全自動動平衡校正機設計

全自動動平衡校正機設計全自動動平衡校正機設計全自動動平衡校正機設計xxx公司全自動動平衡校正機設計文件編號：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準審核制定方案設計，管理制度動平衡機自動化校正系統(tǒng)設計摘要如今動平衡技術已經(jīng)非常成熟，但是傳統(tǒng)的動平衡機只能完成轉子的動平衡測試，而很多情況下轉子的動平衡校正還是由人工完成，所以生產(chǎn)效率比較低。為適應現(xiàn)代企業(yè)高效率的生產(chǎn)要求，動平衡測試與自動校正一體機已成為必然趨勢和主流。本文綜合考慮國內(nèi)外自動化程度不同的各型平衡機優(yōu)缺點，開發(fā)出一種可用于中小型電機轉子動平衡的R型銑削校正方式雙工位全自動平衡機。系統(tǒng)結構采用模塊化設計思想，多線程協(xié)調統(tǒng)籌動作，信號動作狀態(tài)線圖進行程序流程及時序分析，具有結構分立及合并方便，生產(chǎn)節(jié)拍精簡，運行可靠，高校正精度等特點。為保證系統(tǒng)平衡精度，本文在多有文獻論述的測量系統(tǒng)精度控制的研究基礎上，重點對銑削校正系統(tǒng)的精度控制進行目標分析和提出應用方案。文章首先詳細分析各因素對平衡校正精度的相對重要性和控制難度，包括R型銑槽動不平衡量的多因素影響、相位誤差因素影響、校正平面位置偏差因素影響等，得出：側吃刀量分散度和銑刀刀尖過渡刃長度尺寸公差是轉子R型銑削校正精度控制的主要因素，并且相位誤差及校正平面位置偏差也是重要目標。如何實現(xiàn)轉子的全自動動平衡校正是本文研究的重點。為此，文章研究探討了轉子的校正策略，結合轉子的實際外形并考慮到校正過程的操作簡便性，本系統(tǒng)采用在轉子的端面鉆孔去重的校正方法。在此基礎上分析了各種情況下進刀量和不平衡質量大小的關系，并建立了去重數(shù)學模型。隨后針對校正過程中存在的誤差進行了理論分析。在控制系統(tǒng)的研究中，文章對系統(tǒng)的總體結構和總體方案進行了設計。伺服技術是系統(tǒng)實現(xiàn)去重自動化并保證校正精度的關鍵。文章對主軸伺服和進給伺服的關鍵技術也進行了詳細的研究。包括主軸伺服的調速原理和定向控制，脈沖比較進給伺服的原理，關鍵電路的設計與分析。并對交流伺服系統(tǒng)中的電子齒輪進行了研究。另外，對去重系統(tǒng)軟件的流程進行了設計。關鍵詞動平衡，全自動平衡機，銑削用量AutomaticdynamicbalancecorrectionmachinedesignAbstractNowadays,Dynamicbalancingtechnologyhasbeenwellestablished,butthefunctionofthetraditionalbalancingmachinesislimitedtorotors’unbalancingtest.Inmanycases,therotors’balanceadjustmentisstilldonebyhand,sotheproductivityisrelativelylow.Thisthesiscomprehensivelyconsideredrelativemeritsofdiversiformbalancingmachinesofdifferentautomaticlevelathomeandabroad,anddevelopedonedoubleworking-positiontypeofautomateddynamicbalancing,whichappliestomicro-midielectricmachinerotor’sR-millingbalancecorrection.Toassuresystemaccuracy,thewriterfocusesontheaccuracyanalysisofbalancingcorrectionsystemandpropositionofresolutionmethods,foundedontheaccuracycontrolofbalancemeasurementsystemwhichhasbeendiscussedinnumerousliteratures.Firstly,relativeimportanceandcontroldifficultiesofvariousfactorswhichimpactoncorrectionaccuracyareanalyzedindetail.Theworkreachesresultsthatdepthdispersionofside-cutandchamferedcornerlengthtoleranceofmillingcuttertoolnosearethemainfactors,aswellasphaseerrorandplacedeviationofcorrectionplane.Thentherelationshipbetweenfeedvolumeandunbalancequalityisanalyzed,onthebasisofwhichthede-weightingmathematicalmodelisestablished.Besides,thepossibleamendingerroristheoreticallyanalyzed.Fortheresearchofthecontrollingsystem,theskeletonofthemechanicalconfigurationandthecontrollingformulaarefirstlyintroduced.Servosystemisakeytechnologytotherealizationofautomaticde-weightingandtoensurethecorrectingprecision.So,thekeytechnologyofservosystemisalsoresearchedinthispaper,includingspindleservoandfeedingservosystem.Forthespindleservosystem,thefocusisontheresearchofthespeedadjustingprincipleandthemethodofpositioncontrolling.Forthefeedingservosystem,theprincipleofpulsecomparisonisfirstlyintroduced,thensomekeycircuitsaredesignedandanalyzed.Besides,theelectronicgearusedintheACservosystemisalsoresearched.Forthesoftware,thede-weightingprocedureisdesigned.Keywords:DynamicBalancing,AutomatedBalancingMachine,MillingDosa目錄1緒論 1課題背景及目的 1國內(nèi)外研究狀況 1課題研究內(nèi)容及要求 32轉子的動平衡原理 5轉子產(chǎn)生不平衡的原因及其危害 5不平衡的種類 7剛性轉子的動平衡原理 7撓性轉子的動平衡原理 7校正理論研究 8校正方法簡介8全自動平衡機系統(tǒng)的組成 9全自動平衡機系統(tǒng)的控制流程 10R型銑削模型 103全自動動平衡機的系統(tǒng)構架 13平衡機的分類 13系統(tǒng)構架 14平衡機 14去重機 15控制系統(tǒng) 154全自動動平衡機的測量理論研究 16測量原理 16直流分量 18基波分量 18諧波分量 19異頻分量和噪聲 19動不平衡量的測量數(shù)學模型 21數(shù)字信號處理方法 22干擾信號分類 22不平衡量提取方法 23數(shù)字濾波方法 245全自動動平衡機的測試系統(tǒng)設計 33測量系統(tǒng)的組成 33系統(tǒng)部分硬件 34振動傳感器 34參考信號測量傳感器 36電荷放大器 38增益控制 40中心頻率跟蹤的窄帶濾波器設計 40壓電信號調理電路設計 46數(shù)據(jù)采集卡 46程控放大電路的設計 476總結與展望 49致謝 51參考文獻 521緒論課題背景及目的轉子由于設計、材質不均勻以及制造安裝誤差等原因，往往造成其中心慣性主軸或多或少地偏離其旋轉軸線，這種情況稱為轉子具有不平衡量。當具有不平衡量的轉子高速旋轉時，就會產(chǎn)生一個周期的激振力，從而引起振動和噪音。振動會加速軸承等零件的磨損，嚴重時甚至會導致事故;此外，振動還會通過軸承、機座傳到基礎，惡化附近的工作環(huán)境。由振動故障診斷結果統(tǒng)計表明，引起振動過大的激振力中有90%是轉子不平衡力，可見此問題比較突出，所以必須對轉子進行動平衡，使其達到一定的標準。動平衡是旋轉類產(chǎn)品生產(chǎn)、制造過程中必須解決的一個基本共性問題，其優(yōu)劣程度直接決定著產(chǎn)品的工作性能、使用壽命以及產(chǎn)品質量等。