專利名稱：一種摩擦型全自動高速主軸在線動平衡裝置及其控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種摩擦型全自動高速主軸在線動平衡裝置及其控制系統(tǒng)，屬于精密超精密加工及自動化領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
高速精密超精密加工是現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展方向，在線動平衡則是這一領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，尤其在高速精密磨削中更是如此。
高速主軸系統(tǒng)高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的不平衡離心力的大小可用下式表示 F＝Meω2 其中，M為高速主軸系統(tǒng)的質(zhì)量，e為高速主軸系統(tǒng)的重心與其旋轉(zhuǎn)軸線的偏心距，ω為高速主軸系統(tǒng)的工作角速度(弧度/秒)，ω＝2πn/60，n為高速主軸轉(zhuǎn)速。
令U＝Me，U為不平衡的質(zhì)徑積，其單位為g·mm，通常用U表示不平衡量的大小。
可見，高速主軸系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的不平衡離心力與速度的平方成正比，而高速主軸系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速非常高，若高速主軸系統(tǒng)有極小的不平衡量，也會產(chǎn)生非常大的不平衡離心力，引起機(jī)床振動、軸承磨損等故障。因此，高速主軸系統(tǒng)的不平衡量嚴(yán)重影響著機(jī)床的加工精度和使用壽命，為保證機(jī)床的加工精度必須設(shè)法減小高速主軸系統(tǒng)的不平衡量。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動平衡的任務(wù)就是確定高速主軸系統(tǒng)不平衡量U的大小和方向，然后在其相反的方向某一半徑r處加一平衡質(zhì)量m，使mr與U的大小相等、方向相反，以減小或消除高速主軸系統(tǒng)的不平衡量U。
在線動平衡可在主軸工作轉(zhuǎn)速下自動識別不平衡量的大小和相位，并自動完成平衡工作，與傳統(tǒng)的平衡方法相比，具有平衡效率高，平衡精度高，操作簡便，高度自動化，不依賴于操作者技能等特點(diǎn)，且可以對高速主軸系統(tǒng)的平衡狀況進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)測，能夠?qū)⒏咚僦鬏S系統(tǒng)的平衡狀況始終控制在所要求的精度范圍內(nèi)，因此高速主軸系統(tǒng)自動在線平衡越來越得到人們的關(guān)注。
現(xiàn)有兩類在線自動平衡方法。第一種是從外部對轉(zhuǎn)子加上同步外力，該力與轉(zhuǎn)子上的不平衡離心力平衡，這樣來消除轉(zhuǎn)子的同步振動。該方法中通常使用電磁作用器，其缺點(diǎn)是沒有從根本上消除產(chǎn)生振動的不平衡質(zhì)量。第二種方法是控制轉(zhuǎn)子上的質(zhì)量重新配置，是通過質(zhì)量補(bǔ)償來實(shí)現(xiàn)的，即調(diào)整校正平衡塊(也稱調(diào)整環(huán)或平衡環(huán)，可以是固體、液體或氣體)的不平衡質(zhì)量，使轉(zhuǎn)子質(zhì)心軸線與轉(zhuǎn)子彈性軸線趨近，以消除不平衡質(zhì)量，包括噴涂型、噴液型、激光去重型以及電磁型。其中噴涂型、噴液型和激光去重型自動平衡法存在平衡精度低等問題，難于在高速高精度旋轉(zhuǎn)設(shè)備中應(yīng)用；電磁型在線動平衡技術(shù)由于其機(jī)械執(zhí)行部件(即平衡頭，一般采用步進(jìn)電機(jī)的工作原理設(shè)計而成)及控制系統(tǒng)復(fù)雜、穩(wěn)定性差、效率低及成本偏高等缺點(diǎn)，也難于在工程實(shí)際中應(yīng)用。
