0 简述
在机械加工等领域中,经常要用到旋转体(如砂轮等)对工件进行加工、处理。由于旋转体的重心与旋转中心不可能完全重合,当其旋转时就会产生不平衡。由此不平衡量产生的机械振动对工件加工质量有着很大的影响。严重时甚至可能使加工的正圆工件变成多棱形,并使旋转体的主轴寿命大幅度降低。所以近来人们对此不平衡量要求越来越严格。然而对其动态不平衡量的测量是比较困难的。以往总是靠一些估计和经验的方法进行调整,很难达到精度要求。本文介绍了一种可在机械转动时,在动态下精确地测量旋转体不平衡量及不平衡点位置的一种仪器,及其工作原理和调整过程。
1 主要应用范围
(1)磨加工行业的砂轮平衡;
(2)制冷等行业的风扇叶轮、叶片平衡;
(3)轴承、拖拉机、鼓风机、卡盘试验机等制造业。
2 特性及特点
2.1 动态测量范围宽
对旋转体不平衡量的测量,首先要测出它的转速。但不同的旋转体转速又有很大差别,一般仪器很难兼顾如此大的测速范围。由于本仪器采用霍尔器件拾取旋转体转速信号,并在电路设计中应用锁相环技术,使得仪器具有很强的适应性,对于转速在800～18000r/min的旋转体均能锁定,适应了多个行业的要求。
2.2 灵敏度高
动平衡仪对相对误差要求较高,旋转体振动位移信号由一支磁电式速度传感器测出,该传感器被紧固在振动体上,其外壳随振动体一起振动,位于气隙间的线圈切割磁力线,发出正比于振动速度的电势。该电势由导线输入测振仪,直接放大,可测量速度,再经过微分或积分网络,便可测量加速度和位移。它的优点是灵敏度高、量程大、无相位差、接触力小而恒定,在锁相锁定的频率内有着良好的环幅频和相频特性。所以能达到很高的精度,可平衡到0.1μm,且在高端量程可达200μm以上,完全满足不同振动量的机械振动的测量。
2.3 抗干扰性强
在许多微小振动量的高精度测量中,电气噪音往往会淹没较小的测量信号,以至仪器无法反应被测体的实际情况。这样会造成错误的调整,甚至使调整无法进行。本仪器全部采用低功耗、低漂移器件以及高集成化芯片,把电气干扰降到了最小。更加关键的是仪器使用了数字滤波技术,使仪器抗干扰性能更加可靠。
2.4 使用方便
仪器采用便携式设计,使得体积只有一只小皮箱大小,可由一人方便携带。在各种场合和环境下均可使用。图1为仪器的显示面板。
图1中“振动量”窗口显示被测体的不平衡量值。左侧“位置”窗口有16个LED发光二极管,可以指示不平衡点相对测量点的方位。这样就可以精确地确定出不平衡点的位置及其振动量的大小,调节十分方便。另有一个“量程”按钮,可以在大、小量程之间切换。“锁定”按钮按下后,仪器“位置”指示灯在测量停止后,仍能显示。由于测量是在动态环境下进行的,而调整是在旋转体停转后的静态环境下进行,有“锁定”按钮后,就可使操作员在设备停转后,调节时不至于忘掉不平衡点的位置。
3 工作原理
图2是工作原理图。由图2可以看出仪器由磁电式速度传感器、霍尔传感器和电器部分组成。速度传感器测量出的振动信号以及霍尔传感器测量出的转速及相位基准点信号,由电路部分处理后显示出振值的大小和峰值相位。
3.1 转速的测量
由霍尔传感器测得的转速信号送入锁相环电路,锁相环将被测体的频率锁定后,经倍频器输出两路同步信号,一路供数字式跟踪滤波器作同步跟踪滤波;另一路供相位检测器作相位同步基准。
3.2 振动量的测量
测振传感器为速度传感器,测出的被测体速度振动信号经前置电路积分,变为位移振动信号,放大处理后进入数字式跟踪滤波器,跟踪滤波器是以被测体的频率信号为基准的,可以滤掉所有的与被测体不同频的杂波信号,同时保证被测体的频率信号无相移失真地通过,再经低通滤波送入模/数转换器,经LED数显指示出振动信号的幅值。
3.3 相位检测
跟踪滤波器输出的被测体振动信号同时送入比较器,由比较器输出被测体振动信号的相位信号。在相位检测器中与倍频器输出的相位同步基准信号相比较,得出被测体振动的相位信号与基准相位信号之差,经LED灯指示。此点即为被测体的不平衡点。
4 调整过程
以平衡磨床砂轮为例,说明仪器的安装和调节过程,其它旋转体的测量可以以此类推。图3为安装测量示意图。
4.1 传感器的安装
如图3所示,磨床床身前端的砂轮可以高速旋转,但砂轮本身由于质地不均匀等原因,造成质量分布不均,旋转时会产生正弦规律的振动。但我们可以通过仪器测量的结果,调整砂轮上的平衡块,以便调整砂轮的重心,达到平衡的目的。
(1)测振传感器的安装 通过螺栓可以把测振传感器固定到床头靠近砂轮一侧的螺孔内,测头要对准轴心;手持传感器也可以测量,但要保证传感器稳定接触工件。
(2)霍尔传感器的安装 将小磁块吸到砂轮的金属部位,所处的半径要尽量小些,以免速度太高将磁块甩出。磁体带标记一面对着测速传感头。磁块与测头保持2mm左右的距离。这样砂轮每转1圈,小磁块就通过测速传感头1次,测速传感器根据具体情况安在被测体轴向或径向,但必须保持与测振传感器处于同一平面上,如图3所示,否则相位不准。用磁力表架作安装装置比较方便。
磁块和测速传感器安装后,来回移动砂轮,观察仪器面板上的相位指示,发光二极管来回跳动,说明安装正确。
4.2 测量及调整
待各连线、传感器安装完毕,启动砂轮,仪器明确给出砂轮不平衡量的振值和方位。然后,关掉机床根据LED不平衡点显示的位置调整平衡滑块。平衡滑块重量的配置由仪器显示的振动量决定。如果调整后仍没有达到理想状态,可设置仪器到小量程,再进行微小的调整,直到满足要求为止。
相位指标灯亮即是不平衡量重心所在方位,仪器的基准点到灯亮的角度与砂轮上磁体到重心的位置相对应。砂轮以磁体为参考点(即0°),砂轮的调整方向与我们所观察的转向有关,当其顺转时角度按逆时针分布;当其逆转时角度按顺时针分布,如图4所示。
5 技术指标
测量转速范围:800～18000r/min
测量幅值范围:0.01～20.00μm(小量程档)0.1～200μm(大量程档)
电 源:220V/0.1A/50Hz
体 积:220mm×100mm×240mm
重 量:4kg
6 用户使用情况
本仪器已在多个行业进行了实际应用,均取得了较好的效果。该仪器价格低廉、可靠性高。整机生产已5年,技术上日趋成熟。目前,已成为我所主要创利产品之一,取得了良好的经济效益,具有较高的推广应用价值。
参考文献
[1] 王树勋.数字信号处理技术.吉林工业大学出版社.
[2] [美]J.R.约翰逊.有源滤波器精确设计手册.电子工业出版社.
[3] National Semiconductor. Data Conversion/Acquisition.
作者：王宏涛(洛阳轴承研究所仪器开发部)