而且，產(chǎn)品的動平衡測量及校正往往處于產(chǎn)品零件生產(chǎn)工序的末端，此前已經(jīng)過初步鑄造到最終成形等多道復雜工序，其平衡性能和工作效率等指標將直接影響到產(chǎn)品的最終質量評定、總體生產(chǎn)效率以及企業(yè)的成本控制。由于目前國內(nèi)外生產(chǎn)的全自動平衡機，通過軟硬件的改進，在信號采集、濾波等處理上提升性能，以提高測量系統(tǒng)及整機精度的研究頗多；此項研究偏重于去重校正系統(tǒng)部分的研究，力圖通過樣機實際生產(chǎn)制造的細節(jié)，提出一些理論觀點和實踐經(jīng)驗，供全自動動動平衡測試設備生產(chǎn)研究相關人員討論參考，促進我國全自動平衡機的推廣和應用。國內(nèi)外研究狀況動平衡的測量離不開動平衡機，動平衡機是動平衡技術的重要組成部分。世界上第一臺動平衡機的出現(xiàn)迄今已經(jīng)有一百多年的歷史了。在上個世紀四十年代以前，轉子的不平衡量的測量主要是在純機械的設備上來完成的，不平衡量的測量沒有什么精度可言，由于機械測量原理的限制，只能一種觀測估算的方法。相位的測量一般采用的儀器主要是千分表，不平衡相位的判斷是利用機械系統(tǒng)諧振增加靈敏度完成的。動平衡機技術的真正變革性的發(fā)展主要得益于電子和信息技術的迅速發(fā)展。到上世紀五十年代的時候，絕大多數(shù)的平衡設備的測試系統(tǒng)都利用了電子測量技術，平面分離電路有效地消除了左右面的相互影響，由電機拖動的“標準轉子”大大提高了調整平衡機的效率[1][2]。在這期間，一些通用的平衡機逐漸形成了系列化產(chǎn)品，與此同時，一些工業(yè)發(fā)達的國家開始逐漸發(fā)展測量與校正裝置組合為一體的平衡機，除此之外，供大批量生產(chǎn)用的（如汽車曲軸，電機轉子）平衡自動線也開始發(fā)展，這個時期，測量方式仍在不斷改進。到了二十世紀七十年代，平衡機的發(fā)展出現(xiàn)了一次大的飛躍，主要標志是此時出現(xiàn)了硬支撐平衡機。它克服了傳統(tǒng)軟支撐平衡機的缺陷（需要動態(tài)調整），只需要在靜態(tài)下進行尺寸設定，這就是后來的永久標定式的平衡機。我國動平衡技術的發(fā)展起步比起發(fā)達國家晚得多，對動平衡機理論和設備進行研究開始于1958年華中工學院研制成功第一臺DS-500型通用動平衡機，它真正采用了電子測量技術[1]。從那時開始算起，我國的動平衡測量技術大概經(jīng)歷了以下幾個階段，50年代的閃光式動平衡機，此時技術以真空管構成的RC帶通濾波器為特征，到60年代出現(xiàn)了電子管式動平衡機，它的核心是晶體管，70年代發(fā)展了瓦特表式動平衡機，它的核心是集成電路，80年代出現(xiàn)了的動平衡機內(nèi)包含了電子解算電路。幾十年來我國的動平衡機技術雖然取得了較大的發(fā)展，但是和世界先進水平相比，無論在產(chǎn)品的種類上還是性能上都有著很大的差距。國內(nèi)動平衡機的設計一部分是引進國外淘汰或者即將淘汰的型號，一部分靈敏度、頻響特性都比較差的仿制或自行設計的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品，大多存在很多共同的缺點如性能差、指示精度低、功能單一等缺點。國內(nèi)動平衡機生產(chǎn)企業(yè)也存在結構不合理，生產(chǎn)效益低下，缺少新產(chǎn)品、新技術，而且缺乏對新知識、新方法的應用等問題。目前從事動平衡機的研制工作，并形成一定實力的有浙江大學、華中科技大學、北京航空航天大學、上海交通大學等高校，以及生產(chǎn)平衡機的上海申克試驗機有限公司等廠家?，F(xiàn)在計算機，數(shù)字技術，傳感器技術已經(jīng)廣泛應用于動平衡機的數(shù)據(jù)采集和測量系統(tǒng)。隨著轉子平衡機理論的不斷完善和實踐技術日趨成熟，如今動平衡機的研究開發(fā)和制造水平都已經(jīng)有了很大的提高?，F(xiàn)代新型的動平衡機都是機電一體化成度極高的高科技產(chǎn)品。目前國內(nèi)動平衡校正系統(tǒng)存在的很多缺點和不足有體現(xiàn)在以下幾個方面：第一，關于系統(tǒng)集成方面的技術研究還相對較少，在國內(nèi)對動平衡機系統(tǒng)集成方面的技術進行了研究的單位也只有浙江大學等少數(shù)幾家單位，其他大多數(shù)企業(yè)和科研單位的研究還主要集中在動平衡稱重的設備和方法上，因為在這些設備中不平衡量測量和系統(tǒng)的校正系統(tǒng)一體化的集成技術應用較少，也就是說大部分沒有和數(shù)控加工設備聯(lián)機的功能。