利用磁懸浮技術(shù)提高動(dòng)平衡加工精度及平臺(tái)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文.doc

邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(gè)向下的擾動(dòng)，就會(huì)偏離其參考位置，這時(shí)傳感器檢測(cè)出轉(zhuǎn)子偏離參考點(diǎn)的位移，作為控制器的微處理器將檢測(cè)的位移變換成控制信號(hào)，然后功率放大器將這一控制信號(hào)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(dòng)轉(zhuǎn)子返回到原來(lái)平衡位置。因此，不論轉(zhuǎn)子受到向下或向上的擾動(dòng)，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(lái)，是因?yàn)殡姶盆F和通電線圈相互間產(chǎn)生了強(qiáng)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(shí)，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(gè)新鮮事物，其實(shí)它的理論準(zhǔn)備有很長(zhǎng)的歷史。1929年德國(guó)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(gè)原理早在1966年就由美國(guó)人提出來(lái)了。這套技術(shù)的理論背景與當(dāng)時(shí)的磁懸浮技術(shù)發(fā)展緊密相關(guān)。因?yàn)榱?、七十年代，是世界磁懸浮技術(shù)應(yīng)用研究的鼎盛時(shí)期，利用磁懸浮技術(shù)解決一些應(yīng)用難題是那時(shí)的熱點(diǎn)。但中國(guó)的磁懸浮技術(shù)發(fā)展很快。目前，國(guó)內(nèi)國(guó)防科技大學(xué)和西南交通大學(xué)都在進(jìn)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(guó)防科大磁懸浮實(shí)驗(yàn)線路建成，西南交大的實(shí)驗(yàn)線路也正在建設(shè)。磁懸浮在中國(guó)的市場(chǎng)運(yùn)做進(jìn)展也很順利，德國(guó)柏林到漢堡之間的磁懸浮鐵路建設(shè)計(jì)劃擱淺以后，轉(zhuǎn)而與中國(guó)達(dá)成協(xié)議，在上海修建一條可能將是世界上首條進(jìn)行商業(yè)運(yùn)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(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jī)械正快速向高速、輕質(zhì)、高精度方向發(fā)展，一般內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速高達(dá)8000r/min，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)30000-50000r/min，電機(jī)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(dá)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(dòng)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(dòng)，使轉(zhuǎn)子及其軸承的偏磨，導(dǎo)致軸承處油膜波蕩，造成機(jī)件很快早期磨損2。因此，轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡精度，成為制約高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械的瓶頸。常規(guī)的機(jī)械式動(dòng)平衡儀，即使是德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的，也只能準(zhǔn)確地測(cè)出動(dòng)不平衡質(zhì)量及其位置，要除去動(dòng)平衡質(zhì)量，必須停機(jī)取下不平衡轉(zhuǎn)子，再用機(jī)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(lái)的地方或去量不足或過量，很難達(dá)到要求，因而常反復(fù)進(jìn)行多次還達(dá)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(lái)測(cè)量動(dòng)不平衡點(diǎn)的裝置主要有手工校正機(jī)和全自動(dòng)一體化動(dòng)平衡校正機(jī)。手工校正機(jī)采用在動(dòng)平衡測(cè)試機(jī)上測(cè)量其動(dòng)不平衡量，然后根據(jù)測(cè)試量進(jìn)行人工鉆或銑削去重的動(dòng)平衡方法，完成一個(gè)轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡一般常需要重復(fù)次的測(cè)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(guó)外的全自動(dòng)一體化動(dòng)平衡校正機(jī)雖然平衡精度、生產(chǎn)效率等較高，但價(jià)格高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對(duì)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(jì)方案：轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡去重系統(tǒng)。轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡去重系統(tǒng)由動(dòng)平衡測(cè)試機(jī)和數(shù)控去重機(jī)二工位組成，操作工人主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)子的裝卸以及對(duì)兩機(jī)器的啟停管理。動(dòng)平衡測(cè)試機(jī)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(hào)量?？刂葡到y(tǒng)采用上位機(jī)和下位機(jī)。上位機(jī)通過采集卡獲取動(dòng)平衡測(cè)試機(jī)上的不平衡量數(shù)據(jù)，然后生成動(dòng)平衡去重策略。有一定的計(jì)算量，同時(shí)也需要良好的交互性，因此采用機(jī)作為上位機(jī)。下位機(jī)控制去重機(jī)的具體運(yùn)行，與硬件的關(guān)系密切，故采用單片機(jī)作為下位機(jī)。上位機(jī)和下位機(jī)兩者之間的通訊通過通訊協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)的主要工作流程如下：首先用測(cè)試機(jī)測(cè)得待平衡轉(zhuǎn)子的不平衡量，然后機(jī)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(gè)最優(yōu)的去重策略，并轉(zhuǎn)化成單片機(jī)可直接操作的代碼，最后把這個(gè)代碼通過串口傳送給數(shù)控去重機(jī)的控制器，待平衡轉(zhuǎn)子安裝完后即可啟動(dòng)數(shù)控去重邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）3機(jī)進(jìn)行動(dòng)平衡切削。