1 全自动平衡机系统的体系结构
一个不平衡的转子在其旋转过程中会对其支承结构和转子本身产生一个压力,并导致振动。因此,为了提高转子及其构成品的质量、减小噪声、减小振动、提高支承部件(轴承)的使用寿命、降低使用者的不舒适感、降低产品的功耗,使转子达到动平衡是非常必要的。全自动平衡机就是对转子在旋转状态下进行动平衡测量,计算不平衡量并实施校准(加重或去重),使之达到动平衡(剩余不平衡量在可容忍范围内)的机器装置。
高精度全自动动平衡机的实现,在于高精度的测量技术和高精度的去重技术。从测量技术原理上分,动平衡机可分为软支承动平衡机和硬支承动平衡机。软支承动平衡机支撑刚度低,传感器检测出的是与振幅成正比的不平衡量,为测幅型;硬支承动平衡机支撑刚度高,传感器检测出的是与离心力成正比的不平衡量,为测力型。由于硬支承动平衡机具有只需一次标定、通用性强等特点,近年来发展迅速,已成为动平衡机的主流。就平衡机的去重方式来讲,目前应用较多的有铣削去重和钻削去重[5-6]两种平衡校正方式。铣削去重效率高,容易实现自动化,在中小型电机自动平衡校正中应用最广泛;钻削去重通常用于手动操作校正或半自动的平衡校正。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1所示。
全自动动平衡机本体包括机械本体、动力部分(交流电机)、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。上位机软件基于DELPHI 7开发系统设计,采用面向对象技术完成[7]。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。
2 全自动平衡机系统的控制过程
2·1 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。
2·2 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[5]。R型铣削去重模型示意图如图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。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·ρ·1·h·α·x2,式中,k表示调整系数;ρ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;α表示去重圆心角(α=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。
3 实验结果及分析
本系统的一台样机于2007年在现场进行了较长时间的测试,表1给出了其中比较典型的实验数据。
测试数据表明: (1)研制的全自动平衡机系统能够成功实现不平衡转子的动平衡修正控制过程; (2)为提高转子一次修正通过率并减少最小可达剩余不平衡量,去重模型有待进一步完善; (3)各工步的并行安排有待进一步优化,以减少单件平衡时间,提高系统工作效率。
4 结 语
全自动动平衡机是一种机电一体化的复杂设备,开发难度较大。本文在研究动平衡机的工作原理及功能结构基础上,提出了一种全自动平衡机系统的组成与体系结构,并结合这种结构给出了系统的控制过程,对控制流程中的关键技术进行了分析,提供了控制策略中的去重模型,设计了串行数据通信协议。试验及实践结果均表明,研制的全自动平衡机系统较好地实现了对不平衡转子的动平衡修正。
参考文献:
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本文作者：栗久珍