第二，理論分析與應用脫節(jié)。雖然部分單元技術方面如不平衡量的測量方法和在轉子動力學等方面在我國的研究非?；钴S，而且也并取得了非常不錯的成就。然而，盡管在實驗和理論方面的研究同國外先進水平的差距已經(jīng)不是很大，但是我們國家的水平與發(fā)達國家還存在一定的差距，這種差距主要體現(xiàn)在實際應用方面。第三，去重加工技術及設備的研究開發(fā)相對滯后。目前國內(nèi)普遍采用的人工手動的方法進行轉子動平衡去重加工，而測量和去重一體化的數(shù)控加工等技術的應用不多。另外一方面，目前國內(nèi)大部分科研單位和企業(yè)對動平衡的研究多集中在如何提高測量精度方面，這些研究主要關注在軟硬件的改進方面，比如設計精度更高的壓電傳感器、跟蹤濾波電路和采用相敏檢波電路等，從而在信號采集、濾波等方面取得了很大進步。而對于去重部分的問題，如去重策略，加工模型的建立和誤差分析方面研究較少，致使難以達到較好的平衡效果。第四，在人機交互設計方面考慮往往太少，不夠周全。課題研究內(nèi)容及要求轉子的動平衡過程包括兩個部分的內(nèi)容，測量和校正。對于不同類型的轉子，其不平衡量的測量和校正方法是不一樣的，有的轉子偶不平衡很小，對轉子的實際工作運行的影響可以忽略不計，這類轉子只需要在一個平衡面內(nèi)進行平衡校正即可滿足實際應用的要求，這類轉子的典型是如飛輪，砂輪，汽車離合器盤等薄盤形狀的轉子。這類轉子的特點是最大外徑遠遠大于軸向長度，通常外徑是凈長度的5倍以上。除此之外的轉子動平衡通常必須在兩個或多個校正面進行。如汽車發(fā)動機曲軸，電機的轉子等。平衡校正的本質就是改善不平衡轉子的質量分布，最終目的是為了使質量分布相對于實際旋轉軸線變得均勻，使轉子運轉時的動平衡達到規(guī)定的要求范圍。目前，常用的不平衡校正方法有：去重，加重，調整校正質量等。其中去重和加重是最常見也是最易于實現(xiàn)的方法。鉆孔是最常用的去重方法。常見的加重方法主要有：螺釘聯(lián)接，焊接，噴鍍金等。近些年來，隨著科學技術的不斷發(fā)展，現(xiàn)代平衡機的轉子校正開始應用一些新工藝，新技術新方法，如激光去重，電解去重，熔鍍法加重等新興的工藝技術。本文綜合考慮國內(nèi)外全自動平衡機以及自動化程度，針對根據(jù)市場需求，以單面立式硬支撐型飛輪平衡機為研究對象，為其設計自動測量系統(tǒng)，實現(xiàn)平衡量的自動測量。測量系統(tǒng)，其主要功能是對來自傳感器的不平衡信號進行處理，濾除無用的直流分量、各次諧波分量、異頻分量和各種干擾噪聲，取出有用的不平衡基波分量，并進行運算，最終指示出校正面上的不平衡量的大小和方位。因此，測量性能的好壞直接影響整機最小可達剩余不平衡量和不平衡量減低率這兩項主要性能指標。對測量系統(tǒng)的基本要求是，根據(jù)所規(guī)定的平衡精度，要有充分的靈敏度和精確度，在長期使用中要足夠穩(wěn)定。2轉子的動平衡原理機器中繞軸線旋轉的零部件，稱為機器的轉子。如果一個轉子的質量分布均勻，制造和安裝都合格，則運轉是平穩(wěn)的。理想情況下，其對軸承的壓力，除重力之外別無其他的力，即與轉子不旋轉時一樣，只有靜壓力。這種旋轉與不旋轉時對軸承都只有靜壓力的轉子，稱為平衡的轉子。如果轉子在旋轉時對軸承除有靜壓力外還附加有動壓力，則稱之為不平衡的轉子。轉子如果是不平衡的，附加動壓力將通過軸承傳達到機器上，引起整個機器的振動，產(chǎn)生噪音，加速軸承的磨損，降低機器的壽命，甚至使機器控制失靈，發(fā)生嚴重事故[4,5]。現(xiàn)代機器正向高速、高效率、高精度和大型化發(fā)展，創(chuàng)造舒適的工作條件、抑制噪聲、節(jié)約能源都已提到日程上來。因此，限制和減小各種機器的振動就愈加顯得重要。轉子產(chǎn)生不平衡的原因及其危害轉子產(chǎn)生不平衡的原因是很多的，但大致可以歸納為以下幾種基本原因：1、轉子結構的不對稱平常我們也可以看到，不同旋轉機器的結構是不同的，有很多旋轉部件的結構是不對稱的，其中最典型的例子是曲軸。隨著發(fā)動機氣缸排列方式的不同，發(fā)動機氣缸工作順序的不同，以及氣缸數(shù)目的不同，設計人員設計方案的不同，曲軸的結構是多種多樣的；曲軸結構上的不對稱，是有其工作特點所決定的，因此，設計上要求必須為曲軸設計配重，出廠前還必須對每根曲軸做平衡試驗，剩余不平衡量只有滿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，引起轉子的不平衡而導致零部件的失效是機械工程中經(jīng)常遇到的現(xiàn)象。