全自動動平衡校正機設(shè)計

1、<p>　　全自動動平衡校正機設(shè)計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　電機在設(shè)計、選材、制造、裝配等過程中不可避免的存在各種誤差，這些誤差會造成電機中轉(zhuǎn)子的質(zhì)心與旋轉(zhuǎn)中心不一致。這樣電機在高速運轉(zhuǎn)時就會產(chǎn)生振動，引起噪聲，影響機器運轉(zhuǎn)，減少使用壽命。因此必須對電機中的轉(zhuǎn)子進行動平衡。</p><p&g

2、t;　　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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計思想，多線程協(xié)調(diào)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</p><p>　　結(jié)構(gòu)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。</p><p>　　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

3、究基礎(chǔ)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(yīng)用方案。</p><p>　　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(cè)吃刀量分散度和銑刀刀尖過渡刃長度尺寸公差是轉(zhuǎn)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。</p><p>　　關(guān)鍵詞

4、動平衡，全自動平衡機，銑削用量</p><p>　　Automatic dynamic balance correction machine design</p><p>　　Author： Li Zheng</p><p>　　Tutor： Yun Kang </p><p><b>　　Abstract</b>

5、</p><p>　　Because of the inevitable errors in the design, the material selection, the manufacture and the assemble process of the motor; generally, the mass center of the motor rotor will deviate from the ro

6、tating center. When the motor operates at a high speed the vibration and the noise will be generated. The vibration is harmful because it will influence the operation and shorten the life of the motor. It is necessary to

7、 balance each motor rotor.</p><p>　　This thesis comprehensively considered relative merits of diversiform balancing machines of different automatic level at home and abroad, and developed one double working-

8、position type of automated dynamic balancing, which applies to micro-midi electric machine rotor’s R-milling balance correction.</p><p>　　To assure system accuracy, the writer focuses on the accuracy analysi

9、s of balancing correction system and proposition of resolution methods, founded on the accuracy control of balance measurement system which has been discussed in numerous literatures.</p><p>　　Firstly, relat

10、ive importance and control difficulties of various factors which impact on correction accuracy are analyzed in detail. The work reaches results that depth dispersion of side-cut and chamfered corner length tolerance of m

11、illing cutter tool nose are the main factors, as well as phase error and place deviation of correction plane.</p><p>　　Keywords: Dynamic Balancing, Automated Balancing Machine, Milling Dosa</p><p&

12、gt;<b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1課題背景及目的1</p><p>　　1.2國內(nèi)外研究狀況1</p><p>　　1.3課題研究內(nèi)容及要求3</p><p>　　2 轉(zhuǎn)子的動平衡原理

13、4</p><p>　　2.1轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不平衡的原因及其危害4</p><p>　　2.2不平衡的種類6</p><p>　　2.2.1靜不平衡6</p><p>　　2.2.2力偶不平衡6</p><p>　　2.2.3動不平衡6</p><p>　　2.2.4準靜不平衡7<

14、/p><p>　　2.3剛性轉(zhuǎn)子的動平衡原理7</p><p>　　2.4撓性轉(zhuǎn)子的動平衡原理8</p><p>　　2.5校正理論研究9</p><p>　　2.5.1全自動平衡機系統(tǒng)的組成9</p><p>　　2.5.2 全自動平衡機系統(tǒng)的控制流程10</p><p>　　2.5.3

15、 R型銑削模型11</p><p>　　3 全自動動平衡機的系統(tǒng)構(gòu)架13</p><p>　　3.1平衡機的分類13</p><p>　　3.2系統(tǒng)構(gòu)架14</p><p>　　3.2.1平衡機14</p><p>　　3.2.2去重機15</p><p>　　3.2.3控制系統(tǒng)

16、15</p><p>　　4 全自動動平衡機的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計16</p><p>　　4.1平衡機的傳動16</p><p>　　4.2平衡機驅(qū)動方式16</p><p>　　4.3平衡機的支撐方式17</p><p>　　4.4伺服電機的選擇與校核17</p><p>　　4.5

17、主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計19</p><p>　　4.6 軸承的選擇20</p><p>　　5 全自動動平衡機的測量理論研究21</p><p>　　5.1測量原理21</p><p>　　5.1.1直流分量22</p><p>　　5.1.2基波分量23</p><p>　　5.1.

18、3諧波分量24</p><p>　　5.1.4異頻分量和噪聲24</p><p>　　5.2動不平衡量的測量數(shù)學(xué)模型25</p><p>　　5.3數(shù)字信號處理方法27</p><p>　　5.3.1干擾信號分類27</p><p>　　5.3.2不平衡量提取方法28</p><p>

19、;　　5.3.3數(shù)字濾波方法29</p><p>　　6 全自動動平衡機的測試系統(tǒng)設(shè)計38</p><p>　　6.1測量系統(tǒng)的組成38</p><p>　　6.2系統(tǒng)部分硬件39</p><p>　　6.2.1振動傳感器39</p><p>　　6.2.2參考信號測量傳感器41</p>&

20、lt;p>　　6.2.3電荷放大器43</p><p>　　6.2.4增益控制45</p><p>　　6.2.5中心頻率跟蹤的窄帶濾波器設(shè)計45</p><p>　　6.2.6壓電信號調(diào)理電路設(shè)計51</p><p>　　6.2.7數(shù)據(jù)采集卡51</p><p>　　6.2.8程控放大電路的設(shè)計52

21、</p><p>　　7 總結(jié)與展望54</p><p><b>　　致 謝56</b></p><p><b>　　參考文獻57</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1課題背景及目的</p

22、><p>　　轉(zhuǎn)子由于設(shè)計、材質(zhì)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(zhuǎn)軸線，這種情況稱為轉(zhuǎn)子具有不平衡量。當(dāng)具有不平衡量的轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)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?xí)?dǎo)致事故;此外，振動還會通過軸承、機座傳到基礎(chǔ)，惡化附近的工作環(huán)境。由振動故障診斷結(jié)果統(tǒng)計表明，引起振動過大的激振力中有90%是轉(zhuǎn)子不平衡力，可見此問題比較突出，

