动平衡机自动化校正系统设计 毕业设计.doc

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1、动平衡机自动化校正系统设计 摘 要如今动平衡技术已经非常成熟，但是传统的动平衡机只能完成转子的动平衡测试，而很多情况下转子的动平衡校正还是由人工完成，所以生产效率比较低。为适应现代企业高效率的生产要求，动平衡测试与自动校正一体机已成为必然趋势和主流。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，

2、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。如何实现转子的全自动动平衡校正是本文研究的重点。为此，文章研究探讨了转子的校正策略，结合转子的实际外形并考虑到校正过程的操作简便性，本系统采用在转子的端面钻孔去重的校正方法。在此基础上分析了各种情况下进刀量和不平衡质量大小的关系，并建立了去重数学模型。随后针对校正过程中存

3、在的误差进行了理论分析。在控制系统的研究中，文章对系统的总体结构和总体方案进行了设计。伺服技术是系统实现去重自动化并保证校正精度的关键。文章对主轴伺服和进给伺服的关键技术也进行了详细的研究。包括主轴伺服的调速原理和定向控制，脉冲比较进给伺服的原理，关键电路的设计与分析。并对交流伺服系统中的电子齿轮进行了研究。 另外，对去重系统软件的流程进行了设计。关键词 动平衡，全自动平衡机，铣削用量Automatic dynamic balance correction machine design AbstractNowadays, Dynamic balancing technology has bee

4、n well established, but the function of the traditional balancing machines is limited to rotors unbalancing test. In many cases, the rotors balance adjustment is still done by hand, so the productivity is relatively low. This thesis comprehensively considered relative merits of diversiform balancing

5、 machines of different automatic level at home and abroad, and developed one double working-position type of automated dynamic balancing, which applies to micro-midi electric machine rotors R-milling balance correction.To assure system accuracy, the writer focuses on the accuracy analysis of balanci

6、ng correction system and proposition of resolution methods, founded on the accuracy control of balance measurement system which has been discussed in numerous literatures.Firstly, relative importance and control difficulties of various factors which impact on correction accuracy are analyzed in deta

7、il. The work reaches results that depth dispersion of side-cut and chamfered corner length tolerance of milling cutter tool nose are the main factors, as well as phase error and place deviation of correction plane.Then the relationship between feed volume and unbalance quality is analyzed, on the ba

8、sis of which the de-weighting mathematical model is established. Besides, the possible amending error is theoretically analyzed.For the research of the controlling system, the skeleton of the mechanical configuration and the controlling formula are firstly introduced. Servo system is a key technolog

9、y to the realization of automatic de-weighting and to ensure the correcting precision. So, the key technology of servo system is also researched in this paper, including spindle servo and feeding servo system. For the spindle servo system, the focus is on the research of the speed adjusting principl

10、e and the method of position controlling. For the feeding servo system, the principle of pulse comparison is firstly introduced, then some key circuits are designed and analyzed. Besides, the electronic gear used in the AC servo system is also researched. For the software, the de-weighting procedure

11、 is designed.Keywords: Dynamic Balancing, Automated Balancing Machine, Milling Dosa目 录1 绪论11.1课题背景及目的11.2国内外研究状况11.3课题研究内容及要求32 转子的动平衡原理52.1转子产生不平衡的原因及其危害52.2不平衡的种类72.3刚性转子的动平衡原理72.4挠性转子的动平衡原理72.5校正理论研究8 2.5.1 校正方法简介.82.5.2全自动平衡机系统的组成92.5.3 全自动平衡机系统的控制流程102.5.4 R型铣削模型103 全自动动平衡机的系统构架133.1平衡机的分类133.2

12、系统构架143.2.1平衡机143.2.2去重机153.2.3控制系统154 全自动动平衡机的测量理论研究164.1测量原理164.1.1直流分量184.1.2基波分量184.1.3谐波分量194.1.4异频分量和噪声194.2动不平衡量的测量数学模型214.3数字信号处理方法224.3.1干扰信号分类224.3.2不平衡量提取方法234.3.3数字滤波方法245 全自动动平衡机的测试系统设计335.1测量系统的组成335.2系统部分硬件345.2.1振动传感器345.2.2参考信号测量传感器365.2.3电荷放大器385.2.4增益控制405.2.5中心频率跟踪的窄带滤波器设计405.2.6