例如：原材料密度不均勻，鑄造毛坯有氣孔、砂眼、縮孔和組織疏松等缺陷；鍛件有重皮和夾雜物，焊接結構的焊縫不均勻等，都會引起轉子的不平衡或零件的失效。3、轉子加工和裝配有誤差如果轉子在加工或裝配過程中存在誤差，也就改變了轉子繞軸線的質量分布，也就破壞了轉子的不平衡狀態(tài)。例如：轉子與軸頸軸線的不同軸；裝配時徑向間隙不均勻或不同軸；聯(lián)接螺釘擰緊程度不同或由于熱壓配合和焊接所引起的撓曲變形等，都會引起轉子的不平衡。4、機器在運轉過程中所產(chǎn)生的不平衡例如：砂輪、泵、螺旋槳推進器、離心機分離缽等工作時的不均勻磨損；由于運轉過程中溫度變化而產(chǎn)生的變形，由于機器運轉過程中離心力所引起的零部件的微小移動或彈性變形等，也都會破壞轉子原來的平衡狀態(tài)[6]。5、機器在維修過程中產(chǎn)生的不平衡不同行業(yè)的機械部門有不同的標準，在不同環(huán)境條件下，工作機械還有不同的精度要求，維修部門一般設備落后，技術力量差，在維修過程中排除了主要故障的同時，卻引發(fā)出潛在的隱患的現(xiàn)象也是常見的，特別是對于轉子的動平衡是人眼觀察不到，手也感覺不到的，必須通過動平衡試驗才能定結論，這些也是容易被人們忽視的原因之一[3]。在汽車維修行業(yè)中，由于發(fā)動機曲軸動不平衡過大，而使飛輪殼碎裂報廢數(shù)個卻使一些維修人員找不到原因的現(xiàn)象，也不是罕見的[7]；原因是上次維修過程中傳動系組件裝配中出現(xiàn)了錯誤操作。若將曲軸飛輪組件進一步平衡，問題就解決了。因此，隨著機械運轉速度的不斷提高，轉子的平衡問題，必須引起足夠的重視。在多數(shù)情況下，機械振動是有害的，其危害性主要有：（1）、使機器支撐受到動載荷的作用，影響支撐的正常工作。（2）、動、靜部分磨損、基礎松裂，或使機器油管裂開、自動調節(jié)器失效，致使機器要經(jīng)常修理或過早損壞。（3）、擾動四周的機械設備和儀表，使調節(jié)裝置和保護系統(tǒng)有可能發(fā)生誤動作而使設備和儀表無法正常工作。（4）、產(chǎn)生噪音，影響工作人員的身心健康。如果轉子轉速與轉子軸系的固有頻率相同(或接近時)，機器就會發(fā)生共振。出現(xiàn)共振時，振幅迅速增大，機組將產(chǎn)生劇烈振動以至損壞。據(jù)報導，在1972年6月，日本關西海南電廠一臺600MW的汽輪機組在試車時，因振功過大而造成飛車，致使機組全部損壞[8]。當然，還有些其它原因也會引起機器振功，例如大型汽輪發(fā)電機組的轉子還會由于油膜振蕩、間隙振蕩等原因引起振動。但據(jù)統(tǒng)計概率來看，由于轉子質量分布不均勻引起的扳動約占70~80％。因此，失衡轉子的平衡校正問題在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展中是一個非常突出的問題。不平衡的種類轉子的不平衡可以作如下理解：當轉子的中心主慣性軸線(慣量主軸)與旋轉軸線不重合時，我們就說轉子上存在不平衡。轉子的不平衡具有四種基本類型：靜不平衡、力偶不平衡、動不平衡和準靜不平衡。剛性轉子的動平衡原理在平衡技術中，剛性轉子是指轉子是剛性的，即在重力和因質量不平衡所產(chǎn)生的不平衡離心力作用下轉軸的變形可以忽略，且平衡狀態(tài)并不改變或只作稍微改變的轉子。當然，絕對剛性的轉子是不存在的，只有當工作轉速遠低于轉子的第一臨界轉速時，由于不平衡離心力使轉子產(chǎn)生的變形很小，以至可以忽略不計，習慣上，對這樣的轉子就可以認為是剛性轉子[4]。在平衡實踐中，有些轉子的工作轉速很低，如人造衛(wèi)星的自旋速度等。在這種情況下，由不平衡質量所產(chǎn)生的不平衡離心力不大，這時也往往是把這類轉子作為剛性轉子進行處理。其動平衡原理如下：1、不管轉子的初始不平衡是如何分布的，總可以在預選的兩校正平面內(nèi)進行平衡校正。因為轉子上的不平衡重量與所加的平衡重量在旋轉時所產(chǎn)生的離心力都與轉速的平方成正比，因此剛性轉子的平衡與轉速無關。在某一轉速下平衡好的剛性轉子，其剩余不平衡量的值在其它轉速、以至最高工作轉速下，也不會顯著地超過其允許的剩余不平衡量。2轉子的不平衡由靜不平衡和動不平衡組成，兩者可分別進行校正。