研制結(jié)構(gòu)簡單可靠、高精度的高速主軸在線動平衡裝置，對于高速精密超精密加工具有重要的意義。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有高速主軸用高精度在線動平衡系統(tǒng)精度低、效率低以及系統(tǒng)過于復(fù)雜、穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，提出了一種摩擦型的全自動高速主軸在線動平衡裝置及其控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的平衡頭機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定、易于控制；同時控制系統(tǒng)的核心處理器采用高性能數(shù)字信號處理器(DSP)，數(shù)據(jù)處理速度快、精度高，保證了較短的動平衡時間和甚佳的平衡效果；該動平衡系統(tǒng)的可行的控制方法和有效的數(shù)據(jù)處理算法，使得整個系統(tǒng)更加完善。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取了如下技術(shù)方案一種摩擦型全自動高速主軸在線動平衡裝置，整體上采用對稱式結(jié)構(gòu)設(shè)計，以嚙合齒圈6為中心左右對稱，包括有外殼、連接軸、平衡環(huán)和平衡環(huán)驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)四部分； 其中 外殼包括有軸承4和由隔磁材料制成的圓筒形殼體1、端蓋2和軸承蓋3，端蓋2、軸承蓋3和軸承4各有對稱的兩個，殼體1、端蓋2和軸承蓋3三者緊固配合； 連接軸包括中心軸5和圓環(huán)形嚙合齒圈6，嚙合齒圈6的兩端面設(shè)置有三角尖齒離合器爪齒；嚙合齒圈6套裝在中心軸5上，二者緊固連接；中心軸5的一端設(shè)置有用于與高速主軸緊固連接的螺桿； 平衡環(huán)包括由軟磁材料制成的平衡環(huán)身7和由隔磁材料制成的平衡環(huán)體8，圓環(huán)形平衡環(huán)身7套裝在平衡環(huán)體8上，二者緊固連接構(gòu)成平衡環(huán)；圓環(huán)形平衡環(huán)身7上設(shè)置有用于傳感器讀取信號和校正高速主軸不平衡量的不平衡量缺口，平衡環(huán)體8設(shè)置有中心孔，其內(nèi)側(cè)面設(shè)置有三角尖齒離合器爪齒，以嚙合齒圈6為中心，兩對稱的平衡環(huán)套裝在中心軸5上，二者的中心線重合，平衡環(huán)可在中心軸5上沿軸向內(nèi)外移動，向內(nèi)移動時，平衡環(huán)外側(cè)的三角尖齒離合器爪齒與嚙合齒圈6外側(cè)的三角尖齒離合器爪齒嚙合，向外移動時二者分離； 平衡環(huán)驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括電磁鐵、減速軸承13、彈簧14和彈簧擋圈15，電磁鐵又包括有電磁鐵線圈11、由隔磁材料制成的電磁鐵擋圈10、由軟磁材料制成的電磁鐵骨架9和電磁鐵套筒12；電磁鐵骨架9設(shè)置有中心孔，圓環(huán)形電磁鐵擋圈10套裝在電磁鐵骨架9的內(nèi)側(cè)，電磁鐵線圈11纏繞在電磁鐵骨架9上，電磁鐵套筒12套在電磁鐵骨架9和電磁鐵擋圈10上，電磁鐵線圈11被封裝在由電磁鐵骨架9、電磁鐵套筒12和電磁鐵擋圈11封閉成的內(nèi)部空間內(nèi)；兩對稱的電磁鐵分別固定連接在端蓋2的內(nèi)側(cè)端部；減速軸承13整體嵌入在電磁鐵骨架9內(nèi)，二者緊配合，且減速軸承13外圈內(nèi)側(cè)與電磁鐵骨架9內(nèi)側(cè)在同一個平面內(nèi)，減速軸承13內(nèi)圈內(nèi)側(cè)高于其外圈內(nèi)側(cè)，平衡環(huán)向外移動時，只能移動到減速軸承13內(nèi)圈的內(nèi)側(cè)處；彈簧擋圈15套在中心軸5上，二者松配合，彈簧擋圈15的外側(cè)與軸承4內(nèi)圈內(nèi)側(cè)緊靠在一起，圓柱彈簧14的一端固定在彈簧擋圈15上，另一端套在平衡環(huán)體8的外側(cè)端部，裝配后彈簧14有預(yù)壓縮量，在預(yù)壓力的作用下，平衡環(huán)向內(nèi)移動與嚙合齒圈6緊固嚙合。
