利用磁懸浮技術(shù)提高動平衡加工精度及平臺設(shè)計畢業(yè)論文.doc

邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）11緒論磁懸浮系統(tǒng)，它是由轉(zhuǎn)子、傳感器、控制器和執(zhí)行器4部分組成，其中執(zhí)行器包括電磁鐵和功率放大器兩部分。假設(shè)在參考位置上，轉(zhuǎn)子受到一個向下的擾動，就會偏離其參考位置，這時傳感器檢測出轉(zhuǎn)子偏離參考點的位移，作為控制器的微處理器將檢測的位移變換成控制信號，然后功率放大器將這一控制信號轉(zhuǎn)換成控制電流，控制電流在執(zhí)行磁鐵中產(chǎn)生磁力，從而驅(qū)動轉(zhuǎn)子返回到原來平衡位置。因此，不論轉(zhuǎn)子受到向下或向上的擾動，轉(zhuǎn)子始終能處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。這就是目前磁懸浮技術(shù)應(yīng)用得最廣的應(yīng)用1。通俗地講，磁懸浮技術(shù)之所以能讓物體懸浮起來，是因為電磁鐵和通電線圈相互間產(chǎn)生了強大的吸引力，從而使得沉重的物體得以懸浮在空中；當(dāng)電流減小或切斷電流時，相互的作用力就減小至消失。磁懸浮技術(shù)今天看似乎還是一個新鮮事物，其實它的理論準(zhǔn)備有很長的歷史。1929年德國人首先提出了磁懸浮理論，日本人1972年開始嘗試EDS系統(tǒng)，但這個原理早在1966年就由美國人提出來了。這套技術(shù)的理論背景與當(dāng)時的磁懸浮技術(shù)發(fā)展緊密相關(guān)。因為六、七十年代，是世界磁懸浮技術(shù)應(yīng)用研究的鼎盛時期，利用磁懸浮技術(shù)解決一些應(yīng)用難題是那時的熱點。但中國的磁懸浮技術(shù)發(fā)展很快。目前，國內(nèi)國防科技大學(xué)和西南交通大學(xué)都在進行磁懸浮技術(shù)的研制工作，都已經(jīng)有了比較成熟的技術(shù)。2001年，國防科大磁懸浮實驗線路建成，西南交大的實驗線路也正在建設(shè)。磁懸浮在中國的市場運做進展也很順利，德國柏林到漢堡之間的磁懸浮鐵路建設(shè)計劃擱淺以后，轉(zhuǎn)而與中國達成協(xié)議，在上海修建一條可能將是世界上首條進行商業(yè)運行的磁懸浮鐵路。北京，四川等地也正準(zhǔn)備修建類似鐵路。邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）21.1課題研究背景與研究目的隨著科技的發(fā)展，旋轉(zhuǎn)機械正快速向高速、輕質(zhì)、高精度方向發(fā)展，一般內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速高達8000r/min，噴氣發(fā)動機轉(zhuǎn)速達30000-50000r/min，電機轉(zhuǎn)速也超過10000r/min，像導(dǎo)彈，航天器中的陀螺儀，轉(zhuǎn)速也是30000-50000r/min，廢氣渦輪增壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也高達20000r/min，EVC汽車上的增壓器轉(zhuǎn)速超過10000r/min。在如此高的轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)子的動不平衡哪怕只有1g，也將造成數(shù)十公斤或上噸的離心力，嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)子的平穩(wěn)性，引起高頻振動，使轉(zhuǎn)子及其軸承的偏磨，導(dǎo)致軸承處油膜波蕩，造成機件很快早期磨損2。因此，轉(zhuǎn)子的動平衡精度，成為制約高速旋轉(zhuǎn)機械的瓶頸。常規(guī)的機械式動平衡儀，即使是德國西門子公司生產(chǎn)的，也只能準(zhǔn)確地測出動不平衡質(zhì)量及其位置，要除去動平衡質(zhì)量，必須停機取下不平衡轉(zhuǎn)子，再用機械加工方法找準(zhǔn)不平衡位置切除不平衡量。