但若轉子的初始不平衡量不大，由初始不平衡所產(chǎn)生的離心力在平衡機的容限范圍內(nèi)時，根據(jù)靜、動不平衡的特點，就可以直接對轉子作動不平衡校正，而無需事先對轉子作靜平衡。這是因為靜止平衡好的轉子，轉動時仍可能不平衡，面在轉動時平衡好的轉子，在靜止時一定是平衡的。剛性轉子的動平衡原理較為簡單，但它是轉子動平衡的基礎，在熟悉剛性轉子的動平衡原理后，其它類型的轉子的動平衡也就不難掌握。撓性轉子的動平衡原理在平衡技術中，把凡是不符合剛性轉子定義的轉子，統(tǒng)稱為撓性轉子。具體地講，對于工作轉速接近或高于轉子自身的第一臨界轉速，這時的轉子都應稱為撓性轉子。例如套裝式葉輪的汽輪機轉子、大多數(shù)發(fā)電機轉子。特別是隨著近代機械工業(yè)的發(fā)展，出現(xiàn)了一些長徑比很大的轉子，如大型化工設備中的某些轉子、燃汽輪轉子等，這些轉子的臨界轉速很低，但工作轉速很高，因此部有可能在高于二階或三階臨界轉速下工作。在這種工作狀態(tài)下，轉子已呈現(xiàn)撓曲狀，因此，這時若再如剛性轉子那樣，平衡時不考慮轉子的撓曲變形，那末平衡后往往就得不到預期的效果，而且有時還會出現(xiàn)愈平衡情況愈糟[4]。撓性轉子的動平衡原理簡述如下：1、失衡撓性轉子的動撓度隨轉速的變化而變化。因此，撓性轉子不僅要求在工作轉速下平衡，而且要在整個轉速范圍內(nèi)都應進行動平衡校驗。2、在接近臨界轉速時，撓性轉子軸線上各點同時出現(xiàn)最大撓度時所形成的彈性曲線可近似地視為轉子在這一臨界轉速時振動的振型。振型可用函數(shù)的形式表示，且振型函數(shù)具有正交性。因此，撓性轉子平衡時可以按振型逐階地進行。如果逐階平衡好了，這時轉子在整個工作轉速范圍內(nèi)也就平衡了[5]。3、撓性轉子上平衡配重塊的加置，不但應使軸承處的動反力為零，而且還應使轉子所受的撓矩為零(或最小)，這樣轉子所產(chǎn)生的撓曲變形為零(或最小)，使得因撓曲產(chǎn)生的附加不平衡離心力為零(或最小)。因此，就不能像剛性轉子那樣只在兩個校正面內(nèi)加置。這時，只有根據(jù)起始不平衡量的軸向位置和大小，在其所在的軸向平面上對側位置處加上平衡配重，就可以不使轉子產(chǎn)生撓曲變形，轉子也達到平衡。4、由于不平衡離心力所引起的轉子振動必然會引起軸承的振動。因此為了使問題簡化，實際測量時可以用通過檢測軸承處的振動來推估轉子上的不平衡狀況。此外，在撓性轉子的平衡工藝中，特別是在平衡大容量的汽輪機組時，可以將每個轉子在安裝l~2級葉輪后先在低速下進行平衡校正，使轉子的撓矩減至最小。裝好葉輪后再對每個轉子進行高速平衡校正，這樣用每個平衡好的轉子組裝后的汽輪機組一般就不需再進行現(xiàn)場平衡（軸系平衡）[11]。校正理論研究校正方法簡介校正通常采用的方法有三種，質量定心法，加重法和去重法。質量定心法質量定心法的基本原理是調整旋轉軸線使其與中心主慣性軸盡量重合的方法，這種方法應用較少，只用于一些特定的場合或特定的階段，例如可以用質量定心法來對轉子進行預平衡。加重法加重法就是在轉子的平衡面的特定位置加上一定的配重使轉子達到動平衡的方法，對于某些不便或者根本無法去重的轉子通常采用加配重的方法。例如人造衛(wèi)星，導彈等飛行器。再如，某些轉子的平衡狀態(tài)會隨著工況變化，對于這樣的轉子進行配重校正有很大的優(yōu)點，那就是便于轉子的再校正。加重法通常采用的工藝有焊接，鉚接，螺釘連接等。去重法去重法是不平衡校正采用的最多的一種方法。去重法實施起來相對容易，而且有些轉子必須采用去重法來校正，如渦輪機的一些轉子，飛機的螺旋槳等。根據(jù)去重的方法，主要可以分為鉆孔去重法，銑削去重法。銑削去重法在去重校正系統(tǒng)中很常用，使用一定規(guī)格的銑刀，根據(jù)測得的不平衡量算出應銑削加工的量度，就可以較為精確地去除不平衡量。本課題所研究設計的自動去重機就是采用銑削去重的方法。全自動平衡機系統(tǒng)的組成本課題研制的全自動平衡機系統(tǒng)采用R型銑削去重,系統(tǒng)由平衡機本體、測控系統(tǒng)、上位機三大部分構成，如圖所示。圖系統(tǒng)組成圖全自動動平衡機本體包括機械本體、動力部分(伺服電機)、執(zhí)行機構(含三個步進電機)及檢測傳感裝置,主要功能是實現(xiàn)工件自動動平衡檢測加工所需的支承、驅動、動作及檢測等;測控系統(tǒng)由測量控制卡、步進電機控制卡及系統(tǒng)動作協(xié)調控制卡、PLC等構成,主要完成不平衡信號的采集與整理、工件不平衡量(幅值和相位)提取、工件旋轉速度的調節(jié)和控制以及與上位機的數(shù)據(jù)通訊等功能;上位機負責整個系統(tǒng)運行的協(xié)調、管理和維護工作;鑒于平衡機工作場所電磁環(huán)境惡劣,上位機采用工控機,并與測控系統(tǒng)中的PLC共同放置于一個綜合控制機柜中。