摩擦型全自動高速主軸在線動平衡裝置的控制系統(tǒng)，包括核心電路模塊A、控制執(zhí)行電路模塊B、檢測模塊C、前端通道模塊D；所述的核心電路模塊A又包括核心處理器A1和與核心處理器A1相連接的時鐘模塊A2、電源管理模塊A3、與上位機(jī)間的SCI通訊模塊A4、A/D轉(zhuǎn)換模塊A5、顯示模塊A6、報警模塊A7和處理器外擴(kuò)存儲模塊A8；所述的控制執(zhí)行電路模塊B又包括第一光電隔離B1、電磁鐵通斷控制電路B2；檢測模塊C包括第一平衡環(huán)位置傳感器C1、第二平衡環(huán)位置傳感器C2、高速主軸基準(zhǔn)傳感器C3和高速主軸振動傳感器C4；前端通道模塊D包括功率放大模塊D1、抗混疊濾波器D2和第二光電隔離模塊D3；其中 核心電路模塊A通過控制執(zhí)行電路模塊B中的第一光電隔離B1與電磁鐵通斷控制電路B2相連；電磁鐵通斷控制電路B2分別與平衡環(huán)驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的兩個電磁鐵線圈11相連； 第一平衡環(huán)位置傳感器C1、第二平衡環(huán)位置傳感器C2、高速主軸基準(zhǔn)傳感器C3通過前端通道模塊D中的第二光電隔離D3與核心處理器A1相連；高速主軸振動傳感器C4依次通過前端通道模塊D中的抗混疊濾波器D2和功率放大模塊D1與核心處理器A1相連。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn) (1)與現(xiàn)有電磁型高速主軸在線動平衡系統(tǒng)的平衡頭相比，該摩擦型全自動高速主軸在線動平衡系統(tǒng)的平衡頭機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定、體積小、可靠性高。
(2)平衡頭的簡單機(jī)械結(jié)構(gòu)使得控制系統(tǒng)也較為簡潔，提高了穩(wěn)定性。在核心處理器的選擇中，選用高性能數(shù)字信號處理器與選用單片機(jī)相比，前者大幅提高了數(shù)據(jù)處理速度和精度，從而提高了動平衡效果。
(3)經(jīng)大量重復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該摩擦型全自動高速主軸在線動平衡系統(tǒng)動平衡效果顯著，尤其對于轉(zhuǎn)速在40HZ～100HZ之間的精密外圓磨床平衡效果甚佳。
(4)該摩擦型全自動高速主軸在線動平衡系統(tǒng)的平衡精度與國外動平衡系統(tǒng)相當(dāng)，但是結(jié)構(gòu)更簡單，且具有明顯的成本優(yōu)勢。

圖1裝配圖 圖2中心軸 圖3嚙合齒圈主視圖 圖4嚙合齒圈俯視圖 圖5平衡環(huán)身主視圖 圖6平衡環(huán)身俯視圖 圖7平衡環(huán)體主視圖 圖8平衡環(huán)體左視圖 圖9電磁鐵骨架主視圖 圖10電磁鐵骨架俯視圖 圖11控制系統(tǒng)總體框圖 圖12控制系統(tǒng)總體程序框圖 圖13A/D中斷程序框圖 圖14主軸基準(zhǔn)脈沖中斷程序框圖 圖15第一平衡環(huán)脈沖中斷程序框圖 圖16第二平衡環(huán)脈沖中斷程序框圖 圖17高速主軸原始不平衡量的大小U和相位θ的求取原理圖 圖中1、殼體，2、端蓋，3、軸承蓋，4、軸承，5、中心軸，6、嚙合齒圈，7、平衡環(huán)身，8、平衡環(huán)體，9、電磁鐵骨架，10、電磁鐵擋圈，11、電磁鐵線圈，12、電磁鐵套筒，13、減速軸承，14、彈簧，15、彈簧擋圈，A1、數(shù)字信號處理器，A2、時鐘模塊，A3、電源管理模塊，A4、上位機(jī)，A5、A/D轉(zhuǎn)換模塊，A6、顯示模塊，A7、報警模塊，A8、外擴(kuò)RAM，B1、第一光電隔離模塊，B2、電磁鐵通斷控制模塊，C1、第一平衡環(huán)位置檢測傳感器，C2、第二平衡環(huán)位置檢測傳感器，C3、主軸基準(zhǔn)傳感器，C4、主軸振動傳感器，D1、功率放大模塊，D2、抗混疊濾波器，D3、第二光電隔離模塊。
具體實(shí)施方式
結(jié)合附圖1～17詳細(xì)說明本實(shí)施例 本實(shí)用新型主要包括平衡頭機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩部分。
(一)平衡頭機(jī)械結(jié)構(gòu) 圖1為平衡頭機(jī)械結(jié)構(gòu)總體裝配圖。平衡頭整體上采用對稱式結(jié)構(gòu)設(shè)計，以嚙合齒圈6為中心左右對稱，包括外殼、連接軸、平衡環(huán)和平衡環(huán)驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)四部分，其中 外殼包括有軸承4和由隔磁材料制成的圓筒形殼體1、圓蓋形端蓋2和圓蓋形軸承蓋3，端蓋2、軸承蓋3和軸承4各有對稱的兩個，殼體1、端蓋2和軸承蓋3三者緊固配合； 連接軸包括中心軸5和圓環(huán)形嚙合齒圈6，嚙合齒圈6的兩端面設(shè)置有三角尖齒離合器爪齒；嚙合齒圈6套裝在中心軸5上，二者緊固連接；中心軸5的一端設(shè)置有用于與高速主軸緊固連接的螺桿；中心軸5結(jié)構(gòu)如圖2所示，嚙合齒圈6結(jié)構(gòu)如圖3、4所示。