23、所以必須對轉(zhuǎn)子進行動平衡，使其達到一定的標準。</p><p>　　動平衡是旋轉(zhuǎn)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(zhì)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(fù)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(zhì)量評定、總體生產(chǎn)效率以及企業(yè)的成本控制。</p><

24、p>　　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(shè)備生產(chǎn)研究相關(guān)人員討論參考，促進我國全自動平衡機的推廣和應(yīng)用。</p><p>　　1.2國內(nèi)外研究狀況</p><p>　　平衡機發(fā)展

25、迄今已經(jīng)有一百多年的歷史。1870年，加拿大人Henry Martinson申請了平衡技術(shù)的專利，拉開了平衡校正產(chǎn)業(yè)的序幕。1907年，F(xiàn)ranz Lawaczek博士把改良的平衡技術(shù)傳入德國，經(jīng)過Heynan的改進才應(yīng)用于工業(yè)，1915年，第一臺雙面平衡機面世。直到上世紀末40年代，所有的平衡工序都是在采用純機械的平衡設(shè)備上進行的。轉(zhuǎn)子的平衡轉(zhuǎn)速通常取振動系統(tǒng)的共振轉(zhuǎn)速，以使振幅最大。在這種方式下測量轉(zhuǎn)子平衡，測量誤差較大，也不安全。

26、隨著電子技術(shù)的發(fā)展和剛性轉(zhuǎn)子平衡理論的普及，五十年代后大部分平衡設(shè)備都采用了電子測量技術(shù)，平面分離電路技術(shù)的平衡機有效地消除了平衡工件左右面的相互影響，同時濾波技術(shù)的發(fā)展也使動平衡技術(shù)有了很大的提高。七十年代硬支承平衡機的出現(xiàn)可以認為是平衡機發(fā)展史上的一次飛躍。它采用靜態(tài)下的平衡尺寸設(shè)定，消除了傳統(tǒng)軟支承平衡機需頻繁的動態(tài)調(diào)整的不便，形成了永久定標的平衡機。八十年代，壓電傳感器技術(shù)又給平衡機的發(fā)展帶來一次革命。從發(fā)展趨勢看，采用這種技術(shù)

27、的平衡機在除高速、小型轉(zhuǎn)子的平衡以外的平衡領(lǐng)域基本取代了軟支承平衡機。九十年代以后，集成電路及電腦技術(shù)的突飛猛</p><p>　　傳統(tǒng)平衡機的主要功能是測量，校正工作常用其它設(shè)備或用手工完成。這種動平衡稱重和去重相分離的傳統(tǒng)校正策略，效率比較低、精度差、質(zhì)量不穩(wěn)定和加工成本高。從八十年代開始，在一些工業(yè)發(fā)達國家，由于先進的測量技術(shù)和數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用，出現(xiàn)了包括土料、測量、加工、質(zhì)量評價和分篩等多工位組

28、成的動平衡測量校正一體化設(shè)備，在校正效率、校正精度和校正質(zhì)量穩(wěn)定性等方面取得了長足的進展，成為動平衡校正技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展主流及方向。</p><p>　　現(xiàn)在，德國、日本的動平衡技術(shù)和設(shè)備在國際上處于絕對的領(lǐng)先地位。其中德國的申克公司和霍夫曼公司都是在動平衡領(lǐng)域中舉世聞名的廠家，他們的產(chǎn)品質(zhì)量在國際上都享有盛譽。申克公司的動平衡技術(shù)代表著日前的世界水平，其生產(chǎn)的平衡機具有精度高、性能穩(wěn)定、故障率低、效率高和所平衡

29、的轉(zhuǎn)子覆蓋面寬的優(yōu)勢;對于陀螺轉(zhuǎn)子的平衡(特別是高精度與微小型轉(zhuǎn)子方面)則占有絕對“優(yōu)勢”?；舴蚵镜膶嵙εc技術(shù)水平雖遠不及申克公司，但它在通用平衡技術(shù)與特大型轉(zhuǎn)子(幾十噸以上)的衡領(lǐng)域內(nèi)也是獨占鰲頭。日本的電測平衡機于1950年開始正式制造。其中國際計測器株式會社(簡稱KOKUSAI)是一個專門從事開發(fā)和生產(chǎn)汽車零部件及各種電機在線檢測儀器和設(shè)備的廠家。其主要產(chǎn)品有:各種半/全自動通用、專用動平衡機(包括輪胎電機轉(zhuǎn)子、飛輪、發(fā)動機曲

30、軸、連桿等)、軸類零件矯直機、齒輪嚙合精度測試儀、線圈測試儀、電機綜合性能測試儀(包括負載特性試驗機)、地震測試儀等。</p><p>　　國內(nèi)外動平衡理論及設(shè)備的研究始于1958年，與國外相比有較大的差距，經(jīng)過幾十年的努力，也取得了可喜的成就，不僅在剛性和撓性轉(zhuǎn)子平衡理論與方法上，作了大量研究，而且還開發(fā)了自己的平衡機系列產(chǎn)品，從幾克的微型機到幾百噸的重型機，高效率的自動機和自動線，精度在10-2微米數(shù)量級的高

31、精度平衡機和特殊要求的人造衛(wèi)星、導(dǎo)彈專用平衡機都能自己研制生產(chǎn)，目前國內(nèi)在動平衡領(lǐng)域從事研究，并形成實力的有華中科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)、第一汽車制造廠、清華大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、長春試驗機研究所等，而生產(chǎn)動平衡機的廠家也很多，產(chǎn)品種類也比較齊全，測量系統(tǒng)多是瓦特表式，而少數(shù)公司也采用單片機或微機測量系統(tǒng)，其中規(guī)模比較大的企業(yè)有上海申克試驗機有限公司、上海高橋試驗機有限公司、河北宣化試驗機廠、湖北孝感試驗機廠以及山東濟

32、南試驗機廠等。</p><p>　　在當(dāng)今隨著科技的迅猛發(fā)展，人們生活的節(jié)奏的不斷加快，計算機技術(shù)的日新月異，人們對機器設(shè)備精度要求的不斷提高，轉(zhuǎn)子的動平衡問題必將引起人們的廣泛關(guān)注，也必將得以進一步的發(fā)展。[1]</p><p>　　1.3課題研究內(nèi)容及要求</p><p>　　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

33、平衡機為研究對象，為其設(shè)計自動測量系統(tǒng)，實現(xiàn)平衡量的自動測量。</p><p>　　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[2, 3]。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

34、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。</p><p>　　2 轉(zhuǎn)子的動平衡原理</p><p>　　機器中繞軸線旋轉(zhuǎn)的零部件，稱為機器的轉(zhuǎn)子。如果一個轉(zhuǎn)子的質(zhì)量分布均勻，制造和安裝都合格，則運轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子不旋轉(zhuǎn)時一樣，只有靜壓力。這種旋轉(zhuǎn)與不旋轉(zhuǎn)時對軸承都只有靜壓力的轉(zhuǎn)子，稱為平衡的轉(zhuǎn)子。如果轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時對

35、軸承除有靜壓力外還附加有動壓力，則稱之為不平衡的轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)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]?，F(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。</p><p>　　2.1轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不平衡的原因及其危

36、害</p><p>　　轉(zhuǎn)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：</p><p>　　1、 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不對稱</p><p>　　平常我們也可以看到，不同旋轉(zhuǎn)機器的結(jié)構(gòu)是不同的，有很多旋轉(zhuǎn)部件的結(jié)構(gòu)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(shè)計人員設(shè)計方案的不同，曲軸的結(jié)構(gòu)

37、是多種多樣的；曲軸結(jié)構(gòu)上的不對稱，是有其工作特點所決定的，因此，設(shè)計上要求必須為曲軸設(shè)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。</p><p>　　2、 原材料或毛坯的缺陷</p><p>　　由于材料的缺陷，引起轉(zhuǎn)子的不平衡而導(dǎo)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

38、重皮和夾雜物，焊接結(jié)構(gòu)的焊縫不均勻等，都會引起轉(zhuǎn)子的不平衡或零件的失效。</p><p>　　3、 轉(zhuǎn)子加工和裝配有誤差</p><p>　　如果轉(zhuǎn)子在加工或裝配過程中存在誤差，也就改變了轉(zhuǎn)子繞軸線的質(zhì)量分布，也就破壞了轉(zhuǎn)子的不平衡狀態(tài)。例如：轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的不平衡。</p

39、><p>　　4、 機器在運轉(zhuǎn)過程中所產(chǎn)生的不平衡</p><p>　　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(zhuǎn)過程中溫度變化而產(chǎn)生的變形，由于機器運轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子原來的平衡狀態(tài)[6]。</p><p>　　5、 機器在維修過程中產(chǎn)生的不平衡</p><p>　　

40、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(shè)備落后，技術(shù)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(zhuǎn)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(jié)論，這些也是容易被人們忽視的原因之一。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

41、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(zhuǎn)速度的不斷提高，轉(zhuǎn)子的平衡問題，必須引起足夠的重視。</p><p>　　在多數(shù)情況下，機械振動是有害的，其危害性主要有：</p><p>　?。?）、使機器支撐受到動載荷的作用，影響支撐的正常工作。</p><p>　?。?）、動、靜部分磨損、基礎(chǔ)松裂，或使機器油管裂開、

42、自動調(diào)節(jié)器失效，致使機器要經(jīng)常修理或過早損壞。</p><p>　　（3）、擾動四周的機械設(shè)備和儀表，使調(diào)節(jié)裝置和保護系統(tǒng)有可能發(fā)生誤動作而使設(shè)備和儀表無法正常工作。</p><p>　?。?）、產(chǎn)生噪音，影響工作人員的身心健康。</p><p>　　如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)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

43、損壞。據(jù)報導(dǎo)，在1972年6月，日本關(guān)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]。</p><p>　　當(dāng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均勻引起的扳動約占70~80％。因此，失衡轉(zhuǎn)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。</p>&

44、lt;p><b>　　2.2不平衡的種類</b></p><p>　　轉(zhuǎn)子的不平衡可以作如下理解：當(dāng)轉(zhuǎn)子的中心主慣性軸線(慣量主軸)與旋轉(zhuǎn)軸線不重合時，我們就說轉(zhuǎn)子上存在不平衡。</p><p>　　轉(zhuǎn)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[8]。</p><p>　　2.2.1靜不平衡 </p&g

45、t;<p>　　在轉(zhuǎn)子存在靜不平衡時，不平衡只是作用在轉(zhuǎn)子的重心所在的徑向平面上。靜不平衡具有以下幾個特點：</p><p>　　1、 只要當(dāng)轉(zhuǎn)子的中心主慣性軸線相對于旋轉(zhuǎn)軸線平行位移時，轉(zhuǎn)子上就會存在靜不平衡。</p><p>　　2、 轉(zhuǎn)子存在靜不平衡時，其旋轉(zhuǎn)軸線與中心主慣性軸線是平行的。</p><p>　　3、 在轉(zhuǎn)子僅存在靜不平衡的情況下，

46、當(dāng)其旋轉(zhuǎn)時，在轉(zhuǎn)子上只存在通過重心的不平衡質(zhì)量所產(chǎn)生的離心力，靜不平衡力。而不平衡離心力偶為零。</p><p>　　4、 若轉(zhuǎn)子對于軸承是左右對稱的，則當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，靜不平衡力作用在兩軸承上的力是大小相等、方向相反，稱為對稱作用力。</p><p>　　5、 靜不平衡在靜止?fàn)顟B(tài)時可以觀察到，并可在重心平面內(nèi)與不平衡量反方向上加一單個重物進行校正。</p><p>