上位機一方面要接收各控制卡上傳的數(shù)據(jù),另一方面將設定參數(shù)、分析處理的結果傳送給相應控制卡。主要功能包括工件標定、誤差分析與補償、平衡參數(shù)智能分析、故障診斷、控制協(xié)調及用戶界面等,上位機與各控制卡的通訊采用RS232串行總線。全自動平衡機系統(tǒng)的控制流程對全自動平衡機的工作過程實施控制,主要是對工件(轉子)不平衡量的測量及校正兩個階段實施控制,達到全自動實現(xiàn)的目的?？刂七^程的流程圖見圖2。其中,測量夾具夾/松操作、旋轉夾具夾/松操作、銑刀轉/停操作均由PLC控制,而負責工件旋轉、進給的兩個步進電機和負責帶動銑刀快進/退、工進/退的步進電機的控制信號則由步進電機控制卡給出。由圖可以看出,全自動平衡機的工作過程主要包含兩個步驟:(1)不平衡量測量,信號處理,判斷工件是否合格,是則打印測試報告并結束,否則進行步驟2;(2)按控制策略去重,并轉步驟1,檢測工件是否已達標。在步驟1中工件的轉速、旋轉持續(xù)時間是本步驟控制的重點。因為工件的轉速會影響不平衡量的測量精度及旋轉持續(xù)時間(在加速度一定的情況下),旋轉持續(xù)時間決定了流水線的吞吐率。在工件加速旋轉過程中,分析測量信號,一旦測量信號穩(wěn)定若干周期即停止旋轉,并在減速過程中并行執(zhí)行其他控制動作的方法,經(jīng)實踐檢驗是一個合理可行的控制方法。在步驟2中,建立去重模型是關鍵,決定了去重時間(能否一次完成)和精度。各工步間的配合、優(yōu)化也是控制策略必須考慮的問題。另外,不同類工件進行動平衡前,標定操作也是控制過程的一個重要環(huán)節(jié);各工步的并行安排、優(yōu)化配合是提高系統(tǒng)效率、節(jié)能降耗的保證。圖控制流程圖R型銑削模型R型銑削由于去除不平衡量大、定位容易等優(yōu)點,在全自動平衡機中應用最廣泛。R型銑削去重模型示意圖如圖。不平衡量通常的表示方法為“克·毫米”,是一個矢量,指轉子校正平面一個點上的質量與該點到轉子軸心距離的乘積。由于去重質量為在圓周、徑向的分布,顯然采用去重質量乘以其質心到轉子軸心距離會有較大的誤差,實際上應是去重面上各點不平衡矢量的積分。同時考慮轉子圓周上其他因素的影響(如溝槽面的不規(guī)整度、表面的粗燥度等),去掉的不平衡量不可能是一個標準的拱形條塊,本系統(tǒng)采用的去重模型可表示為:W=k·ρ·1·h·α·x2,式中,k表示調整系數(shù);ρ表示轉子去重部分的密度;l表示銑削長度;h表示銑削深度;α表示去重圓心角(α=2arcsind2R,d為銑刀厚度);x表示不平衡量的矢量半徑,考慮徑向分布的影響x=(R-h/2);分析去重模型可以得出,銑削去重可按進給控制方式不同分為控制銑削深度和控制銑削長度兩種加工方法,實際應用過程中可根據(jù)工件具體要求做出選擇,并由軟件實施相應控制策略。如果第一次去重操作未能使工件動平衡達標,第二次乃至第三次的去重模型要更復雜。圖R型銑削模型圖3全自動動平衡機的系統(tǒng)構架本文針對根據(jù)市場需求，以單面立式硬支撐型飛輪平衡機為研究對象，為其設計自動測量系統(tǒng)，實現(xiàn)平衡量的自動測量與校正。根據(jù)現(xiàn)有資料，對其系統(tǒng)構架與機械結構進行了進一步的修改與完善，本章將對其進行詳細論述。平衡機的分類平衡機是用于測定轉子不平衡的機器。按其測量結果進行使正，以改善被平衡轉子的質量分市，使轉子運轉時軸頸的振動或作用于軸承的力減小到規(guī)定的范圍內(nèi)。平衡機的主要功能是測量，有時還附有校正裝置，以提高效率。由于平衡機的結構，工作原理，測量和顯示方式及平衡對象的不同，平衡機的種類也很多，目前國內(nèi)外都沒有統(tǒng)一的分類方法。但是如同轉子的不平衡一般分為靜不平衡和動不平衡一樣，平衡機也相應地分為靜平衡機和動平衡機兩大類。不言而喻，靜平衡機是用于測量轉子的靜不平衡，而動平衡機是用于測量轉子的動不平衡，并且也可用于測量轉子的靜不平衡或偶不平衡的特殊情況。按照不平衡量測量原理，平衡機又分為重力式平衡機和離心力式平衡機兩類。重力式平衡機是在轉子不旋轉狀態(tài)下，依靠轉子重力矩作用測量轉子靜不平衡的平衡機；而離心力式平衡機是在轉子旋轉狀態(tài)下，依靠測量由轉子不平衡離心力所引起支撐系統(tǒng)的振動或支撐所受的動載荷確定轉子不平衡的平衡機。