平衡環(huán)包括由軟磁材料制成的平衡環(huán)身7和由隔磁材料制成的平衡環(huán)體8，圓環(huán)形平衡環(huán)身7套裝在平衡環(huán)體8上，二者緊固連接構(gòu)成平衡環(huán)；圓環(huán)形平衡環(huán)身7上設(shè)置有用于傳感器讀取信號和校正高速主軸不平衡量用的不平衡量缺口，平衡環(huán)體8設(shè)置有中心孔，其內(nèi)側(cè)面設(shè)置有三角尖齒離合器爪齒，以嚙合齒圈6為中心，兩對稱的平衡環(huán)套裝在中心軸5上，二者的中心線重合，平衡環(huán)可在中心軸5上沿軸向內(nèi)外移動，向內(nèi)移動時，平衡環(huán)外側(cè)的三角尖齒離合器爪齒與嚙合齒圈6外側(cè)的三角尖齒離合器爪齒嚙合，向外移動時二者分離；本裝置以嚙合齒圈6為中心左右對稱，面向嚙合齒圈6的一側(cè)為內(nèi)側(cè)，背向嚙合齒圈6的一側(cè)為外側(cè)。平衡環(huán)身7結(jié)構(gòu)如圖5、6所示，平衡環(huán)體8結(jié)構(gòu)如圖7、8所示。
平衡環(huán)驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括電磁鐵、減速軸承13、彈簧14和彈簧擋圈15，電磁鐵又包括有電磁鐵線圈11、由隔磁材料制成的電磁鐵擋圈10、由軟磁材料制成的電磁鐵骨架9和電磁鐵套筒12；電磁鐵骨架9設(shè)置有中心孔，電磁鐵骨架9套裝在中心軸5上，圓環(huán)形電磁鐵擋圈10套裝在電磁鐵骨架9的內(nèi)側(cè)，電磁鐵線圈11纏繞在電磁鐵骨架9上，電磁鐵套筒12套在電磁鐵骨架9和電磁鐵擋圈10上，電磁鐵線圈11被封裝在由電磁鐵骨架9、電磁鐵套筒12和電磁鐵擋圈11封閉成的內(nèi)部空間內(nèi)；兩對稱的電磁鐵分別固定連接在端蓋2的內(nèi)側(cè)端部；減速軸承13整體嵌入在電磁鐵骨架9內(nèi)，二者緊配合，且減速軸承13外圈內(nèi)側(cè)與電磁鐵骨架9內(nèi)側(cè)在同一個平面內(nèi)，減速軸承13內(nèi)圈內(nèi)側(cè)高于其外圈內(nèi)側(cè)，平衡環(huán)向外移動時，只能移動到減速軸承13內(nèi)圈的內(nèi)側(cè)處；彈簧擋圈15套在中心軸5上，二者松配合，彈簧擋圈15的外側(cè)與軸承4內(nèi)圈內(nèi)側(cè)緊靠在一起，圓柱彈簧14的一端套在彈簧擋圈15上，另一端套在平衡環(huán)體8的外側(cè)端部，裝配后彈簧14有預(yù)壓縮量，在預(yù)壓力的作用下，平衡環(huán)向內(nèi)移動與嚙合齒圈6緊固嚙合。電磁鐵骨架9和電磁鐵套筒12均選用軟磁材料如電工純鐵、坡莫合金等，電磁鐵擋圈10選用隔磁材料如錫青銅、鋁等，電磁鐵線圈11選用耐溫等級為E(120攝氏度)的縮醛漆包圓銅線，且電磁鐵骨架9、電磁鐵擋圈10和電磁鐵套筒12加工成型后均經(jīng)過熱處理。電磁鐵骨架9結(jié)構(gòu)如圖9、10所示。
(二)控制系統(tǒng) 圖11為控制系統(tǒng)總體框圖，包括核心電路模塊A、控制執(zhí)行電路模塊B、檢測模塊C、前端通道模塊D；所述的核心電路模塊A又包括核心處理器A1和與核心處理器A1相連接的時鐘模塊A2、電源管理模塊A3、與上位機(jī)間的SCI通訊模塊A4、A/D轉(zhuǎn)換模塊A5、顯示模塊A6、報警模塊A7和處理器外擴(kuò)存儲模塊A8；所述的控制執(zhí)行電路模塊B又包括第一光電隔離B1、電磁鐵通斷控制電路B2；檢測模塊C包括第一平衡環(huán)位置傳感器C1、第二平衡環(huán)位置傳感器C2、高速主軸基準(zhǔn)傳感器C3和高速主軸振動傳感器C4；前端通道模塊D包括功率放大模塊D1、抗混疊濾波器D2和第二光電隔離模塊D3；其中 核心電路模塊A通過控制執(zhí)行電路模塊B中的第一光電隔離B1與電磁鐵通斷控制電路B2相連；電磁鐵通斷控制電路B2分別與平衡環(huán)驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的兩個電磁鐵線圈11相連； 第一平衡環(huán)位置傳感器C1、第二平衡環(huán)位置傳感器C2、高速主軸基準(zhǔn)傳感器C3通過前端通道模塊D中的第二光電隔離D3與核心處理器A1相連；高速主軸振動傳感器C4依次通過前端通道模塊D中的抗混疊濾波器D2和功率放大模塊D1與核心處理器A1相連。