47、　　在宇航領(lǐng)域內(nèi)，靜不平衡常指重心偏移。歷史上，這種靜不平衡最早被覺察到。由于可以將轉(zhuǎn)子軸頸處在刀口上，不平衡點將移到部，這時即可用靜止方法觀察到，故用了“靜不平衡”一詞[9]。</p><p>　　2.2.2力偶不平衡 </p><p>　　力偶不平衡也稱力矩不平衡。在轉(zhuǎn)子的中心主慣性軸相對于旋轉(zhuǎn)軸線有一角位移、并與軸線相交于重心時存在的不平衡稱為轉(zhuǎn)子的力偶不平衡。通?？捎脙蓚€互為18

48、0 ?、相距一定距離、且大小相等的不平衡質(zhì)量來表示。宇航領(lǐng)域中常稱為“慣性積”。力偶不平衡在靜止?fàn)顟B(tài)下無法觀察到，只有在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時才能觀察，這時轉(zhuǎn)子上加有搖擺型振動，中心主慣性軸線相對于旋轉(zhuǎn)軸線是以錐形軌跡運動[10]。</p><p>　　2.2.3動不平衡 </p><p>　　動不平衡為力偶不平衡和靜不平衡的復(fù)合，中心主慣性軸與旋轉(zhuǎn)軸線既不平行也不重合是動不平衡中最常見的

49、情況。所以，動不平衡的特點是：</p><p>　　(1) 不平衡離心力不等于零；</p><p>　　(2) 不平衡離心力偶也不等于零。</p><p>　　動不平衡需要在垂直于軸線的兩個平面內(nèi)校正，必要時也可將力偶不平衡和靜不平衡分開進行校正。</p><p>　　2.2.4準靜不平衡 </p><p>　　準靜

50、不平衡是用于描述由于不位于重心平面內(nèi)的、以單一不平衡質(zhì)量為代表的不平衡。因為中心主慣性軸線與旋轉(zhuǎn)軸線交點不在重心上，所以準靜不平衡是靜不平衡與力偶不平衡復(fù)合的特例。</p><p>　　若已知準靜不平衡的精確平面，則可用單個校正質(zhì)量在這平面內(nèi)校正，否則需要像動不平衡那樣在兩個平面內(nèi)進行校正。</p><p>　　2.3剛性轉(zhuǎn)子的動平衡原理</p><p>　　在平衡

51、技術(shù)中，剛性轉(zhuǎn)子是指轉(zhuǎn)子是剛性的，即在重力和因質(zhì)量不平衡所產(chǎn)生的不平衡離心力作用下轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子。當(dāng)然，絕對剛性的轉(zhuǎn)子是不存在的，只有當(dāng)工作轉(zhuǎn)速遠低于轉(zhuǎn)子的第一臨界轉(zhuǎn)速時，由于不平衡離心力使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的變形很小，以至可以忽略不計，習(xí)慣上，對這樣的轉(zhuǎn)子就可以認為是剛性轉(zhuǎn)子。</p><p>　　在平衡實踐中，有些轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速很低，如人造衛(wèi)星的自旋速度等。在這種情況下，由不

52、平衡質(zhì)量所產(chǎn)生的不平衡離心力不大，這時也往往是把這類轉(zhuǎn)子作為剛性轉(zhuǎn)子進行處理。其動平衡原理如下：</p><p>　　1、 不管轉(zhuǎn)子的初始不平衡是如何分布的，總可以在預(yù)選的兩校正平面內(nèi)進行平衡校正。因為轉(zhuǎn)子上的不平衡重量與所加的平衡重量在旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的離心力都與轉(zhuǎn)速的平方成正比，因此剛性轉(zhuǎn)子的平衡與轉(zhuǎn)速無關(guān)。在某一轉(zhuǎn)速下平衡好的剛性轉(zhuǎn)子，其剩余不平衡量的值在其它轉(zhuǎn)速、以至最高工作轉(zhuǎn)速下，也不會顯著地超過其允許的剩

53、余不平衡量。</p><p>　　2 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子作動不平衡校正，而無需事先對轉(zhuǎn)子作靜平衡。這是因為靜止平衡好的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)動時仍可能不平衡，面在轉(zhuǎn)動時平衡好的轉(zhuǎn)子，在靜止時一定是平衡的。</p><p>　　剛性轉(zhuǎn)子的動平衡原理較

54、為簡單，但它是轉(zhuǎn)子動平衡的基礎(chǔ)，在熟悉剛性轉(zhuǎn)子的動平衡原理后，其它類型的轉(zhuǎn)子的動平衡也就不難掌握。</p><p>　　2.4撓性轉(zhuǎn)子的動平衡原理</p><p>　　在平衡技術(shù)中，把凡是不符合剛性轉(zhuǎn)子定義的轉(zhuǎn)子，統(tǒng)稱為撓性轉(zhuǎn)子。具體地講，對于工作轉(zhuǎn)速接近或高于轉(zhuǎn)子自身的第一臨界轉(zhuǎn)速，這時的轉(zhuǎn)子都應(yīng)稱為撓性轉(zhuǎn)子。例如套裝式葉輪的汽輪機轉(zhuǎn)子、大多數(shù)發(fā)電機轉(zhuǎn)子。特別是隨著近代機械工業(yè)的發(fā)展，出

