也是控制策略必须考虑的问题。另外,不同类工件进行动平衡前,标定操作也是控制过程的一个重要环节各工步的并行安排、优化配合是提高系统效率、节能降耗的保证。图22控制流程图253R型铣削模型R型铣削由于去除不平衡量大、定位容易等优点,在全自动平衡机中应用最广泛。R型铣削去重模型示意图如图23。不平衡量通常的表示方法为“克毫米”,是一个矢量,指转子校正平面一个点上的质量与该点到转子轴心距离的乘积。由于去重质量为在圆周、径向的分布,显然采用去重质量乘以其质心到转子轴心距离会有较大的误差,实际上应是去重面上各点不平衡矢量的积分。同时考虑转子圆周上其他因素的影响如沟槽面的不规整度、表面的粗燥度等,去掉的不平衡量不可能是一个标准的拱形条块,本系统采用的去重模型可表示为WK1HX2,式中,K表示调整系数表示转子去重部分的密度L表示铣削长度H表示铣削深度表示去重圆心角2ARCSIND2R,D为铣刀厚度X表示不平衡量的矢量半径,考虑径向分布的影响XRH/2分析去重模型可以得出,铣削去重可按进给控制方式不同分为控制铣削深度和控制铣削长度两种加工方法,实际应用过程中可根据工件具体要求做出选择,并由软件实施相应控制策略。如果第一次去重操作未能使工件动平衡达标,第二次乃至第三次的去重模型要更复杂。图23R型铣削模型图3全自动动平衡机的系统构架本文针对根据市场需求，以单面立式硬支撑型飞轮平衡机为研究对象，为其设计自动测量系统，实现平衡量的自动测量与校正。根据现有资料，对其系统构架与机械结构进行了进一步的修改与完善，本章将对其进行详细论述。31平衡机的分类平衡机是用于测定转子不平衡的机器。按其测量结果进行使正，以改善被平衡转子的质量分市，使转子运转时轴颈的振动或作用于轴承的力减小到规定的范围内。平衡机的主要功能是测量，有时还附有校正装置，以提高效率。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，目前国内外都没有统一的分类方法。但是如同转子的不平衡一般分为静不平衡和动不平衡一样，平衡机也相应地分为静平衡机和动平衡机两大类。不言而喻，静平衡机是用于测量转子的静不平衡，而动平衡机是用于测量转子的动不平衡，并且也可用于测量转子的静不平衡或偶不平衡的特殊情况。按照不平衡量测量原理，平衡机又分为重力式平衡机和离心力式平衡机两类。重力式平衡机是在转子不旋转状态下，依靠转子重力矩作用测量转子静不平衡的平衡机；而离心力式平衡机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撑系统的振动或支撑所受的动载荷确定转子不平衡的平衡机。重力式平衡机又可分为滚动式和天平式两种12。习惯上所说的动平衡机系指离心力式双面平衡机而言。离心力式平衡机按其结构和技术特点还有如下一些习惯分类方法按平衡机转子支撑系统的力学特性分类有软支撑平衡机和硬支撑平衡机。软支撑平衡机系指平衡转速高于转子支撑系统固有频率的平衡机；而硬支承平衡机系指平衡转速低于转子支撑系统固有频率的平衡机13。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。卧式平衡机系指在平衡机上转子的轴线为水平状态的平衡机；而立式平衡机系指在平衡机上转子的轴线为竖立状态的平衡机。按平衡机用途分类有通用平衡机，专用平衡机，质量定心机和现场平衡仪。通用平衡机系指在平衡机规定的转子重量范围内，能平衡形状；尺寸不同的多种转子的平衡机；而专用平衡机是指在平衡机规定的转子重量范围内，只能平衡单一种类转子的平衡机；质量定心机是在转子毛坯阶段改变转子质量分布使转子的轴线尽量与中心主惯性轴一致，从而减小转子的初始不平衡量的机器；现场平衡仪是在现场用于对已安装好的整机或机组进行平衡测试的仪器。由于几乎所有的测振仪均可用于现场平衡，所以现场平衡仪一般系指专门用于现场平衡的，可同时测量振幅与相位的仪器，而不包括可用于现场平衡的其他测量仪器。按所平衡转子的力学特性分类，有刚性转子平衡机和柔性转子平衡机即通常所说的高速平衡机。按测量方法，电路特点和不平衡量显示装置等分类，有机械式平衡机、电子式平衡机、闪光式平衡机、相敏检波式平衡机和瓦特表式平衡机等。32系统构架321平衡机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仅要检测不平衡量，而且还要具备自动定位的功能，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。从支撑方式上划分，平衡机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子的工作转速频率；而硬支撑平衡机则是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，本文采用了硬支撑方式的平衡机，即硬支撑平衡机。支撑部分包括支撑架、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。支撑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伺服电机、皮带及皮带轮等。选用伺服电机的原因是伺服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14/15。322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002MM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。