13、压电信号调理电路设计465.2.7数据采集卡465.2.8程控放大电路的设计476 总结与展望49致 谢51参考文献521 绪论1.1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。

14、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

15、平衡机的推广和应用。1.2国内外研究状况动平衡的测量离不开动平衡机，动平衡机是动平衡技术的重要组成部分。世界上第一台动平衡机的出现迄今已经有一百多年的历史了。在上个世纪四十年代以前，转子的不平衡量的测量主要是在纯机械的设备上来完成的，不平衡量的测量没有什么精度可言，由于机械测量原理的限制，只能一种观测估算的方法。相位的测量一般采用的仪器主要是千分表，不平衡相位的判断是利用机械系统谐振增加灵敏度完成的。动平衡机技术的真正变革性的发展主要得益于电子和信息技术的迅速发展。到上世纪五十年代的时候，绝大多数的平衡设备的测试系统都利用了电子测量技术，平面分离电路有效地消除了左右面的相互影响，由电机拖动的“

16、标准转子”大大提高了调整平衡机的效率12。在这期间，一些通用的平衡机逐渐形成了系列化产品，与此同时，一些工业发达的国家开始逐渐发展测量与校正装置组合为一体的平衡机，除此之外，供大批量生产用的（如汽车曲轴，电机转子）平衡自动线也开始发展，这个时期，测量方式仍在不断改进。到了二十世纪七十年代，平衡机的发展出现了一次大的飞跃，主要标志是此时出现了硬支撑平衡机。它克服了传统软支撑平衡机的缺陷（需要动态调整），只需要在静态下进行尺寸设定，这就是后来的永久标定式的平衡机。我国动平衡技术的发展起步比起发达国家晚得多，对动平衡机理论和设备进行研究开始于1958年华中工学院研制成功第一台DS-500型通用动平衡

17、机，它真正采用了电子测量技术1。从那时开始算起，我国的动平衡测量技术大概经历了以下几个阶段，50年代的闪光式动平衡机，此时技术以真空管构成的RC带通滤波器为特征，到60年代出现了电子管式动平衡机，它的核心是晶体管，70年代发展了瓦特表式动平衡机，它的核心是集成电路，80年代出现了的动平衡机内包含了电子解算电路。几十年来我国的动平衡机技术虽然取得了较大的发展，但是和世界先进水平相比，无论在产品的种类上还是性能上都有着很大的差距。国内动平衡机的设计一部分是引进国外淘汰或者即将淘汰的型号，一部分灵敏度、频响特性都比较差的仿制或自行设计的产品，这些产品，大多存在很多共同的缺点如性能差、指示精度低、功能

18、单一等缺点。国内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、新方法的应用等问题。目前从事动平衡机的研制工作，并形成一定实力的有浙江大学、华中科技大学、北京航空航天大学、上海交通大学等高校，以及生产平衡机的上海申克试验机有限公司等厂家。现在计算机，数字技术，传感器技术已经广泛应用于动平衡机的数据采集和测量系统。随着转子平衡机理论的不断完善和实践技术日趋成熟，如今动平衡机的研究开发和制造水平都已经有了很大的提高。现代新型的动平衡机都是机电一体化成度极高的高科技产品。 目前国内动平衡校正系统存在的很多缺点和不足有体现在以下几个方面：第一，关于系统集成方面的技

19、术研究还相对较少，在国内对动平衡机系统集成方面的技术进行了研究的单位也只有浙江大学等少数几家单位，其他大多数企业和科研单位的研究还主要集中在动平衡称重的设备和方法上，因为在这些设备中不平衡量测量和系统的校正系统一体化的集成技术应用较少，也就是说大部分没有和数控加工设备联机的功能。第二，理论分析与应用脱节。虽然部分单元技术方面如不平衡量的测量方法和在转子动力学等方面在我国的研究非常活跃，而且也并取得了非常不错的成就。然而，尽管在实验和理论方面的研究同国外先进水平的差距已经不是很大，但是我们国家的水平与发达国家还存在一定的差距，这种差距主要体现在实际应用方面。 第三，去重加工技术及设备的研究开发相