55、現(xiàn)了一些長徑比很大的轉(zhuǎn)子，如大型化工設(shè)備中的某些轉(zhuǎn)子、燃汽輪轉(zhuǎn)子等，這些轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速很低，但工作轉(zhuǎn)速很高，因此部有可能在高于二階或三階臨界轉(zhuǎn)速下工作。在這種工作狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子已呈現(xiàn)撓曲狀，因此，這時若再如剛性轉(zhuǎn)子那樣，平衡時不考慮轉(zhuǎn)子的撓曲變形，那末平衡后往往就得不到預(yù)期的效果，而且有時還會出現(xiàn)愈平衡情況愈糟。</p><p>　　撓性轉(zhuǎn)子的動平衡原理簡述如下：</p><p>　　1、

56、失衡撓性轉(zhuǎn)子的動撓度隨轉(zhuǎn)速的變化而變化。因此，撓性轉(zhuǎn)子不僅要求在工作轉(zhuǎn)速下平衡，而且要在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都應(yīng)進行動平衡校驗。</p><p>　　2、 在接近臨界轉(zhuǎn)速時，撓性轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子在這一臨界轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子在整個工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)也就平衡了。<

57、;/p><p>　　3、 撓性轉(zhuǎn)子上平衡配重塊的加置，不但應(yīng)使軸承處的動反力為零，而且還應(yīng)使轉(zhuǎn)子所受的撓矩為零(或最小)，這樣轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(cè)位置處加上平衡配重，就可以不使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生撓曲變形，轉(zhuǎn)子也達到平衡。</p><

58、;p>　　4、由于不平衡離心力所引起的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子上的不平衡狀況。</p><p>　　此外，在撓性轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子在安裝l~2級葉輪后先在低速下進行平衡校正，使轉(zhuǎn)子的撓矩減至最小。裝好葉輪后再對每個轉(zhuǎn)子進行高速平衡校正，這樣用每個平衡好的轉(zhuǎn)子組裝后的汽輪機組一般就不需再進行現(xiàn)

59、場平衡(軸系平衡 [11]。</p><p><b>　　2.5校正理論研究</b></p><p>　　2.5.1全自動平衡機系統(tǒng)的組成</p><p>　　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</p><p>　　系統(tǒng)、 上位機三大部分構(gòu)成 ，如圖所示。</p>&

60、lt;p>　　圖2.1 系統(tǒng)組成圖</p><p>　　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(gòu) (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(qū)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(diào)控制卡、 PLC等構(gòu)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(zhuǎn)速度的調(diào)節(jié)和控制以及與

61、上位機的數(shù)據(jù)通訊等功能;上位機負責(zé)整個系統(tǒng)運行的協(xié)調(diào) 、 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(shè)定參數(shù)、 分析處理的結(jié)果傳送給相應(yīng)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(diào)及用戶界面等 ,上位機與各控制卡的通訊采用 RS232串行總線。</p>

62、;<p>　　2.5.2 全自動平衡機系統(tǒng)的控制流程</p><p>　　對全自動平衡機的工作過程實施控制 ,主要是對工件 (轉(zhuǎn)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。控制過程的流程圖見圖 2。其中 ,測量夾具夾/松操作、 旋轉(zhuǎn)夾具夾/松操作、 銑刀轉(zhuǎn)/停操作均由 PLC控制 ,而負責(zé)工件旋轉(zhuǎn)、 進給的兩個步進電機和負責(zé)帶動銑刀快進/退、 工進/退的步進電機的控制信號則由

63、步進電機控制卡給出。由圖 2.2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(jié)束 ,否則進行步驟 2; (2)按控制策略去重 ,并轉(zhuǎn)步驟 1,檢測工件是否已達標。</p><p>　　在步驟1中工件的轉(zhuǎn)速、 旋轉(zhuǎn)持續(xù)時間是本步驟控制的重點。因為工件的轉(zhuǎn)速會影響不平衡量的測量精度及旋轉(zhuǎn)持續(xù)時間 (在加速度一定的情況下 ) ,旋轉(zhuǎn)持續(xù)時

64、間決定了流水線的吞吐率。在工件加速旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn) ,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。</p><p>　　在步驟2中 ,建立去重模型是關(guān)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。</p><p>　　另外 ,不同類工件進行動平衡前 ,標定

65、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。</p><p>　　圖2.2 控制流程圖</p><p>　　2.5.3 R型銑削模型</p><p>　　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(yīng)用最廣泛。R型銑削去重模型示意圖如圖 2.3。不平衡量通常的表示方法為“ 克·毫米 ”

66、,是一個矢量 ,指轉(zhuǎn)子校正平面一個點上的質(zhì)量與該點到轉(zhuǎn)子軸心距離的乘積。由于去重質(zhì)量為在圓周、徑向的分布 ,顯然采用去重質(zhì)量乘以其質(zhì)心到轉(zhuǎn)子軸心距離會有較大的誤差 ,實際上應(yīng)是去重面上各點不平衡矢量的積分。同時考慮轉(zhuǎn)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·x

67、2,式中 , k表示調(diào)整系數(shù);ρ表示轉(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)控制策略。如果第一次去重操作未能使工件動平衡

68、達標 ,第二次乃</p><p>　　圖2.3 R型銑削模型圖</p><p>　　3 全自動動平衡機的系統(tǒng)構(gòu)架</p><p>　　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(shè)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(gòu)架與機械結(jié)構(gòu)進行了進一步的修改與完善，本章將對其進行詳細論述。</p><p

69、><b>　　3.1平衡機的分類</b></p><p>　　平衡機是用于測定轉(zhuǎn)子不平衡的機器。按其測量結(jié)果進行使正，以改善被平衡轉(zhuǎn)子的質(zhì)量分市，使轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)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。</p><p>　　由于平衡機的結(jié)構(gòu)，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

70、前國內(nèi)外都沒有統(tǒng)一的分類方法。但是如同轉(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)子的靜不平衡，而動平衡機是用于測量轉(zhuǎn)子的動不平衡，并且也可用于測量轉(zhuǎn)子的靜不平衡或偶不平衡的特殊情況。</p><p>　　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(zhuǎn)子不旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，依靠轉(zhuǎn)子重力矩作用測量轉(zhuǎn)子靜不平衡