为了保证驱动与定位的可靠性与准确性，丝杠的驱动是利用伺服电机。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。323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间的相互依赖性，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PLC作为整个机器的核心控制器。PLC将控制平衡机、振动采样模块和移动工作台，进行协调的工作。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，主控制器放弃廉价的单片机，而选用性能上更加可靠成熟的PLC。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，同行的稳定性打下了基础。4全自动动平衡机的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。41平衡机的传动平衡机的传动问题，应考虑传递功率及变换转速两方面。由于被平衡工件重量有一个变化范围，通常最重工件重量为最轻工件的10100倍，因此平衡转速通常应有两种以上。考虑到平衡测量灵敏度随平衡转速增高而增高，较轻的转子要求较高的测量灵敏度。又考虑到转子重量越大，要求驱动转矩也越大。当电动机功率一定时，驱动转矩与转速成反比。因此，当被平衡工件重量轻时，应采用高的平衡转速；工件重时则应采用低平衡转速。故在本设计中采用伺服电动机控制转速。本设计采用同步齿形带传动。同步齿形带是内周带齿的聚氨酯胶带，它比一般的三角胶带柔软得多，因而对平衡机的干扰很小。由于通过齿啮合传功，故有严格不变的传动比，绝无一般带传动的打滑现象。缺点是带轮加工及中心距要求较高，传递功率不太大。还应强调指出，所有传动件的设计中，都应对旋转零部件的平衡精度提出适当的要求。特别是对转速与平衡转速接近的零部件，平衡精度应要求高些。这样才能尽量减小平衡机的干扰，提高平衡机的平衡精度。42平衡机驱动方式这里所说的驱动方式，系指使被平衡工件以给定的平衡转速转动的方式。此时，驱动件或驱动力矩与被驱动件工件有直接联系。驱动方式主要有联轴节驱动、圈带驱功、滚轮摩擦驱动、压缩空气驱动、电磁驱动以及自驱动。前三种属机械驱动方式，后三种属非机械驱动方式。联轴节驱动是应用最广的一种驱动方式，从重量100克到数百吨的工件，都可采用这种方式驱动。尤其是重量500公斤以上的转子。因需要大的驱动转矩，就必须用这种驱动方式。根据设计要求，设计中采用十字销联轴节加套轴。其结构特点是联轴节节叉两端为通常的虎克接头。在传动中十字销将受很大载荷必须有足够的强度。为避免叉形体的离心力局部过大，使它受力比较均匀，各方向强度大致相等。有时将叉形体制成环形，这种联轴节可传递较大的转矩，还具有装配时容易调节联轴节本身同心等优点，因而常用于较重工件的驱动。此外，生产上要求平衡精度高时，联轴节就应设计得轻巧些，同时要保证工件按预定的时间启动和停车。在大批量生产中，要求联轴节使用寿命长，性能稳定。在对平衡精度要求不太高的情况下，联轴节设计应保证有足够的强度裕度，同时还应便于操作。43平衡机的支撑方式立式平衡机的支撑系统结构形式随着机型不同，其结构也不一样，但基本都由转子联接盘或称工作台，旋转主轴和弹簧支撑元件组成。动平衡机的支承系统除上述几个主要元件支撑元件、支撑架、弹性元件，摆架座外还有摆架锁紧机构；托架高度调整机构；保持架和摆架移动机构等。动平衡机支撑系统动力特性，元件的设计制造和装配精度好坏直接关系到平衡机的性能和精度。因此，支撑系统元件结构形式选择，设计计算、加工制造和安装，以至于使用和维护都是很重要的。单面立式硬支撑型飞轮平衡机主要采用弹性元件。弹件元件是平衡机支撑系统的主要元件，转子支撑系统的力学特性主要是由弹性元件的刚度和系统参振质量主要是转子质量及其分布决定的。平衡机支撑系统的弹性元件一般有两种主要结构形式。一种是弹簧杆，另一种是弹簧板或弹簧片。弹性元件的弹性，线性和稳定性好坏都与平衡机的性能有直接关系，因此，无论是设计，创造和使用平衡机时都应特别注意。在使用平衡机时，特别是安放转子时，不应使弹件元件受到激烈冲击，避免弹性元件受到损伤。44伺服电机的选择与校核步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。1、控制精度不同两相混合式步进电机步距角一般为36、18，五相混合式步进电机步距角一般为072、036。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为009；德国百格拉公司（BERGERLAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为18、09、072、036、018、009、0072、0036，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360/100000036。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360/131072989秒。是步距角为18的步进电机的脉冲当量的1/655。2、低频特性不同步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。