這樣往往原來的地方或去量不足或過量，很難達到要求，因而常反復(fù)進行多次還達不到平衡要求，特別是高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子，成為生產(chǎn)工藝過程中最感頭疼的事。當(dāng)今世界上用來測量動不平衡點的裝置主要有手工校正機和全自動一體化動平衡校正機。手工校正機采用在動平衡測試機上測量其動不平衡量，然后根據(jù)測試量進行人工鉆或銑削去重的動平衡方法，完成一個轉(zhuǎn)子的動平衡一般常需要重復(fù)次的測試和去重，生產(chǎn)效率低下，平衡精度也不高，且轉(zhuǎn)子上的切槽較多。國外的全自動一體化動平衡校正機雖然平衡精度、生產(chǎn)效率等較高，但價格高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對不同規(guī)格的轉(zhuǎn)子適應(yīng)性差。目前，又出現(xiàn)了一種新的設(shè)計方案：轉(zhuǎn)子動平衡去重系統(tǒng)。轉(zhuǎn)子動平衡去重系統(tǒng)由動平衡測試機和數(shù)控去重機二工位組成，操作工人主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)子的裝卸以及對兩機器的啟停管理。動平衡測試機采用相應(yīng)精度的市售商品，其輸出量是轉(zhuǎn)子不平衡量在設(shè)定分解面內(nèi)分解后的幅值和相位的電壓值，以及精度、放大倍數(shù)等信號量。控制系統(tǒng)采用上位機和下位機。上位機通過采集卡獲取動平衡測試機上的不平衡量數(shù)據(jù)，然后生成動平衡去重策略。有一定的計算量，同時也需要良好的交互性，因此采用機作為上位機。下位機控制去重機的具體運行，與硬件的關(guān)系密切，故采用單片機作為下位機。上位機和下位機兩者之間的通訊通過通訊協(xié)議來實現(xiàn)。該系統(tǒng)的主要工作流程如下：首先用測試機測得待平衡轉(zhuǎn)子的不平衡量，然后機通過數(shù)據(jù)采集卡采集不平衡量，按照相應(yīng)的分解策略生成一個最優(yōu)的去重策略，并轉(zhuǎn)化成單片機可直接操作的代碼，最后把這個代碼通過串口傳送給數(shù)控去重機的控制器，待平衡轉(zhuǎn)子安裝完后即可啟動數(shù)控去重邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）3機進行動平衡切削。在此過程中，將另一轉(zhuǎn)子放置在動平衡測試機上，開始測量等待加工。將剛加工完的轉(zhuǎn)子卸下后再進行測量，而剛才已測量好的轉(zhuǎn)子則安裝后即可加工。正常情況下，一個操作工人可管理兩臺機器。然而這種方案仍舊令有頭疼。因而，就目前的情況而言，對動平衡質(zhì)量的檢測與增減的各種方案都不是十分理想。為此，我們提出了利用磁懸浮技術(shù)對動不平衡質(zhì)量進行不停機自動切除的方案。本課題的研究目標(biāo)是：利用磁懸浮的運動副摩擦力小，外界干擾少，在動不平衡質(zhì)量影響下的工作臺位移引起磁懸浮間隙變化，導(dǎo)致磁通量變化直接作為不停機自動切除激光能量控制信號，高精度地對現(xiàn)代高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子及機械進行動不平衡質(zhì)量切除。1.2國內(nèi)外的研究狀況自從磁懸浮技術(shù)誕生以來，科學(xué)家們就一直致力于使它走出實驗室。德國和日本是世界上研究磁懸浮技術(shù)并將其用于實際應(yīng)用研究的國家，現(xiàn)在仍處于短距離、低速度的試驗階段。隨著電子元件的集成化以及控制理論和轉(zhuǎn)子動力學(xué)的發(fā)展，經(jīng)過多年的研究工作，國內(nèi)外對該項技術(shù)的研究都取得了很大的進展。