專利名稱：一種內(nèi)置式高速主軸雙面在線動(dòng)平衡裝置及其控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可置于主軸箱內(nèi)部的高速主軸在線動(dòng)平衡裝置及其控制系統(tǒng)，屬于精密超精密加工及自動(dòng)化領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著國(guó)際機(jī)床行業(yè)向高速、高精度、高效等方向的發(fā)展。主軸系統(tǒng)不平衡問題越來越成為制約我國(guó)機(jī)床在轉(zhuǎn)速、精度等方面性能提高的關(guān)鍵性問題。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的不平衡離心力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，而高速主軸系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速非常高，若高速主軸系統(tǒng)有極小的不平衡量，也會(huì)產(chǎn)生非常大的不平衡離心力，引起機(jī)床振動(dòng)、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(dòng)平衡的任務(wù)就是確定高速主軸系統(tǒng)不平衡量的大小和方向，然后在其相反的方向某一半徑處加一平衡質(zhì)量，使附加不平衡量與主軸系統(tǒng)不平衡量的大小相等、 方向相反，以減小或消除高速主軸系統(tǒng)的不平衡量。轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡技術(shù)通常分為工藝動(dòng)平衡、 現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡、在線動(dòng)平衡。工藝動(dòng)平衡是指在動(dòng)平衡機(jī)上進(jìn)行的平衡；現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡是指轉(zhuǎn)子在實(shí)際工作的條件下，利用一些現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和分析設(shè)備對(duì)轉(zhuǎn)子實(shí)施的平衡操作；在線動(dòng)平衡是指在機(jī)組不停機(jī)的狀態(tài)下，利用一種自動(dòng)控制機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)平衡的方法。在線動(dòng)平衡可在主軸工作轉(zhuǎn)速下自動(dòng)識(shí)別不平衡量的大小和相位，并自動(dòng)完成平衡工作，與傳統(tǒng)的平衡方法相比，具有避免頻繁開關(guān)機(jī)試重，提高平衡效率和精度，同時(shí)可根據(jù)機(jī)床加工工況的改變等因素的影響，對(duì)不平衡量實(shí)施自動(dòng)平衡的優(yōu)點(diǎn)。因此高速主軸系統(tǒng)自動(dòng)在線平衡越來越得到人們的關(guān)注。目前，通過控制轉(zhuǎn)子上的質(zhì)量重新配置，通過質(zhì)量補(bǔ)償來實(shí)現(xiàn)動(dòng)平衡調(diào)節(jié)的動(dòng)平衡裝置主要有噴涂型、噴液型、激光去重型以及電磁型等。其中噴涂型、噴液型和激光去重型自動(dòng)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(dòng)平衡技術(shù)由于其機(jī)械執(zhí)行部件及控制系統(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。其他相關(guān)裝置多具有結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，尤其是軸向尺寸較大，難以在現(xiàn)有的機(jī)床上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用等缺點(diǎn)。