核心電路模塊A主要完成經(jīng)功率放大電路A1和抗混疊濾波器A2調(diào)理后的高速主軸振動信號的A/D轉(zhuǎn)換、采集數(shù)據(jù)的分析處理及結(jié)果顯示、動平衡所需檢測信號的輸入以及控制信號的輸出任務(wù)；控制執(zhí)行電路模塊B主要完成輸出控制信號的調(diào)理工作，用以控制第一電磁鐵和第二電磁鐵的通斷來實(shí)現(xiàn)平衡環(huán)的位置調(diào)整；檢測模塊C用于完成平衡環(huán)位置信號、高速主軸基準(zhǔn)信號及其振動信號的精確獲取；前端通道模塊D用于完成各檢測信號(即各傳感器輸出信號)的調(diào)理工作，實(shí)現(xiàn)與數(shù)字信號處理器輸入信號的匹配。
該摩擦型動平衡系統(tǒng)的工作原理及工作過程如下 1)與高速主軸的連接將平衡頭的端部螺桿與高速主軸緊固連接，平衡環(huán)在彈簧14的預(yù)壓力作用下，平衡環(huán)通過嚙合齒圈6與中心軸5緊固連接； 2)高速主軸幾何誤差(包括測量部位的幾何偏心和表面形狀誤差)的獲取在主軸低速(≤12轉(zhuǎn)/分鐘)運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下獲取主軸幾何誤差數(shù)據(jù)，分解出與主軸轉(zhuǎn)頻相同的幾何誤差成份，其幅值和相位為

用作基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
3)按以下步驟進(jìn)行動平衡 步驟1調(diào)整第一平衡環(huán)、第二平衡環(huán)的位置，使二者的不平衡量V1、V2相差180度，則兩不平衡量V1、V2方向相反互相抵消，使之不影響主軸系統(tǒng)的原始不平衡量；具體操作過程是 i)高速主軸運(yùn)行穩(wěn)定后，核心處理器A1通過兩個通用輸入輸出口輸出控制信號，該信號又經(jīng)第一光電隔離模塊B1和電磁鐵通斷控制電路B2后，控制第一電磁鐵、第二電磁鐵通電； ii)在電磁力的作用下，平衡環(huán)克服彈簧14的彈力作用，向外移動與嚙合齒圈6瞬間分離，同時平衡環(huán)外側(cè)與減速軸承13的內(nèi)圈內(nèi)側(cè)緊密接觸，然后在減速軸承13的滾動摩擦力和圓柱彈簧14的滑動摩擦力的共同作用下平衡環(huán)達(dá)到穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，且速度小于主軸轉(zhuǎn)速；即平衡環(huán)與主軸形成差速運(yùn)動，這樣，平衡環(huán)相對于中心軸5可在周向做任意角度的自由旋轉(zhuǎn)。
iii)第一平衡環(huán)位置傳感器C1、第二平衡環(huán)位置傳感器C2及主軸基準(zhǔn)傳感器C3的輸出脈沖信號經(jīng)第二光電隔離模塊D3后，輸入到核心處理器A1的事件管理器EV的三個捕獲單元中，經(jīng)軟件計算后獲得主軸轉(zhuǎn)頻及第一平衡環(huán)不平衡量V1、第二平衡環(huán)不平衡量V2分別相對于主軸基準(zhǔn)的位置，并將主軸轉(zhuǎn)頻數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)顯示模塊A6顯示； 當(dāng)檢測到第一平衡環(huán)不平衡量V1相對于主軸基準(zhǔn)到達(dá)90度位置時，核心處理器A1控制第一電磁鐵斷電，同時在彈簧14的作用下第一平衡環(huán)與中心軸5緊固嚙合，隨高速主軸同步旋轉(zhuǎn)； 用同樣的方法把第二平衡環(huán)不平衡量V2定位在相對主軸基準(zhǔn)270度位置；此時第一平衡環(huán)不平衡量V1、第二平衡環(huán)不平衡量V2的位置相差180度；即第一平衡環(huán)不平衡量V1、第二平衡環(huán)不平衡量V2方向相反，相互抵銷，則剩余不平衡量完全為主軸自身的原始不平衡量U∠θ，其中U、θ分別為主軸原始不平衡量的大小和相位； 步驟2啟動A/D轉(zhuǎn)換，采集經(jīng)抗混疊濾波D2和功率放大D1調(diào)理電路后的高速主軸振動信號，判斷振動量是否超標(biāo)，即振幅是否大于2微米；若未超標(biāo)則繼續(xù)采集振動信號，若超標(biāo)則報警，然后開始執(zhí)行步驟3；啟動故障診斷操作。
步驟3利用最小二乘法擬合主軸振動信號數(shù)據(jù)，獲得振動信號前四階頻率成份的幅值和相位，設(shè)其分別為基頻

二倍頻

三倍頻

四倍頻

其中A1、

A2、

A3、

A4、

分別為振動信號基頻、二倍頻、三倍頻和四倍頻的幅值與相位；基頻

中包含有主軸的基礎(chǔ)幾何誤差數(shù)據(jù)