重力式平衡機又可分為滾動式和天平式兩種[12]。習慣上所說的動平衡機系指離心力式雙面平衡機而言。離心力式平衡機按其結構和技術特點還有如下一些習慣分類方法：按平衡機轉子支撐系統(tǒng)的力學特性分類有軟支撐平衡機和硬支撐平衡機。軟支撐平衡機系指平衡轉速高于轉子支撐系統(tǒng)固有頻率的平衡機；而硬支承平衡機系指平衡轉速低于轉子支撐系統(tǒng)固有頻率的平衡機[13]。按平衡機上轉子軸線的狀態(tài)分類有臥式平衡機和立式平衡機。臥式平衡機系指在平衡機上轉子的軸線為水平狀態(tài)的平衡機；而立式平衡機系指在平衡機上轉子的軸線為豎立狀態(tài)的平衡機。按平衡機用途分類有通用平衡機，專用平衡機，質量定心機和現(xiàn)場平衡儀。通用平衡機系指在平衡機規(guī)定的轉子重量范圍內(nèi)，能平衡形狀；尺寸不同的多種轉子的平衡機；而專用平衡機是指在平衡機規(guī)定的轉子重量范圍內(nèi)，只能平衡單一種類轉子的平衡機；質量定心機是在轉子毛坯階段改變轉子質量分布使轉子的軸線盡量與中心主慣性軸一致，從而減小轉子的初始不平衡量的機器；現(xiàn)場平衡儀是在現(xiàn)場用于對已安裝好的整機或機組進行平衡測試的儀器。由于幾乎所有的測振儀均可用于現(xiàn)場平衡，所以現(xiàn)場平衡儀一般系指專門用于現(xiàn)場平衡的，可同時測量振幅與相位的儀器，而不包括可用于現(xiàn)場平衡的其他測量儀器。按所平衡轉子的力學特性分類，有剛性轉子平衡機和柔性轉子平衡機(即通常所說的高速平衡機。按測量方法，電路特點和不平衡量顯示裝置等分類，有機械式平衡機、電子式平衡機、閃光式平衡機、相敏檢波式平衡機和瓦特表式平衡機等。系統(tǒng)構架平衡機一般平衡機的主要功能是實現(xiàn)轉子不平衡量的檢測。而作為全自動機器中的平衡機不僅要檢測不平衡量，而且還要具備自動定位的功能，這就對平衡機的設計提出了更高的要求。平衡機可以分為機械支撐結構，驅動系統(tǒng)，信號檢測系統(tǒng)等部分。從支撐方式上劃分，平衡機可以分為軟支撐平衡機和硬支撐平衡機兩種形式，其中軟支撐平衡機可以認為振幅就是偏心距，要求系統(tǒng)的固有頻率遠小于轉子的工作轉速頻率；而硬支撐平衡機則是振幅與離心力成正比，要求系統(tǒng)的固有頻率遠大于轉子的工作轉速頻率。在綜合考慮了兩種支撐方式對振動信號的靈敏度，非線性度等影響因素后，本文采用了硬支撐方式的平衡機，即硬支撐平衡機。支撐部分包括支撐架、擺架、簧片以及鎖緊機構等部件。工件放置于擺架上，與擺架組成振動系統(tǒng)，在不平衡力的作用下作受迫振動。擺架與傳感器相連，通過傳感器將擺架的振動量轉換為電信號，輸入測量回路。支撐系統(tǒng)的動力特性直接關系到平衡機的性能，因此是平衡機結構設計的關鍵一環(huán)。平衡機上的驅動系統(tǒng)包括伺服電機、皮帶及皮帶輪等。選用伺服電機的原因是伺服電機在測量過程中能保持穩(wěn)定的轉速，并在自動定位的過程中，起到關鍵的定位控制作用。平衡機對皮帶輪的加工工藝以及安裝工藝要求比較高，如果皮帶輪存在加工和安裝誤差，則會在運轉過程中通過皮帶給轉子帶來周期性的干擾。同樣皮帶表面也要求光滑均勻，沒有接縫。信號的采集與處理直接決定了檢測結果的精確性，也決定了整個機器的處理效果。因此對于信號的采集與處理，進行了大量的實驗與研究。采用了硬件二階有源濾波、軟件時域平均算法、互相關算法等一系列的方法來去除各種干擾，提高檢測精度[14/15]。去重機去重機模塊包括移動工作臺與夾具兩部分。移動工作臺上安裝有刀具，是去重過程中的重要部件。移動工作臺可帶動刀具進行水平和垂直兩個方向的運動，以實現(xiàn)不同要求的切削量。為了提高切削量的精度，移動工作臺必須實現(xiàn)精準的兩自由度的移動。經(jīng)分析其重復定位精度應該控制在以內(nèi)。文中的移動工作臺中的絲杠將采用精密的滾珠絲杠，配合高剛度的直線導軌，可以保證精度要求。為了保證驅動與定位的可靠性與準確性，絲杠的驅動是利用伺服電機。這里的夾具部分分為固定裝置，夾緊裝置，及轉向裝置三部分。主要完成對轉子的固定夾緊，保證去重時轉子的穩(wěn)定?？刂葡到y(tǒng)全自動平衡機作為一種智能化的專業(yè)機器，不僅要求具有合理的機械結構而且需要一個合理高效的控制系統(tǒng)。由于整個系統(tǒng)中各個部分之間的相互依賴性，這樣就需要一個起協(xié)調作用的控制系統(tǒng)。本文