因此，研究結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軸向尺寸較小，準(zhǔn)確可靠，實(shí)際應(yīng)用時(shí)對(duì)現(xiàn)有機(jī)床主軸系統(tǒng)改動(dòng)不大的動(dòng)平衡裝置及其控制系統(tǒng)，對(duì)于高速精密超精密加工具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有高速主軸在線動(dòng)平衡裝置結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜，軸向尺寸較大，難以在現(xiàn)有的機(jī)床上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，且多用于單平面平衡等缺點(diǎn)，提出了一種液壓驅(qū)動(dòng)、摩擦力矩實(shí)現(xiàn)差速并穩(wěn)定，可置于主軸箱內(nèi)部的高速主軸雙面在線動(dòng)平衡裝置及其控制系統(tǒng)。系統(tǒng)具有工作原理簡(jiǎn)單、機(jī)構(gòu)容易實(shí)現(xiàn)、軸向尺寸小、無電磁干擾等特點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案
一種內(nèi)置式高速主軸雙面在線動(dòng)平衡裝置，包括有兩個(gè)平衡頭，平衡頭采用對(duì)稱式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，每個(gè)平衡頭包括兩個(gè)平衡盤合成所需調(diào)節(jié)的不平衡量；其特征在于所述的平衡頭包括兩個(gè)平衡盤1、嚙合齒座2、復(fù)位簧片3、油囊4，油囊架12 ；嚙合齒座2兩側(cè)對(duì)稱分布著平衡盤1，嚙合齒座2和平衡盤1之間通過嚙合齒來嚙合，兩個(gè)平衡盤1內(nèi)側(cè)對(duì)稱布置有三個(gè)油囊支架12，油囊支架12上的通孔連接有油囊4，油囊4與平衡盤1之間裝一承摩簧片5上，平衡盤1上有構(gòu)成不平衡量的缺口，平衡盤1的外側(cè)布置且沿主軸周向均勻分布的三個(gè)復(fù)位簧片3，一側(cè)的復(fù)位簧片3由簧片連接環(huán)10相連并與主軸固定；平衡盤1具有構(gòu)成不平衡量的缺口及單向嚙合齒6，單向嚙合齒6沿平衡盤齒1圈周向均勻分布，嚙合齒座2具有雙向嚙合齒7，與平衡盤1的嚙合齒相配合，其通過圓柱銷 15與主軸8固定；平衡盤1與嚙合齒座2通過復(fù)位簧片3及油囊4-承摩簧片5機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)嚙合或分離；三個(gè)復(fù)位簧片3通過連接螺釘9與簧片連接環(huán)10固定連接，構(gòu)成復(fù)位簧片組；平衡盤1、復(fù)位簧片組與主軸連接；四個(gè)平衡盤1對(duì)應(yīng)四組復(fù)位簧片組，分為內(nèi)外各兩組，內(nèi)復(fù)位簧片組Zl用于兩內(nèi)側(cè)平衡盤的復(fù)位、壓緊，空套于主軸上，由軸肩定位；外復(fù)位簧片組Z2 用于兩外側(cè)平衡盤的復(fù)位、壓緊，并空套于主軸上，由兩鎖緊螺母16進(jìn)行定位及調(diào)節(jié)預(yù)緊力；油管接頭11與油囊架12連接，通過油囊架12內(nèi)部油路對(duì)油囊供油，油囊4、承摩簧片5均與油囊架12固定連接；油囊架12與主軸箱體14通過連接螺栓13連接；承摩簧片5位于油囊4與平衡盤1之間，且油囊4內(nèi)低油壓時(shí)，承摩簧片5與平衡盤1不接觸，平衡盤1與嚙合齒座2嚙合；油囊4內(nèi)高油壓時(shí)，油囊4的膨脹力通過承摩簧片5作用于平衡盤，推動(dòng)平衡盤1與嚙合齒座2分離。所述的平衡盤1、嚙合齒座2為整體加工式結(jié)構(gòu)；所述復(fù)位簧片3構(gòu)成的復(fù)位簧片組為整體可拆裝式結(jié)構(gòu)；所述的油囊4-承摩簧片5為整體可拆裝式結(jié)構(gòu)；所述的一種內(nèi)置式高速主軸雙面在線動(dòng)平衡裝置的控制系統(tǒng)，包括液壓控制系統(tǒng)、不平衡振動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)兩部分，其特征在于液壓控制系統(tǒng)包括油箱LPS 1、油泵LPS2、兩位四通閥LPS3、緩沖油腔LPS4、溢流閥LPS5、電機(jī)LPS6、濾器LPS7、油管Li、L2、L3、油管接頭；油箱LPSl出油口 plO經(jīng)濾器 LPS7、油管與油泵LPS2進(jìn)油相接，油泵LPS2出油口經(jīng)進(jìn)油管Ll與兩位四通閥LPS3的pi 