故需去除，得主軸原始不平衡量U∠θ引起的振動的幅值和相位為其中Y、φ分別為幅值和相位； 若Y/A2＞2且Y/A3＞2且Y/A4＞2，則主軸振動是由不平衡量引起的，并立刻執(zhí)行步驟4，進(jìn)行動平衡操作； 步驟4第一平衡環(huán)不平衡量V1的位置保持不變，即仍處在相對主軸基準(zhǔn)90度處，第二平衡環(huán)不平衡量V2定位在相對主軸基準(zhǔn)180度處，具體操作工程同步驟1中所述，這樣第一平衡環(huán)不平衡量V1、第二平衡環(huán)不平衡量V2相差90度；此時第一平衡環(huán)不平衡量V1、第二平衡環(huán)不平衡量V2的合成不平衡量為U1∠φ1，其中U1、φ1為第一平衡環(huán)不平衡量V1、第二平衡環(huán)不平衡量V2合成不平衡量的幅值和相位，U與U1的合成不平衡量為U2； 步驟5重復(fù)步驟2～3，獲取第二平衡環(huán)不平衡量V2位置變化后主軸振動的基頻幅值和相位信息

其中B1、

分別為幅值和相位，進(jìn)而獲得合成不平衡量U2引起振動的幅值和相位，即其中Y2、φ2分別為幅值和相位； 步驟6高速主軸原始不平衡量的大小U和相位θ的求取，求取原理圖如附圖17所示。圖中各參數(shù)的含義如下 U-為高速主軸原始不平衡量的大?。? θ-為高速主軸原始不平衡量的相位。
U1-為第一平衡環(huán)不平衡量V1、第二平衡環(huán)不平衡量V2相差90度時的合成不平衡量的幅值； φ1-為第一平衡環(huán)不平衡量V1、第二平衡環(huán)不平衡量V2相差90度時合成不平衡量的相位； U2-為U與U1的合成不平衡量的大小； Y-為主軸原始不平衡量U∠θ引起振動的幅值； φ-為主軸原始不平衡量U∠θ引起振動的相位； Y2-為合成不平衡量U2引起振動的幅值； φ2-為合成不平衡量U2引起振動的相位； β-為φ與φ2兩相位之差； γ-為U與U1間的夾角； 在轉(zhuǎn)速一定的情況下，轉(zhuǎn)子不平衡量的幅值與其激起的振動的幅值之比為一常數(shù)(設(shè)為K)，且振動相位滯后于不平衡量相位一常數(shù)角度(設(shè)為α)，由此可得④⑤表達(dá)式 ④ ⑤ 由附圖17中所示的幾何關(guān)系及④⑤表達(dá)式可得⑥⑦表達(dá)式 β＝φ-φ2⑥
由⑦表達(dá)式可推得高速主軸原始不平衡量的大小表達(dá)式 ① 由⑤①表達(dá)式及圖中幾何關(guān)系可得②表達(dá)式 ② 進(jìn)一步可由圖中幾何關(guān)系獲得高速主軸不平衡量相位③表達(dá)式 θ＝φ1+β+γ ③ 進(jìn)而由圖中幾何關(guān)系可得高速主軸振動相位滯后于其不平衡量相位一常數(shù)角度⑧表達(dá)式 α＝θ-φ ⑧ 獲得主軸原始不平衡量U∠θ后，U∠θ送數(shù)據(jù)顯示模塊A6顯示； 步驟7通過矢量變換求取為抵消主軸系統(tǒng)原始不平衡量U∠θ，第一平衡環(huán)不平衡量V1、第二平衡環(huán)不平衡量V2相對于主軸基準(zhǔn)需到達(dá)的位置數(shù)據(jù)αV1、αV2，αV1、αV2的單位為弧度； 步驟8定位第一平衡環(huán)不平衡量V1、第二平衡環(huán)不平衡量V2相對于主軸基準(zhǔn)到達(dá)位置αV1、αV2處，具體操作過程同步驟1； 步驟9驗(yàn)證動平衡效果 采集主軸振動信號，若主軸振動未超標(biāo)則結(jié)束，若超標(biāo)則重新執(zhí)行步驟1～9，達(dá)到最佳平衡效果。
本實(shí)施例中，我們選用DSP TMS320F2812為系統(tǒng)核心處理器。由于所有的動平衡操作都是在軟件的控制下實(shí)現(xiàn)的，因此軟件的設(shè)計就顯得十分重要。該摩擦型動平衡系統(tǒng)的軟件設(shè)計邏輯性較強(qiáng)。
圖12為控制系統(tǒng)總體程序框圖。首先初始化DSP；然后等待平衡環(huán)不平衡量V1、V2相差180度操作結(jié)束，若未結(jié)束則繼續(xù)等待，若結(jié)束則啟動A/D轉(zhuǎn)換，并判斷振動量是否超標(biāo)，若未超標(biāo)則繼續(xù)采集振動信號，判斷振動量是否超標(biāo)，若超標(biāo)則進(jìn)行故障診斷，判斷振動是否由不平衡量引起，若是則報警，并進(jìn)行動平衡操作，計算Y∠φ；然后等待不平衡量V1、V2相差90度操作結(jié)束，若未結(jié)束則繼續(xù)等待，若結(jié)束則計算U1；然后判斷振動是否超標(biāo)，若未超標(biāo)則繼續(xù)判斷，若超標(biāo)則計算Y2∠φ2；然后計算U∠θ、K、α；然后計算αV1、αV2，判斷V1、V2是否到達(dá)αV1、αV2處，若未到達(dá)則繼續(xù)等待，若到達(dá)則控制第一、二電磁鐵斷電；然后判斷振動量是否仍超標(biāo)以驗(yàn)證動平衡效果，若達(dá)到要求則繼續(xù)判斷，若仍超標(biāo)則從步驟1開始重新進(jìn)行動平衡，如此循環(huán)。