71、的平衡機；而離心力式平衡機是在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，依靠測量由轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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]。</p><p>　　習(xí)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(jié)構(gòu)和技術(shù)特點還有如下一些習(xí)慣分類方法：</p><p>　　按平衡機轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)的力學(xué)特性分類有軟支撐平衡機和硬支撐平衡

72、機。軟支撐平衡機系指平衡轉(zhuǎn)速高于轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速低于轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)固有頻率的平衡機[13]。</p><p>　　按平衡機上轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子的軸線為豎立狀態(tài)的平衡機。</p><p>　　按平衡機用途分類有通用平衡機，專用平衡機，質(zhì)量定心機和

73、現(xiàn)場平衡儀。通用平衡機系指在平衡機規(guī)定的轉(zhuǎn)子重量范圍內(nèi)，能平衡形狀；尺寸不同的多種轉(zhuǎn)子的平衡機；而專用平衡機是指在平衡機規(guī)定的轉(zhuǎn)子重量范圍內(nèi)，只能平衡單一種類轉(zhuǎn)子的平衡機；質(zhì)量定心機是在轉(zhuǎn)子毛坯階段改變轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布使轉(zhuǎn)子的軸線盡量與中心主慣性軸一致，從而減小轉(zhuǎn)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

74、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。</p><p>　　按所平衡轉(zhuǎn)子的力學(xué)特性分類，有剛性轉(zhuǎn)子平衡機和柔性轉(zhuǎn)子平衡機(即通常所說的高速平衡機。</p><p>　　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。 </p><p><b>　　3.2系統(tǒng)構(gòu)架&

75、lt;/b></p><p><b>　　3.2.1平衡機</b></p><p>　　一般平衡機的主要功能是實現(xiàn)轉(zhuǎn)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(shè)計提出了更高的要求。平衡機可以分為機械支撐結(jié)構(gòu)，驅(qū)動系統(tǒng)，信號檢測系統(tǒng)等部分。</p><p>　　從支撐方式上劃分

76、，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(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)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。</p><p>　　支撐部分包括支撐架、擺架、簧片以及鎖緊機構(gòu)等部件。工件放置于擺架

77、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(zhuǎn)換為電信號，輸入測量回路。支撐系統(tǒng)的動力特性直接關(guān)系到平衡機的性能，因此是平衡機結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵一環(huán)。</p><p>　　平衡機上的驅(qū)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(zhuǎn)速，并在自動定位的過程中，起到關(guān)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

78、高，如果皮帶輪存在加工和安裝誤差，則會在運轉(zhuǎn)過程中通過皮帶給轉(zhuǎn)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。</p><p>　　信號的采集與處理直接決定了檢測結(jié)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(guān)算法等一系列的方法來去除各種干擾，提高檢測精度[14/ 15]。</p><p>

79、;<b>　　3.2.2去重機</b></p><p>　　去重機模塊包括移動工作臺與夾具兩部分。</p><p>　　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(fù)定位精度應(yīng)該控制在0.02mm以內(nèi)。文中的移動工作臺中

80、的絲杠將采用精密的滾珠絲杠，配合高剛度的直線導(dǎo)軌，可以保證精度要求。為了保證驅(qū)動與定位的可靠性與準確性，絲杠的驅(qū)動是利用伺服電機。</p><p>　　這里的夾具部分分為固定裝置，夾緊裝置，及轉(zhuǎn)向裝置三部分。主要完成對轉(zhuǎn)子的固定夾緊，保證去重時轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定。</p><p><b>　　3.2.3控制系統(tǒng)</b></p><p>　　全自動平衡機

81、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(jié)構(gòu)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(diào)作用的控制系統(tǒng)。本文擬采用工業(yè)生產(chǎn)中通用的PLC作為整個機器的核心控制器。PLC將控制平衡機、振動采樣模塊和移動工作臺，進行協(xié)調(diào)的工作。</p><p>　　本文中的全自動平衡機作為一種針對實際工業(yè)生產(chǎn)的自動化機器，要求必需滿足工業(yè)生產(chǎn)所必然遇到的種種苛刻工況，如電網(wǎng)電壓

82、的波動、生產(chǎn)車間的電磁干擾、廠房溫度的高低變化和灰塵濕度等對電器及機械結(jié)構(gòu)的腐蝕等等。因此在構(gòu)建控制系統(tǒng)的時候，本文從工程實際出發(fā)，主控制器放棄廉價的單片機，而選用性能上更加可靠成熟的PLC。這樣雖然在成本上有所提高，但是降低了機器在開發(fā)過程中的難度，加快了開發(fā)進程，同行的穩(wěn)定性打下了基礎(chǔ)。</p><p>　　4 全自動動平衡機的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　任何一種機器都必需要有

83、與之相適應(yīng)的機械結(jié)構(gòu)作為支撐。從設(shè)計者的角度來看，其結(jié)構(gòu)不僅僅應(yīng)該滿足功能上的要求，而且還要考慮到實際應(yīng)用中操作的方便性、拆裝的靈活性、部件調(diào)整的互換性、設(shè)備日后升級的預(yù)留空間以及加工過程的可實現(xiàn)性。作為一個合格的設(shè)計者應(yīng)該充分考慮到上面所列種種要求，針對各個具體的部件進行設(shè)計。</p><p><b>　　4.1平衡機的傳動</b></p><p>　　平衡機的傳動