口相連，p2 口經(jīng)進(jìn)油管Ll與緩沖油腔LPS4進(jìn)油口 p5相連；緩沖油腔LPS4回油口 p6經(jīng)回油管L2與兩位四通閥LPS3的p3 口相連，p4 口經(jīng)回油管L2與油箱LPSl回油口 p8相連； 緩沖油腔LPS4溢油口 p7經(jīng)溢流閥LPS5及溢油管L3與油箱LPSl溢流回油口 p9相連；緩沖油腔LPS4出油口 pll、pl2、pl3分別通過油管與各自所控油囊4連接；兩位四通閥LPS3 電磁鐵接控制信號(hào)，控制兩位四通閥LPS3的工作位置；不平衡振動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)包括兩個(gè)電渦流傳感器vl、v2，四個(gè)光電傳感器Si、 s2、s3、s4，一個(gè)光電傳感器stl，BNC2110屏蔽式接線盒，NIPCI-6221動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡，計(jì)算機(jī)，電腦RS232串口控制的智能多路控制器，兩位四通閥控制端電磁鐵；主軸前軸承座的振動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器vl，主軸后軸承座的振動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器v2，四個(gè)平衡盤位置監(jiān)測(cè)傳感器sl、s2、 s3、s4,以及基準(zhǔn)信號(hào)傳感器stl分別通過信號(hào)電纜與BNC2110屏蔽式接線盒連接，測(cè)量信號(hào)經(jīng)信號(hào)采集卡與計(jì)算機(jī)信號(hào)相連，；計(jì)算機(jī)通過RS232串口與智能多路控制器相連，智能多路控制器的輸出接兩位四通閥LPS4的控制端電磁鐵。所述的一種內(nèi)置式主軸雙面在線動(dòng)平衡裝置的控制方法，該方法包括系統(tǒng)使用前準(zhǔn)備工作、振動(dòng)信號(hào)分析與控制兩個(gè)方面1)系統(tǒng)使用前準(zhǔn)備工作包括1依據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及平衡精度等級(jí)要求輸入系統(tǒng)基本參數(shù)；包括四個(gè)平衡盤固有不平衡量、平衡精度等級(jí)、平衡盤嚙合齒的齒距、各傳感器參數(shù)；并將這些參數(shù)作為基本控制參數(shù)存入系統(tǒng)，用于后續(xù)計(jì)算與控制；2通過兩次試重，分別計(jì)算兩校正平面對(duì)兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)的影響系數(shù)，并存儲(chǔ)于系統(tǒng)，為動(dòng)平衡過程中的相關(guān)計(jì)算所用；具體操作為傳感器Vl測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)ptl的振動(dòng)信號(hào)，傳感器v2測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)pt2的振動(dòng)信號(hào)；i調(diào)節(jié)平衡頭I、II的合成不平衡量均為零，此時(shí)在平衡轉(zhuǎn)速上測(cè)量前軸承測(cè)點(diǎn)
Ptl的原始不平衡振動(dòng)兄，表示為又=^01Zam ；同時(shí)測(cè)量后軸承測(cè)點(diǎn)pt2的原始不平衡振
動(dòng)為2，表示為^2 = A02Za02 ； 試重一，調(diào)整平衡頭II的合成不平衡量為0，平衡頭I的合成不平衡量為^，此時(shí)在平衡轉(zhuǎn)速上測(cè)量測(cè)點(diǎn)ptl不平衡振動(dòng)為‘，表示為義=J11Za11 ；測(cè)量測(cè)點(diǎn)pt2不平衡
振動(dòng)為一表示為一 _由式