圖13為A/D中斷程序框圖。讀取A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果后，判斷振動量是否超標(biāo)，即振幅是否大于2微米。
圖14為主軸基準(zhǔn)脈沖中斷程序框圖。首先讀取主軸的轉(zhuǎn)頻，然后判斷V1、V2相差180度操作標(biāo)志位是否置位，若置位則控制第一、二電磁鐵通電。若未置位則判斷V1、V2相差90度操作標(biāo)志位是否置位，若置位則控制第一電磁鐵通電，若未置位則判斷動平衡操作是否開始，若開始則控制第一、二電磁鐵通電，若未開始則判斷A/D啟動標(biāo)志位是否置位，若置位則啟動A/D轉(zhuǎn)換，置位關(guān)閉捕獲單元標(biāo)志位，若未置位則結(jié)束。
圖15為第一平衡環(huán)脈沖中斷程序框圖。首先讀取第一平衡環(huán)不平衡量V1的位置，然后判斷V1定位在270度處標(biāo)志位是否置位，若置位則繼續(xù)判斷V1是否到達(dá)270度處，若到達(dá)則控制第一電磁鐵斷電，若V1定位在270度處標(biāo)志位未置位或著V1未到達(dá)270度處，則進(jìn)行下面的判斷。判斷V1、V2是否已經(jīng)分別到達(dá)270度、90度處，若均到達(dá)則啟動A/D轉(zhuǎn)換標(biāo)志位置位，若未滿足則進(jìn)行V1、V2相差90度邏輯判斷，判斷邏輯同上。最后判斷V1定位在αV1處標(biāo)志位是否置位，若置位則判斷V1是否到達(dá)αV1處，若到達(dá)則控制第一電磁鐵斷電，若未到達(dá)或者V1定位在αV1處標(biāo)志位未置位則結(jié)束。
圖16為第二平衡環(huán)脈沖中斷程序框圖。此程序的判讀邏輯完全同第一平衡環(huán)脈沖中斷程序邏輯，對應(yīng)的控制對象為第二平衡環(huán)不平衡量V2和第二電磁鐵。
以上所述為本實(shí)用新型的一個實(shí)例，我們還可對其機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行一些變換，以應(yīng)用于其他旋轉(zhuǎn)設(shè)備。只要其平衡頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計思想以及整體控制思想同本實(shí)用新型所敘述的一致，均應(yīng)視為本實(shí)用新型所包括的范圍。
權(quán)利要求1、一種摩擦型全自動高速主軸在線動平衡裝置，其特征在于平衡裝置整體上采用對稱式結(jié)構(gòu)設(shè)計，以嚙合齒圈(6)為中心左右對稱，包括有外殼、連接軸、平衡環(huán)和平衡環(huán)驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)四部分；其中
外殼包括有軸承(4)和由隔磁材料制成的圓筒形殼體(1)、端蓋(2)和軸承蓋(3)，端蓋(2)、軸承蓋(3)和軸承(4)各有對稱的兩個，殼體(1)、端蓋(2)和軸承蓋(3)三者緊固配合；
連接軸包括中心軸(5)和圓環(huán)形嚙合齒圈(6)，嚙合齒圈(6)的兩端面設(shè)置有三角尖齒離合器爪齒；嚙合齒圈(6)套裝在中心軸(5)上，二者緊固連接；中心軸(5)的一端設(shè)置有用于與高速主軸緊固連接的螺桿；
平衡環(huán)包括由軟磁材料制成的平衡環(huán)身(7)和由隔磁材料制成的平衡環(huán)體(8)，圓環(huán)形平衡環(huán)身(7)套裝在平衡環(huán)體(8)上，二者緊固連接構(gòu)成平衡環(huán)；圓環(huán)形平衡環(huán)身(7)上設(shè)置有用于傳感器讀取信號和校正高速主軸不平衡量的不平衡量缺口，平衡環(huán)體(8)設(shè)置有中心孔，其內(nèi)側(cè)面設(shè)置有三角尖齒離合器爪齒，以嚙合齒圈(6)為中心，兩對稱的平衡環(huán)套裝在中心軸(5)上，二者的中心線重合，平衡環(huán)可在中心軸(5)上沿軸向內(nèi)外移動，向內(nèi)移動時，平衡環(huán)外側(cè)的三角尖齒離合器爪齒與嚙合齒圈(6)外側(cè)的三角尖齒離合器爪齒嚙合，向外移動時二者分離；