84、問題，應(yīng)考慮傳遞功率及變換轉(zhuǎn)速兩方面。由于被平衡工件重量有一個變化范圍，通常最重工件重量為最輕工件的10~100倍，因此平衡轉(zhuǎn)速通常應(yīng)有兩種以上。考慮到平衡測量靈敏度隨平衡轉(zhuǎn)速增高而增高，較輕的轉(zhuǎn)子要求較高的測量靈敏度。又考慮到轉(zhuǎn)子重量越大，要求驅(qū)動轉(zhuǎn)矩也越大。當(dāng)電動機功率一定時，驅(qū)動轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比。因此，當(dāng)被平衡工件重量輕時，應(yīng)采用高的平衡轉(zhuǎn)速；工件重時則應(yīng)采用低平衡轉(zhuǎn)速。故在本設(shè)計中采用伺服電動機控制轉(zhuǎn)速。</p>

85、<p>　　本設(shè)計采用同步齒形帶傳動。同步齒形帶是內(nèi)周帶齒的聚氨酯膠帶，它比一般的三角膠帶柔軟得多，因而對平衡機的干擾很小。由于通過齒嚙合傳功，故有嚴格不變的傳動比，絕無一般帶傳動的打滑現(xiàn)象。缺點是帶輪加工及中心距要求較高，傳遞功率不太大。</p><p>　　還應(yīng)強調(diào)指出，所有傳動件的設(shè)計中，都應(yīng)對旋轉(zhuǎn)零部件的平衡精度提出適當(dāng)?shù)囊蟆Ｌ貏e是對轉(zhuǎn)速與平衡轉(zhuǎn)速接近的零部件，平衡精度應(yīng)要求高些。這樣才能盡量

86、減小平衡機的干擾，提高平衡機的平衡精度。</p><p>　　4.2平衡機驅(qū)動方式</p><p>　　這里所說的驅(qū)動方式，系指使被平衡工件以給定的平衡轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動的方式。此時，驅(qū)動件 (或驅(qū)動力矩)與被驅(qū)動件——工件有直接聯(lián)系。驅(qū)動方式主要有：聯(lián)軸節(jié)驅(qū)動、圈帶驅(qū)功、滾輪摩擦驅(qū)動、壓縮空氣驅(qū)動、電磁驅(qū)動以及自驅(qū)動。前三種屬機械驅(qū)動方式，后三種屬非機械驅(qū)動方式。</p><p

87、>　　聯(lián)軸節(jié)驅(qū)動是應(yīng)用最廣的一種驅(qū)動方式，從重量100克到數(shù)百噸的工件，都可采用這種方式驅(qū)動。尤其是重量500公斤以上的轉(zhuǎn)子。因需要大的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，就必須用這種驅(qū)動方式。</p><p>　　根據(jù)設(shè)計要求，設(shè)計中采用十字銷聯(lián)軸節(jié)加套軸。其結(jié)構(gòu)特點是聯(lián)軸節(jié)節(jié)叉兩端為通常的虎克接頭。在傳動中十字銷將受很大載荷必須有足夠的強度。為避免叉形體的離心力局部過大，使它受力比較均勻，各方向強度大致相等。有時將叉形體制成環(huán)形

88、，這種聯(lián)軸節(jié)可傳遞較大的轉(zhuǎn)矩，還具有裝配時容易調(diào)節(jié)聯(lián)軸節(jié)本身同心等優(yōu)點，因而常用于較重工件的驅(qū)動。</p><p>　　此外，生產(chǎn)上要求平衡精度高時，聯(lián)軸節(jié)就應(yīng)設(shè)計得輕巧些，同時要保證工件按預(yù)定的時間啟動和停車。在大批量生產(chǎn)中，要求聯(lián)軸節(jié)使用壽命長，性能穩(wěn)定。在對平衡精度要求不太高的情況下，聯(lián)軸節(jié)設(shè)計應(yīng)保證有足夠的強度裕度，同時還應(yīng)便于操作。</p><p>　　4.3平衡機的支撐方式&l

89、t;/p><p>　　立式平衡機的支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式隨著機型不同，其結(jié)構(gòu)也不一樣，但基本都由轉(zhuǎn)子聯(lián)接盤(或稱工作臺)，旋轉(zhuǎn)主軸和彈簧支撐元件組成。</p><p>　　動平衡機的支承系統(tǒng)除上述幾個主要元件—支撐元件、支撐架、彈性元件，擺架座外還有擺架鎖緊機構(gòu)；托架高度調(diào)整機構(gòu)；保持架和擺架移動機構(gòu)等。動平衡機支撐系統(tǒng)動力特性，元件的設(shè)計制造和裝配精度好壞直接關(guān)系到平衡機的性能和精度。因此，支撐系

90、統(tǒng)元件結(jié)構(gòu)形式選擇，設(shè)計計算、加工制造和安裝，以至于使用和維護都是很重要的。</p><p>　　單面立式硬支撐型飛輪平衡機主要采用彈性元件。彈件元件是平衡機支撐系統(tǒng)的主要元件，轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)的力學(xué)特性主要是由彈性元件的剛度和系統(tǒng)參振質(zhì)量(主要是轉(zhuǎn)子質(zhì)量)及其分布決定的。平衡機支撐系統(tǒng)的彈性元件一般有兩種主要結(jié)構(gòu)形式。一種是彈簧桿，另一種是彈簧板(或彈簧片)。彈性元件的彈性，線性和穩(wěn)定性好壞都與平衡機的性能有直接關(guān)

91、系，因此，無論是設(shè)計，創(chuàng)造和使用平衡機時都應(yīng)特別注意。在使用平衡機時，特別是安放轉(zhuǎn)子時，不應(yīng)使彈件元件受到激烈沖擊，避免彈性元件受到損傷。</p><p>　　4.4伺服電機的選擇與校核</p><p>　　步進電機是一種離散運動的裝置，它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進電機的應(yīng)用十分廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機也越來越多地應(yīng)用于數(shù)字

92、控制系統(tǒng)中。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢，運動控制系統(tǒng)中大多采用步進電機或全數(shù)字式交流伺服電機作為執(zhí)行電動機。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號），但在使用性能和應(yīng)用場合上存在著較大的差異?，F(xiàn)就二者的使用性能作一比較。</p><p>　　1、 控制精度不同 </p><p>　　兩相混合式步進電機步距角一般為3.6°、 1.8°，五相混合式步進電機步距角一般為0