在此過程中，將另一轉(zhuǎn)子放置在動(dòng)平衡測(cè)試機(jī)上，開始測(cè)量等待加工。將剛加工完的轉(zhuǎn)子卸下后再進(jìn)行測(cè)量，而剛才已測(cè)量好的轉(zhuǎn)子則安裝后即可加工。正常情況下，一個(gè)操作工人可管理兩臺(tái)機(jī)器。然而這種方案仍舊令有頭疼。因而，就目前的情況而言，對(duì)動(dòng)平衡質(zhì)量的檢測(cè)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(duì)動(dòng)不平衡質(zhì)量進(jìn)行不停機(jī)自動(dòng)切除的方案。本課題的研究目標(biāo)是：利用磁懸浮的運(yùn)動(dòng)副摩擦力小，外界干擾少，在動(dòng)不平衡質(zhì)量影響下的工作臺(tái)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(jī)自動(dòng)切除激光能量控制信號(hào)，高精度地對(duì)現(xiàn)代高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子及機(jī)械進(jìn)行動(dòng)不平衡質(zhì)量切除。1.2國(guó)內(nèi)外的研究狀況自從磁懸浮技術(shù)誕生以來(lái)，科學(xué)家們就一直致力于使它走出實(shí)驗(yàn)室。德國(guó)和日本是世界上研究磁懸浮技術(shù)并將其用于實(shí)際應(yīng)用研究的國(guó)家，現(xiàn)在仍處于短距離、低速度的試驗(yàn)階段。隨著電子元件的集成化以及控制理論和轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，經(jīng)過多年的研究工作，國(guó)內(nèi)外對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的研究都取得了很大的進(jìn)展。但是不論是在理論還是在產(chǎn)品化的過程中，該項(xiàng)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(jìn)以及一套復(fù)雜的控制系統(tǒng)，它的實(shí)現(xiàn)需要運(yùn)用電子技術(shù)、電磁器件、直線電機(jī)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)、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(shí)現(xiàn)工程化。最近美國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)有機(jī)塑料聚合物同時(shí)具有磁性和超導(dǎo)性能(10K以下)如果這種材料能進(jìn)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(shí)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(dòng)力特性上。在重視控制系統(tǒng)研究的同時(shí)，著重研究系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析，從而更有效的改進(jìn)控制方法和策略；采用具有強(qiáng)魯棒性的滑模控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜轉(zhuǎn)子動(dòng)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(hào)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位移主要有兩類方法：一是參數(shù)估計(jì)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(shí)變參數(shù)；邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）4另外一個(gè)是將磁懸浮軸承和轉(zhuǎn)子看成一個(gè)整體，位移不是一個(gè)參數(shù)，而是一種狀態(tài)。Okada用解調(diào)技術(shù)研究了無(wú)傳感器的磁懸浮軸承，其不足是系統(tǒng)對(duì)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(gè)兩端網(wǎng)絡(luò)，用線性狀態(tài)空間觀測(cè)器來(lái)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(cè)器的魯棒性差，很小的參數(shù)變化會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。Myounggyu引用線性參數(shù)估計(jì)設(shè)計(jì)了一套信號(hào)處理器，對(duì)開關(guān)波形進(jìn)行解調(diào)，從而得到轉(zhuǎn)子的位移信號(hào)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(cè)到的控制線圈的電流頻率送入設(shè)計(jì)解調(diào)電路，就能得到轉(zhuǎn)子的位移信號(hào)，所研制的樣機(jī)在12000r/min下實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定運(yùn)行。由于偏磁線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)是恒定不變的靜磁場(chǎng)，主要靠控制線圈產(chǎn)生的動(dòng)磁場(chǎng)來(lái)平衡外干擾的作用。故可用永久磁鐵來(lái)取代偏磁線圈提供靜磁場(chǎng)構(gòu)成混合磁懸浮軸承，其優(yōu)點(diǎn)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(dòng)不平衡點(diǎn)，及將其切除一直是一個(gè)難題。國(guó)外生產(chǎn)增壓器的最大廠家為英國(guó)HOLST公司，曾進(jìn)行過了不停機(jī)機(jī)械切除動(dòng)不平衡質(zhì)量的研究，由于采用的是機(jī)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(duì)機(jī)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(yáng)光耀發(fā)表動(dòng)不平衡質(zhì)量不停機(jī)自動(dòng)切除初探論文，其工作臺(tái)是放于靜壓空氣墊臺(tái)和氣墊導(dǎo)軌，用差動(dòng)變壓器提取信號(hào)作為激光能量控制信號(hào)，尚未立項(xiàng)研究。因此，從目前情況分析，此項(xiàng)目在國(guó)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(xiàng)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(hào)處理元件器、電磁理論、新型電磁材料