平衡環(huán)驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括電磁鐵、減速軸承(13)、彈簧(14)和彈簧擋圈(15)，電磁鐵又包括有電磁鐵線圈(11)、由隔磁材料制成的電磁鐵擋圈(10)、由軟磁材料制成的電磁鐵骨架(9)和電磁鐵套筒(12)；電磁鐵骨架(9)設(shè)置有中心孔，圓環(huán)形電磁鐵擋圈(10)套裝在電磁鐵骨架(9)的內(nèi)側(cè)，電磁鐵線圈(11)纏繞在電磁鐵骨架(9)上，電磁鐵套筒(12)套在電磁鐵骨架(9)和電磁鐵擋圈(10)上，電磁鐵線圈(11)被封裝在由電磁鐵骨架(9)、電磁鐵套筒(12)和電磁鐵擋圈(11)封閉成的內(nèi)部空間內(nèi)；兩對稱的電磁鐵分別固定連接在端蓋(2)的內(nèi)側(cè)端部；減速軸承(13)整體嵌入在電磁鐵骨架(9)內(nèi)，二者緊配合，且減速軸承(13)外圈內(nèi)側(cè)與電磁鐵骨架(9)內(nèi)側(cè)在同一個平面內(nèi)，減速軸承(13)內(nèi)圈內(nèi)側(cè)高于其外圈內(nèi)側(cè)，平衡環(huán)向外移動時，只能移動到減速軸承(13)內(nèi)圈的內(nèi)側(cè)處；彈簧擋圈(15)套在中心軸(5)上，二者松配合，彈簧擋圈(15)的外側(cè)與軸承(4)內(nèi)圈內(nèi)側(cè)緊靠在一起，圓柱彈簧(14)的一端固定在彈簧擋圈(15)上，另一端套在平衡環(huán)體(8)的外側(cè)端部，裝配后彈簧(14)有預(yù)壓縮量，在預(yù)壓力的作用下，平衡環(huán)向內(nèi)移動與嚙合齒圈(6)緊固嚙合。
2、一種控制權(quán)利要求1所述的摩擦型全自動高速主軸在線動平衡裝置的控制系統(tǒng)，其特征在于包括核心電路模塊(A)、控制執(zhí)行電路模塊(B)、檢測模塊(C)、前端通道模塊(D)；所述的核心電路模塊(A)又包括核心處理器(A1)和與核心處理器(A1)相連接的時鐘模塊(A2)、電源管理模塊(A3)、與上位機(jī)間的SCI通訊模塊(A4)、A/D轉(zhuǎn)換模塊(A5)、顯示模塊(A6)、報警模塊(A7)和處理器外擴(kuò)存儲模塊(A8)；所述的控制執(zhí)行電路模塊(B)又包括第一光電隔離(B1)、電磁鐵通斷控制電路(B2)；檢測模塊(C)包括第一平衡環(huán)位置傳感器(C1)、第二平衡環(huán)位置傳感器(C2)、高速主軸基準(zhǔn)傳感器(C3)和高速主軸振動傳感器(C4)；前端通道模塊(D)包括功率放大模塊(D1)、抗混疊濾波器(D2)和第二光電隔離模塊(D3)；其中
核心電路模塊(A)通過控制執(zhí)行電路模塊(B)中的第一光電隔離(B1)與電磁鐵通斷控制電路(B2)相連；電磁鐵通斷控制電路(B2)分別與平衡環(huán)驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的兩個電磁鐵線圈(11)相連；
第一平衡環(huán)位置傳感器(C1)、第二平衡環(huán)位置傳感器(C2)、高速主軸基準(zhǔn)傳感器(C3)通過前端通道模塊(D)中的第二光電隔離(D3)與核心處理器(A1)相連；高速主軸振動傳感器(C4)依次通過前端通道模塊(D)中的抗混疊濾波器(D2)和功率放大模塊(D1)與核心處理器(A1)相連。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種摩擦型全自動高速主軸在線動平衡裝置及其控制系統(tǒng)，屬于精密超精密加工及自動化領(lǐng)域。該在線動平衡系統(tǒng)的平衡頭機(jī)械裝置采用對稱式結(jié)構(gòu)設(shè)計，其核心是左右對稱的兩個校正用平衡環(huán)及其驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，平衡頭機(jī)械結(jié)構(gòu)尤其簡單可靠；該動平衡系統(tǒng)控制器的設(shè)計中，選用高性能數(shù)字信號處理器作為核心處理器，其非常高的數(shù)據(jù)處理速度和精度，保證了較短的動平衡時間和甚佳的平衡效果；該動平衡系統(tǒng)的可行的控制方法和有效的數(shù)據(jù)處理算法，使得整個系統(tǒng)更加完善。本實(shí)用新型對于高速精密超精密加工具有重要的意義。
文檔編號B24B41/04GK201177550SQ20082007951
公開日2009年1月7日 申請日期2008年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月21日
發(fā)明者伍良生, 張?jiān)旗? 周大帥, 朱美玲 申請人:北京工業(yè)大學(xué)