93、.72 °、0.36°。也有一些高性能的步進電機步距角更小。如四通公司生產(chǎn)的一種用于慢走絲機床的步進電機，其步距角為0.09°；德國百格拉公司（BERGER LAHR）生產(chǎn)的三相混合式步進電機其步距角可通過撥碼開關(guān)設(shè)置為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了兩相和五

94、相混合式步進電機的步距角。</p><p>　　交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以松下全數(shù)字式交流伺服電機為例，對于帶標準2500線編碼器的電機而言，由于驅(qū)動器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為360°/10000=0.036°。對于帶17位編碼器的電機而言，驅(qū)動器每接收217=131072個脈沖電機轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當(dāng)量為360°/131072=9.89秒。是步距

95、角為1.8°的步進電機的脈沖當(dāng)量的1/655。 </p><p><b>　　2、 低頻特性不同</b></p><p>　　步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。振動頻率與負載情況和驅(qū)動器性能有關(guān)，一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現(xiàn)象對于機器的正常運轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進電機工作在低速時，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來克服

96、低頻振動現(xiàn)象，比如在電機上加阻尼器，或驅(qū)動器上采用細分技術(shù)等。</p><p>　　交流伺服電機運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點，便于系統(tǒng)調(diào)整。</p><p><b>　　3、矩頻特性不同 </b></p><p>　

97、　步進電機的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300～600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000RPM或3000RPM）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。</p><p><b>　　4、過載能力不同 </b></p><p>　　步進電機一般不具有過載能力。交流伺服電機具有較強的

98、過載能力。以松下交流伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。步進電機因為沒有這種過載能力，在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機，而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費的現(xiàn)象。</p><p><b>　　5、運行性能不同 </b></p><p>　　步進電

99、機的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問題。交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進電機的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。</p><p>　　6、 速度響應(yīng)性能不同 </p><p>　　步進電機從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（

100、一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要200～400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，可用于要求快速啟停的控制場合。</p><p>　　綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進電機。但在一些要求不高的場合也經(jīng)常用步進電機來做執(zhí)行電動機。所以主軸電機選用4KW步進電機，渦輪蝸桿選用400W交流伺服電機。</p><p>　　4.5 主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　已知

101、電動機功率P=4KW，轉(zhuǎn)速n1=1450r/min.模m=2，z1=17，z2=23</p><p>　　(1)求軸上的功率P3、轉(zhuǎn)速n3和轉(zhuǎn)矩T3</p><p>　　若取每級齒輪傳動的效率η1=0.97，帶傳動效率η2=0.98則</p><p>　　P3=Pη12η2=4x0.972x0.98 KW=3.69KW</p><p>　　n

102、3=n1/i=1450x（17/23）r/min=1071.7r/min</p><p>　　T3=9550000x（P3/n3）=9550000x(3.69/1071.7)N.mm=32881.9 N.mm</p><p>　　(2)求作用在渦輪上的力</p><p>　　d2=mz2=2x23 mm=46 mm</p><p>　　Ft=

103、2T3/d2=2x32881.9/46 N=1429.6N</p><p>　　(3)初步確定軸的最小直徑</p><p>　　選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。據(jù)《機械設(shè)計》表15-3，取A0=112，于是得：</p><p>　　dmin=A0（P3/n3）1/3=112x（3.69/1071.7）1/3 mm=16.9 mm</p><p&g

104、t;　　軸的最小直徑顯然是安裝帶輪處的軸的直徑da。</p><p><b>　　(4)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計</b></p><p>　　取da=45mm，由于此處要安裝帶輪和固定螺母，所以取la=98mm；由于帶輪要固定，所以應(yīng)在軸上帶輪處設(shè)一軸肩取db=48mm，lb=43mm；過此處要安裝軸承，故取dc=50mm，lc=22mm；為固定軸承要設(shè)一軸肩，故取dd=54mm

105、，ld=166mm；下處要安裝軸承，故取de=55mm，le=23mm；為固定軸承設(shè)一軸肩取df=60mm，lf=261mm；在軸的最上端設(shè)一軸臺取dg=130mm，lg=12mm。軸的結(jié)構(gòu)圖如附表一所示。</p><p>　　4.6 軸承的選擇</p><p>　　直徑50mm的軸承的選擇，此處軸承選用角接觸球軸承，型號為7210C。直徑55mm的軸承的選擇，此處軸承選用角接觸球軸承

106、，型號為7211C。直徑80mm的軸承的選擇（一），此處軸承選用圓錐滾子軸承，型號為30216。直徑80mm的軸承的選擇（二），此處軸承選用深溝球軸承，型號為6216。</p><p>　　5 全自動動平衡機的測量理論研究</p><p>　　動平衡機要正常運行，一方面需要支持的機械結(jié)構(gòu)，另一方面需要測試系統(tǒng)完成其他工作，本章將對全自動動平衡機的測量理論研究。</p>&l

107、t;p><b>　　5.1測量原理</b></p><p>　　回轉(zhuǎn)物體上的不平衡量所產(chǎn)生的離心力使得平衡機作有規(guī)則的振動，振動的物理量如位移、速度或加速度經(jīng)相應(yīng)的傳感器(位移、速度或加速度傳感器)轉(zhuǎn)換成電量形式輸出[16]。這里，假設(shè)傳感器的輸出信號為：</p><p><b>　　（5-1）</b></p><p&g

108、t;　　式中 傳感器輸出的直流分量；</p><p>　　基波分量，即待測得不平衡信號；</p><p><b>　　不平衡信號的幅值；</b></p><p>　　不平衡信號的起始相角；</p><p>　　相應(yīng)工作轉(zhuǎn)速下的角頻率；</p><p>　　傳感器輸出的各次諧波分量；</p