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)置式高速主軸雙面在線動(dòng)平衡裝置，包括有兩個(gè)平衡頭，平衡頭采用對(duì)稱式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，每個(gè)平衡頭包括兩個(gè)平衡盤合成所需調(diào)節(jié)的不平衡量；其特征在于所述的平衡頭包括兩個(gè)平衡盤(1)、嚙合齒座O)、復(fù)位簧片(3)、油囊G)，油囊架 (12)；嚙合齒座( 兩側(cè)對(duì)稱分布著平衡盤(1)，嚙合齒座( 和平衡盤(1)之間通過嚙合齒來嚙合，兩個(gè)平衡盤(1)內(nèi)側(cè)對(duì)稱布置有三個(gè)油囊支架(12)，油囊支架(1 上的通孔連接有油囊，油囊(4)與平衡盤(1)之間裝一承摩簧片( 上，平衡盤(1)上有構(gòu)成不平衡量的缺口，平衡盤(1)的外側(cè)布置且沿主軸周向均勻分布的三個(gè)復(fù)位簧片(3)，一側(cè)的復(fù)位簧片(3)由簧片連接環(huán)(10)相連并與主軸固定；平衡盤(1)具有構(gòu)成不平衡量的缺口及單向嚙合齒(6)，單向嚙合齒(6)沿平衡盤齒 (1)圈周向均勻分布，嚙合齒座(2)具有雙向嚙合齒(7)，與平衡盤(1)的嚙合齒相配合，其通過圓柱銷(15)與主軸(8)固定；平衡盤(1)與嚙合齒座(2)通過復(fù)位簧片(3)及油囊 G)-承摩簧片(5)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)嚙合或分離；三個(gè)復(fù)位簧片C3)通過連接螺釘(9)與簧片連接環(huán)(10)固定連接，構(gòu)成復(fù)位簧片組; 平衡盤(1)、復(fù)位簧片組與主軸連接；四個(gè)平衡盤(1)對(duì)應(yīng)四組復(fù)位簧片組，分為內(nèi)外各兩組，內(nèi)復(fù)位簧片組(Zl)用于兩內(nèi)側(cè)平衡盤的復(fù)位、壓緊，空套于主軸上，由軸肩定位；外復(fù)位簧片組(Z2)用于兩外側(cè)平衡盤的復(fù)位、壓緊，并空套于主軸上，由兩鎖緊螺母(16)進(jìn)行定位及調(diào)節(jié)預(yù)緊力；油管接頭(11)與油囊架(12)連接，通過油囊架(12)內(nèi)部油路對(duì)油囊供油，油囊G)、 承摩簧片(5)均與油囊架(12)固定連接；油囊架(1 與主軸箱體(14)通過連接螺栓(13) 連接；承摩簧片( 位于油囊(4)與平衡盤(1)之間，且油囊(4)內(nèi)低油壓時(shí)，承摩簧片(5) 與平衡盤⑴不接觸，平衡盤⑴與嚙合齒座⑵嚙合；油囊⑷內(nèi)高油壓時(shí)，油囊⑷的膨脹力通過承摩簧片(5)作用于平衡盤，推動(dòng)平衡盤(1)與嚙合齒座O)分離；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種內(nèi)置式高速主軸雙面在線動(dòng)平衡裝置，其特征在于所述的平衡盤(1)、嚙合齒座(2)為整體加工式結(jié)構(gòu)；所述復(fù)位簧片(3)構(gòu)成的復(fù)位簧片組為整體可拆裝式結(jié)構(gòu)；所述的油囊G)-承摩簧片(5)為整體可拆裝式結(jié)構(gòu)；
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種內(nèi)置式高速主軸雙面在線動(dòng)平衡裝置的控制系統(tǒng)，包括液壓控制系統(tǒng)、不平衡振動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)兩部分，其特征在于液壓控制系統(tǒng)包括油箱(LPSl)、油泵(LPS2)、兩位四通閥(LPS3)、緩沖油腔(LPS4)、 溢流閥(LPS5)、電機(jī)(LPS6)、濾器(LPS7)、油管(Li、L2、L3)、油管接頭；油箱(LPSl)出油口 (PlO)經(jīng)濾器(LPS7)、油管與油泵(LPS2)進(jìn)油相接，油泵(LPS2)出油口經(jīng)進(jìn)油管(Li) 與兩位四通閥(LPS3)的pi相連，p2 口經(jīng)進(jìn)油管(Li)與緩沖油腔(LPS4)進(jìn)油口(p5)相連；緩沖油腔(LPS4)回油口(p6)經(jīng)回油管(L2)與兩位四通閥(LPS3)的p3相連，p4 口經(jīng)回油管(L2)與油箱(LPS 1)回油口(p8)相連；緩沖油腔(LPS4)溢油口(p7)經(jīng)溢流閥 (LPS5)及溢油管(L3)與油箱(LPSl)溢流回油口(p9)相連；緩沖油腔(LPS4)出油(pll、 Pl2,pl3)分別通過油管與各自所控油囊(4)連接；兩位四通閥(LPS3)電磁鐵接控制信號(hào)， 控制兩位四通閥(LPS3)的工作位置；不平衡振動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)包括兩個(gè)電渦流傳感器(vl、v2)，四個(gè)光電傳感器(Si、 