但是不論是在理論還是在產(chǎn)品化的過程中，該項技術(shù)都存在很多的難題，其中磁懸浮技術(shù)的主要難題是懸浮與推進以及一套復(fù)雜的控制系統(tǒng)，它的實現(xiàn)需要運用電子技術(shù)、電磁器件、直線電機、機械結(jié)構(gòu)、計算機、材料以及系統(tǒng)分析等方面的高技術(shù)成果。需要攻關(guān)的是組成系統(tǒng)的技術(shù)和實現(xiàn)工程化。最近美國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)有機塑料聚合物同時具有磁性和超導(dǎo)性能(10K以下)如果這種材料能進一步提高超導(dǎo)溫度，并代替金屬磁體，將有助于磁懸浮技術(shù)的研究和實現(xiàn)。懸浮磁系統(tǒng)所需解決的難題則主要表現(xiàn)在控制系統(tǒng)和滿足轉(zhuǎn)子動力特性上。在重視控制系統(tǒng)研究的同時，著重研究系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析，從而更有效的改進控制方法和策略；采用具有強魯棒性的滑?？刂?、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，實現(xiàn)對復(fù)雜轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性的控制。根據(jù)電磁鐵線圈上的電流和電壓信號檢測轉(zhuǎn)子位移主要有兩類方法：一是參數(shù)估計法，將磁懸浮軸承和轉(zhuǎn)子間的氣隙看成是軸承和功率放大器的時變參數(shù)；邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）4另外一個是將磁懸浮軸承和轉(zhuǎn)子看成一個整體，位移不是一個參數(shù)，而是一種狀態(tài)。Okada用解調(diào)技術(shù)研究了無傳感器的磁懸浮軸承，其不足是系統(tǒng)對開關(guān)功率放大器的占空比很敏感。Mizuno、Bleuler和Vischer等人將磁懸浮軸承看成是一個兩端網(wǎng)絡(luò)，用線性狀態(tài)空間觀測器來表征狀態(tài)的位移，這種磁懸浮軸承系統(tǒng)的不足是控制器和觀測器的魯棒性差，很小的參數(shù)變化會導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。Myounggyu引用線性參數(shù)估計設(shè)計了一套信號處理器，對開關(guān)波形進行解調(diào)，從而得到轉(zhuǎn)子的位移信號3。Matsuda在電磁鐵上繞上兩組不同的線圈，一組是偏磁線圈，一組是控制線圈，將檢測到的控制線圈的電流頻率送入設(shè)計解調(diào)電路，就能得到轉(zhuǎn)子的位移信號，所研制的樣機在12000r/min下實現(xiàn)了穩(wěn)定運行。由于偏磁線圈產(chǎn)生的磁場是恒定不變的靜磁場，主要靠控制線圈產(chǎn)生的動磁場來平衡外干擾的作用。故可用永久磁鐵來取代偏磁線圈提供靜磁場構(gòu)成混合磁懸浮軸承，其優(yōu)點是體積小、重量輕且功率損耗小，特別適用于航空領(lǐng)域。但如何檢查出轉(zhuǎn)子的動不平衡點，及將其切除一直是一個難題。國外生產(chǎn)增壓器的最大廠家為英國HOLST公司，曾進行過了不停機機械切除動不平衡質(zhì)量的研究，由于采用的是機械接觸式的加工切除、精度不高、而未予推廣；激光切除也曾搞過，但對機械摩擦的干擾沒有采取措施，精度沒有很大提高。但總是不十分理想。我校周繼明、歐陽光耀發(fā)表動不平衡質(zhì)量不停機自動切除初探論文，其工作臺是放于靜壓空氣墊臺和氣墊導(dǎo)軌，用差動變壓器提取信號作為激光能量控制信號，尚未立項研究。因此，從目前情況分析，此項目在國內(nèi)尚屬首次。1.3本文的主要工作磁懸浮技術(shù)作為20世紀(jì)的一項新興技術(shù)，是一門涉及多種學(xué)科的綜合性技術(shù)。隨著電子技術(shù)、控制工程、信號處理元件器、電磁理論、新型電磁材料