20、对滞后。目前国内普遍采用的人工手动的方法进行转子动平衡去重加工，而测量和去重一体化的数控加工等技术的应用不多。另外一方面，目前国内大部分科研单位和企业对动平衡的研究多集中在如何提高测量精度方面，这些研究主要关注在软硬件的改进方面，比如设计精度更高的压电传感器、跟踪滤波电路和采用相敏检波电路等，从而在信号采集、滤波等方面取得了很大进步。而对于去重部分的问题，如去重策略，加工模型的建立和误差分析方面研究较少，致使难以达到较好的平衡效果。第四，在人机交互设计方面考虑往往太少，不够周全。1.3课题研究内容及要求转子的动平衡过程包括两个部分的内容，测量和校正。对于不同类型的转子，其不平衡量的测量和校正方

21、法是不一样的，有的转子偶不平衡很小，对转子的实际工作运行的影响可以忽略不计，这类转子只需要在一个平衡面内进行平衡校正即可满足实际应用的要求，这类转子的典型是如飞轮，砂轮，汽车离合器盘等薄盘形状的转子。这类转子的特点是最大外径远远大于轴向长度，通常外径是净长度的5倍以上。除此之外的转子动平衡通常必须在两个或多个校正面进行。如汽车发动机曲轴，电机的转子等。平衡校正的本质就是改善不平衡转子的质量分布，最终目的是为了使质量分布相对于实际旋转轴线变得均匀，使转子运转时的动平衡达到规定的要求范围。目前，常用的不平衡校正方法有：去重，加重，调整校正质量等。其中去重和加重是最常见也是最易于实现的方法。钻孔是最

22、常用的去重方法。常见的加重方法主要有：螺钉联接，焊接，喷镀金等。近些年来，随着科学技术的不断发展，现代平衡机的转子校正开始应用一些新工艺，新技术新方法，如激光去重，电解去重，熔镀法加重等新兴的工艺技术。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。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

23、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

24、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。2.1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

25、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、

26、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一3。在汽车维修行业中，由于发动机曲轴动不平衡

27、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

28、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。2.2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

29、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。2.3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4。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

30、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

31、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。2.4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

32、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4。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5。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

33、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

34、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。2.5校正理论研究2.5.1校正方法简介校正通常采用的方法有三种，质量定心法，加重法和去重法。1. 质量定心法质量定心法的基本原理是调整旋转轴线使其与中心主惯性轴尽量重合的方法，这种方法应用较少，只用于一些特定的场合或特定的阶段，例如可以用质量定心法来对转子进行预平衡。2. 加重法加重法就是在转子的平衡面的特定位置加上一定的配重使转子达到动平衡的方法，对于某些不便或者根本无法去重的转子通常采用加配重的方法。例如人造卫星，导弹等飞行器。再如，某些转子的平衡状态会随着工况变化，对于这样的转子进行配重校正有很大

35、的优点，那就是便于转子的再校正。加重法通常采用的工艺有焊接，铆接，螺钉连接等。3. 去重法 去重法是不平衡校正采用的最多的一种方法。去重法实施起来相对容易，而且有些转子必须采用去重法来校正，如涡轮机的一些转子，飞机的螺旋桨等。根据去重的方法，主要可以分为钻孔去重法，铣削去重法。铣削去重法在去重校正系统中很常用，使用一定规格的铣刀，根据测得的不平衡量算出应铣削加工的量度，就可以较为精确地去除不平衡量。本课题所研究设计的自动去重机就是采用铣削去重的方法。2.5.2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。

36、图2.1 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

37、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。2.5.3 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 2.2可以看

38、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 2; (2)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

39、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2.2 控制流程图2.5.4 R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 2.3。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。

40、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:W = k 1h x2,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 x = (R - h /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

41、平衡达标 ,第二次乃至第三次的去重模型要更复杂。图2.3 R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。3.1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

42、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

43、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

44、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。 3.2系统构架

45、3.2.1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

46、、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

47、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。3.2.2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0.02mm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。3.2.3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常用的台达DVP-EH3 P