3、矩频特性不同步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。4、过载能力不同步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。5、运行性能不同步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。6、速度响应性能不同步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，可用于要求快速启停的控制场合。综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以主轴电机选用4KW步进电机，涡轮蜗杆选用400W交流伺服电机。45主轴的结构设计已知电动机功率P4KW，转速N11450R/MIN模M2，Z117，Z2231求轴上的功率P3、转速N3和转矩T3若取每级齿轮传动的效率1097，带传动效率2098则P3P1224X0972X098KW369KWN3N1/I1450X（17/23）R/MIN10717R/MINT39550000X（P3/N3）9550000X369/10717NMM328819NMM2求作用在涡轮上的力D2MZ22X23MM46MMFT2T3/D22X328819/46N14296N3初步确定轴的最小直径选取轴的材料为45钢，调质处理。据机械设计表153，取A0112，于是得DMINA0（P3/N3）1/3112X（369/10717）1/3MM169MM轴的最小直径显然是安装带轮处的轴的直径DA。4轴的结构设计取DA45MM，由于此处要安装带轮和固定螺母，所以取LA98MM；由于带轮要固定，所以应在轴上带轮处设一轴肩取DB48MM，LB43MM；过此处要安装轴承，故取DC50MM，LC22MM；为固定轴承要设一轴肩，故取DD54MM，LD166MM；下处要安装轴承，故取DE55MM，LE23MM；为固定轴承设一轴肩取DF60MM，LF261MM；在轴的最上端设一轴台取DG130MM，LG12MM。轴的结构图如附表一所示。46轴承的选择直径50MM的轴承的选择，此处轴承选用角接触球轴承，型号为7210C。直径55MM的轴承的选择，此处轴承选用角接触球轴承，型号为7211C。直径80MM的轴承的选择（一），此处轴承选用圆锥滚子轴承，型号为30216。直径80MM的轴承的选择（二），此处轴承选用深沟球轴承，型号为6216。5全自动动平衡机的测量理论研究动平衡机要正常运行，一方面需要支持的机械结构，另一方面需要测试系统完成其他工作，本章将对全自动动平衡机的测量理论研究。51测量原理回转物体上的不平衡量所产生的离心力使得平衡机作有规则的振动，振动的物理量如位移、速度或加速度经相应的传感器位移、速度或加速度传感器转换成电量形式输出16。这里，假设传感器的输出信号为（502SINSININIETETETNT1）式中传感器输出的直流分量；0基波分量，即待测得不平衡信号；SINET不平衡信号的幅值；不平衡信号的起始相角；相应工作转速下的角频率；传感器输出的各次谐波分量；2SININIET随机信号，包括各种异频分量和噪声。T测量系统的任务是要抑制直流分量、谐波分量、异频分量和各种噪声项，找出不平衡信号的基波幅位和起始相角。E通常双校正面平衡机有两个传感器，所以式（51）表达式就有两个。当然其值不可能相同，但信号的表达形式及滤波方式都相同。因此，在此就仅以其中的一路信号进行分析。设为待测得不平衡信号，运用三角公式可把公式写成SINYTETCOISINCOSTTET（52）RESINIMCOTT式中同相分量，即信号的实部；SE正交分量，即信号的虚部。IMSINE所以只需测得以上两个分量，就可以得到基波的幅值和相位（53）22REIME（54）1ETG为了完成上述运算，通常在测量系统中需要设置另外两路基准信号。一路是基准的正弦信号，它的数学表达式为（55）SINXRETET另一路是基准的余弦信号，它的数学表达式为（56）COSYRTT（55）、（56）式中的为两路基准信号的幅值。在平衡机中，两路基准信号RE常由基准电压发电机工厂成品件或电子数字电路产生。将这两路基准信号分别与传感器的输朗信号相乘，然后在基波的整数周期ET长时间内积分并求平均值，这样即可得到基波分量的实部和虚部，而抑制其它所有分量。这种利用有用信号和噪声干扰对某相干无噪参考信号在互相关函数上的差异来分离信噪的滤波方法，通常称为相关滤波17。以上所述也可用下面的数学表达式表示（501SINRNTETETD7）（501COSRNTETETD8）上两式中的基波信号周期；积分周期，为正整数。1/TFN如前所述，传感器输出不平衡信号中包括直流分量、基波分量、谐波分量、ET异频分量和噪声。根据积分运算，基准信号可以分别与它们相乘，再在整周期数内积分、并求平均值后相加，其结果便可完成57和58两式的运算。511直流分量对直流分量而言，因为0E001SIN0RNTETD00COSRNTT所以直流分量与、两路基准信号之间的相关函数，0ESINRTSRET在整周期数内积分的平均值为零。512基波分量对基波分量，争先基准信号与其相乘，并在整周期数SINETSINRET内积分的平均值为01RESINIMCOSSINXRNTETTETD200ESIICSIRNTNTTDTT因为0COSIN0NTTTD所以20RESINRXNTETD01COS22RNTTRERENT1E2R（59）1COS2RE同样，另一路余弦基准信号与基波分量相乘，并在整周期数内积分SRT的平均