s2、s3、s4)，一個(gè)光電傳感器(stl)，BNC2110屏蔽式接線盒，NIPCI-6221動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡， 計(jì)算機(jī)，電腦RS232串口控制的智能多路控制器，兩位四通閥控制端電磁鐵；主軸前軸承座的振動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器(vl)，主軸后軸承座的振動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器(v2)，四個(gè)平衡盤位置監(jiān)測(cè)傳感器(si、s2、s3、s4)，以及基準(zhǔn)信號(hào)傳感器(stl)分別通過信號(hào)電纜與BNC2110屏蔽式接線盒連接，測(cè)量信號(hào)經(jīng)信號(hào)采集卡與計(jì)算機(jī)信號(hào)相連，；計(jì)算機(jī)通過RS232串口與智能多路控制器相連，智能多路控制器的輸出接兩位四通閥(LPS4)的控制端電磁鐵；
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種內(nèi)置式主軸雙面在線動(dòng)平衡裝置的控制方法，其特征在于該方法包括系統(tǒng)使用前準(zhǔn)備工作、振動(dòng)信號(hào)分析與控制兩個(gè)方面 1系統(tǒng)使用前準(zhǔn)備工作包括1)依據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及平衡精度等級(jí)要求輸入系統(tǒng)基本參數(shù)；包括四個(gè)平衡盤固有不平衡量、平衡精度等級(jí)、平衡盤嚙合齒的齒距、各傳感器參數(shù)；并將這些參數(shù)作為基本控制參數(shù)存入系統(tǒng)，用于后續(xù)計(jì)算與控制；2)通過兩次試重，分別計(jì)算兩校正平面對(duì)兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)的影響系數(shù)，并存儲(chǔ)于系統(tǒng)，為動(dòng)平衡過程中的相關(guān)計(jì)算所用；具體操作為傳感器(vl)測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)Ptl的振動(dòng)信號(hào)，傳感器(W)測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)pt2的振動(dòng)信號(hào)；i)調(diào)節(jié)平衡頭I、II的合成不平衡量均為零，此時(shí)在平衡轉(zhuǎn)速上測(cè)量前軸承測(cè)點(diǎn)Ptl 的原始不平衡振動(dòng)兄，表示為又=^01Zam;同時(shí)測(cè)量后軸承測(cè)點(diǎn)Pt2的原始不平衡振動(dòng)Ai，表示為
全文摘要
一種內(nèi)置式高速主軸雙面在線動(dòng)平衡裝置及其控制系統(tǒng)，屬于精密超精密加工及自動(dòng)化領(lǐng)域。通過控制主軸系統(tǒng)上的兩個(gè)平衡頭不平衡量的重新配置來改變系統(tǒng)的不平衡狀態(tài)。其每個(gè)平衡頭的平衡盤由周向互成120°角的油囊-承摩簧片機(jī)構(gòu)推動(dòng)。復(fù)位簧片保證正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)平衡盤與主軸的緊密嚙合。在分離過程中，復(fù)位簧片保證平衡盤相對(duì)主軸差速運(yùn)動(dòng)及其穩(wěn)定。控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)同時(shí)采集、信號(hào)并行處理與多路信號(hào)并行輸出等方案，縮短平衡時(shí)間；系統(tǒng)結(jié)合泄油提前角輸出控制信號(hào)，對(duì)四個(gè)平衡盤的位置分別調(diào)節(jié)，提高控制的準(zhǔn)確性。
文檔編號(hào)G01M1/38GK102252806SQ20111010753
公開日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月27日
發(fā)明者伍良生, 張仕海 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)